Nâng cao năng suất nồi hơi trong nhà máy nhiệt điện bằng sử dụng máy phân tích trực tuyến (công nghệ PGNAA)

NÂNG CAO HIỆU SUẤT NỒI HƠI TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN Tác giả: Kurt Snider, Tập đoàn PacifiCorp Michael Evans, Tập đoàn Thermo Electron Richard Woodward, Tập đoàn Thermo Electron Thiết bị này hiện đang cung cấp tại Việt nam qua đại diện độc quyền của Thermo Fisher (Mỹ) là Công ty Cổ Phần Nông Nghiệp T&H . Để xem thêm chi tiết hãy truy cập tại địa chỉ website: www.th-jsc.com.vn Tóm tắt Gần 20 năm nay, các máy phân tích than trực tiếp đã được sử dụng trong các mỏ than, tuyển quặng cũng như các nhà máy nhiệt điện chạy than và hầu hết chúng được sử dụng trên các dây chuyền trộn than hoặc để xác định chất lượng than đầu vào. Tuy nhiên, năm 2002 Tập đoàn PacifiCorp đã sử dụng máy phân tích than để điều khiển nhiệt độ nóng chảy của tro nhằm giảm lượng chất đốt sử dụng tại Trạm trộn Hunter Station ở Utah. Do quá trình điều khiển đòi hỏi phải có nhiều thông tin hơn mà các máy phân tích đang sử dụng tại đó không thể cung cấp được nên Tập đoàn PacifiCorp đã đưa vào sử dụng tại dây chuyền trộn các loại than có thành phần tro khác nhau máy kiểm soát chất lượng than bằng tia gamma CQM (Gamma-Metrics Coal Quality Manager) của Tập đoàn Thermo Electron có khả năng phân tích nhanh các thành phần SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, TiO2, K2O, Na2O trong tro than nhằm giữ nhiệt độ làm mềm tro than ở trên 2175 °F (khoảng 1190 °C). Các bước để phát huy hết khả năng của thiết bị này: Trước tiên, máy phân tích cần phải được hiệu chỉnh nghiêm ngặt và so sánh đánh giá trên thực tế để đảm bảo độ chính xác theo yêu cầu. Đồng thời phải phân tích đặc tính của lò hơi và đặc tính của than từ công thức nóng chảy của tro để phù hợp với nhà máy. Các bước vận hành cần thiết tiếp theo là đảm bảo phân tách các nguồn than đầu vào có chất lượng khác nhau và sau đó trộn chúng lại với nhau theo đúng tỷ lệ dựa trên các mục tiêu trộn đã được xác định. Sau một số khó khăn ban đầu, hệ thống trộn than sử dụng máy phân tích than đã thực hiện thành công việc tối đa hóa nhiệt độ làm mềm tro và nhà máy cơ bản đã giảm tiêu hao chất đốt do giảm bớt quá trình tạo xỉ than trong lò hơi trong quá trình đốt nhiên liệu. Bài viết này sẽ trình bày tổng thể về thiết kế hệ thống trộn, lịch sử hoạt động của nhà máy và hoạt động của máy phân tích. Giới thiệu Tập đoàn PacifiCorp sở hữu và vận hành 17 nhà máy nhiệt điện ở miền Tây Hoa kỳ với tổng công suất trên 7 000 MW. Nhà máy Hunter của tập đoàn nằm gần Castle Dale, Utah và sử dụng một máy kiểm soát chất lượng than CQM của Tập đoàn Thermo Electron Corporation từ tháng 10/2001 trong hệ thống điều khiển nhiệt độ nóng chảy của tro than nhằm giảm chất đốt đầu vào. Quá trình sử dụng máy CQM tại Trạm trộn Hunter Station. Tham sử dụng tại nhà máy Hunter được vận chuyển từ các mỏ than ở miền Trung Utah nhưng do một trong các mỏ than này bị đóng cửa từ đầu năm 2001 nên nhà máy buộc phải chuyển sang sử dụng than có nhiệt độ nóng chảy của tro thấp hơn từ một nhà cung cấp khác và sự thay đổi chất lượng than đã làm ảnh hưởng đến khả năng phát điện của nhà máy. Nhiệt độ nóng cháy thấp là nguyên nhân gây nên xỉ than và tiêu thụ chất đốt không mong muốn. Tập đoàn PacifiCorp cùng với nhà tư vấn của họ là Charlie Rose đã xác định mối liên hệ giữa nhiệt độ làm mềm tro của than đưa vào Trạm trộn Hunter Station với tỷ lệ tiêu thụ chất đốt để tạo xỉ trên một đơn vị riêng biệt và hầu như đã nắm được mối liên hệ giữa