Đặc tính quá trình cháy than và sinh khối trong hệ thống tầng sôi tuần hoàn quy mô nhỏ

iểm giảm phát thải khí ô nhiễm khi sử dụng nhiên liệu sinh khối. Bài báo này trình bày thực nghiệm quá trình đốt than và viên nén sinh khối, sử dụng hệ thống thí nghiệm đốt tầng sôi tuần hoàn 100 kWth. Đặc tính quá trình cháy được đánh giá bao gồm nhiệt độ, tỉ lệ giữ chất rắn theo chiều cao buồng đốt, và đặc tính phát thải. Kết quả thí nghiệm cho thấy buồng đốt tầng sôi tuần hoàn hoạt động ổn định cho cả hai nhiên liệu. Nhiệt độ buồng đốt trong khoảng 750 – 825 °C khi đốt sinh khối, và trong dải 800 – 900 °C khi đốt than. So với đốt than, quá trình đốt sinh khối cũng cho thấy SO2 giảm khoảng 66 %, NO giảm khoảng 15 %, và không xảy ra hiện tượng kết tụ tro xỉ trong suốt quá trình vận hành. Hiệu suất cháy lý thuyết cao, đạt được từ 97,0 % khi đốt than và sinh khối. Từ khóa. Công nghệ đốt tầng sôi, nhiên liệu rắn, than, sinh khối, ô nhiễm môi trường. COMBUSTION CHARACTERISTICS OF COAL AND BIOMASS IN A PILOT-SCALE CIRCULATING FLUIDIZED BED COMBUSTOR Abstract. Circulating fluidized bed combustion technology can use diversification of solid fuels, facilitating the reduction of pollutant emissions using biomass fuels. This paper presents the experimental study of coal and biomass combustion, using a 100 kWth circulating fluidized bed combustor. The combustion characteristics were evaluated, including temperature, solids hold-up ratio in accordance with the height of the combustor, and pollutant emissions. The obtained results indicated that the operation was stable for both fuels. The observed average temperature was in the range of 750 – 825 °C with biomass firing, and in the range of 800 – 900 °C with coal firing. Compared to coal firing, the SO2 emission can be decreased by about 66 % and NO reduction by about 15 % with biomass firing, and no ash agglomeration during operation. The high combustion efficiency was evaluated at least 97,0% in these experiments. Keywords. Circulating fluidized bed, solid fuels, coal, biomass, pollutant emissions. -86- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh 1 GIỚI THIỆU Nhiên liệu sinh khối được sử dụng ngày càng rộng rãi cho các quá trình sản xuất năng lượng, và như nguồn thay thế tiềm năng cho nhiên liệu hóa thạch [1]. Trong các nhà máy điện đốt than hiện nay, việc giảm lượng phát thải CO2 và chất ô nhiễm là những yêu cầu quan trọng trước tình trạng biến đổi khí hậu mạnh mẽ. Do đó, chuyển đổi nhiên liệu từ than sang nhiên liệu sinh khối là cấp thiết bởi vì sinh khối là nguồn năng lượng tái tạo. Hiện tại, trong nhà máy nhiệt điện, quá trình cháy sử dụng công nghệ tầng sôi tuần hoàn cho những ưu điểm vượt trội, là một lựa chọn thích hợp khi dùng nhiên liệu sinh khối. Ưu điểm công nghệ đốt kiểu tầng sôi tuần hoàn có thể sử dụng nhiều dạng nhiên liệu khác nhau, gồm cả nhiên liệu cấp thấp [2]. Đồng thời, công nghệ này giúp giảm thiểu phát thải các chất gây ô nhiễm môi trường (SO2, NO, CO, bụi) [3]. Thêm vào đó, công nghệ đốt kiểu