Giáo trình - Lò công nghiệp - chương 3 potx

Ở quá trình đốt cháy hoàn toàn thì lượng không khí cung cấp cho quá trình cháy được đưa cả 100 % qua dưới ghi và có áp suất đủ lớn để thắng trở lực của ghi, của lớp than và tham gia phản

Chương 3 - THIẾT BỊ ĐỐT NHIÊN LIỆU

3.1.THIẾT BỊ ĐỐT NHIÊN LIỆU RẮN

3.1.1.SỰ CHÁY CỦA NHIÊN LIỆU RẮN

Khi đốt nhiên liệu rắn ta có quá trình cháy dị thể giữa thể rắn là viên than và thể khí là oxy của không khí cùng chất bốc của nhiên liệu Khi than được nung đến trên

200 0C thì chất bốc thoát ra Đó là các chất khí cháy được tách ra khỏi than như :H2,

CO, CH4, CnHm Lượng chất bốc phụ thuộc vào thành phần hoá học của than Than càng già và hàm lượng cacbon càng lớn thì nhiệt độ bắt đầu thoát ra chất bốc càng cao Sự cháy nhiên liệu rắn được tính từ khi chất bốc tham gia phản ứng cháy với oxy, sinh nhiệt năng và thúc đẩy quá trình cháy phát triển Khi kết thúc quá trình thoát chất bốc thì sự cháy của cacbon bắt đầu và đây là quá trình cháy chủ yếu với các phản ứng đặc trưng sau :

1 - Cháy cacbon ( cháy sơ cấp ) :

C + O2 = CO2 +399.253 kj/kmol

2C + O2 = 2CO +246.623 kj/kmol

2 - Phân huỷ CO2 và hơi nước ( cháy thứ cấp )

C + CO2 = 2CO - 162.530 kj/kmol

C + 2H2O = CO2 +2H2 - 65.294 kj/kmol

3 - Cháy tiếp khí CO ( cháy thứ cấp )

2CO + O2 = 2CO2 + 571.683 kj/kmol

Tốc độ cháy của nhiên liệu rắn phụ thuộc vào tốc độ phản ứng hoá học giữa oxy với cacbon, vào tốc độ khuếch tán của oxy Vì thế cần tạo cho gió có khối lượng và áp suất nhất định trong buồng đốt Than có ít chất bốc cần gió có áp suất lớn hơn so với than có nhiều chất bốc

Đốt cháy nhiên liệu rắn có thể theo hai quá trình : đốt cháy hoàn toàn và không hoàn toàn ( còn gọi là đốt bán khí ) Ở quá trình đốt cháy hoàn toàn thì lượng không khí cung cấp cho quá trình cháy được đưa cả 100 % qua dưới ghi và có áp suất đủ lớn để thắng trở lực của ghi, của lớp than và tham gia phản ứng cháy với cacbon Vì vậy, chiều dày của lớp than trên mặt ghi lò thường là 200 ÷ 250 mm và quá trình cháy xảy

ra chủ yếu trong buồng đốt Khi đốt cháy không hoàn toàn (chỉ thích hợp với than có

nhiều chất bốc) thì lớp than trên mặt ghi lò có chiều dày lớn hơn ( 300÷500 mm) và

chỉ cần 60 % lượng gió cần cấp ( gió cấp 1) đưa qua dưới ghi, 40 % còn lại ( gió cấp 2)

được đưa vào không gian phía trên buồng đốt để cháy tiếp khí CO bốc lên từ lớp than

