- 3 1.1 Cơ sở lý thuyết hình thành NOx. - 3 1.1.1 Cơ chế hình thành NOx nhiệt. - 3 1.1.2 Cơ chế hình thành NOx tức thời. - 4 1.1.3 Cơ chế hình thành NOx nhiên liệu. - 12 2.1 Điều chỉnh quá trình cháy trong buồng lửa. - 14 2.1.3 Đốt phân cấp nhiên liệu. - 35 4.1 Thay đổi nhiên liệu. - 35 4.2 Đốt phân cấp nhiên liệu. - 35 4.2.2 Tính toán quá trình cháy hỗn hợp than và khí than ƣớt. - Bố trí thiết bị đốt phân cấp nhiên liệu. - 80 v DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT Ký hiệu/Chữ cái Đơn vị Ý nghĩa C 10-2 (k.l) Tỷ lệ carbon trong nhiên liệu V 10-2 (k.l) Tỷ lệ chất bốc trong nhiên liệu A 10-2 (k.l) Tỷ lệ tro trong nhiên liệu N 10-2 (k.l) Tỷ lệ Nitrogen trong nhiên liệu S 10-2 (k.l) Tỷ lệ lƣu huỳnh trong nhiên liệu H 10-2 (k.l) Tỷ lệ hydrogen trong nhiên liệu W 10-2 (k.l) Tỷ lệ ẩm trong nhiên liệu. - kJ/kg Nhiệt trị thấp làm việc ar as received (mẫu nhận đƣợc) DAF Dried ash free (Mẫu cháy) lt Lý thuyết tt Thực tế ct Cần thiết khô Mẫu khô UB Unburned (không cháy) SPC Sản phẩm cháy ppm 10-6 (t.t) Nồng độ thể tích (một phần triệu) MNOx kg/h Khối lƣợng lƣợng NOx hình thành B kg/h Khối lƣợng nhiên liệu tiêu thụ Kv Hệ số khu vực Kp Hệ số công suất υ m/s Vận tốc khói vi ρ kg/m3 Khối lƣợng riêng C mg/m3 Nồng độ khí. - Hiệu suất i kJ/m3, (kJ/kg) Entanpi V m3/h Lƣợng khí sinh ra trong sản phẩm cháy α Hệ số không khí thừa r m Bán kính K Hệ số hoạt động của chất xúc tác Volcatalys m3 Thể tích chất xúc tác SRF Stoichiometric Ratio Factor NMNĐ Nhà máy nhiệt điện NĐĐT Nhiệt điện đốt than PC Lò đốt than phun CFB Lò đốt than tầng sôi TSTH Tầng sôi tuần hoàn CFD Computation Fluid Dynamics TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam QCVN Quy chuẩn Việt Nam BTNMT Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Biểu thị quá trình phân hủy N trong nhiên liệu thành N chất bốc và N cốc. - 5 Hình 1.2 Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến tỷ lệ chuyển hóa Nitơ. - 6 Hình 1.3 Lộ trình chủ yếu phản ứng oxy hóa NH3. - 7 Hình 1.4 Lộ trình phản ứng phân hủy NOx. - 8 Hình 2.1 Sơ đồ khống chế NOx và lộ trình kích thích phân hủy. - 12 Hình 2.2 Quan hệ giữa hệ số không khí thừa NOx trong khói. - 14 Hình 2.3 Sơ đồ bố trí miệng vòi phun trong buồng lửa đặt vòi phun ở tƣờng trƣớc. - 15 Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý đốt phân cấp nhiên liệu. - 17 Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống tái tuần hoàn khói. - 17 Hình 2.7 Hệ thống khử NOx bằng Ure/Ammonia. - 21 Hình 2.8 Nguyên lý hoạt động của hệ thống NOx phun ammonia vào đƣờng khói. - 23 Hình 3.1 Sơ đồ bố trí các hệ thống xử lý khói thải của lò hơi PC. - 25 Hình 3.2 Hệ số hoạt động của chất xúc tác theo thời gian. - 33 Hình 4.1 Sơ đồ và vị trí vùng cấp khí hơi vào buồng đốt. - 36 Hình 4.2 Cấu tạo mặt cắt dọc của vùng cháy chính và vùng cháy phụ. - 43 Hình 4.3 Cấu tạo mặt cắt ngang của hệ thống vòi đốt và gió cấp 1, 2. - 44 Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý khí hóa than bằng ôxy và hơi nƣớc nhiệt độ, áp suất cao. - 47 Hình 4.5 Hệ số hoạt động của chất xúc tác xác định theo thời gian. - 51 Hình 4.6 Sơ đồ lớp chất xúc tác bổ sung. - 55 Hình 5.1 Định nghĩa CFD. - 59 Hình 5.2 Ba