Coal Combustion-Final Project

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGUYỄN HỮU LINH i KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH 2 – K55

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn thầy cô trong Viện KH&CN Nhiệt Lạnh, đặc

biệt là thầy giáo hướng dẫn TS. Lê Đức Dũng đã tận tình hướng dẫn, truyền

đạt kiến thức, giúp đỡ em trong suốt thời gian hoàn thành đề tài này.

Em cũng chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Nguyễn Việt Hùng đã luôn

tạo điều kiện cho em được sử dụng phần mềm bản quyền ANSYS

WORKBENCH trong suốt quá trình em làm đồ án và anh Trần Minh Ngọc và

anh Vương Văn Hải đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo về phần mềm ANSYS

FLUENT.

Qua đây, em cũng gửi lời cảm ơn đến Nhà máy nhiệt điện Ninh Bình và

Viện Năng lượng đã cung cấp số liệu để em có thể thực hiện được đồ án này.

Trong quá trình làm đồ án, kiến thức và kinh nghiệm còn thiếu, nên bản

đồ án này không tránh khỏi những sai sót. Em rất mong được sự chỉ bảo của

các thầy cô để em hoàn thiện hơn kiến thức chuyên ngành cũng như bổ sung

để bản đồ án này được hoàn chỉnh hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!


NGUYỄN HỮU LINH ii KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH 2 – K55

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản đồ án này do tôi tự tính toán, thiết kế và nghiên

cứu dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS. Lê Đức Dũng.

Để hoàn thành đồ án này, tôi chỉ sử dụng tài liệu đã ghi trong mục tài

liệu tham khảo, ngoài ra không sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác mà không

được ghi.

Nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định.

Sinh viên thực hiện

(Ký tên)

Nguyễn Hữu Linh


NGUYỄN HỮU LINH iii KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH 2 – K55

MỤC LỤC

MỤC LỤC ............................................................................................................. i

CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU ....................................................................................... 1

1.1. Tổng quan về nhu cầu than cho nhà máy điện đốt than ở Việt Nam ....... 1

1.2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu trộn than ngoài nước và trong nước 2

1.2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước ......................................................... 2

1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước.......................................................... 4

1.3. Tổng quan về đề tài .................................................................................. 6

1.3.1. Mục đích nghiên cứu ............................................................................. 7

1.3.2. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................... 8

1.3.3. Nội dung đồ án ...................................................................................... 8

CHƯƠNG II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NGUYÊN LÝ HÌNH THÀNH VÀ

KỸ THUẬT XỬ LÝ NOx TRONG QUÁ TRÌNH CHÁY THAN TRONG

LÒ HƠI ................................................................................................................ 9

2.1. Cơ chế hình thành NOx ............................................................................ 9

2.1.1. Cơ chế hình thành NOx theo nguyên lý phân hủy nhiệt ..................... 10

2.1.2. Cơ chế hình thành NOx nhiên liệu ...................................................... 11

2.1.3. Cơ chế hình thành NOx theo nguyên lý phản ứng tức thời. ................ 15

2.1.4. Khống chế sự hình thành NOx khi đốt than ........................................ 16

2.2. Ảnh hưởng của phương pháp đốt đối với sự phát thải NOx .................. 17

2.3. Công nghệ xử lý NOx trong quá trình cháy ........................................... 18

2.3.1. Đốt hệ số không khí thừa thấp ............................................................ 19

2.3.2. Đốt phân cấp không khí ...................................................................... 20

2.3.3. Đốt phân cấp nhiên liệu ...................................................................... 21

2.3.4. Tái tuần hoàn khói............................................................................... 22

2.3.5. Vòi phun bột than có nồng độ NOx thấp ............................................. 23


NGUYỄN HỮU LINH iv KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH 2 – K55

CHƯƠNG III. PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ANSYS FLUENT ..................... 25

3.1. Một số vấn đề về phương pháp CFD ..................................................... 25

3.1.1. Tổng quan về CFD .............................................................................. 25

3.1.2. Mô phỏng CFD ................................................................................... 25

3.1.3. Vai trò và ứng dụng của CFD ............................................................. 28

3.2. Phần mềm ANSYS FLUENT ................................................................ 29

3.2.1. Giới thiệu về phần mềm ANSYS FLUENT – phần mềm mô hình hóa

dòng chảy ............................................................................................................ 29

3.2.2. Mô hình dòng phản ứng và mô hình cháy có trong ANSYS FLUENT

được sử dụng trong quá trình mô phỏng cháy than và hình thành NOx ............. 30

CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY

THAN VÀ SỰ HÌNH THÀNH NOx TRONG LÒ HƠI BẰNG PHẦN MỀM

MÔ PHỎNG ANSYS FLUENT ....................................................................... 43

4.1. Giới thiệu mô hình lò hơi dùng trong quá trình mô phỏng .................... 43

4.2. Thiết lập và giải mô hình cháy than và mô hình NOX ........................... 48

4.2.1. Tổng quan về mô hình cháy than ........................................................ 48

4.2.2. Thiết lập và giải mô hình .................................................................... 49

4.2.3. Xử lý và đánh giá kết quả ................................................................... 61

4.2.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ trộn than đến sự hình thành NOx ....................... 66

CHƯƠNG V: KẾT LUẬN ............................................................................... 75

5.1. Tóm tắt nội dung .................................................................................... 75

5.2. Kết luận .................................................................................................. 75

5.3. Đề xuất ................................................................................................... 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 77


NGUYỄN HỮU LINH v KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH 2 – K55


NGUYỄN HỮU LINH 1 KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH 2 – K55

CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU

1.1. Tổng quan về nhu cầu than cho nhà máy điện đốt than ở Việt Nam

Theo Quy hoạch phát triển ngành than và ngành điện (Quy hoạch điện VII)

cho giai đoạn 2011 – 2020, có xét đến triển vọng đến 2030 thì nhu cầu than để

sản xuất điện như sau:

Bảng 1.1. Sản lượng điện và sản lượng than cấp cho nhà máy điện

Nội dung Năm 2020 Năm 2030

- Sản lượng khai thác than 65 triệu tấn 75 triệu tấn

- Khả năng cấp than cho điện 30 triệu tấn 35 triệu tấn

- Sản lượng điện (kịch bản cơ sở): 330 tỷ kWh/năm 695 tỷ kWh/năm

trong đó: do nhà máy nhiệt điện đốt than 156 tỷ kWh./năm 392 tỷ kWh/năm

chiếm tỷ trọng 47,27% 56,40%

- Lượng than yêu cầu 78 triệu tấn/năm 170 triệu tấn/năm

Thiếu hụt 48 triệu tấn/năm 135 triệu tấn/năm

Lượng than thiếu hụt được bù đắp bằng than nhập khẩu. Than nội địa cấp

cho NMNĐ là than antraxit cám xấu (than tốt nhất cấp cho sản xuất điện là cám

5, còn lại là cám 6 có độ tro từ 30 – 40%), chất bốc thấp (< 6%), nên rất khó đốt

cháy. Đối với các lò hơi đốt than bột (chiến tỷ trọng chủ yếu trong sản xuất điện)

phụ tải nhở hơn 70% định mức đã phải đốt kèm dầu, phụ tải nhỏ hơn hoặc bằng

50% định mức đã phải đốt toàn dầu, lượng cacbon chưa cháy còn lại trong tro

rất cao, từ 15 – 20%, làm giảm hiệu suất năng lượng của nhà máy điện tới 3 –

4%. Dự báo chất lượng than nội địa cấp cho nhà máy điện trong tương lai cũng

không được cải thiện hơn.

Tình hình này đòi hỏi phải có những nghiên cứu khẩn trương, cấp bách để

có những khuyến nghị kịp thời cho việc khẳng định chủng loại và chất lượng

than cấp ổn định cho nỗi NMNĐ, bảo đảm để các NMNĐ làm việc ổn định, tin

cậy, đạt hiệu suất cao khi sử dụng loại than được cấp.

Quyết định số 5964/QĐ-BCT ngày 9/12/2012 của Bộ Công Thương “Xác

định nhu cầu và các nguồn than cho sản xuất điện tới năm 2030, tối ưu phương

pháp cung cấp than cho các NMNĐ than đã được duyệt trong Quy hoạch Điện



VII”, cùng với phụ lục đính kèm của Quyết định này đã thể hiện ý tưởng và

mong muốn cấp một chủng loại than ổn định trong suốt đời của mỗi NMNĐ.

Tuy nhiên để thực hiện ý tưởng này rất cần phải có những nghiên cứu toàn diện

về việc tổ chức đốt cháy than, đặc biệt là việc phối trộn các loại than để khẳng

định loại than cấp cho NMNĐ là tối ưu ứng với mỗi cấu tạo lò hơi của NMNĐ.

1.2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu trộn than ngoài nước và trong nước

1.2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Trong những năm gần đây, chất lượng than cấp cho sản xuất điện có xu

hướng ngày càng giảm, nên công nghệ đốt than chất lượng thấp đã được nhiều

hãng chế tạo lò hơi nghiên cứu và thực hiện có hiệu quả.

Một trong những giải pháp đốt hiệu quả than chất lượng thấp, hàm lượng

tro cao là áp dụng công nghệ lò hơi lớp sôi tuần hoàn. Tuy vậy, lò hơi than phun

vẫn là công nghệ đốt chủ đạo vì nó có nhiều ưu điểm như công suất lớn, hiệu

suất cao phù hợp với các loại than ít lưu huỳnh. Trong khi đó lò hơi CFB vẫn

còn hạn chế về mặt công suất.

Tại Việt Nam, do hàm lượng chất bốc trong than antraxit thấp, khó đốt

cháy, cho nên tỷ lệ các bon chưa cháy hết trong tro bay tại các lò hơi đốt theo

công nghệ than phun vẫn ở mức cao, đôi khi hàm lượng lên đến 18%, gây lãng

phí lớn nguồn tài nguyên than.

Để đốt hiệu quả than antraxit có chất bốc thấp, độ tro cao, một trong những

phương án mà các nhà chế tạo lò hơi lớn trên thế giới (như ở Nhật có

Mitsubishi, IHI, Idemitsu, Marubeni; ở Mỹ có Foster Wheeler; ở Trung Quốc,

…) lựa chọn là trộn than antraxit với than bitum hoặc á bitum có chất bốc cao

hơn, độ tro thấp hơn, để đốt trong các lò hơi của NMNĐ. Điển hình là nhà máy

điện Hanfeng của Trung Quốc, vận hành từ năm 2000, có 2 tổ máy, công suất

660 MW, đốt than antraxit mỏ Wannian trộn với than bitum có chất bốc cao của

tỉnh Shanxi.

Tây Ban Nha là nước có nhiều than antraxit, với các đặc tính than (nhất là

độ ẩm, chất bốc và độ tro) tương tự than antraxit Việt Nam. Vì vậy kinh nghiệm



đốt than của các nhà máy điện Tây Ban Nha là rất đáng chú ý. Một trong các

kinh nghiệm đó là trộn than antraxit với than bitum.Ví dụ: nhà máy điện

Compostilla trước năm 1992 chỉ đốt than antraxit, nhưng do chất lượng nhiên

liệu suy giảm và các khó khăn trong tối ưu quá trình cháy nên nhà máy đã nhập

khẩu than bitum của Nam Phi về trộn với than antraxit trong nước để đốt. Cũng

tại Tây Ban Nha một điều đáng chú ý là lò hơi của nhà máy điện Puente Nuevo

sử dụng hai loại vòi đốt riêng biệt. Các vòi đốt bố trí tại vai lò, phun than xuống

dưới chỉ dùng để đốt than antraxit. Các vòi đốt than bitum là các vòi đốt nằm

ngang, được bố trí ở các tường trước và sau. Trong vận hành cả hai loại vòi cùng

đồng thời được sử dụng.

Gần đây hãng IHI (Nhật Bản) theo chương trình đốt than trộn được Bộ

METI (Nhật Bản) tài trợ thông qua tổ chức NEDO và JCOAL đã và đang nghiên

cứu, thí nghiệm đốt than trộn antraxit của Việt Nam và than nhập khẩu nhắm tới

đối tượng phục vụ là các nhà máy điện đốt than cỡ lớn tại Việt Nam trong tương

lai sử dụng công nghệ siêu tới hạn/trên siêu tới hạn của Nhật Bản. Đã tiến hành

nghiên cứu phân tích than trộn giữa than antraxit Việt Nam (cám 5A Hòn Gai)

và than nhập khẩu (á bitum Indonexia) và đốt thử nghiệm hai giai đoạn: Giai

đoạn 1 ở quy mô nhỏ trong lò làm mát bằng nước hình trụ kiểu đứng, công suất

1,2MW với 1 vòi đốt 150 kg/h (than bitum); Giai đoạn 2 đã đốt thử nghiệm

trong lò làm mát bằng nước kiểu đứng, công suất 12MWth, dùng 2 loại vòi đốt,

gồm vòi đốt cho than chất bốc thấp và vòi đốt IHI-DF, công suất 1600 kg/h cho

than bitum. Theo chương trình của JCOAL, tháng 12 năm 2012, Phòng Nghiên

cứu, thí nghiệm than và môi trường của Công ty Idemitsu (Nhật Bản) đã có báo

cáo kết quả mô phỏng trên máy tính quá trình cháy than trộn antraxit của Việt

Nam và than á bitum của Indonexia cho lò hơi hiện có của Phả Lại 2 và lò đang

lắp đặt tại Vũng Áng 1. Theo đó, việc trộn than chất bốc cao á bitum của

Indonexia với than antraxit Việt Nam sẽ cải thiện độ ổn định cháy của than và

làm tăng hiệu suất của lò hơi. Tuy nhiên, tỷ lệ trộn theo khuyến cáo cần lựa chọn

trên cơ sở tính toán đảm bảo các yếu tố: độ ổn định ngọn lửa, khả năng đóng xỉ,



nguy cơ nổ hỗn hợp than trong máy nghiền, nguy cơ làm hỏng các vòi phun

than,...

Tuy nhiên việc nghiên cứu đốt than trộn giữa than antraxit Việt Nam với

than bitum Úc, á bitum Indonexia của Nhật vẫn chỉ là nghiên cứu trên mô hình

vật lý, ngoài ra việc nghiên cứu này cò hạn chế đối với các loại than nhiều chất

bốc. Một số ứng dụng hạn chế ở việc dùng chủ yếu than nhiều chất bốc và chỉ tỷ

lệ nhỏ (xấp xỉ 15%) than antraxits. Chưa có nghiên cứu trộn than cám 6a, 6b hay

cám 7a của Việt Nam với các loại than có hàm lượng chất bốc thấp (Anthracite

nhập khẩu). Nghiên cứu sử dụng công nghệ lò hơi hiện có với các loại than

anthraxcite nhập có tính tương thích khá cao, ngoài ra loại than nhập này thông

thường có nhiệt trị cao hơn nhiều so với các loại than bitum.

1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước

Các nghiên cứu về cháy than trong nước hiện nay còn khá hạn chế, chủ yếu

là hiệu chỉnh các lò hơi đã xây dựng theo kinh nghiệm. Về cơ bản chưa có đơn

vị nào nghiên cứu một cách bài bản từ khâu nghiên cứu trong phòng thí nghiệm,

mô hình tương tự thu nhỏ, rồi đưa ra áp dụng vào các nhà máy nhiệt điện thực

tế. Toàn bộ các công nghệ lò hơi được áp dụng ở Viện Nam là do các hãng chế

tạo nước ngoài nghiên cứu và xây dựng, nên rất hạn chế việc thay đổi nhiên liệu

hay hiệu chỉnh hàng năm sau khi sửa chữa bảo dưỡng. Chỉ có ít hợp tác nghiên

cứu cải tiến, năm 2007-2008, Viện Năng lượng Bộ Công Thương đã chủ trì thực

hiện đề tài “Nghiên cứu sử dụng than cám chất lượng thấp trộn với than nhập

khẩu của các nước trong khu vực cho các lò hơi nhà máy nhiệt điện Việt Nam"

có hợp tác với hãng MHI Nhật Bản. Đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ cấp

Bộ do KS Nguyễn Tuấn Nghiêm làm chủ nhiệm. Đã nghiên cứu một số nội

dung cơ bản sau đây:

- Các xu hướng bám bẩn, đọng tro bay trên bề mặt dàn ống trao đổi nhiệt.

- Xu hướng đóng xỉ buồng đốt.

- Ảnh hưởng cỡ hạt và nồng độ ôxy tới chế độ cháy.

- Hệ thống nghiền và hệ thống trộn than trong nhà máy điện.



- Tính toán kỹ thuật - kinh tế - môi trường sơ bộ.

Nghiên cứu trên vẫn là vấn đề cải tạo lại vòi phun, trộn than nhiều chất bốc.

Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu mới dừng lại trong điều kiện của phòng

thí nghiệm và còn sơ bộ, ở dạng suy luận vì không đủ các số liệu đo đạc, phân

tích và minh chứng nên chưa đủ cơ sở lý luận cũng như thực tiễn để đưa vào áp

dụng trong sản xuất. Mặt khác kích thước mô hình quá bé, than đem đốt thí

nghiệm trong mô hình có khối lượng quá ít (ít hơn nhiều so với lượng than đốt

trong các mô hình thí nghiệm của IHI và của Idemitsu của Nhật), không xét gì

đến ảnh hưởng của cỡ hạt than. Ngoài ra còn rất nhiều ảnh hưởng khác đến chế

độ đốt cháy dòng than chưa được kể đến.

Cụ thể như sau:

- Ảnh hưởng của các chế độ vận hành của hệ thống nghiền than trộn (tỷ lệ

phối trộn, nhiệt độ khí nóng để tải bột than, thời gian nghiền than, v.v) đến chất

lượng than nghiền tại đầu ra thùng nghiền (trong trường hợp sử dụng thùng

nghiền chung) và khả năng chống cháy nổ trong hệ thống nghiền than;

- Ảnh hưởng của các thông số vận hành của buồng đốt lò hơi khi đốt than

trộn (tỷ lệ phối trộn, hệ số không khí thừa, nhiệt độ cháy, cấu trúc buồng đốt,

kiểu bố trí vòi phun, kích thước hạt than đốt, v.v) đến đặc tính vận hành của lò

hơi (phân bố tốc độ hạt và nhiệt độ dọc theo chiều cao buồng đốt, thành phần

phát thải CO, CO2, NOx, SOx, v.v);

- Ảnh hưởng của các thông số vận hành của quá trình cháy than trộn (tỷ lệ

phối trộn, thời gian cháy của than bột) đến đặc tính thải xỉ của buồng đốt lò hơi

(nhiệt độ T1, T2, T3 của xỉ; thành phần xỉ, thành phần chuyển pha xỉ, độ nhớt

của xỉ, …);

Việc trộn các loại than có chất lượng tốt với than xấu hơn của cùng một mỏ

than hay của các mỏ khác nhau cũng đã từng được thực hiện ở nhiều NMNĐ ở

Việt Nam. Như NMNĐ Phả Lại II đã trộn than của 4 mỏ khác nhau (Vàng

Danh, Hòn Gai, Cẩm Phả, Mạo Khê) để có mẫu than dùng cho nhà máy, NMNĐ



Quảng Ninh đã phối trộn than cám 5 + 6B để có than cám 6A dùng cho nhà

máy.

Tuy nhiên, việc phối trộn này vẫn chỉ là sự phối trộn của cùng một chủng

loại than (antraxit), nghĩa là về chất bốc gần như không thay đổi bao nhiêu nên

rất ít ảnh hưởng đến việc tổ chức quá trình cháy, chủ yếu là để bảo đảm nhiệt trị

của than sử dụng, theo hương than sử dụng không quá xấu về nhiệt trị, không

quá nhiều tro.

Trong thời gian gần đây (năm 2012), một số NMNĐ dùng lò hơi lớp sôi

(CFB) đã đốt than Na Dương (chất bốc cao) trước khi đốt than antraxit (chất

lượng xấu và rất xấu) trong quá trình khởi động lò hơi nhằm giảm thiểu nguy cơ

đóng xỉ lò hơi, giảm thời gian khởi động lò hơi từ trạng thái lạnh. Do dùng than

Na Dương để hỗ trợ khởi động lò nên đã tiết kiệm được hàng chục tấn dầu FO

cho mỗi lần khởi động. Hàng năm tiết kiệm được hàng tỷ đồng so với khởi động

thông thường.Tổng Công ty Điện lực Vinacomin đã và đang khuyến khích các

nhà máy điện trực thuộc áp dụng phương pháp khởi động phối hợp này.

Tuy nhiên, giải pháp này mới chỉ dừng lại ở việc sử dụng than dễ cháy phối

hợp với dầu FO để giảm lượng dầu tiêu thụ trong quá trình khởi động lò hơi,

chưa nghiên cứu vấn đề đốt hỗn hợp than khó cháy với than dễ cháy nhằm nâng

cao hiệu quả vận hành lò hơi CFB, đặc biệt là khi đốt than rất xấu ở phụ tải

thấp, mặt khác cũng chưa có các nghiên cứu và thí nghiệm, đo đạc, phân tích để

có những đánh giá đầy đủ về khoa học, về kinh tế, nhằm tiến tới việc xác định tỷ

lệ các loại than phối trộn tối ưu, việc xây dựng quy trình trộn và đốt than trộn,

phương pháp thí nghiệm và tính kết quả thí nghiệm đốt than trộn. Trên cơ sở đó

xây dựng phương pháp chỉ dẫn kỹ thuật để áp dụng chung cho các lò CFB.

1.3. Tổng quan về đề tài

Để đáp ứng nhu cầu than ngày một gia tăng cho sản xuất điện, trong khi

nguồn than sản xuất trong nước không đủ và chất lượng than cấp cho điện có

chiều hướng ngày càng giảm, để đảm bảo cao nhất an ninh năng lượng quốc gia

và hiệu quả sử dụng than, vấn đề cấp thiết đặt ra là sử dụng hợp lý nguồn than



nội địa và than nhập khẩu (trộn than với tỷ lệ hợp lý) để tạo ra nguồn than cung

cấp ổn định lâu dài với các giải pháp phân phối, vận chuyển hợp lý, đảm bảo

chất lượng và chi phí cung cấp than thấp nhất, đồng thời nâng cao hiệu suất năng

lượng cho các NMNĐ. Cũng như để đảm bảo sự làm việc ổn định, tin cậy lâu

dài, giảm tối đa chi phí đầu tư cải tạo thiết bị công nghệ đốt, nâng cao hiệu quả

sử dụng nhiên liệu. Và một vấn đề nữa là giảm thiểu ô nhiễm môi trường đặc

biệt là giảm phát thải các chất gây ô nhiễm môi trường trong quá trình đốt than

như NOx, SOx…thì vấn đề nghiên cứu công nghệ đốt than trộn cũng như việc

nghiên cứu sự hình thành chất gây ô nhiễm NOx… cho các nhà máy nhiệt điện

đốt than đang vận hành và sẽ đưa vào vận hành trong giai đoạn đến năm 2018 –

2020 là hết sức cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

Vì vậy, em đã lựa chọn đề tài nghiên cứu: Nghiên cứu sự hình thành NOx

trong trong buồng đốt lò hơi kiểu tiếp tuyến bằng phần mềm mô phỏng

ANSYS.

Đề tài đã nghiên cứu đốt than trên mô hình mô phỏng ANSYS FLUENT

cho đối tượng Nhà máy nhiệt điện Ninh Bình đã xây dựng từ lâu và tháng

11/2014, nhà máy đã tiến hành đốt thử than trộn. Ban đầu nhà máy đã tiến hành

đốt thử nghiệm tỷ lệ trộn 95% – 5% tương ứng là than nội địa và than nhập

khẩu. Sắp tới nhà máy sẽ tiến hành đốt các mẫu có tỷ lệ trộn 90% - 10%, 80% -

20%. Đối với nhà máy, để tìm ra các điều kiện đốt và tỷ lệ trộn hợp lý phù hợp

cho điều kiện hoạt động của nhà máy thì việc cải tạo vòi đốt, cũng như việc thí

nghiệm trên mô hình thực tế là rất tốn kém về tiền bạc, sức lực và thời gian.

Việc xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm ANSYS sẽ góp phần giảm

được thời gian nghiên cứu và tránh được những rủi ro khi nghiên cứu tại nhà

máy. Và từ các kết quả nghiên cứu được, sẽ góp phần vào việc xây dựng chế độ

đốt tốt nhất cho lò hơi NMNĐ.

1.3.1. Mục đích nghiên cứu

Từ những phân tích trên, đề tài có những mục đích sau:



- Nghiên cứu lý thuyết về sự hình thành cũng như các biện pháp giảm phát

thải NOx.

- Xây dựng được mô hình buồng đốt theo mô hình lò hơi SG 130-40-450

đang vận hành tại NMNĐ Ninh Bình để nghiên cứu đánh giá các chế độ cháy

bằng phần mềm ANSYS FLUENT để tìm được chế độ cháy hợp lý đối với các

loại than, tỷ lệ trộn khác nhau.

1.3.2. Phương pháp nghiên cứu

Trong vấn đề nghiên cứu bài toán cháy than và than trộn, việc sử dụng

phương pháp CFD là một yêu cầu bức thiết. Với sự phát triển mạnh mẽ của

CFD trong những năm trở lại đây, công cụ mô phỏng CFD - phần mềm ANSYS

FLUENT cho phép thay đổi các chế độ một cách linh hoạt, hạn chế được số lần

thực nghiệm, đồng nghĩa với việc tiết kiệm được chi phí.

Trong đồ án này, một số vấn đề cơ bản về CFD như một số khái niệm, quy

trình mô phỏng cũng như vai trò và ứng dụng của CFD sẽ được trình bày trong

phần sau của đồ án.

1.3.3. Nội dung đồ án

Để thực hiện những mục đích trên, nội dung đồ án gồm có các nội dung

sau:

- Chương I: Mở đầu.

- Chương II: Nghiên cứu lý thuyết về cơ chế hình thành và các biện pháp

làm giảm sự hình thành NOx.

- Chương III: Giới thiệu về CFD, phần mềm ANSYS FLUENT và các mô

hình vật lý được sử dụng để giải quyết bài toán.

- Chương IV: Xây dựng mô hình hình học, thiết lập bộ giải và đánh giá sự

hình thành NOx tổng, NOx xét riêng theo từng cơ chế hình thành. Đồng thời

cũng xét sự ảnh hưởng của các tỷ lệ trộn than khác nhau đến sự hình thành NOx.

- Chương V: Xác định sự thay đổi NOx khi thay đổi chế độ đốt. Để từ đó

tìm ra chế độ đốt hợp lý cho lò hơi.



CHƯƠNG II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NGUYÊN LÝ HÌNH THÀNH VÀ

KỸ THUẬT XỬ LÝ NOx TRONG QUÁ TRÌNH CHÁY THAN TRONG

LÒ HƠI

2.1. Cơ chế hình thành NOx

Nitơ oxit sinh ra trong quá trình đốt cháy bột than chủ yếu là NO và NO2

gọi chung là NOx, ngoài ra còn có ít N2O. Trong quá trình đốt cháy than, lượng

NOx hình thành và thải ra có quan hệ mật thiết với điều kiện cháy như phương

thức đốt, đặc biệt là nhiệt độ cháy và hệ số không khí thừa. Lấy đốt cháy than

bột làm ví dụ, nếu không khống chế, lượng NOx thải ra trong lò hơi thỉa xỉ lỏng

cao hơn nhiều so với lò hơi thải xỉ khô, mà thải xỉ khô, nếu cách bố trí vòi phun

không giống nhau, không khống chế lượng NOx thì lượng NOx thải ra cũng khác

nhau như hình 2.1 biểu thị.

Hình 2.1. Quan hệ giữa lượng NOx thải ra với phương thức đốt và sản

lượng lò

Trong quá trình cháy than ở nhiêt độ trên 1000 oC NOx sinh ra, trong đó

NO chiếm 90%, NO2 chiếm 5 – 10 %.



NOx hình thành trong quá trình cháy than theo 3 cơ chế: Phân hủy nhiệt,

Nhiên liệu, Phản ứng tức thời.

Biểu đồ hình 2.2 cho ta thấy tương quan lượng NOx sinh ra từ 3 cơ chế theo

nhiệt độ.

Hình 2.2. Tương quan lượng NOx sinh ra từ 3 cơ chế theo nhiệt độ

Từ hình 2.2 ta thấy, NOx nhiên liệu là chủ yếu chiếm khoảng (60-80%)

trong tổng số NOx hình thành, NOx nhiệt có thể chiếm 20% và phụ thuộc rất

nhiều vào nhiệt độ, còn NOx tức thời chiếm một lượng nhỏ.

2.1.1. Cơ chế hình thành NOx theo nguyên lý phân hủy nhiệt

NOx nhiệt sinh ra do Nitơ (N2) trong không khí tạo thành dưới dạng nhiệt

độ cao trong qúa trình cháy.

Cơ chế hình thành có thể biểu thị bằng phản ứng dây chuyền không phân

nhánh của Zeldovich dưới đây:

O2 + M ⇌ 2O + M (2.1)

O + N2 ⇌ NO + N (2.2)

N + O 2 ⇌ NO + O (2.3)



Do đó dưới nhiệt độ cao, phương trình tổng phản ứng tạo thành NO và NO2

có dạng

N2 + O2 ⇌ 2NO (2-4)

NO + 1/2O2 ⇌ NO2 (2-5)

2.1.2. Cơ chế hình thành NOx nhiên liệu

Cơ chế hình thành NOx nhiên liệu rất phức tạp, nên mặc dù nhiều năm nay

nhiều học giả trên thế giới đã tiến hành rất nhiều công trình nghiên cứu về lý

luận cũng như thực tế để làm rõ cơ chế hình thành và phân hủy NOx nhiên liệu,

nhưng cho đến nay vẫn chưa rõ ràng.

Thực tế cho thấy, khi đốt than bột, khoảng 70 – 90% là NOx nhiên liệu, cho

nên NOx sinh ra chủ yếu do đốt cháy Nitơ trong nhiên liệu. Việc nghiên cứu cơ

chế hình thành và phân hủy NOx nhiên liệu có ý nghĩa quan trọng đối với việc

khống chế NOx thải ra trong quá trình đốt cháy một cách hiệu quả.

Tổng kết quá trình nghiên cứu những năm gần đây, cơ chế hình thành NOx

nhiên liệu có những quy luật sau:

1. Trong điều kiện đốt cháy bình thường, các hợp chất hữu cơ của Nitơ bị

nhiệt phân trước tiên thành HCN, NH3 và CN là những sản phẩm trung gian

cùng tách ra cùng với chất bốc, nên gọi là Nitơ chất bốc. Sau khi Nitơ bốc theo

chất bốc vẫn còn hợp chất Nitơ trong cốc, gọi là Nitơ cốc.



Hình 2.3. Biểu thị quá trình phân hủy N trong nhiên liệu thành N chất bốc

và N cốc.

Nghiên cứu trên thế giới cho thấy khi lượng chất bốc tách ra khoảng (10 -

15%) tổng lượng chất bốc trong than thì N chất bốc mới bắt đầu tách ra. Tỷ lệ N

chất bốc và N cốc trong nhiên liệu có quan hệ mật thiết với từng loại than, nhiệt

độ nhiệt phân và tốc độ gia nhiệt. Khi thành phần chất bốc của nhiên liệu cao,

nhiệt độ nhiệt phân và tốc độ gia nhiệt tăng lên thì N chất bốc tăng lên còn N

cốc sẽ giảm theo hình 1.4

Hình 2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tỷ lệ chuyển hóa Nitơ

2. Trong N chất bốc, hợp chất N chủ yếu nhất là HCN và NH3. Trong N chất

bốc, tỷ lệ HCN và NH3 không chỉ quyết định bởi tính chất hóa học của than và

chất bốc, mà có quan hệ mật thiết với tính chất hóa học của N kết hợp với các

loại Cacbonhydro của nhiên liệu, đồng thời có quan hệ với điều kiện đốt cháy

như nhiệt độ, hệ số không khí thừa… Quy luật đó như sau:

- Đối với than có khói, trong N chất bốc, tỷ lệ HCN lớn hơn NH3, như trong

than Việt Nam thì N chất bốc NH3 là chủ yếu. Đối với than không khói thì N

chất bốc trong HCN và NH3 tương đối ít.

- Khi N nhiên liệu kết hợp với C6H5NH2, HCN là sản phẩm nhiệt phân chủ

yếu ban đầu, khi N nhiên liệu tồn tại dưới hình thức khác thì NH3 lại là sản

phẩm chủ yếu của phản ứng nhiệt phân.



- Trong N chất bốc lượng HCN và NH3 tăng lên khi nhiệt độ tăng lên,

nhưng khi nhiệt độ vượt quá 1000oC – 1100oC thì hàm lượng NH3 đạt đến bão

hòa.

- Khi nhiệt độ tăng lên, N nhiên liệu chuyển hóa thành HCN với tỷ lệ lớn

hơn chuyển thành NH3.

3. Lộ trình phản ứng chủ yếu của HCN trong N chất bốc bị oxy hóa được

biểu thị như sau:

Hình 2.5 Lộ trình chủ yếu phản ứng oxy hóa HCN

N chất bốc cùng được tách ra với thành phần chất bốc sau khi gặp oxy

trong quá trình đốt cháy chất bốc, sẽ tiến hành một loạt phản ứng.

Từ lộ trình phản ứng trên có thể thấy, HCN trong N chất bốc bị oxy hóa

thành NCO, có thể có hai lộ trình phản ứng quyết định bởi điều kiện phản ứng

mà NO gặp tiếp theo. Trong môi trường oxy hóa NCO sẽ tiếp tục oxy hóa thành

NO, nếu gặp môi trường hoàn nguyên, thì NCO sẽ phản ứng cho NH, lúc đó

trong môi trường oxy hóa NH tiếp tục õi hóa thành NO, NH thành nguồn tạo ra

NO, đồng thời còn có thể cùng với NO mới tạo thành, tiền hành phản ứng hoàn

nguyên, làm cho NO hoàn nguyên thành N2, lúc đó NH lại là chất hoàn nguyên

NO.

