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

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 ri

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-NGUYỄN MINH TIẾN

NGHIÊN CỨU KHI ĐỘNG, TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ VÒNG ĐỜI CỦA

CÔNG NGHỆ LỚP SÔI TUẦN HOÀN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT

HÀ NỘI-2018

Trang 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-NGUYỄN MINH TIẾN

NGHIÊN CỨU KHI ĐỘNG, TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ VÒNG ĐỜI CỦA

CÔNG NGHỆ LỚP SÔI TUẦN HOÀN

Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt

Mã số: 62520115

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS PHẠM HOÀNG LƯƠNG

HÀ NỘI-2018

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu được tríchdẫn có nguồn gốc Các kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được tácgiả nào công bố trong bất kỳ công trình nào

Tác giả luận án

NGUYỄN MINH TIẾN

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Với tất cả sự kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất, tác giả xin chân thành cảm ơn thầygiáo hướng dẫn PGS.TS Phạm Hoàng Lương đã tận tình chỉ bảo và động viên trong suốtquá 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 cứunăng lượng bền vững, Viện Tiên tiến khoa học và công nghệ, Viện Khoa học và Côngnghệ Nhiệt-Lạnh, Viện Đào tạo sau đại học của Trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã tậntình 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 trìnhgiáo sư UNESCO (Đại học Bách khoa Hà Nội) đã hỗ trợ tài chính trong việc cải tạo môhình buồng đốt lớp sôi tuần hoàn hiện có tại Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt-Lạnh, cáccán bộ kỹ thuật tại các Công ty nhiệt điện Na Dương, Cao Ngạn, Uông Bí đã cung cấp sốliệu 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 đãđộng viên, giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian nghiên cứu, thực hiện luận án

Trang 5

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

Trang 6

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

Trang 7

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

Trang 8

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu đại lượng (theo chữ Latinh)

5 Ahtp Diện tích mặt cắt ngang của thiết bị đo thăm dò truyền nhiệt [m2]

7 Ccp Nhiệt dung riêng của cụm hạt (cp: cluster of particle) [kJ/kg.K]

12 Cvs Nồng độ thể tích hạt trung bình tại mặt cắt ngang [-]

15 Cpp Hệ số hiệu chỉnh phản ánh sự tham dự của hạt trong

21 DLV,h Đường kính trong van L (theo phương ngang của van L) [m]

35 f Tỷ phần trung bình diện tích theo thời gian của vách

37 fcp Tỷ số vách được bao phủ bởi cụm hạt là hàm số độ

rỗng trung bình tại mặt cắt ngang lớp sôi [-]

Trang 9

41 F Tỷ số độ lớn của hạt trong pha loãng [-]

53 KAR Hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách dọc theo chiều cao

56 Kcb Hệ số trao đổi nhiệt cục bộ từ lớp tới vách [W/m2.K ]

57 Kdcp Hệ số trao đổi nhiệt do bởi dẫn nhiệt của cụm hạt (dcp:

2.K]

58 Kc Hệ số truyền nhiệt đối lưu (c: convective) [W/m2.K]

59 Krcp Hệ số truyền nhiệt bức xạ của cụm hạt (rcp: radial of

2.K]

60 Kcd Hệ số truyền nhiệt đối lưu của pha phân tán (cd:

2.K]

61 Kp Hệ số trao đổi nhiệt tương ứng với đường kính hạt dp [W/m2.K]

62 Krd Hệ số truyền nhiệt bức xạ của pha phân tán (rd: Radial

2.K]

63 Kcg Hệ số truyền nhiệt đối lưu của khí (cg: convective of gas) [W/m2.K]

64 Kgpp Hệ số truyền nhiệt khí-hạt của hạt đơn (gas-particle) [W/m2.K]

65 Kcp Hệ số truyền nhiệt đối lưu của hạt (cp: convective of particle) [W/m2.K]

67 Kw Hệ số truyền nhiệt do bởi dẫn nhiệt qua lớp khí giữa

71 Hv Chiều cao lớp theo phương thẳng đứng được đo từ mặt

78 Lc Chiều dài di chuyển tiêu biểu của cụm hạt trên vách [m]

79 LD Chiều dài đoạn ống được sử dụng để đo thời gian rơi

Trang 10

80 LLV,h Chiều dài theo thương ngang van L [m]

84 PL Giáng áp tại van L (theo phương ngang của van) [Pa]

98 U Vận tốc khí trên bề mặt, được xác định như là tốc độ

dòng khí trên một mặt cắt ngang qua của lớp [m/s]

99 Ucp Vận tốc của cụm hạt (cp: Cluster of particle) [m/s]

100 Uch Vân tốc chèn (ch: Chocking – Chèn) là vận tốc mà tại

đó lớp cố định bắt đầu chuyển sang lớp sôi nhanh [m/s]

102 Upt 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

[m/s]

103 UE 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 trongống lên)

[m/s]

104 Ug, ug Vận tốc dòng khí trên bề mặt tương ứng với tổng tốc

112 Vp Vận tốc rơi trung bình của hạt trong ống xuống [m/s]

119 xa Tỷ phần trọng lượng của hạt sau mài mòn tại dpi [-]

Trang 11

121 X Khoảng cách ở phía trên ghi phân phối [m]

Ký hiệu đại lượng (theo số không thứ nguyên )

6 NuTB Số Nusselt trung bình cho toàn bộ chiều cao của ống lên [-]

15 Rek Số Reynold ở chế độ chuyển sang sôi rối hoàn toàn,

16 Ret Số Reynold dựa trên cột lớp trong ống (column) =

Ký hiệu đại lượng (theo chữ Hy Lạp )

2 Chiều dày không thứ nguyên của khe khí giữa vách và

14 Hệ số dẫn nhiệt của cụm hạt (cp: cluster of partical) [W/m.k]

15 Hệ số dẫn nhiệt của pha phân tán (d: dilute-phân tán) [W/m.k]

16 Hệ số dẫn nhiệt hiệu quả của một cụm hạt gần vách [W/m.K]

Trang 12

(cw: cluster nearby wall – cụm hạt gần vách)

