Nghiên cứu quá trình cháy bột than và nâng cao hiệu quả đốt than trộn trong các lò hơi đốt than phun trên mô hình mô phỏng

khí cấp hai, kích thước hạt than 
[3]. Phương pháp trộn các loại than khác nhau với 
sự thay đổi về điều kiện làm việc của buồng đốt có 
thể là một giải pháp để nâng cao hiệu suất cháy và 
giảm phát thải đang được nhà nước quan tâm. 
Việc thực hiện theo cách thí nghiệm truyền thống 
rất tốn kém, mất nhiều thời gian để xây dựng mô 
hình vật lý, quá trình kiểm soát và vận hành quá 
trình cháy rất phức tạp tuy nhiên việc trên máy tính 
giúp phân tích, nghiên cứu quá trình cháy dễ dàng 
hơn rất nhiều thông qua công cụ tính toán lý thuyết 
quá trình cháy CFD, qua đó giúp giảm chi phí và 
tiết kiệm thời gian. 
CFD được sử dụng rộng rãi như là một công 
cụ dùng để mô tả quá trình cháy bột than trong 
buồng đốt lò hơi, chế tạo và tối ưu hóa cấu tạo 
buồng đốt cũng như vòi đốt bột. Những ứng 
dụng mô hình CFD trong các ngành công 
nghiệp cháy và sản xuất năng lượng được nêu 
trong. Đã có nhiều công trình khoa học nghiên 
cứu quá trình cháy bột than sử dụng công cụ 
CFD, đặc biệt là các nghiên cứu về quá trình 
cháy bột than lò hơi kiểu tiếp tuyến của T. 
Asotani và cộng sự, 2008 [4], Choeng Ryul Choi 
và Chang Nyung Kim, 2008 [5], Cristiano V. da 
Silva và cộng sự, 2010 [6], nghiên cứu ảnh 
hưởng của trộn than đến quá trình cháy trong 
buồng đốt lò hơi, R.I. Backreedy và cộng sự, 
2005 [10], Y.S. Shen và cộng sự, 2006 [11]. 
Mục đích của nghiên cứu này là mô phỏng 
trường tốc độ, nhiệt độ, sự chuyển động của 
các hạt than và sự hình thành của các chất khí 
trong quá trình cháy bột than trong buồng đốt lò 
hơi kiểu tiếp tuyến SG-130-40-450 tại nhà máy 
nhiệt điện Ninh Bình; xem xét đánh giá ảnh 
hưởng của trộn than đến quá trình cháy bột 
than. E-mail: dung.leduc@hust.edu.vn 
2. Mô phỏng số quá trình cháy bột than 
2.1 Miền tính toán và điều kiện biên 
Miền tính toán là buồng đốt lò hơi SG 130-40-450 
kiểu tiếp tuyến được minh họa như trên hình 2.1. 
Kích thước chiều cao x chiều rộng x chiều sâu lần 
lượt là 26 x 6.6 x 6.8 m. Lò hơi gồm 8 vòi đốt NOx 
thấp được bố trí theo 4 cụm vòi đốt ở bốn góc 
buồng đốt từ mặt cắt A đến mặt cắt C (Hình 2.1.b). 
Mỗi cụm vòi đốt gồm 2 vòi đốt NOx thấp, xem kẽ là 
các miệng gió cấp 2, gió cấp 3 được bố trí ở phía 
trên miệng gió cấp 2 một khoảng 0,5 m. Mỗi vòi đốt 
NOx thấp được chia thành 2 vòi với hai dòng đậm 
đặc và dòng loãng. Dòng đậm đặc với tỷ lệ không 
khí và than A/C ≈ 1.0 được hình thành ở phía trong 
gần trung tâm buồng lửa đảm bảo cho sự bắt lửa 
sớm và ổn định và như vậy sẽ giảm được tổn thất 
cháy không hết về mặt cơ học, q4. Dòng loãng với tỷ 
lệ A/C rất bé, quá trình cháy xảy ra trong vùng oxy 
hóa mạnh mẽ nhưng nhiệt độ thấp nhằm hạn chế 
sự hình thành NOx và đồng thời ngăn cách dòng 
khói nóng ở trung tâm cháy và vách buồng lửa. Điều 
này có khả năng khống chế và hạn chế hiện tượng 
đóng xỉ trong buồng lửa. 
Hình 2.1. Mô hình buồng đốt lò hơi SG-130-40-450 
Tính chất của than và điều kiện biên được biểu 
diễn như trong bảng 2.1 và bảng 2.2 dưới đây. Mẫu 
than trong bảng 2.1 dùng để mô phỏng có các thành 
phần tươgn tự so với mẫu than đang sử dụng tại 
nhà máy điện Ninh Bình. Các điều kiện biên được 
giữ nguyên cho tất cả các trường hợp trộn than 
khác nhau: 5%, 10%, 20%. 
Bảng 2.1 Phân tích thành phần than 
Than Hòn Gai Than nhập 
Ẩm H2O % 6.38 20.62
Chất bốc VM % 7.37 38.45
Tro A % 25.33 9.23
Cốc FC % 60.92 31.7
Cacbon C % 90.06 74.29
Hydro H % 3.4 5.12
Lưu huỳnh S % 0.91 0.45
Nitơ N % 1.52 1.49
Oxy O % 4.11 18.65
Nhiệt trị thấp NCV kJ/kg 21844 18125
Thành phần công nghệ
Thành phần hóa học
Bảng 2.2. Điều kiện biên 
Thông số Đơn vị Giá trị 
Lượng than tiêu thụ t/h 19.526 
Tổng lượng gió thực Nm3/h 117995 
Tỷ lệ gió cấp I % 25 
Tỷ lệ gió cấp II % 48 
Tỷ lệ gió cấp III % 27 
Nhiệt độ gió cấp I oC 245 
Nhiệt độ gió cấp II oC 395 
Nhiệt độ gió cấp III oC 90 
Hiệu suất phân ly % 90 
2.2 Mô hình CFD 
2.2.1 Mô hình toán và phương pháp sô 
Quá trình cháy bột than được mô hình hóa 
bằng sử dụng phần mềm ANSYS ACADEMIC 
RESEARCH CFD phiên bản 16.1. Các phương 
trình cơ bản như phương trình liên tục, phương 
trình động lượng, phương trình năng lượng, 
phương trình rối, phương trình phản ứng hóa 
học được rời rạc hóa bằng phương pháp thể 
tích hữu hạn [4]. Thuật toán coupled biểu diễn 
sự tương quan áp suất – vận tốc, mô hình 
chuyển động rối k-epsilon Realiable, mô hình 
bức xạ Discrete Ordinate Method (DOM) và mô 
hình dòng phản ứng cho pha khí Eddy 
Dissipation được sử dụng trong tất cả các 
trường hợp mô phỏng. Tất cả mô hình đều ở 
trạng thái tĩnh và bỏ qua sự ảnh hưởng bởi 
trọng lực. Sự chuyển động của các hạt than 
được tính toán theo công thức Lagangian [3,11]. 
Sự tương tác giữa các hạt than và khí được tính 
cho mỗi 25 vòng lặp. Quá trình thoát chất bốc 
và cháy cốc diễn ra khi các hạt than được phun 
vào và hòa trộn với dòng khí trong buồng đốt 
[9]. Quá trình thoát chất bốc được mô hình hóa 
bởi mô hình đơn bậc nhất và tốc độ thoát và 
cháy chất bốc được diễn tả bởi Arrhenius 
[3,11,14]. Quá trình cháy giữa chất bốc và 
không khí được tính toán bằng mô hình tiêu tán 
xoáy (Eddy dissipation). Cơ chế phản ứng hai 
bước như sau: 
Than + aO2 bCO + cH2O (1) 
 CO + ½ O2 CO2 (2) 
Trong đó a, b, c là các hệ số phản ứng, phụ 
thuộc vào thành phần, tính chất của than. 
Quá trình cháy cốc được tính theo 
kinetics/diffusion-limited model. Tốc độ phản ứng 
bề mặt được tính xác định dựa theo tốc độ động 
học (kinetics rate) hoặc tốc độ khuếch tán 
(diffusion rate) [6,8,14]. Chi tiết các mô hình được 
trình bày cụ thể trong Fluent 16.0 User’s guide. 
2.2.2 Quy trình giải 
Để lời giải bài toán nhanh hội tụ, quy trình 
giải gồm 5 bước trong nghiên cứu này như dưới 
đây [14]: 
1. Chạy chương trình với 300 vòng lặp cho dòng 
không phản ứng, tức là giải bài toán chỉ với dòng 
không khí không có sự phun hạt than. 
2. Khởi tạo cho bài toán dòng phản ứng bằng 
cách patch nhiệt độ cao cho vùng phản ứng và chạy 
1 bước lặp để khởi tạo ngọn lửa. 
3. Chạy chương trình với 500 vòng lặp cho dòng 
phản ứng 
4. Kích hoạt mô hình bức xạ Discrete Ordinates 
và chạy chương trình với 500 bước lặp 
5. Kích hoạt sự tương tác bức xạ giữa các hạt và 
giải bài toán đến khi hội tụ từ 3000-4000 bước lặp. 
3. Kết quả và thảo luận 
3.1 Kết quả quá trình cháy than Hòn Gai 
3.1.1 Trường tốc độ và quỹ đạo chuyển động của 
hạt than 
Sự phân bố vận tốc và vector vận tốc tại các mặt 
cắt ngang hình 3.1. Tốc độ dòng cao nhất ở gần các 
miệng vòi đốt và giảm dần khi đi vào buồng đốt. Một 
vòng trong tưởng tượng ngược chiều kim đồng hồ 
được hình thành tại trung tâm buồng đốt. Dòng xoáy 
mạnh ở vùng cháy (mặt A, B) đặc biệt tại mặt cắt C 
dòng bị xoáy mạnh, vòng tròn tưởng tượng co lại 
vào trung tâm buồng đốt. Ra ngoài vùng cháy, mật 
độ dòng xoáy yếu dần (mặt D) và có xu hưởng tản 
từ trung tâm ra ngoài (mặt E). Profile vận tốc trên 
mặt C trên hình 3.2 đã chỉ ra rằng, vận tốc có giá trị 
gần bằng 0 ở trên bề mặt tường lò, vận tốc tăng dần 
khi vào trung tâm buồng đốt và đạt giá trị cực đại ở 
khoảng giữa tâm buồng đốt với tường, sau đó giảm 
dần khi đi vào tâm. 
Để nghiên cứu sự chuyển động của các hạt than 
trong buồng đốt, quỹ đạo của hạt than được phân 
tích từ hai vòi phun điển hình ở hai vị trí khác nhau 
tương ứng ở chiều cao là 8.7m và 9.8m (hình 3.3). 
Sự chuyển động của 10 hạt than được nghiên cứu 
cho mỗi vòi. Quỹ đạo chuyển động của hai vòi có sự 
khác biệt rõ rệt. Một số hạt được phun vào từ có vị 
trí thấp hơn (vòi phun 1) có xu hướng hình thành 
xoáy ở đáy buồng đốt và cuối cùng đi lên qua vùng 
xoáy trung tâm buồng đốt, trong khi đó các hạt ở vòi 
phun hai đi qua vùng vòng tròn trung tâm và đi lên 
theo dòng khói ra ngoài. Kết quả này tương tự với 
kết quả trong nghiên cứu [8]. Do đó, thời gian lưu 
của các hạt phun ra từ vòi hai thấp hơn so với các 
hạt phun ra từ vòi một, với thời gian lưu lớn nhất 
tương ứng là 5.3 giây và 59 giây. Tỷ lệ chuyển đổi 
cháy chất bốc là 100% và cốc là xấp xỉ 100% (bảng 
3.1). Qua đó, cho thấy thời gian lưu các hạt than 
trong buồng đốt là đủ cho quá trình cháy kiệt hạt 
than. 
3.1.2. Trường nhiệt độ 
Sự phân bố nhiệt độ trên các mắt được minh họa 
như trên hình 3.4. Nhiệt độ tương đối cao ở vùng 
trung tâm buồng đốt (hơn 1600oC) nơi quá trình 
cháy diễn ra. Nhiệt độ có sự phân tầng theo 
chiều cao buồng đốt. Nhiệt độ hỗn hợp bột than 
và không khí ở khoảng 250oC tăng dần đến 
nhiệt độ cực đại 1650oC ở trung tâm buồng đốt 
(mặt A, B, C). Nhiệt độ trung bình tăng theo 
chiều cao buồng đốt từ mặt A – C do cường độ 
cháy tăng. Khi ra khỏi vùng cháy (mặt D – F), 
nhiệt độ giảm do sự trao đổi nhiệt bức xạ và đối 
lưu giữa dòng khí và tường buồng đốt. Nhiệt độ 
trung bình của khói trước khi ra buồng đốt là 
961oC thấp hơn giá trị nhiệt độ đo tại nhà máy 
cùng vị trí là 39oC. Có thể thấy, kết quả này ở 
mức chấp nhận được. Nhiệt độ thay đổi theo 
chiều ngang và chiều cao buồng đốt được minh 
họa trong hình 3.5. Theo phương ngang, nhiệt 
độ cao nhất ở khu vực cách tường một khoảng 
1m và giảm dần khi vào tâm buồng đốt. 
Hình 3.1. Vector vận tốc tại các mặt cắt ngang 
Hình 3.2. Profile tốc độ tại mặt cắt C 
Hình 3.3. Thời gian lưu và quỹ đạo của hạt than 
Xu hướng tương tự với sự thay đổi của profile 
vận tốc (hình 3.2). Ngọn lửa tạo thành một vòng 
xoáy (cầu lửa) đi lên trong vùng cháy (hình 3.6) ở 
nhiệt độ 1500oC. Theo chiều cao nhiệt độ tăng đến 
giá trị cực đại ở chiều cao 11m và sau đó giảm theo 
chiều cao buồng đốt khi ở phía trên vùng cháy. 
Hình 3.4. Sự phân bố nhiệt độ trên các mặt cắt 
Hình 3.5. Profile nhiệt độ theo chiều ngang và chiều 
cao buồng đốt 
Hình 3.6. Bề mặt ngọn lửa ở 1500oC 
3.1.3. Sự phân bố sản phẩm cháy 
Sự phân bố tỷ lệ khối lượng O2 và CO2 được 
minh họa trên hình 3.7 và hình 3.8. Nồng độ O2 
tương đối cao ở vùng gần vòi đốt. Oxy chứa trong 
không khí được phun vào buồng đốt, hỗn hợp với 
chất bốc thoát ra khu vực gần miệng vòi đốt và diễn 
ra quá trình cháy do đó lượng O2 giảm nhanh chóng 
và xấp xỉ bằng 0 ở trong vùng cháy do chất bốc 
cháy hoàn toàn ở trong vùng này (hình 3.10a). Phía 
trên vùng cháy, O2 có giá trị cao và giảm dần theo 
dòng khói ra khỏi buồng đốt. Trong vùng cháy,tốc độ 
cháy cốc điễn ra chậm hơn so với cháy chất bốc và 
tốc độ cháy đạt cực đại ở vùng vòi gió cấp ba (hình 
3.10b). Vùng nhiệt độ cao tương ứng với vùng 
lượng O2 thấp (hình 3.9a,b). Tỷ lệ CO2 hình thành 
biểu diễn theo quan hệ tỷ lệ nghịch với O2 như trên 
hình 3.7b, 3.8b và hình 3.9. 
Hình 3.7 Sự phân bố O2 và CO2 
(a) Đường AB 
(b) Đường CD 
Hình 3.9. Sự thay đổi nồng độ O2, CO2 
Hình 3.10. Tốc độ thoát chất bốc và cháy cốc 
3.2. Ảnh hưởng của trộn than đến quá 
trình cháy 
Khi trộn than hai loại than có tính chất khác nhau 
về thành phần nhiên liệu dẫn đến sự khác nhau về 
đặc tính cháy. Bảng 3.1 trình bày sự chuyển hóa 
chất bốc, cốc của các hạt than và tốc độ cháy khi 
cháy than trộn. Chất bốc được chuyển hóa hoàn 
toàn 100% cho tất cả các tỷ lệ trộn. Tỷ lệ chuyển 
hóa cốc tăng khi tỷ lệ trộn than nhập là 5%, sau đó 
giảm cho các tỷ lệ 10% và 20%. Do thành phần chất 
bốc trong than nhập cao hơn nhiều so với than Hòn 
Gai (bảng 2.1), hàm lượng chất bốc tăng khi tăng 
dần tỷ lệ than nhập dẫn đến hàm lượng chất bốc 
thoát ra nhiều hơn, quá trình cháy chất bốc cần 
nhiều O2 hơn và tốc độ cháy chất bốc cũng tăng 
theo, tương ứng với đó là lượng O2 giảm cho quá 
trình cháy cốc và tốc độ cháy cốc giảm trong điều 
kiện không khí cấp không đổi. 
4. Kết luận 
CFD đã mô phỏng thời gian lưu các hạt than 
trong buồng đốt là phù hợp cho sự cháy hoàn toàn 
của các hạt than. Khi trộn giữa hai loại than với 
nhau sẽ gây ảnh hưởng đến đặc tính của quá trình 
cháy. Tỷ lệ chuyển hóa cốc tăng lên 99.63% khi tỷ lệ 
trộn than nhập là 5% so với 99.48% khi đốt than 
Hòn Gai, tuy nhiên khi tăng tỷ lệ trộn lên 10% và 
20% thì tỷ lệ chuyển hóa cốc giảm xuống tương ứng 
là 99.57% và 99.45. Do đó, trong quá trình đốt than 
trộn cần điều chỉnh lượng không khí cấp vào buồng 
đốt đặc biệt là tỷ lệ không khí cấp một. Trộn than 
cũng ảnh hưởng đến tốc độ của quá trình cháy, cụ 
thể tốc độ cháy chất bốc tăng, tốc độ cháy cốc giảm 
khi tăng tỷ lệ trộn. 
Kết quả thu được từ nghiên cứu sẽ định hướng 
cho quá trình thí nghiệm đốt than trộn trên mô hình 
thực tế đang vận hành tại nhà máy. 
Bảng 3.1. Tỷ lệ chuyển hóa hạt than và tốc độ cháy 
Tỷ lệ trộn HG 5% 10% 20% 
Chuyển hóa VM 
(%) 
100 100 100 100 
Chuyển hóa 
FC(%) 
99.48 99.63 99.57 99.45 
Tốc độ cháy cốc 
x 10-5 
(kg/s) 
1.9802 1.93 1.8587 1.8191 
Tốc độ cháy 
chất bốc 
x 10-6 (kg/s) 
0.6202 0.7734 0.8863 1.1639 
Lời cảm ơn 
Xin chân thành cảm ơn Hội Khoa học và Kỹ thuật 
Nhiệt Việt Nam đã hỗ trợ kinh phí và cán bộ nhà 
máy Nhiệt điện Ninh Bình đã cung cấp số liệu, tạo 
điều kiện trong quá trình nghiên cứu. 
Tài liệu tham khảo 
[1] Văn phòng chính phủ, Quy hoạch điện VII điều chỉnh, Hà 
Nội, 18.03.2016. 
 [2] Ryoichi Kurose, Numerical Simulations of Pulverized Coal 
Combustion, KONA (Review) in press 
[3] Efim Korytnyi, Roman Saveliev, Miron Perelman, Boris 
Chudnovsky, Ezra Bar-Ziv, Computational fluid dynamic simulation 
of coal-fired utility boilers: An engineering tool, Fuel 88 (2009) 9-18. 
[4] T. Asotani, T. Yamashita, H. Tominaga, Y. Uesugi, Y. Itaya, 
S.Mori, Prediction of ignition behavior in a tangentially fired 
pulverized coal boiler using CFD, Fuel 87 (2008) 482-490 
 [5] Choeng Ryul Choi, Chang Nyung Kim, Numerical 
investigation on the flow, combustion and NOx emission 
characteristics in 500 MWe tangentially fuel pulverized coal boiler, 
Fuel 88 (2009) 1720-1731 
[6] Cristiano V. da Silva, Maria Luiza S. Indrusiak, Arthur B. 
Beskow, CFD Analysis of the Pulverized Coal Combustion 
Processes in a 160 MWe Tangentially-Fired-Boiler of a Thermal 
Power Plant, J. of the Braz. Soc. of Mech. Sci. & Eng. Vol XXXII, 
No.4, 2010 
[7] M. Xu, J.L.T. Azevedo, M.G. Carvalho, Modelling of the 
combustion process and NOx emission in a utility boiler, Fuel 79 
(2000) 1611-1619 
 [8] B.R. Stanmore, S.P. Visona, Prediction of NO emissions 
from a number of coal-fired power station boiler, Fuel Processing 
Technology 64 (2000) 25-46 
 [9] James E. MACPHEE, Mathieu SELLIER, Mark JERMY 
and Edilberto TADULAN, CFD Modelling of Pulverized coal 
Combustion in a rotary lime kiln, Seventh International Conference 
on CFD in the Minerals and Process Industries, 2009 
[10] Y.S. Shen, B.Y. Guo, P.Zulli, D. Maldonado, A.B. Yu, A 
three-dimentional CFD model for coal blends combustion: Model 
formation and validation, Fifth International Conference on CFD in 
the Process Industries, 2006 
[11] R.I. Backreedy, J.M. Jones, L.Ma, M. Pourkashanian, A. 
Williams, A. Arenillas, B. Arias, F. Rubiera, Prediction of unburned 
carbon and NOx in a tangentially fired power station using single 
coals and blends, Fuel 84 (2005) 2196-2203