4. Lộ trình chủ yếu của NH3 trong N chất bốc bị oxy hóa như hình 1.6



Hình 2.6 Lộ trình chủ yếu phản ứng oxy hóa NH3

Từ lộ trình trên, NH3 có thể là nguồn hình thành NO, cũng có thể trở thành

chất hoàn nguyen NO.

5. Dưới nhiệt độ cháy thông thường, NOx nhiên liệu chủ yếu là từ N chất

bốc.

Khi đốt bột than NOx do chất bốc sinh ra chiếm 60 – 80% tổng NOx nhiên

liệu. Qua nhiều nghiên cứu cho thấy, trong môi trường oxy hóa, khi hệ số không

khí thừa tăng lên, NOx chất bốc tăng nhanh, vượt NOx cốc một cách rõ ràng, còn

N cốc tăng tương đối ít. Đó là do:

- Năng lượng hoạt hóa phản ứng N cốc tạo thành NO lớn hơn năng lượng

hoạt hóa phản ứng cháy của than, cho nên NOx cốc được tạo thành ở vùng cháy

cốc phía dưới ngọn lửa.

- Tác dụng hoàn nguyên của bề mặt cốc cùng với C và CaO trong tro tác

dụng làm cho NOx hoàn nguyên.

6. Phân hủy NOx

Ta biết NOx tạo thành trong môi trường oxy hóa khi gặp môi trường hoàn

nguyên (đốt nhiên liệu giàu hoặc thiếu oxy) sẽ hoàn nguyên thành phân tử N2,

đó gọi là phân hủy NOx hay sự hoàn nguyên NOx. Cho nên, nồng độ NOx tạo

thành ban đầu sẽ không bằng NOx khi thải ra, vì khi thay đổi điều kiện cháy, có

thể làm cho NOx hình thành bị phân hủy, hoàn nguyên trở lại Nitơ.

Nồng độ NOx phát thải của thiết bị đốt than quyết định bởi kết quả tổng

hợp của phản ứng tạo thành NOx và phản ứng hoàn nguyên hoặc phân hủy NOx.



Hình 2.7 Biểu thị lộ trình phản ứng phân hủy NOx

Như đã giới thiệu, quá trình hình thành và phân hủy NOx nhiên liệu là vô

cùng phức tạp, có 3 dạng lộ trình phản ứng và rất nhiều phương trình phản ứng.

Đến nay đã phát hiện ra ít nhất 251 loại phương trình phản ứng có quan hệ đến

quá trình hình thành và phân hủy NOx.

2.1.3. Cơ chế hình thành NOx theo nguyên lý phản ứng tức thời.

NOx tức thời do Fenimore phát hiện qua thực nghiệm vào năm 1971. Tức là

khi đốt nhiên liệu là hỗn hợp Cacbonhydro với nồng độ nhiên liệu quá đặc, ở

xung quanh khu vực phản ứng sẽ tạo thành NOx. NOx tức thời không giống như

NOx nhiệt và NOx nhiên liệu, đó là do CHi sinh ra khi đốt nhiên liệu va đập vào

N2 trong không khí tạo thành CN, HCN, sau đó bị oxy hóa tạo thành NOx.

NOx tức thời là do N2 trong không khí dùng để đốt cháy bị oxy hóa tạo ra.

Xét từ nguồn gốc N2 tạo thành NOx, thì tương tự như NOx nhiệt, ngược lại nó rất

giống với cơ chế hình thành NOx nhiên liệu. Thực ra sau khi N2 và CHi phản

ứng tạo thành HCN, thì NOx nhiên liệu đi theo lộ trình phản ứng hoàn toàn

giống nhau.

NOx tức thời sinh ra trong trường hợp đốt nhiên liệu giàu, nhóm CHi có khá

nhiều trong khi đốt cháy mà nồng độ oxy tương đối thấp, phát sinh nhiều trong

quá trình cháy của động cơ đốt trong. Trong các thiết bị đốt than, so với NOx

nhiệt và NOx nhiên liệu thì NOx tức thời tạo thành ít hơn nhiều.

Có nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng, NOx tức thời ít phụ thuộc vào nhiệt độ.

Thông thường, khi đốt ở nhiệt độ thấp các nhiên liệu Cacbonhydro không chứa



Nitơ, mới chú ý tới NOx tức thời, vì khi nhiệt độ quá 1500 oC, thì NOx nhiệt là

tác dụng chủ yếu.

2.1.4. Khống chế sự hình thành NOx khi đốt than

Từ ba cơ chế hình thành NOx nhiệt, nhiên liệu và tức thời đã được trình bày

ở trên ta có thể thấy, cơ chế hình thành các loại NOx là không giống nhau, chủ

yếu thể hiện ở nguồn gốc Nitơ không giống nhau, lộ trình hình thành không

giống nhau và điều kiện hình thành không giống nhau, nhưng chúng lại có một

quan hệ nhất định. Cho nên có thể dùng mô hình 2.8 để miêu tả cơ chế hình

thành NOx, đồng thời cũng thấy được sự khác nhau cũng như sự liên hệ về bac ơ

chế hình thành NOx đó. Cho nên hình 2.8 là bảng tóm tắt về cơ chế hình thành

NOx.

Hình 2.8. Biểu đồ cơ chế hình thành NOx

NOx tức thời chiếm tỷ lệ 5%, ở nhiệt độ thấp hơn 1350 oC, hầu như không

có NOx nhiệt, chỉ khi nhiệt độ vượt quá 1600oC như trong buồng lửa thải xỷ

lỏng, NOx nhiệt mới chiếm 25 – 30%. Còn trong thiết bị đốt than thông thường,

NOx chủ yếu là theo lộ trình hình thành NOx nhiên liệu. Cho nên việc khống chế



và làm giảm NOx hình thành trong khi đốt than, chủ yếu là khống chế NOx nhiên

liệu.

2.2. Ảnh hưởng của phương pháp đốt đối với sự phát thải NOx

Từ các quy luật hình thành NOx, các nhân tố chủ yếu ảnh hưởng đến sự

hình thành và phân hủy NOx trong quá trình đốt cháy than là:

- Đặc tính của nhiên liệu, như hàm lượng Nitơ, hàm lượng chất bốc, tỷ số

nhiên liệu FC/V…

- Nhiệt độ cháy

- Môi trường khói trong vùng phản ứng của buồng lửa, tức là hàm lượng O,

N2, NO và CH trong khói.

- Thời gian lưu lại của nhiên liệu và sản phẩm cháy trong vùng nhiệt độ cao

của ngọn lửa và trong buồng lửa.

Hình 2.9 Giá trị NOx phát thải ban đầu cùng với mức độ cần giảm NOx để

đạt tiêu chuẩn bảo vệ môi trường

Từ hình vẽ ta thấy, vì nhiệt độ cháy của buồng lửa đốt bột than thải xỉ lỏng

là cao nhất, nên ngoài NOx nhiên liệu ra, còn sinh thêm NOx nhiệt làm cho

lượng NOx phát thải ban đầu trong lò đốt bột than thải xỉ lỏng là cao nhất. Với lò

đốt bột than thải xỉ khô do nhiệt độ đốt cháy tương đối thấp, trong quá trình đốt



cháy chủ yếu hình thành là NOx nhiên liệu, nên có giá trị phát thải ban đầu thấp

hơn nhiều sơ với lò hơi thải xỉ lỏng. Tuy lò đốt bột than thải xỉ khô như nhau,

khi thiết bị đốt bố trí trên buồng lửa khác nhau, hình thành phương thức đốt khác

nhau. Trên hình 2.1 có thể thấy, với phương thức đốt tiếp tuyến của vòi phun bố

trí bốn góc, do ngọn lửa tiếp tuyến với vòng tròn giả định trong buồng lửa làm

cho ngọn lửa bột than chuyển động sát với dàn ống bốn phía buồng lửa, nên điều

kiện làm lạnh khói tốt hơn các phương thức khác. Đồng thời cách đốt tiếp tuyến

này dùng vòi phun thổi thẳng, điều kiện hỗn hợp gió cấp một và cấp hai kém

hơn sơ với vòi phun xoaysm làm cho bột than và không khí hỗn hợp tương đối

chậm, nên so với cách đốt thông thường khác, thì lượng NOx phát thải ban đầu

tương đối thấp. Hơn nữa, lượng phát thải NOx sinh ra không tăng theo năng suất

lò.

Đối với cách đốt bột than mà vì phun đặt cả ở tường trước hoặc cả tường

trước và tường sau, do ngọn lửa tương đối tập trung ở trung tâm buồng lửa,

không những lượng NOx phát thải ban đầu cao hơn cách đốt tiếp tuyến mà lượng

phát thải tăng khi năng suất lò tăng. Lượng NOx của lò tầng sôi tuần hoàn là thấp

nhất, đó không chỉ do nhiệt độ cháy của nó thấp nhất, mà còn do tác dụng phân

hủy NOx của các hạt chất rắn chứa đầy trong buồng lửa làm cho NOx phát thải

thấp hơn so với lò tầng sôi thông thường cung đốt ở nhiệt độ 850oC.

Hình 2.1 và 2.9 nói lên rằng, phương thức đốt, cũng tức là điều kiện đốt có

ảnh hưởng rất lớn đến lượng NOx hình thành và phát thải, cho nên thay đổi điều

kiện đốt, điều kiện vận hành thiết bị đốt than một cách thỏa đáng thì có thể giảm

được lượng NOx phát thải.

2.3. Công nghệ xử lý NOx trong quá trình cháy

Dung phương pháp thay đổi điều kiện đốt để giảm lượng NOx phát thải gọi

là kỹ thuật đốt NOx thấp. Trong các phương pháp làm giảm NOx phát thải thì kỹ

thuật đốt NOx thấp là phương pháp được dùng rộng rãi, đơn giản, kinh tế mà

hiệu quả.



2.3.1. Đốt hệ số không khí thừa thấp

Cho quá trình tiến hành trong điều kiện gần hết mức với lượng không khí

lý thuyết, khi lượng oxy thừa trong khói giảm xuống, có thể kiềm chế lượng

NOx hình thành, đó là phương pháp đơn giản nhất giảm NOx phát thải. Nói

chung dùng phương pháp đốt với hệ số không khí thừa thấp có thể giảm 10 –

15% lượng NOx phát thải, nhưng dù phương pháp đó cũng có điều kiện giới hạn

nhất định, như khi nồng độ oxy thừa trong khói quá thấp, đến dưới 3% thì sẽ tạo

thành nồng độ CO tăng vọt, do đó tăng nhanh tổn thất nhiệt do cháy không hoàn

toàn về mặt hóa học đồng thời sẽ làm tăng lượng than trong tro bay tăng lên, làm

cho tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt cơ học tăng lên, hiệu suất

nhiệt gảm xuống. Ngoài ra nòng độ oxy thấp có thể làm cho một số vùng trong

buồng lửa trở thành môi trường hoàn nguyên, từ đó làm cho nhiệt độ nóng chảy

của tro giảm xuống gây hiện tượng bám xỉ và ăn mòn tường lò.

Hình 2.10 Quan hệ giữa tỷ lệ hệ số không khí thừa với hàm lượng than

trong tro bay và NOx trong khói

Cho nên khi thiết kế và vận hành lò hơi, cần phải cân nhắc toàn diện về lựa

chọn hệ số không khí thừa hợp lý nhất, tránh không để xuất hiện giảm NOx phát

thải mà sinh ra nhiều vấn đề khác.



2.3.2. Đốt phân cấp không khí

Phương pháp đốt phân cấp không khí phát triển đầu tiên ở Mỹ vào những

năm 50, trước mắt đó là một trong những kỹ thuật đốt NOx thấp được dùng phổ

biến nhất. Nguyên ký cơ bản của đốt phân cấp không khí là đem quá trình đốt

nhiên liệu được tiến hành theo giai đoạn. Ở giai đoạn thứ nhất, qua vòi phun

chính giảm lượng không khí cấp vào buông lửa đến 70 -75% tổng không khí của

quá trình cháy, tương đương khoảng 80% lượng không khí lý thuyết, làm cho

nhiên liệu được cháy trong điều kiện giàu nhiên liệu, nghèo oxy. Lúc đó trong

vùng đốt cấp một hệ số không khí thừa α <1, do đó giảm được tốc độ đốt cháy

và nhiệt độ trong vùng cháy. Cho nên không những kéo dài quá trình đốt cháy

mà còn giảm được cường độ phản ứng hình thành NOx trong môi trường hoàn

nguyên, kiềm chế NOx hình thành trong vùng đó. Để hoàn thành toàn bộ quá

trình cháy, lượng không khí cần để cháy hoàn toàn được cấp vào buồng lửa theo

miệng vòi phun chuyên dùng OFA (over fire air – gió xiết) đặt ở phía trên vòi

phun chính, hỗn hợp với khói sinh ra trong điều kiện đốt “nghèo oxy” ở vùng

đốt cấp 1, hoàn thành toàn bộ quá trình cháy trong điều kiện α > 1. Vì toàn bộ

lượng không khí cần cho quá trình cháy được chia thành hai cấp tiến hành, nên

gọi đây là phương pháp đốt không khí. Phương pháp này khắc phục được những

khuyết điểm của phương pháp đốt hệ số không khí thừa thấp. Nhưng nếu tỷ lệ

phân phối không khí giữa cấp một và cấp thứ hai không thỏa đáng, hoặc điều

kiện hỗn hợp không tốt thì tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn tăng.

Khi dùng phương pháp đốt phân cấp không khí, do trong vùng đốt phân cấp

một α <1, quá trình cháy tiến hành trong điều kiện lượng không khí ít hơn lượng

không khí lý thuyết, tất nhiên sẽ sinh ra những sản phẩm cháy không hoàn toàn

càng nhiều, cùng với rất nhiều nhiên liệu chưa cháy hết, hết sức có lợi cho việc

hạn chế NOx hình thành. Hơn thế nữa, trong vùng cấp một hệ số không khí thừa

thấp thì hiệu quả khống chế NOx hình thành càng tốt, nhưng sản phẩm cháy

không hoàn toàn lại càng nhiều, dẫn đến hiệu suất thấp, khả năng đóng xỉ ăn

mòn càng cao. Cho nên vừa đảm bảo vừa giảm NOx, vừa đảm bảo kinh tế và ổn



định quá trình cháy, cần phải tootr chức quá trình đốt cháy phân cấp một cách

chính xác.

Hình 2.11 Sơ đồ bố trí miệng vòi phun OFA trong buồng lửa đặt vòi than ở

tường trước

Trong vùng đốt cấp α <1, trong môi trường hoàn nguyên nhiệt độ càng cao

thì tốc độ giảm NOx càng lớn. Nhưng trong môi trường oxy hóa α > 1, nhiệt độ

càng cao, nồng độ NOx phát thải càng cao. Thông thường việc chọn thời gian

lưu lại còn phải tùy thuộc vào hệ số không khí thừa và điều kiện nhiệt độ và

từng loại than, thường thời gian lưu không quá 3s.

2.3.3. Đốt phân cấp nhiên liệu

Từ cơ chế phân hủy NOx đã nói ở trên, NOx đã hình thành khi gặp gốc CHi

và sản phẩm chưa cháy hết CO, C và CmHn sẽ xảy ra phản ứng hoàn nguyên.

Phản ứng tổng của những phản ứng trên là:

4NO + CH4 → 2N2 + CO2 +H2O (1.6)

2NO + 2 CnHm + ( 2n+m/2-1) O2 → N2 + 2n CO2 + mH2O (1.7)

2NO + 2CO → N2 + 2CO2 (1.8)

2NO + 2C → N2 + 2CO (1.9)

2NO + 2H2 → N2 + 2H2O (1.10)

Lợi dụng nguyên lý đó, đem 80 – 85% nhiên liệu đưa vào vùng cháy cấp

một, cháy dưới điều kiện α > 1 và hình thành NOx. Nhiên liệu đưa vào cháy cấp



một gọi là nhiên liệu cấp một. 15 – 20% nhiên liệu còn lại được đưa vào vùng

cháy cấp hai ở phía trên vòi phun chính, dưới điều kiện α < 1 hình thành môi

trường hoàn nguyên rất mạnh, làm cho NOx hình thành trong vùng cháy cấp một

bị hoàn nguyên thành N2. Vùng cháy cấp hai gọi là vùng tái cháy. Trong vùng

tái cháy, không chỉ làm cho NOx đã hình thành hoàn nguyên mà còn kiềm chế sự

hình thành NOx mới, có thể làm nồng độ NOx giảm xuống them nữa. Trong

trường hợp thông thường có thể giảm phát thải NOx xuống trên 50%. Ở phía trên

vùng cháy cần bố trí miệng gió xiết để tạo thành vùng cháy cấp ba để đảm bảo

cháy kiệt sản phẩm chưa cháy hoàn toàn trong vùng tái cháy.

