Tài liệu Nghiên cứu khí động, trao đổi nhiệt và vòng đời của công nghệ lớp sôi tuần hoàn

LỜI CAM ĐOAN BỘ BỘGIÁO GIÁODỤC DỤCVÀ VÀĐÀO ĐÀOTẠO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ HÀ NỘI NỘI --------------------------------------------------------------------------------- Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu được trích dẫn có nguồn gốc. Các kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được tác giả nào công bố trong bất kỳ công trình nào. Tác giả luận án NGUYỄN NGUYỄN MINH MINH TIẾN TIẾN NGUYỄN MINH TIẾN NGHIÊN NGHIÊN CỨU CỨU KHI KHI ĐỘNG, ĐỘNG, TRAO TRAO ĐỔI ĐỔI NHIỆT NHIỆT VÀ VÀ VÒNG VÒNG ĐỜI ĐỜI CỦA CỦA CÔNG CÔNG NGHỆ NGHỆ LỚP LỚP SÔI SÔI TUẦN TUẦN HOÀN HOÀN Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt Mã số: 62520115 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS PHẠM HOÀNG LƯƠNG HÀ NỘI-2018 HÀ NỘI-2018 i Hà Nội-2016 LỜI CẢM ƠN Với tất cả sự kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất, tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Phạm Hoàng Lương đã tận tình chỉ bảo và động viên trong suốt quá trình nghiên cứu và viết luận án để tác giả có thể hoàn thành bản luận án này. Tác giả xin trân trọng cảm ơn cảm ơn tập thể các Thầy cô giáo Phòng nghiên cứu năng lượng bền vững, Viện Tiên tiến khoa học và công nghệ, Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt-Lạnh, Viện Đào tạo sau đại học của Trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình góp ý và giúp đỡ tác giả trong quá trình thực hiện luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Viện Tiên tiến khoa học và công nghệ, Chương trình giáo sư UNESCO (Đại học Bách khoa Hà Nội) đã hỗ trợ tài chính trong việc cải tạo mô hình buồng đốt lớp sôi tuần hoàn hiện có tại Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt-Lạnh, các cán bộ kỹ thuật tại các Công ty nhiệt điện Na Dương, Cao Ngạn, Uông Bí đã cung cấp số liệu thông tin về hiện trạng khai thác vận hành lò lớp sôi tuần hoàn (CFB), lò than phun (PF) tại các công ty này. Cuối cùng Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình và các bạn bè đã động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian nghiên cứu, thực hiện luận án. ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................... ii MỤC LỤC ........................................................................................................................... iii DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................... vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................ xi DANH MỤC HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ ..................................................................................... xiii MỞ ĐẦU............................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ..................................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài .......................................................................................... 2 3. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................................... 2 4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................................... 2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ........................................................................... 3 6. Điểm mới của luận án ........................................................................................................ 4 7. Bố cục của luận án ............................................................................................................. 4 CHƯƠNG 1-TỔNG QUAN VỀ KHÍ ĐỘNG HỌC, TRAO ĐỔI NHIỆT TRONG LỚP SÔI TUẦN HOÀN VÀ ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH VÒNG ĐỜI ĐỂ SO SÁNH CÔNG NGHỆ ...................................................................................................................... 5 1.1. Khí động học lớp sôi tuần hoàn ...................................................................................... 5 1.1.1. Các trạng thái tương tác khí-hạt .................................................................................. 5 1.1.2. Cơ chế của lớp sôi ....................................................................................................... 7 1.1.2.1. Lớp chặt .................................................................................................................... 7 1.1.2.2. Lớp sôi nhanh ........................................................................................................... 8 1.1.2.3. Phân bố giáng áp và độ rỗng trong buồng đốt lớp sôi nhanh ................................... 9 1.1.2.4.Vận tốc sôi tối thiểu ................................................................................................. 10 1.1.2.5.Vận tốc tới hạn ........................................................................................................ 12 1.2. Nghiên cứu thực nghiệm về tốc độ tuần hoàn hạt trong buồng đốt .............................. 14 1.2.1. Nghiên cứu thực nghiệm của Phạm Hoàng Lương và cộng sự ................................. 14 1.2.2. Nghiên cứu thực nghiệm của Sung Won Kim và cộng sự ........................................ 14 1.2.3. Nghiên cứu thực nghiệm của Myung Won Seo và các cộng sự ................................ 15 1.2.4. Nghiên cứu thực nghiệm của Tzeng Lim và các cộng sự .......................................... 16 1.2.5. Nghiên cứu thực nghiệm của Kalita và các cộng sự ................................................. 17 1.2.6. Nghiên cứu thực nghiệm của Jong Hun Lim và các cộng sự .................................... 18 1.2.7. Nghiên cứu thực nghiệm của N. Chovichien và các cộng sự .................................... 19 1.2.8. Nghiên cứu thực nghiệm của Tatjana và các cộng sự ............................................... 20 1.2.9. Đánh giá các nghiên cứu mô hình lý thuyết và mô hình thực nghiệm xác định tốc độ tuần hoàn hạt trong lớp sôi tuần hoàn .................................................................................. 23 1.3. Truyền nhiệt trong lớp sôi tuần hoàn............................................................................ 24 1.3.1. Nguyên lý truyền nhiệt trong lớp sôi tuần hoàn ........................................................ 24 1.3.2. Cơ chế truyền nhiệt trong lớp sôi tuần hoàn .............................................................. 25 1.3.2.1. Truyền nhiệt từ khí tới hạt ...................................................................................... 25 1.3.2.2. Truyền nhiệt từ lớp sôi tới vách.............................................................................. 27 1.4. Mô hình lý thuyết truyền nhiệt từ lớp tới vách ............................................................. 33 1.4.1. Thành phần đối lưu hạt (Kcp) ..................................................................................... 34 1.4.2. Thành phần đối lưu pha phân tán (Kcd) ..................................................................... 38 1.4.3. Thành phần bức xạ (Kr) ............................................................................................. 39 1.5. Các nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt từ lớp tới vách trong lớp sôi tuần hoàn ... 41 iii 1.5.1. Nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt từ lớp tới vách của Gupta và Nag ............... 41 1.5.2. Nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt từ lớp tới vách của Kalita và cộng sự ......... 42 1.5.3. Nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt từ lớp tới vách của Pagliuso và cộng sự ..... 43 1.5.4. Nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt từ lớp tới vách của Afsin Gungor và cộng sự ............................................................................................................................................. 44 1.5.5. Nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt từ lớp tới vách của Koksal và cộng sự ....... 45 1.5.6. Nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt từ lớp tới vách của Nirmal và cộng sự ....... 