3.1.2.CÁC LOẠI BUỒNG ĐỐT

3.1.2.1.Buồng đốt ghi phẳng

Cấu tạo của buồng đốt ghi phẳng đơn giản và các kiểu ghi lò được trình bày trên

hình 3-1 và 3-2

Loại ghi thanh được dùng nhiều với các loại than có kích thước trung bình và lớn

Loại ghi này chế tạo đơn giản, thay thế dễ dàng nhưng không dùng được với loại than

vụn và khó khăn trong việc đánh xỉ

Loại ghi tấm dùng để đốt than vụn, than cám với các buồng đốt có công suất nhiệt

nhỏ Nhược điểm của loại này là khó khăn trong việc làm sạch khi có xỉ mắc kẹt ở các lỗ

gió, dẫn đến việc than cháy không đều Khi có hư hỏng thường phải thay cả tấm

Các khe hở để không khí đi qua trên mặt ghi lò gọi là mắt ghi (mắt gió) Tỷ số

giữa diện tích mắt ghi - f, với diện tích toàn bộ mặt ghi-F (kể cả mắt ghi) gọi là tỷ lệ

mắt ghi Giá trị này được chọn phụ thuộc vào loại than theo bảng sau:

3.1.2.2.Buồng đốt ghi nghiêng

Loại buồng đốt này có công suất lớn hơn so với loại ghi phẳng và được trình bày trên hình 3-3

Cùng với ghi nghiêng, trong buồng đốt có một phần ghi phẳng, thường là ghi tấm chủ yếu là để hứng xỉ ở phần ghi nghiêng rơi xuống không gian chứa xỉ Cần chú ý chọn góc nghiêng β ( thường từ 35 ÷ 40O )cho phù hợp để đảm bảo quá trình cháy tốt

Ở buồng đốt ghi nghiêng thì quá trình cháy của nhiên liệu xảy ra liên tục, đều đặn hơn và nhiệt độ buồng đốt ít thay đổi so với buồng đốt ghi phẳng

Loại buồng đốt này thường dùng cho các loại than có nhiều chất bốc và có thể dùng đốt than kích thước nhỏ

3.1.2.3.Buồng đốt cơ khí

Tuỳ theo mức độ cơ khí hoá mà gọi là buồng đốt cơ khí hoặc bán cơ khí Có hai khâu chủ yếu cần cơ khí hoá : việc cấp than vào buồng đốt và thải xỉ ra ngoài Có hai cách cấp than : đưa than vào phía trên hoặc từ phía dưới ghi Việc thải xỉ thường kết hợp cơ khí và thủ công Trên hình 3-4 rình bày sơ đồ buồng đốt than cơ khí cấp than từ dưới lên

Việc cấp than vào buồng đốt từ phía trên ghi có thể dùng cơ cấu quay hoặc dùng không khí nén Ở các lò này việc đánh xỉ có thể dùng phương pháp lắc ghi, lật ghi

3.1.3.TÍNH TOÁN BUỒNG ĐỐT

3.1.3.1.Chọn kiểu buồng đốt

Việc chọn kiểu buồng đốt dựa vào công suất nhiệt, công nghệ lò và đặc điểm của nhiên liệu cung cấp cho quá trình cháy Chú ý xác định số lượng và cách bố trí buồng đốt phụ thuộc vào công suất nhiệt, kiểu lò và quy trình công nghệ Yêu cầu lắp đặt buồng đốt phải đảm bảo thuận lợi cấp nhiệt cho lò, thao tác công nghệ, thao tác vận hành của công nhân và sự hợp lý bố trí mặt bằng phân xưởng

3.1.3.2 Tính các kích thước cơ bản của buồng đốt

a.Ghi lò Có thể xác định diện tích bề mặt ghi lò theo hai công thức sau :

F =

R

B

F =

r

Q

B t d

28 , 0

Trong các công thức trên thì :

B - lượng than cần cung cấp, kg/h ;

R - cường độ cháy của ghi, kg/m2.h ;

Qt d - nhiệt trị thấp của than, kj/kg ;

r - cường độ nhiệt của ghi, W/m2

Các đại lượng R và r được chọn theo bảng sau :

Bảng 3-1 Cường độ cháy và cường độ nhiệt của ghi

b.Thể tích buồng đốt: V =

q

B

Q t

d.