27 Khối lượng riêng trung bình lớp hạt tại mặt cắt ngang [kg/m3]

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

Trang 13

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 2.11 Ảnh hưởng của khối lượng riêng lớp sôi tới trao đổi nhiệt lớp-vách dọc theo chiều cao ống lên 105

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

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

Trang 14

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 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

Trang 15

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; 2-Cyclone; 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; 2-Cyclone; 3-Van bi; 4-Ống xuống; 5-Lớp sôi bọt; 6-Loop seal; 7-Hộp gió; 8-Đường 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

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

Trang 16

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, d p =400 ) 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 ) 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 ) 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 ) 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 ) 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 ) 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 ) 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 , 200 , 300 và 400 ) 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 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

Trang 17

Hình PL 1 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,44 m/s, W=30kg, dp=400

) PL-1 Hình PL.2 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,42 m/s, W=30kg, dp=400

) PL-1 Hình PL.3 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46 m/, W=25kg, dp=300

) PL-1 Hình PL.4 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46 m/s -W=30kg, d300 )

PL-1 Hình PL.5 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,44 m/s, W=30kg, dp=300

) 3 Hình PL.15 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,42 m/s, W=30kg, dp=200

) 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 ) 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 ) 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=20kg, dp=200 ) 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 ) 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 ) PL-4

Trang 18

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 ) 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 ) 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 ) 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 ) 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 ) 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 ) 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 ) 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 ) 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=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 ) 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 ) 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=5,16 m/s, dp=300 ) PL-9

Trang 19

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=30kg, U0=5,46 m/s, dp=400 ) 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 ) PL-11 Hình PL.51 Phân bố khối lượng riêng lớp hạt dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46 m/s,

W=30kg, dp=400 ) 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=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 ) 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 ) 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 ) 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

Trang 20

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Công nghệ lớp sôi tuần hoàn (Circulating Fluidized Bed, CFB) được phát triển từcông nghệ đốt nhiên liệu rắn trên ghi cố định với đặc thù là các hạt nhiên liệu rắn và tro xỉđược 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 điểmnổi 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 tạođiều kiện cho các hạt nhiên liệu cấp vào buồng lửa nhanh chóng được phân tán vào trongbuồng 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 hạttrong hệ thống, hiệu suất cháy trong lò hơi CFB đạt trên 90 [87] Những đặc tính sau gópphần nâng cao hiệu suất cháy trong lò hơi CFB : i) Sự hỗn hợp khí-hạt tốt hơn, ii) Tốc độcháy 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 ởnhiệt độ tương đối thấp (850-950oC), có thể đưa trực tiếp đá vôi vào trong buồng đốt, cáchạt 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 lòhơi CFB Các số liệu thu được trong các lò hơi CFB đưa ra giá trị phát thải NOx trongkhoảng 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 bềmặt cắt ngang của buồng lửa (nhiệt thế diện tích) cao là một ưu điểm nổi bật trong lò hơiCFB Hệ thống đốt CFB có một nhiệt thế diện tích vào khoảng 3,5-4,5 MW/m2 [87], cóthể 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 CFBđược đơn giản hoá do số lượng điểm cấp ít, yêu cầu diện tích ghi nhỏ và do vậy diện tíchbuồng 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 giódưới 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 21thông qua các dự án sản xuất điện theo hình thức Chìa khóa trao tay (Turnkey Project) Dovậy, 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 phụthuộc chủ yếu vào các thông số vận hành (vận tốc hạt rắn, vận tốc gió, khối lượng riênglớp 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 lưuhuỳnh, khả năng trao đổi nhiệt từ lớp tới vách trong buồng đốt, cũng như là các vấn đề khíđộng 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 đốtkiểu lớp sôi tuần hoàn.Vì vậy, việc hiểu rõ cơ chế tuần hoàn hạt trong CFB, phân tích vàlượng hóa tác động của các thông số vận hành đến tuần hoàn hạt và trao đổi nhiệt trongbuồng đốt CFB là hết sức cần thiết nhằm hỗ trợ cho công tác thiết kế, vận hành và bảo

Trang 21

dưỡng thiết bị sử dụng công nghệ CFB, nâng cao hiệu quả sử dụng các nguồn năng lượng

sơ cấp Mặt khác, ưu điểm của công nghệ CFB về phương diện bảo vệ môi trường cũngcần được nhận dạng và lượng hóa, nhằm góp phần thúc đẩy việc ứng dụng rộng rãi côngnghệ 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 xétcác yếu tố phát thải một cách toàn diện của quá trình sản xuất điện năng: từ đầu nguồn (từkhai 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 giótuần hoàn hạt, đường kính hạt, khối lượng lớp sôi, v.v) đến tốc độ tuần hoàn hạt (solidcirculation rate, SCR);

ii) Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vận hành (tốc độ cấp gió dưới ghi, đườngkính hạt, nhiệt độ lớp sôi, v.v) đến hệ số trao đổi nhiệt giữa lớp sôi với tường buồng đốt; vàiii) Nghiên cứu, nhận dạng và lượng hóa tiềm năng giảm phát thải gây ô nhiễm môitrường của CFB so với các công nghệ đốt than truyền thống để sản xuất điện năng

- Nghiên cứu chu trình vòng đời của CFB được giới hạn trong 3 khâu: i) khai thácthan, ii) vận chuyển than từ nơi khai thác đến nhà máy nhiệt điện, và iii) đốt than trong nhàmáy điện Trong nghiên cứu này, ta chỉ xét phát thải của CO2, là một trong các khí chínhgây 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 côngnghệ Nhiệt lạnh, Đại học Bách khoa Hà Nội Tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của từngthông số vận hành, xây dựng biểu thức thực nghiệm xem xét ảnh hưởng đồng thời của cácthông số vận hành đối với tốc độ tuần hoàn hạt

Trang 22

+ 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, xâydựng biểu thức thực nghiệm xem xét ảnh hưởng đồng thời của các thông số vận hành đốivới hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách trong buồng đốt lớp sôi tuần hoàn