46 1.5.7. Đánh giá các nghiên cứu mô hình lý thuyết và mô hình thực nghiệm về trao đổi nhiệt trong buồng đốt lớp sôi tuần hoàn ....................................................................................... 52 1.6. Vòng đời và ứng dụng phân tích vòng đời để so sánh công nghệ năng lượng ............. 53 1.6.1. Các khái niệm về Vòng đời ....................................................................................... 53 1.6.2. Ứng dụng phân tích Vòng đời để so sánh công nghệ năng lượng ............................. 53 CHƯƠNG 2-NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KHÍ ĐỘNG HỌC VÀ TRAO ĐỔI NHIỆT TRONG LỚP SÔI TUẦN HOÀN ...................................................................... 56 2.1. Hệ thống thí nghiệm ..................................................................................................... 56 2.2. Nghiên cứu thực nghiệm về khí động học lớp sôi tuần hoàn ....................................... 64 2.2.1. Mô hình xác định tốc độ tuần hoàn hạt trong buồng đốt lớp sôi tuần hoàn .............. 64 2.2.2. Nghiên cứu thực nghiệm xác định tốc độ tuần hoàn hạt trong buồng đốt lớp sôi tuần hoàn ..................................................................................................................................... 65 2.2.2.1. Quá trình thí nghiệm ............................................................................................... 66 2.2.2.2. Phương pháp thu thập và xử lý số liệu ................................................................... 67 2.2.2.4. Kết luận về nghiên cứu thực nghiệm về khí động học lớp sôi tuần hoàn ............... 85 2.3. Nghiên cứu thực nghiệm truyền nhiệt trong lớp sôi tuần hoàn của tác giả .................. 86 2.3.1. Nghiên cứu thực nghiệm xác định hệ số trao đổi nhiệt dọc theo chiều cao ống lên . 86 2.3.1.1. Quá trình thí nghiệm ............................................................................................... 86 2.3.1.2. Phương pháp thu thập và xử lý số liệu ................................................................... 86 2.3.1.3. Kết quả thí nghiệm và các đánh giá ........................................................................ 89 2.3.1.4. Kết luận nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt từ lớp tới vách trong buồng đốt lớp sôi tuần hoàn ...................................................................................................................... 109 CHƯƠNG 3-NGHIÊN CỨU VÒNG ĐỜI CỦA CÔNG NGHỆ LỚP SÔI TUẦN HOÀN ............................................................................................................................... 111 3.1. Các khái niệm về vòng đời ......................................................................................... 111 3.1.1. Vòng đời .................................................................................................................. 111 3.1.2. Khái niệm đường biên của một vòng đời ................................................................ 111 3.2. Các bước thực hiện đánh giá vòng đời ....................................................................... 112 3.2.1. Kiểm kê nguồn ........................................................................................................ 112 3.2.2. Phân tích tác động môi trường................................................................................. 113 3.2.3. Phân tích và đề xuất các cơ hội cải thiện, tăng hiệu suất sử dụng năng lượng, giảm ô nhiễm môi trường .............................................................................................................. 114 3.3. Các phương pháp so sánh công nghệ năng lượng ...................................................... 114 3.3.1. So sánh dựa trên một bộ các hiển thị/chỉ số ............................................................ 114 3.3.2. So sánh dựa trên cách tiếp cận hệ thống .................................................................. 115 3.3.3. So sánh dựa trên các phương pháp tư vấn ............................................................... 116 3.4. So sánh công nghệ nhiệt điện đốt than theo quan điểm phát thải vòng đời CO2 ....... 117 3.4.1. Giới hạn so sánh ...................................................................................................... 117 3.4.2. Tính toán chi phí sản xuất điện................................................................................ 117 3.4.3. Chi phí biên giảm phát thải khí nhà kính................................................................. 118 3.4.4. Hệ số phát thải CO2 của các khâu trong quá trình sản xuất điện năng .................... 119 3.4.4.1. Tính toán hệ số phát thải vòng đời CO2 ............................................................... 119 3.4.4.2. Hệ số phát thải CO2 tại khâu khai thác than ......................................................... 119 iv 3.4.4.3. Hệ số phát thải CO2 khâu vận chuyển than .......................................................... 120 3.4.4.4. Hệ số phát thải khí CO2 tại khâu sản xuất điện .................................................... 120 3.5. So sánh công nghệ đốt than tại nhà máy nhiệt điện Uông Bí và Na Dương .............. 121 3.5.1. Đặc tính công nghệ của hai nhà máy ....................................................................... 121 3.5.1.1. Đặc tính công nghệ nhà máy nhiệt điện Uông Bí sử dụng công nghệ đốt than phun (Pulverized Fuel, PF)[1]: ................................................................................................... 121 3.5.1.2. Đặc tính công nghệ nhà máy nhiệt điện Na Dương sử dụng công nghệ đốt lớp sôi tuần hoàn (Circulation fluidized bed, CFB)[ 3, 5, 15]:...................................................... 128 3.5.2. Lựa chọn các thông số đầu vào của hai nhà máy .................................................... 134 3.5.3. Kết quả tính toán của phương án ............................................................................. 136 3.5.4. Đánh giá................................................................................................................... 137 3.5.5. Kết luận ................................................................................................................... 138 CHƯƠNG 4- KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ..................................................................... 139 4.1. Kết luận ...................................................................................................................... 139 4.1.1. Khí động học trong lớp sôi tuần hoàn ..................................................................... 139 4.1.2. Trao đổi nhiệt trong lớp sôi tuần hoàn .................................................................... 140 4.1.3. Sử dụng công nghệ lớp sôi tuần hoàn để sản xuất điện năng .................................. 142 4.1.4. Ý nghĩa thực tiễn của luận án .................................................................................. 142 4.2. Đề xuất........................................................................................................................ 143 4.2.1. Khí động học trong lớp sôi tuần hoàn ..................................................................... 143 4.2.2. Trao đổi nhiệt trong lớp sôi tuần hoàn .................................................................... 143 4.2.3. Sử dụng vòng đời để so sánh công nghệ năng lượng .............................................. 143 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 144 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ......................... 150 PHỤ LỤC ............................................................................................................................. 