Trong đó q là mật độ nhiệt thể tích của buồng đốt, W/m3, được chọn theo bảng sau:

Bảng 3-2 Mật độ nhiệt thể tích của ghi q

Buồng đốt của lò nung

Buồng đốt của lò sấy Dạng nhiên liệu

10 3.kcal/m 3 h 10 3.W/m 3 10 3.kcal/m 3 h 103.W/m 3

Than củi, than bùn 300÷ 400 348÷ 465 200÷ 250 232÷ 290

Nhiên liệu khí 200÷ 350 230÷ 407 200÷ 250 232÷ 290

c Chiều cao của buồng đốt: H =

F

V

Ngoài ra ta có thể xác định chiều cao buồng đốt phụ thuộc vào diện tích mặt ghi theo các kết quả khảo sát và thực nghiệm đối với than antraxit Việt nam như trình bày

ở bảng 3-3

Bảng 3-3.Quan hệ giữa chiều cao buồng đốt và bề mặt ghi.

TT Diện tích mặt ghi, m 2 Chiều cao buồng đốt, m

d.Chiều dài và chiều ngang buồng đốt Các kích thước này được xác định căn cứ

vào hướng cấöp nhiệt và điều kiện thao tác lò Chiều dài buồng đốt, theo quy ước là chiều mà sản phẩm cháy chuyển động dọc theo nó đi sang buồng lò Tỷ lệ giữa các chiều có thể chọn như sau :

chiều ngang / chiều dài = 1 ÷ 2, 3 (3-5)

Việc xác định chiều của buồng đốt phải kết hợp với chiều của buồng lò sao cho sản phẩm cháy có nhiệt độ cao nhanh chóng chuyển động qua buồng lò Cần chú ý đến sự thuận tiện và kinh tế khi bố trí việc xây dựng thi công buồng đốt và buồng lò

3.1.3.3 Tính tổn thất áp suất qua ghi lò và lớp than Để xác định đại lượng

này cần phải biết các công thức tính - phụ thuộc vào các loại nhiên liệu, buồng đốt, diện tích bề mặt ghi, lượng than cần đốt

Trong thực tế, khi tính hết các trở lực qua ghi lò và lớp than thì áp suất của gió khi vào dưới ghi được chọn khoảng 1000 ÷ 1200 N/m2 ( 100 ÷ 120 mm H2O ) Đối với các lò làm việc ở nhiệt độ trên 1000 0C, dùng than ít chất bốc, gió đưa cả 100 % qua ghi, có thể chọn áp suất gió dưới ghi là 1200 ÷ 1400 N/m2 Khi dùng than có chất bốc lớn thì áp suất gió có thể giảm đi nhiều

3.2.THIẾT BỊ ĐỐT NHIÊN LIỆU KHÍ

3.2.1 ĐĂC ĐIỂM CHUNG VÀ PHÂN LOẠI THIẾT BỊ

Qúa trình cháy trong thiết bị là cháy đồng thể do cả nhiên liệu và chất tham gia sự cháy đều ở thể khí Việc hoà trộn khí đốt với không khí rất quan trọng đối với quá trình cháy và được thực hiện trong các thiết bị đốt ( mỏ đốt ) Theo đặc điểm hoà trộn giữa khí đốt và không khí, người ta phân thiết bị đốt làm hai loại:

- Mỏ đốt tự hút Ở loại này, nhiên liệu và không khí được hoà trộn ngay trong thiết bị, vì thế hỗn hợp khi ra khỏi mỏ đốt vào buồng lò là cháy ngay Loại này có hệ số tiêu hao không khí nhỏ (n= 1, 05 ), thường dùng ở các lò không yêu cầu ngọn lửa dài hoặc dùng nhiên liệu nhiệt trị thấp

- Mỏ đốt lồng ống Ở loại này thìì không khí và nhiên liệu không hoà trộn trước trong thiết bị mà sự hoà trộn xảy ra trong buồng lò Nhiệt độ cháy của nhiên liệu thấp hơn so với loại trên vì thế thường dùng với nhiên liệu có nhiệt trị cao Để đảm bảo quá

trình cháy hoàn toàn cần có n = 1, 1 ÷ 1, 2 và có các biện pháp thích hợp để cải thiện cách hoà trộn khí đốt với không khí