các thành phần khoáng chất trong tro than với nhiệt độ làm mềm tro. Tập đoàn PacifiCorp và Charlie Rose đã đưa ra công thức công thức xấp xỉ nhiệt độ làm mềm tro than dưới dạng một hàm số của các thành phần trong tro. Sau đó, dựa trên kinh nghiệm sử dụng máy phân tích PGNAA tại các nhà máy khác của Tập đoàn, họ đã chỉ ra rằng máy PGNAA có thể phân tích được thành phần hóa học của 6 thành phần chính trong tro và có thể điều khiển được nhiệt độ làm mềm của tro. Từ việc giảm lượng chất đốt tiêu thụ do tạo xỉ tại Hunter, Tập đoàn PacifiCorp đã mở rộng dự án máy phân tích, mua máy phân tích CQM của Tập đoàn Thermo Electron và sử dụng chúng trong quá trình tối đa hóa nhiệt độ làm mềm tro của than đưa vào nồi hơi. Mô tả Than được vận chuyển đến thực địa bằng toa xe và thông thường được bốc dỡ lên một xe ben tại hệ thống trộn, sau đó được đổ vào một trong ba kho dự trữ. Than từ ba kho dự trữ này được chế biến trộn thành một hỗn hợp và chuyển đến khu sàng tuyển. Sau đó, than được chuyển đến một tháp thứ hai và đổ vào một thùng nâng ở phía trước băng chuyền để chuyển than vào nhà kho. Than từ xe ben thứ hai cũng được đổ vào thùng nâng và được chuyển đến nhà kho. Máy phân tích CQM được lắp đặt trên băng chuyền chuyển than vào nhà kho để kiểm soát hỗn hợp than trộn từ ba kho dự trữ và để theo dõi chất lượng than do xe ben trực tiếp chuyển tới. Hình 1. minh họa sơ đồ hệ thống trộn than của nhà máy Hunter. Một máy lấy mẫu ở băng chuyền được lắp đặt trên hệ thống băng tải đầu vào nhà kho. Than từ máy lấy mẫu đầu tiên được đổ trực tiếp vào phễu của máy CQM. Máy CQM kiểm soát lượng than đưa vào thông qua máy phân tích và hệ thống lấy mẫu có băng chuyền với tốc độ có thể thay đổi được, đổ than vào máy nghiền mẫu qua một đường máng. Máy nghiền đổ than lên băng chuyền thứ hai. Một máy lấy mẫu băng chuyền thứ hai hoạt động hai chiều được đặt trên băng chuyền thứ hai cho phép lấy được hai mẫu và đưa vào hộp đựng mẫu. Băng chuyền thứ hai đổ than loại lên trên băng tải than mẫu bị loại và sau đó được chuyển lại băng tải đầu vào của nhà kho. Máy Phân tích CQM - PGNAA Máy nghiền Thiết bị lấy mẫu đầu tiên Thiết bị lấy mẫu thứ cấp Hình 2 minh họa hệ thống đã được lắp đặt này. Công nghệ PGNAA Phân tích hoạt hóa tức thời bằng tia gamma (PGNAA) là công nghệ tốt nhất hiện nay trong việc phân tích trực tiếp than bằng cách xác định các thành phần chủ yếu cần thiết trong tro than. Do PGNAA đo các thành phần trong than nên cũng là một công nghệ tốt để xác định thành phần lưu huỳnh. Hiện nay chỉ có một công nghệ khác mà mọi người biết đến có thể xác định được các thành phần của than là công nghệ phân tích bằng tia X (tia Rơn ghen). Tuy nhiên, tia X bị hạn chế về khả năng xuyên thấu nên nó được coi là công nghệ đo trên bề mặt. Trong khi đó, công nghệ PGNAA có khả năng xuyên qua vật thể nên sẽ thực hiện phân tích được toàn bộ lượng than. PGNAA hoạt động trên nguyên lý: Khi hạt nhân nguyên tử hấp thụ một nơtron nhiệt sẽ trở nên kích hoạt và chuyển sang trạng thái không ổn định và do đó để nguyên tử trở trở về trạng thái ổn định ban đầu nó phải giải phóng ra tia gamma. Mỗi một nguyên tố (trong bản tuần hoàn hóa học Men-de-le-ep) chỉ có khả năng hấp thụ nơtron nhiệt khác nhau và phát ra một loại tia gamma duy nhất. Để đo được một nguyên tố bằng công nghệ này thì nguyên tố này phải có khả năng hấp thụ nơtron cao (khả năng trao đổi nơtron nhiệt cao) và nó phải phát ra tia gamma trong cửa sổ năng lượng được phân tích. Nguyên tố phải có đủ nguyên tử và khả năng bị tác động bởi