phƣơng pháp cơ bản nghiên cứu cơ học chất lƣu. - 60 Hình 5.3 Mô hình 3D của buồng lửa dựng trên phần mềm ANSYS. - 70 Hình 5.5 Sự phân bố nhiệt độ trên các mặt cắt khi đốt than Hòn Gai. - 71 Hình 5.6 Sự phân bố nhiệt độ trên từng mặt khi đốt than Hòn Gai. - 72 Hình 5.8 Ảnh hƣởng của trộn khí đến sự phân bố nhiệt độ. - 73 Hình 5.9 Sự sai khác nhiệt độ trong hai trƣờng hợp. - 73 viii Hình 5.10 Tốc độ hình thành NO nhiệt. - 74 Hình 5.11 Tốc độ hình thành NO nhiên liệu. - 74 Hình 5.12 Sự phân bố NO trên mặt Z=0. - 75 Hình 5.13. - 75 Hình 5.14 Sự phân bố NO trên mặt Y=10. - 37 Bảng 4.2 Thành phần hỗn hợp nhiên liệu than và 30% khí than ƣớt. - 37 Bảng 4.4 Thành phần hỗn hợp nhiên liệu (khí than ƣớt và than chƣa cháy hết. - Việc lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu các giải pháp nâng cấp hệ thống xử lý NOx trong nhà máy nhiệt điện” có ý nghĩa thực tiễn. - Mục đích nghiên cứu Đề xuất các giải pháp giảm thiểu sự phát thải NOx trong quá trình hoạt động của lò hơi, thiết bị khử NOx trong NMNĐ. - Để đạt đƣợc mục đích trên đề tài cần giải quyết những nhiệm vụ cụ thể sau: Tổng quan về sự hình thành NOx và các biện pháp giảm thiểu NOx trong quá trình cháy. - Nghiên cứu mô phỏng về sự hình thành NOx. - Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu đặt ra trong luận văn này là buồng đốt than phun nhà máy nhiệt điện và phạm vi nghiên cứu là ảnh hƣởng của một số yếu tố đến quá trình 2 cháy và sự hình thành khí NOx làm cơ sở cho việc đề xuất lựa chọn giải pháp nâng cấp hệ thống xử lý NOx trong nhà máy nhiệt điện. - Bố cục của luận văn Các nội dung bao gồm nhƣ sau: Lý thuyết về hình thành NOx. - LÝ THUYẾT HÌNH THÀNH VÀ TÁC ĐỘNG CỦA NOx 1.1 Cơ sở lý thuyết hình thành NOx Phát thải NOx chủ yếu từ quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch, nhƣ ô tô, máy bay, động cơ và quá trình đốt lò công nghiệp, cũng xuất phát từ việc sản xuất và sử dụng của axit nitric, chẳng hạn nhƣ nhà máy phân đạm. - Phụ thuộc vào nguồn gốc nitơ (N) ngƣời ta phân biệt ba loại NOx là NOx nhiệt, NOx tức thời và NOx nhiên liệu. - 1.1.1 Cơ chế hình thành NOx nhiệt Theo cơ chế này, NO đƣợc hình thành thông qua các phản ứng gốc giữa các phân tử O2 và N2 khi đốt nhiên liệu không chứa N2, chẳng hạn khí thiên nhiên, khí than ƣớt . - Cơ chế hình thành có thể biểu thị bằng phản ứng dây chuyền không phân nhánh của Zeldovich dƣới đây : N2 + O NO + N (1.1) N + O 2 NO + O (1.2) Đến năm 1971 cơ chế này đƣợc Fenimore bổ sung bằng phản ứng: N + OH NO + H (1.3) Phản ứng của Fenimore đặc biệt có ý nghĩa trong trƣờng hợp hỗn hợp giàu nhiên liệu (λ1400 oC mới có ý nghĩa [5]. - 1.1.2 Cơ chế hình thành NOx tức thời Khi khí hydrocacbon cháy trong không khí thì hàm lƣợng NOx trong ngọn lửa tăng rất nhanh. - Lần đầu tiên năm 1971 Fenimore gọi NOx hình thành trong thời gian rất ngắn này là NOx tức thời (Prompt-NO). - Trên cơ sở nhiều thí nghiệm nhiều tác giả cho rằng cơ chế NOx tức thời đƣợc kích thích bởi các phản ứng nhanh trong 1÷2 ms giữa các gốc hydrocacbon và các phân tử Nitơ. - Gốc CHi đƣợc coi là quan trong nhất trong các phản ứng này. - HCN+ NHi Phụ thuộc vào mức độ hỗn hợp và điều kiện phản ứng tiếp theo của các gốc vừa mới