Tính toán và thiết kế lò hơi tầng sôi công suất 6 tấn hơi giờ đốt nhiên liệu trấu nghiên cứu và hệ thống các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong lò hơi công nghiệp

Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: - Tìm hiểu chung về công nghệ lò hơi tầng sôi - Phương pháp tính toán thiết kế lò hơi tầng sôi - Tính nhiệt & thiết kế sơ bộ lò hơi tầng sôi đ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA HÀ NỘI

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

-ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Họ và tên: Phạm Như Cương Khóa: 54

Khoa:Viện KH&CN Nhiệt – Lạnh Ngành:Kỹ thuật Nhiệt – Lạnh

1 Đề tài đồ án:

Tính toán và thiết kế lò hơi tầng sôi công suất 6 tấn hơi/giờ đốt nhiên liệu trấu Nghiên cứu và hệ thống các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong lò hơi công nghiệp.

Số liệu ban đầu:

- Sản lượng hơi: 6 tấn hơi/giờ

- Áp suất hơi bão hòa: P bh = 6 bar

2 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

- Tìm hiểu chung về công nghệ lò hơi tầng sôi

- Phương pháp tính toán thiết kế lò hơi tầng sôi

- Tính nhiệt & thiết kế sơ bộ lò hơi tầng sôi đốt trấu công suất 6 tấn/h

- Nghiên cứu, hệ thống các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong lò hơi công nghiệp

- Tính toán tiềm năng tiết kiệm năng lượng chi tiết cho 02 giải pháp đề xuất

3 Các bản vẽ và đồ thị:

- 1 bản vẽ A0 “Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của lò hơi tầng sôi”

- 1 bản vẽ A0 “Bản thể lò hơi” và “Bố trí mặt bằng cho lò hơi”

- Các bản vẽ chi tiết có liên quan đến bài thiết kế.

4 Cán bộ hướng dẫn:

 Tính toán và thiết kế lò hơi tầng sôi công suất 6 tấn

hơi/giờ đốt nhiên liệu trấu (70%)

Ths Trần Huy Cấp

 Nghiên cứu và hệ thống các giải pháp tiết kiệm

năng lượng trong lò hơi công nghiệp (30%)

Ths Trần Huy Cấp

5 Ngày giao đề tài đồ án: 12/02/2014

6 Ngày hoàn thành đề tài đồ án: 12/06/2014

Hà Nội, ngày………tháng………năm 20……

(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)

Vì chưa có nhiều kinh nghiệm thực tế, chỉ dựa vào lý thuyết đã học, mặc

dù đã cố gắng trong quá trình tính toán, thiết kế đồ án nhưng vẫn không tránhkhỏi những thiếu sót Em kính mong nhận được sự quan tâm cùng nhận xétđóng góp từ phía các thầy cô trong Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt -Lạnh, các bạn trong ngành kỹ thuật Năng Lượngđể kiến thức của em ngàycàng hoàn thiện hơn và rút ra được những kinh nghiệm bổ ích có thể áp dụngvào thực tiễn một cách hiệu quả trong tương lai

Em xin chân thành cảm ơn!

[Type the document title]

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản đồ án này do tôi tự tính toán, thiết kế và nghiêncứu dưới sự hướng dẫn củathầy giáo: Ths Trần Huy Cấp và Ths NguyễnVăn An

Để hoàn thành đồ án này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu đã ghi trong mụctài liệu tham khảo, ngoài ra không sử dụng bất cứ tài liệu nào khác mà khôngđược ghi

Nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định

Sinh viên thực hiện

(Ký, ghi rõ họ tên)

Phạm Như Cương

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

PHẦN CHUNG

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ LÒ HƠI TẦNG SÔI CÔNG SUẤT 6 TẤN HƠI/GIỜ ĐỐT NHIÊN LIỆU TRẤU 3

CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT TẦNG SÔI 4

1.1 Giới thiệu sơ lược về tầng sôi 4

1.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển 4

1.1.2 Khái niệm về lớp sôi 5

1.2 Cơ chế quá trình tạo tầng sôi 5

1.3 Đặc điểm công nghệ lò hơi tầng sôi 7

1.3.1 Phương thức sôi bọt (BFB) 8

1.3.2 Phương thức sôi tuần hoàn (CFB) 9

1.4 Ưu điểm và nhược điểm của lò hơi tầng sôi 10

1.4.1 Ưu điểm của lò hơi tầng sôi 10

1.4.2 Nhược điểm của lò hơi tầng sôi 12

1.5 Tiềm năng sử dụng lò tầng sôi vào thực tế ở Việt Nam 12

CHƯƠNG II PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THIẾT KẾ LÒ HƠI TẦNG SÔI 14