1 v DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT TT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Ký hiệu A AR AD Ab Ahtp B Ccp Cg ch Cp cv Cvs CD Cl Cpp 16 Ct 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 D Db DD DLV DLV,h Dbmax dpt dp dpi dt eb ed eg ep ecp ew ewall ewt f 36 37 fc fcp 38 fg Ký hiệu đại lượng (theo chữ Latinh) Tên đại lượng Thứ nguyên Diện tích mặt cắt ngang của lớp hạt [m2] Diện tích mặt cắt ngang ống lên [m2] Diện tích mặt cắt ngang ống xuống [m2] Diện tích vách nhận bức xạ [m2] Diện tích mặt cắt ngang của thiết bị đo thăm dò truyền nhiệt [m2] Thông số trong phương trình (1.64) [-] Nhiệt dung riêng của cụm hạt (cp: cluster of particle) [kJ/kg.K] Nhiệt dung riêng của khí (g: gas) [kJ/kg.K] Hệ số hiệu chuẩn trong phương trình (1.80) [-] Nhiệt dung riêng của hạt (p: particle) [kJ/kg.K] Nồng độ thể tích hạt trung bình [-] Nồng độ thể tích hạt trung bình tại mặt cắt ngang [-] Hệ số nâng, tại phương trình 1.31 [-] Hệ số điều chỉnh đối với chiều dài ống [-] Hệ số hiệu chỉnh phản ánh sự tham dự của hạt trong [-] pha phân tán Hệ số hiệu chỉnh về sự khác biệt nhiệt độ giữa vách và [-] môi trường Đường kính buồng đốt/ống lên [m] Đường kính bọt [m] Đường kính trong của ống nhựa Acrylic [m] Đường kính trong của van L [m] Đường kính trong van L (theo phương ngang của van L) [m] Kích thước cực đại của bọt khí [m] Đường kính của hạt thô [m] Đường kính hạt (p: particle) [m] Đường kính hạt có tỷ phần xi [m] Đường kính ống [m] Độ đen của lớp (b: bed) [-] Độ đen của pha phân tán (d: dilute phase) [-] Độ đen của khí (g: gas) [-] Độ đen của hạt (p: particle) [-] Độ đen của cụm hạt (cp: cluster of particle) [-] Độ đen của vách [-] Độ đen của bề mặt trao đổi nhiệt [-] Độ đen của vật liệu vách [-] Tỷ phần trung bình diện tích theo thời gian của vách [-] được bao phủ bởi hạt Tỷ phần hạt trong cụm hạt [-] Tỷ số vách được bao phủ bởi cụm hạt là hàm số độ [-] rỗng trung bình tại mặt cắt ngang lớp sôi Phần diện tích được bao phủ bởi khí [-] 39 fp Tỷ phần thể tích hạt trong lớp [-] 40 fs Phần diện tích được bao phủ bởi hạt [-] vi 41 42 43 44 45 47 48 49 50 51 52 53 F FD g gc Gd G0 gp Gp GR Gu K KAR 54 Kgpb 55 Kccp 56 57 Kcb Kdcp 58 59 Kc Krcp 60 Kcd 61 62 Kp Krd 63 64 65 66 67 Kcg Kgpp Kcp Kr Kw 68 Kx 69 70 71 H HTG Hv 72 73 74 75 76 77 78 79 I Kt l L La Lb Lc LD Tỷ số độ lớn của hạt trong pha loãng Lực nâng hạt Gia tốc trọng trường Hệ số chuyển đổi Dòng khối lượng hạt di chuyển xuống Lưu lượng gió sơ cấp Khối lượng hạt tuần hoàn Tốc độ tuần hoàn hạt Lưu lượng gió tuần hoàn hạt Dòng khối lượng hạt di chuyển lên Hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách Hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách dọc theo chiều cao ống lên Hệ số truyền nhiệt khí hạt cho toàn bộ lớp (gpb: gas to particle of bed) Hệ số truyền nhiệt đối lưu của cụm hạt (ccp: cluster of particle convective) Hệ số trao đổi nhiệt cục bộ từ lớp tới vách Hệ số trao đổi nhiệt do bởi dẫn nhiệt của cụm hạt (dcp: cluster of particle conductive) Hệ số truyền nhiệt đối lưu (c: convective) Hệ số truyền nhiệt bức xạ của cụm hạt (rcp: radial of particle cluster) Hệ số truyền nhiệt đối lưu của pha phân tán (cd: convective of dilute phase) Hệ số trao đổi nhiệt tương ứng với đường kính hạt dp. Hệ số truyền nhiệt bức xạ của pha phân tán (rd: Radial of dilute phase) Hệ số truyền nhiệt đối lưu của khí (cg: convective of gas) Hệ số truyền nhiệt khí-hạt của hạt đơn (gas-particle) Hệ số truyền nhiệt đối lưu của hạt (cp: convective of particle) Hệ số truyền nhiệt bức xạ (r: radial) Hệ số truyền nhiệt do bởi dẫn nhiệt qua lớp khí giữa cụm hạt và vách Hệ số truyền nhiệt được tính toán tại độ cao x từ đỉnh của lớp Chiều cao ống lên (buồng đốt) tính từ mặt ghi Chiều cao phía trên ghi phân phối Chiều cao lớp theo phương thẳng đứng được đo từ mặt của ghi Cường độ dòng điện Hệ số chính xác trong phương trình (1.36) và (1.37). Chiều cao thiết bị đo truyền nhiệt Chiều cao lớp Chiều cao đo hạt tuần hoàn Chiều dài tia trung bình Chiều dài di chuyển tiêu biểu của cụm hạt trên vách Chiều dài đoạn ống được sử dụng để đo thời gian rơi của hạt vii [-] [N] [m/s2] =1(kg.m/N.s2) [kg/m2.s] [m3/s] [kg/s] [kg/m2.s] [m3/s] [kg/m2.s] [W/m2.K] [W/m2.K] [W/m2.K] [W/m2.K] [W/m2.K ] [W/m2.K] [W/m2.K] [W/m2.K] [W/m2.K] [W/m2.K] [W/m2.K] [W/m2.K] [W/m2.K] [W/m2.K] [W/m2.K] [W/m2.K] [W/m2.K] [m] [m] [m] [A] [-] [m] [m] [m] [m] [m] [m] 80 81 82 83 84 LLV,h Lmf ma mp  PL Chiều dài theo thương ngang van L Chiều cao của lớp ở vận tốc sôi tối thiểu Dòng khối lượng hạt qua mặt ghi phân phối Khối lượng hạt Giáng áp tại van L (theo phương ngang của van) 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 q qbw r r1, r2 R Ra Rcp Rw tcp Tb Tf Tw Twall U 99 100 Ucp Uch 101 102 Ucl Upt Dòng nhiệt Dòng nhiệt truyền từ lớp tới bề mặt vách Khoảng cách bán kính từ trục của buồng đốt Khoảng cách từ cặp nhiệt đến tâm ống Bán kính hay ½ chiều rộng buồng đốt Tốc độ mài mòn hạt Nhiệt trở dẫn nhiệt trong cụm hạt Nhiệt trở tiếp xúc giữa cụm hạt và vách Thời gian cư trú của cụm hạt trên vách Nhiệt độ của lớp Nhiệt độ buồng đốt Nhiệt độ bề mặt vách Nhiệt độ bề mặt trao đổi nhiệt Vận tốc khí trên bề mặt, được xác định như là tốc độ dòng khí trên một mặt cắt ngang qua của lớp. Vận tốc của cụm hạt (cp: Cluster of particle) Vân tốc chèn (ch: Chocking – Chèn) là vận tốc mà tại đó lớp cố định bắt đầu chuyển sang lớp sôi nhanh Vận tốc trung bình của cụm hạt trên vách 103 UE 104 Ug, ug 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 [m] [m] [kg/s] [kg] [Pa] [W] [W/m2] [m] [m] [m] [kg/s] [m2.K/W] [m2.K/W] [s] [K] [K] [K] [K] [m/s] [m/s] [m/s] [m/s] [m/s] Umf UO,LV Ut V Ve Vem Vm Vp Vt W Vận tốc của hạt thô là vận tốc của hạt thô có đường kính dcp trong lớp hạt có đường kính trung bình là dp Tốc độ cấp nước vào ống lên ứng với giá trị cứ đại của độ rỗng lớp hạt  =1 (nghĩa là không có hạt rắn trong ống lên) Vận tốc dòng khí trên bề mặt tương ứng với tổng tốc độ dòng khí Vận tốc sôi tối thiểu Vận tốc khí trên bề mặt tại van L =(U-Up), Vận tốc tới hạn của hạt Thể tích lớp Điện áp Điện áp đo được từ đồng hồ Vận tốc rơi cực đại của cụm hạt trên vách Vận tốc rơi trung bình của hạt trong ống xuống Vận tốc tới hạn của lớp hạt trung bình Tổng khối lượng lớp hạt [m/s] [m/s] [m/s] [m3] [V] [mV] [m/s] [m/s] [m/s] [kg] Wb WD WF x xa xi Khối lượng hạt Khối lượng hạt được rút ra từ đoạn ống đo Khối lượng hạt trong buồng lửa Khoảng cách cụm tính từ bề mặt cánh Tỷ phần trọng lượng của hạt sau mài mòn tại dpi Tỷ phần trọng lượng hạt có đường kính dpi [kg] [kg] [kg] [m] [-] [-] viii [m/s] [m/s] 121 122 123 124 X Y z Z TT 1 2 3 Ký hiệu Ar Nu Nubed 4 5 Nucb Nup 6 7 8 9 10 11 NuTB NuTBTN NuTNHQ Nuwp Re Rec 12 13 Rept Rep 14 15 Rep,mf Rek 16 Ret TT 1 2 Ký hiệu P / L 3  a p Khoảng cách ở phía trên ghi phân phối Tỷ phần thể tích hạt trong pha phân tán Trục tọa độ Thông số trong phương trình (1.80) Ký hiệu đại lượng (theo số không thứ nguyên ) Tên đại lượng Archimedes Số Nusselt Số Nusselt dựa trên hệ số truyền nhiệt khí-hạt cho toàn bộ lớp Số Nusselt cục bộ Số Nusselt dựa trên hệ số truyền nhiệt khí-hạt (Kgpdp/  g ) [m] [-] [m] [-] Thứ nguyên [-] [-] [-] [-] [-] Số Nusselt trung bình cho toàn bộ chiều cao của ống lên Số Nusselt trung bình theo thực nghiệm Số Nusselt trung bình theo hồi quy Số Nusselt của hạt-vách = hgp.dp/Kg Số Reynold Số Reynold ở chế độ bắt đầu sôi rối được xác định theo phương trình (1.7) Số Reynold của hạt thô, dựa trên vận tốc trượt khí-hạt Số Reynold của hạt = U  U p d p  p /  [-] [-] [-] [-] [-] [-] Số Reynold của hạt ở điều kiện sôi Số Reynold ở chế độ chuyển sang sôi rối hoàn toàn, được xác định theo phương trình (1.8) Số Reynold dựa trên cột lớp trong ống (column) = U.dt.  p /  [-] [-]   Ký hiệu đại lượng (theo chữ Hy Lạp ) Tên đại lượng Chênh lệch áp suất trên một đơn vị chiều dài Chiều dày không thứ nguyên của khe khí giữa vách và cụm hạt Chiều dày của hình vành khuyên [-] [-] [-] Thứ nguyên [mmH2O/m] [-] [m] Độ rỗng lớp hạt [-] Độ rỗng trung bình tại mặt cắt ngang của pha loãng [-] Độ rỗng trung bình của lớp [-] Độ rỗng lớp ở trạng thái chèn Độ rỗng cụm hạt Độ rỗng lớp hạt di chuyển trong ống xuống [-] [-] [-] 10   av c cp m  mf Độ rỗng lớp hạt ở điều kiện sôi tối thiểu [-] 11  p, w Độ rỗng lớp hạt gần vách [-] 12 Độ rỗng lớp hạt gần vách, [-] [-] 13 w p Độ cầu của các hạt trong lớp [-] 14 cp Hệ số dẫn nhiệt của cụm hạt (cp: cluster of partical) 4 5 6 7 8 9  ix [W/m.k] 16 d cw 17 g 18 Hệ số dẫn nhiệt của hợp kim Inconel (W/m.K) 19 inconel p Hệ số dẫn nhiệt của hạt [W/m.K] 20  Độ nhớt động học của môi chất tạo sôi [kg/m.s] 21 g Độ nhớt động học của khí [kg/m.s] 22  H 2O Độ nhớt động học của nước [kg/m.s] 23  cp Khối lượng riêng cụm hạt [kg/m3] 24 f Khối lượng riêng của khí [kg/m3] 25 p Khối lượng riêng của hạt [kg/m3] 26 b Khối lượng riêng lớp hạt [kg/m3] 27 b  Khối lượng riêng trung bình lớp hạt tại mặt cắt ngang [kg/m3] 15 28  Hệ số dẫn nhiệt của pha phân tán (d: dilute-phân tán) [W/m.k] Hệ số dẫn nhiệt hiệu quả của một cụm hạt gần vách (cw: cluster nearby wall – cụm hạt gần vách) Hệ số dẫn nhiệt của khí (g: gas-khí) [W/m.K] Hằng số Stefan Boltzmann (5,67.10-11) x [W/m.K] kW/m2.K4 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 So sánh các điểm đặc trưng của các quá trình tiếp xúc khí-rắn ở trên [87]....................... 