Để phân cấp nhiên liệu cần có gió cấp ba, nên thời gian lưu lại của nhiên

liệu và khói trong vùng tái cháy tương đối ngắn, cho nên nhiên liệu cấp hai nên

chọn là khí hoặc lỏng dễ bắt lửa, dễ cháy, như khí thiên nhiên. Nếu chọn bột

than làm nhiên liệu thì phải chọn nhiên liệu có chất bốc cao, hạt phải nghiền

mịn. Vì thế đối với than antraxit Việt Nam không phù hợp cho việc làm nhiên

liệu cấp hai.

Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý đốt phân cấp nhiên liệu

2.3.4. Tái tuần hoàn khói

Ngoài phương pháp đốt phân cấp không khí và nhiên liệu để giảm lượng

NOx, người ta còn dùng tương đối nhiều phương pháp tái tuần hoàn khói. Đó là,

hút một phần khói có nhiệt độ thấp trước bộ sấy không khí của lò đưa vào lò,



hoặc hỗn hợp với gió cấp một, hoặc gió cấp hai rồi đưa vào buồng lửa, như vậy

không những giảm nhiệt độ đốt cháy mà còn giảm được nồng độ đốt cháy, giảm

được nồng độ oxy, từ đó có thể giảm nồng độ NOx.

Hình 2.13. Sơ đồ hệ thống tái tuần hoàn khói

Từ hình vẽ cho thấy, khói có nhiệt độ thấp hút tự phía trước bộ sấy không

khí, nhờ quạt tái tuần hoàn đem khói hút ra để đưa vào bộ phận hỗn hợp không

khí và khói, sau đó đưa hỗn hợp vào buồng lửa.

Phương pháp này có thể dùng riêng lẻ cho một lò hơi, cũng có thể dùng

phối hợp các kỹ thuật khác.

2.3.5. Vòi phun bột than có nồng độ NOx thấp

Đối với Việt Nam chủ yếu là than antraxit, có hàm lượng chất bốc thấp,

nhiều tro, cho nên rất khó cháy. Do đó cần phải có những nghiên cứu thiết kế

vòi phun riêng để đảm bảo cho quá trình bắt lửa sớm, cháy kiệt và giảm nồng độ

NOx trong quá trình cháy.

Vòi phun phân cấp gió NOx thấp là một loại công nghệ đốt NOx thấp được

dùng vô cùng rộng rãi. Nguyên tắc thiết kế loại vòi phun này tương tự như cách

đốt phân cấp gió, tức là vùng bắt lửa gần miệng vòi phun hình thành vùng đốt

nhiên liệu giàu với α <1, muốn vậy cần phải xem xét đặc biệt vị trí hỗn hợp gió

cấp hai với gió cấp một quá sớm mà ảnh hưởng đến việc kiềm chế NOx hình

thành, vừa phải cho gió cấp hai có thể kịp thời hỗn hợp với dòng khí có bột than

đã bắt lửa để tránh sự gia tăng sản phẩm cháy không hoàn toàn. Muốn vậy,

ngoài việc làm cho hệ số không khí thừa trong hỗn hợp gió cấp một và bột than



nhỏ hơn một tất nhiều, làm cho vùng bắt lửa sớm nhất, còn phải tạo vùng xung

quanh vòi phun trở thành vùng hoàn nguyên mạnh, do đó mà hạn chế một cách

hiệu quả sự hình thành NOx. Đồng thời gió cấp hai phải chia thành hai luồng,

thậm chí ba luồng, phân cấp đưa vào vùng khói có bột than đã bắt lửa. Khi bột

than ở giai đoạn bắt đầu cháy, chỉ thêm vào một phần gió cấp hai, tiếp tục duy

trì một đoạn cháy nhiên liệu giàu hình thành vùng cháy cấp một. Sau đó, luồng

gió cấp cần đưa vào sau vùng đốt cấp một, hình thành vùng cấp hai (vùng cháy

kiệt) có α >1, ở đây nhiên liệu cháy hoàn toàn. Để đảm bảo cháy kiệt, gió cấp ba

“gió xiết” cần được hòa trộn vào vùng cháy.

Nguyên lý vòi đốt phân cấp gió được minh họa trong hình 2.14.

Hình 2.14. Nguyên lý vòi phun phân cấp gió



CHƯƠNG III. PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ANSYS FLUENT

3.1. Một số vấn đề về phương pháp CFD

3.1.1. Tổng quan về CFD

Tính toán động lực học chất lỏng (Computational Fluid Dynamics (CFD))

là khoa học tính toán dòng chất lưu, truyền nhiệt và truyền khối, phản ứng hóa

học và các hiện tượng liên quan bằng việc giải hệ các phương trình toán học chủ

đạo như:

- Bảo toàn khối lượng

- Bảo toàn động lượng

- Bảo toàn năng lượng

- Bảo toàn chất

- Các tác động của lực lên vật thể

Chúng là một hệ các phương trình vi phân riêng, không thể giải được bằng

cách phân tích ngoại trừ một số trường hợp riêng. Tuy nhiên, một lời giải gần

đúng có thể thu được bằng cách sử dụng phương pháp rời rạc hóa, biến đổi các

phương trình vi phân riêng về các phương trình đại số.

CFD được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp và các kết quả

phân tích của CFD thích hợp cho:

- Nghiên cứu lý thuyết của các thiết kế mới.

- Chi tiết hóa phát triển sản phẩm

- Xử lý sự cố

- Tái thiết kế

Những phân tích này cần thiết bổ sung cho lý thuyết và thực nghiệm và tiết

kiệm được thời gian, công sức, giảm chi phí cần thiết cho thực nghiệm

3.1.2. Mô phỏng CFD

a. CFD làm việc như thế nào?

Như đã nói ở trên, lời giải của CFD dựa trên phương pháp rời rạc hóa. Có

nhiều phương pháp được áp dụng, mà điển hình nhất là phương pháp thể tích



hữu hạn, phần tử hữu hạn và sai phân hữu hạn. Ở đây, các bộ giải ANSYS CFD

dựa trên phương pháp thể tích hữu hạn (phụ lục 2).

Xét ví dụ, về dòng chất lỏng chảy trong ống.

Hình 3.1. Miền được rời rạc thành tập hợp hữu hạn các thể tích điều khiển

(control volume)

Với phương pháp thể tích hữu hạn, miền được rời rạc thành một tập hợp

hữu hạn các thể tích điều khiển. Phương trình bảo toàn chung cho khối lượng,

động lượng và năng lượng,… được giải trên tập hợp các thể tích điều khiển này.

. .V A A V

dV V dA dA S dVt

(3.1)

Trong đó, V

dVt

là thành phần ổn định;

A

VdA là thành phần đối lưu;

.A

dA là thành phần khuếch tán; V

S dV là generation.

Các phương trình vi phân từng phần liên tục được rời rạc thành hệ các

phương trình đại số tuyến tính mà máy tính có thể giải được.

b. Trình tự giải quyết bài toán CFD

Bất kỳ trong mọi lĩnh vực nào, giải một bài toán CFD gồm các bước sau:

- Đặt vấn đề

- Giải quyết vấn đề



- Đánh giá kết quả

Đặt vấn đề

Từ nhu cầu thực tế cần giải quyết các vấn đề mà chúng ta đặt ra cho bài

toán của mình, từ đó tìm lời giải cho chúng. Ví dụ, đối với một bài toán mô

phỏng quá trình cháy than trong lò hơi, chúng ta cần xem xét các vấn đề như

kích thước của lò cũng như các vòi phun, hệ số truyền nhiệt của tường lò…Và

từ đó, chúng ta xem xét các thông số đầu vào, đầu ra nào cho mô hình CFD của

mình.

Giải quyết vấn đề

Đây chính là phần quan trọng nhất, nhiệm vụ trung tâm của bài toán CFD.

Nó gồm ba giai đoạn là: Pre-processing, processing, và Post-processing.

Pre-processing là giai đoạn chuẩn bị để giải quyết bài toán CFD, đó là xây

dựng mô hình hình học của vật thể, rời rạc hóa bằng cách chia lưới. Phương

pháp rời rạc hóa đảm bảo các yêu cầu về khả năng làm việc của máy tính, đảm

bảo độ chính xác và hội tụ của phương pháp tính. Sau khi đã xây dựng được lưới

tính toán, chúng ta tiến hành lựa chọn các phương pháp tính. Ở mỗi linh vực cụ

thể, CFD đều có các bộ phương trình để giải bài toán thuộc phạm vi đó. Tuy

nhiên, các phương trình đều ở dạng vi phân, tích phân hoặc vi phân không tuyến

tính rất phức tạp. Và mỗi loại phương trình cần những thông số tối thiểu, đủ để

có thể giải và cho lời giải, đó là các điều kiện biên.

Processing là giai đoạn tính toán được thực hiện. Ở giai đoạn này, chúng ta

quyết định sử dụng các phương pháp giải để đảm bảo tối ưu cho các yêu cầu về

thời gian tính toán, khả năng tính toán và độ chính xác của lời giải.

Post-processing là giai đoạn trực quan, xử lý kết quả. Sau khi giai đoạn

Processing kết thúc, toàn bộ dữ liệu của bài toán được ghi thành dữ liệu số, nhị

phân, mã hóa… trên ổ cứng máy tính. Chúng ta hoàn toàn có thể xử lý chúng để

thu được kết quả, lời giải cho bài toán.

Đánh giá kết quả

Phần này chúng ta so sánh kết quả vừa tìm được với các kết quả thực

nghiệm và lời giải số học và để làm tiêu chuẩn điều chỉnh cho phương pháp giải

của mình. Đối với các bài toán đơn giản mà thực nghiệm có thể đưa ra kết quả

chính xác, các lời giải toán học cũng có kết quả chính xác thì kết quả của chúng



ta cũng phải trùng khớp hoặc trong phạm vi sai số chấp nhận được, nếu sai số

vượt quá giới hạn cho phép thì lúc này thì chúng ta phải điều chỉnh thế nào để có

kết quả chính xác nhất. Đối với bài toán phức tạp thì thực nghiệm và lời giải số

rất khó khăn để đưa ra được kết quả chính xác, CFD có ưu thế hơn ở trường hợp

này.

3.1.3. Vai trò và ứng dụng của CFD

a. Vai trò của CFD

Vai trò của CFD trong dự báo kĩ thuật công nghiệp đã trở nên mạnh đến

mức ngày nay nó có thể được nhìn nhận như “hướng thứ ba” trong động lực học

lưu chất, hai hướng khác là những trường hợp cổ điển của thực nghiệm thuần

túy và lý thuyết thuần túy. Từ năm 1687, với sự công bố Principia của Isaac

Newton cho tới giữa những năm 1960, những tiến bộ về cơ lưu chất được thực

hiện bằng cách kết hợp với các thực nghiệm tiên phong và phân tích lý thuyết cơ

bản- những phân tích mà hầu như luôn yêu cầu sử dụng những mô hình dòng

đơn giản đề nhận được lời giải dạng khép kín của các phương trình chủ đạo.

Những lời giải dạng khép kín có lợi thế nổi bật là đồng nhất ngay lập tức một

vài tham số cơ bản của bài toán đã cho, và thể hiện rõ câu trả lời cho những bài

toán bị ảnh hưởng bởi sự biến đổi các tham số như thế nào. Tuy nhiên chúng có

bất lợi là không đưa ra được mọi quá trình vật lý cần thiết của dòng. Với khả

năng kiểm soát các phương trình chủ đạo ở dạng chính xác cùng với việc xem

xét các hiện tượng vật lý chi tiết như phản ứng hóa học ở mức độ hạn chế, CFD

nhanh chóng trở thành một công cụ phổ biến trong phân tích kỹ nghệ. Ngày

nay, CFD hỗ trợ và bổ sung cả thực nghiệm thuần túy lần lý thuyết thuần túy, và

quan điểm của các nhà nghiên cứu, CFD sẽ vẫn được coi là hướng thứ ba trong

động lực lưu chất, có dáng vóc và tầm quan trọng như nhau đối với thực nghiệm

và lý thuyết. Nó có một vị trí cố định trong tất cả các khía cạnh của động lực học

lưu chất, từ nghiên cứu cơ bản đến thiết kế kỹ nghệ.

b. Ứng dụng của CFD

CFD được phát triển, ứng dụng và mang lại hiệu quả cao trong các lĩnh vực

cơ học môi trường chất lưu (khí, lỏng, plasma,..) và môi trường biến dạng, đàn

hồi... Trên thực tế, CFD được ứng dụng rộng rãi vào các nghành khoa học tiên

tiến và công nghệ cao cũng như các nghành khoa học phục vụ dân sinh. Chẳng

hạn, CFD được ứng dụng mô phỏng về chuyển động của tàu vũ trụ với vận tốc

siêu thanh và dòng chảy bao cũng như các yếu tố khí động tác dụng lên các vật



thể bay nói chung. CFD được úng dụng vào nghành đại dương học để mô phỏng

tìm các quy luật của dòng biển nóng , lạnh và tác động của chúng lên khí hậu

toàn cầu,... CFD được ứng dụng trong y tế để mô phỏng quá trình hoàn lưu máu

ở hai vòng tuần hoàn, ảnh hưởng của các yếu tố bên trong, bên ngoài lên nhịp

đập cũng như sức khỏe của nội tạng nói riêng, toàn bộ cơ thể nói chung...

Thật khó có thể kể hết phạm vi ứng dụng của CFD, dưới đây ta có thể liệt

kê những lĩnh vực mà CFD đóng vai trò như một công cụ hữu hiệu không thể

thiếu để nghiên cứu, ứng dụng, cũng như phát triển chung lên cấp độ công

nghiệp, mang lại nhiều thành tựu rực rỡ nhất. Đó là:

- Cơ học chất lưu và thủy khí động lực học

- Vật liệu học và sức bền vật liệu

- Công nghiệp chế tạo máy, đóng tàu

- Năng lượng nguyên tử

- Công nghiệp ô tô, máy bay

- Xây dựng

- Công nghiệp dầu khí

- Va chạm và phá hủy

- Y học

- Sinh học

- Khí tượng thủy văn

- …

3.2. Phần mềm ANSYS FLUENT

3.2.1. Giới thiệu về phần mềm ANSYS FLUENT – phần mềm mô hình hóa

dòng chảy

Khă năng mô hình hóa vật lý của FLUENT được ứng dụng rộng trong mọi

linh vực công nghiệp: từ dòng chảy không khí qua cánh máy bay đến sự cháy

trong lò, từ các cột bọt khí đến việc sản xuất thủy tinh, từ dòng chảy trong máu

đến công nghiệp bán dẫn, từ thiết kế phòng sạch đến các nhà máy xử lý nước



thải. Phần mềm có khả năng mô hình hóa động cơ xy lanh, đường đạn, máy và

thiết bị tua bin và hệ thống đa pha.

Ngày nay, hàng ngàn công ty trên toàn thế giới được lợi từ việc sử dụng

những công cụ thiết kế và phân tích quan trọng này. Được mở rộng bởi khả năng

tương tác đa môi trường khiến phần mềm trở thành công cụ phổ thông trong

trong cộng đồng CFD. Với sự nổi tiếng về sự thân thiện và mạnh mẽ, FLUENT

rất dễ sử dụng đối với người mới bắt đầu để nâng cao năng suất và hiệu quả

trong công việc.

Sự sát nhập của ANSYS FLUENT vào ANSYS Workbench sẽ cung cấp

cho người sử dụng với 2 hướng kết nối tới toàn bộ hệ thống CAD, xây dựng và

thay đổi về hình học một cách hữu hiệu với ANSYS DesignModeler , và những

công nghệ chia lưới tiên tiến trong ANSYS Meshing. Những chức năng cơ bản

này cũng cho phép dữ liệu và kết quả được chia sẻ giữa các ứng dụng bằng cách

kéo và thả dễ dàng, cho tới việc sử dụng một phép giải dòng chảy lưu chất với

các điều kiện biên của mô phỏng về kết cấu cơ khí.

Sự kết hợp của những lợi ích này với hàng loạt các khả năng mô hình hóa

mô hình vật lý và những kết quả CFD nhanh chóng, chính xác, phần mềm

ANSYS FLUENT cung cấp các kết quả dưới dạng một trong những gói phần

mềm toàn diện nhất cho quá trình mô hình hóa CFD trên thế giới hiện nay.

3.2.2. Mô hình dòng phản ứng và mô hình cháy có trong ANSYS FLUENT

được sử dụng trong quá trình mô phỏng cháy than và hình thành NOx

a. Tổng quan về mô hình dòng phản ứng và mô hình cháy

Bằng việc xác định động học và phản ứng hóa học, Fluent có thể tính các

phản ứng hóa học bên trong miền dòng chảy, chúng ta có thể thấy cách bộ giải

tính nồng độ và nhiệt độ các chất. Cái này sau đó được kết hợp với lý thuyết

phản ứng để hình thành chất mới trong mô hình, với sự chuyển năng lượng

tương ứng. Với mô hình dòng phản ứng có thể được áp dụng cho cả các phản

ứng dòng đơn pha cũng như hạt như cháy giọt chất lỏng, cháy hạt như than và

sinh khối.