2.1 Những vấn đề cơ bản khi tính toán thiết kế lò hơi tầng sôi 14

2.2 Thiết kế và tính toán lò hơi tầng sôi bọt (BFB) 15

2.2.1 Các vấn đề về thiết kế lò hơi BFB 15

2.2.2 Tính chọn một số thông số thiết kế buồng đốt 17

2.2.3 Tính nhiệt buồng đốt BFB 18

2.2.4 Thiết kế ghi cấp gió 24

CHƯƠNG III TÍNH TOÁN THIẾT KẾ LÒ HƠI TẦNG SÔI ĐỐT TRẤU .27

3.1 Các thông số thiết kế 27

[Type the document title]

3.2.1 Tính thể tích lý thuyết và thể tích thực tế của sản phẩm cháy 29

3.2.2 Xác định entanpi của sản phẩm cháy 30

3.2.3 Tính cân bằng nhiệt và lượng tiêu hao nhiên liệu 32

3.3 Tính tốc độ gió tới hạn 34

3.4 Xác định hình dạng lò hơi 35

3.5 Tính nhiệt buồng lửa 40

3.5.1 Tính phần tầng sôi 40

3.5.2 Tính lượng nhiệt trao đổi trong phần trên lớp sôi 45

3.6 Tính trao đổi nhiệt trong cụm ống lửa 45

3.7 Tính nhiệt bộ hâm 54

3.8 Tóm tắt kết quả tính toán thiết kế lò hơi tầng sôi 6 tấn/giờ 59

PHẦN CHUYÊN ĐỀ

NGHIÊN CỨU VÀ HỆ THỐNG CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG LÒ HƠI CÔNG NGHIỆP 60

CHƯƠNG IV TIỀM NĂNG TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG LÒ HƠI CÔNG NGHIỆP 61

4.1 Giới thiệu loại hình lò hơi công nghiệp 61

4.2 Nguyên lý cấu tạo và làm việc của một số dạng lò hơi công nghiệp 62

4.2.1 Lò hơi ống lò - ống lửa 62

4.2.2 Lò hơi đốt ghi 63

4.2.3 Lò hơi sử dụng nhiên liệu phun 69

4.2.4 Lò hơi buồng lửa tầng sôi 72

4.3 Các giải pháp tiết kiệm năng lượng tiềm năng trong lò hơi công nghiệp 74

4.3.1 Mục đích, cơ sở nghiên cứu các giải pháp tiết kiệm năng lượng lò hơi 74

4.3.2 Các giải pháp sử dụng năng lượng hiệu quả 75

CHƯƠNG V ĐỀ XUẤT TÍNH TOÁN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG LÒ HƠI CÔNG NGHIỆP 86

5.1 Mô tả hệ thống cấp nhiệt 86

5.2 Đề xuất, tính toán giải pháp tiết kiệm năng lượng trong lò hơi 88

5.2.1 Giải pháp thay thế nhiên liệu lò hơi 88

5.2.2 Giải pháp lắp đặt bộ quá nhiệt 93

KẾT LUẬN 97

TÀI LIỆU THAM KHẢO 98

PHỤ LỤC 99

[Type the document title]

MỞ ĐẦU

Năng lượng đang chứng tỏ vai trò quan trọng trong quá trình phát triểnkinh tế - xã hội và trở thành vấn đề mang tính chất toàn cầu Hiện nay, việckhai thác và sử dụng năng lượng đặt loài người đứng trước hai thách thức:thiếu hụt nguồn năng lượng trong tương lai và ô nhiễm môi trường Bởi vậy,việc sử dụng năng lượng một cách tiết kiệm, có hiệu quả, sử dụng các nguồnnăng lượng mới là rất quan trọng và cần thiết trong chiến lược và chính sáchphát triển năng lượng của mỗi quốc gia

