Các phương pháp giảm tổn thất nhiệt lò hơi

Nếu điều chỉnh không khí thừa quá nhiều thì lượng khói thải sẽ nhiều hơn làm tăng tổn thất do khói thải q2 giảm hiệu suất lò hơi.. Hoặc nếu lượng không khí thừa ít, sẽ làm cho quá trình

THUYẾT TRÌNH LÒ HƠI

ĐỀ TÀI 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM TỔN THẤT NHIỆT LÒ HƠI

YÊU CẦU:

- TRÌNH BÀY TẤT CẢ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM TỔN THẤT NHIỆT LÒ HƠI

- MỖI PHƯƠNG PHÁP LẤY VÍ DỤ CỤ THỂ, TÍNH TOÁN % TỔN THẤT NHIỆT GIẢM BỚT

- LÒ HƠI ĐỐT THAN CÓ THÀNH PHÂN LƯU HUỲNH LÀM VIỆC LÀ 0,7% HÃY XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ TỐI ƯU CỦA NHIỆT ĐỘ KHÓI THẢI

NHÓM 2

NGUYỄN MAI BÍCH TIÊN 20502909

NGUYỄN PHAN THÙY ANH 20504004

I.GIỚI THIỆU CHUNG

Trong lò hơi như chúng ta đã biết tồn tại năm tổn thất chính

- Tổn thất do khói thải mang ra ngoài.(q2)

- Tôn thất do cháy không hoàn toàn về hóa học (q3)

- Tổn thất do cháy không hoàn toàn về cơ học (q4)

- Tồn thất do tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh (q5)

- Tổn thất do tro xỉ mang ra ngoài (q6)

Tổng giá trị tổn thất tương đối khoảng từ 25%-30% do đó hiệu suất sử dụng nhiệt trong lò hơi rất thấp chỉ khoảng từ 70-75% Vậy bằng cách nào chúng ta có thể giảm những tổn thất này xuống đồng nghĩa với việc chúng ta sẽ nâng cao được hiệu suất sử dụng lò hơi, từ đó dẫn đến kết quả tiết kiệm năng lượng và hiệu quả kinh tế

Một số biện pháp sau đây có thể giúp chúng ta giảm đáng kể các tổn thất này như:

- Điều chỉnh hệ số không khí thừa hợp lý

- Xác định nhiệt độ khói thải hợp lý

- Bọc cách nhiệt ,tận dụng công suất lò

- Xác định lượng nước xả đáy hợp lý cũng như việc tận dụng nguồn nhiệt từ lượng nước

xả đáy

II PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH HỆ SỐ KHÔNG KHÍ THỪA

1 Vai trò của hệ số không khí thừa

Trong vận hành lò hơi, việc điều chỉnh hệ số không khí thừa (excess air) là 1 công việc rất quan trọng, việc quá nhiều hoặc quá ít không khí thừa đều gây ra những kết quả không mong muốn Nếu điều chỉnh không khí thừa quá nhiều thì lượng khói thải sẽ nhiều hơn làm tăng tổn thất do khói thải (q2) giảm hiệu suất lò hơi Hoặc nếu lượng không khí thừa ít, sẽ làm cho quá trình cháy nhiên liệu xảy ra không hoàn toàn, kết quả hình thành cacbon monoxide (CO) làm tăng tổn thất

do cháy không hoàn toàn về hoá học, mặt khác CO sinh ra sẽ bám lên thành lò có thể gây ra sự

nổ lò hơi Do vậy cái lỗi thường xảy ra ở đây là việc điều chỉnh dư lượng không khí thừa

Chúng ta đã khái quát được việc điều chỉnh dư hệ số không khí thừa sẽ làm giảm hiệu suất của lò hơi, nhưng cụ thể sự ảnh hưởng đó đến mức nào Bảng sau đây mô tả quan hệ của hệ số oxy thừa với hiệu suất của 1 lò hơi đã được trang bị các bộ phận giảm tổn thất và bộ sấy không khí

Nguồn từ: United States Department of Energy, Energy Efficiency Handbook

2 Ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ đến hệ số không khí thừa

Việc điều chỉnh hệ số không khí thừa được xác định dựa trên lượng không khí vào lò hơi Tuy nhiên thành phần oxy chứa đựng trong không khí là tác nhân tham gia vào quá trình cháy Và thành phần oxy trong không khí thay đổi theo áp suất và nhiệt độ không khí Khi nhiệt độ không khí giảm thì hàm lượng oxy trong không khí tăng lên và khí áp suất tăng lên thì hàm lượng oxy trong không khí tăng lên

