Lò Hơi Tầng Sôi - Lò hơi tầng sôi là một loại máy tạo hơi nước trong đó nhiên liệucháy trong điều kiện thủy động lực học đặc biệt gọi là trạng tháisôi hóa và truyền nhiệt lên bề mặt lò h
LÒ HƠI TẦNG SÔ
Lò hơi tầng sôi sủi bọt
- Hình bên cho thấy góc nhìn cắt của lò hơi tầng sôi sủi bọt, nơi nhiên liệu được đốt cháy trên một lớp chất rắn không cháy nóng (800-900°C) (tro, cát hoặc đá vôi). Sàn thường sâu 0,5 đến 1,5 m, được tạo ra bằng cách thổi không khí qua lưới lọc (được gọi là bộ phân phối ở vận tốc nhất định) Các hạt nhiên liệu cháy trong lớp này và truyền nhiệt đốt cháy sang chất rắn trơ Các chất rắn trên ghi lần lượt truyền nhiệt đến các bề mặt lò hơi được chèn trực tiếp vào sàn này và đến khí thải rời khỏi sàn.
2 Lò hơi tầng sôi tuần hoàn
- Hình bên cho thấy vận tốc không khí qua lướicao hơn nhiều được sử dụng Điều này tạo ra một cái sàn ít dày đặc hơn nhiều so với trong lò hơi tầng sôi sủi bọt nhưng nó kéo dài đến đỉnh lò Kết quả là, chất rắn liên tục rời khỏi lò Những chất rắn này được thu giữ trong một thiết bị phân tách khí và trở lại chân sàn với tốc độ đủ cao Việc tái chế
CÁC TÍNH NĂNG CỦA LÒ HƠI TẦNG SÔI
Ưu điểm
- Tính linh hoạt của nhiên liệu
Lò hơi tầng sôi có thể sử dụng nhiều loại nhiên liệu hơn với hiệu suất giảm ít hơn bất kỳ lò hơi nào khác Do đó, nó cho phép chủ nhà máy đa dạng hóa nguồn nhiên liệu, loại bỏ sự phụ thuộc với một nguồn nhiên liệu Tính năng linh hoạt về nhiên liệu của lò hơi tầng sôi cung cấp sự bảo vệ tốt hơn cho một nhà máy mới chống lại bất kỳ sự không chắc chắn nào trong tương lai trong việc cung cấp nhiên liệu Chất dễ cháy chiếm ít hơn 1% -3% trọng lượng của tất cả các chất rắn trong lò của lò hơi tầng sôi điển hình. Phần còn lại của chất rắn là chất không cháy: tro, cát hoặc chất hấp thụ
Tính năng này của lò hơi tầng sôi lý tưởng sẽ cho phép nó đốt cháy bất kỳ nhiên liệu nào mà không cần sự hỗ trợ của nhiên liệu phụ trợ, đảm bảo giá trị gia nhiệt của nó đủ để tăng không khí đốt và nhiên liệu cao hơn nhiệt độ đánh lửa của nó
- Kiểm soát khí thải sulfur dioxide
Không giống như các loại lò hơi khác, các quá trình đốt cháy và khai thác nhiệt tiếp tục đồng thời trong lò hơi tầng sôi Tính năng này cùng với khả năng trộn rắn tốt giúp lò hơi tầng sôi duy trì nhiệt độ gần như đồng đều trong toàn bộ lò Do đó, có thể duy trì nhiệt độ đốt cháy trong khoảng 800-900°C Khoảng nhiệt độ hẹp này là lý tưởng cho phản ứng sau đây để hấp thụ khí SO2 bằng đá vôi (CaCO3).
Sản phẩm phản ứng là một canxi sunfat rắn tương đối tốt, CaSO4 Vì vậy, nó có thể được xử lý trong bãi rác hoặc được sử dụng làm thạch cao
Mức khí thải oxit nitric điển hình từ lò hơi tầng sôi nằm trong khoảng 100-300 ppm (thể tích khô) Mức khí thải oxit nitric thấp như vậy là kết quả trực tiếp của nhiệt độ đốt cháy thấp trong quá trình nung tầng sôi Do đó, hầu hết các lò hơi tầng sôi có thể đáp ứng NOx địa phương, giới hạn khí thải mà không bị tổn thất không cháy hoặc bất kỳ khoản dự phòng bổ sung nào Khí thải thấp là một tính chất nội tại của quá trình đốt cháy tầng sôi Trong lò hơi thông thường, hầu hết các oxit nitơ đến từ quá trình oxy hóa nitơ trong không khí đốt Phản ứng này có ý nghĩa trên 1480°C Ở nhiệt độ cháy điển hình (800-900°C) của lò hơi tầng sôi, phản ứng trên là không đáng kể Tuy nhiên, nitơ nhiên liệu bị oxy hóa thành NOx, sau đó có thể được khử thành nitơ bằng cách bổ sung không khí theo giai đoạn trong lò hơi tầng sôi tuần hoàn.