một nơtron cũng phải đủ để phát hiện (nó là một hàm số của khối lượng vật liệu cần phân tích và tỷ lệ của nguyên tố đó trong mẫu). Rất may mắn là những nguyên tố cần quan tâm trong than như: lưu huỳnh, silic, nhôm, sắt, canxi, titan và kali, có thể cả natri (nếu tỷ lệ của nó đủ cao) đáp ứng tất cả các yêu cầu kể trên. Những nguyên tố này tạo nên những ôxit tro chủ yếu và qua việc tính được các ôxit trong tro (ash), tỉ lệ phần trăm của tro trong than cũng có thể xác định được. g Nơtron nhiệt Hạt nhân Hạt nhân được kích hoạt Hạt nhân bền vững Tia gamma Hình 3. Quá trình PGNAA ở mức hạt nhân Hầu hết các máy phân tích PGNAA đều sử dụng californium-252 (Cf-252) làm nguồn nơtron. Hydro trong máy phân tích và mẫu làm chậm sẽ chuyển nơtron nhanh từ nguồn Cf-252 thành nơtron nhiệt với tốc độ mà hạt nhân nguyên tử có thể hấp thụ được. Năng lượng của tia gamma phát ra từ nguyên tử được thu nhận và đo bằng đầu đọc bằng tinh thể natri iôđua (NaI). Các mức năng lượng của tia gamma cùng với số lượng tia gamma được thể hiện dưới dạng một đồ thị (phổ ký) sau mỗi phút. Đây chính là “phổ” cần phân tích. 0 100 200 300 400 500 600 Kênh S ố đ ế m Hình 4. Phổ PGNAA điển hình của than Tập đoàn Thermo Electron hiệu chuẩn riêng rẽ từng cho đầu đọc một (detector) đối với phổ của tất cả các thành phần có trong than (dựa trên phương pháp cắt phổ). Sau đó, mỗi đầu dò được hiệu chuẩn trong nhà máy theo các mẫu chuẩn để loại trừ ảnh hưởng qua lại giữa các thành phần để tạo nên đầu dò không phụ thuộc vào mỗi nguồn than. Đây là một vấn đề rất quan trong trong ngành công nghiệp nhiệt điện vì các nhà máy đều sử dụng than từ nhiều nguồn khác nhau. Tập đoàn Thermo Electron có một thư viện về đáp tuyến phổ của mỗi nguyên tố (đáp tuyến này được xấp xỉ bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất) để xác định khối lượng tối thiểu của nguyên tố phải có trong mẫu để tạo ra phổ đo được bằng máy phân tích. × 1 × 0.25 × 1 × 2 + + + S Si Fe C Quang phổ đo được Hình 5. Đáp tuyến phổ xấp xỉ bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất để xác định khối lượng mỗi nguyên tố đáp ứng yêu cầu đo. Do máy CQM của Thermo điều khiển hình dạng của dòng than qua máy phân tích nên đảm bảo được độ chính xác tốt nhất. Kết quả nhận được tại Hunter. Sau gần một năm sử dụng tổ hợp máy phân tích và hệ thống lấy mẫu, hiệu quả của máy phân tích đối với ôxit tro, tro, lưu huỳnh được xác định bằng cách thử nghiệm theo 3 phương án trong đó Kurt Snider thực hiện thử nghiệm và Charlie Rose xử lý thống kê số liệu. Hai mẫu thử nghiệm độc lập được lấy từ 45 chu kỳ 1 giờ và so sánh kết quả nhận được từ phòng thí nghiệm với kết quả đọc của máy phân tích trong cùng một chu kỳ lấy mẫu. Các mẫu này do Commercial Testing & Engineering Company phân tích tại phòng thí nghiệm nhiên liệu trung tâm của Tập đoàn PacifiCorp với các tham số: độ ẩm, lưu huỳnh, lượng tro, ôxit tro và nhiệt độ nóng chảy của tro. Kết quả xử lý cho thấy máy phân tích làm việc tốt và đảm bảo độ chính xác đối với các tham số cần phân tích. Kết quả của thử nghiệm tại Hunter đưa ra ở bảng 1 cho thấy độ chính xác của việc phân tích PGNAA đối với lượng tro, lưu huỳnh, ôxit tro là chấp nhận được. Phương pháp thống kê được sử dụng ở đây là bộ xấp xỉ Grubbs theo khuyến nghị trong tiêu chuẩn ASTM 6543 về chứng nhận hiệu năng của các máy phân tích than trực tiếp (bộ xấp xỉ Grubbs là xấp xỉ không lệch chuẩn một sigma) Bảng 1. Bộ xấp xỉ Grubbs từ thử nghiệm tại Hunter. Sulfur tro SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO K2O TiO2 Chuẩn của Bộ xấp xỉ Grubbs theo hiệu chuẩn tại thực địa 0.026 0.265 0.194 0.113 0.018 0.069 0.018 0.007 Chuẩn của Bộ xấp xỉ Grubbs có điều chỉnh hiệu chuẩn theo số liệu thử nghiệm 0.025 .0204 0.124 0.101 0.019 0.032 0.014 0.004 Thử nghiệm này cũng đã tính được độ chính xác của công thức, xác định nhiệt độ làm mềm tro, qua số liệu thử nghiệm, Charlie Rose và Tập đoàn PacifiCorp đã xác định hiệu chuẩn tối ưu cho số liệu phân tích ôxit tro của hệ thống kiểm tra chất lượng CQM. Bảng 6: Nhiệt độ làm mềm tro – Các kết quả hiệu chỉnh Hình 6 là kết quả xấp xỉ tốt nhất của nhiệt độ làm mềm tro. Số liệu nhận được từ máy phân tích của Tập đoàn PacifiCorp (một số trong đó đã được dự đoán trước, một số số liệu không mong muốn). Thứ nhất, mục tiêu giảm thiểu chất đốt không mong muốn bằng việc điều khiển nhiệt độ nóng chảy của tro than đã đạt được. Khả năng thực hiện của Trạm trộn Hunter đã được nâng cao từ khi đưa hệ thống kiểm soát chất lượng than CQM vào làm việc trên dây chuyền trộn than. Số liệu lấy theo từng phút từ máy phân tích cho phép nhà máy nhận được nhiều hơn lượng than phù hợp và tối đa hóa nhiệt độ làm mềm của tro trong khi đó giảm được nhu cầu về than có nhiệt độ nóng chảy cao đắt tiền hơn. Thứ hai, cùng với hỗn hợp than trộn có độ tin cậy cao hơn, Trạm trộn Hunter đã tăng được khả năng phát điện và đạt được công suất tối đa phù hợp hơn, mà phần lớn là nhờ việc sử dụng máy phân tích CQM như một công cụ điều khiển chất lượng than. Hiện nay, Trạm trộn Hunter đã có thể đốt cháy nhiên liệu từ nhiều nguồn khác nhau hiệu quả hơn trước. Hình 7. Kết quả phân tích lượng tro, lưu huỳnh, ôxit tro trong thử nghiệm. Thứ ba, máy phân tích CQM cho phép nhà máy giám sát chặt chẽ chất lượng than của các nhà cung cấp; sự ổn định của than đầu vào được cải thiện. Steve Cowan, Quản lý chung bộ phận giao dịch nhiên liệu của nhà máy điện Hunter, phát biểu: “Tôi có thể giữ xe than trước khi đổ nếu than không đáp ứng các yêu cầu theo hợp đồng cung cấp”. Hình 8 cho thấy lợi ích trước và sau khi sử dụng máy phân tích để trộn than. Cuối cùng, một lợi ích ngoài mong muốn là nhà máy đã nhận biết nhanh hơn và giải quyết những vấn đề phát sinh đối với thiết bị của nhà máy. Trước kia, những vấn đề phát sinh trong vận hành thường hay bị đổ lỗi cho chất lượng nhiên liệu, điều mà không thể xác định được ngay lập tức mà thường phải mất một ngày để nhận được kết quả phân tích mẫu từ phòng thí nghiệm. Còn bây giờ, khi những vấn đề phát sinh trong vận hành xảy ra, nhà máy sẽ xác định được ngay lập tức là liệu đó có phải là do chất lượng than hay không. Nếu không, nhà máy có thể nhanh chóng chuyển sang tìm hiểu nguyên nhân thực sự của vấn đề và giải quyết nó. Do vậy, khả năng nhà máy bị giảm công suất phát điện cũng trở nên ít hơn bởi vì cả hai vấn đề chất lượng than và thiết bị đều được phát hiện và giải quyết sớm hơn. Kết luận Nhà máy nhiệt điện Hunter của Tập đoàn PacifiCorp ở Utah, từng đối mặt với thách thức về chất lượng than gần đây, đã thực hiện một bước đột phá và chưa có tiền lệ trong việc sử dụng một máy phân tích than trực tiếp để kiểm soát nhiệt độ làm mềm tro của than trộn. Những kết quả thu được trong việc làm giảm tiêu thụ nhiên liệu và tăng hiệu suất của nhà máy đã là một phần thưởng cho quyết định đầy tham vọng này. Phụ lục A: Đồ thị được sử dụng trong phần trình bày của Richard Woodward Fe2O3 và CaO trong tro Ô xít tro và nhiệt độ làm mềm tro Nhiệt độ làm mềm tro nhỏ nhất trung bình (độ F) Đơn Vi Hunter 1 và 2 cho Xỉ than và nhiệt độ làm mềm tro