FLUENT chứa các mô hình có khả năng ứng dụng với các dòng phản ứng

đồng nhất và không đồng nhất. Và nó được ứng dụng trong:

- Buồng đốt



- Lò hơi

- Tuabin khí

- Động cơ tên lửa

- Động cơ đốt trong

- …

Và từ đó đưa ra các đặc tính về trường dòng, trường nhiệt độ, các dạng

nồng độ và các chất gây ô nhiễm.

Hầu hết các bài toán về phản ứng kỹ thuật đều là dòng chảy rối. Điều đó đã

đặt ra không ít những khó khăn và thách thức để giải các bài toán này. Đối với

bài toán mô phỏng quá trình cháy than, đó là một bài toán phức tạp. Có thể nói

đây là một bài toán tổng hợp tất cả các mô hình liên quan về chuyển động rối và

các phản ứng hóa học, pha rời rạc, bức xạ và mô hình phát thải chất gây ô nhiễm

(NOx, SOx…). Hình 3.2 trình bày tổng quan về mô hình hóa phản ứng và các mô

hình liên quan đến dòng phản ứng.

Hình 3.2. Mô hình hóa phản ứng trong FLUENT

Bài toán mô phỏng cháy than được ứng dụng trực tiếp trong mô hình phản

ứng nhanh (Fast chemistry). Bao gồm các mô hình liên quan sau:



- Mô hình chuyển động rối

- Mô hình Eddy Dissipation (Species transport)

- Mô hình pha rời rạc

- Mô hình bức xạ

- Mô hình chất gây ô nhiễm (NOx)

b. Mô hình chảy rối

Từ những năm 1960, khi mà khă năng tính toán của máy tính được tăng lên

rất nhiều, các mô hình chảy rối dựa trên phương trình năng lượng cho động năng

chảy rối đã trở thành nền tảng cho việc nghiên cứu mô hình chảy rối hiện đại. Ở

đây chúng ta xét đến hai loại mô hình năng lượng chảy rối: mô hình một phương

trình và mô hình hai phương trình. Điển hình cho mô hình một phương trình là

mô hình Spalart-Allmaras – mô hình được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng

hàng không vũ trụ liên quan đến các dòng chảy bị giới hạn bởi tường và nó cũng

phổ biến cho các ứng dụng liên quan đến máy tuabin (turbomachinery).

Mô hình chảy rối hai phương trình là một trong những mô hình phổ biến

nhất của mô hình chảy rối. Mô hình k-epsilon và mô hình k-omega đã trở thành

mô hình tiêu chuẩn công nghiệp và được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các linh

vực kỹ thuật.

Theo định nghĩa, mô hình chảy rối hai phương trình gồm hai phương trình

vận chuyển để mô tả cho quá trình chảy rối của dòng chảy. Hai mô hình phổ

biến và được sử dụng trong mô hình hai phương trình là:

- Mô hình k-epsilon

- Mô hình k-omega

Ở đây, em chọn mô hình k-epsilon cho mô hình tính toán vì do điều kiện

tính toán cũng như khả năng giải của máy tính. Mô hình k-epsilon bao gồm:

Standard k-epsilon model, RNG k-epsilon model, Realizable k-epsilon model.

Standard k-epsilon model

Standard k-epsilon model (SKE) được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng

công nghiệp. Đây là mô hình mặc định. Tuy nhiên, mô hình SKE có một số hạn



chế như hiệu quả kém khi áp dụng với các dòng chảy xoáy lớn, chia tách mạnh

và dự đoán không chính xác sự mở rộng tốc độ của luồng phun tròn.

Động năng chảy rối, k, và tốc độ tiêu tán, ε, thu được từ hai phương trình

vận chuyển tổng quát sau đây :

( )j ji

i t t k

i i j i i i Dissipation

Convection DiffusionGeneration

U UUk kU

x x x x x x

(3.2)

2

1 2( )j ji

i t t

i i j i i i

Convection DestructionDiffusionGeneration

U UUU C C

x k x x x x x k

(3.3)

, 1 2, ,k C C là các hằng số từ thực nghiệm.

RNG k-epsilon model

RNG k-epsilon model là mô hình biến thể của mô hình SKE. Mô hình này

sử dụng kỹ thuật thống kê được gọi là thuyết nhóm tái chuẩn hóa

(renormalization group). Các hệ số trong trong phương trình k- ε nhận được từ

phép phân tích dùng thuyết RNG. Mô hình này thực hiện tốt hơn SKE cho dòng

chảy phức tạp hơn có tốc độ biến dạng cao, xoáy và chia tách. Mô hình này

được áp dụng để dự đoàn dòng chảy xoáy và dòng có số Reynolds thấp.

Realizable k-epsilon model

Đây cũng là một biến thể của mô hình SKE, cải thiện được những hạn chế

của hai mô hình ở trên. Mô hình này có các cải thiện sau:

- Dự đoán chính xác tốc độ lan rộng của dòng phun thẳng và quay tròn,

- Có khả năng cung cấp hiệu suất cao cho các dòng có sự quay, các lớp biên

dưới gradient áp suất bất lợi mạnh mẽ, chia tách và tuần hoàn.

Từ những điểm trên, đối với mô hình cháy than thì mô hình Realizable k-

epsilon được lựa chọn sử dụng để có thể dự đoán và cho ra kết quả chính xác

hơn.

c. Mô hình tiêu tán xoáy (Eddy dissipation (Species transport))



ANSYS FLUENT có thể mô hình hòa trộn và vận chuyển các chất hóa học

bằng cách giải các phương trình bảo toàn mô tả sự đối lưu, khuếch tán và các

nguồn phản ứng cho mỗi chất thành phần.

Nhiều phản ứng hóa học đồng thời có thể được mô hình, với các phản ứng

xảy ra trong pha khối (các phản ứng thể tích) hoặc trên tường hoặc bề mặt hạt và

trong vùng xốp. Trong phần này, chúng ta sẽ mo tả các khả năng mô hình vận

chuyển các chất đi kèm các phản ứng và không đi kèm các phản ứng.

Hầu hết nhiên liệu là cháy nhanh, và tỷ lệ lệ tổng thể của phản ứng được

điều khiển bằng hỗn hợp rối. Trong các ngọn lửa không hòa trộn, hỗn hợp nhiên

liệu và chất oxy hóa chảy rối chậm vào vùng phản ứng nơi chúng cháy nhanh.

Trong ngọn lửa hỗn hợp đã hòa trộn, hỗn hợp chất phản ứng lạnh chảy rối chậm

và các sản phẩm nóng vào trong vùng phản ứng, nơi phản ứng xảy ra đột ngột.

ANSYS FLUENT cung cấp một mô hình tương tác chảy rối-hóa học, dựa

trên nguyên lý của Magnussen và Hjertager, được gọi là mô hình sự tiêu tán

xoáy (Eddy dissipation). Tỷ lệ sản phẩm thực của chất i do phản ứng r, Ri,r được

cho bởi hai phương trình nhỏ dưới đây:

, , w,

, w,

' min ( )'

Ri r i r i

R r R

YR v M A R

k v M

(3.4)

, , w,

, w,

'

''

P p

i r i r i N

j r j

j

YR v M AB

kv M

(3.5)

Trong đó, YP là tỷ lệ khối lượng của sản phẩm bất kỳ, P

YR là tỷ lệ khối lượng của một chất phản ứng thực tế, R

A, B là các hằng số

Trong phương trình 3.4 và 3.5, tỷ lệ phản ứng hóa học được điều khiển bởi

hệ số thời gian hỗn hợp xoáy rộng, k/ε. Các diễn biến cháy bất kỳ khi nào chảy

rối hiện diện (k/ε>0), và một nguồn đánh lửa là không cần thiết để bắt đầu cháy.

Điều này luôn có thể chập nhận được cho ngọn lửa không hòa trộn trước, nhưng

ngọn lửa hòa trộn, các chất phản ứng sẽ cháy ngay sau khi chúng đưa vào miền

tính toán.



d. Mô hình pha phân tán ( Discrete phase model)

Nhiều dòng chảy kỹ thuật liên quan sự tương tác giữa một pha khí và các

hạt/giọt rất mịn, như:

- Bộ tách kiểu xyclone

- Lò hơi đốt than phun hoặc dầu

- Động cơ đốt trong

- …

Sự tương tác này được tính toán bởi mô hình pha phân tán (DPM) trong

FLUENT.

e. Mô hình NOx

Mô hình NOx ANSYS FLUENT cung cấp khả năng mô hình sự hình thành

NOx nhiệt, NOx nhiên liệu và NOx tức thời, cũng như sự tiêu thụ NOx do cháy

lại trong hệ thống cháy. Để dự đoán các phát thải NOx, ANSYS FLUENT giải

một phương trình vận chuyển cho sự hình thành NO. Khi nguồn NOx nhiên liệu

có mặt, ANSYS FLUENT giải các phương trình vận chuyển them vào đối với

chất trung gian (HCN/NH3). Khi mô hình trung gian N2O được kích hoạt, một

phương trình truyền chất thêm vào cho N2O sẽ được giải. Các phương trình vận

chuyển NOx được giải dựa trên một trường dòng đã cho và giải pháp cháy. Nói

cách khác, NOx được xử lý sau một mô phỏng cháy. Vì vậy, rõ ràng rằng một lời

giải cháy chính xác trở thành một điều kiện tiên quyết cho sự dợ đoán NOx. Ví

dụ, sản phẩm NOx nhiệt gấp đôi đối với mỗi sự tăng nhiệt độ lên 90K khi nhiệt

độ ngọn lửa là 2200K. Sự quan tâm đặc biệt phải được thực hiện để cung cấp số

liệu nhiệt vật lý chính xác và điều kiện biên cho mô hình cháy.

Chúng ta chỉ có thể trông đợi các kết quả chính xác chính xác bằng số liệu

đầu vào và mô hình vật lý được chọn. Trong hầu hết các trường hợp, các khuynh

hướng thay đổi NOx có thẻ được dự đoán chính xác, nhưng lượng NOx chính nó

không thể được xác định chính xác. Sự dự đoán chính xác về các khuynh hướng

thông số NOx có thể cắt giảm bớt về số các bài test trong phòng thí nghiệm, cho

phép nhiều sự thay đổi thiết kế hơn để nghiên cứu, rút ngắn chu trình thiết kế và

giảm chi phí phát sinh.

ANSYS FLUENT giải phương trình vận chuyển chất đối với NO, liên quan

sự đối lưu, khuếch tán, hình thành và phân hủy NO và chất liên quan. Cách tiếp



cận này là hoàn toàn chung, được bắt nguồn từ nguyên lý cơ bản về bảo toàn

khối lượng. Ảnh hưởng của thời gian lưu trú trong cơ chế NOx được bao gồm

thông qua các đại lượng đối lưu trong các phương trình chủ đạo được viết trong

hệ tham chiếu Eulerian. Đối với cơ chế NOx nhiệt và NOx tức thời, chỉ phương

trình vận chuyển chất NO là cần thiết:

( ) .( ) .( )NO NO NO NOY vY D Y St

(3.6)

Theo dõi các chất trung gian chứa Nito là rất quan trọng. ANSYS FLUENT

giải một phương trình vận chuyển cho HCN, NH3, hoặc N2O, ngoài chất NO:

( ) .( ) .( )HCN HCN HCN HCNY vY D Y St

(3.7)

3 3 3 3( ) .( ) .( )NH NH NH NHY vY D Y St

(3.8)

2 2 2 2( ) .( ) .( )N O N O N O N OY vY D Y St

(3.9)

Cơ chế hình thành NOx trong FLUENT

Trong các ngon lửa chảy tầng và tại mức độ phân tử trong các ngọn lửa

chuyển động rối, sự hình thành NOx có thể được quy về bốn cơ chế chính: Sự

hình thành NOx nhiệt, NOx tức thời, NOx nhiên liệu và NOx trung gian. NOx

nhiệt được hình thành bởi sự oxi hóa Nitơ khí quyển có trong không khí cháy.

NOx tức thời là sản phẩm của các phản ứng tốc độ cao ở phía trước ngọn lửa.

NOx nhiên liệu là sản phẩm của sự oxi hóa nito chứa trong nhiên liệu. Ở áp suất

cao và điều kiện giàu oxi, NOx có thể hoàn nguyên về N2 qua N2O.

Sự hình thành NOx nhiệt

Sự hình thành NOx nhiệt được xác định bằng một tập hợp các phản ứng hóa

học phụ thuộc nhiệt độ cao được gọi là cơ chế Zeldovich mở rộng. Các phản

ứng chủ đạo về sự hình thành NOx nhiệt như sau:

O + N2 ⇌ NO + N (3.10)

N + O 2 ⇌ NO + O (3.11)



Một phản ứng thứ ba đã được biểu diễn để đóng góp cho sự hình thành

NOx nhiệt, đặc biệt là ở các điều kiện gần cân bằng phản ứng hóa học và trong

hỗn hợp giàu nhiên liệu.

N +OH ⇌ H+NO (3.12)

Tốc độ hình thành NO của các phản ứng 3.10 - 3.12:

,1 2 ,2 2 ,3

,1 ,2 ,3

[ ][ ][ ] [ ][ ] [ ][ ]

[ ][ ] [ ][ ] [ ][ ]

f f f

r r r

d NOk O N k N O k N OH

dt

k NO N k NO O k NO H

(3.13)

Các hệ số tốc độ được chọn dựa vào đánh giá của Hanson và Salimian

8 38370/

,1

4 4680/

,2

7 450/

,3

k 1.8 10

1.8 10

7.1 10

T

f

T

f

T

f

x e

k x Te

k x e

7 425/

,1

3 20820/

,2

8 24560/

,3

3.8 10

3.81 10

1.7 10

T

r

T

r

T

r

k x e

k x Te

k x e

kf,1, kf,2, kf,3 là các hằng số tốc độ cho các phản ứng thuận của phương trình

3.10 – 3.12. kr,1, kr,2, kr,3 là các hằng số tốc độ cho các phản ứng nghịch. Tất cả

các hắng số này có đơn vị là m3/mol-s. Và tất cả nồng độ được đo bằng mol/m3.

Tốc độ sự hình thành NOx chỉ đáng kể khi nhiệt độ cao (lớn hơn 1800K) vì

sự cố định của nitơ đòi hỏi sự phá vỡ liên kết ba N2 mạnh (năng lượng phân ly

941kJ/mol). Tác động này được thể hiện bằng năng lượng hoạt hóa cao của phản

ứng 3.10, làm hạn chế tốc độ của cơ chế Zeldovich mở rộng. Tuy nhiên, năng

lượng hoạt hóa cho sự oxi hóa các nguyên tử N thấp. Khi có đủ oxi, trong ngọn

lửa nghèo nhiên liệu, tốc độ tiêu thụ của các nguyên tử N tự do trở nên cân bằng

với tốc độ hình thành và do đó, một trạng thái gần cố định được thiết lập. Sự giả

thiết này có giá trị cho hầu hết các trường hợp cháy, ngoại trừ trong các điều

kiện cháy giàu nhiên liệu. Do đó, tốc độ hình thành NO trở thành:

2

,1 ,2

,1 2 ,2 2

,1 2,1

,2 2 ,3

[ ](1 )

[ ] [ ][ ]2 [ ][ ]

[ ](1 )

[ ] [ ]

r r

f f

fr

f f

k k NO

k N k Od NOk O N

k NOdt

k O k OH

(mol/m3-s) (3.14)



Tính toán riêng cho NOx nhiệt

Để giải phương trình 3.14, nồng độ của các nguyên tử O và gốc OH tự do

được yêu cầu, ngoài ra các nồng độ của chất bền như O2, N2. Theo các đề nghị

của Zeldovich, cơ chế hình thành NOx nhiệt có thể được tách riêng từ quá trình

cháy chính bằng cách giả thiết các giá trị cân bằng về nhiệt độ, chất bền, các

nguyên tử O và các gốc OH. Tuy nhiên, nồng độ các gốc tự do được quan sát

nhiều hơn các mức độ cân bằng của chúng. Tác động của sự cân bằng cục bộ các

nguyên tử O trên tốc độ hình thành NOx được nghiên cứu trong khi đốt metan-

không khí. Các kết quả của sự nghiên cứu này chỉ ra rằng mức độ phát thải NOx

có thể được dự đoán là 28% trong vùng ngọn lửa, khi giả thiết các nồng độ O

cân bằng.

Xác định [O] và [OH] bằng cân bằng cục bộ:

[O]=36.64T1/2[O2]1/2e-27123/T (mol/m3) (3.15)

[OH]=219.9T-0.57e-4595/T[O]1/2[H2O]1/2 (mol/m3) (3.16)

Sự hình thành NOx tức thời

NOx tức thời hình thành đáng kể trong môi trường cháy như nhiệt độ thấp,

giàu nhiên liệu và thời gian lưu trú thấp. NOx tức thời chiếm tỷ lệ nhỏ trong NOx

tổng. Tuy nhiên, khi NOx được giảm tới mức rất thấp bằng cách áp dụng các

biện pháp như thiết kế vòi đốt, mô hình buồng đốt thì tầm quan trọng của NOx

tức thời được nâng lên.