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 cácnhà máy điện Na Dương và Uông Bí Nghiên cứu xây dựng mô hình tính toán phát thải vongđời CO2 của nhà máy, xác định chí phí biên giảm phát thải khí CO2 đối với trường hợp sửdụng 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 học thuật và thực tiễn:

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm khí động lớp sôi tuần hoàn đã đưa ra biểu thức thựcnghiệm về quan hệ của các thông số vận hành với tốc độ tuần hoàn hạt (solid circulationrate-SCR), cho phép đánh giá ảnh hưởng của các thông số vận hành (đường kính hạt, khốilượng lớp, vận tốc gió sơ cấp, vận tốc gió tuần hoàn hạt) đối với SCR và biểu thức thựcnghiệm cho phép xác định SCR khi biết các thông số vận hành, thông số kích thước hìnhhọc của CFB;Kết quả nghiên cứu cho thấy, có thể xây dựng các biểu thức thực nghiệm chocác 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 giótuần hoàn hạt, ) từ đó lựa chọn chế độ khí động của thiết bị kiểu CFB phù hợp với điềukiện vận hành, giảm thiểu vấn đề vận hành có nguyên nhân từ chế độ khí động, giúp côngtác 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 thựcnghiệm quan hệ giữa các thông số vận hành với hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách trongbuồng đốt lớp sôi tuần hoàn, cho phép đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số vận hànhđối với trao đổi nhiệt từ lớp tới vách Kết quả nghiên cứu giúp xây dựng các biểu thức thựcnghiệm tương tự cho các thiết bị kiểu CFB đã và đang vận hành hiện nay để có thể đánhgiá sự thay đổi hệ số trao đổi nhiệt trong buồng đốt ở các chế độ vận hành khác nhau, giúplựa 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 xâydựng được mô hình so sánh công nghệ theo quan điểm phát thải vòng đời, phương pháptính chi phí biên giảm phát thải khí nhà kính Kết quả nghiên cứu có thể được làm cơ sởcho các nhà đầu tư ra quyết định lựa chọn công nghệ sản xuất điện nói riêng và sản xuấtnăng lượng nói chung trong điều kiện thực tế của mỗi dự án ở Việt Nam Ngoài ra, kết quảnghiên cứu cũng cho thấy, có thể áp dụng công nghệ CFB ở Việt Nam để nâng cao hiệu

Trang 23

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

6 Điểm mới của luận án

- Kết quả nghiên cứu thực nghiệm khí động lớp CFB đã đánh giá ảnh hưởng củacác thông số vận hành (đường kính hạt, khối lượng lớp, tốc độ gió sơ cấp, tốc độ gió tuầnhoàn hạt) đối với tốc độ tuần hoàn hạt (solid circulation rate, SCR) và biểu thức thựcnghiệm cho phép xác định SCR khi biết các thông số vận hành, thông số kích thước hìnhhọc của CFB;

- Kết quả nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt trong CFB đã đánh giá sự ảnhhưởng của các thông số vận hành đối với trao đổi nhiệt từ lớp tới vách và đã đề xuất biểuthức thực nghiệm xác định hệ số trao đổi nhiệt khi biết các thông số vận hành, thông sốkích thước hình học của CFB;

- Lần đầu tiên phương pháp so sánh công nghệ nhiệt điện đốt than đã được pháttriển và áp dụng để nhận dạng và định lượng tiềm năng giảm phát thải CO2 của công nghệlớp sôi tuần hoàn so với công nghệ PF hiện đang được sử dụng ở Việt Nam Xét theo quanđiểm vòng đời, các kết quả nghiên cứu về việc sử dụng công nghệ lớp sôi tuần hoàn vàosản xuất điện năng là hoàn toàn khả thi về mặt kinh tế và môi trường

7 Bố cục của luận án

Luận án gồm 183 trang, bao gồm: lời cam đoan (01 trang); lời cảm ơn (01 trang);mục lục (03 trang); danh mục ký hiệu, chữ viết tắt (05 trang); danh mục bảng, biểu (02trang); danh mục hình vẽ, sơ đồ (05 trang); phần mở đầu (04 trang), phần thuyết minh (140trang), tài liệu tham khảo (06 trang), danh mục các công trình đã công bố của luận án (01trang) và phụ lục (16 trang) Nội dung chính của luận án bao gồm 4 chương Chương 1trình bày tổng quan về khí động học, trao đổi nhiệt trong CFB, vòng đời và ứng dụng vòngđời để so sánh công nghệ năng lượng Chương 2 trình bày các kết quả nghiên cứu thựcnghiệm về khí động và trao đổi nhiệt trong CFB của mô hình buồng đốt CFB có công suấtnhiệt là 100kW Chương 3 trình bày lý thuyết về vòng đời, so sánh công nghệ và ứng dụngvòng đời để so sánh công nghệ nhiệt điện đốt than theo quan điểm phát thải vòng đời CO2.Cuối cùng, các đánh giá và khuyến nghị trên cơ sở các kết quả nghiên cứu của đề tài đượctrình bày ở Chương 4

Trang 24

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

1.1 Khí động học lớp sôi tuần hoàn

1.1.1 Các trạng thái tương tác khí-hạt

Lớp sôi được xác định như là một trạng thái làm việc của lớp hạt mà trong đó sự hoạtđộng các chất rắn lưu động như các phần tử chất lỏng ở trạng thái sôi Trong một lớp sôi,trọng lực của các hạt sôi được cân bằng với lực nâng của dòng khí đi lên Lực này giữ chocác hạt ở trạng thái bán lơ lửng Với những sự thay đổi về vận tốc dòng khí, các chất rắndịch chuyển từ một trạng thái hay cơ chế này đến một trạng thái hay cơ chế khác Các cơchế này bao gồm:

 Lớp cố định (hình 1.1a);

 Lớp bọt (hình 1.1b);

 Lớp rối (hình 1.1c);

 Lớp nhanh (sử dụng các lớp sôi tuần hoàn);

 Lớp vận chuyển (khí nén hay lớp vào ) (hình 1.1d)

