Cơ sở lý thuyết công nghệ tầng sôi

Trên cơ sở những lý thuyết về lò hơi tầng sôi, bài này chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ về đặc điểm công nghệ lò hơi tầng sôi cũng như nhưng ưu, nhược điểm của nó và tiềm năng về sử dụng loại lò này ở Việt Nam.

Đặc điểm công nghệ lò hơi tầng sôi

Một buồng lửa của lò hơi tầng sôi chứa một khối lượng các hạt rắn thông thường ở trong khoảng kích thước từ 0,1- 0,3 mm, bao gồm:

• Cát hay sỏi (với nhiên liệu ít tro như gỗ)
• Đá vôi nguyên chất hay đá vôi già (với những lò đốt than nhiều lưu huỳnh và đòi hỏi kiểm soát lượng phát thải lưu huỳnh)
• Tro từ than (những lò hơi đốt than có hàm lượng tro cao, trung bình và không đòi hỏi khử lưu huỳnh).

Đôi khi, phối hợp các hạt liệu lớp sôi cũng được sử dụng. Kích thước của hạt nhiên liệu, đặc biệt với nhiên liệu có hàm lượng tro thấp khác nhau không nhất thiết mang lại một lượng lớn hạt rắn lớp sôi, bởi vì chúng chỉ có thể tạo thành một lượng hạt nhỏ hơn 1- 3%  tổng lượng hạt rắn lớp sôi trong lò.

Lò tầng sôi có hai loại chính:

• Lò tầng sôi kiểu sôi nhẹ (công nghệ đốt tầng sôi bọt)
• Lò tầng sôi kiểu sôi mạnh (công nghệ đốt tầng sôi tuần hoàn)

Chuyển động của khí và chất rắn ở các loại lò hơi khác nhau

Phương thức sôi bọt (BFB)

Trong phương thức này, chiều cao lớp sôi được giữ cố định trong một khoảng cho phép nào đó. Không gian này chỉ chiếm một phần trong toàn bộ buồng đốt. Gió cấp vào từ quạt có nhiệm vụ cung cấp không khí cho quá trình cháy nhiên liệu, đồng thời tạo ra và duy trì lớp sôi. Khi tốc độ gió vượt quá tốc độ giới hạn cho phép, chất rắn sẽ bị thổi bay ra khỏi lớp. Nếu hạt tương đối thô sẽ quay trở lại mặt ghi do ảnh hưởng của trọng lực. Nếu tiếp tục tăng tốc độ gió thì có thể một bộ phận hoặc toàn bộ hạt trên mặt ghi rơi vào trạng thái chuyển hai hướng: một hướng đi lên do lực nâng, một hướng đi xuống trở lại mặt ghi do trọng lực. Trạng thái này giống như trạng thái sôi hay lớp sôi. Khi tốc độ gió tiếp tục tăng đến một giá trị tới hạn (ωgh), toàn bộ lớp sôi sẽ thay đổi trạng thái, các hạt trong lớp sôi đều bị bay ra ngoài. Tương tự nếu tốc độ gió quá nhỏ không đủ để nâng khối lượng các hạt lên thì lớp sôi trở lại thành lớp cố định.Như vậy, trong vận hành lò hơi BFB, tốc độ gió cấp vào phải nằm trong khoảng giới hạn sau: ωmf< ω < ωgh.

Lò hơi tầng sôi bọt (BFB)

Phương thức sôi tuần hoàn (CFB)

Lò hơi tầng sôi tuần hoàn vận hành dưới một điều kiện khí động đặc biệt. Tại đó các hạt rắn được vận chuyển suốt buồng lửa ở tốc độ vượt quá tốc độ giới trung bình của các hạt. Phần lớn các hạt rắn rời khỏi buồng lửa được thu lại nhờ bộ phận tách khói-hạt rắn và được tái tuần hoàn tới điểm cấp dưới đáy của buồng lửa. Gió sơ cấp của quá trình cháy được phun qua đáy ghi của buồng lửa. Gió cấp 2 được thổi từ một chiều cao nào đó ở phía trên đáy buồng lửa. Các hạt nhiên liệu cháy ở trong buồng lửa sinh ra nhiệt. Một phần nhiệt lượng của quá trình cháy được hấp thụ bởi tường nước trong buồng lửa và phần còn lại được hấp thụ bằng đối lưu của các bề mặt đốt được bố trí ở đường khói ra sau bộ tách khói-hạt rắn.