6 Bảng 1.2 Biểu thức thực nghiệm xác định vận tốc sôi tối thiểu của một số tác giả [38, 95] .........11 Bảng1.3 Chi tiết các nghiên cứu thực nghiệm về tốc độ tuần hoàn của các tác giả khác ..............21 Bảng 1.4 Các quá trình trao đổi nhiệt trong lò hơi lớp sôi tuần hoàn[87].......................................25 Bảng 1.5. Các mô hình lý thuyết về truyền nhiệt trong lớp sôi nhanh [86] .....................................33 Bảng 1.6 Chi tiết các nghiên cứu thực nghiệm về trao đổi nhiệt từ lớp tới vách trong lớp sôi nhanh của một số tác giả khác ............................................................................................50 Bảng 1.7. Cơ sở dữ liệu cơ bản được sử dụng để xác định đặc tính các công nghệ năng lượng được so sánh [70]..................................................................................................................54 Bảng 2.1. Phân bố cỡ hạt của 3 loại cát được làm thí nghiệm ..........................................................61 Bảng 2.2. Kết quả xác định đường kính trung bình tính toán của 3 loại cát được sử dụng cho thí nghiệm ...................................................................................................................................62 Bảng 2.3 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên của 03 cỡ hạt có đường kính trung bình 200 µm, 300 µm và 400 µm ................................................................................................76 Bảng 2.4. Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của các thông số vận hành đối với tốc độ tuần hoàn hạt ................................................................................................................................................78 Bảng 2.5. Kết quả xác định các hệ số của biểu thức hồi quy (2.18) bằng phần mềm Microsoft exel .........................................................................................................................................82 Bảng 2.6 Các số liệu đo được từ thí nghiệm trao đổi nhiệt ...............................................................97 Bảng 2.7 Quan hệ giữa khối lượng riêng lớp hạt, vận tốc gió sơ cấp và tốc độ tuần hoàn hạt với hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới tường ống lên ......................................................................98 Bảng 2.8 Số liệu đo từ thí nghiệm trao đổi nhiệt dọc theo chiều cao ống lên khi không có hạt 101 Bảng 2.9 Quan hệ giữa thông số vận hành với trao đổi nhiệt từ lớp tới vách dọc theo chiều cao ống lên................................................................................................................................. 102 Bảng 2.10. Kết quả xác định các hệ số của biểu thức hồi quy (2.27) bằng phần mềm Microsoft exel ...................................................................................................................................... 103 Bảng 2.11 Ảnh hưởng của khối lượng riêng lớp sôi tới trao đổi nhiệt lớp-vách dọc theo chiều cao ống lên................................................................................................................................. 105 Bảng 2.12. Kết quả xác định các hệ số của biểu thức hồi quy (2.29) bằng phần mềm Microsoft exel ...................................................................................................................................... 108 Bảng 2.13. Hệ số trao đổi nhiệt trung bình tính cho toàn bộ chiểu cao lớp sôi ............................ 109 Bảng 3.1. Ưu điểm và tồn tại chính của phương pháp so sánh công nghệ dựa trên một tập các chỉ số/hiển thị. .......................................................................................................................... 115 xi Bảng 3.2 Ưu điểm và tồn tại chính của phương pháp mô hình hoá hệ thống chi phí tối thiểu để so sánh năng lượng ................................................................................................................. 116 Bảng 3.3. Ưu điểm và tồn tại chính của phương pháp tư vấn để so sánh công nghệ .................. 117 Bảng 3.4. Một số chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, vận hành của 2 tổ máy 55MW [1] ......................... 122 Bảng 3.6 Thông số vận hành kỹ thuật, kinh tế và môi trường lò hơi số 5 + lò hơi số 6 [1]....... 126 Bảng 3.7 Thông số vận hành kỹ thuật, kinh tế và môi trường lò hơi số 7 + lò hơi số 8 [1]....... 126 Bảng 3.8 Đặc tính kỹ thuật dầu FO [1] ........................................................................................... 127 Bảng 3.9 Kết quả quan trắc phát thải khí từ nhà máy điện Uông Bí [1] ...................................... 128 Bảng 3.10. Thông số nhiên liệu than sử dụng cho nhà máy nhiệt điện Na Dương [ 5 ] ............. 130 Bảng 3.11 Đặc tính đá vôi sử dụng cho nhà máy nhiệt điện Na Dương [ 5 ] .............................. 130 Bảng 3.12 Kết quả phân tích thành phần tro xỉ sử dụng cho nhà máy nhiệt điện Na Dương [ 5 ] ............................................................................................................................................. 131 Bảng 3.13 Sản lượng điện hàng năm của NMNĐ Na Dương [5] ................................................. 132 Bảng 3.14 Thời gian vận hành liên tục không bị sự cố dừng lò [5 ] ............................................. 132 Bảng 3.15 Thời gian vận hành của các tổ máy trong một năm [ 5 ] ............................................. 132 Bảng 3.16 Các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, môi trường đạt được [5 ] ............................................... 133 Bảng 3.17. Thông số định mức của từng nhà máy.......................................................................... 134 Bảng 3.18. Các kết quả tính toán về phát thải và chi phí biên giảm phát thải khí nhà kính ....... 136 Bảng PL-01 Danh sách thiết bị đo ................................................................................................ PL-15 Bảng PL-02. Một số hình ảnh màn hình máy tính trong quá trình tiến hành thí nghiệm ....... PL-16 xii DANH MỤC HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ Hình 1.1- (a) Lớp cố định của các hạt qua đó mà dòng khí đang thổi. (b) Lớp sôi bọt thể hiện sự tuần hoàn khí xung quanh bọt. (c) Lớp sôi rối. (d) Lớp lưu động hay lớp cuốn.[87] ............................................................................................................... 5 Hình 1.2 -Quan hệ giữa giáng áp lớp hạt và tốc độ dòng khí theo các chế độ giả lỏng [38] ............................................................................................................................... 6 Hình 1.3 -Nguyên lý hoạt động của CFB [87] ..................................................................... 7 Hình 1.4 - Lớp sôi nhanh bao gồm các cụm hạt chuyển động lên xuống có sự phân tán của pha loãng [87]. ..................................................................................................... 