3.2.2.MỎ ĐỐT LỒNG ỐNG

Mỏ đốt lồng ống thường được sử dụng trong các lò cần tập trung nhiệt để thực hiện một quá trinhg công nghệ, dùng nhiên liệu có nhiệt trị cao So với mỏ đốt tự hút thì loại này có những ưu điểm sau:

- Kích thước nhỏ hơn nhiều khi có cùng một công suất

- Ít có khả năng lửa cháy lan vào trong mỏ đốt nên phạm vi điều chỉnh công suất rộng

- Có thể làm việc với khí đốt và không khí nhiệt độ cao do được nung trước (khi điều kiện cho phép )

- Mỏ đốt và các thể xây của lò gần mỏ đốt làm việc bền hơn do vùng cháy nằm cách xa mỏ đốt

Tuy nhiên, mỏ đốt lồng ống cũng có nhược điểm :

- Cần có hệ số tiêu hao không khí lớn ( n = 1, 1 ÷ 1, 15 ) ; phải nung nóng trước khí đốt và không khí nếu không thì nhiệt độ cháy thực tế có thể giảm 100 ÷200 OC

- Phải dùng quạt gió để cung cấp không khí cho mỏ đốt, phải có cơ cấu điều chỉnh sự hoà trộn khí đốt và không khí

Mỏ đốt lồng ống thông thường có cấu tạo như trên hình 3-5

Hình 3-5 Sơ đồ mỏ đốt lồng ống

1-đường dẫn khí đốt; 2- đường dẫn không khí; 3- lỗ quan sát

Ở đây, ống trong dẫn khí đốt, còn ống ngoài dẫn không khí Để đảm bảo cho nhiên liệu cháy hoàn toàn thì n = 1, 1 ÷ 1, 15 ; khi cần ngọn lửa dài theo chiều dài lò

thì nên có n = 1, 0 ÷ 1, 05 Tốc độ khí đốt ra khỏi miệng mỏ đốt cần : 80 ÷ 100 m/s,

còn tỷ số tốc độ giữa không khí và khí đốt ở miệng ra của mỏ đốt là 1:2 hoặc 1:3 Loại

mỏ đốt này dùng có hiệu quả ở các lò nung lớn dùng khí thiên nhiên Một số thông số

được trình bày trong bảng 3-4

Bảng 3-4 Một số thông số kỹ thuật của mỏ đốt lồng ống

-Áp suất trong ống dẫn trước mỏ đốt, mm H2O

- Tốc độ, m/s

+ Trong ống dẫn và tại miệng vào mỏ đốt 10÷15 8÷10

+ Tại tiết diện ra khỏi mỏ đốt

* Khi lưu lượng cực đại ≤80÷100 ≤80÷100 25÷30

3 - Hệ số trở lực tại tiết diện ra của mỏ đốt 1, 5÷1, 7

Để có quá trình cháy tốt hơn người ta dùng mỏ đốt lồng ống có dòng xoáy.Hình

3-6 mô tả mỏ đốt lồng ống có cánh tạo xoáy gắn trên đầu ống phun khí đốt Tốc độ

chuyển động của khí đốt khoảng 15 m/s và nếu khí đốt lò cốc thì có thể làm việc với

công suất từ 6 ÷ 85 m3/h

Hình 3-6 Sơ đồ mỏ đốt lồng ống có cánh tạo xoáy

1- đường dẫn khí đốt; 2- đường dẫn không khí ; 3- cánh tạo xoáy

Người ta thường dùng mỏ đốt có cấu trúc đặc biệt để tạo chuyển động quay cho không khí như ở hình 3-7 Nhiên liệu có tốc độ lớn, khi vào mỏ đốt gặp dòng không khí xoáy nên bị phân nhỏ vì vậy làm cho hỗn hợp được hoà trộn tốt hơn Loại mỏ đốt này làm việc với n = 1, 1 Chiều dài ngọn lửa gấp khoảng 7 ÷ 10 lần đường kính miệng

ra của hỗn hợp Tốc độ của hôîn hợp tại miệng ra khỏi mỏ đốt thường là 15 ÷ 40 m/s Để có tốc độ 40 m/s thì áp suất của khí đốt và không khí cần là 4, 9÷6, 9 kN/m2