NOx tức thời chủ yếu lưu hành trong các ngọn lửa giàu nhiên liệu. Sự hình

thành thực tế liên quan các phản ứng phức tạp và nhiều chất trung gian có thể

xuất hiện. Cơ chế hình thành NOx tức thời như sau:

CH + N2 ⇌ HCN + N (3.17)

N +O2 ⇌ NO +O (3.18)

HCN + OH ⇌ CN + H2O (3.19)

CN + O2 ⇌ NO + CO (3.20)

NOx tức thời tỷ lệ thuận với số các nguyên tử C có trong một đơn vị thể

tích và phụ thuộc vào tính đồng nhất HC nguyên liệu. Số lượng của dạng HCN

tăng nồng độ của các gốc HC tự do, lần lượt tăng với tỷ số tương đương. Khi



tăng tỷ số tương đương, NOx tức thời tăng sau đó đạt cực đại và cuối cùng giảm

do thiếu oxi.

Sự hình thành NOx nhiên liệu

Các hợp chất hữu cơ chứa nitơ có trong nhiên liệu hóa thạch lỏng hoặc rắn

có thể góp phần tới NOx tổng trong suốt quá trình cháy. Nitơ nhiên liệu là một

nguồn đặc biệt quan trọng của phát thải NOx cho than và dầu nhiện liệu, chứa

0.3 – 2% nitơ về khối lượng. Các nghiên cứu chỉ ra rằng nitơ trong dầu nhiên

liệu nặng tồn tại dưới dạng dị vòng, và các thành phần của nitơ trong than cũng

tương tự.

Các mức độ chuyển đổi nitơ nhiên liệu thành NOx phụ thuộc vào các đặc

điểm đốt cháy và nồng độ các hợp chất nitơ đầu vào. Các hợp chất đó được thoát

ra trong pha khí khi các hạt hay giọt nhiên liệu được đốt nóng trong suốt quá

trình thoát chất bốc. Từ sự phân hủy nhiệt các hợp chất này trong vùng cháy, các

gốc tự do như HCN, NH3, N,CN và NH có thể được hình thành và chuyển đổi

thành NOx.

Đối với than, nó được giả thiết rằng nitơ nhiên liệu được phân bố giữa chất

bốc và cốc. Do không có lý do gì để cho rằng N là phân bố đều giữa chất bốc và

cốc, tỷ lệ N trong chất bốc và cốc nên được xác định riêng. Khi HCN được sử

dụng như chất trung gian, hai sự thay đổi của cơ chế NOx nhiên liệu cho than

được xem xét, giống như trong tính toán sản phẩm NOx từ than qua HCN. Nó

được giả thiết rằng Nitơ nhiên liệu được phân phối giữa chất bốc và cốc.

Cơ chế HCN thứ nhất, giả thiết tất cả N cốc chuyển thành HCN, sau đó

được chuyển thành NO. Quá trình phản ứng được mô tả như sau:

Hình 3.3. Cơ chế tất cả N cốc chuyển thành HCN

Với cơ chế này, tất cả cốc đều chuyển hóa thành HCN, do đó:



, ,

,

,

C N char w HCN

char HCN

w N

S Y MS

M V (3.21)

ar, 0ch NOS (3.22)

Trong đó, SC là tỷ lệ cốc cháy kiệt (kg/s)

YN,char là tỷ lệ khối lượng của Nitơ trong cốc

V là thể tích phần tử (m3)

Cơ chế HCN thứ hai giả thiết rằng tất cả N cốc chuyển trực tiếp thành NO.

Quá trình phản ứng diễn ra như sau:

Hình 3.4. Cơ chế tất cả N cốc chuyển thành NO

Theo Lockwood, N cốc được thoát ra trực tiếp thành pha khí như NO, chủ

yếu là một sản phẩm được giải phóng từ các nguyên tử N cốc bị oxi hóa. Nếu

cách tiếp cận cho phép, và:

, ,

,

,

C N char w NO

char NO

w N

S Y MS

M V (3.23)

ar, 0ch HCNS (3.24)

Xét HCN từ chất bốc:

Nguồn HCN từ chất bốc có liên quan tỷ lệ sự thoát chất bốc:



, w,

,

,

vol N vol HCN

vol HCN

w N

S Y MS

M V (3.25)

Trong đó, Svol là nguồn chất bốc từ các hạt than thành pha khí (kg/s)

YN,vol là tỷ lệ khối lượng N có trong chất bốc.

Tương tự HCN, ta cũng xét hai cơ chế NH3 cho cốc.

Cơ chế thứ nhất, giả thiết toàn bộ N cốc chuyển hóa thành NH3, sau đó

được chuyển thành NO. Quá trình phản ứng được mô tả như sau:

Hình 3.5. Tất cả N cốc chuyển hóa thành NH3

Trong cơ chế này, tất cả N chuyển hóa thành NH3, do đó:

, ar w, 3

ar, 3

,

C N ch NH

ch NH

w N

S Y MS

M V (3.26)

ar, 0ch NOS (3.27)

Cơ chế thứ hai, giả thiết toàn bộ N cốc chuyển hóa thành NO

Hình 3.6. Cơ chế tất cả N cốc chuyển thành NO



Theo Lockwood, N cốc được thoát ra trực tiếp thành pha khí như NO:

, ar w,

ar,

,

C N ch NO

ch NO

w N

S Y MS

M V (3.28)

ar, 3 0ch NHS (3.29)

Xét NH3 từ chất bốc:

Nguồn NH3 từ chất bốc có liên quan với tỷ lệ thoát chất bốc

, w, 3

, 3

,

vol N vol NH

vol NH

w N

S Y MS

M V (3.30)

Phân vùng Nitơ nhiên liệu cho các chất trung gian HCN và NH3

Trong một số trường hợp, đặc biệt khi nhiên liệu là chất rắn, cả HCN và

NH3 có thể được tạo ra như các chất trung gian tại nhiệt độ đủ cao. Riêng, than

non (than bùn) đã được chứng minh NH3 nhiều gấp 10 lần so với mức độ HCN,

trong khi than bitum đã chỉ tạo ra HCN. Các nghiên cứu bởi Winter et al. đã chỉ

ra rằng đối với than bitum, tỷ lệ HCN/NH3 là 9:1 cho sự dự đoán NOx tốt hơn

khi được so sánh với các phép đo chỉ riêng cho từng chất trung gian.

Tóm lại, các công việc trên cho thấy tầm quan trọng của việc có thể xác

định tỷ lệ của N nhiên liệu sẽ được chuyển hóa thành cả HCN và NH3 tại cùng

một thời điểm. Trong FLUENT, phân vùng N nhiên liệu có thể được sử dụng bất

cứ khi nào HCN hoặc NH3 là các chất trung gian cho NOx, mặc dù nó chủ yếu

áp dụng cho các nhiên liệu rắn như than hoặc sinh khối.



CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY

THAN VÀ SỰ HÌNH THÀNH NOx TRONG LÒ HƠI BẰNG PHẦN MỀM

MÔ PHỎNG ANSYS FLUENT

4.1. Giới thiệu mô hình lò hơi dùng trong quá trình mô phỏng

Nhà máy nhiệt điện Ninh Bình có 4 lò hơi loại SG-130-40-450, loại lò hơi

có một bao hơi, bố cục hình chữ П, ống nước đứng kiểu tuần hoàn tự nhiên, đốt

than bột với các bộ vòi đốt đặt bốn góc tường buồng đốt, (Hình 4.2) do Trung

Quốc thiết kế với công nghệ của những năm đầu của thập kỷ 70, đã sử dụng

được hơn 20 năm và vận hành với hiệu suất thấp, không đạt được công suất thiết

kế, có hiện tượng đóng xỉ xung quanh bộ đốt gây sập xỉ trong vận hành, gây mất

an toàn trong vận hành, chu kỳ vận hành giảm xuống còn 25 đến 30 ngày là phải

ngừng để ra xỉ, không đáp ứng yêu cầu huy động của hệ thống.

Các thông số cơ bản theo thiết kế như sau:

Bảng 4.1. Thông số của lò hơi SG-130-40-450

STT Đại lượng Đơn vị Giá trị

1 Sản lượng hơi định mức T/h 130

2 Áp suất làm việc kGf/cm2 40

3 Nhiệt độ hơi quá nhiệt oC 450

4 Nhiệt độ nước cấp oC 172

5 Hiệu suất thiết kế % 90.1

Trước tình hình đó, nhà máy đã tiến hành cải tạo, nghiên cứu và áp dụng

vòi đốt siêu đậm đặc UD (Untra –Dense) cho lò hơi nhà máy nhiệt điện Ninh

Bình. Vòi phun này rất phù hợp với phương thức cháy trong buồng lửa có ngọn

lửa hình thành với dòng phun khuếch tán đặt bốn góc buồng lửa và tiếp tuyến

với vòng tròn ở trung tâm buồng lửa. Hình 3.1 mô tả cụm vòi đốt UD dùng

trong nhà máy nhiệt điện Ninh Bình.



1. Vòi đậm 2. Vòi loãng 3,4,5. Gió cấp 2 trên, giữa và dưới

Hình 4.1. Hình chiếu cụm miệng vòi UD

Như đã trình bày trong mục 2.2.5 về nguyên lý phân cấp gió, vòi phun UD,

ý tưởng của vòi phun này là tách dòng hỗn hợp gió cấp một thành hai luồng

bằng bộ phân ly đặt trực tiếp trong vòi đốt. Luồng thứ nhất có nồng độ bột than

siêu đậm đặc, có khả năng bắt lửa tốt đi vòa một vòi. Luồng thứ hai có nồng độ

bột than loãng có tỷ lệ gió/than cao được tách ra đưa vào vòi thứ hai ở bên cạnh,

luồng đậm đặc đạt tỷ lệ than gió trong khoảng (1-1,2) nên khả năng bắt cháy tốt.

Có điểm bắt cháy thấp, ngọn lửa trung tâm vùng cháy ổn định. Miệng vòi phun

đậm và vòi phun loãng đều là vòi vùng cháy ổn định và cả hai đều là vòi phun

dẹt được đặt cạnh nhau thổi thẳng vào buồng lửa theo phương tiếp tuyến với

đường tròn tưởng tượng tại trung tâm buồng lửa. Vòi phun gió cấp hai được bố

trí trên và dưới vòi phun gió cấp một. Ngoài ra còn bố trí vòi phun gió cấp ba ở

bốn góc lò cách vòi phun gió cấp hai khoảng 0,5-1m.



Hình 4.2. Bố trí vòi phun lò hơi SG-130-40-450

Với lò hơi đốt than kiểu tiếp tuyến, các vòi đốt được bố trí dọc theo bốn

góc của buồng đốt như trên hình 4.2. Than bột từ mỗi vòi được phun theo

phương ngang và tiếp tuyến với vòng tròn tưởng tượng nằm ngang tại trung tâm

không gian buồng đốt. Điều này tạo thành một cùng cháy hình trụ với vòng xoáy

mạnh tại trung tâm buồng đốt như trong mặt cắt ngang trong hình 4.2.

Từ kết cấu và cách bố trí của loại vòi phun này ta thấy:

- Bột than có khả năng bắt cháy sớm, cháy trong vùng hoàn nguyên có hàm

lượng NOx thấp.

- Vùng trung tâm buồng lửa có nồng độ bột than cao, sẽ làm quá trình cháy

ổn định khi có thay đổi phụ tải.

- Và giảm được nhiệt độ xung quanh buồng lửa, nên giảm được khả năng

đóng xỉ xung quanh tường lò.

Các thông số tính toán cho lò hơi như sau:



Bảng 4.2. Các thông số tính toán của lò hơi SG-130-40-450

STT Đại lượng Đơn vị Giá trị

1 Hệ số không khí thừa 1.1

2 Tổng lượng gió m3/s 58

3 Tỷ lệ gió cấp I/tổng gió % 25

4 Tỷ lệ gió cấp II/tổng gió % 48

5 Tỷ lệ gió cấp III/tổng gió % 27

6 Nhiệt độ hỗn hợp gió cấp I và bột than oC 245

7 Nhiệt độ gió cấp II oC 390

8 Nhiệt độ hỗn hợp gió cấp III và bột than oC 90

9 Lượng than qua một vòi kg/s 0.564

10 Tỷ lệ phân ly vòi đậm/vòi loãng 9/1

11 Lượng than bột đi vào vòi gió cấp III % 10

12 Kích thức hạt than mịn vào vòi đậm μm 90

13 Kích thức hạt than mịn vào vòi loãng μm 100

14 Kích thức hạt than mịn vào vòi gió cấp III μm 10

Bảng 4.3. Thành phần mẫu than Hòn Gai dùng cho lò hơi

Thành phần công nghệ Thành phần hóa học

Độ ẩm H2O 6.38 % Cacbon C 90.06 %

Tro A 25.33 % Hydro H 3.40 %

Chất bốc VM 7.37 % Lưu huỳnh S 0.91 %

Cốc FC 60.92 % Nitơ N 1.52 %

Oxy O 4.11 %

Tổng 100 % Tổng 100 %

Nhiệt trị của than 5500 Kcal/kg



1. Bao hơi 7. Đường nước cấp 13. Ống góp dưới

2. Hơi sang Xyclon ngoài 8A,B. Bộ hâm nước CII,I 14. Bộ đốt UD

3. Hơi sang QNC1 9A,B. Bộ sấy KK CII,I 15. Ống sinh hơi

4. Xyclon ngoài 10. Đường gió 16. Ống nước xuống

5. Hơi từ ống góp trên 3-7 11. Đường khói 18. Dàn Feston

6. Giảm ôn 12. Vít thỉa xỉ 19,20. BQN CI,II

Hình 4.3. Sơ đồ cấu tạo lò hơi SG-130-40-450



4.2. Thiết lập và giải mô hình cháy than và mô hình NOX

4.2.1. Tổng quan về mô hình cháy than

ANSYS FLUENT được lựa chọn cho mô phỏng quá trình cháy. Mô hình

và lưới được chia bằng phần mềm được tích hợp trong gói phần mềm ANSYS.

ANSYS FLUENT sau đó giải quyết các bài toán về mật độ, vận tốc, nhiệt độ và

nồng độ chất của pha khí và các tính chất hạt than và quá trình cháy bên trong

buồng đốt tới trạng thái ổn định. Các phương trình chủ đạo dùng để giải trong

ANSYS FLUENT là các phương trình liên tục, phương trình bảo toàn động

lượng, phương trình động năng rối, phương trình khuếch tán rối và phương trình

bảo toàn chất cho mỗi chất khí trong mô hình cháy rối. Trong bài toán mô phỏng

dùng mô hình chảy rối k-ε Realizable, mô hình dòng phản ứng, mô hình pha

phân tán, mô hình bức xạ và mô hình NOx.

Mô hình tính toán than

Đối với than và các loại nhiên liệu rắn hoặc lỏng khác, chúng ta biết được

các phân tích nhiên liệu như:

- Thành phần công nghệ ( Vol, char, ash, moisture)

- Thành phần hóa học ( C, H, O, N, S)

Dựa trên số liệu này, chúng ta có thể cài đặt số liệu về mẫu than phân tích

trong FLUENT sử dụng mô hình Species transport (Truyền chất).

Cháy than diễn ra theo cơ chế hai bước như sau:

Coal + a O2 →b CO + c CO2+ d H2O + e SO2 (4.1)

CO + 0.5 O2 →CO2 (4.2)

Trong đó, các hệ số a, b, c, d, e được xác định từ các mẫu phân tích

proximate và ultimate của nhiên liệu.

Trong bước thứ nhất, chất bốc được phản ứng với oxy, sản phẩm tạo thành

CO. Phản ứng này diễn ra rất nhanh và tốc độ cháy được điều khiển bằng tốc độ

hòa trộn rối, được dự đoán bằng mô hình tiêu tán xoáy (Eddy dissipation). Bước

thứ hai CO phản ứng tiếp với oxy tạo thành CO2.

Mô hình NOx



Mô hình NOx trong FLUENT có thể dự đoán cả sự hình thành và giảm

NOx. Trong suốt quá trình thoát chất bốc, nitơ trong nhiên liệu được hình thành

dưới dạng HCN và NH3. Các chất này được oxy hóa thành dạng NOx hoặc được

đưa về dạng N2. Nito được giải phóng từ đốt cháy cốc và chất bốc thành N2 và

NO. Mô hình NOx được giải sau khi giải xong mô hình cháy.