9 Hình 1.5 - Sự biến đổi từ chế độ chuyển động kiểu khí nén sang chế độ sôi nhanh có thể xảy ra khi tốc độ tuần hoàn hạt gia tăng trong khi giữ nguyên vận tốc khí tại một giá trị [87] ........................................................................................................................ 9 Hình 1.6- Cân bằng lực cho hạt di chuyển lên trên dòng khí [87] .................................... 13 Hình 1.7- Sơ đồ nguyên lý Mô hình lạnh CFB của Sung Won Kim (2002); 1-ống lên; 2Cyclone; 3-Phễu; 4-Van L; 5-Cửa lấy mẫu; 6-Van bướm; 7-Bộ phân phối [97] ............................................................................................................................. 15 Hình 1.8- Sơ đồ nguyên lý Mô hình lạnh CFB của Myung Won Seo (2011). 1-Ống lên; 2Cyclone; 3-Van bi; 4-Ống xuống; 5-Lớp sôi bọt; 6-Loop seal; 7-Hộp gió; 8Đường xả [75] ..................................................................................................... 16 Hình 1.9- Sơ đồ nguyên lý mô hình lạnh CFB của Tzeng Lim (2012) [100] ..................... 17 Hình 1.10- Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm lớp sôi tuần hoàn có áp của Kalita và cộng sự (2013) [88] .......................................................................................................... 18 Hình 1.11- Sơ đồ nguyên lý lớp sôi tuần hoàn có kích thước ống lên 2,6mx0,009m của Jong Hun Lim và cộng sự [58] ........................................................................... 19 Hình 1.12- Sơ đồ nguyên lý lớp sôi tuần hoàn có kích thước ống lên 2,6mx0,009m của N.Chovichien và cộng sự [76] ............................................................................ 20 Hình 1.13- Sơ đồ hệ thống thí nghiệm nguyên lý lớp sôi tuần hoàn của Tatjana và cộng sự [98]...................................................................................................................... 20 Hình 1.14 Các vùng hấp thụ nhiệt của lò hơi lớp sôi tuần hoàn [87] .............................. 24 Hình 1.15 Tác động của số Reynolds của hạt lên khí đối với số Nusselt của hạt ở các loại lớp sôi khác nhau (Watanabe và cộng sự )[102]. ............................................... 26 Hình 1.16- Nguyên lý của cơ chế truyền nhiệt tới các vách .............................................. 28 của lò hơi lớp sôi tuần hoàn [87] ...................................................................................... 28 Hình 1.17- Khoảng cách trung bình giữa bề mặt hạt và bề mặt ống [87] ........................ 29 Hình 1.18 Cơ chế truyền nhiệt trong một lớp sôi nhanh [87] ........................................... 30 Hình 1.19-Sơ đồ nguyên lý mô hình thí nghiệm của Gupta và Nag [24] .......................... 41 Hình 1.20- Sơ đồ nguyên lý mô hình thí nghiệm của Paglusio và cộng sự [59] ............... 43 Hình 1.21. Sơ đồ nguyên lý mô hình thí nghiệm của Koksal và cộng sự [74] ................... 46 Hình 1.22. Nguyên lý của mô hình làm mới cụm hạt (Nirmal và cộng sự [46]) .............. 47 Hình 1.23. Sơ đồ đánh giá vòng đời đối với các quá trình sản xuất điện năng từ than [81] ............................................................................................................................. 55 Hình 2.1 - Sơ đồ nguyên lý hệ thống thiết bị thí nghiệm lớp sôi tuần hoàn tại Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt lạnh [53] ..................................................................... 57 Hình 2.2-Tổng thể hệ thống thí nghiệm tại Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt lạnh ...... 58 Hình 2.3-Đồng hồ hiển thị chênh lệch áp suất (PDIR2 đến PDIR8) ................................. 58 Hình 2.4: Đồng hồ đo lưu lượng gió sơ cấp (FIR7) .......................................................... 58 Hình 2.5-Van điều khiển và thang đo lưu lượng gió tuần hoàn hạt (FI4, FI5) ................. 58 Hình 2.6-Chi tiết cấu tạo ống quan sát tại đường ống xuống............................................ 59 xiii Hình 2.7- ống quan sát(nhựa Arcylic) có nối bích tại ví trí chân ống xuống .................... 59 Hình 2.8- Quan sát sự tuần hoàn của hạt tại ống xuống ................................................... 59 Hình 2.9- ống thép có nối bích tại ví trí chân ống xuống .................................................. 60 Hình 2.10- Màn hình hiển thị các thông số vận hành ........................................................ 60 Hình 2.11 Bộ cảm biến đo dòng nhiệt (HFS 100FT) và cảm biến nhiệt độ bề mặt vách (cặp nhiệt loại T) ................................................................................................. 60 Hình 2.12 Thiết bị hiển thị nhiệt độ bề mặt vách (UDC 700 Universal Honeywell) ......... 60 Hình 2.13 Thiết bị hiển thị mật độ dòng nhiệt dạng Mv (Voltmeter) ................................. 60 Hình 2.14 Gắn thiết bị cảm biến lên bề mặt ngoài ống lên- đo nhiệt độ mặt ngoài của ống lên của CFB ........................................................................................................ 61 Hình 2.15 Gắn thiết bị cảm biến lên bề mặt ngoài ống lên-đo mật độ dòng nhiệt của ống lên của CFB ........................................................................................................ 61 Hình 2.16 Quy trình đo tốc độ tuần hoàn hạt .................................................................... 67 Hình 2.17 Phân bố chênh lệch áp suất dọc theo chiều cao ống lên (tại Ur=0,46 m/s, W=30kg, dp=400 m ) ......................................................................................... 70 Hình 2.18 Ảnh hưởng của gió sơ cấp đến tốc độ tuần hoàn hạt ở các giá trị vận tốc gió tuần hoàn hạt khác nhau (W=25kg, dp=300 m ) .............................................. 71 Hình 2.19 Ảnh hưởng của vận tốc gió sơ cấp đối với tốc độ tuần hoàn hạt được so với kết quả nghiên cứu của tác giả khác. ....................................................................... 71 Hình 2.20 Ảnh hưởng của vận tốc gió tuần hoàn hạt đến tốc độ tuần hoàn hạt tại các giá trị gió sơ cấp khác nhau ( W=30kg, dp=300 m ) .............................................. 72 Hình 2.21 Ảnh hưởng của vận tốc gió tuần hoàn hạt đến tốc độ tuần hoàn hạt so với kết quả của tác giả khác. .......................................................................................... 72 Hình 2.22 Ảnh hưởng của khối lượng lớp đến tốc độ tuần hoàn hạt với các giá trị khác nhau của gió sơ cấp (Ur=0,46 m/s, dp=200 m ) ............................................... 73 Hình 2.23 Ảnh hưởng của đường kính hạt đến tốc độ tuần hoàn hạt với các kích thước hạt khác nhau (Ur=0,46 m/s,W=30kg) ..................................................................... 74 Hình 2.24 Ảnh hưởng của kích thước hạt đối với tốc độ tuần hoàn hạt so với kết quả của tác giả khác ......................................................................................................... 74 Hình 2.25: So sánh giá trị tính toán và thực nghiệm của tốc độ tuần hoàn hạt Gp .......... 83 Hình 2.26. So sánh kết quả tính tốc độ tuần hoàn hạt từ các biểu thức (1.25) (1.27) và (2.19) với kết quả thí nghiệm .............................................................................. 84 Hình 2.27 Quy trình đo hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách .............................................. 87 Hình 2.28 Phân bố chênh lệch áp suất dọc theo chiều cao ống lên theo nhiệt độ lớp sôi (Ur=0,46 m/s, W=25kg, U0=6,07 m/s dp=200 m ) .......................................... 89 Hình 2.29 Phân bố khối lượng riêng lớp hạt dọc theo chiều cao ống lên ......................... 90 (Ur=0,46 m/s, W=30kg, dp=200 m )................................................................................ 90 Hình 2.30 Hệ số trao đổi nhiệt cục bộ từ lớp tới vách dọc theo chiều cao ống lên ở chế độ thí nghiệm Ur=0,46 m/s, U0=5,46 m/s, W=30kg ............................................... 91 Hình 2.31 Ảnh hưởng của vận tốc gió sơ cấp đối với hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46m/s, W=30kg, dp=200 m )...................... 