Lịch sử hình thành và phát triển
Kỹ thuật tầng sôi được phát minh đầu tiên vào năm 1910 của hai tác giả người Anh là Phillips và Bukteel. Mới đầu, kỹ thuật này chỉ áp dụng vào các công nghệ xúc tác, chọn quặng, sấy,… cho đến những năm 40 thì bắt đầu được sử dụng vào các quá trình cháy nhiên liệu trong buồng lửa và phát triển mạnh từ những năm 1970 đến năm 1980. Cùng với thời gian, kỹ thuật này đã phát triển và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.
Ứng dụng sớm nhất của công nghệ tầng sôi là thiết bị hóa khí của Fritz Winkler, người Đức(năm 1921). Tuy nhiên, sau đó lý thuyết mới về công nghệ hỗn hợp khí-rắn không được phát triển. Đến những năm 50, công nghệ này được ngành dầu hỏa ứng dụng để cracking dầu nặng. Những cố gắng áp dụng kỹ thuật tầng sôi trong việc sản xuất hơi được bắt đầu từ thập kỷ 60. Giáo sư Douglas Elliott (người Anh) nghiên cứu và phát triển, và ông được mệnh danh là “cha đẻ của lò tầng sôi” đã thúc đẩy việc ứng dụng lò hơi tầng sôi để sản xuất hơi. Sự phát triển của kỹ thuật đốt tầng sôi làm giảm bớt những trở ngại do phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch. Lò tầng sôi đốt được tất cả các loại nhiên liệu, kể cả các loại nhiên liệu xấu và có hàm lượng tro và lưu huỳnh cao. Lò tầng sôi đốt cháy nhiên liệu trong một điều kiện thủy động đặc biệt gọi là thể sôi, sự truyền nhiệt cho bề mặt hạt nhiên liệu và dàn ống sinh hơi thông qua một lớp phân tử rắn không cháy. Trong đó nhiên liệu được đốt cháy trong một lớp vật chất nóng (800÷900oC) với những hạt không cháy như tro, cát, đá vôi.
Năm 1965, chương trình nghiên cứu lò đốt lớp sôi (FBC) được bắt đầu tại Mỹ và cho thấy lượng khí thải thấp hơn hẳn so với so với công nghệ đốt nhiên liệu truyền thống. Sau đó sự phát triển của lò FBC không chỉ giới hạn ở Mỹ, một số quốc gia khác như Anh, Phần Lan, Trung Quốc, Đức cũng bắt đầu phát triển lò FBC. Ngày nay, lò đốt tầng sôi tuần hoàn (CFB) đã được nghiên cứu, phát triển để đưa vào ứng dụng trong công nghiệp cũng như trong lĩnh vực sản xuất điện năng. Lò CFB đã và đang được ứng dụng rộng rãi, có nhiều cải tiến nhằm hoàn thiện công nghệ và đáp ứng các tiêu chuẩn về môi trường. Công suất của lò không ngừng được nâng cao nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng. Năm 2002, lò CFB siêu tới hạn đầu tiên trên thế giới (Lagisza Power Plant) được xây dựng tại Phần Lan đã đánh dấu một bước tiến mạnh mẽ trong quá trình phát triển của công nghệ này.
Khái niệm về lớp sôi
Đốt tầng sôi là một công nghệ đốt được phát triển từ công nghệ đốt trên ghi cố định. Trong buồng đốt, nhiên liệu cùng với lớp vật liệu sôi được thổi lên cao từ 500÷1000 mm, tạo nên bởi dòng không khí thổi qua một bộ phân phối với tốc độ xác định.Gió cấp được thổi từ dưới ghi lên. Khi tốc độ gió đủ lớn sẽ tạo ra một lực cuốn thắng được trọng lực của hạt và khi đó, các hạt sẽ bắt đầu dịch chuyển lên trên tạo ra một lớp hạt lơ lửng giống như 1 lớp chất lỏng. Các chế độ tương tác giữa khí và hạt phụ thuộc vào tốc độ gió cấp vào bao gồm: lớp cố định, giả lỏng sôi đều, sôi bọt, sôi dạng pít tông, sôi rối, sôi chèn và sôi tuần hoàn.
Cơ chế quá trình tạo tầng sôi
Nguyên nhân quan trọng để hình thành lớp sôi là do lực “nâng” của dòng khí thắng trọng lực của hạt. Nhưng mức độ tương tác giữa gió và hạt phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như tốc độ gió, trở lực của khối hạt (kích thước, đặc tính của hạt,…) qua đó hình thành các trạng thái sôi khác nhau, chiều cao lớp sôi khác nhau. Mối quan hệ giữa chiều dày lớp nhiên liệu h và trở lực của lớp nhiên liệu Δp với tốc độ của dòng được thể hiện trong hình sau:
Mối quan hệ giữa vận tốc của gió với trở lực lớp sôi
- Khi tốc độ dòng không khí (ω) bé hơn tốc độ tới hạn (ωcr), lớp vật liệu trên ghi ở trạng thái tĩnh, chiều cao lớp nhiên liệu không đổi, không khí đi lên luồn qua các lỗ rỗng tạo thành bởi các hạt vật liệu, độ chênh áp tại vị trí trước và sau lớp vật liệu tăng dần.
- Khi tốc độ dòng không khí tăng lên đến một giá trị nhất định (ω ≥ ωcr), lớp vật liệu trên ghi chuyển động tương đối với sự nâng lên của không khí. Lúc này lớp vật liệu có trạng thái gần giống chất lỏng (giả lỏng, tầng sôi). Tốc độ khí này gọi là tốc độ sôi tối thiểu.
- Khi tiếp tục tăng tốc độ không khí, các bọt khí xuất hiện trong lớp sôi có hình dạng tương tự bọt nước khi sôi, lúc này ta có chế độ sôi bọt.
- Việc tiếp tục tăng thêm tốc độ khí sẽ dẫn đến sự tạo thành các bọt khí hình viên đạn và các rãnh thoát khí trong lớp sôi. Việc tăng tốc độ khí, cũng dẫn đến lớp vật liệu trên ghi ngày càng dãn nở ra.
- Tốc độ không khí tiếp tục được tăng, các lớp vật liệu trên ghi có xu hướng bị thổi bay ra ngoài buồng sôi. Lúc này nếu có hệ thống xyclon thu hồi vật liệu để đưa trở lại buồng sôi thì ta có hệ thống kiểu lớp sôi tuần hoàn.