Ở Việt Nam, năng lượng sinh khối là một nguồn năng lượng tái tạo cótiềm năng Với lợi thế một quốc gia nông nghiệp, Việt Nam rất đa dạng vàphong phú về các nguồn sinh khối như bã mía, trấu, vỏ cà phê, gỗ củi,…nhưng chỉ có một phần nhỏ được sử dụng làm nhiên liệu đốt tạo ra nănglượng Trong đó, trấu là một nguồn sinh khối quan trọng nhưng chưa đượckhai thác triệt để Một phần nhỏ khối lượng trấu được dùng để làm thức ăn giasúc, sản xuất phân bón, ván ép, nhiên liệu đốt dùng trong các gia đình nôngthôn, nhiều cơ sở công nghiệp và tiểu thủ công nghiệp như: lò nung gạchtruyền thống, nung vôi, nung gốm,… Vẫn còn một lượng lớn trấu dư thừađang bị đổ ra môi trường Trong công nghiệp, công nghệ lò hơi đốt trấu có thểcung cấp tốt nhu cầu về nhiệt và hạn chế được nạn ô nhiễm môi trường Bêncạnh đó, nguồn lợi từ việc bán tro trấu sẽ giảm được chi phí vận hành cũngnhư đầu tư thiết bị

Kỹ thuật lớp sôi được áp dụng trong lò hơi mang lại những ưu điểm sovới các loại lò hơi khác như: có thể đốt được các loại nhiên liệu sinh khối, có

độ ẩm cao, có chất lượng nhiên liệu không đồng đều Lò hơi tầng sôi có thể

sử dụng các loại nhiên liệu như than cám, các phụ phẩm nông nghiệp nhưtrấu, mùn cưa, bã mía,… để giảm chi phí nhiên liệu cho doanh nghiệp, thêmvào đó làm giảm ô nhiễm môi trường Việc xây dựng lò hơi tận dụng nguồnnhiên liệu trấu từ địa phương và khu vực không chỉ góp phần đảm bảo an ninhnăng lượng, mang lại hiệu quả cho nền kinh tế mà còn có ý nghĩa trong việcgiải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường hiện nay và tăng thu nhập cho ngườidân qua việc bán trấu làm chất đốt Vì vậy, việc nghiên cứu công nghệ tầng

sôi đốt trấu đạt hiệu quả cao, phục vụ nền kinh tế - xã hội giúp giải quyếtđược nhu cầu bức thiết trong tiến trình phát triển đất nước.

Hiện nay, tiết kiệm năng lượng cũng đang là một trong những chủ đềnóng và trởthành một khâu then chốt trong chiến lược phát triển kinh kế.Muốn vậy, phải chỉra được những biện pháp hữu hiệu nhằm tiết kiệm nănglượng Trong sản xuất công nghiệp, thiết bị lò hơi là một trong những nơi dễthất thoát năng lượng Có thể khi lắp đặt các thiết bị cho lò vẫn có nhữngđiểm chưa thật hoàn thiện, đồng thời các tổn thất năng lượng càng tăng dầntrong quá trình sửdụng.Do đó, việc nghiên cứu biện pháp tiết kiệm nănglượng trong hệ thống lò hơi là cần thiết, góp phần tiết kiệm nguồn dự trữ nănglượng quốc gia

Với hy vọng đóng góp một phần nhỏ vào quá trình nghiên cứu này, đề

tài đồ án của em: “Tính toán và thiết kế lò hơi tầng sôi công suất 6 tấn hơi/giờ đốt nhiên liệu trấu Nghiên cứu và hệ thống các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong lò hơi công nghiệp” Đưa ra những tính toán cụ thể cho sơ

đồ thiết kế lò hơi, tính toán lựa chọn thiết bị Ngoài ra còn nghiên cứu, hệthống và đề xuất tính toán giải pháp tiết kiệm năng lượng trong lò hơi côngnghiệp

Nội dung của bản đồ án bao gồm:

PHẦN CHUNG: Tính toán thiết kế lò hơi tầng sôi 6 tấn/h đốt trấu

Chương 1: Cơ sở lý thuyết tầng sôi

Chương 2: Phương pháp tính toán thiết kế lò hơi tầng sôi

Chương 3: Tính toán thiết kế lò hơi tầng sôiđốt trấu

PHẦN CHUYÊN ĐỀ: Nghiên cứu và hệ thống các giải pháp tiết kiệm

năng lượng trong lò hơi công nghiệp

Chương 4: Tiềm năng tiết kiệm năng lượng trong lò hơi công nghiệp

Chương 5: Đề xuất tính toán tiết kiệm năng lượng trong lò hơi côngnghiệp

[Type the document title]