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

Trang 25

Đặc tín

Lớp chặt

khí nỨng dụng trong các lò hơin Đốt t ủ công

50-Quá trình tạo lớp sôi khí – hạt là quá trình trong đó các hạt chất rắn có kích thước nhỏchuyển sang trạng thái lưu động lơ lửng (hay còn gọi là trạng thái sôi – fluidization state)khi tiếp xúc với môi chất khí được thổi từ phía dưới lớp hạt Phương pháp này có một sốtính chất đặc biệt và được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp [11], [19], [87]

Quá trình hình thành và duy trì của một lớp sôi khí – hạt được biểu diễn trên hình 1.2

Trang 26

Hình 1.2 -Quan hệ giữa giáng áp lớp hạt và tốc độ dòng khí theo các chế độ giả

lỏng [38]

Hình 1.2 lớp sôi gồm có các hạt rắn có cùng kích thước Do chất khí qua lớp hạt vớitốc độ tương đối thấp nên các hạt rắn nằm cố định trên mặt ghi, lớp hạt do vậy được gọi làlớp cố định Khi tăng vận tốc dòng khí, trở lực của lớp hạt cũng tăng Khi sức cản dòng khítương đương với trọng lượng của lớp hạt, trở lực của lớp hạt không tăng lên nữa, vận tốccủa chất khí tăng lên làm giãn nở lớp hạt: lớp cố định chuyển sang trạng thái hóa lỏng, lớphạt trở nên lơ lửng trên bề mặt của ghi và bề mặt của lớp hạt giống như một chất lỏng(đoạn A-B) Tại vận tốc dòng khí đủ lớn, bề mặt bên trên lớp biến mất, lớp hạt được gọi làlớp phân tán / loãng (đoạn B-C) và chuyển qua chế độ vận chuyển các hạt rắn kiểu khí nén(đoạn C-D) nếu không có bổ sung hạt vào trong lớp sôi

Hình 1.3 -Nguyên lý hoạt động của CFB [87]

Lớp sôi tuần hoàn (CFB) thường được áp dụng đối với hệ thống khí – hạt ở vận tốccao và có sự tuần hoàn trở lại của các hạt rắn vào buồng đốt như được thể hiện trên hình1.3 Trong quá trình vận hành của CFB, luôn có hạt rắn bay ra khỏi buồng đốt chính, cáchạt lớn được cấp trở lại buồng đốt CFB thông qua :i) hệ thống Cyclone, ii) đường thu hồi

và iii) việc cấp gió phục vụ cho tuần hoàn hạt

D

Trang 27

1.1.2 Cơ chế của lớp sôi

1.1.2.1 Lớp chặt

Lớp chặt là trạng thái lớp các hạt nằm cố định trên một ghi cấp gió dạng đục lỗ cókhí đi xuyên qua Trong chuyển động phân lớp, các hạt rắn chuyển động từ từ tới hai tườngbên, giống như chuyển động của các hạt trong đường tuần hoàn của lò CFB Khi dòng khíxuyên qua lớp hạt rắn, nó tạo ra một lực nâng hạt và đây là nguyên nhân gây ra giáng ápqua lớp hạt

Giáng áp trên một đơn vị chiều cao của một lớp hạt có cùng kích cỡ, P/L, được tínhnhư sau (Ergun)[38]

(1.1)

Trong đó, là độ rỗng của lớp hạt, là độ cầu của các hạt rắn trong lớp, là độnhớt động học (kg/m.s), và là mật độ của khí (kg/m3) Vận tốc khí trên bề mặt, U (m/s)được xác định như là vận tốc dòng khí trên một mặt cắt ngang của lớp

1.1.2.2 Lớp sôi bọt

Nếu như tốc độ dòng khí xuyên qua lớp cố định mà gia tăng, giáng áp tiếp tục tăngtheo phương trình (1.1) cho đến khi vận tốc dòng khí đạt tới một giá trị xác định mà tại đólực cuốn của dòng khí cân bằng với khối lượng của các hạt trong lớp ở trạng thái này, các hạtnhư bị mất khối lượng và lớp cố định sẽ chuyển thành một dạng lớp chớm giả lỏng: các hạtchuyển động lên và xuống như một khối chất lỏng đang sôi Khi giáng áp ở bề mặt cắt ngangcủa lớp cân bằng với khối lượng của lớp thì lực cuốn dòng FD được xác định như sau [87]:

Trong đó A và L tương ứng là diện tích tiết diện ngang và chiều cao của lớp Vận tốcsôi tối thiểu mà tại đó lớp trở thành lớp sôi (Umf) có thể đạt được bằng cách giải đồng thờiphương trình (1.1) và (1.2) để có được [87]:

(1.3)Trong đó số Archimedes:

Và dp là đường kính trung bình bề mặt của các hạt Các hằng số kinh nghiệm C1 và C2được xác định từ thực nghiệm Tại điểm sôi tối thiểu, lớp các hạt có trạng thái như một khốichất lỏng Nếu tiếp tục gia tăng vận tốc dòng khí sẽ làm xuất hiện các bọt khí trong lớp hạt(hay còn gọi là sôi bọt) Một phần của lớp hạt bao bọc xung quanh phía bên ngoài các bọtnày được gọi là pha nhũ tương trong đó tốc độ khí xấp xỉ bằng Umf (hình 1.1b) Kích thướcbọt sẽ gia tăng theo đường kính hạt trong lớp sôi và chênh lệch giữa vận tốc cấp gió và vậntốc sôi tối thiểu U-Umf Kích thước cực đại của bọt khí có thể được tính như sau [87]:

Trang 28

cao hơn vận tốc tới hạn của các hạt đơn và được thu lại trở về điểm cấp của buồng lửa.Cũng ở tại chế độ này, vận tốc của hạt đủ cao để tạo ra mức độ tuần hoàn ngược của cáchạt nhằm đảm bảo sự đồng đều về nhiệt độ trong buồng lửa

 Đặc tính riêng của lớp sôi nhanh :

Đây là một chế độ nằm giữa hai chế độ sôi rối và sự chuyển động dạng khí nén Ởmột chế độ lớp sôi nhanh, có thể quan sát thấy các khối hạt mịn lơ lửng không đồng nhấtchuyển động lên và xuống ở một dòng hỗn hợp loãng chuyển động liên tục lên phía trên,như được biểu diễn trên hình 1.4