tầng sôi tuần hoàn có thể vận hành linh hoạt khi kết hợp các bộ trao đổi nhiệt bên ngoài [4]. Cho đến nay, các nghiên cứu về công nghệ đốt kiểu tầng sôi tuần hoàn vẫn đang tiếp tục được triển khai, mang lại các hiểu biết mới đóng góp cho công nghệ sản xuất năng lượng. Do đó, các nghiên cứu thực nghiệm để tối ưu hóa quy trình vận hành và sử dụng đa dạng nhiên liệu rắn là cần thiết. Trong nghiên cứu này, thực nghiệm được thực hiện nhằm điều tra đặc tính cháy của than và sinh khối, sử dụng hệ thống thiết bị thí nghiệm kiểu đốt tầng sôi tuần hoàn công suất nhiệt 100 kWth. Các điều kiện vận hành được điều tra, bao gồm phân bố nhiệt độ bên trong buồng đốt, tỉ lệ giữ chất rắn theo chiều cao buồng đốt, nồng độ phát thải ô nhiễm, và hiệu suất quá trình cháy lý thuyết cũng được xác định. 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 2.1 Vật liệu Nhiên liệu rắn được sử dụng trong nghiên cứu này gồm hỗn hợp than sub-bitum nhập khẩu từ Indonesia và than nâu (tỉ lệ 7:3), và sinh khối dạng viên nén từ phụ phẩm rừng. Đặc tính của nhiên liệu được phân tích theo các tiêu chuẩn và được trình bày trong Bảng 1. Phân tích xấp xỉ được tiến hành theo tiêu chuẩn ASTM D 7582, sử dụng máy phân tích nhiệt LECO TGA 701. Phân tích nguyên tố được thực hiện bằng máy LECO Truspec Elemental CHN–S cho nguyên tố cacbon (C), hydro (H), and nitơ (N) theo tiêu chuẩn ASTM D 5373 (C, H, N). Thành phần nguyên tố lưu huỳnh (S) được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D 4239 (S) bằng máy LECO SC-432DR. Trong khi đó, nhiệt trị cao của nhiên liệu được xác định bằng máy đo nhiệt trị LECO AC600 theo tiêu chuẩn ASTM D 5865. Độ ẩm trong than cao hơn sinh khối, nhưng thành phần chất bốc thấp hơn. Nhiệt trị thấp của than và viên nén sinh khối đều nhỏ hơn 5000 kcal/kg. Than được xử lý trước, có kích thước nhỏ hơn 10 mm (đường kính trung bình: 1.42 mm), trong khi đó viên nén sinh khối có đường kính trung bình 5 mm và chiều dài từ 10 đến 20 mm. Cát kỹ thuật được sử dụng làm vật liệu trơ lớp sôi, có đường kính trung bình 0.481 mm. Bảng 1: Phân tích thành phần nhiên liệu than và sinh khối Hỗn hợp than Sinh khối Nhiên liệu (Sub-bitum / Than (Viên nén) nâu:70wt.%/30wt.%) Phân tích xấp xỉa,b [wt.%] Ẩm 25,10 8,6 Chất bốc 35,02 70,28 Cacbon 35,39 16,31 Tro 4,50 4,81 Phân tích thành phầna,c [wt.%] Cacbon 53,41 48,96 Hydro 3,51 5,78 Oxyd 12,26 39,52 -87- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Nito 0,88 0,46 Lưu huỳnhe 0,34 0,02 Nhiệt trị thấp [kcal/kg]f 4278 3870 aTrạng thái làm việc, bTGA-701 máy phân tích nhiệt (LECO. Co., USA), c Máy phân tích TruSpec Elemental (LECO. Co., USA), dXác định bởi chênh lệch (O = 100-C-H-N-S-Tro), eSC-432DR Máy phân tích lưu huỳnh (LECO. Co., USA), fAC600 Máy đo nhiệt trị (LECO. Co., USA). 