Tối ưu truyền nhiệt đối lưu trong buồng đốt tầng sôi tuần hoàn (CFB)

Trong các công nghệ đốt hiện đại, buồng đốt tầng sôi tuần hoàn (CFB - Circulating Fluidized Bed) luôn nổi bật nhờ khả năng đốt nhiên liệu hiệu quả, ổn định và thân thiện môi trường. Một trong những yếu tố quyết định hiệu suất của công nghệ này chính là truyền nhiệt đối lưu - nơi nhiệt lượng được trao đổi liên tục giữa dòng khí - hạt và hệ thống dàn ống sinh hơi. Tuy nhiên, để tối ưu hóa quá trình này đòi hỏi hiểu rõ cơ chế, yếu tố ảnh hưởng cũng như các giải pháp vận hành - thiết kế phù hợp.

1. Truyền nhiệt đối lưu trong buồng đốt tầng sôi tuần hoàn là gì?

Để tối ưu được truyền nhiệt đối lưu, trước hết cần hiểu bản chất của nó trong hệ thống CFB. Đây là cơ chế truyền nhiệt xảy ra khi dòng khí nóng kết hợp với hạt rắn chuyển động mạnh mẽ, liên tục va đập vào dàn ống, tạo ra hiệu quả truyền nhiệt vượt trội.

Truyền nhiệt đối lưu trong buồng đốt tầng sôi tuần hoàn là gì?

1.1 Cơ chế truyền nhiệt trong lò hơi CFB

Cơ chế truyền nhiệt trong CFB có những đặc trưng riêng mà các công nghệ đốt khác không có. Cụ thể:

• Dòng khí nóng mang theo hạt rắn tạo môi trường tiếp xúc rộng.
• Hạt rắn tuần hoàn liên tục tăng cường va đập lên bề mặt ống.
• Sự xáo trộn mạnh giúp tăng hệ số truyền nhiệt đối lưu lên mức rất cao.

Nhờ đặc tính “khí - hạt đồng hành” này mà CFB đạt khả năng truyền nhiệt nhanh, ổn định và hiệu quả hơn các buồng đốt than truyền thống.

1.2 Vai trò của truyền nhiệt đối lưu đối với hiệu suất lò hơi

Truyền nhiệt đối lưu được xem như “trái tim” quyết định hiệu suất của lò hơi CFB nhờ:

• Tăng hiệu suất sinh hơi từ 1-5%.
• Giảm tiêu hao nhiên liệu, đặc biệt khi sử dụng Biomass hoặc Than chất lượng thấp.
• Ổn định nhiệt độ buồng đốt, giảm dao động nhiệt.
• Giảm phát thải NOx do duy trì nhiệt độ cháy đồng đều.
• Hạn chế điểm nóng giúp tăng tuổi thọ thiết bị.

2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả truyền nhiệt đối lưu

Truyền nhiệt đối lưu trong CFB chịu tác động của nhiều yếu tố. Hiểu rõ từng yếu tố sẽ giúp bạn biết chính xác điểm cần tối ưu trong vận hành.

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả truyền nhiệt đối lưu

Tốc độ gió và chế độ tầng sôi

Tốc độ gió quyết định trạng thái sôi và cường độ đối lưu:

• Gió thấp → tầng sôi yếu → truyền nhiệt giảm.
• Gió cao → tăng va chạm nhưng gây mài mòn mạnh.

Tốc độ tối ưu thường vào khoảng 4-6 m/s tùy thiết kế.

Kích thước và mật độ hạt vật liệu tầng sôi

Đây là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số truyền nhiệt:

• Hạt nhỏ → diện tích tiếp xúc lớn → truyền nhiệt nhanh.
• Hạt quá nhỏ → bị cuốn trôi gây thất thoát.
• Mật độ hạt cao → tăng hệ số truyền nhiệt.

Kích thước lý tưởng thường 0,3-1 mm.

Kích thước và mật độ hạt vật liệu tầng sôi

Nhiệt độ buồng đốt

Nhiệt độ ảnh hưởng đến cả tốc độ truyền nhiệt và hiệu suất cháy.

• Khoảng lý tưởng: 850-900°C.
•  Cao hơn → tăng NOx và mài mòn.
• Thấp hơn → cháy không hoàn toàn.

Tỷ lệ tuần hoàn vật liệu (Circulation Rate)

Tỷ lệ tuần hoàn cao → tăng va đập hạt lên ống → truyền nhiệt tốt. Nhưng quá cao sẽ gây: mài mòn, tăng ΔP, tăng chi phí điện quạt.

Cấu trúc dàn ống truyền nhiệt

Các dàn ống trong CFB bao gồm Water Wall, Superheater, Economizer. Bố trí không hợp lý dễ tạo: vùng chết, dòng khí lệch nên giảm truyền nhiệt đối lưu rõ rệt.