tạo thành (CHN, CN, NHi) có thể tạo nên NO hoặc trở lại N2. - Tức là khi đốt nhiên liệu là hỗn hợp Cacbonhydro với nồng độ nhiên liệu quá đậm đặc, ở xung quanh khu vực phản ứng sẽ tạo thành NOx. - Đó là do CHi sinh ra khi đốt nhiên liệu va đập vào N2 trong không khí tạo thành CN, HCN, sau đó bị oxy hóa tạo thành NOx. - Xét từ nguồn gốc N2 tạo thành NOx, thì tƣơng tự nhƣ NOx nhiệt, ngƣợc lại nó rất giống với cơ chế hình thành NOx nhiên liệu. - Thực ra sau khi N2 và CHi phản ứng tạo thành HCN, thì NOx nhiên liệu đi theo lộ trình phản ứng hoàn toàn giống nhau. - Thông thƣờng, khi đốt ở nhiệt độ thấp các nhiên liệu Cacbonhydro không chứa Nitơ, mới chú ý tới NOx tức thời, vì khi nhiệt độ quá 1500 oC, thì NOx nhiệt hình thành là chủ yếu [5]. - 1.1.3 Cơ chế hình thành NOx nhiên liệu Trong than hàm lƣợng nitơ chiếm 0,5÷2,5% chúng ở dạng hợp chất nguyên tử nitơ kết hợp với cabuahydro thành hợp chất có liên kết mạch vòng, hoặc xích trong than (C5H5N, C5H5NH2). - Loại hợp chất nitơ trong nhiên liệu bị nhiệt phân và oxy hóa tạo thành đƣợc gọi là NOx nhiên liệu. - Cơ chế hình thành NOx nhiên liệu rất phức tạp, nên mặc dù nhiều năm nay nhiều học giả trên thế giới đã tiến hành rất nhiều công trình nghiên cứu về lý luận cũng nhƣ thực tế để làm rõ cơ chế hình thành và phân hủy NOx nhiên liệu, nhƣng cho đến nay vẫn chƣa rõ ràng. - Thực tế cho thấy, khi đốt than bột, khoảng 70 – 90% là NOx nhiên liệu, cho nên NOx sinh ra chủ yếu do đốt cháy Nitơ trong nhiên liệu. - Việc nghiên cứu cơ chế hình thành và phân hủy NOx nhiên liệu có ý nghĩa quan trọng đối với việc khống chế NOx thải ra trong quá trình đốt cháy một cách hiệu quả. - Hình 1.1 Biểu thị quá trình phân hủy N trong nhiên liệu thành N chất bốc và N cốc. - Tổng kết quá trình nghiên cứu những năm gần đây, cơ chế hình thành NOx nhiên liệu có những quy luật sau: 6 a. - Hình 1.1 là sơ đồ mô tả quá trình nitơ trong nhiên liệu phân hủy thành nitơ chat bốc và cốc. - Tỷ lệ N chất bốc và N cốc trong nhiên liệu có quan hệ mật thiết với từng loại than, nhiệt độ nhiệt phân và tốc độ gia nhiệt. - Khi thành phần chất bốc của nhiên liệu cao, nhiệt độ nhiệt phân và tốc độ gia nhiệt tăng lên thì N chất bốc tăng lên còn N cốc sẽ giảm theo hình 1.2 [4] Hình 1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tỷ lệ chuyển hóa Nitơ b. - 7 Khi N nhiên liệu kết hợp với C6H5NH2, HCN là sản phẩm nhiệt phân chủ yếu ban đầu, khi N nhiên liệu tồn tại dƣới hình thức khác thì NH3 lại là sản phẩm chủ yếu của phản ứng nhiệt phân. - Khi nhiệt độ tăng lên, N nhiên liệu chuyển hóa thành HCN với tỷ lệ lớn hơn chuyển thành NH3. - Lộ trình phản ứng chủ yếu của HCN trong nitơ chất bốc: Lộ trình phản ứng chủ yếu của HCN trong Nitơ chất bốc: Nitơ (N) chất bốc cùng đƣợc tách ra với thành phần chất bốc sau khi gặp oxy trong quá trình đốt cháy chất bốc, sẽ tiến hành một loạt phản ứng. - Từ lộ trình phản ứng trên có thể thấy, HCN trong N chất bốc bị oxy hóa thành NCO, có thể có hai lộ trình phản ứng quyết định bởi điều kiện phản ứng mà NO gặp tiếp theo. - Trong môi trƣờng oxy hóa NCO sẽ tiếp tục oxy hóa thành NO, nếu gặp môi trƣờng hoàn nguyên, thì NCO sẽ phản ứng cho NH, lúc đó trong môi trƣờng oxy hóa NH