Tài liệu CÁC PHƯƠNG PHÁP THU HỒI NHIỆT THẢI LÒ HƠI pptx

Hơi này được cung cấp cho các quá trình công nghiệp như gia nhiệt cho không khí để sấy, rửa thiết bị, cung cấp nhiệt trong các nhà máy dệt, đường, hóa chất, rượu bia, nước giải khát… tro

CÁC PHƯƠNG PHÁP THU HỒI NHIỆT THẢI LÒ HƠI

I Nguyên lý làm việc của lò hơi

Lò hơi dùng nhiệt lượng sinh ra của nhiên liệu, biến thành nhiệt năng của hơi nước Hơi này được cung cấp cho các quá trình công nghiệp như gia nhiệt cho không khí để sấy, rửa thiết bị, cung cấp nhiệt trong các nhà máy dệt, đường, hóa chất, rượu bia, nước giải khát… trong trường hợp này hơi sử dụng là hơi bão hòa Ngoài ra, các nhà máy nhiệt điện dùng tuabin hơi để chạy máy phát điện thì hơi được sử dụng là hơi quá nhiệt

II Các loại nhiệt thải

Trong quá trình hoạt động, ở lò hơi có các nguồn nhiệt lượng như sau: nhiệt lượng của ngọn lửa khi đốt cháy nhiên liệu, nhiệt lượng của khói, nhiệt lượng của nước và hơi nước và ngoài ra còn có nhiệt lượng do xỉ nóng chảy

Ngọn lửa của nhiên liệu nằm hoàn toàn trong lò hơi, hơi nước sẽ được đưa đến các quá trình công nghệ hoặc tuabin; như vậy nhìn chung ngọn lửa và hơi nước không mang nhiệt lượng ra môi trường bên ngoài (dĩ nhiên là vẫn có một phần tổn thất ra bên ngoài, nhưng đó là chỉ là tổn thấy chứ không phải một nguồn nhiệt thải) Do đó, ở lò hơi có các nguồn nhiệt thải sau:

- Khói

- Nước tuy nằm trong bao hơi không thải nhiệt ra ngoài nhưng do trong quá trình hoạt động, để xả bỏ cáu cặn tích tụ lại người ta vẫn phải xả một lượng nước nhất định ra ngoài

- Ở những lò thải xỉ lỏng thì cũng có nhiệt xỉ thải ra ngoài

Các nguồn nhiệt thải này đều có nhiệt độ cao, nếu không được tận dụng lại sẽ gây sự lãng phí rất lớn Sau đây ta sẽ đi vào phân tích nhiệt thải của từng loại

1- Khói thải:

Từ nguyên lý làm việc, ta thấy nhiệm vụ chủ yếu của lò hơi là sinh hơi (có thể là hơi bão hòa hoặc hơi quá nhiệt) Như vậy, sau khi cháy, nhiệt lượng của nhiên liệu được dùng để sinh hơi, nhiệt độ khói tại trung tâm buồng lửa có thể đạt 1600-22000C (tùy thuộc vào từng loại lò), khói sau khi đi qua vài pass gia nhiệt cho nước để sinh hơi thì nhiệt độ sau khi ra khỏi buồng lửa đạt khoảng 900-13000C Theo lý thuyết, nhiệm vụ của khói đến đây là hết và có thể thải ra ngoài

Tuy nhiên, do nhiệt độ của khói đang còn rất cao, nếu thải đi mà kô tận dụng thì sẽ rất lãng phí Mặt khác, hơi nước sau khi đi qua các thiết bị công nghệ sẽ được ngưng tụ thành lỏng và được bơm trở lại lò hơi để tiếp tục nhận nhiệt để sinh hơi Nước được cấp trở lại lò hơi lại có nhiệt độ khá thấp.