2.2 Hệ thống thí nghiệm kiểu tầng sôi tuần hoàn Hình 1 mô tả hệ thống thí nghiệm kiểu tầng sôi tuần hoàn được thiết kế với công suất nhiệt là 100 kWth, gia nhiệt ban đầu bằng khí hóa lỏng (LNG) qua buồng đốt khí. Buồng đốt chính cao 10 m, đường kính 0.15 m. Nhiên liệu được cấp vào buồng đốt qua hệ thống vít tải, nạp liệu tại vị trí 1 m (tính từ đĩa phân phối khí). Khí thải sau khi ra khỏi buồng đốt được dẫn qua hai xyclon để lọc bụi, sau đó được làm mát tại bộ trao đổi nhiệt kiểu khí – nước, sau đó đi qua bộ lọc túi vải, thiết bị ngưng tụ và được thải ra ngoài qua ống khói. Tác nhân được cấp vào buồng đốt bằng quạt đẩy. Lớp vật liệu trơ được gia nhiệt ban đầu bằng khí LNG đến nhiệt độ tự cháy của than (khoảng 500 °C), sau đó, lớp trơ tiếp tục được gia nhiệt bằng than sub-bitum, lúc này ngưng cấp khí LNG. Thành phần khí thải (O2, CO2, CO, NO, SO2) được đo liên tục bằng máy phân tích khí kiểu hấp thụ hồng ngoại không phân tán (mã hiệu AO2020, ABB, từ Đức). Các điều kiện hoạt động chính được trình bày trong Bảng 2 bên dưới. Hình 1: Sơ đồ hệ thống thí nghiệm đốt tầng sôi tuần hoàn đốt nhiên liệu rắn [5] Bảng 2: Điều kiện vận hành và kết quả chính Nhiên liệu Điều kiện vận hành Hỗn hợp than Sinh khối Lượng nhiên liệu nạp [kg/h] 13,61 12,92 Công suất nhiệt đầu vào [kWth] 75,5 58,15 Tác nhân nạp cấp 1 [Nm3/h] 70,6 65,45 Tác nhân nạp cấp 2 [Nm3/h] 10,6 11,2 Tác nhân tại buồng chứa chất rắn tuần hoàn 10,8 10,8 (loop-seal) [Nm3/h] Kết quả vận hành Nhiệt độ đốt trung bình [oC]a 834,2 787,6 -88- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Lưu lượng khí thải [Nm3/h] 106,2 88,8 CO2 [vol.%] 16,7 17,6 O2 [vol.%] 3,7 3,0 b SO2 [ppm] 114,6 27,8 CO [ppm]b 77,2 109,4 Thành phần phát thải NO [ppm]b 84,4 51,4 b SO2 [mg/MJ] 119,3 40,51 CO [mg/MJ]b 35,1 69,71 NO [mg/MJ]b 41,2 35,1 a b Nhiệt độ trung bình theo chiều cao buồng đốt; Giá trị tính tại 6 vol.% O2. 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Phân bố nhiệt độ, tỉ lệ giữ chất rắn trong buồng đốt Các kết quả chính trong thí nghiệm này được trình bày ở Bảng 2. Đặc tính phân bố nhiệt độ và tỉ lệ giữ chất rắn trong buồng đốt cho quá trình đốt than và đốt sinh khối được trình bày tương ứng trong Hình 2 và Hình 3. Trong thí nghiệm này, giá trị nhiệt độ được ghi lại liên tục trong quá trình vận hành theo chiều cao buồng đốt, sai số đo của nhiệt độ trong khoảng 10 °C. Nồng độ CO2 đo được trong khí thải có sai số trong khoảng 0,15 vol.%. Các giá trị sai số này cho thấy quá trình cháy bên trong buồng đốt ổn định. Từ kết quả phân bố nhiệt độ trong Hình 2, nhiệt độ quá trình đốt sinh khối thấp hơn so với đốt than, điều nay do sinh khối có nhiệt trị nhỏ hơn (3870 kcal/kg), so với than (4278 kcal/kg). Khi đốt sinh khối, nhiệt độ cao nhất (810, 87 °C) đạt được tại vị trí 3,2 m (từ đĩa phân phối) do sinh khối có hàm lượng chất bốc cao và quá trình cháy chất bốc mãnh liệt. Trong khi đó, giá trị nhiệt độ cao nhất khi đốt than được tìm thấy tại vị trí 1,8 m. Trong hệ thống tầng sôi tuần hoàn đốt nhiên liệu rắn, giá trị vận hành được ghi nhận trong dải 800 – 950 °C [2]. Bên cạnh phân bố nhiệt độ, tỉ lệ giữ chất rắn theo chiều cao buồng đốt cũng được xem xét. Đây là hệ số đánh giá quan trọng trong quá trình cháy hệ tầng sôi tuần hoàn, hệ số này liên quan đến hệ số trao đổi nhiệt của quá trình cháy bên trong thiết bị [2]. Kết quả tỉ lệ giữ chất rắn trong buồng đốt được tính toán qua công thức (1) và kết quả được trình bày trong Hình 3. 