Các lò hơi buồng lửa tầng sôi tuần hoàn thường kinh tế hơn khi áp dụng trong các doanh nghiệp cần sử dụng hơi lớn từ 75÷100 T/h. Với các nhà máy có nhu cầu hơi lớn hơn, hệ thống lò hơi buồng lửa sôi tuần hoàn sẽ cung cấp khoảng trống lớn hơn để sử dụng, các hạt nhiên liệu lớn hơn và thời gian hấp thụ để đạt hiệu suất cháy và mức SO2 cao hơn, việc áp dụng công nghệ để kiểm soát mức NOx cũng dễ dàng hơn.

Lò hơi tầng sôi tuần hoàn (CFB)

Ưu điểm và nhược điểm của lò hơi tầng sôi

Ưu điểm của lò hơi tầng sôi

Lò hơi tầng sôi có một số các đặc điểm nổi bật hơn so với những lò hơi đốt nhiên liệu rắn khác. Những đặc tính này bao gồm:

• Độ mềm dẻo trong sử dụng nhiên liệu: Đây là một đặc tính ưu việt chính của lò hơi tầng sôi. Các hạt nhiên liệu rắn chiếm một lượng ít hơn 1÷3% khối lượng hạt rắn trong lớp nhiên liệu trong buồng lửa của một lò hơi tầng sôi đặc trưng. Các hạt rắn còn lại không cháy được gồm: các chất hấp thụ, tro nhiên liệu và cát. Điều kiện khí động đặc biệt của tầng sôi tạo ra một sự hỗn hợp khí-rắn rất hoàn hảo. Do vậy, các hạt nhiên liệu cấp vào buồng lửa sẽ nhanh chóng được phân tán vào trong khối hạt và cũng nhanh chóng được gia nhiệt đến nhiệt độ bắt cháy mà không dẫn đến một sự suy giảm đáng kể nào nhiệt độ tầng hạt. Đặc tính này của buồng lửa tầng sôi cho phép nó đốt bất cứ một dạng nhiên liệu nào mà không cần cấp nhiên liệu mồi để cấp nhiệt cho không khí và chính nhiên liệu nâng nhiệt độ của chúng đến điểm bắt cháy của nó. Do vậy, có thể đốt thay nhau nhiều loại nhiên liệu trong một lò tầng sôi mà không cần một sự thay đổi nào về cấu trúc lò. Lò hơi tầng sôi có thể đốt nhiên liệu trấu chứa 18% hàm lượng tro.
  • Hiệu suất cháy lò hơi tầng sôi bọt là 90÷98% và trong lò hơi tầng sôi tuần hoàn có thể lên tới 97,5÷99,5%.
  • Tro ở dạng vô định hình nên sử dụng làm chất phụ gia trong công nghiệp sản xuất xi măng, composit, gạch chịu lửa, gạch xây nhà cao tầng, vv.
  • Lò hơi tầng sôi có hiệu quả khử lưu huỳnh cao do thời gian lưu lại của khí lớn 3÷4 giây, và các hạt hấp thụ rất mịn trải ra bề mặt phản ứng rộng, thúc đẩy quá trình phản ứng khử lưu huỳnh.
  • Giảm phát thải NOx là một đặc tính quan trọng của lò hơi tầng sôi. Các số liệu thu được trong các lò hơi tầng sôi đưa ra giá trị phát thải NOx trong khoảng 50÷150ppm hay là 20÷150 mg/MJ. Không khí cấp hai (chứa trên 20% lượng không khí thừa) được cấp vào bên trên buồng đốt. Khi đó, nitơ trong nhiên liệu đã sẵn sàng tách ra thành nitơ phân tử vẫn có rất ít cơ hội để hình thành NO2 trên vùng này. Nitơ trong không khí bình thường không thể tạo thành NO2¬ ở nhiệt độ thấp 800÷ 900^oC trong lò hơi tầng sôi.
  • 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 ưu điểm nổi bật trong lò hơi tầng sôi. Hệ thống đốt tầng sôi có nhiệt thế diện tích vào khoảng 3,5÷4,5 MW/m2, cao hơn so với hầu hết các kiểu lò hơi công nghiệp khác.
  • Số lượng điểm cấp nhiên liệu ít hơn. Hệ thống cấp nhiên liệu trong lò hơi tầng sôi được đơn giản hóa do số lượng điểm cấp ít. Lò yêu cầu diện tích ghi nhỏ và do vậy diện tích buồng đốt sẽ nhỏ hơn diện tích buồng đốt của hầu hết các kiểu lò hơi công nghiệp đốt trấu khác cùng công suất.
  • Sự thay đổi tải theo công suất rất tốt. Vận tốc giả lỏng cao cộng với việc điều chỉnh dễ dàng lượng nhiệt hấp thụ cho phép lò hơi tầng sôi có thể phản ứng nhanh nhạy với việc thay đổi tải.

Nhược điểm của lò hơi tầng sôi

Lò tầng sôi có một vài nhược điểm nhỏ:

•     Yêu cầu điều chỉnh tốc độ gió phù hợp với điều kiện lớp sôi.

•     Tốn điện cho quạt để tạo chế độ hóa lỏng.

•     Tốn lượng đá vôi lớn, tăng chi phí nghiền.

•     Mài mòn mạnh các ống và tường do các hạt trơ gây ra.

•     Cần hệ thống thu hồi và tuần hoàn phức tạp, làm lò trở nên cồng kềnh.

Tuy nhiên, các nhược điểm này đang dần được khắc phục trong những lò thế hệ mới.

Tiềm năng sử dụng lò tầng sôi vào thực tế ở Việt Nam

Chất thải dân dụng và công nghiệp là những chất được loại ra khỏi quá trình sinh hoạt cũng như sản xuất, yêu cầu phải có công nghệ xử lý thích hợp nhằm bảo vệ môi trường và tận dụng lại một phần. Ở nước ta là một nước đang phát triển, nền kinh tế chủ yếu là nông nghiệp, nên lượng phế thải nông lâm nghiệp thải ra có trữ lượng lớn. Ở Miền Trung và đồng bằng sông Cửu Long có nhiều nguồn nhiên liệu xấu chưa khai thác hết như than nâu, than bùn, than có thành phần lưu huỳnh cao, phế thải sinh khối(rơm, rạ, bã mía, mùn cưa, vv).

Thông tin từ Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn cho biết: năm 2013 sản lượng thóc cả nước khoảng 44,1 triệu tấn thóc thì lượng rơm rạ cũng được xác định khoảng 43,3 triệu tấn và 8,68 triệu tấn. Viện nghiên cứu Phát triển đồng bằng sông Cửu Long cho biết: Với sản lượng thóc hơn 20 triệu tấn như hiện nay, nếu lấy tỷ lệ trung bình là 100kg thóc cho 20kg trấu, mỗi năm trong vùng đồng bằng sông Cửu Long có trên 4 triệu tấn trấu. Với lượng trấu này, hàng năm đồng bằng sông Cửu Long có thể cung ứng cho các nhà máy sản xuất nhiệt điện với tổng công suất 500MW.

Ngoài thóc, Việt Nam cũng là một quốc gia có sản lượng lớn về mía. Phế thải thu hoạch và chế biến đường đã tạo ra một nguồn nguyên liệu lớn để đáp ứng nhu cầu về năng lượng cho các nhà máy đường và nhân dân vùng trồng mía. Theo kết quả nghiên cứu thực tế thì ép 1 tấn mía cây trung bình thải ra 300kg bã mía có độ ẩm 50% với nhiệt lượng khoảng 7,8 MJ/kg bã mía.

Tiềm năng nguồn phế thải gỗ và các loại sinh khối khác: phế thải trong chế biến gỗ bao gồm mùn cưa, đầu mẩu gỗ, vỏ bào, thường chiếm khoảng 60÷70% lượng gỗ tròn từ các cơ sở chế biến gỗ.

Kết quả phân tích nguồn nguyên liệu trấu xác định được:

• Lượng rơm rạ không được sử dụng làm nhiên liệu chiếm khoảng 30%.
• Lượng trấu làm chất đốt chiếm 50% tổng lượng trấu được tạo ra trong quá trình canh tác thóc.
• Trong vỏ trấu chứa khoảng 74÷83% chất hữu cơ dễ bay hơi sẽ cháy trong quá trình đốt và khoảng 17÷26% còn lại chuyển thành tro. Chất hữu cơ chứa chủ yếu cellulose, lignin và Hemi - cellulose (90%). Ngoài ra, có thêm thành phần khác như hợp chất nitơ và vô cơ. Lignin chiếm khoảng 25÷30% và cellulose chiếm khoảng 35÷40%.
• Các chất hữu cơ của trấu là các mạch polycarbohydrat rất dài nên hầu hết các loài sinh vật không thể sử dụng trực tiếp được, nhưng các thành phần này lại rất dễ cháy nên có thể dùng làm chất đốt. Sau khi đốt, tro trấu có chứa trên 80% là silic oxyt, đây là thành phần được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực.

Nguồn năng lượng sinh khối (vỏ trấu, củi ép)

Từ những thông tin nêu trên, nếu như ta dùng những loại nhiên liệu này vào các công việc đốt các loại lò bình thường thì khả năng phát thải khí ô nhiễm và độ tro bay ra môi trường sẽ rất lớn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Vì vậy việc ứng dụng công nghệ lò tầng sôi vào nước ta cần được phổ biến rộng rãi và phát triển nhiều hơn.