Ví dụ: hơi sau sinh ra qua thiết bị trao đổi nhiệt (LOAD) đưa lại bể chứa (ở đây nước bổ sung (make-up water), có nhiệt độ thấp dẫn đến nước cấp (feedwater) cũng bị hạ thấp nhiệt độ

Hoặc ở các nhà máy nhiệt điện hơi nước sau khi giãn nở ở tuabin rồi được ngưng tụ ở bình ngưng có áp suất khoảng 0,05 bar với nhiệt độ khoảng 320C), rõ ràng là ta sẽ phải tốn thêm một nhiệt lượng để gia nhiệt cho nước cấp từ nhiệt độ thấp đến nhiệt độ sôi ứng với áp suất tương ứng

Ví dụ sau cho thấy hiệu quả của việc gia nhiệt nước cấp trước khi đưa vào lò hơi:

Cho lò hơi hoạt động với hơi bão hòa ở áp suất p = 10 bar, sản lượng hơi D = 10 tấn/giờ Nhiệt độ nước cấp là 300C Dùng dầu mazút có thành phần làm việc như sau:

Nhiệt lượng cần thiết để gia nhiệt nước thành hơi bão hòa ở áp suất 10 bar:

Với i1: entanpi của hơi bão hòa ở áp suất 10 bari2: entanpi của nước ở áp suất 10 bar ứng với nhiệt độ 300C

Nhiệt trị thấp của nhiên liệu là:

Giả sử hiệu suất nhiệt là 100%, ta thấy lượng tiêu hao nhiên liệu là:

Nếu như nước cấp được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi, thì nhiệt lượng để sinh hơi bão hòa là:

Với : entanpi của nước ở áp suất 10 bar ứng với nhiệt độ sôi

Lượng tiêu hao nhiên liệu ở trường hợp này là:

Như vậy ta đã tiết kiệm được một lượng nhiên liệu

Từ đồ thị ta thấy, khi nước được hâm nóng, thì nhiệt lượng cần thiết để cung cấp cho quá trình sinh hơi sẽ giảm và lượng tiêu hao nhiên liệu cũng giảm, trong trường hợp này ta đã tiết kiệmđược 24,34% nhiên liệu

Một phần tử khác cần được gia nhiệt trong lò hơi là không khí Như ta đã biết, không khí đưa vào buồng lửa để cung cấp oxi cho quá trình cháy Không khí thường được lấy ở môi trường bên ngoài

có nhiệt độ khoảng 300C, nếu đưa không khí này vào buồng lửa thì sẽ hấp thu một phần nhiệt lượng do nhiên liệu cháy sinh ra Do đó việc sấy không khí để tăng thêm nhiệt lượng đưa vào buồng lửa sẽ làm tăng thêm nhiệt lượng hữu ích để sinh hơi Giả sử ta dùng dầu để gia nhiệt không khí:

Ở lò phun, nhiệt độ không khí đưa vào buồng lửa khoảng 2500C, nhiệt lượng cần thiết để gia nhiệt cho không khí là:

Với : thể tích không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hết nhiên liệu

i1: entanpi của không khí ở 2500Ci2: entanpi của không khí ở 300CNếu dùng dầu để gia nhiệt thì ta phải tốn thêm một lượng nhiên liệu:

Ngoài ra, đối với các lò đốt bằng nhiên liệu lỏng mà chủ yếu là dầu nặng (FO) thì việc hâm nóng dầu trước khi đưa vào buồng lửa là cần thiết vì độ nhớt của dầu ở nhiệt độ thường rất cao gây khó khăn cho việc dẫn dầu trong các ống cũng như việc phun dầu vào buồng lửa Thông thường người

ta thường gia nhiệt dầu lên đến khoảng 900C Trước đây người ta thường dùng bộ gia nhiệt dầu bằng điện kết hợp với hơi nước Ví dụ sau cho thấy nhiệt lượng cần thiết để gia nhiệt cho dầu

Nhiệt lượng cần thiết để gia nhiệt dầu:

Với B: lương tiêu hao nhiên liệu (lấy ở ví dụ trên B = 0,189 kg/s)Cnl: tỷ nhiệt của nhiên liệu

Trong đó:

Từ đó, ta tính được

Từ các ví dụ trên ta thấy nhiệt lượng của khói thải nếu được tận dụng để hâm nước cấp, sấy không khí, hâm dầu… thì sẽ tiết kiệm được một chi phí rất lớn Vì lý do đó mà ngày nay người ta thường lắp đặt các bộ trao đổi nhiệt phía sau lò, ở đường khói thải để gia nhiệt cho nước, không khí cũng như dầu (thường gọi là bộ hâm nước, bộ sấy không khí và bộ hâm dầu) Tùy thuộc vào từng loại

lò mà có thể có hoặc không có 1 trong 3 phần tử kể trên Ngoài ra, đối với những lò có công suất lớn thì nhiệt thải khói có thể lên đến rất cao, tuy đã tận dụng nhưng vẫn còn một nguồn nhiệt lượng khá lớn, do đó người ta sẽ tìm cách để tận dụng nguồn nhiệt lượng này để đun nước sinh hoạt cho các xí nghiệp hoặc hộ tiêu dùng hay trong vấn đề về tiết kiệm năng lượng thì dùng nhiệt do khói thải này dể chạy các máy lạnh hấp thụ

Theo sơ đồ ta thấy, khi cấp nhiệt cho bình phát sinh thì NH3 trong hỗn hợp dung dịch gồm NH3– H2O sẽ bốc hơi (do ở cùng điều kiện áp suất thì NH3 có nhiệt độ bay hơi thấp hơn H2O) NH3 bay lên còn nước sẽ đi xuống dưới Hơi NH3 tiếp tục đi vào bình ngưng và được ngưng tụ thành lỏng nhờ nước làm mát, sau đó NH3 lỏng đi qua van tiết lưu để giảm áp suất và đi vào bình bốc hơi Ở đây nó sẽ nhận nhiệt từ chất cần làm lạnh (ở đây ví dụ là nước) và bốc hơi rồi đi qua bình hấp thụ Tại bình hấp thụ, NH3 sẽ được H2O từ bình phát sinh hấp thụ trở lại và hỗn hợp này được bơm về bình phát sinh để tiếp tục chu trình của nó Ta thấy về mặt năng lượng (nếu không kể nguồn nhiệt từ khói đã có sẵn) thì máy lạnh hấp thụ tiêu tốn ít năng lượng hơn nhiều so với máy lạnh có máy nén, vì công cần thiết cho máy nén để nén 1kg hơi từ áp suất po lên áp suất pk sẽ cao hơn nhiều công để bơm hỗn hợp lỏng từ áp suất po đến áp suất pk Do đó, tận dụng nhiệt thải của khói cho máy lạnh hấp thụ không những giúp giảm tổn thất do khói thải ra ngoài mà còn giúp ta tiết kiệm một phần năng lượng mà lẽ ra phải dùng khi sử dụng máy lạnh có máy nén hơi.

Cấu tạo

a Bộ hâm nước:

Bộ hâm nước cũng như một thiết bị trao đổi nhiệt, dùng nhiệt của khói nóng đi bên ngoài

để gia nhiệt cho nước lạnh đi bên trong ống

Để tăng cường diện tích trao đổi nhiệt, người ta bố trí thêm nhiều ống nối với nhau: “dạng phẳng” hoặc “không gian”

Để tăng cường hệ số trao đổi nhiệt, người ta làm thêm cánh về phía khói, do khói có hệ số tỏa nhiệt đối lưu α bé hơn nước

Tuỳ theo mức độ gia nhiệt trong bộ hâm nước mà bộ hâm nước có thể làm việc ở trạng thái sôi hoặc không sôi Ở các lò ghi do nhiệt độ không khí nóng không cao nên toàn bộ lượng nhiệt còn lại thường dùng để gia nhiệt cho bộ hâm nước Vì vậy bộ hâm nước thường làm việc ở trạng thái sôi.