2 Các tính năng cụ thể của lò hơi đốt than tầng sôi tuần hoàn (CFB)
Cuộc thảo luận ở trên liệt kê những ưu điểm chung cho cả l ò hơi tầng sôi sủi bọt và tuần hoàn (CFB) Lò hơi CFB được hưởng một số lợi thế bổ sung Chúng là như sau:
- Tiêu thụ chất hấp thụ thấp hơn để giữ lưu huỳnh
Lò hơi tầng sôi tuần hoàn cần gấp 1,5 đến 2,5 lần lượng đá vôi cân bằng để giảm 90% lượng phát thải SO2 so với 2,5 đến 3,5 đối với lò hơi tầng sôi sủi bọt Điều này được cho là do kích thước hạt mịn hơn và thời gian giữ hạt khí dài hơn được sử dụng trong lò hơi CFB. Thời gian giữ trung bình của khí trong vùng đốt của lò hơi sôi sủi bọt là theo thứ tự 1-2 giây, trong khi đó là 3-6 giây đối với CFB. Kích thước hạt trung bình của đá vôi trong một lớp sôi sủi bọt là
1000 um, trong khi đó trong CFB là 150 um Loại thứ hai có diện tích bề mặt riêng lớn hơn nhiều để phản ứng so với kích thước được sử dụng trong lò hơi ghi sủi bọt.
- Đốt cháy theo giai đoạn
Trong lò hơi CFB, không khí sơ cấp, đi qua lưới lọc hoặc xung quanh nó, nhỏ hơn một chút so với lượng cân bằng Phần còn lại của không khí đốt, chiếm 20% dư thừa, được bổ sung thêm trong lò Quá trình đốt cháy theo giai đoạn tiếp tục làm giảm NO, phát thải từ lò hơi CFB xuống khoảng 50-100 ppm.
- Khả năng kiểm soát tải công xuất tối đa và tối thiểu của lò hơi tốt
Trong lò hơi CFB, sự hấp thụ nhiệt trong lò có thể dễ dàng kiểm soát bằng cách thay đổi mật độ treo ở lò trên Điều này cho phép phản ứng nhanh hơn với tải khác nhau Trong lò hơi đốt than bột (PC), rất khó để duy trì tải rất cao nếu không có sự hỗ trợ của nhiên liệu dầu ( dầu có giá thành cao) Trong một đơn vị CFB, mật độ huyền phù có thể giảm xuống gần như không đáng kể, làm giảm sự hấp thụ nhiệt của lò xuống mức tự do của lò hơi sủi bọt
Do đó, có thể vận hành lò hơi CFB trong điều kiện tải rất thấp mà không cần sự hỗ trợ của nhiên liệu phụ trợ.
Có những thiếu sót nhất định của lò hơi tầng sôi Chúng được giải thích dưới đây.
- Yêu cầu công suất quạt cao hơn
Cả lò hơi sủi bọt và lò hơi tuần hoàn ( CFB) đều yêu cầu quạt gió cưỡng bức mạnh mẽ vì không khí đốt sơ cấp phải vượt qua áp suất của tấm lưới và khối lượng chất rắn tầng trong lò Mức tiêu thụ điện năng cao hơn này được bù đắp ở một mức độ nào đó bằng cách loại bỏ bộ nghiền bột.
- Khu vực ghi lớn (Tầng sôi sủi bọt)
Do tốc độ giải phóng nhiệt ghi thấp hơn, lò hơi tầng sôi sủi bọt sử dụng diện tích ghi lớn hơn lò hơi đốt than tro (PC) Tuy nhiên, khu vực này có thể so sánh với khu vực được sử dụng bởi lò hơi ống lò.
Lò hơi CFB sử dụng tốc độ giải phóng nhiệt ghi tương tự như lò hơi đốt than tro PC, nhưng có yêu cầu bổ sung là lốc xoáy và bộ trao đổi nhiệt bên ngoài Vì vậy, tổng diện tích nhà máy lò hơi có thể lớn hơn so với lò hơi đốt than tro PC.
- Tổn thất nhiệt bề mặt cao hơn (lò hơi CFB)
Lốc xoáy, hệ thống tái chế rắn và bộ trao đổi nhiệt bên ngoài là các thành phần bổ sung của lò hơi CFB Một số bề mặt này không được làm mát Do đó, tổn thất nhiệt đối lưu và bức xạ từ lò hơi CFB cao hơn so với lò hơi sủi bọt hoặc PC.
- Hiệu suất đốt cháy thấp hơn
Hiệu suất đốt cháy của lò hơi PC thông thường cao hơn lò hơi CFB vì nhiệt độ cháy cao hơn, kích thước hạt mịn hơn và thời gian cháy lâu hơn trong vùng đốt Tuy nhiên, lò hơi PC sử dụng không khí đốt quá mức và không khí dư thừa thấp để kiểm soát NOx sẽ có tổn thất dễ cháy cao hơn Hiệu suất đốt cháy của lò hơi CFB cao
Các hạn chế
Có những thiếu sót nhất định của lò hơi tầng sôi Chúng được giải thích dưới đây.
- Yêu cầu công suất quạt cao hơn
Cả lò hơi sủi bọt và lò hơi tuần hoàn ( CFB) đều yêu cầu quạt gió cưỡng bức mạnh mẽ vì không khí đốt sơ cấp phải vượt qua áp suất của tấm lưới và khối lượng chất rắn tầng trong lò Mức tiêu thụ điện năng cao hơn này được bù đắp ở một mức độ nào đó bằng cách loại bỏ bộ nghiền bột.
- Khu vực ghi lớn (Tầng sôi sủi bọt)
Do tốc độ giải phóng nhiệt ghi thấp hơn, lò hơi tầng sôi sủi bọt sử dụng diện tích ghi lớn hơn lò hơi đốt than tro (PC) Tuy nhiên, khu vực này có thể so sánh với khu vực được sử dụng bởi lò hơi ống lò.
Lò hơi CFB sử dụng tốc độ giải phóng nhiệt ghi tương tự như lò hơi đốt than tro PC, nhưng có yêu cầu bổ sung là lốc xoáy và bộ trao đổi nhiệt bên ngoài Vì vậy, tổng diện tích nhà máy lò hơi có thể lớn hơn so với lò hơi đốt than tro PC.
- Tổn thất nhiệt bề mặt cao hơn (lò hơi CFB)
Lốc xoáy, hệ thống tái chế rắn và bộ trao đổi nhiệt bên ngoài là các thành phần bổ sung của lò hơi CFB Một số bề mặt này không được làm mát Do đó, tổn thất nhiệt đối lưu và bức xạ từ lò hơi CFB cao hơn so với lò hơi sủi bọt hoặc PC.
- Hiệu suất đốt cháy thấp hơn
Hiệu suất đốt cháy của lò hơi PC thông thường cao hơn lò hơi CFB vì nhiệt độ cháy cao hơn, kích thước hạt mịn hơn và thời gian cháy lâu hơn trong vùng đốt Tuy nhiên, lò hơi PC sử dụng không khí đốt quá mức và không khí dư thừa thấp để kiểm soát NOx sẽ có tổn thất dễ cháy cao hơn Hiệu suất đốt cháy của lò hơi CFB cao hơn so với lò hơi tầng sôi sủi bọt vì vùng đốt trước đây kéo dài đến chiều cao 15-25 m của lò và phần lớn các hạt carbon không cháy rời khỏi lò được đưa trở lại lò Trong một tầng sôi sủi bọt, vùng đốt chính độ sâu 1-1,5 m Carbon không nung, thoát ra khỏi lò, không phải lúc nào cũng được tái sử dụng.
KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ TẦNG SÔI
Tầng cố định
Trong một tầng cố định, các hạt không di chuyển tương đối với nhau Khi khí đi qua chất rắn, nó tác dụng lực kéo lên các hạt, gây ra sự sụt giảm áp suất trên tầng Sự sụt giảm áp suất AP, trên một độ cao L, của một lớp đóng gói các hạt có kích thước đồng đều có tương quan như (Ergun, 1952)
∅d p ε 3 trong đó U là vận tốc bề mặt (tốc độ dòng chảy thể tích của khí trên một đơn vị diện tích của lưới). s là phần khoảng trống trong sàn và dp và ứ lần lượt là đường kớnh và tính hình cầu của chất rắn tầng Ngoài ra u và pg là độ nhớt và mật độ của khí, Tương ứng Vận tốc U, phải nhỏ hơn vận tốc đặc trưng Umf, được mô tả dưới đây.
Tầng sôi sủi bọt
Nếu tốc độ dòng khí qua một tầng cố định được tăng lên, sự sụt giảm áp suất tiếp tục tăng (Hình bên) theo công thức trước đó, cho đến khi vận tốc khí bề mặt đạt đến một giá trị tới hạn Umf, được gọi là vận tốc hóa sôi tối thiểu Đó là vận tốc mà tại đó lực kéo của chất lỏng bằng lực hấp dẫn trên hạt trừ đi lực nổi Ở giai đoạn này, các hạt nhẹ và trở nên dễ di động hơn Sau đó, tầng cố định biến thành tầng sôi.