Hình 3-7 Sơ đồ mỏ đốt lồng ống có dòng xoáy

1 - ống dẫn không khí; 2- phần đầu mỏ đốt; 3- ống dẫn khí đốt; 4- cửaquan sát

3.2.3.MỎ ĐỐT TỰ HÚT

Mỏ đốt tự hút được sử dụng ở các lò có kích thước nhỏ hoặc không cần ngọn lửa dài Để có thể hút được không khí tham gia vào quá trình cháy thì yêu cầu nhiên liệu (khí đốt) khi vào mỏ đốt phải có áp suất lớn Không khí có thể lấy tự nhiên hoặc do quạt gió cung cấp (đối với lò cần công suất nhiệt lớn ).Sau đây là các ưu, nhược điểm của mỏ đốt tự hút:

- Ưu điểm :

+ Khí được đốt cháy hoàn toàn với hệ số tiêu hao không khí nhỏ;

+ Quá trình cháy nhanh, ổn định và ngọn lửa ngắn;

+ Không cần quạt gió đối với lò công suất thấp

- Nhược điểm :

+ Yêu cầu khí đốt phải có áp suất lớn.Khi đốt khí có nhiệt trị thấp thì pK ≥1000

mm H2O; với khí có nhiệt trị cao pK ≥5000 mm H2O ;

+ Giới hạn điều chỉnh công suất mỏ đốt hẹp vì để tránh sự cháy lan từ lò vào mỏ đốt;

+ Cấu tạo phức tạp và có kích thước lớn so với mỏ đốt lồng ống

Do quá trình hoà trộn khí đốt với không khí xảy ra trong thiết bị nên trong mỏ đốt có bộ phận riêng biệt gọi là ống hoà trộn Theo cấu trúc, mỏ đốt tự hút được chia làm hai loại :

- Loại thứ nhất là mỏ đốt tự hút một ống dẫn (ống dẫn khí đốt) Loại này làm

việc với không khí lạnh lấy ngay tại nơi đặt thiết bị, được trình bày trên hình 3-8

Hình 3-8 Sơ đồ mỏ đốt tự hút một ống dẫn

1- đầu ống phun khí đốt; 2- ống nhỏ dần; 3- ống hoà trộn; 4- ống lớn dần; 5- cơ

cấu điều chỉnh lưu lượng gió

Khí đốt có áp suất cao đi vào đầu ống phun khí (1) Khí ra khỏi ống phun có tốc độ lớn, tạo chân không vùng xung quanh và hút không khí từ ngoài vào qua cơ cấu điều chỉnh (5) Quá trình hoà trộn khí đốt với không khí ở trong ống (3) Để đảm bảo hoà trộn tốt, tỷ số chiều dài với đường kính của ống hoà trộn phải lớn hơn 7 Sau đó hỗn hợp qua ống (4), đầu mỏ đốt chuyển động vào lò Mỏ đốt này có cấu tạo đơn giản, lắp đặt thuận tiện

Để tránh sự cháy lan vào trong mỏ đốt, yêu cầu áp suất tối thiểu của khí như sau : Với :

- Khí hoá than - pmin là 981, N/m2;

- Khí hỗn hợp lò cốc + lò cao - 1960 - ;

- Loại thứ hai là mỏ đốt tự hút hai ống dẫn ( ống dẫn khí đốt và ống dẫn không

khí) Loại này thường làm việc với không khí nóng được cấp từ quạt gió hay hút qua thiết bị trao đổi nhiệt, được trình bày trên hình 3-9

Hình 3-9 Sơ đồ mỏ đốt tự hút hai ống dẫn

Khí đốt được đưa vào ống dẫn(1), qua ống nhỏ dần(3), gặp không khí nóng đưa vào qua ống (2) Hỗn hợp hoà trộn trong ống (4) qua ống lớn dần(5) và đầu mỏ đốt(6) để vào cháy trong buồng lò Để bảo vệ đầu mỏ đốt, người ta làm mát nó bằng nước qua ống (7) Đề phòng hiện tượng tự bốc lửa của hỗn hợp trong mỏ đốt, yêu cầu nhiệt độ của khí đốt và không khí khi vào thiết bị như sau :

