Triển vọng sử dụng những công nghệ Plasma và phóng điện trong nghành nhiệt điện

Đặc biệt cần phải tách rời hai vấn đề cũng liên quan đến ngành nhiệt điện:tăng cường các quá trình trao đổi chất lượng về nhiệt (bao gồm các quá trình sôi) nhờ các trường điện tử; sử dụng các phương pháp phóng điện tạo các dao động âm học để làm sạch các bề mặt đốt và loại bỏ các cáu cặn và xỉ,. Tất cả các vấn đề nêu trên có tính chất liên quan với nhau về mặt khoa học và chỉ có thể giải quyết thông qua các kinh nghiêm được tích luỹ trong các môn khoa học liên quan đó.

Trong khuôn khổ bài viết này chỉ xem xét triển vọng sử dụng những công nghệ plasma trong ngành nhiệt điện. Việc áp dụng chúng sẽ tạo điều kiện tăng cưòng các quá trình cháy trong lò hơi và giảm các chất thải độc hại ra các trường xung quanh.

Khởi động các lò hơi không sử dụng madút và tăng cường các quá trình cháy nhờ sử dụng các plasmatron.

Hiệu quả sử dụng các loại than xấu, than nâu, diệp thạch có thể tăng đáng kể thông qua việc xử lý chúng bằng plasma – hoá hoặc trong chính quá trình cháy của than, hoặc bằng khí hoá than sơ bộ trong các lò phản ứng plasma - hoá đặc biệt và trong các vòi phun plasma. Sự hiện hữu của những quá trình phóng điện tạo ra điều kiện tăng cường trao đổi khối lượng về nhiệt và tăng hiệu quả đốt nhiên liệu . Ngoài ra trong quá trình chuẩn bị nhiên liệu, sự phóng điện còn cho phép thực hiện việc chiết ly các khí - chất khử từ than và lấy ra các phân tử vi lượng từ tro nhiên liệu. Trong trưòng hợp đó khi xử lý điện – hoá chỉ một lượng nhỏ hỗn hợp than bột – không khí sẽ tạo ra được khí cháy và phần cốc còn lại, giảm nhẹ đáng kể sự bốc cháy phần nhiên liệu chủ yếu. Trong quá trình Plasma - tự gia nhiệt với việc sử dụng plasmatron người ta chỉ kích hoạt 1-5% phần nhiên liệu để làm bốc cháy từng cấp phần còn lại của nhiên liệu. Trong trường hợp khí hoá than bằng phương pháp plasma – hơi nước tự gia nhiệt nhiên liệu được biến thành khí tổng hợp nhiệt trị cao gồm CO và H ₂không có NO _Xvà SO _X. Với việc sử dụng các lò phản ứng plasma -hoá thực hiện được khí hoá than triệt để, kết quả là tách được khí tổng hợp và từ khối lượng khoáng chất thu được những sản phẩm ngưng tụ quý trong quá trình chế biến than .

Công nghệ plasma xử lý nhiên liệu có thể đạt hiệu quả cao khi áp dụng trong các thiết bị tua bin khí hỗn hợp với khí hoá than dưới áp suất trong chu trình. Trong phần lớn các thiết bị hiện hành trong đó thực hiện những công nghệ nêu trên người ta sử dụng các plasmatron điện một chiều họăc xoay chiều cần lưu ý rằng trong nhiều trường hợp việc sử dụng những phóng điện siêu cao tần áp suất tăng cao so với plasmatron điện một chiều hoặc xoay chiều có thể đạt hiêụ quả cao hơn kể cả về quan điểm công nghệ cũng như năng lượng (đặc biệt đối với những thiết bị tua bin khi hỗn hợp công suất 250MW trở lên ).

Ngày nay những công nghệ plasma được nghiên cứu triển khai nhiều nhất nhằm mục tiêu khởi động lò hơi không phải dùng ma dút và ổn định quá trình cháy trong buồng lửa. Do đó việc áp dụng những công nghệ đó cho phép giảm thiểu sử dụng ma dút trong ngành nhiệt điện . Điều quan trọng nữa là áp dụng công nghệ plasma sẽ giảm được tốc độ ăn mòn nhiệt độ cao đối với bề mặt đốt của lò hơi (tăng tuổi thọ lò hơi) đồng thời hoàn thiện được các chỉ tiêu sinh thái (giảm NOx tới 40 – 50% và giảm SOx so với trường hợp đốt madút).