Cấu tạo của bộ hâm nước thường chia làm 3 loại: ống thép trơn, ống thép có cánh và ống gang Do tính chất của gang là chịu va đập kém nên thường dung gang cho những bộ hâm nước không sôi

Ở các bộ hâm nước bằng gang, người ta thường làm thêm cánh ở bên ngoài (vì khói có hệ số tỏa nhiệt

đối lưu α bé hơn nước) để tăng cường hệ số trao đổi nhiệt

Do gang có tính đúc cao hơn thép nên việc làm cánh đối với

gang dễ hơn thép nhiều Tuy nhiên, ngày nay do công nghệ

chế tạo đã phát triển nên việc làm cánh đối với thép không

còn khó khăn như trước nữa

Thu nhiệt: nhiệt truyền trực tiếp từ khói tới không khí qua vách kim loại (ở đây là các ống dẫn) Bộ sấy không khí kiểu thu nhiệt được dùng rộng rãi nhất

hiện nay Nó cũng có dạng của một bộ trao đổi nhiệt loại chùm

ống trong đó khói đi trong ống còn không khí đi bên ngoài ống

Người chế tạo hệ thống ống đứng đặt so le và được giữ với nhau

bởi hai mặt sàng thành một cụm Khi lắp lò, các cụm này được

lắp với nhau thành bộ sấy không khí

Một cụm của bộ sấy không khí

Có nhiều cách để bố trí đường đi của khói và không khí:

Bộ sấy không khí kiểu ống có những ưu điểm sau:

- Đơn giản trong chế tạo, lắp ráp và làm việc chắc chắn

- Tro bám trong ống không nhiều, dễ dàng thổi sạch

- Khắc phục hiện tượng lọt không khí vào trong đường khói

- Xuất tiêu hao kim loại tương đối bé

Khuyết điểm: chủ yếu là ống thép không bền vững dưới tác dụng ăn mòn của khói ở nhiệt độ cao và mài mòn bởi tro bay Bộ sấy không khí bằng ống thép được dùng để gia nhiệt không khí tới khoảng 4000C

Khi muốn nhiệt độ không khí cao hơn, người ta dùng bộ sấy không khí bằng gang Để tăng hệ

số truyền nhiệt, ống gang thường có cánh ở ngoài và có răng ở trong

Khuyết điểm của bộ sấy không khí bằng gang là kích thước cồng kềnh và nặng nề

Bộ sấy không khí kiểu hồi nhiệt: khói đầu tiên đốt nóng kim loại rồi sau đó nhiệt tích tụ ở kim loại sẽ truyền lại cho không khí Bộ phận chính là một rôto qua với tốc độ 2 ÷ 5 vòng/phút xung quanh trục đứng Trên rôto có gắn các lá thép, những lá thép này trong quá trình rôto quay sẽ lần lượt khi thì tiếp xúc với khói nóng, khi thì tiếp xúc với không khí lạnh và qua đó “chuyển” nhiệt lượng từ khói sang không khí Đường khói và không khí được bố trí ở hai phía cố định và được ngăn bởi vách ngăn

Hình ảnh các “khung” và “rotor” của bộ sấy không khí kiểu hồi nhiệt, người ta sẽ lắp vào những

khung này những “lá thép” để tăng diện tích trao đổi nhiệt Trong quá trình hoạt động, các lá thép bị bám tro nên sẽ làm giảm hệ số trao đổi nhiệt nên ta dùng nước áp suất cao để rửa sạch

Thông thường, bộ sấy không khí được lắp sau bộ hâm nước Hoặc người ta chia bộ hâm nước

và bộ sấy không khí làm hai và đặt chúng xen kẽ Việc chia cấp như vậy sẽ giảm nhiệt độ khói ở phía

cuối đường ống và như thế cho phép chế tạo bộ sấy không khí (hoặc bộ hâm nước) cấp 2 với kim loại

rẻ tiền hơn

Ví dụ về việc tận dụng nhiệt do khói thải

Nhiên liệu: dầu mazút có các thành phần làm việc như sau

C = 83% - H = 10,4% - S = 2,8% - O = 0,7% - A = 0,1 % - W = 3%

Thông số hơi: p = 10 bar - D = 10 tấn/giờ

Các tổn thất khác: q3 = 3% - q4 = 0% - q5 = 1% - q6 = 0%

Hệ số không khí thừa: α = 1,2

Khi không tận dụng khói thải:

Giả sử nhiệt độ khói ra khỏi buồng lửa là 11000C, nếu không tận dụng nhiệt thải này thì

Tổn thất nhiệt do khói thải ra ngoài

Q2 = (I1– Ikkl)(1-q4/100)Với I1 = IRO2 + IN2 + IH2O + (1 – α)Ikk

= VRO2(Ct1)RO2 + VN2(Ct1)N2 + VH2O(Ct1)H2O + (1 – α)Vkk(Ct1)kk

Ikkl = α.Vkk ckkl.tkkl Với nhiệt độ khói thải là 11000C và nhiệt độ không khí lạnh là 300C, ta tính được:

Q2 = (I1– Ikkl)(1-q4/100) = 21664,002 kJ/kgNhiệt lượng đưa vào buồng lửa

Qđv = Qt + Qnl + Qkkn + Qp

Do không có sấy không khí, hâm nóng nhiên liệu cũng như phun hơi nên

Qđv = Qt = 39002,9 kJ/kgPhần trăm tổn thất do khói thải

Lượng tiêu hao nhiên liệu

Với Q1 = (1 – q2– q3– q5)Qđvibh: entanpi của hơi nước bão hòa ở áp suất 10 barinc: entanpi của nước có nhiệt độ 300C ở áp suất 10 bar

Từ đó ta tính được

B = 0,467 kg/s

Tận dụng nhiệt thải để hâm nước:

Giả sử nước cấp được gia nhiệt đến trạng thái lỏng sôi ở áp suất 10 bar

Tổn thất nhiệt do khói thải ra ngoài

Q2 = (I2– 477,968)Nhiệt lượng đưa vào buồng lửa

Qđv = 39002,9 kJ/kgPhương trình cân bằng nhiệt

Qknr = QnnvφB(I1– I2) = D(i’ – inc)(1-q5/100)B(I1– I2) = D(i’ – inc)

0,99B(22141,987 – I2) = 1769,03

Phương trình có 2 ẩn, nên không giải được, ta sử dụng thêm phương trình cân bằng nhiệt thứ 2:

Kết hợp 2 phương trình ta tính được các giá trị sau:

Tận dụng nhiệt thải để sấy không khí

Giả sử không khí được sấy đến nhiệt độ 4000C với nhiệt độ không khí lạnh là 300C

Tổn thất nhiệt do khói thải ra ngoài

Q2 = (I3– Ikkl)Nhiệt lượng đưa vào buồng lửa

Qđv = Qt + Qkkn Phương trình cân bằng nhiệt

Qknr = Qkknv φB(I2– I3) = α.B.Vkk(Ikkn– Ikkl)

Tận dụng khói thải để hâm dầu

Giả sử dầu được gia nhiệt từ nhiệt độ 300C lên 900C

Tổn thất nhiệt do khói thải ra ngoài

Q2 = (I4– Ikkl)Nhiệt lượng đưa vào buồng lửa

Qđv = Qt + Qkkn + Qnl Phương trình cân bằng nhiệt

Qknr = Qnlnv φB(I3– I4) = B (Cnl2t2– Cnl1t1)

Tận dụng nhiệt thải qua các thiết bị:

Giả sử tận dụng nguồn nhiệt để đun nước dùng trong sinh hoạt, với yêu cầu của khói thải ra khoảng 2000C, vì nhiệt độ khói thấp hơn nhiệt độ đọng sương sẽ gây ra hiện tượng ăn mòn đường ống

Tổn thất nhiệt do khói thải ra ngoài

Q2 = (I5– Ikkl)

Với I5 = 3606,178 kJ/kgSuy ra Q2 = 3128,193 kJ/kg

q2 = 6,92 %

η = 89,08 %Nhiệt lượng đưa vào buồng lửa

Qđv = Qt + Qkkn + Qnl Phương trình cân bằng nhiệt

Ta tính được:

B = 0,139 kg/s qth = 40,58 %Lượng nước tận dụng nhiệt

Qknr = Qnnv φB(I4– I5) = G.cp (tn2–tn1)Suy ra: G = 2,305 kg/s

Đồ thị cho ta thấy khi tận dụng nhiệt khói thải thì hiệu suất nhiệt của lò hơi tăng lên, tổn thất nhiệt do khói thải giảm xuống, đồng thời lượng tiêu hao nhiên liệu cũng giảm xuống

Đồ thị cho biết, phần trăm nhiệt lượng thu hồi được và lượng nhiệt thu hồi được so với nhiệt lượng đưa vào

2- Nước xả lò:

Nước cấp cho lò hơi dù được xử lý kỹ những vẫn có thể còn cáu cặn Trong quá trình

hoạt động, nước trong lò bốc thành hơi để lại cáu cặn, lâu ngày bám dưới đáy lò làm giảm hệ

số truyền nhiệt và gây ra những hư hỏng khác do đó cần xả bỏ những cáu cặn này Quá trình xả

bỏ cáu đồng thời phải xả luôn nước đang sôi ở áp suất cao trong lò Lượng nước này có nhiệt

độ cao nên khi thải bỏ đi sẽ gây ra tổn thất

Ví dụ: Lò hơi hoạt động với thong số p = 10 bar, D = 10 tấn/giờ, lượng nước xả lò Dx =

300 kg/giờ

Nhiệt năng do nước xả = Dx i’ = 63,56 kWTrong đó i’ là entanpi của nước ở trạng thái lỏng sôi ứng với áp suất 10 barTuy nhiên, do chứa cáu nên lượng nước này không dùng lại được mà phải có cách thu hồi nhiệt của nó

Một đặc điểm nữa của lượng nước này là: do đang ở áp suất cao, nên khi xả nước vào môi trường áp suất thấp sẽ làm bốc hơi một phần nước, hơi này có nhiệt độ cao khi bay ra gây nguy hiểm Do đó, cần có biện pháp cách ly lượng hơi này với môi trường bên ngoài Bên cạnh

đó, lượng hơi này cụng có nhiệt lượng đáng kể nên cũng cần có biện pháp thu hồi lại nguồn nhiệt thải này

Lượng nước xả lò hóa hơi (Flash steam) được tính qua phương trình cân bằng nhiệt sau (giả sử như nước được xả vào môi trường có áp suất 1,2 bar):

i’10.Dx = x.Dx.i’’1,2 + (1 – x)Dx.i’1,2Trong đó:

i’10 là entanpi của nước ở trạng thái lỏng sôi ứng với áp suất 10 bari’’1,2 là entanpi của hơi bão hòa ở áp suất 1,2 bar

i’1,2 là entanpi của nước ở trạng thái lỏng sôi ứng với áp suất 1,2 bar

x là tỷ lệ nước hóa hơi

Từ đó, ta tính được x = 14,41%

Nhiệt năng của lượng hơi này = x Dx i’’ = 32,22 kW

Từ đồ thị ta thấy, lượng hơi tuy chiếm tỷ lệ nhỏ nhưng nhiệt lượng của nó lại chiếm một

tỷ lệ khá lớn

Để có thể tách được hơi ra khỏi nước xả lò, người ta dùng bình phân ly