Do có vận tốc trượt lớn giữa khí và hạt rắn, các khối hạt hợp thành rồi tan rã rấtnhanh, sự hoà trộn tốt là những đặc điểm riêng chủ yếu của chế độ này Sự hợp thành cáckhối hạt rắn chưa đủ là điều kiện để tạo thành lớp sôi nhanh nhưng nó là một đặc tính quantrọng của chế độ này Hiện tượng dẫn đến sự hợp thành các cụm hạt rắn trong chuyển độngkiểu khí nén được mô tả ở hình 1.4 Các hạt rắn liên tục được đưa vào cùng dòng khí đi lên

ở trong ống lên với tốc độ đưa vào rất nhỏ, các hạt rắn sẽ phân tán đồng nhất trong dòngkhí Mỗi hạt sẽ chuyển động riêng biệt, vận tốc tương đối giữa khí và hạt sẽ hình thành mộtbụi hạt nhỏ phía sau mỗi hạt

Hình 1.4 - Lớp sôi nhanh bao gồm các cụm hạt chuyển động lên xuống có sự phân

tán của pha loãng [87].

Với một vận tốc khí cho trước, tốc độ cấp hạt có thể được gia tăng tới mức các hạtnhỏ sẽ bị thổi vào phần đuôi của các hạt khác Khi điều này xảy ra, lực nâng của dòng khítác động lên hạt đầu tiên sẽ giảm và hạt này sẽ rơi xuống theo sức hút của lực trọng trườngtheo đúng đường cũ (hình 1.5) Diện tích bề mặt hữu hiệu của hai hạt này sẽ bị giảm và dovậy, lực nâng của hạt cũng sẽ giảm so với trọng lượng tổng cộng của hai hạt này Điều nàylàm cho các hạt tiếp tục rơi xuống các hạt khác Do vậy, sự gia tăng số lượng lớn các hạtliên kết với nhau tạo ra một tập hợp hạt (cluster) Những cụm hạt này dù sao cũng khôngbền vững, tiếp tục được tách ra bởi dòng khí thổi lên Do vậy, sự hợp thành và phân tán cáccụm hạt diễn ra liên tục

Trang 29

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]

1.1.2.3 Phân bố giáng áp và độ rỗng trong buồng đốt lớp sôi nhanh

 Phân bố giáng áp trong lớp sôi nhanh

Kafa [60] đã đưa ra một thực nghiệm về mô hình buồng đốt lớp sôi với đường kính trong

là 200mm và chiều cao là 4m Thực nghiệm cho thấy áp suất giảm dọc theo chiều cao lớp sôi.Các profin áp suất có thể được tính toán xấp xỉ theo công thức thực nghiệm sau:

(1.5) Trường hợp chênh lệch áp suất được đo trực tiếp trên ống lên tương ứng với cáckhoảng đo (L), độ rỗng lớp sôi tại một điểm được ước lượng từ gradient, có thểđược ước lượng như sau (Chong và cộng sự, 1988 [35]; Nag và Ali, 1992 [78]):

gp : Khối lượng hạt tuần hoàn (kg/s)

Hv : Chiều cao theo phương thẳng đứng được đo từ đáy của ghi (m)

H : Chiều cao của buồng đốt (m) = Chênh lệch áp suất trên một đơn vị chiều dài (mmH2O/m).Nếu như theo profin áp suất không thể có được thì khối lượng riêng lớp hạt có thểđược tính toán bằng công tức xấp xỉ sau [60]:

Trang 30

, kg/m3(1.8)

1.1.2.4.Vận tốc sôi tối thiểu

Vận tốc sôi tối thiểu (Minimum fluidization velocity-Umf) là vận tốc mà tại đó các hạtrắn bắt đầu trạng thái lơ lửng Khi trạng thái sôi được thiết lập, dù vận tốc khí tiếp tục tăngthì giáng áp vẫn được duy trì không đổi Ở trạng thái sôi, thì lực nâng hạt bởi dòng khí cânbằng với trọng lượng của các hạt, do vậy vận tốc sôi tối thiểu được xác định từ phươngtrình cân bằng sau [3]:

(1.9)

(1.10)Hoặc

(1.11)Trong đó:

(1.12)Đối với các hạt rất nhỏ [38]:

(1.13)Đối với các hạt rất lớn [38]:

(1.14)Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về khí động học lớp sôi cho thấy tốc độchuyển động của hạt trong lớp sôi và chế độ sôi phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố (hay còngọi là các thông số vận hành) sau đây:

i) Đường kính hạt rắn

ii) Vận tốc cấp khí / gió

iii) Khối lượng hạt trong lớp

iv) Kích thước lớp sôi

Dựa vào các nhân tố trên, các công thức bán thực nghiệm xác định vận tốc sôi tốithiểu (minimum fluidizing velocity) được thiết lập tương ứng với các khoảng thí nghiệm

và vận hành định trước, và được biểu diễn dưới dạng sau:

Biểu thức thực nghiệm xác định vận tốc sôi tối thiểu:

Trang 31

giả lỏng hạt (

) lượng riêng1

2

heli và CO2

Silicagel4

hòa trộn các khí

7 Kumar, Sen Gupta

9 Babu, 1978

áp suất cao1

Trang 32

Bảng 1.2 đưa ra một số biểu thức thực nghiệm xác định tốc độ sôi tối thiểu của một

số tác giả Với các điều kiện, môi trường thí nghiệm khác nhau, biểu thức thực nghiệm củacác tác giả xác định được là khác nhau Hầu hết các biểu thức thực nghiệm có số thứ tự từ

1 đến 12 tại bảng 1.3 chỉ áp dụng đối với các hạt và bột mịn, chủ yếu là nhóm A theo phânloại Geldart Một vài tác giả đã đề xuất biểu thức thực nghiệm xác định đối với tốc độ sôitối thiểu cho các hạt mịn, hạt thô theo phân loại hạt của Geldart như Wen và Yu [38] đã đềxuất biểu thức đối với hạt mịn; Chitester và cộng sự [38] đề xuất biểu thức thực nghiệmcho các hạt thô (đường kính trung bình của hạt lớn hơn 500 ) Grace đã đề xuất biểuthức thực nghiệm xác định vận tốc sôi tối thiểu cho các loại hạt nhóm Geldart B [87]

1.1.2.5.Vận tốc tới hạn

Vận tốc tới hạn (Ut) của hạt là vận tốc mà tại đó hạt bị cuốn theo dòng khí, tại trạng thái này lực nâng hạt do dòng khí hoàn toàn thắng thế so với trọng lực của hạt [87]

Ở trạng thái ổn định, cân bằng lực của hạt như sau:

Lực trọng trường = Lực nâng + lực kéo

(1.16)

Hình 1.6- Cân bằng lực cho hạt di chuyển lên trên dòng khí [87]

 Vận tốc tới hạn của các hạt dạng hình cầu

Đối với các hạt dạng hình cầu, bằng sự thay thế các giá trị hệ số lực kéo phương trình(1.16), số Reynold, xác định được vận tốc tới hạn Để đơn giản, sử dụng điều kiện về số

(1.17)Phương trình (1.17) giảm theo các hình dạng đối với những giá trị khác nhau của hệ sốlực nâng

Trang 33

0,4<Re<500 (1.19)

 Vận tốc tới hạn của các hạt không có dạng hình cầu

Các phương trình trên chỉ có giá trị cho các hạt có dạng hình cầu Lực kéo lên các hạtkhông có dạng hình cầu có thể khác đáng kể so với hạt có dạng hình cầu, qua đường kínhhạt tương đương của chúng có thể là giống nhau Một phép tính gần đúng làm tăng vận tốctới hạn của các hạt có dạng hình cầu lên nhiều lần bởi một hệ số, Kt, (Pettyjohn vàChristiansen) [90]:

Ut = Kt Ut (dạng hình cầu) (1.21)Trong đó, độ tròn, nằm ở giữa 0,67 và 0,996

Hệ số chính xác Kt có thể đạt được bởi:

Đối với Re <0,2:

Trong đó: dv là đường kính trung bình của hạt (m)

Đối với các số Reynold nằm ở giữa 0,2 và 1000, thì Kt có thể có được bằng cáchnội suy các giá trị tính toán của Kt từ hai dải số Reynold ở trên

1.2 Nghiên cứu thực nghiệm về tốc độ tuần hoàn hạt trong buồng đốt

Các nghiên cứu khí động học trong buồng đốt lớp sôi (CFBC) được đặc trưng bởi sựlưu động của dòng hai pha (khí-hạt) Ở các chế độ vận hành của CFBC, việc xác định vậntốc hạt tại các cao độ của CFBC một cách tượng trưng và không thể đo được, do vậy vậntốc hạt có thể được tính toán thông qua việc xác định tốc độ tuần hoàn hạt (khối lượng hạttính trên một đơn vị diện tích mặt cắt vuông góc với chiều chuyển động của dòng hạt theomột đơn vị thời gian) và khối lượng của lớp hạt tại các vị trí của CFBC

Tốc độ tuần hoàn hạt được tính toán trên cơ sở xác định tốc độ hạt trong CFB Tùythuộc vào cấu trúc buồng đốt và chế độ vận hành của CFB, tốc độ trung bình của hạt có thểđược xác định tại các vị trí khác nhau của CFB: i) tại van L (Sung Won Kim và cộng sự[97], N.Chovichien và cộng sự [76]), ii) tại ống xuống, Myung Won Seo và cộng sự [75],Jong Hun Lim và cộng sự [58]; P.Kalita và cộng sự [88]; và iii) tại ống lên (Tatjana vàcộng sự [98]) Phương pháp xác định vận tốc hạt, do vậy cũng rất khác nhau Dưới đây làcác nghiên cứu thực nghiệm về phương pháp xác định tốc độ tuần hoàn hạt và nghiên cứuảnh hưởng của các thông số vận hành đối với tốc độ tuần hoàn hạt

1.2.1 Nghiên cứu thực nghiệm của Phạm Hoàng Lương và cộng sự

Hoàng Lương và cộng sự [82] đã thực hiện thí nghiệm xác định tốc độ tuần hoàn hạttrên mô hình thí nghiệm với các thông số vận hành, thông số mô hình tại bảng 1.3 Tốc độtuần hoàn hạt được ước lượng bằng việc đo vận tốc của các hạt cát di chuyển qua mặt cắtngang của một ống Perspex đặt đứng tại đáy của ống hồi Vận tốc hạt được ước lượng như làvận tốc trung bình theo thời gian sử dụng một đồng hồ bấm giây để đo thời gian cần thiết để

Trang 34

một hạt bao phủ một khoảng cách được đưa ra Khối lượng riêng của lớp hạt khi vận hànhcủa buồng đốt được xác định dựa trên khối lượng hạt và thể tích nó được sử dụng

Kết quả cho thấy tốc độ tuần hoàn hạt trong CFB được xác định tăng cùng với tốc

độ gió sơ cấp, khối lượng lớp hạt trong điều kiện làm việc của thiết bị thí nghiệm Nghiêncứu, cho thấy rằng, với cùng một giá trị của tốc độ gió sơ cấp và một kích thước hạt cátnhất định được sử dụng, tốc độ tuần hoàn hạt tăng cùng với khối lượng lớp hạt Tốc độtuần hoàn hạt giảm cùng với sự tăng lên của kích thước hạt trong khi các thông số khácđược giữ không đổi

1.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm của Sung Won Kim và cộng sự

Sung Won Kim và cộng sự [97] đã nghiên cứu, thực hiện tái tuần hoàn hạt trong ốnglên được làm bằng ống nhựa trong suốt có các thông số mô hình và thông số vận hànhđược thể hiện tại bảng 1.3 Tại trạng thái ổn định, tốc độ tuần hoàn hạt được xác định bằngviệc đo thời gian rơi xuống của hạt trên một khoảng cách nhất định đã biết khối lượngriêng của lớp hạt khi vận hành tại ống đo trong suốt được lắp trên thiết bị Kết quả nghiêncứu cho thấy tốc độ tuần hoàn hạt tăng khi tăng tốc độ gió tuần hoàn hạt qua loop seal, khigiảm đường kính hạt Nghiên cứu đã đề xuất biểu thức thực nghiệm xác định tốc độ tuầnhoàn hạt (Gp) theo biểu thức (1.23)