Nhiệt độ không khí

Áp suất Phần trăm không khí thừa

Nguồn từ: United States Department of Energy, Energy Efficiency Handbook

3 Xác định hệ số không khí thừa tối ưu:

Giá trị tỉ lệ dƣ gió tối ƣu phụ thuộc vào loại nhiên liệu, công suất và chế độ hoạt động của lò Với các lò hơi hoạt động ở mức 50-100% công suất định mức, tỉ lệ dƣ gió tối ƣu đƣợc kiến nghị trong bảng sau đây

Trong thực tế, việc xác định tỉ lệ dư gió lý thuyết tương đối phức tạp vì chúng phụ thuộc vào thành phần nhiên liệu Do đó ta thường xác định tỉ lệ dư gió bằng cách đo nồng độ O2 hoặc CO2 trong khói thải Tỉ lệ dư gió theo nồng độ O2 được xác định bằng biểu thức sau:

Tỉ lệ dư gió

2

0

% 21 21

Như vậy để đánh giá xem lò hơi đang hoạt động có tỉ lệ dư gió tối ưu hay chưa ta chỉ cần xác định hàm lượng ôxy trong khói thải để tính ra tỉ lệ dư gió và đối chiếu với bảng trên

Bảng các mức khí dư điển hình với các lọai nhiên liệu khác nhau

4 Một số phương pháp kiểm soát hệ số không khí thừa

4.1 Sử dụng thiết bị phân tích Oxy cầm tay và đồng hồ đo lưư lượng khí để ghi các thông số

định kỳ giúp hướng dẫn người vận hành điều chỉnh lưu lượng khí nhằm đạt được vận hành tối ưu Có thể giảm khí dư lên tới 20%

4.2 Phổ biến nhất là thiết bị phân tích Oxy liên tục với đồng hồ đo lưu lượng khí được gắn bên

trong để đọc thông số, từ đó người vận hành có thể điều chỉnh lưu lượng khí So với hệ thống trước, thiết bị này có thể giúp giảm đươc thêm 10-15 %

4.3 Thiết bị phân tích Oxy liên tục tương tự có thiết bị van điều tiết điều khiển từ xa, từ đó các

thông số sẽ có sẵn trong buồng điều khiển Nhờ vậy nguời vận hành có thể kiểm soát từ xa nhiều hệ thống đốt cùng lúc

4.4 Thiết bị phức tạp nhất là hệ thống điều khiển van điều tiết tự động có chi phí rất cao còn

được gọi là Hệ thống O2 TRIM, chỉ phù hợp với những hệ thống lớn

a Nguỵên lý của hệ thống O2 TRIM

Dùng 1 cảm biến được lắp đặt ở đường khói thải của lò hơi để nhận biết lượng oxy trong khói thải cảm biến được nối với một bộ điều khiển liên tục nhận biết lượng oxy

và cung cấp tín hiệu điều chỉnh mắt gió hoặc van nhiên liệu để đảm bảo quá trình cháy xảy ra hoàn toàn với lượng không khí thừa là nhỏ nhất

b Khả năng tiết kiệm:

Oxy thừa % Natural Gas

Độ tăng hiệu suất = 1.0 - (hiệu suất lúc đầu / hiệu suất lúc sau)

Ví dụ: Từ 4.5% oxy thừa giảm xuống 2.0%

1.0 - (0.7972 / 0.8308) = 0.04044 = 4.04%

Bởi vì một số lò hơi được vận hành với một lượng oxy thừa rất lớn, cho nên lượng tiết kiệm được trong năm đầu tiên có thể cao hơn con số này Tuy nhiên theo Hays Cleveland lượng tiết kiệm mong đợi có thể từ 2 – 4%

c Chi phí lắp đặt

Chi phí cho việc lắp đặt O2 Trim tuỳ thuộc một phần vào kích thước của lò hơi và loại phân tích O2 cũng như độ chính xác trong việc điều chỉnh Đối với một lò hơi công suất 100-600HP (74,57-447,42 kW), thì chi phí đầu tư cho một hệ thống O2 TRIM là: Chi phí thiết bị 10.000 - 12.000 $

Chi phí cài đặt 5.000 – 7000 $ Chi phí thiết lập ban đầu và huấn luyện cài đặt 2.500 – 4.000 $