91 Hình 2.32. So sánh ảnh hưởng của vận tốc gió sơ cấp đối với hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách với các tác giả khác ............................................................................... 92 Hình 2.33 Ảnh hưởng của khối lượng riêng lớp hạt đến hệ số trao đổi nhiệt lớp-vách (W=30kg, Ur=0,46 m/s, dp=0 m , 200 m , 300 m và 400 m ) ...................... 93 Hình 2.34 Ảnh hưởng của nhiệt độ lớp sôi, đường kính trung bình hạt đến hệ số trao đổi nhiệt lớp-vách...................................................................................................... 94 Hình 2.35 Ảnh hưởng của tốc độ tuần hoàn hạt đến hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách . 95 xiv Hình 2.36 So sánh kết quả tính và số liệu thực nghiệm của Nusselt trung bình cho toàn bộ chiều cao ống lên ................................................................................................ 96 Hình 2.37. So sánh kết quả tính và số liệu thực nghiệm của Nu trung bình ở phần dưới của ống lên ........................................................................................................ 104 Hình 3.1 Các giai đoạn chính của 1 vòng đời [32] ......................................................... 111 Hình 3.2. Các quá trình sản xuất điện từ than ................................................................. 117 Hình 3.3. Phát thải CO2 từ sản xuất than (gCO2/tấn than nhiên liệu)[67] .................... 119 Hình 3.4. Sơ đồ nhiệt lò hơi nhà máy điện Uông Bí [1] .................................................. 124 Hình 3.5 Sơ đồ lò CFB compact của nhà máy nhiệt điện Na Dương [5] ........................ 129 Hình PL .1 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,44 m/s, W=30kg, dp=400 m ) .................................................................................................... PL-1 Hình PL.2 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,42 m/s, W=30kg, dp=400 m ) .................................................................................................... PL-1 Hình PL.3 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46 m/, W=25kg, dp=300 m ) .................................................................................................... PL-1 Hình PL.4 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46 m/s -W=30kg, d300 m ) ......................................................................................................... PL-1 Hình PL.5 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,44 m/s, W=30kg, dp=300 m ) .................................................................................................... PL-1 Hình PL.6 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,44 m/s, W=25kg, dp=300 m ) .................................................................................................... PL-1 Hình PL.7 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,42 m/s, W=30kg, dp=300 m ) .................................................................................................... PL-2 Hình PL.8 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,42 m/s, W=25kg, dp=300 m ) .................................................................................................... PL-2 Hình PL.9 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46 m/s, W=25kg, dp=200 m ) .................................................................................................... PL-2 Hình PL.10 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46 m/s, W=30kg, dp=200 m ) .................................................................................................... PL-2 Hình PL.11 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46 m/s, W=20kg, dp=200 m ) .................................................................................................... PL-2 Hình PL.12 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,44 m/s, W=30kg, dp=200 m ) .................................................................................................... PL-2 Hình PL.13 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,44 m/s, W=25kg, dp=200 m ) .................................................................................................... PL-3 Hình PL.14 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,44 m/s, W=20kg, dp=200 m ) .......................................................................................................... 3 Hình PL.15 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,42 m/s, W=30kg, dp=200 m ) .................................................................................................... PL-3 Hình PL.16 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,42 m/s, W=25kg, dp=200 m ) .................................................................................................... PL-3 Hình PL.17 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên .............................................. PL-3 (Ur=0,42 m/s, W=25kg, dp=200 m )............................................................................ PL-3 Hình PL.18 Ảnh hưởng của gió sơ cấp đến tốc độ tuần hoàn hạt ở các giá trị vận tốc gió tuần hoàn hạt khác nhau (W=30kg, dp=300 m ) .......................................... PL-4 Hình PL.19 Ảnh hưởng của gió sơ cấp đến tốc độ tuần hoàn hạt ở các giá trị vận tốc gió tuần hoàn hạt khác nhau (W=30kg, dp=200 m ) .......................................... PL-4 xv Hình PL.20 Ảnh hưởng của gió sơ cấp đến tốc độ tuần hoàn hạt ở các giá trị vận tốc gió tuần hoàn hạt khác nhau (W=25kg, dp=200 m ) .......................................... PL-4 Hình PL.21 Ảnh hưởng của gió sơ cấp đến tốc độ tuần hoàn hạt ở các giá trị vận tốc gió tuần hoàn hạt khác nhau (W=20kg, dp=200 m ) .......................................... PL-4 Hình PL.22 Ảnh hưởng của vận tốc gió tuần hoàn hạt đến tốc độ tuần hoàn hạt tại các giá trị gió sơ cấp khác nhau (W=25kg, dp=300 m ) .................................... PL-4 Hình PL.23 Ảnh hưởng của vận tốc gió tuần hoàn hạt đối với tốc độ tuần hoàn hạt tại các giá trị gió sơ cấp khác nhau (W=30kg, dp=400 m ) ..................................... PL-4 Hình PL.24 Ảnh hưởng của vận tốc gió tuần hoàn hạt đến tốc độ tuần hoàn hạt tại các giá trị gió sơ cấp khác nhau( W=30kg, dp=200 m ) ..................................... PL-5 Hình PL.25 Ảnh hưởng của vận tốc gió tuần hoàn hạt đến tốc độ tuần hoàn hạt tại các giá trị gió sơ cấp khác nhau (W=25kg, dp=200 m ) ..................................... PL-5 Hình PL.26 Ảnh hưởng của vận tốc gió tuần hoàn hạt đến tốc độ tuần hoàn hạt tại các giá trị gió sơ cấp khác nhau( W=25kg, dp=200 m ) ..................................... PL-5 Hình PL.27 Ảnh hưởng của khối lượng lớp đến tốc độ tuần hoàn hạt với các giá trị khác nhau của gió sơ cấp ( Ur=0,44 m/s, dp=200 m ) ......................................... PL-5 Hình PL.28 Ảnh hưởng của khối lượng lớp đến tốc độ tuần hoàn hạt với các giá trị khác nhau của gió sơ cấp (Ur=0,42 m/s, dp=200 m ) ........................................... PL-5 Hình PL.29 Ảnh hưởng của khối lượng lớp đến tốc độ tuần hoàn hạt với các giá trị khác nhau của gió sơ cấp ( Ur=0,46 m/s, dp=300 m ) .......................................... PL-6 HìnhPL.30 Ảnh hưởng của khối lượng lớp đến tốc độ tuần hoàn hạt với các giá trị khác nhau của gió sơ cấp (Ur=0,44 m/s, dp=300 m ) ........................................... PL-6 Hình PL.31 Ảnh hưởng của khối lượng lớp đến tốc độ tuần hoàn hạt với các giá trị khác nhau của gió sơ cấp ( Ur=0,42 m/s, dp=300 m ) .......................................... PL-6 Hình PL.32 Ảnh hưởng của đường kính hạt đến tốc độ tuần hoàn hạt với các kích thước hạt khác nhau (Ur=0,44 m/s,W=30kg) ........................................................... PL-6 Hình PL.33 Ảnh hưởng của đường kính hạt đến tốc độ tuần hoàn hạt với các kích thước hạt khác nhau (Ur=0,42 m/s,W=30kg) ........................................................... PL-6 Hình PL.34 Ảnh hưởng của đường kính hạt đến tốc độ tuần hoàn hạt với các kích thước hạt khác nhau (Ur=0,46 m/s,W=25kg) ........................................................... PL-7 