Trong đó:

: Vận tốc rơi trung bình của hạt trong ống xuống (m/s)

: Độ rỗng của lớp hạt di chuyển trong ống xuống

: Khối lượng riêng lớp hạt (kg/m3)

Hình 1.7- Sơ đồ nguyên lý Mô hình lạnh CFB của Sung Won Kim (2002); 1-ống lên; 2-Cyclone; 3-Phễu; 4-Van L; 5-Cửa lấy mẫu; 6-Van bướm; 7-Bộ phân phối [97]

Trang 35

1.2.3 Nghiên cứu thực nghiệm của Myung Won Seo và các cộng sự

Myung Won Seo và các cộng sự [75] đã nghiên cứu đã sử dụng một buồng phản ứnglớp sôi tuần hoàn kép với ống lên và lớp sôi bọt có các thông số mô hình và thông số vậnhành như được thể hiện tại bảng 1.3 Vận tốc khí trong lớp sôi được thay đổi từ 0-0,27 m/s,vận tốc khí ở buồng cấp khí đẩy hạt được vận hành ở dải từ 0,5Umf đến 1,5 Umf, vận tốc khí

ở buồng tái tuần hoàn đẩy hạt về được vận hành ở dải từ 0 đến 0,36 m/s, tổng khối lượnglớp được duy trì là 35 kg Hệ thống được vận hành ở áp suất là 1atm và nhiệt độ là 300K.Tốc độ tuần hoàn hạt được xác định bằng cách đo thời gian rơi của hạt trên một đoạn chiềudài ống đo đã biết ở ống xuống và khối lượng riêng của lớp hạt khi vận hành Kết quả thựcnghiệm cho thấy tốc độ tuần hoàn hạt tăng khi tăng tốc độ gió sơ cấp

Kết quả cho thấy, với điều kiện của thí nghiệm, tốc độ gió tuần hoàn hạt có quan hệtuyến tính với giá trị của tốc độ tuần hoàn hạt lên đến 45 kg/m2.s, tăng tiếp tốc độ gió tuầnhoàn hạt sẽ là nguyên nhân hình thành các nệm ‘slug’ trong buồng cấp của van L, làmgiảm tốc độ tuần hoàn hạt

Hình 1.8- Sơ đồ nguyên lý Mô hình lạnh CFB của Myung Won Seo (2011) 1-Ống lên; 2-Cyclone; 3-Van bi; 4-Ống xuống; 5-Lớp sôi bọt; 6-Loop seal; 7-Hộp gió; 8-Đường

xả [75]

1.2.4 Nghiên cứu thực nghiệm của Tzeng Lim và các cộng sự

Tzeng Lim và cộng sự [100] đã nghiên cứu, xây dựng một mô hình lạnh CFB dựatrên thiết bị khí hóa sử dụng lớp sôi nhanh tuần hoàn bên trong để nghiên cứu ảnh hưởngcủa các thông số vận hành như lưu lượng dòng khí sơ cấp, thứ cấp đối với tốc độ tuần hoànhạt Các thông số mô hình thí nghiệm, thông số vận hành như được thể hiện trong bảng1.3 Các ảnh hưởng của gió sơ cấp, thứ cấp và khối lượng lớp đối với tốc độ tuần hoàn hạtđược xác định bằng thay đổi gió sơ cấp từ 32m3/h đến 96m3/h trong khi giữ nguyên lưu

Trang 36

lượng khí thứ cấp và lưu lượng khí qua loop seal không đổi tương ứng với các giá trị171m3/h và 6m3/h; thí nghiệm làm với các khối lượng lớp là 6, 8 và 10 kg;

Tốc độ tuần hoàn hạt từ ống lên về ống xuống được đo bằng cách ngắt dòng về van L

để giữ các hạt rắn không di chuyển về van L, sau đó đo khối lượng hạt trong một quãngthời gian (đến 10 giây)

Tại thí nghiệm này, gió sơ cấp được giữ không đổi với giá trị là 171 m3/h, tốc độ giótuần hoàn hạt được thay đổi với các giá trị 5; 7 và 9 m/s Kết quả thí nghiệm cho thấy tốc

độ tuần hoàn hạt cũng tăng cùng với tốc độ gió tuần hoàn hạt và khối lượng lớp sôi

Hình 1.9- Sơ đồ nguyên lý mô hình lạnh CFB của Tzeng Lim (2012) [100]

1.2.5 Nghiên cứu thực nghiệm của Kalita và các cộng sự

P.Kalita và cộng sự [88] đã nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vận hành đối vớitốc độ tuần hoàn và đối với trao đổi nhiệt trong một lớp sôi tuần hoàn có các thông số môhình và thông số vận hành như được trình bày tại bảng 1.3 Thí nghiệm được tiến hành với

05 khối lượng lớp khác nhau là 400, 500, 600, 800 và 1000 gram và với 03 giá trị áp suấtkhác nhau là 1, 3 và 5 bar Tất cả các thí nghiệm được tiến hành với 03 giá trị tốc độ gió sơcấp khác nhau là 5, 6 và 7 m/s và với dòng nhiệt không đổi là 830 W/m2 Khí được cấp vàoCFB qua đáy của ống lên bởi một quạt ly tâm áp suất cao (20 HP) và một máy nén Tốc độdòng khí được đo bởi một đồng hồ tiêu chuẩn và được điều chỉnh bằng van và đường xả tắt.Khí đi qua mặt ghi phân phối có diện tích lỗ mở chiếm 16,8% Áp suất tĩnh và độ rỗng được