Dàn ống trong CFB bao gồm Water Wall, Superheater, Economizer

3. Phương pháp tối ưu truyền nhiệt đối lưu trong buồng đốt CFB

Sau khi bạn hiểu cơ chế và yếu tố ảnh hưởng, bước tiếp theo là áp dụng các giải pháp tối ưu trong thiết kế và vận hành.

Điều chỉnh tốc độ gió cấp chính và gió cấp 2

• Gió cấp 1 ổn định tầng sôi.
• Gió cấp 2 hoàn thiện quá trình cháy phía trên.

Cân bằng hai loại gió giúp duy trì đối lưu tối ưu.

Điều chỉnh tốc độ gió cấp chính và gió cấp 2

Tối ưu thành phần hạt tầng sôi và tải tuần hoàn

• Bổ sung cát mới định kỳ.
• Giữ kích thước hạt trong khoảng lý tưởng.
• Điều chỉnh tải tuần hoàn thông qua cyclone và L-valve.

Kiểm soát nhiệt độ vận hành và phân tầng đốt

Nhiệt độ cháy phải luôn nằm trong vùng xanh để đảm bảo ổn định truyền nhiệt. Phân tầng đốt hợp lý giúp phân bố nhiệt đều trong buồng đốt.

Tối ưu bố trí bề mặt trao đổi nhiệt

Các cải tiến thường dùng:

• Ống gân, panel chống mài mòn.
• Bố trí superheater theo vùng nhiệt phù hợp.
• Tối ưu dòng khí quanh các dàn ống.

Tối ưu bố trí bề mặt trao đổi nhiệt

4. Vai trò của vật liệu và thiết kế ống truyền nhiệt

Chất lượng bề mặt ống tác động trực tiếp đến khả năng truyền nhiệt. Vì vậy, vật liệu và giải pháp bảo vệ ống là yếu tố bắt buộc phải xem xét.

Vai trò của vật liệu và thiết kế ống truyền nhiệt

Lựa chọn vật liệu chịu nhiệt, chống mài mòn

Một số vật liệu phổ biến:

• Thép Cr-Mo chịu nhiệt.
• Inconel ở vùng nhiệt cao.
• Ống composite chống xói mòn.

Giải pháp bảo vệ bề mặt ống

Tuỳ theo mức độ mài mòn, bạn có thể chọn:

• Cladding Inconel: vùng mài mòn và nhiệt độ cao.
• Phủ gốm: chống xói mòn - bám cặn.
• Hàn đắp hợp kim: tăng độ cứng bề mặt.

5. Các lỗi làm giảm hiệu quả truyền nhiệt đối lưu

Một số lỗi vận hành thường gặp khiến truyền nhiệt giảm mạnh và tăng tiêu hao nhiên liệu.

Mài mòn ống do tốc độ tuần hoàn quá cao: Một trong những nguyên nhân phá hủy ống nhanh nhất trong lò CFB.

Sụt áp, phân bố gió không đồng đều: Gây hiện tượng “dead zone” trong buồng đốt làm giảm đối lưu.

Bám xỉ, đóng cặn bề mặt truyền nhiệt:

• Giảm diện tích trao đổi nhiệt.
• Tăng nhiệt độ khí xả.

Tăng tiêu hao nhiên liệu rõ rệt.

Các lỗi làm giảm hiệu quả truyền nhiệt đối lưu

6. Đánh giá và kiểm soát hiệu quả truyền nhiệt đối lưu

Để tối ưu bền vững, bạn cần thường xuyên kiểm soát các chỉ số vận hành và thực hiện phân tích kỹ thuật.

6.1 Chỉ số theo dõi vận hành (ΔP, O₂, RH, CS)

Hiệu suất truyền nhiệt đối lưu phụ thuộc trực tiếp vào sự ổn định của tầng sôi và tải tuần hoàn. Vì vậy, một hệ thống CFB luôn phải được giám sát liên tục qua 4 nhóm chỉ số chính:

ΔP (Differential Pressure - Chênh áp tầng sôi)

• Ý nghĩa: thể hiện mật độ vật liệu tầng sôi, tốc độ tuần hoàn và trạng thái sôi.
• Giá trị chuẩn:
  • CFB công nghiệp cỡ 35-130 t/h thường nằm trong khoảng 12-18 kPa.
• Dấu hiệu bất thường:
  • ΔP giảm → thiếu vật liệu tầng sôi → truyền nhiệt giảm mạnh.
  • ΔP tăng → quá tải vật liệu/đóng cặn → tăng mài mòn ống.
• Tác động đến truyền nhiệt:

 ΔP thấp làm giảm nồng độ hạt trong dòng khí, từ đó giảm hệ số đối lưu (h).

O₂ (Nồng độ oxy trong khí thải)

• Ý nghĩa: phản ánh mức độ cháy hoàn toàn và phân bố gió hợp lý.
• Giá trị tối ưu:
  • 5-7% O₂ đối với CFB than - 7-9% cho biomass.
• Nếu O₂ quá thấp: cháy không hoàn toàn → nhiệt độ tầng sôi giảm → giảm truyền nhiệt.
• Nếu O₂ quá cao: khí lạnh làm giảm nhiệt độ → tăng tiêu hao nhiên liệu → giảm truyền nhiệt.