Hình PL.35 Ảnh hưởng của đường kính hạt đến tốc độ tuần hoàn hạt với các kích thước hạt khác nhau (Ur=0,42 m/s,W=30kg) ........................................................... PL-7 Hình PL.36 Ảnh hưởng của đường kính hạt đến tốc độ tuần hoàn hạt với các kích thước hạt khác nhau (Ur=0,42 m/s,W=25kg) ........................................................... PL-7 Hình PL.37 Phân bố chênh lệch áp suất dọc theo chiều cao ống lên theo nhiệt độ lớp sôi (Ur=0,46 m/s, W=30kg, U0=6,07 m/s dp=200 m ) ...................................... PL-7 Hình PL.38 Phân bố chênh lệch áp suất dọc theo chiều cao ống lên theo nhiệt độ lớp sôi (Ur=0,46 m/s, W=25kg, U0=5,46 m/s, dp=200 m ) ..................................... PL-7 Hình PL.39 Phân bố chênh lệch áp suất dọc theo chiều cao ống lên theo nhiệt độ lớp sôi (Ur=0,46 m/s, W=30kg, U0=5,46 m/s, dp=200 m ) ..................................... PL-8 Hình PL.40 Phân bố chênh lệch áp suất dọc theo chiều cao ống lên theo nhiệt độ lớp sôi (Ur=0,46 m/s, W=25kg, U0=5,16 m/s, dp=200 m ) ..................................... PL-8 Hình PL.41 Phân bố chênh lệch áp suất dọc theo chiều cao ống lên theo nhiệt độ lớp sôi (Ur=0,46 m/s, W=30kg, U0=5,16 m/s, dp=200 m ) ..................................... PL-8 Hình PL.42 Phân bố chênh lệch áp suất dọc theo chiều cao ống lên theo nhiệt độ lớp sôi (Ur=0,46 m/s, W=30kg, U0=6,07 m/s, dp=300 m ) ..................................... PL-8 Hình PL.43 Phân bố chênh lệch áp suất dọc theo chiều cao ống lên theo nhiệt độ lớp sôi (Ur=0,46 m/s, W=25kg, U0=6,07 m/s, dp=300 m ) ..................................... PL-9 xvi Hình PL.44 Phân bố chênh lệch áp suất dọc theo chiều cao ống lên theo nhiệt độ lớp sôi (Ur=0,46 m/s, W=30kg, U0=5,46 m/s, dp=300 m ) ..................................... PL-9 Hình PL.45 Phân bố chênh lệch áp suất dọc theo chiều cao ống lên theo nhiệt độ lớp sôi (Ur=0,46 m/s, W=25kg, U0=5,46 m/s, dp=300 m ) ..................................... PL-9 Hình PL.46 Phân bố chênh lệch áp suất dọc theo chiều cao ống lên theo nhiệt độ lớp sôi (Ur=0,46 m/s, W=30kg, U0=5,16 m/s, dp=300 m ) ..................................... PL-9 Hình PL.47 Phân bố chênh lệch áp suất dọc theo chiều cao ống lên theo nhiệt độ lớp sôi (Ur=0,46 m/s, W=25kg, U0=5,16 m/s, dp=300 m ) ................................... PL-10 Hình PL.48 Phân bố chênh lệch áp suất dọc theo chiều cao ống lên theo nhiệt độ lớp sôi (Ur=0,46 m/s, W=30kg, U0=6,07 m/s, dp=400 m ) ................................... PL-10 Hình PL.49 Phân bố chênh lệch áp suất dọc theo chiều cao ống lên theo nhiệt độ lớp sôi (Ur=0,46 m/s, W=30kg, U0=5,46 m/s, dp=400 m ) ................................... PL-10 Hình PL.50 Phân bố khối lượng riêng lớp hạt dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46 m/s, W=25kg, dp=200 m )................................................................................... PL-11 Hình PL.51 Phân bố khối lượng riêng lớp hạt dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46 m/s, W=25kg, dp=300 m )................................................................................... PL-11 Hình PL.52 Phân bố khối lượng riêng lớp hạt dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46 m/s, W=30kg, dp=300 m )................................................................................... PL-11 Hình PL.53 Phân bố khối lượng riêng lớp hạt dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46 m/s, W=30kg, dp=400 m )................................................................................... PL-11 Hình PL.54 Hệ số trao đổi nhiệt cục bộ từ lớp tới vách dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46 m/s, U0=5,16 m/s, W=30kg) ........................................................ PL-11 Hình PL.55 Hệ số trao đổi nhiệt cục bộ từ lớp tới vách dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46 m/s, U0=6,07 m/s, W=30kg) ........................................................ PL-11 Hình PL.56 Hệ số trao đổi nhiệt cục bộ từ lớp tới vách dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46 m/s, U0=5,16 m/s, W=25kg) ........................................................ PL-12 Hình PL.57 Hệ số trao đổi nhiệt cục bộ từ lớp tới vách dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46 m/s, U0=5,46 m/s, W=25kg) ........................................................ PL-12 Hình PL.58 Hệ số trao đổi nhiệt cục bộ từ lớp tới vách dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46 m/s, U0=6,07 m/s, W=25kg) ........................................................ PL-12 Hình PL.59 Ảnh hưởng của vận tốc gió sơ cấp đối với hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách dọc theo chiều cao ống lên ............................................................................ PL-13 (Ur=0,46m/s, W=25kg, dp=200 m )................................................................................. 13 Hình PL.60 Ảnh hưởng của vận tốc gió sơ cấp đối với hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46m/s, W=30kg, dp=300 m )................ PL-13 Hình PL.61 Ảnh hưởng của vận tốc gió sơ cấp đối với hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46m/s, W=25kg, dp=300 m )................ PL-13 Hình PL.62 Sự thay đổi dọc theo chiều cao ống lên của hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách khi không có hạt (Ur=0,46m/s,U0=5,16-6,67 m/s) .............................. PL-14 Hình PL.63 Ảnh hưởng của nhiệt độ lớp sôi đối với hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách ..... PL-14 Hình PL.64 Ảnh hưởng của khối lượng riêng hạt đối với hệ số trảo đổi nhiệt từ lớp tới vách ............................................................................................................... PL-15 xvii MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Công nghệ lớp sôi tuần hoàn (Circulating Fluidized Bed, CFB) được phát triển từ công nghệ đốt nhiên liệu rắn trên ghi cố định với đặc thù là các hạt nhiên liệu rắn và tro xỉ được lưu chuyển và tuần hoàn trong toàn bộ hệ thống CFB gồm buồng đốt, bộ phân ly (cyclone), và đường hồi (Return Leg). Do đặc thù này, lò hơi CFB có một số các ưu điểm nổi bật so với những lò hơi đốt nhiên liệu rắn khác, cụ thể là: - Linh hoạt trong việc sử dụng nhiên liệu: Điều kiện khí động đặc biệt của CFB tạo điều kiện cho các hạt nhiên liệu cấp vào buồng lửa nhanh chóng được phân tán vào trong buồng đốt, nhanh chóng được gia nhiệt đến nhiệt độ bắt cháy; - Hiệu suất cháy cao: Tùy thuộc vào tốc độ cấp nhiên liệu và sự tuần hoàn của hạt trong hệ thống, hiệu suất cháy trong lò hơi CFB đạt trên 90 [87]. Những đặc tính sau góp phần nâng cao hiệu suất cháy trong lò hơi CFB : i) Sự hỗn hợp khí-hạt tốt hơn, ii) Tốc độ cháy cao hơn (đặc biệt với các hạt than thô); và iii) Đa số các hạt nhiên liệu chưa cháy kiệt sẽ được tái tuần hoàn lại buồng lửa. - Hiệu quả khử lưu huỳnh: Lò hơi CFB có hiệu quả khử lưu huỳnh cao do cháy ở nhiệt độ tương đối thấp (850-950oC), có thể đưa trực tiếp đá vôi vào trong buồng đốt, các hạt hấp thụ rất mịn cho phép tăng diện tích bề mặt phản ứng khử lưu huỳnh; - Giảm phát thải NOx: Giảm phát thải NOx là một đặc tính hấp dẫn chủ yếu của lò hơi CFB. Các số liệu thu được trong các lò hơi CFB đưa ra giá trị phát thải NOx trong khoảng 50-150 ppm hay là 20-150 mg/MJ; - Bề mặt cắt ngang buồng lửa nhỏ: Lượng nhiệt sinh ra trên một đơn vị diện tích bề mặt cắt ngang của buồng lửa (nhiệt thế diện tích) cao là một ưu điểm nổi bật trong lò hơi CFB. Hệ thống đốt CFB có một nhiệt thế diện tích vào khoảng 3,5-4,5 MW/m2 [87], có thể bằng hoặc cao hơn lò đốt than phun. - Có số lượng điểm cấp nhiên liệu ít hơn: Hệ thống cấp nhiên liệu trong lò hơi CFB được đơn giản hoá do số lượng điểm cấp ít, yêu cầu diện tích ghi nhỏ và do vậy diện tích buồng đốt sẽ nhỏ hơn diện tích buồng đốt lò than phun cùng công suất. - Vận hành ổn định hơn so với buồng đốt than phun ở chế độ thấp tải: Vận tốc gió dưới ghi (sơ cấp) cao và do có lượng hạt trơ (cát, tro xỉ) trong buồng đốt lớn, lò hơi CFB có thể vận hành khá ổn định ở các chế độ phụ tải thấp với nhu cầu dầu đốt kèm là tối thiểu. - Công nghệ CFB được du nhập vào Việt Nam từ những năm đầu của thế kỷ 21 thông qua các dự án sản xuất điện theo hình thức Chìa khóa trao tay (Turnkey Project). Do vậy, thực tế áp dụng công nghệ CFB ở Việt Nam, vẫn cho thấy còn nhiều tồn tại trong thiết kế, vận hành, bảo dưỡng. Thực tế cho thấy, chế độ khí động của buồng đốt kiểu CFB phụ thuộc chủ yếu vào các thông số vận hành (vận tốc hạt rắn, vận tốc gió, khối lượng riêng lớp hạt, độ cứng của hạt, nhiệt độ lớp hạt và đường kính hạt rắn) và được đặc trưng bởi tốc độ tuần hoàn hạt. Sự tuần hoàn của hạt quyết định đến hiệu suất cháy, hiệu quả khử lưu huỳnh, khả năng trao đổi nhiệt từ lớp tới vách trong buồng đốt, cũng như là các vấn đề khí động liên quan đến vận hành như mài mòn, đóng xỉ,...Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu đầy đủ nào về chế độ khí động nói chung, tốc độ tuần hoàn hạt nói riêng trong các buồng đốt kiểu lớp sôi tuần hoàn.Vì vậy, việc hiểu rõ cơ chế tuần hoàn hạt trong CFB, phân tích và lượng hóa tác động của các thông số vận hành đến tuần hoàn hạt và trao đổi nhiệt trong buồng đốt CFB là hết sức cần thiết nhằm hỗ trợ cho công tác thiết kế, vận hành và bảo dưỡng thiết bị sử dụng công nghệ CFB, nâng cao hiệu quả sử dụng các nguồn năng lượng 1 sơ cấp. Mặt khác, ưu điểm của công nghệ CFB về phương diện bảo vệ môi trường cũng cần được nhận dạng và lượng hóa, nhằm góp phần thúc đẩy việc ứng dụng rộng rãi công nghệ sạch này trong tương lai gần. Do vậy, việc sử dụng phân tích vòng đời để nhận dạng và lượng hóa công nghệ sạch CFB theo quan điểm bảo vệ môi trường để đảm bảo xem xét các yếu tố phát thải một cách toàn diện của quá trình sản xuất điện năng: từ đầu nguồn (từ khai thác nhiên liệu), vận chuyển nhiên liệu, sử dụng nhiên liệu và cho đến cuối nguồn (thải bỏ). 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2.1. Mục tiêu tổng quát: Làm chủ công nghệ CFB để phục vụ cho công tác thiết kế, vận hành công nghệ CFB và lượng hoá tiềm năng giảm nhẹ tác động môi trường của công nghệ lớp sôi tuần hoàn (CFB) trong khu vực sản xuất điện năng. 2.2. Mục tiêu cụ thể: i) Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vận hành (vận tốc gió sơ cấp, vận tốc gió tuần hoàn hạt, đường kính hạt, khối lượng lớp sôi, v.v) đến tốc độ tuần hoàn hạt (solid circulation rate, SCR); ii) Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vận hành (tốc độ cấp gió dưới ghi, đường kính hạt, nhiệt độ lớp sôi, v.v) đến hệ số trao đổi nhiệt giữa lớp sôi với tường buồng đốt; và iii) Nghiên cứu, nhận dạng và lượng hóa tiềm năng giảm phát thải gây ô nhiễm môi trường của CFB so với các công nghệ đốt than truyền thống để sản xuất điện năng. 3. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình về khí động học CFB, ảnh hưởng của các thông số vận hành (đường kính trung bình hạt, khối lượng lớp hạt, tốc độ gió dưới ghi, tốc độ gió tuần hoàn hạt, chiều cao và diện tích mặt cắt ngang lớp sôi) đến tốc độ tuần hoàn hạt trong buồng đốt (CFB) được xem xét và lượng hoá. - Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình về trao đổi nhiệt trong CFB, ảnh hưởng của các thông số vận hành (đường kính trung bình hạt, khối lượng lớp hạt, tốc độ gió dưới ghi, chiều cao và diện tích mặt cắt ngang lớp sôi) đến hệ số trao đổi nhiệt từ lớp sôi đến tường buồng đốt trong khoảng nhiệt độ của lớp sôi dao động từ 700C -1000C. - Nghiên cứu chu trình vòng đời của CFB được giới hạn trong 3 khâu: i) khai thác than, ii) vận chuyển than từ nơi khai thác đến nhà máy nhiệt điện, và iii) đốt than trong nhà máy điện. Trong nghiên cứu này, ta chỉ xét phát thải của CO2, là một trong các khí chính gây ra hiệu ứng nhà kính; 4. Phương pháp nghiên cứu - Đối với mục tiêu cụ thể 1: +Thu thập và cập nhật thông tin trong và ngoài nước về các nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm của các tác giả trước đây. + Nghiên cứu thực nghiệm: Chỉnh sửa mô hình hiện có tại Viện Khoa học và công nghệ Nhiệt lạnh, Đại học Bách khoa Hà Nội. Tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của từng thông số vận hành, xây dựng biểu thức thực nghiệm xem xét ảnh hưởng đồng thời của các thông số vận hành đối với tốc độ tuần hoàn hạt - Đối với mục tiêu cụ thể 2: + Thu thập và cập nhật thông tin trong và ngoài nước về các nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm của các tác giả trước đây. + Nghiên cứu thực nghiệm: Nghiên cứu ảnh hưởng của từng thông số vận hành, xây 2 dựng biểu thức thực nghiệm xem xét ảnh hưởng đồng thời của các thông số vận hành đối với hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách trong buồng đốt lớp sôi tuần hoàn. - Đối với mục tiêu cụ thể 3: Thu thập và tổng hợp các thông tin, nghiên cứu tài liệu trong và ngoài nước về vòng đời và đánh giá vòng đời; Khảo sát, nghiên cứu thực tế, thu thập, phân tích số liệu vận hành tại các nhà máy điện Na Dương và Uông Bí. Nghiên cứu xây dựng mô hình tính toán phát thải vong đời CO2 của nhà máy, xác định chí phí biên giảm phát thải khí CO2 đối với trường hợp sử dụng công nghệ buổng đốt kiểu CFB thay thế cho công nghệ đốt truyền thống. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa về mặt khoa học: Góp phần nhận dạng và lượng hóa ảnh hưởng của các thông số vận hành đến chế độ tuần hoàn hạt và trao đổi nhiệt trong hệ thống/thiết bị kiểu CFB; Góp phần làm rõ ưu điểm về mặt lợi ích môi trường của công nghệ CFB so với các công nghệ năng lượng truyền thống khác hiện đang được sử dụng trong khu vực sản xuất điện năng. Việc so sánh công nghệ CFB với công nghệ than phun (Pulverised fuel, PF) theo quan điểm phát thải vòng đời CO2 đã góp phần làm rõ khả năng áp dụng và nhân rộng công nghệ CFB ở Việt Nam trong tương lai gần. - Ý nghĩa về mặt học thuật và thực tiễn: Kết quả nghiên cứu thực nghiệm khí động lớp sôi tuần hoàn đã đưa ra biểu thức thực nghiệm về quan hệ của các thông số vận hành với tốc độ tuần hoàn hạt (solid circulation rate-SCR), cho phép đánh giá ảnh hưởng của các thông số vận hành (đường kính hạt, khối lượng lớp, vận tốc gió sơ cấp, vận tốc gió tuần hoàn hạt) đối với SCR và biểu thức thực nghiệm cho phép xác định SCR khi biết các thông số vận hành, thông số kích thước hình học của CFB;Kết quả nghiên cứu cho thấy, có thể xây dựng các biểu thức thực nghiệm cho các thiết bị kiểu CFB đã và đang vận hành hiện nay khi biết thông số hình học của thiết bị và các thông số vận hành (kích thước hạt, khối lượng hạt và vận tốc gió sơ cấp, vận tốc gió tuần hoàn hạt,...) từ đó lựa chọn chế độ khí động của thiết bị kiểu CFB phù hợp với điều kiện vận hành, giảm thiểu vấn đề vận hành có nguyên nhân từ chế độ khí động, giúp công tác vận hành hiệu quả thiết bị, nâng cao hiệu suất cháy và hiệu quả truyền nhiệt từ lớp tới bề mặt vách buồng đốt. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt trong CFB đã đưa ra biểu thức thực nghiệm quan hệ giữa các thông số vận hành với hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách trong buồng đốt lớp sôi tuần hoàn, cho phép đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số vận hành đối với trao đổi nhiệt từ lớp tới vách. Kết quả nghiên cứu giúp xây dựng các biểu thức thực nghiệm tương tự cho các thiết bị kiểu CFB đã và đang vận hành hiện nay để có thể đánh giá sự thay đổi hệ số trao đổi nhiệt trong buồng đốt ở các chế độ vận hành khác nhau, giúp lựa chọn chế độ vận hành hiệu quả thiết bị kiểu CFB. Kết quả nghiên cứu về đánh giá vòng đời công nghệ đốt lớp sôi tuần hoàn đã xây dựng được mô hình so sánh công nghệ theo quan điểm phát thải vòng đời, phương pháp tính chi phí biên giảm phát thải khí nhà kính. Kết quả nghiên cứu có thể được làm cơ sở cho các nhà đầu tư ra quyết định lựa chọn công nghệ sản xuất điện nói riêng và sản xuất năng lượng nói chung trong điều kiện thực tế của mỗi dự án ở Việt Nam. Ngoài ra, kết quả nghiên cứu cũng cho thấy, có thể áp dụng công nghệ CFB ở Việt Nam để nâng cao hiệu quả sản xuất điện đồng thời giảm phát thải CO2 mà không đòi hỏi kinh phí bổ sung/hỗ trợ từ Nhà nước hoặc từ các tổ chức quốc tế theo cơ chế phát triển sạch. 3