tiếp tục oxy hóa thành NO, NH thành nguồn tạo ra NO, đồng thời còn có thể cùng với NO mới tạo thành, tiền hành phản ứng hoàn nguyên, làm cho NO hoàn nguyên thành N2, lúc đó NH lại là chất hoàn nguyên NO [4]. - Lộ trình chủ yếu của NH3 trong N chất bốc bị oxy hóa Hình 1.3 Lộ trình chủ yếu phản ứng oxy hóa NH3 Từ lộ trình trên, NH3 có thể là nguồn hình thành NO, cũng có thể trở thành chất hoàn nguyên NO. - Dƣới nhiệt độ cháy thông thƣờng, NOx nhiên liệu chủ yếu là từ N chất bốc. - 8 Dƣới nhiệt độ cháy thông thƣờng, NOx nhiên liệu chủ yếu là từ N chất bốc, hình 1.3 là lộ trình phản ứng oxy hóa NH3. - Khi đốt bột than NOx do chất bốc sinh ra chiếm 60 – 80% trong NOx nhiên liệu. - Đó là do năng lƣợng hoạt hóa phản ứng N cốc tạo thành NO lớn hơn năng lƣợng hoạt hóa phản ứng cháy của than, cho nên NOx cốc đƣợc tạo thành ở vùng cháy cốc phía dƣới ngọn lửa. - Cho nên, nồng độ NOx tạo thành ban đầu sẽ không bằng NOx khi thải ra, vì khi thay đổi điều kiện cháy, có thể làm cho NOx hình thành bị phân hủy, hoàn nguyên trở lại Nitơ, hình 1.4 thể hiện lộ trình phản ứng phân hủy. - Nồng độ NOx phát thải của thiết bị đốt than quyết định bởi kết quả tổng hợp của phản ứng tạo thành NOx và phản ứng hoàn nguyên hoặc phân hủy NOx. - Hình 1.4 Lộ trình phản ứng phân hủy NOx Nhƣ đã giới thiệu, quá trình hình thành và phân hủy NOx nhiên liệu là vô cùng phức tạp, có 3 dạng lộ trình phản ứng và rất nhiều phƣơng trình phản ứng. - Đến nay 9 đã phát hiện ra ít nhất 251 loại phƣơng trình phản ứng có quan hệ đến quá trình hình thành và phân hủy NOx. - 1.2.4 Thủng tầng ozon Nếu trong khí quyển tồn tại NO2 sẽ xảy ra phản ứng: ClOo + NO2 → Cl- O-N O (Clorinitrat) (1.7) O Clorinitrat là hợp chất tƣơng đối bền, nó có ý nghĩa đối với việc làm giảm chu trình phân hủy ozon do giảm việc tạo thành Clo qua phản ứng với NO2. - NO làm tăng quá trình phá hủy tầng ozon theo các phản ứng sau ứng [8]: O3 + hv → O. - 11 1.2.5 Khói mù quang hóa Sự oxy hóa và hình thành khói quang hóa đƣợc biết đến nhƣ là mối nguy hiểm môi trƣờng và sức khỏe chính của sự phát thải khí NOx. - NOx đƣợc hình thành trong buồng đốt của các NMNĐ đốt than theo ba cơ chế: NOx nhiệt, NOx tức thời và NOx nhiên liệu. - Để giảm thiểu NOx đƣợc hình thành cần phải có những biện pháp giảm thiểu NOx phát thải. - Điều chỉnh quá trình cháy trong buồng lửa. - 2.1 Điều chỉnh quá trình cháy trong buồng lửa Từ cơ chế hình thành và phân hủy NOx nhiên liệu có thể thấy, để giảm bớt NOx nhiên liệu, không chỉ hạn chế tối đa sự hình thành NOx, mà còn phải tạo điều kiện nhiều nhất cho quá trình phân hủy và hoàn nguyên NOx đã tạo thành. - Hình 2.1 trình bày lộ trình kiềm chế sự hình thành NOx và xúc tiến phân hủy NO theo chiều mũi tên trong môi trƣờng hoàn nguyên. - Hình 2.1 Sơ đồ khống chế NOx và lộ trình kích thích phân hủy Trong điều kiện nhiệt độ đốt than ở 1200oC-1350oC trong các thiết bị đốt than thông thƣờng, 70%-90% Nnhiên liệu sẽ chuyển hóa than Nchất bôc [4]. - Kết quả nghiên cứu cho thấy: 13 - Khi đốt ở trạng thái nhiên liệu loãng α>1 thì 57% đến 61% NOx nhiên liệu đƣợc hình thành từ Nitơ chất bốc. - Khi đốt nhiên liệu đậm đặc, α
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt