Ứng dụng mô phỏng số nghiên cứu quá trình cháy than trong lò hơi nhà máy nhiệt điện

Mục đích bài báo này là mô phỏng trường nhiệt độ, vận tốc 
và sự hình thành của các chất khí trong quá trình cháy bột 
than trong lò hơi nhà máy nhiệt điện. 
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 của Nhà máy nhiệt 
điện Ninh Bình, có dạng lò hình chữ Π như hình 1. Có bốn 
cụm vòi phun than đặt tại 4 góc lò. Mỗi một cụm vòi gồm 
nhiều vòi phun than và khí. Để đơn giản hóa mô phỏng thì 
ta mô hình hóa mỗi cụm vòi đốt thành 3 miệng phun, mỗi 
miệng phun đồng thời cả than và khí. Các kích thước của 
mô hình được lấy theo kích thước thật của lò trên bản vẽ 
với tỉ lệ 1:1: Chiều cao lò H = 23,5m; Bề ngang lò L = 12,6m; 
Bề rộng vùng buồng đốt L1 = 7,6m; L2 = 7,9m; 
Vị trí các miệng vòi đốt lần lượt tại H1 = 6m; H2 = 8m; 
H3 = 10m; Các miệng vòi coi như có dạng tròn, bán kính 0,2m. 
Hình 1. Mô hình buồng đốt lò hơi theo tỉ lệ 1:1 
Hướng phun: Hai vòi đối diện nhau phun đồng phương 
với nhau. Mỗi cụm vòi đối diện lần lượt hợp với tường lò 
các góc 390 và 480. Hướng phun song song với phương 
ngang. Sự bố trí phun như này sẽ tạo ra một vùng xoáy của 
ngọn lửa ở trung tâm lò, giúp tăng hiệu quả đốt cháy than. 
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY 
Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 57 - No. 1 (Feb 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 39
Hình 2. Hướng phun khí và than tại các miệng vòi phun 
Tính chất của than và khí có trong mô hình cháy được 
trình bày như trong bảng 1. 
Bảng 1. Thành phần cấu tạo của ba loại than: Than Hòn Gai, than nhập khẩu 
và than trộn 
Phân tích xấp xỉ, AR Đơn 
vị 
Than 
Hòn Gai 
Than 
nhập 
khẩu 
Than trộn tỉ lệ 
9:1 theo khối 
lượng 
Độ ẩm % 6,38 20,62 7,804 
Chất bốc % 7,37 38,45 10,487 
Xỉ % 25,33 9,23 23,72 
Cốc % 60,92 31,7 57,998 
Phân tích chính xác, DAF - - - - 
C % 90,06 74,29 88,483 
H % 3,4 5,12 3,572 
S % 0,91 0,45 0,864 
N % 1,52 1,49 1,517 
O % 4,11 18,65 5,564 
Nhiệt trị thực kJ/kg 21844 18125 21472,1 
(Nguồn: Phòng KCS Công ty than Hòn Gai) 
2.2. Mô hình toán và phương pháp số của mô hình CFD 
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 và 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 các mô hình đều ở 
trạng thái tĩnh và bỏ qua sự ảnh hưởng của trọng lực. 
Sự chuyển động của các hạt than được tính toán theo 
công thức Lagangian [3,10]. Quá trình thoát chất bốc và cốc 
diễn ra khi các hạt than được phun vào và hòa trộn với 
dòng khí trong buồng đốt [8]. 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 bCO2 + cH2O 
(1) 
 CO + 1/2O2 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 bột than được mô hình hóa bằng phần 
mềm ANSYS CFD phiên bản 15. 
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 
Sau khi thiết lập xong các điều kiện đầu vào cho mô 
hình, ta tiến hành chạy giải. Lời giải sẽ hội tụ tốt nhất tới cỡ 
10-5 sau hơn 500 vòng lặp. Các kết quả cần quan tâm trong 
quá trình cháy than gồm: Phân bố nhiệt độ trong lò; phân 
bố vận tốc dòng khí; chuyển động của các hạt than và phân 
bố các sản phẩm cháy CO2, NO. 
Để phân tích các kết quả ta sử dụng hệ tọa độ XYZ như 
hình 3, với gốc nằm tại đáy lò, trục Z hướng thẳng đứng lên 
trên theo chiều cao của lò. 
Hình 3. Hệ tọa độ sử dụng trong phân tích kết quả 
Ta sử dụng các mặt cắt ngang như hình 4 để thể hiện và 
đánh giá các phân bố nhiệt độ, vận tốc và nồng độ các 
chất. Vùng buồng đốt nằm giữa hai mặt cắt ngang Z = 3m 
và Z = 15m sẽ là khu vực được nghiên cứu chính. Các mặt 
cắt Z = 6m, Z = 8m và Z = 10m là các mặt cắt đi qua vị trí 
các vòi phun. 
Hình 4. Vùng buồng đốt giới hạn bởi hai mặt cắt Z = 3m và Z = 15m 
3.1. Kết quả cháy than Hòn Gai 
3.1.1. Trường nhiệt độ 
Hình 5. Phân bố nhiệt độ tại mặt cắt giữa lò (Y = 3,95m) 
Từ hình 5 cho thấy, nhiệt độ cao (vùng màu cam và đỏ) 
phân bố tập trung ở trung tâm của buồng đốt. Nhiệt độ lớn 
nhất trong lò đạt được là 16150C. Hình 6 và 7 biểu diễn sự 
phân bố nhiệt độ trên các mặt cắt ngang cho thấy, đi từ 
 CÔNG NGHỆ 
 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số 1 (02/2021) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn 40
KHOA HỌC P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 
thấp lên cao, nhiệt độ trung bình trên các mặt cắt có 
xu hướng tăng dần, đạt giá trị cao nhất tại Z = 9m. Mặt cắt 
Z = 6m, 8m và 10m có giá trị giảm xuống là do đây là các vị 
trí có dòng hỗn hợp nhiệt độ thấp đi vào lò. Bắt đầu từ mặt 
cắt Z = 11m thì nhiệt độ trung bình bắt đầu giảm. 
Hình 6. Phân bố nhiệt độ tại các mặt cắt trong vùng buồng đốt 
Hình 7. Đồ thị nhiệt độ trung bình tại các mặt cắt ngang 
Đi từ thấp lên cao, xu hướng chung là ở vùng giữa lò có 
nhiệt độ cao hơn khu vực thành lò, và có xu hướng giảm 
dần từ tâm lò ra tới thành lò. Tại 3 mặt cắt Z = 6, 8 và 10m, 
coi vùng có ngọn lửa màu vàng và màu đỏ là vùng có nhiệt 
độ cao nhất khi đó ngọn lửa có dạng lệch ra khỏi hướng 
phun và tạo thành một vòng tròn quanh tâm lò. Điều này 
có thể được giải thích khi ta nhìn vào quỹ đạo chuyển động 
của các hạt than trong hình 6. Hình 6 cho thấy, các hạt than 
tại mặt cắt Z = 8m cũng chuyển động lệch khỏi hướng 
phun khi đi gần vào tâm lò. Vùng màu biến đổi thể hiện sự 
biến đổi khối lượng thành phần cốc trong hạt than, tức là 
tại vùng này hạt cốc đang xảy ra hiện tượng cháy. Các hạt 
than chuyển động theo một dạng xoắn ốc, có xu hướng 
bay lên phía trên và thoát ra ngoài. Tuy nhiên cũng có một 
số hạt chuyển động xuống phía dưới đáy lò. 
3.1.2. Trường vận tốc 
Hình 8 cho thấy, đường dòng của dòng hỗn hợp trong 
lò có dạng xoắn ốc hướng lên trên. Mặt cắt tại Z = 8m cho 
thấy có thể coi tâm xoắn nằm tại tâm lò. Do đó ta chọn một 
trục thẳng đứng đi qua chính giữa các mặt cắt ngang để 
xét giá trị vận tốc góc của dòng khí trên các mặt cắt này, giá 
trị này lớn thể hiện rằng vùng khí tại đó có độ xoáy lớn. 
Hình 9 và 10 cho thấy, trên các mặt cắt vùng có độ xoáy lớn 
nhất là vùng tâm lò và giảm dần giá trị khi tiến dần ra thành 
lò. Mặt cắt tại Z = 6 và 10m có giá trị vận tốc góc lớn nhất 
(đường nét đứt đỏ và xanh trên hình 11), tức là dòng hỗn 
hợp tại hai mặt cắt này có độ xoáy lớn nhất. Đi lên cao độ 
xoáy có chiều hướng giảm (đường liền màu vàng và xanh 
lục). Vùng gần đáy lò (Z = 4m) dòng hỗn hợp ít xoáy 
(đường liền màu tím). 
Hình 8. Đường dòng vận tốc của dòng khí trong lò và tại mặt cắt Z = 8m 
Hình 9. Phân bố vận tốc góc của dòng khí tại 3 mặt cắt qua vị trí các vòi phun 
Hình 10. Phân bố vận tốc theo phương Z tại 4 mặt cắt 
Hình 11. Đồ thị phân bố vận tốc góc tại các mặt cắt 
Trên hình 9 thể hiện phân bố vận tốc theo phương 
thẳng đứng của dòng hỗn hợp. Tại mặt cắt Z = 6m, vùng 
xanh đậm ngoài dải màu ở giữa mặt cắt thể hiện giá trị vận 
tốc âm, tức là dòng hỗn hợp chuyển động hướng xuống. 
Theo chiều đi lên, vận tốc theo phương Z có giá trị tăng 
dần, thể hiện dòng hỗn hợp chuyển động lên trên với tốc 
độ nhanh dần, vùng phía trong chuyển động nhanh hơn 
vùng ngoài thành. 
Như vậy có thể thấy rằng các phân bố nhiệt độ và vận 
tốc đều cho vùng giá trị cao nằm ở tâm lò và giảm dần khi 
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY 
Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 57 - No. 1 (Feb 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 41
đi ra phía thành lò. Điều này cho thấy một sự đặc trưng 
trong quá trình cháy của than trong lò hơi. 
3.1.3. Phân bố sản phẩm cháy 
Trên hình 12 cho thấy, khí CO2 phân bố khá đồng đều 
với nồng độ chủ yếu là từ 1 - 1,2mol/m3. Tuy nhiên trên 
hình 13 cho thấy, vùng đáy lò có nồng độ cao hơn một chút 
với giá trị đặt tại mặt cắt Z = 4m nằm trong khoảng 1,2 - 
1,4mol/m3. Các vị trí mặt cắt còn lại cho giá trị nồng độ chủ 
yếu nằm trong khoảng 0,6 - 1,2mol/m3. 
Hình 12. Phân bố nồng độ khí CO2 tại mặt cắt giữa lò 
Hình 13. Phân bố nồng độ mol khí CO2 tại các mặt cắt 
Nồng độ NO đạt được cỡ 2,1.10-4 đến 1,2.10-3mol/m3. Nồng 
độ này tăng dần theo chiều cao trong lò và đạt cao nhất ở 
vùng ra của lò. Nồng độ cao nhất này tại mặt cắt ra khỏi lò có 
giá trị 1,1.10-4 đến 1,2.10-4mol/m3, phân bố khá đều. 
Ở khu vực nồng độ NO thấp (vùng thấp của lò), NO tập 
trung nhiều ở lõi lò nơi bắt đầu xảy ra phản ứng cháy. Ở 
khu vực nồng độ cao (ống khói), vùng tập trung NO có xu 
hướng bám vào thành lò nơi dòng ít bị xáo trộn, tạo điều 
kiện cho phản ứng hình thành NO. 
Hình 14. Nồng độ mol NO tại mặt cắt giữa lò (hình a) và mặt cắt đầu ra (hình b) 
So sánh phân bố nhiệt độ và nồng độ NO như hình 14 
cho thấy, NO không hình thành nhiều ở vùng có nhiệt độ 
cao nhất mà tập trung phía trên, ở luồng khí đi ra khỏi vùng 
này. Điều này phù hợp với lý thuyết hình thành NOx [7]: NO 
không được tạo ra ngay ở vùng ngọn lửa mà ở sau vùng 
này. Hình 15 về nồng độ mol NO tại các mặt cắt khác nhau 
trong vùng buồng đốt cho phép làm rõ thêm nhận xét về 
hình thành NO tại vùng thấp của lò: Tại mỗi mặt cắt trong 
vùng buồng đốt, NO tập trung ở vùng giữa lò. 
Hình 16, 17 xét trung bình trên các mặt cắt, nồng độ NO 
nói chung tăng dần theo chiều cao lò, trừ mặt cắt 6m là nơi 
đặt cụm vòi phun đầu tiên có sự giảm nồng độ. 
Hình 15. Phân bố nhiệt độ và nồng độ NO 
Hình 16. Phân bố nồng độ mol NO tại các mặt cắt trong vùng buồng đốt 
Hình 17. Đồ thị nồng độ NO trung bình tại các mặt cắt ngang 
 CÔNG NGHỆ 
 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số 1 (02/2021) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn 42
KHOA HỌC P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 
3.2. So sánh kết quả với hai trường hợp than nhập khẩu 
và than trộn 
So sánh kết quả phân bố nhiệt độ 3 trường hợp như 
hình 18 cho thấy nhiệt độ cháy tạo ra trong trường hợp 
than Hòn Gai là lớn nhất, nhiệt độ cháy của than nhập khẩu 
á bitum Indonesia nhỏ nhất. Điều này dễ hiểu do than Hòn 
Gai có hàm lượng cacbon lớn nhất, than nhập khẩu có 
lượng cacbon nhỏ nhất, mà cacbon là thành phần chính 
sinh nhiệt lượng trong quá trình cháy. 
Hình 18. Phân bố nhiệt độ tại mặt cắt giữa lò của 3 trường hợp than 
Hình 19. Phân bố nhiệt độ tại mặt cắt Z = 8m của 3 trường hợp than 
Tuy nhiên than nhập khẩu lại có ưu điểm là lượng chất 
bốc trong than lớn, làm cho sự khởi động ngọn lửa cháy 
tốt, điều này có thể được quan sát trong hình 19. Trên hình 
9 cho thấy, vùng nhiệt độ cao do than Hòn Gai tạo ra lớn 
hơn nhưng nhiệt độ cao nhất nằm ở trường hợp than nhập 
khẩu. Như vậy việc trộn than có ưu điểm là tận dụng được 
hàm lượng chất bốc trong than nhập khẩu, từ đó tạo ra 
được sự khởi đầu cháy tốt (nhiệt độ khởi đầu cháy cao), 
nhưng nhược điểm lại làm cho tổng nhiệt lượng sinh ra 
giảm do hàm lượng cacbon trong than nhập khẩu thấp. 
Qua kết quả mô phỏng phía trên ta cần nghiên cứu tìm ra 
một tỉ lệ trộn thích hợp để hài hòa được ưu nhược điểm và 
nhược điểm trên. Bảng 2 là một số giá trị nhiệt độ phân bố 
trong lò với 3 trường hợp than. 
Bảng 2. Nhiệt độ trung bình tại các mặt cắt ngang của 3 trường hợp than 
Vị trí mặt cắt 
ngang Z (m) 
Nhiệt độ trung bình tại các mặt cắt ngang (0C) 
Than Hòn Gai Than nhập khẩu Than trộn 
3 1312,29 1206,5 1294,84 
4 1332,56 1232,27 1316,8 
5 1342,38 1246,61 1326,94 
6 1278,95 1202,58 1265,66 
7 1351,68 1264,59 1339,98 
8 1304,74 1237,66 1294,98 
9 1377,52 1295,92 1366,86 
10 1319,34 1252,09 1310,71 
11 1369,31 1283,23 1357,74 
12 1370,8 1279,94 1358,56 
13 1364,73 1272,94 1352,35 
14 1357,17 1264,82 1344,66 
15 1350,97 1257,93 1338,22 
4. KẾT LUẬN 
Qua quá trình nghiên cứu đã xây dựng được mô hình 
mô phỏng phân bố nhiệt độ, dòng vận tốc của dòng khí và 
phân bố nồng độ khí CO2, NO trong buồng đốt khi đốt than 
Hòn Gai. Từ đó tiến hành so sánh phân bố nhiệt độ trong 3 
trường hợp than Hòn Gai, than nhập khẩu, than trộn và đưa 
ra được kết quả phân bố nhiệt tại các mặt cắt trong buồng 
đốt than phun. Kết quả nghiên cứu trên đã chỉ ra ưu nhược 
điểm của từng loại than, từ đó tiến hành nghiên cứu với 
nhiều tỷ lệ trộn khác nhau để tìm ra tỷ lệ trộn phù hợp cho 
hiệu suất cháy trong buồng đốt là cao nhất. Đặc biệt có thể 
tận dụng hiệu quả sử dụng nguồn than nội địa trong nước 
một cách tối ưu, đảm bảo vấn đề nâng cao độ tin cậy trong 
vận hành, giảm phát thải trong các nhà máy nhiệt điện 
than. Việc sử dụng mô phỏng số vào nghiên cứu cháy than 
là hoàn toàn khả thi và rất có tiềm năng phát triển tại Việt 
Nam. Trong tương lai, nhóm tác giả sẽ tiếp tục nghiên cứu 
các tỉ lệ trộn than khác nhau nhằm tìm ra tỉ lệ trộn thích 
hợp nhất để tối ưu quá trình cháy trong buồng đốt. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Văn phòng Chính phủ, 2016. Qui hoạch điện VII điều chỉnh. Hà Nội. 
[2]. Ryoichi Kurose, 2009. Numerical Simulations of Pulverized Coal 
Combustion. KONA Powder and Particle Journal vol. 27, p144-156. 
[3]. Efim Korytnyi, Roman Saveliev, Miron Perelman, Boris Chudnovsky, Ezra 
Bar-Ziv, 2009. Computaitonal fluid dynamic simulation of coal-fired utility boilers: 
An engineering tool. Fuel 88, 9-18. 
[4]. T. Asotani, T. Yamashita, H. Tominaga, Y. Uesugi, Y. Itaya, S. Mori, 2008. 
Prediction of ignition behavior in a tangentialyfired pulverized coal boiler using 
CFD. Fuel 87, 482-490. 
[5]. Choeng Ryul Choi, Chang Nyung Kim, 2009. Numerical investigation on 
the flow, combustion and NOx emission characteristics in 500 Mwe tangentially fuel 
pulverized coal boiler. Fuel 88,1720-1731. 
[6]. Cristiano V. da Silva, Maria Luiza S. Indrusiak, Arthur B. Beskow, 2010. 
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. 
[7]. M. Xu, J.L.T. Azevedo, M.G. Carvalho, 2000. Modelling of the combustion 
process and Nox emission in a utility boiler. Fuel Processing Technology 64, 25-46. 
[8]. Jame E. Macphee, Mathieu Sellier, Mark Jermy, Ediberto Tadulan, 2009. 
CFD Modelling of Pulverized coal Combustion in a rotary lime kiln. Seventh 
International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries. 
[9]. Y.S. Shen, B.Y. Guo, P.Zuli, D. Maldonado, A.B. Yu, 2006. A three-
dimentional CFD model for coal blends combustion: Model formation and 
validation. Fifth International Conference on CFD in the Process Industries.. 
[10]. R.I. Backreedy, J.M. Jones, M. Pourkashanian, A. Williams, A. 
Arenillas, B. Arias, F. Rubiera, 2005. Prediction of unbumed carbon and Nox in a 
tangentially fired power station using single coals and blends. Fuel 84, 2196-2203. 
AUTHORS INFORMATION 
Do Van Vang, Doan Thi Nhu Quynh 
Quang Ninh University of Industry