Chú ý rằng nếu phần trăm tiết kiệm là 4% thì thời gian thu hồi vốn có thể giảm xuống chưa tới 1 năm

Nhiệt độ không khí trong không gian đặt lò hơi t kkl = 30 0 C, c ppk = 1,3 kJ/m 3 độ

- Nhiệt trị thấp làm việc của nhiên liệu:

lv

t

Q = 339Clv + 1030Hlv – 109(Olv - Sclv) – 25Wlv = 339.87 + 1030.10,9 – 109(1,1 – 0,7) – 25.3 = 40676,1 (kJ/kg)

- Nhiệt vật lý của nhiên liệu :

H

V = 0,112.Hlv + 0,0124.Wlv + 0,0161 0

kk V

- Entanpi của khói thực :

95 , 4695 100

.

2 2

đv Q

Q q

Xác định hệ số không khí thừa hợp lý α = 1,2 khi này phân tích thấy hàm lượng CO = 0,06% Khi này

- Entanpi của hơi nước do không khí thừa mang vào :

- Entanpi của khói thực :

4224 100

.

2 2

đv Q

Q q

- Khi này tính được Q3 = 89,89, q3 = 0,22 %

- Tổng tổn thất : q2 + q3 = 10,56%

% 94 , 0

% 56 , 10

% 5 , 11 ) (q2 q3

III XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ KHÓI THẢI HỢP LÝ

1 Đặc điểm

- Khi nhiệt độ khói thải cao thì kéo theo hiệu suất của lò hơi giảm, do phải tốn nhiên liệu cung cấp vào lò để gia nhiệt cho không khí đến nhiệt độ khói Nếu không có giải pháp nào lấy lại lượng nhiệt này thì sẽ gây lãng phí, làm giảm hiệu suất của lò

- Mặt khác, nếu nhiệt độ khói thải tăng cao đột biến thì có thể ước chừng được rằng các bề mặt trao đổi nhiệt trong lò đang bị bám nhiều bụi, cặn bẩn Do đó, cần tiến hành làm vệ sinh lò

để tránh mất mát hiệu suất

- Nhưng nếu các giải pháp đưa ra làm giảm nhiệt độ khói thải xuống quá thấp, thì sẽ tạo điều kiện hình thành H2SO4 trên vách ống khói lò, đôi khi là trên các bề mặt trao đổi nhiệt do nhiệt các bề mặt này lun thấp hơn nhiệt độ khói

SO2 +1/2 O2 → SO3

Chiều thuận của phản ứng trên dễ xảy ra khi trong khói có chứa nhiều oxi (không khí thừa)

2 Xác định nhiệt độ đọng sương của khói

- Có thể xác định nhiệt độ khói thải bằng cách dựa theo đồ thị sau:

Tùy vào từng loại nhiên liệu có thành phần lưu huỳnh khác nhau mà nhiệt độ đọng sương cũng khác nhau, do đó chỉ cần khống chế nhiệt độ khói lớn hơn giá trị đọng sương để có lượng tổn thất q2 nhỏ nhất

- Dựa vào đồ thị, nhiệt độ đọng sương tăng cao đối với các loại nhiên liệu có thành phần lưu huỳnh 0% tới 1%, và khoảng 3000F(1500C) đối với nhiên liệu có 6%S

- BÀI TẬP: xác định nhiệt độ khói hợp lí với nhiên liệu có 0,7%S

Dựa vào đồ thị liên hệ trên, với nhiên liệu có 0,7%S thì nhiệt độ khói ra vào khoảng 1200C

3 Các giải pháp tận dụng nhiệt khói thải

ra dễ dàng hơn Và lƣợng khí nóng này đƣợc trích 1 phần để gia nhiệt cho nhiên liệu,

hòa trộn với nhiên liệu để cho nhiên liệu dễ cháy, tránh tình trạng cháy không hoàn toàn do không đốt chay hết nhiên liệu

Kinh nghiệm cho thấy nếu không khí trước khi đưa vào lò được gia nhiệt tăng khoảng

220C thì hiệu suất nhiệt tăng được 1%

Ví dụ: 1 lò hơi 600 HP, lắp đặt 1 bộ sấy không khí để tăng hiệu suất lên 1,5% thì sẽ tiết kiệm được chí phí nhiên liệu hàng năm là 8000$

( nguồn: lubrication management - http://www.lmtinfo.com)

Nhiệt độ không khí trong không gian đặt lò hơi t kkl = 30 0 C, c ppk = 1,3 kJ/m 3 độ

- Nhiệt trị thấp làm việc của nhiên liệu:

lv

t

Q = 339Clv + 1030Hlv – 109(Olv - Sclv) – 25Wlv = 339.87 + 1030.10,9 – 109(1,1 – 0,7) – 25.3 = 40676,1 (kJ/kg)

- Nhiệt vật lý của nhiên liệu :

H

V = 0,112.Hlv + 0,0124.Wlv + 0,0161 0

kk V

- Entanpi của khói thực :

95 , 4695 100

.

2 2

đv Q

Q q

Xác định hệ số không khí thừa hợp lý α = 1,2 khi này phân tích thấy hàm lượng CO = 0,06% Khi này

- Entanpi của hơi nước do không khí thừa mang vào :

- Entanpi của khói thực :

4224 100

.

2 2

đv Q

Q q

- Khi này tính được Q3 = 89,89, q3 = 0,22 %

- Tổng tổn thất : q2 + q3 = 10,56%

% 94 , 0

% 56 , 10

% 5 , 11 ) (q2 q3

Giảm nhiệt độ khói xuống còn t = 160 0 C

- Entanpi của sản phẩm cháy lý thuyết :

2496 100

.

2 2

đv Q

Q q

 2 10,3% 6,1% 4,2%

Khi giảm nhiệt độ khói thải thì hiệu suất nhiệt tăng thêm 4,2% Vậy tổng kết lại, nếu áp dụng

cả 2 phương pháp thì lò hơi đã tăng 5,4% hiệu suất

III NÂNG CAO HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU

1 Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về cơ học:

a Đặc điểm của tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về cơ học:

- Khi đốt nhiên liệu trong buồng lửa thì có một phần nhiên liệu chưa kịp cháy hết đã bị thải ra ngoài gọi là tổn thất nhiên liệu do cháy không hoàn toàn về cơ học

- Nhiên liệu thải ra ngoài theo 3 đường: theo xỉ, lọt xuống ghi và theo khói

- Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về cơ học chủ yếu là do đốt nhiên liệu rắn, đối với nhiên liệu lỏng và khí thì rất nhỏ nên có thể bỏ qua tổn thất này

- Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về cơ học rất khó xác định, nó phụ thuộc vào nhiều rất yếu tố khác nhau, người ta thường dùng phương pháp thực nghiệm để xác định

- Đối với lò công nghiệp thường bị tổn thất theo 2 đường: theo xỉ và lọt xuống ghi

- Đối với nhà máy nhiệt điện thường bị tổn thất do bay theo khói

Giá trị q 4 trong 1 số lò hơi:

-Khe hở của ghi là δ=3÷15mm

-Dùng than không nhỏ hơn độ lọt của ghi

-Kiểm tra ghi trong quá trình làm việc có bị cong vênh tạo khe hở lớn hơn dự kiến

 Bay theo khói:

-Nếu hạt than quá mịn thì dưới tác dụng của gió và áp suất trong lò sẽ bị bay theo khói ra ngoài mà chưa kịp cháy

-Cần chọn máy nghiền theo tính chất vật lý của nhiên liệu và công suất lò hơi

Vídụ: Thùng nghiền bi: nhiên liệu cứng, sản lượng hơi 20t/h

Giếng nghiền: nhiên liệu tương đối mềm, sản lượng hơi >12t/h Máy nghiền tốc độ trung bình: than đá, sản lượng hơi 12t/h

2 Tổn thất do tro xỉ

a Đặc điểm của tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về cơ học:

- Nhiên liệu cấp vào lò ở nhiệt độ khoảng 20÷40oC, xỉ ra khỏi lò có nhiệt độ khoảng

600÷1500oC, xỉ lại được thải ra ngoài, như vậy lượng nhiệt đó bị tổn thất

Ví dụ: tính tổn thất của lò phun xỉ lỏng dùng than B3 có Alv = 29,5% ; ax = 0,6 ; tx = 1500oC;

Cx = 1,117kJ/kg.C

Vậy :Q6 = 296,56 kJ/kg

b Cách giảm:

-Không thể giảm vì nhiệt độ xỉ ra khỏi lò là tự nhiên

- Dùng xỉ để hâm nước cho các hộ dùng nhiệt , thu hồi 1 phần nhiệt lượng bị tổn thất

IV.CÁCH NHIỆT VÀ TẬN DỤNG CÔNG SUẤT LÒ HƠI

1 Giới thiệu

- Bề mặt tường xung quanh của lò luôn có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ môi trường, vì thế luôn

có sự tỏa nhiệt bức xạ và đối lưu, gây tổn thất nhiệt ra môi truờng xung quanh

- Yếu tố ảnh hưởng: nhiệt độ, diện tích bề mặt xung quanh, hệ số tỏa nhiệt đối lưu

Q=α.F.∆t (α từ 4 tới 6 khi không khí yên tĩnh, 20 tới 30 khi không khí chuyển động)

2 Phương pháp cơ bản giảm tổn thất nhiệt do môi trường xung quanh

2.1 Bọc cách nhiệt tốt, thiết kế tường lò hợp lý

 Thông số kỹ thuật một số vật liệu cách nhiệt thông dụng

KHỔ RỘNG (m)

CHIỂU DÀI (m)

HỆ SỐ R(m2K/W)

=> Nhiệt độ bề mặt vách lò là 122oC, q5 = 1065w/m2

Lò hơi trên đƣợc bọc thêm một lớp cách nhiệt dày 0,1m có λ 3 = 0,05 w/(m2độ), họat động trong cùng điều kiện nhƣ trên

=> nhiệt độ bề mặt vách lò là 64oC, q5 = 398w/m2

2.2 Tăng công suất lò:

- Tổn thất do bức xạ và đối lưu tỉ lệ với diện tích bề mặt ngoài của một bộ phận, mà sức chứa của một bộ phận thì tỉ lệ với thể tích của nó, độ tăng diện tích nhỏ hơn độ tăng sản lượng lò nên tổn thât Q5 ứng với 1kg nhiên liệu giảm xuống Do đó, tổn thất truyền nhiệt, tính theo tỷ lệ phần trăm nhiên liệu đưa vào, của lò hơi nhỏ sẽ lớn hơn của lò hơi lớn

Biểu đồ thể hiện tổn thất do bức xạ và đối lưu cho các kích cỡ thông dụng của lò hơi, trích từ biểu đồ ABMA (bao gồm kiểu lò hơi vách nước và lò hơi hoạt động trong vùng

áp suất từ thấp tới vừa) Biểu đồ thể hiện hầu hết lò hơi có tổn thất truyền nhiệt thấp hơn 1% trừ khi họat động thấp tải, chỉ lò hơi có lưu lượng nhỏ hơn 30000lb/h có tổn thất này lớn hơn 1% Tuy nhiên, biểu đồ này thể hiện rằng với lò hơi nhỏ và vừa, họat động thấp tải sẽ chỉ đạt hiệu suất rất thấp Trong những nhà máy có nhiều lò hơi, việc tắt bớt lò hơi rất cần thiết để giúp các lò hơi đang họat động công suất lớn hơn nâng cao hiệu suất

- Hơn thế nữa, với loại lò hơi vách nước đuợc sử dụng phổ biến hiện nay (dùng cho nhiên liệu khí, tại các nước phát triển), nhiệt độ bề mặt ngòai vẫn gần như là hằng số với mọi lọai tải Nghĩa là tổn thất thật sự (tính bằng Btu/h) cũng là hằng số đối mọi lọai tải Vì thế, tổn thất nhiệt, tính theo % nhiên liệu đưa vào sẽ tăng khi giá trị đầu ra giảm

- Ví dụ: nếu Q5 là 1% khi chạy hết công suất, thì nó sẽ là 2% khi giảm 1/2 tải, và là 4% khi còn 1/4 tải

- Đứng trên quan điểm hiệu suất, sử dụng một bộ phận hoạt động gần hết công suất của nó

sẽ tốt hơn để hai bộ phận chạy chỉ với một nửa công suất Điều này đúng một cách đặc biệt đối với những bộ phận nhỏ Cũng thế, xây dựng nhiều lò hơi có kích cỡ khác nhau trong một nhà máy là một ưu điểm, và lò hơi nhỏ hơn có thể dùng để chạy khi cần tải thấp

2.3 Thực tế

- Việc đo đạc tổn thất qua bức xạ và đối lưu là phức tạp, khó khăn và ít khi được thực hiện Thay vào đó, biểu đồ tổn thất do bức xạ tiêu chuẩn của American Boiler Manufacturers Association (ABMA) – Hiệp hội Nhà sản xuất Lò hơi Hoa Kỳ (hình trên) được sử dụng

và chấp nhận rộng rãi như một biện pháp tính toán nhanh chóng Biểu đồ này rất phù hợp