Tốc độ dòng khí qua tầng không dẫn đến bất kỳ sự gia tăng nào trong việc giảm áp suất (Hình trên) Bằng cách đánh đồng AP/L với trọng lượng ghi ít hơn lực nổi, chúng ta có thể có được biểu thức cho vận tốc lưu chuyển tối thiểu:
U mf = μU d p ρ g =¿ trong đó do là đường kính trung bình thể tích bề mặt của các hạt,
C1 và C2 là các hàm của ε , μU , ∅ , etc Giá trị của hằng số thực nghiệm là C 1= 27,2; C2 = 0,0408 (Grace, 1982). Ở mức chất lỏng tối thiểu, tầng hoạt động như một chất lỏng giả.Đối với các hạt nhóm B và D (thường lớn hơn100 μUm , cát, tro hoặc chất hấp thụ), sự gia tăng hơn nữa lưu lượng khí có thể làm cho khí thừa chảy qua tầng dưới dạng bong bóng, như trong Hình 11-4.Những bong bóng này là những khoảng trống với rất ít chất rắn trong đó Do lực nổi, bong bóng nổi lên qua pha nhũ tương, bỏ qua các hạt Kích thước bong bóng tăng theo đường kính hạt, dp; vận tốc khí dư thừa U −U mf ; và vị trí của nó phía trên tấm phân phối hoặc lưới lọc.
Hình trên: Giảm áp suất so với đường cong vận tốc khí trong các loại ghi khác nhau.
3 Tầng nhanh ( Tầng sôi tuần hoàn)
(Tầng sôi tuần hoàn) Khi vận tốc hóa lỏng được tăng lên trên tầng sủi bọt, nó sẽ nở ra Cuối cùng, nó có thể dẫn đến sự phá vỡ của bong bóng vào trạng thái kết hợp liên tục hoặc bong bóng bị biến dạng Trạng thái này được gọi là tầng hỗn loạn Định nghĩa chính xác về trạng thái này và điểm chuyển tiếp sang giai đoạn này vẫn đang được tranh luận Một số (Rhodes, 1997) thích gọi chế độ này là sự chuyển đổi sang chế độ vận tải.
- Vận tốc đầu cuối Trong mọi trường hợp, nếu vận tốc khí qua tầng được tăng lên liên tục, một giá trị tới hạn khác, Ut ,, đạt được Nó được gọi là vận tốc đầu cuối Ở vận tốc này, lực cản trên các hạt riêng lẻ bằng trọng lượng của chúng, ít lực nổi Sử dụng hệ số cản của các hạt trong các chế độ dòng chảy khác nhau, biểu thức cho vận tốc cuối của các hạt hình cầu có thể thu được như (Basu &; Fraser, 1991);
- Tầng sôi nhanhTrước tiên chúng tôi cố gắng xác định nó trong bối cảnh lò hơi CFB Một tầng sôi nhanh là một huyền phù khí rắn tốc độ cao, nơi các hạt, được pha loãng bởi khí sôi trên vận tốc cuối của các hạt riêng lẻ, được thu hồi và quay trở lại đáy lò với tốc độ đủ cao để gây ra mức độ trào ngược rắn sẽ đảm bảo mức độ đồng đều nhiệt độ tối thiểu trong lò.
Một sự hiểu biết rõ ràng về sự chuyển đổi sang hoặc từ sự sôi hóa nhanh là thiếu tại thời điểm này Tuy nhiên, người ta thường nhận ra rằng để đạt được sự hóa lỏng nhanh, vận tốc bề mặt phải vượt quá một giá trị tối thiểu nhất định vượt quá vận tốc cuối cùng của các hạt trung bình, đồng thời chất rắn phải tái chế xuống ghi với tốc độ vượt quá giá trị tối thiểu Tại thời điểm viết, không có biểu thức đáng tin cậy nào để ước tính các giá trị quan trọng này của sự lưu chuyển nhanh Vì vậy, nhà thiết kế lò hơi có thể được hướng dẫn bởi các giá trị được sử dụng trong lò hơi CFB điển hình là 4-6 m / s ở tốc độ tuần hoàn trong khoảng 1-30 kg /m 2 s mặt cắt ngang của lò Kích thước hạt trung bình nằm trong khoảng 100-
300 um Tầng sôi nhanh cũng được sử dụng trong các ngành công nghiệp hóa dầu, nơi các hạt mịn hơn nhiều (