4.2.2. Thiết lập và giải mô hình

Như đã trình bày trong mục 3.5 – trình tự giải quyết bài toán CFD. Cũng

như mọi bài toán CFD, bài toán mô phỏng quá trình cháy than trong lò hơi cũng

thực hiện đầy đủ ba bước sau:

- Đặt vấn đề

- Giải quyết vấn đề

- Đánh giá kết quả

Phần đặt vấn đề đã được trình bày ở trên. Trong mục này, ta sẽ tập trung

vào bước thứ hai của quá trình: Giải quyết vấn đề. Và chúng ta chỉ xét các bước

tiến hành và cụ thể các bước như thế nào thì có thể xem phần phụ lục.

a. Pre-processing

Bước 1: Mô hình hình học 3D – Lò hơi SG-130-40-450

Mô hình lò hơi SG-130-40-450 được vẽ bởi Design Modeler tích hợp trong

gói phần mềm ANSYS và các kích thước của lò như sau:

Hình 4.4. Mô hình 3D lò hơi SG-130-40-450



Hình 4.5. Kích thước của lò hơi và cụm vòi đốt

Đối với bài toán mô phỏng này, ta chỉ xét quá trình cháy từ buồng đốt lên

vùng khói ra trước bộ quá nhiệt cấp 1, nên trong mô hình được rút gọn các chi

tiết như bộ quá nhiệt, các bộ hâm nước, bộ sấy không khí và phần thải xỉ. Lò hơi

có kích thước các chiều a x b x c là 6.9 x 6.6 x 26 m. Lò có bốn cụm vòi đốt đặt

bốn góc buồng đốt với phương thức đốt tiếp tuyến như đã trình bày ở trên.

Để đơn giản cho quá trình tính toán cũng như hạn chế về tài nguyên của

máy tính, riêng đối với cụm vòi đốt, ta tính toán các kích thước sao cho các tiết

diện ra có giá trị như trong mô hình thực (Hình 4.1).Kích thước và tiết diện của

từng vòi được cho dưới bảng dưới đây:



Bảng 4.4. Kích thước và tiết diện của từng miệng vòi

STT Tên Kích thước

(m x m)

Diện tích tiết diện (m2)

1 Vòi phun than đậm 0.043

2 Vòi phun than loãng 0.035

3 Vòi gió cấp II trên và dưới 0.35 x 0.2 0.06

4 Vòi gió cấp III giữa 0.35 x 0.3 0.105

5 Vòi gió cấp III 0.35 x 0.26 0.091

Bước 2: Chia lưới (Meshing)

Sau khi xây dựng được mô hình hình học, ta tiến hành chia lưới cho mô

hình. Lưới chia mô hình hình học thành nhiều phần tử. Chúng được sử dụng để

trình giải CFD để tạo các thể tích điều khiển ( Control volume). Ứng với mỗi bài

toán khác nhau mà ta lựa chọn lưới thích hợp. Có nhiều loại lưới khác nhau như

lưới tứ diện (Tetrahedron), lưới lục diện (Quadrilateral)… Bài toán mô phỏng có

mô hình hình học phức tạp, ta dùng mô hình chia lưới kiểu tứ diện.

Hình 4.6. Mô hình chia lưới



Thông số, chất lượng hình học của lưới được biểu thị bởi bảng số liệu dưới

đây:

Bảng 4.5. Thông số, chất lượng hình học của lưới

STT Tên Giá trị

1 Dạng phần tử tetra

2 Số phần tử 532472

3 Số nút 99399

4 Skewness 0.799

5 Orthogonal Quality 0.25

Để đánh giá chất lượng của lưới là tốt hay xấu, ta đánh giá qua hai yếu tố

sau: Skewness ( độ méo, độ lệch) và Orthogonal Quality ( Tính vuông góc). Về

giá trị Skewness càng nhỏ thì chất lượng lưới càng tốt. Để có kết quả tương đối

chính xác thì giá trị Skewness chấp nhận được là không được lớn hơn 0.85,

Skewness càng gần 0 (càng bé) thì chất lượng lưới càng tốt. Ngược lại với

Orthogonal Quality, giá trị càng gần 0 thì chất lượng càng xấu, và giá trị có thể

chấp nhận được là không được bé hơn 0.2. Với yêu cầu chất lượng lưới như

trên, thì mô hình lưới trên là tương đối nhưng có thể chấp nhận được. Sau khi

chia lưới xong, ta tiến hành đặt tên cho các biên của mô hình gồm: inlet, outlet

và wall. Inlet là bề mặt của các vòi phun than, vòi gió cấp II, cấp III. Outlet là bề

mặt ra mô hình. Wall là tất cả bề mặt còn lại bao quanh mô hình.

Bước 3: Thiết lập các mô hình vật lý

Trong phần này, ta lựa chọn các mô hình vật lý cho mô hình bao gồm:

- Mô hình rối

- Mô hình sự cháy

- Mô hình bức xạ

- Mô hình pha phân tán

- Mô hình NOx

Ở đây, em chỉ mô tả các bước, các thông số đặt cho từng mô hình. Và cụ

thể sẽ được trình bày trong phần phụ lục.



1. Kích hoạt phương trình năng lượng

Models→ Energy→Edit...

2. Mô hình rối

Models→ Viscous→Edit...

- Chọn k-epsilon (2eqn) trong Model

- Chọn Realizable trong k-epsilon Model

3. Mô hình bức xạ

Models→ Radiation→Edit...

- Chọn Discrete ordinates (DO) trong mô hình Radiation

- Nhập giá trị 1 cho Energy Iterations per Radiation Iteration

- Nhập giá trị 4 cho Theta Divisions và Phi Divisions

- Nhập giá trị 3 cho Theta Pixels và Phi Pixel

4. Mô hình vận chuyển chất (Species Transport)

Models→ Species→Edit...

- Chọn Species Transport trong Models

- Kích hoạt Volumetric

- Chọn Eddy Dissipation

- Click vào Coal Calculator…

Coal Caculator là một công cụ để chuyển đổi các số liệu đầu vào sẵn có

như các phân tích Proximate và Ultimate, và nhiệt trị của nhiên liệu thành các

số liệu đầu vào mô phỏng như các hệ số cân bằng phản ứng hóa học, entanpy

của chất bốc, tỷ lệ chất bốc và chất có thể cháy được trong than… Sự biến đổi

này diễn ra nhanh và chính xác, vì vậy có thể tránh được các lỗi tính toán thông

thường.

Thành phần than và nhiệt trị của than được cho trong bảng 4.3.



5. Mô hình pha phân tán

Models→ Discrete phase →Edit...

- Nhập 40000 cho Max.Number of Steps

- Nhập 0.0025 cho Length Scale

Bước 4: Phun hạt ( Injections)

Ở bước này, ta tiến hành đặt các thông số phun than cho từng vòi phun

nhiên liệu.

Cài đặt Injection cho vòi đậm

- Chọn inlet _d1 (Vòi đậm 1)

- Chọn Combusting cho Particle Type

- Đặt 9e-5 cho Diameter (m)

- Đặt 245 cho Temperature (oC)

- Đặt 18 cho Velocity Magnitude (m/s)

- Đặt 0.5076 cho Total Flow Rate (kg/s)

- Đặt h20 cho Evaporating Species

Cài đặt Injection cho vòi loãng

- Chọn inlet _l1 (Vòi loãng 1)







Cài đặt Injection cho vòi cấp III

- Chọn c31 (Vòi cấp III)









Bước 5: Cài đặt các thông số cho vật liệu (Materials)

Xác định các thông số vật lý cho hỗn hợp Coal-Volatiles-air và Coal-

Particle

Các thông số được cho dưới bảng sau:

Bảng 4.6. Thông số vật lý cho hỗn hợp Coal-Volatiles-air

Bảng 4.7. Thống số vật lý Coal-particle

STT Thông số Giá trị

1 Cp 1100

2 Vaporization (oC) 127

3 Binary Diffusivity 3e-5

4 Swelling Coefficient 2

5 React. Heat Fraction Absorbed

by Solid

50

6 Combustion Model Chọn Kinetics/diffusion-limited


1 Thermal Conductivity Chọn Polynomial

Các hệ số nhiệt độ thứ nhất và thứ hai

tương ứng là 0.01006 và 5.413e-5

2 Viscosity Chọn Polynomial

Đặt 9.18e-6 và 3.161e-8 cho các hệ số

nhiệt độ tương ứng

3 Absorption Cofficient Chọn wsggm-domain-based

4 Scattering Cofficient Chọn constant với giá trị 0.5



Mass Diffusion limited rate =5e-12

Kinetics limited rate pre-Exponential

factor=6.7

Kinetics limited rate Activation

Energy =1.138e8

Bước 6: Đặt các điều kiện biên

Đặt điều kiện biên cho inlet vòi đậm

Bảng 4.8. Điều kiện biên vòi đậm


1 Mass Flow rate 0.62 kg/s

2 Specification Chọn Intensity and Hygraulic

Diameter

3 Hydraulic Diameter 0.23 m

4 Temperature 245oC

5 Species Mass Fractions O2=0.23

6 Discrete Phase BC Type escape

Đặt điều kiện biên cho inlet vòi loãng

Bảng 4.9. Điền kiện biên vòi loãng




Diameter


4 Temperature 245oC



Đặt điều kiện biên cho inlet vòi gió cấp III



Bảng 4.10. Điều kiện biên vòi gió cấp III




Diameter


4 Temperature 90oC



Đặt điều kiện biên cho outlet

Bảng 4.11. Điều kiện biên cho outlet


1 Gauge Pressure 0 pa

2 Blackflow Total temperature 1000oC


b. Processing

Ở bước này, ta thiết lập bộ giải cho các bài giải sau:

- Dòng không phản ứng

- Khởi tạo dòng phản ứng

- Dòng phản ứng

- Dòng phản ứng bao gồm bức xạ

- Dòng phản ứng bao gồm sự tương tác hạt – bức xạ

Dòng không phản ứng

Tắt Volumetric reactions

Đặt 0 cho Number of Continuous Phase Iterations per DPM Iteration

để tránh sự phun hạt trong bước này

Solution Methods



- Chọn Coupled

- Chọn PRESTO!

- Kích hoạt Set All Species Discretization Together.

Solution Controls

- Bỏ chọn Discrete Ordinates trong danh mục các phương trình

Khởi tạo bộ giải

- Chọn Standard initialization

- Đặt 0.23 cho o2

- Đặt 100 cho Turbulent Dissipation Rate (m2/m3)

- Đặt 500 cho Temperature

- Bấm Initialize

Chạy bộ tính toán với 300 vòng lặp

Khởi tạo dòng phản ứng

Thay đổi cài đặt trong Discrete Phase Model

- Đặt 1 cho Number of Continous Phase Iterations per DPM Iteration

- Kích hoạt Pressure Dependent Boiling trong Physical Models trong

thanh Numerics

- Kích hoạt Enable Node Based Averaging

- Nhập 6 cho Gaussian factor

Kích hoạt Volumetric reactions

Tạo vùng phản ứng

- Chọn vùng phản ứng từ 8-11m

- Bán kính vùng phản ứng là 1.5 m

Patch nhiệt độ cao và tỷ lệ các chất cho vùng phản ứng

Giá trị nhiệt độ và tỷ lệ các chất được cho dưới bảng sau:



Thông số Giá trị

Nhiệt độ 1000oC

H20 0.01

CO2 0.01

Thay đổi một số giá trị trong Solution Controls

- Đặt 0.95 cho Species

- Đặt 0.95 cho Energy

- Đặt 1 cho Discrete Phase Sources

Tính toán với một vòng lặp

Dòng phản ứng

Thay đổi Number of Continous Phase Iteration per DPM Interation

thành 25

Thay đổi Vaporization Temperature thành 500oC cho Coal-particles

Đặt 0.5 cho Discrete Phase Sources

Chạy 1300 vòng lặp

Dòng phản ứng bao gồm bức xạ

Chọn Discrete Ordinates trong danh mục các phương trình


Dòng phản ứng bao gồm sự tương tác Hạt-bức xạ

Kích hoạt Particle Radiation Interation từ Physical Models trong

Discrete Phase

Thay đổi 0.25 cho Discrete Phase Source


Mô hình NOx

Trong phần này, ta sẽ sử dụng FLUENT để dự đoán sự hình thành NOx.

Đầu tiên, ta sẽ tính toán cho sự hình thành của cả ba: NOx nhiệt, NOx tức thời,



NOx nhiên liệu. Sau đó, ta tiến hành tính toán cho riêng từng cái để đánh giá sự

phân bố của từng cơ chế.

Kích hoạt Thermal NOx, Prompt NOx, Fuel NOx

Trong thanh Turbulence Interaction Mode, chọn Temperature từ PDF

Mode.

Điều này sẽ kích hoạt sự tương tác rối-hóa học.

Trong thanh Thermal NOx, chọn Partial – equilibrium từ [O] Model và

[OH] Model

Mô hình Partial-equilibrium được sử dụng để dự đoán nồng độ oxi gốc

được yêu cầu cho sự dự đoán NOx nhiệt.

Trong thanh Prompt, nhập 2.8 và 0.685 cho Fuel Cacbon Number và

Equivalance Ratio.

Trong thanh Fuel:

- Chọn Solid từ Fuel type

- Nhập 0.9 cho HCN, 0.1 cho NH3

- Chọn hcn/nh3/no cho N Intermediate

- Chọn no cho Char N Conversion

Đặt 0 cho Number of Continous Pharse Iterations per DPM Iteration

Thay đổi Pollutant no, Pollutant hcn, Pollutant nh3 thành 1

Bỏ kích hoạt các phương trình trừ Pollutant no, Pollutant hcn, Pollutant

nh3 trong danh sách phương trình

Chạy tính toán 100 vòng lặp

NOx nhiệt

Bỏ kích hoạt Prompt NOx và Fuel NOx để chỉ tính toán cơ chế Thermal

NOx.

Chạy tính toán 100 vòng lặp



NOx tức thời

Bỏ kích hoạt Thermal NOx và Fuel NOx để chỉ tính toán cơ chế hình

thành Prompt NOx.

Chạy tính toán 100 vòng

NOx nhiên liệu

Bỏ kích hoạt Thermal NOx và Prompt NOx để chỉ tính toán cơ chế hình

thành Fuel NOx.

Chạy tính toán 100 vòng.

4.2.3. Xử lý và đánh giá kết quả

Đây là bước Postprocessing. Xử lý kết quả được thực hiện bằng công cụ có

sẵn trong FLUENT và CFD Post.

a. Xét sự hình thành NOx cả ba cơ chế hình thành

Sau khi chạy mô phỏng quá trình cháy than và sự hình thành NOx, ta có

một số kết quả về sự phân bố và sự hình thành NOx trong buồng đốt lò hơi SG-

130-40-450 cho than Hòn Gai. Ở đây, ta xét sự hình thành NOx cho cả ba cơ chế

hình thành gồm NOx nhiệt, NOx tức thời và NOx nhiên liệu. Sau đó ta xét riêng

cho từng cơ chế hình thành.

Hình ảnh sự phân bố sự hình thành NOx theo mặt cắt dọc lò hơi ứng với

chiều rộng và chiều sâu của buồng lửa. Do NO chiếm 90 – 95% sự hình thành

NOx, vì vậy đánh giá sự hình thành NO cũng có thể gần đúng cho sự hình thành

NOx chung.

Sử dụng hàm tính toán trong FLUENT để tính NO ppm. NO ppm được tính

theo phương trình sau:



NO ppm được tính theo mẫu khô, vì vậy giá trị được tính toán bằng cách

trừ đi tỷ lệ nước ở dưới mẫu số.

Xét sự phân bố NO tính theo ppm

Hình 4.7. Sự phân bố NO theo ppm

Bảng 4.12. Giá trị NOx và nhiệt độ trung bình theo chiều cao

STT Chiều cao

(m)

NO

(ppm)

Nhiệt độ

(oC)

1 5 453 795

2 8,7 677 1305

3 9,8 865 1392

4 11,1 925 1330

5 13 1022 1362

6 15 1017 1273

7 17 1020 1193

8 19 1025 1119

9 21 1035 1061

10 23 1041 1015



11 25 1079 939

Hình 4.8. Đồ thị sự thay đổi NOx và nhiệt độ theo chiều cao

Nhận xét:

Quan sát hình 4.7, 4.8 ta nhận thấy rằng trong vùng cháy, NOx chủ yếu tập

trung ở vùng gần tường buồng lửa, ở cùng trung tâm thì tỷ lệ NOx thấp. Để rõ

hơn thì ta xem hình dưới đây về sự phân bố trường nhiệt độ (bên trái) và trường

vận tốc (bên phải) theo mặt cắt dọc buồng đốt. Từ hình vẽ ta thấy, tại trung tâm

buồng đốt, nhiệt độ và vận tốc chủ yếu tập trung ở vùng gần tường buồng đốt.

Điều này do sự bố trí vòi phun buồng lửa kiểu tiếp tuyến. Giá trị NOx tăng

nhanh trong vùng cháy từ chiều cao 8 – 11m nơi diễn ra sự cháy mãnh liệt nhất

của quá trình cháy. Ra khỏi vùng cháy, theo chiều cao buồng lửa NOx có tăng

nhưng tăng nhẹ và giữ ổn định do lúc này nhiệt độ cũng đã ổn định và phân bố

đều. Giá trị NOx cao nhất tại miệng ra của buồng đốt và giá trị trung bình dao

động trong 1000 ppm.