1- ε = (ΔP/L) / (g × (ρp - ρg)) (1) Trong công thức (1), hệ số ΔP là tổn thất áp suất qua lớp vật liệu sôi (mmH2O); L là chiều cao của lớp vật 3 liệu sôi (m); ε là tỉ lệ giữ chất rắn (-); ρp là khối lượng riêng chất rắn (kg/m ), và ρg là khối lượng riêng của tác nhân khí (kg/m3), g là gia tốc trọng trường (m/s2). Từ Hình 3 cho thấy, tỉ lệ giữ chất rắn không có sự khác biệt lớn khi đốt than và sinh khối, chứng tỏ chất rắn được tuần hoàn ổn định bên trong buồng đốt. Trong vùng lớp sôi (vị trí 0,3 m từ đĩa phân phối), hệ số tỉ lệ cao cho thấy lượng chất rắn lớn bên trong vùng này. -89- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Hình 2: Phân bố nhiệt độ theo chiều cao buồng đốt Hình 3: Phân bố tỉ lệ giữ chất rắn trong buồng đốt 3.2 Thành phần khí thải Thành phần khí thải khi đốt cháy nhiên liệu than và sinh khối được trình bày trong Hình 4. Giá trị thu được cho thấy, khi đốt sinh khối hàm lượng chất ô nhiễm (SO2: 40,51 mg/MJ , NO: 35,1 mg/MJ) phát thải ít hơn so với đốt than (SO2: 119,3 mg/MJ , NO: 41,2 mg/MJ), do sinh khối chứa hàm lượng lưu huỳnh và nito trong nhiên liệu thấp hơn than (Bảng 1). Thông thường, nồng độ phát thải SO2, và NO được tìm thấy thấp hơn khi sử dụng sinh khối [7]. Tuy nhiên, nồng độ CO phát thải được ghi lại cao hơn khi sử dụng sinh khối -90- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh (69,71 mg/MJ) so với than (35,1 mg/MJ) trong thí nghiệm này. Nguyên nhân có thể do lượng oxy cấp cho quá trình chưa hiệu quả, nồng độ O2 được tìm thấy trong khí thải khi đốt sinh khối là 3,0 vol.%, so với than 3,7 vol.% (Bảng 2). Nhìn chung, khi đốt sinh khối SO2 giảm khoảng 66 %, NO giảm khoảng 15 %, so với khi đốt than trong nghiên cứu này. Hình 4: Thành phần phát thải ô nhiễm 3.3 Hiệu suất cháy Trong nghiên cứu này, hiệu suất (η) quá trình cháy trong hệ thống đốt tầng sôi tuần hoàn được xác định theo công thức (2) [6]: η = 1 – (QUBC + Qtro + QCO + Qkhíthải)/LHVf (2) Trong đó, LHVf là nhiệt trị thấp của nhiên liệu (kJ/kg). QUBC là tổn thất nhiệt từ thành phần cacbon chưa cháy hết qua lượng chất rắn thải ra ngoài. Thành phần này được xác định từ lưu lượng rắn thoát ra từ buồng đốt ṁr (kg/h), Xk là phần trăm lượng cacbon chưa cháy hết, và Hf là entanpy phản ứng của nhiên liệu (kJ/kg). Hệ số thứ hai là tổn thất do tro thải ra khỏi buồng đốt (Qtro), và được xác định qua lưu lượng tro thải ṁtro (kg/h), Cp là nhiệt dung riêng của tro (kJ/kg.K), và Tp là nhiệt độ tro (K). Hệ số thứ ba QCO là tổn thất do lượng khí CO chưa cháy hết, được xác định qua lưu lượng mol CO ṅ (kmol/h), thành phần mol của CO (yco), and Hco là entanpy phản ứng của CO (kJ/kmol). Qkhíthải là hệ số tổn thất qua khí thải ra ngoài môi trường được tính toán từ số mol ṅ, Cp,g là nhiệt trị của khí thải (kJ/kmol.K), và (T-T0) là độ chênh lệch nhiệt độ giữa khí thải và nhiệt độ môi trường (K). Công thức tính hiệu