- Khí lò cao < 480 OC ;

- Khí hỗn hợp lò cao +lò cốc < 400 OC ;

- Không khí < 500 OC ;

- Hỗn hợp khí + không khí ≤ 400 OC

Để tránh hiện tượng cháy lan vào trong mỏ đốt cần phải bảo đảm tốc độ của hỗn hợp khi ra khỏi mỏ đốt lớn hơn tốc độ lan truyền của ngọn lửa từ buồng lò vào Ở khu vực bố trí mỏ đốt cần phải xây tường lò bằng vật liệu có khả năng chịu nhiệt cao do ngọn lửa cháy ngay gần đầu mỏ đốt.Tiết diện phần kênh dẫn ở tường lò, nơi hỗn hợp từ mỏ đốt đi qua vào buồng lò phải lớn hơn tiết diện miệng ra của mỏ đốt từ 7 ÷ 8 lần

3.3.THIẾT BỊ ĐỐT NHIÊN LIỆU LỎNG

3.3.1.ĐĂC ĐIỂM CHUNG VÀ PHÂN LOẠI THIẾT BỊ

Nhiên liệu lỏng khi đốt phải biến thành các hạt bụi để tăng nhanh quá trình nung nóng đến nhiệt độ bắt lửa, tăng bề mặt tiếp xúc và xáo trộn tốt giữa nhiên liệu và không khí Thiết bị đốt nhiên liệu lỏng trong lò công nghiệp gọi là mỏ phun Thiết bị này có nhiệm vụ làm biến bụi nhiên liệu, đưa hỗn hợp chất biến bụi và nhiên liệu vào đốt cháy ở trong lò Mỏ phun cần thoả mãn các yêu cầu sau :

- Biến dòng nhiên liệu thành bụi nhỏ và hoà trộn tốt với không khí;

- Đảm bảo quá trình cháy ổn định, duy trì chiều dài ngọn lửa cần thiết;

- Cấu tạo đơn giản, có độ tin cậy trong bảo quản vận hành, không gây bẩn, tắc mỏ phun, dễ dàng vệ sinh

Phụ thuộc vào môi chất biến bụi và áp suất, các mỏ phun được chia làm hai loại :

- Mỏ phun thấp áp Ở loại này môi chất biến bụi là không khí có áp suất không

cao, nung nóng đến 300 OC và toàn bộ lượng không khí cần cháy nhiên liệu được cấp qua mỏ phun vì thế nhiên liệu được cháy hoàn toàn

- Mỏ phun cao áp Ở loại này môi chất biến bụi là không khí nén hoặc hơi nước

cao áp Nếu là không khí nén thì chỉ có 7 ÷ 12 % lượng không khí cần đốt nhiên liệu

đi qua mỏ phun, phần còn lại là không khí thứ cấp đi qua kênh riêng Nếu là hơi nước thì toàn bộ lượng không khí cần thiết cho quá trình cháy được coi như không khí thứ cấp và có thể nung trước đến nhiệt độ cao (1000 ÷ 1200 OC) Loại mỏ phun này được sử dụng trong lò có nhiệt độ cao, dung tích lớn

Đặc tính của hai loại mỏ phun trên được trình bày trong bảng 3-5 Ngoài ra còn có loại mỏ phun cơ học mà quá trình biến bụi là nhờ tốc độ mazut ra từ miệng phun rất lớn và tự phân thành bụi nhỏ

Bảng 3-5 Các đặc tính của mỏ phun thấp áp và mỏ phun cao áp

Mỏ phun Đặc tính

quạt cấp

1 Không khí nén

2 Hơi nước

Lượng chất biến bụi(không khí), % của tổng lượng

không khí cần đốt cháy nhiên liệu

Lượng không khí đợt hai, % của tổng lượng không

2 100

2 0, 8

300