3. RH (Recycle Ratio - Tỷ lệ tuần hoàn vật liệu)

• Ý nghĩa: lượng vật liệu được cyclone thu hồi và đưa trở lại buồng đốt.
• Typical values:
  • 5-15 kg solids/kg nhiên liệu tùy thiết kế.
• Nếu RH thấp: giảm mật độ hạt → hệ số truyền nhiệt h giảm.
• Nếu RH quá cao: tăng mài mòn ống, tăng sụt áp, tăng tiêu hao điện quạt.

4. CS (Combustion Stability - Chỉ số ổn định cháy)

• Thường được đánh giá bằng:
  • dao động nhiệt độ tại dense bed (±20°C)
  • dao động O₂ theo thời gian
  • dao động ΔP
• CS tốt: cho thấy phân phối gió - tải tuần hoàn - tốc độ cháy ổn định → truyền nhiệt tối ưu.

Phân tích chỉ số theo dõi vận hành (ΔP, O₂, RH, CS)

6.1. Phân tích nhiệt,  tính cân bằng nhiệt buồng đốt

Để đánh giá chính xác hệ số truyền nhiệt đối lưu, kỹ sư cần thực hiện Heat Balance (HB) tại các khu vực:

Các bước phân tích nhiệt trong CFB:

1. Bước 1: Đo nhiệt độ:
   
   
   • Đáy buồng đốt (bed temperature): 830–880°C
      
   • Upper furnace: 850–900°C
      
   • Trước cyclone: 850–880°C
      
2. Bước 2: Xác định nhiệt thu được tại mỗi bề mặt:
   
   
   • Water Wall
      
   • Superheater 1 – 2 – 3
      
   • Economizer
      
   • Air Preheater
      
3. Bước 3: Tính hệ số trao đổi nhiệt đối lưu (h):
   
   

h = Q / (A × ΔT)

3. • Với CFB, hệ số đối lưu điển hình: 150–300 W/m²K (cao hơn nhiều so với lò ghi).
     
     
4. Bước 4: So sánh với thiết kế:
   
   
   • Nếu sai lệch >10% → nghi vấn đóng cặn, thiếu hạt tuần hoàn hoặc phân tầng đốt kém.

Khi cân bằng nhiệt phát hiện bất thường:

• Vùng furnace trên nóng bất thường → thiếu tuần hoàn
  
  
• SH quá lạnh → tắc bám cặn
  
  
• Tiết diện buồng đốt thay đổi tự phát → đóng clinker

Phân tích nhiệt cho phép xác định chính xác vị trí truyền nhiệt kém hiệu quả để xử lý sớm.

7. Giải pháp nâng cao hiệu suất đối lưu trong CFB hiện đại

Công nghệ mới mở ra nhiều hướng tối ưu hiệu quả truyền nhiệt và vận hành trong lò hơi tầng sôi tuần hoàn.

Giải pháp nâng cao hiệu suất đối lưu trong CFB hiện đại

• Tự động hóa điều khiển thời gian thực: Hệ thống PLC - DCS kết hợp AI cho phép giám sát và điều chỉnh liên tục các thông số như nhiệt độ, lượng gió, nồng độ O₂… Từ đó duy trì buồng đốt ở trạng thái tối ưu và ổn định đối lưu.
• Thiết kế nâng cấp cho buồng đốt và cyclone: Các thế hệ cyclone hiệu suất cao giúp tăng lượng vật liệu tuần hoàn, cải thiện phân bố hạt và giữ ổn định quá trình đối lưu - trao đổi nhiệt.
• Ứng dụng nhiên liệu sạch: Biomass - RDF: Nhóm nhiên liệu sạch có tro nhẹ và đặc tính cháy tốt, giảm nguy cơ đóng xỉ, từ đó cải thiện hiệu quả truyền nhiệt tổng thể và tăng độ bền thiết bị.

Việc tối ưu truyền nhiệt đối lưu trong buồng đốt CFB không chỉ giúp tăng hiệu suất lò hơi, giảm tiêu hao nhiên liệu, mà còn hỗ trợ kéo dài tuổi thọ thiết bị và giảm chi phí bảo trì trong dài hạn. Khi hệ thống vận hành ổn định, tầng sôi được kiểm soát tốt và các bề mặt trao đổi nhiệt làm việc hiệu quả, nhà máy sẽ đạt được hiệu quả năng lượng tối đa với chi phí thấp hơn.

Nếu doanh nghiệp của bạn đang vận hành lò hơi tầng sôi tuần hoàn, hoặc cần tư vấn - nâng cấp - tối ưu hiệu suất truyền nhiệt, hãy liên hệ ngay với GreenBoiler để được hỗ trợ chuyên sâu.

Green Boiler luôn sẵn sàng đồng hành để giúp hệ thống của bạn đạt hiệu suất cao nhất và vận hành lò hơi an toàn - bền vững.