Các quá trình plasma có thể ảnh hưởng đáng kể đến chế độ cháy của than bột trong buồng lửa lò hơi và nung nóng chất tải nhiệt ( nước ) trong ccác dàn ống sinh hơi. Có thể nêu lên hai khía cạnh ảnh hưởng của plasma đến chế độ cháy của than bột, trong quá trình xảy ra sự oxy hoá các bon, hydrogen, azot và lưu huỳnh để trở thành các oxit và toả nhiệt: các tổ hợp hiện tượng lý hoá và khí động. Sự hiện diện của chúng trong pha khí đặc trưng đối với quá trình cháy. Sự tạo ra các electron, các ion dương (C ⁺, H ⁺,N ⁺, CO ⁺, Si ⁺…) và các ion âm ( O, H….), các ion và proton được kích thích dẫn đến sự tăng cường phân ly các phân tử, phát sinh các góc hoạt tính cao về hoá học (CH, CN, NH…) và cải thiện quá trình cháy.

Mọi người đều biết rõ rằng các phản ứng hoá học với sự tham gia của các phần tử kích thích sẽ diễn ra nhanh hơn. Các phần tử nhiễm điện xuất hiện cả trong các chế độ cháy thông thường do kết quả của sự ion hoá nhiệt các nguyên tử nhưng nồng độ của chúng rất nhỏ (dưới 10 ^-7)do nhiệt độ của các sản phẩm cháy không cao. Việc nghiên cứu triển khai các công nghệ đốt than bột hiệu quả nhất trong buồng đốt với sự hiện hữu của các trường điện 1 chiều, xoay chiều hoặc tổng hợp liên quan đến việc giải quyết hàng loạt vấn đề khoa học và kỹ thuật. Những kết quả nghiên cứu khoa học thu được trong lĩnh vực mới mẻ và phát triển nhanh về vật lý plasma-plasma với pha tán sắc ngưng tụ có thể tạo ra tiến bộ kỹ thuật theo phương hướng trên.

Khía cạnh khí động ảnh hưởng của plasma đến quá trình cháy được thể hiện khi dòng plasma tương tác với luồng than bột. Sự tác động của plasma nhiệt độ thấp tới sự cháy của các nhiên liệu hydrocarcbon hữu cơ có thể được thực hiện trực tiếp bằng việc đưa dòng plasma-không khí với nhiệt độ 3000-13000K vào vòi đốt than bột hoặc vào đáy ngọn lửa than bột trong buồng lửa của lò hơi. Khi trộn luồng than bột với dòng plasma sẽ xảy ra sự nung nóng mạnh các phần tử rắn với tốc độ 10 ³-10 ^4oC/sec và sau đó chúng bị vỡ vụn dưới tác động của các ứng lực cơ nhiệt được phát sinh trong đó. Các hạt than với kích thước ban đầu 250micron có thể bị vỡ vụn thành các phần tử 5-10 micron. Tác động của plasma đối với các phần tử than dẫn tới sự thăng hoa của các nguyên tử cacbon, các phần tử này khuyếch tán vào môi trường xung quanh, nhờ đó đảm bảo sự tương tác mạnh giữa chúng với chất ôxy hoá và tạo ra chế độ cháy thuần nhất. Do đó nhiệt độ cao của dòng plasma tạo điều kiện cho sự bốc cháy mãnh liệt và hiệu quả ngọn lửa than bột ngay cả với nhiệt độ trung bình của hỗn hợp than bột – không khí tương đối thấp.

Dòng plasma không khí được sản sinh ra trực tiếp từ plasmatron dòng điện 1 chiều công suất 10-200kW hoạt động trong không khí và được lắp đặt trực tiếp trong các vòi phun than bột. Trong trường hợp đó để khởi động lò hơi và duy trì sự cháy hiệu quả hỗn hợp than bột chỉ cần trang bị các plasmatron cho một phần các vòi phun than bột (từ 20-40% tổng số vòi phun than bột). Cùng với các plasmatron dòng một chiều người ta sử dụng cả các plasmatron siêu cao tần hoạt động ở tần số 2,45GHz. Mặc dầu giá điện năng siêu cao tần cao hơn khá nhiều so với giá điện năng một chiều và xoay chiều tần số công nghiệp, việc sử dụng các plasmatron siêu cao tần có thể đạt hiệu suất cao hơn do nhiệt liệu cháy kiệt hơn và giảm được các khí độc hại phát thải vào khí quyển.

Những hiệu ứng đó cũng có thể thực hiện được trong trường hợp nếu tiến hành sự phóng điện plasma không có điện cực trực tiếp trong buồng lửa và di chuyển quá trình phóng điện đó trong không gian buồng lửa. Áp dụng kết cấu độc đáo sự phóng điện siêu cao tần có thể đạt được chế độ cháy đặc trưng tương tự như quá trình cháy trong lớp sôi nhưng được tạo ra bởi phương pháp thuần túy phóng điện kiểu cơ học chất khí. Ngoài ra các quá trình phóng điện siêu cao tần có thể đảm bảo điều khiển chế độ cháy không phải kiểu cơ khí, mà điều khiển hiệu quả hơn quá trình cháy các thể huyền phù than - nước và madút - nước trong các buồng đốt của lò hơi nhà máy nhiệt điện.

Nguồn: Tạp chí KH - CN nhiệt, số 69, tháng 5 - 2006, trang 27.