suất cháy có thể được viết lại theo công thức sau (3): η = 1 – (ṁrXkHf + ṁtroCpTp + ṅyCOHCO + ṅCp,g(T-To))/ ṁLHVf (3) Kết quả tính toán hiệu suất cháy được tóm tắt trong Bảng 3 bên dưới. Công nghệ đốt kiểu tầng sôi tuần hoàn cho hiệu suất cháy cao, có thể trên 99 % [6]. Trong khí nghiệm này, hiệu suất cháy được tìm thấy khi đốt than là 97,0 %, so với khi đốt sinh khối 97, 3%. Khi đốt sinh khối, thành phần cacbon chưa cháy và CO trong khí thải thu được cao hơn so với khi đốt than, do đó, quá trình đốt sinh khối cần kiểm soát tốt lượng không khí thừa cấp vào buồng đốt. -91- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Bảng 3: Hiệu suất cháy lý thuyết Hệ số tổn thất nhiệt [%] Hỗn hợp than Sinh khối Thành phần cacbon chưa cháy hết 0,194 0,491 Thành phần CO 0,04 0,14 Tro thải 0,316 0,21 Khí thải 2,461 1,859 Hiệu suất cháy [%] 97,0 97,3 4 KẾT LUẬN Quá trình đốt cháy của hỗn hợp than sub-bitum và than nâu, và viên nén sinh khối được thí nghiệm trong hệ thống đốt tầng sôi tuần hoàn công suất 100 kWth. Đặc tính cháy thu được bao gồm phân bố nhiệt độ, tỉ lệ giữ chất rắn theo chiều cao buồng đốt và nồng độ chất phát thải, và hiệu suất cháy lý thuyết được tính toán. Thực nghiệm cho thấy quá trình cháy ổn định trong buồng đốt cho hai loại nhiên liệu được chọn, nhiệt độ vận hành trong khoảng 800 – 900 °C khi đốt than, và trong dải 750 – 825 °C khi đốt sinh khối. Nhiệt độ trung bình khi đốt than là 834,2 °C, và 787,6 °C khi đốt sinh khối. Đối với thành phần khí thải, kết quả thu được cho thấy nồng độ phát thải SO2, NO giảm đáng kể khi sử dụng nhiên liệu sinh khối (SO2: 40,51 mg/MJ , NO: 35,1 mg/MJ), so với khi sử dụng than (SO2: 119,3 mg/MJ , NO: 41,2 mg/MJ). Trong khi đó, hiệu suất cháy lý thuyết được xác định đạt từ 97,0 %. Do đó, công nghệ đốt tầng sôi tuần hoàn cho thấy ưu điểm nổi bật khi sử dụng đa dạng nhiên liệu, đặc biệt là nhiên liệu sinh khối cho quá trình cháy sản xuất năng lượng. LỜI CẢM ƠN Kết quả trong bài báo này được lấy một phần trong dự án “Phát triển công nghệ sản xuất năng lượng hiệu quả cao, phát thải thấp” được tài trợ bởi Hội đồng Khoa học Công nghệ Quốc gia Hàn Quốc (NST), được cấp bởi Chính phủ Hàn Quốc (MSIP) [mã số CRC-15-07-KIER]. Tác giả trân trọng cảm ơn và ghi nhận nguồn tài trợ nghiên cứu từ MSIP, Đại học Quốc gia Kunsan (KSNU) và đóng góp của các nhà nghiên cứu của Trung tâm nghiên cứu Hội tụ (FEP-CRC) – Viện nghiên cứu năng lượng Hàn Quốc (KIER). Đồng thời, tác giả trân trọng sự hỗ trợ, động viên từ Ban giám hiệu và Khoa Công nghệ Nhiệt lạnh, Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Li, F., et al., Energy, vol. 174, pp. 724–734, 2019. [2] Basu P., Springer International Publishing. vol. 54, 2015. [3] Arjunwadkar A, Basu P, Acharya B., Appl Therm Eng, vol. 102, pp. 672–694, 2016. [4] Yang C, et al., Fuel, vol. 267, 117206, 2020. [5] Nguyen HK et al., Energy, vol. 196, 117020, 2020. [6] Gungor A, Fuel, vol. 87, pp. 1083 – 1095, 2008. [7] E. Houshfar, L., et al., Clean Technol Envir, vol. 16, pp. 1339-1351, 2014. -92-