Hình 4.9 Sự phân bố trường nhiệt độ và vận tốc theo mặt dọc buồng đốt

b. Xét sự hình thành NOx cho riêng từng cơ chế

Sau khi đã chạy mô phỏng xong sự hình thành NOx tổng, ta xét cho sự hình

thành NOx cho từng cơ chế.

Hình 4.10. Sự phân bố NOx cho từng cơ chế



Hình 4.11. Sự thay đổi NOx theo chiều cao cho từng cơ chế hình thành

Quan sát hình 4.10 và 4.11, ta thấy được sự phân bố cũng như tỷ lệ của

từng cơ chế hình thành NOx. Trong ba cơ chế, NOx nhiên liệu chiếm tỷ lệ lớn

nhất (84,26%), NOx nhiệt chiếm 15.73% và NOx tức thời chiếm một tỷ lệ rất nhỏ

trong sự hình thành NOx chung, có thể bỏ qua trong quá trình xét sự hình thành

NOx tổng. Điều này khá đúng với lý thuyết sự hình thành NOx. Để thấy rõ hơn

về tỷ lệ, ta có bảng 2.2.

Bảng 4.13. Giá trị NOx trung bình tại mặt ra của buồng đốt

STT Cơ chế hình thành Giá trị (ppm)

1 NO nhiên liệu 959

2 NO nhiệt 179



3 NO tức thời 0.09

4 NO tổng 1049

Từ bảng ta nhận thấy rằng tổng đại số của từng cơ chế hình thành NOx

không trùng NOx tổng. Điều này là do các phản ứng thuận nghịch liên quan khi

kết hợp các các cơ chế lại với nhau. NOx sinh ra trong một phương trình có thể

bị phá hủy bới một phương trình khác.

4.2.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ trộn than đến sự hình thành NOx

a. Tổng quan về than trộn

Than trộn trong nhà máy nhiệt điện chủ yếu được áp dụng để giảm chi phí

vận hành và tăng khả năng cháy của than. Các loại than chất lượng thấp có thể

được trộn với than tốt hơn mà không làm giảm hiệu suất nhiệt của lò hơi, do đó

làm giảm chi phí sản xuất. Nhiều quốc gia, trộn than đã được áp dụng trong một

khoảng thời gian dài chủ yếu là để tăng khả năng của than sẵn có cho nhà máy

điện. Để cải thiện khả năng của than và cải thiện nhiệt lượng của than khi cháy,

một số nhà máy nhiệt điện xem đến khả năng trộn than nhập khẩu chất lượng

cao với than có độ tro cao.

Để quyết định trộn than hay không, nó rất quan trọng để biết các thành

phần của than được trộn. Điều này có nghĩa là sẽ phải biết nguồn gốc của than,

thành phần hóa học vô cơ, hữu cơ và các đặc tính cháy của than. Trong quá trình

đốt cháy, thực sự là cần thiết để biết các điều kiện vật lý và tính chất của than

trong việc gia nhiệt các hạt than, đánh lữa và quá trình cháy của chất bốc và

cháy cốc. Nó cũng không kém phần quan trọng để biết các sự thay đổi pha trong

các chất khoáng và các chất vô cơ có mặt trong than. Hiệu suất cháy và sự mất

cacbon sẽ phải được giải quyết trong quá trình trộn than. Và cũng rất cần thiết

để xem xét đến sự hình thành các chất thải như NOx và SOx.

Do sự phức tạp của quá trình cháy và các biến liên quan, rất khó để suy ra

kết quả quy mô đầy đủ. Như vậy, kinh nghiệm vận hành nhà máy điện trong một



phạm vi rộng của các chế độ với nguồn nguyên liệu than thay đổi là điều cần

thiết để xác định ý nghĩa thiết thực của của các kết quả từ chuẩn bị - thử nghiệm

– các sự kiểm tra quy mô. Nhiều dữ liệu được thiết lập cho các loại than được sử

dụng trong các thử nghiệm khác nhau từ hiệu suất thực của lò hơi trong nhà máy

được yêu cầu.

Các sự quyết định trộn nên dựa trên những kiến thức về các đặc điểm của

một cặp than đã cho, chứ không phải là một sự giả thiết về sự thay đổi tuyến tính

của các tính chất, thông số. Những quy định nghiêm ngặt về môi trường, hiệu

quả tối đa với giảm chi phí phát điện, cải thiện khả năng và độ tin cậy…được đặt

lên các nhà máy nhiệt điện đốt than trên toàn thế giới và sự phát triển liên tục

của công nghệ mới nghĩa là vấn đề cải thiện chất lượng nhiên liệu sẽ vẫn là một

yếu tố chính.

b. Đánh giá và nhận xét một số kết quả về tỷ lệ trộn than đến sự hình thành

NOx.

Vừa qua, nhà máy nhiệt điện Ninh Bình đã tiến hành đốt thử than trộn.

Than nhập khẩu là than Sub-bitum, có hàm lượng chất bốc cao.

Xét kết quả khi ta trộn than nội địa (Hòn Gai) với than nhập khẩu với các tỷ

lệ khác nhau: 95% - 5%, 90% - 10%, 80% - 20%.

Thông số về than và các tỷ lệ trộn của than.

Bảng 4.14. Các thông số của than và các tỷ lệ trộn than

Than

Hòn

Gai

Than

nhập

khẩu

Than trộn

(95-5)

Than trộn

(90-10)

Than trộn

(80-20)

Thành phần công nghệ

Độ ẩm H2O % 6.38 20.62 7.092 7.804 9.228



Ta có một số kết quả mô phỏng như sau:

Hình 4.12. Sự phân bố NOx của các loại than

Bảng 4.15. Giá trị NOx trung bình của các tỷ lệ than khác nhau

Chất bốc VM % 7.37 38.45 8.924 10.478 13.586

Tro A % 25.33 9.23 24.525 23.72 22.11

Cốc FC % 60.92 31.7 59.459 57.998 55.076

Thành phần hóa học

Carbon C % 90.06 74.29 89.2715 88.483 86.906

Hydro H % 3.4 5.12 3.486 3.572 3.744

Lưu

huỳnh S % 0.91 0.45 0.887 0.864 0.0818

Nitơ N % 1.52 1.49 1.5185 1.517 1.514

Oxy O % 4.11 18.65 4.837 5.564 7.018

Nhiệt trị NCV kJ/kg 21844 18125 21658.05 21472.1 21100.2



STT Chiều cao

(m) Than Hòn Gai

Than trộn

95-5

Than trộn

90-10

Than trộn

80-20

1 5 453 463 482 579

2 8,7 677 717 647 648

3 9,8 865 834 871 861

4 11,1 925 951 916 926

5 13 1022 1037 1035 1062

6 15 1017 1044 1037 1064

7 17 1020 1045 1044 1071

8 19 1025 1045 1052 1078

9 21 1035 1050 1066 1097

10 23 1041 1056 1074 1104

11 25 1079 1104 1131 1159

Từ bảng số liệu 4.15 ta có đồ thị sau:

Hình 4.13 Đồ thị sự thay đổi NOx theo chiều cao buồng đốt

Xét giá trị NOx trung bình tại mặt ra của buồng đốt:

Bảng 4.16 Giá trị NOx trung bình tại mặt ra của buồng đốt

STT Loại than NO (ppm)

1 Hòn Gai 1052

2 Than trộn 95-5 1062

3 Than trộn 90-10 1084

4 Than trộn 80-20 1116



Nhận xét:

Qua hình 4.12, hình 4.13, bảng 4.15, 4.16 ta thấy rằng về sự phân bố NOx

của các loại than với các tỷ lệ trộn khác nhau trong buồng đốt cũng tương tự

nhau. NOx tăng nhanh trong vùng cháy của buồng đốt nơi diễn ra sự cháy mãnh

liệt và chủ yếu tập trung gần tường của lò hơi. Về sự thay đổi giá trị NOx theo

chiều cao buồng đốt thì với tỷ lệ trộn than càng nhiều thì giá trị NOx càng lớn.

Cụ thể ở đây, than Hòn gai có tỷ lệ phát thải NOx thấp nhất và tăng dần theo tỷ

lệ trộn tương ứng là tỷ lệ trộn 95% - 5%, 90% - 10%, 80% - 20%. Để xem xét rõ

hơn về điều này, ta xét sự thay đổi NOx theo từng cơ chế.

Xét sự thay đổi NOx theo từng cơ chế

Do NOx tức thời chiếm tỷ lệ rất nhỏ trong sự hình thành NOx chung, nên ta

có thể bỏ qua trong quá trình xét.

Sự phân bố NOx nhiên liệu:

Hình 4.14 Sự phân bố NOx nhiên liệu cho từng tỷ lệ than trộn



Bảng 4.17 Sự thay đổi NOx nhiên liệu theo chiều cao của các tỷ lệ trộn

STT Chiều cao

Than

Hòn Gai

Than trộn

95-5

Than trộn

90-10

Than trộn

80-20

1 5 442 447 473 571

2 8,7 652 686 631 632

3 9,8 812 783 837 828

4 11 868 892 890 900

5 13 922 930 962 993

6 15 920 941 968 998

7 17 927 944 976 1006

8 19 932 945 984 1014

9 21 945 952 1000 1034

10 23 948 957 1007 1040

11 25 981 1008 1062 1094

Từ bảng 4.17, ta có đồ thị sau:

Hình 4.15 Đồ thị sự thay đổi NOx nhiên liệu theo chiều cao

Sự phân bố NOx nhiệt:



Hình 4.16. Sự phân bố NOx nhiệt cho từng tỷ lệ trộn than

Lấy giá trị trung bình NOx nhiệt của các mặt theo chiều cao ta được đồ thị:

Hình 4.17 Đồ thị sự thay đổi NOx nhiệt cho từng than trộn



Qua đó ta thấy sự tăng NOx cho từng loại than với các tỷ lệ khác nhau chủ

yếu do NOx nhiên liệu. Xét công thức tính lượng không khí lý thuyết để đốt

cháy hoàn toàn 1 kg than:

2

ar ar ar ar1,866 0,7 5,6100 100 100 100*1,428

lt

O

C S H OV

Bảng 4.18 Bảng thành phần mẫu nhận được (ar) than trộn

Ký

hiệu

Mẫu than

Hòn Gai Than nhập

khẩu

Than

trộn 5%

Than

trộn

10%

Than

trộn

20%

Các bon C 61.5 50.07 60.9285 60.357 59.214

Hydro H 2.32 3.38 2.373 2.426 2.532

Oxy O 2.81 11.14 3.2265 3.643 4.476

Nitơ N 1.04 0.71 1.0235 1.007 0.974

Lưu

huỳnh S 0.62 0.73 0.6255 0.631 0.642

Độ tro A 25.33 8.19 24.473 23.616 21.902

Độ ẩm M 6.38 11.14 6.618 6.856 7.332

Bảng 4.19 Lượng không khí lý thuyết để đốt cháy 1 kg than

STT Loại than Lượng không khí lý thuyết

để đốt cháy cháy 1kg than

1 Hòn gai 1.262

2 Than trộn 95-5 1.252

3 Than trộn 90-10 1.241

4 Than trộn 80-20 1.219



Ta thấy, khi tăng dần tỷ lệ trộn thì lượng không khí lý thuyết cần để đốt

cháy hoàn toàn 1 kg than giảm dần. Trong khi đó, lượng không khí cấp vào

không đổi, dẫn đến hệ số không khí tăng. Điều này dẫn đến hệ số không khí thừa

tăng. Khi chất bốc trong than tăng, lượng không khí thừa nhiều thì lượng NOx

nhiên liệu chất bốc tăng lên nhiều. Vì vậy, để giảm được sự phát thải NOx trong

quá trình đốt cháy than thì cần phải giảm NOx nhiên liệu.



CHƯƠNG V: KẾT LUẬN

5.1. Tóm tắt nội dung

Mục đích chính của đề tài là nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng của bài

toán cháy than và sự hình thành NOx trong buồng đốt của lò hơi, từ đó ứng dụng

để nghiên cứu bài toán trộn than. Các kết quả chính được

trình bày trong luận văn như sau:

Trên cơ sở các số liệu thực tế, đồ án đã xây dựng được mô hình buồng

đốt của lò hơi nhà máy nhiệt điện Ninh Bình bằng phần mềm

ANSYS DesignModeler.

Dựa trên cơ sở lý thuyết về cháy than và sự hình thành NOx, đồ án đã xây

dựng được các mô hình vật lý cho mô hình được dùng trong quá trình mô

phỏng cháy than và sự hình thành NOx.

Đồ án cũng đã có một số kết quả nhất định về mô phỏng sự hình thành

NOx của than nội địa và áp dụng cho than trộn.

Đồ án đã xác định được sự thay đổi NOx khi ta thay đổi chế độ cháy, cụ

thể ở đây là thay đổi tỷ lệ lượng gió cấp vào.

5.2. Kết luận

Trong thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp, đồ án chỉ mới nghiên cứu được

bài toán mô phỏng quá trình cháy và sự hình thành NOx cho than nội địa và than

trộn. Và cũng đưa ra được một số kết quả về sự hình thành NOx. Tuy nhiên, kết

quả mới chỉ dừng lại ở mô hình thí nghiệm, chưa có kết quả đo thực tế để so

sánh và đối chiếu. Và do hạn chế về mặt thời gian và cơ sở vật chất nên đồ án

chưa tiến hành được nhiều trường hợp và tối ưu hóa bài toán. Do vậy, để có

được kết quả tốt hơn, bản thân em cũng cần phải cố gắng hơn nữa. Và em cũng

cần nhiều hơn nữa sự giúp đỡ của thầy, cô giáo và bạn bè về mô phỏng cũng

như trang bị cơ sở vật chất tốt hơn để phục vụ cho việc nghiên cứu. Và nếu có

điều kiện, cần có sự đo đạc trên mô hình thực tế để so sánh với kết quả của đồ

án được tốt hơn.



5.3. Đề xuất

Sau khi hoàn thành xong luận văn, em có một số đề xuất như sau:

CFD là một lĩnh vực trên thế giới đã phát triển mạnh tuy nhiên còn khá

mới mẻ ở nước ta, chưa được nhiều các nhà khoa học, sinh viên,...quan tâm, vì

vậy nên đầu tư hơn nữa cho lĩnh vực này. Bước đầu nên có những chương trình

nghiên cứu một cách rất nghiêm túc, trao đổi, tiếp thu những thành tựu về cơ sở

lý thuyết CFD của các nước phát triển. Tiếp theo, đầu tư trang thiết bị phục vụ

cho công việc nghiên cứu, thí nghiệm.

Để phát triển được lĩnh vực này, đòi hỏi phải có đội ngũ cán bộ, các nhà

nghiên cứu khoa học có đầy đủ kiến thức chuyên môn, ở nước ta hiện nay đội

ngũ cán bộ, các nhà nghiên cứu khoa học về lĩnh vực này còn hạn chế. Vì vậy,

cần xúc tiến, có kế hoạch đào tạo nguồn nhân lực trẻ phục vụ cho việc nghiên

cứu CFD trong tương lai. Đưa lĩnh vực CFD vào trong chương trình đào tạo,

giảng dạy cho sinh viên các nghành cơ khí kỹ thuật. Trong đó có cả việc nghiên

cứu, phát triển các phần mềm ứng dụng mô phỏng CFD.



TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tài liệu tiếng việt

1. Nguyễn Sỹ Mão. Lò hơi, tập 1,2. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà

Nội, 2006.

2. Quy hoạch điện VII. 2011.

3. Viện Năng lượng. Nghiên cứu, thiết kế, ứng dụng vòi phun đốt than UD

cho lò hơi nhà máy điện Ninh Bình. 1999.

4. TS. Lê Đức Dũng. Lý thuyết về sự hình thành và các biện pháp giảm phát

thải NOx.

5. TS. Lê Đức Dũng. Một số vấn đề trộn than.

6. Viện năng lượng. Bản vẽ CAD lò hơi và cụm miệng vòi.

Tài liệu tiếng anh

7. ANSYS, Inc. ANSYS Fluent Tutorial Guide Release 15.0

8. ANSYS, Inc. ANSYS Fluent Theory Guide Release 15.0

9. Idemitsu Kosan Co, Ltd. Result of combustion simulation analysis for Pha

Lai No.2 and Vung Ang No.1. 2012

10. Ligeng Qian, Yinliang Ma, Ping Sun, Kefa Cen, Jianren Fan.

Computational modeling of pulverized coal combustion processes in

tangentially fired furnaces. Elsevier 2001.

11. Abdulnaser Sayma. Computational Fluid Dynamics. Website:

Bookboon.com

12. Li Jun, Yan Weiping, Gao Yang. Numerical Analysis of the Factors about

Combustion Stability on Boiler. TELKOMNIKA. 2012

13. Zhao Feng TIAN, Peter J.WITT, M. Phillip SCHWARZ, William

YANG. Numerical Modelling of Brown Coal Combustion in a

Tangentally Fired Furnance. 2009.

Documents

Coal Combustion-Final Project