đo tại 06 vị trí khác nhau: 120mm, 192,5mm, 370mm, 495mm, 970mm và 1570mm ở phíatrên so với mặt ghi phân phối Đường kính trong và chiều cao của thiết bị đo thăm dò truyềnnhiệt lần lượt tương ứng là 54mm và 500mm Ngoài ra, các cặp nhiệt được lắp đặt để đo sựthay đổi nhiệt độ bức xạ trong lớp tại tỷ lệ d/D là 0,2-0,3-0,4-0,6 và 0,8 Bộ gia nhiệt kiểu

Trang 37

điện trở có công suất 1000 W, điện trở 46 Hình 1.10 thể hiện sơ đồ nguyên lý hệ thống thínghiệm lớp sôi tuần hoàn có áp của Kalita và cộng sự (2013) Kết quả thực nghiệm củaKalita cho thấy, tốc độ tuần hoàn hạt tăng cùng với áp suất, và khối lượng lớp Kalita cũng

đã đề xuất biểu thức xác định tốc độ tuần hoàn hạt theo biểu thức (1.24)

(1.24)Trong đó:

: Độ rỗng lớp sôi tại vận tốc sôi tối thiểu

AB: Diện tích mặt cắt ngang của lớp (m2)

AD: Diện tích mặt cắt ngang của ống xuống (m2)

t: Thời gian hạt rơi theo chiều cao ống sau khi đóng van (s)

Hình 1.10- Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm lớp sôi tuần hoàn có áp của Kalita và cộng

sự (2013) [88]

1.2.6 Nghiên cứu thực nghiệm của Jong Hun Lim và các cộng sự

Jong Hun Lim và cộng sự [58] đã sử dụng mô hình CFB có thông số mô hình vàthông số vận hành như được trình bày tại bảng 1.3

Mô hình có thể tăng kích thước đường ống của lớp sôi bọt lên đến 0,08m bằng thayđổi van L để kiểm soát tốc độ tuần hoàn hạt như trong nghiên cứu về CFB trước đây của

Trang 38

Lee và cộng sự Tốc độ tuần hoàn hạt được kiểm soát bởi gió tuần hoàn tại van L có đườngkính 0,016m và chiều dài là 0,22m Tốc độ dòng hạt được đo bằng khối lượng đi vào phễu

6 Vào cuối mỗi lần thí nghiệm, van bi 5 trên lớp sôi bọt sẽ được đóng lại và sử dụng đồng

hồ “Stop watch” để đo thời gian một khối lượng hạt nhất định trong lớp sôi bọt 3 Tốc độtuần hoàn hạt được tính như là tốc độ dòng hạt chia cho diện tích mặt cắt ngang của ốnglên Tại van L được lắp đặt các đầu đo áp suất để đo áp suất giữa điểm thấp nhất của ốnglên, vùng tuần hoàn của van L và giữa ống xuống Từ đó xác định chênh lệch áp suất giữaống xuống và van L, giữa ống xuống với vùng thấp của ống lên Thực nghiệm cũng nghiêncứu ảnh hưởng của giáng áp tại van L đối với vận tốc khí trên bề mặt tại van L và tốc độtuần hoàn hạt

a) Các thiết bị thí nghiệm của mô hình

CFB b) Mô tả đo áp suất và hướng di chuyển dòng hạt tại van L 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]

Nghiên cứu cho thấy, tốc độ tuần hoàn hạt tăng khi tăng tốc độ gió tại van L (Uo,lv).Biểu thức thực nghiệm xác định tốc độ tuần hoàn hạt đối với hạt Geldart A là một hàm sốcủa vận tốc khí trên bề mặt tại van L và đường kính hạt, và có dạng như sau

(1.25)

1.2.7 Nghiên cứu thực nghiệm của N Chovichien và các cộng sự

N.Chovichien [76] đã thí nghiệm trên mô hình lớp sôi tuần hoàn có các thông số

mô hình và thông số vận hành cơ bản như trong bảng 1.3 Gió thứ cấp được cấp theophương ngang tại cao độ 1,22m so với mặt ghi phân phối gió Tốc độ dòng thể tích đượcđiều chỉnh bằng các bộ biến tần, van và đồng hồ đo nhiệt độ lớp sôi từ 30-2500C, thay đổigiáng từ 700-1300N/m2

Kết quả nghiên cứu cho thấy, tốc độ tuần hạt tăng lên khi tăng tốc độ gió tuần hoàn tạivan L Giáng áp qua van L và ống lên thay đổi theo các điều kiện vận hành (tốc độ dòng khí,nhiệt độ lớp, khi vận hành ở nhiệt độ cao, giáng áp qua van L và ống lên cũng cao hơn và thậmchí ở điều kiện các thông số vận hành thấp hơn Điều này có thể làm cho tốc độ tuần hoàn hạt

Trang 39

tăng và làm thay đổi đặc tính dòng theo nhiệt độ N Chovichien và cộng sự [76] đã đề xuấtbiểu thức thực nghiệm để ước lượng tốc độ tuần hoàn hạt tại van L là một hàm số của chênhlệch áp suất, đặc tính dòng khí hạt tại van L, hình dạng van L và có dạng như sau:

(1.26)

a) Các thiết bị thí nghiệm của mô hình b) Sơ đồ nguyên lý van L 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]

1.2.8 Nghiên cứu thực nghiệm của Tatjana và các cộng sự

Tatjana và cộng sự [98] đã sử dụng mô hình CFB có thông số kích thước và thông

số vận hành như được trình bày tại bảng 1.3 Nghiên cứu đã sử dụng phần mềm phân tíchhình ảnh Sigma Scan để đo thời gian rơi của hạt được đánh dấu trên một đoạn ống có chiềudài cho trước để xác định tốc độ trung bình của hạt Tatjana đề xuất biểu thức thực nghiệmxác định tốc độ tuần hoàn hạt là hàm số của đường kính hạt và tốc độ khí trên bề mặt ghicủa CFB, và có dạng như sau

(1.27)

Trang 40

Hình 1.13- Sơ đồ hệ thống thí nghiệm nguyên lý lớp sôi tuần hoàn của

Tatjana và cộng sự [98]

Định dạng
Số trang	185
Dung lượng	14,72 MB