PHẦN CHUNG

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ LÒ HƠI TẦNG SÔI

CÔNG SUẤT 6 TẤN HƠI/GIỜ ĐỐT NHIÊN LIỆU TRẤU

CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT TẦNG SÔI

1.1Giới thiệu sơ lược về tầng sôi

1.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển

Kỹ thuật tầng sôi được phát minh đầu tiên vào năm 1910 của hai tác giảngười Anh là Phillips và Bukteel Mới đầu, kỹ thuật này chỉ áp dụng vào cáccông nghệ xúc tác, chọn quặng, sấy,… cho đến những năm 40 thì bắt đầuđược sử dụng vào các quá trình cháy nhiên liệu trong buồng lửa và phát triểnmạnh từ những năm 1970 đến năm 1980 Cùng với thời gian, kỹ thuật này đãphát triển và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực

Ứng dụng sớm nhất của công nghệ tầng sôi là thiết bị hóa khí của FritzWinkler, người Đức(năm 1921) Tuy nhiên, sau đó lý thuyết mới về côngnghệ hỗn hợp khí-rắn không được phát triển Đến những năm 50, công nghệnày được ngành dầu hỏa ứng dụng để cracking dầu nặng Những cố gắng ápdụng 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 đượcmệnh danh là “cha đẻ của lò tầng sôi” đã thúc đẩy việc ứng dụng lò hơi tầngsôi để sản xuất hơi Sự phát triển của kỹ thuật đốt tầng sôi làm giảm bớtnhững trở ngại do phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch Lò tầng sôi đốtđược tất cả các loại nhiên liệu, kể cả các loại nhiên liệu xấu và có hàm lượngtro và lưu huỳnh cao Lò tầng sôi đốt cháy nhiên liệu trong một điều kiện thủyđộng đặc biệt gọi là thể sôi, sự truyền nhiệt cho bề mặt hạt nhiên liệu và dànống sinh hơi thông qua một lớp phân tử rắn không cháy Trong đó nhiên liệuđược đốt cháy trong một lớp vật chất nóng (800÷900oC) với những hạt khôngcháy như tro, cát, đá vôi

Năm 1965, chương trình nghiên cứu lò đốt lớp sôi (FBC) được bắt đầutại Mỹ và cho thấy lượng khí thải thấp hơn hẳn so với so với công nghệ đốtnhiên 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 bắtđầu phát triển lò FBC Ngày nay, lò đốt tầng sôi tuần hoàn (CFB) đã đượcnghiên cứu, phát triển để đưa vào ứng dụng trong công nghiệp cũng như trong

[Type the document title] CHƯƠNG Inhiều cải tiến nhằm hoàn thiện công nghệ và đáp ứng các tiêu chuẩn về môitrường 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 PowerPlant) được xây dựng tại Phần Lan đã đánh dấu một bước tiến mạnh mẽ trongquá trình phát triển của công nghệ này

Hình 1.1 Hệ thống lò tầng sôi tuần hoàn

1.1.2 Khái niệm về lớp sôi

Đốt tầng sôi là một công nghệ đốt được phát triển từ công nghệ đốt trênghi cố định Trong buồng đốt, nhiên liệu cùng với lớp vật liệu sôi được thổilên cao từ 500÷1000 mm, tạo nên bởi dòng không khí thổi qua một bộ phânphối với tốc độ xác định.Gió cấp được thổi từ dưới ghi lên Khi tốc độ gió đủlớn sẽ tạo ra một lực cuốn thắng được trọng lực của hạt và khi đó, các hạt sẽbắt đầu dịch chuyển lên trên tạo ra một lớp hạt lơ lửng giống như 1 lớp chấtlỏng Các chế độ tương tác giữa khí và hạt phụ thuộc vào tốc độ gió cấp vàobao gồm: lớp cố định, giả lỏng sôi đều, sôi bọt, sôi dạng pít tông, sôi rối, sôichèn và sôi tuần hoàn

h ht hg

ω Δpp

Δppt Δppg

1.2 Cơ chế quá trình tạo tầng sôi

Nguyên nhân quan trọng để hình thành lớp sôi là do lực “nâng” của dòngkhí thắng trọng lực của hạt Nhưng mức độ tương tác giữa gió và hạt phụthuộc 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 caolớp sôi khác nhau Mối quan hệ giữa chiều dày lớp nhiên liệu h và trở lực củalớp nhiên liệu Δp với tốc độ của dòng được thể hiện trong hình 1.2:p với tốc độ của dòng được thể hiện trong hình 1.2:

Hình 1.2 Mối quan hệ giữa vận tốc của gió với trở lực lớp sôi

 Khi tốc độ dòng không khíω bé hơn tốc độ tới hạn ωcr, lớp vật liệu trênghi ở trạng thái tĩnh, chiều cao lớp nhiên liệu không đổi, không khí đi lên luồnqua các lỗ rỗng tạo thành bởi các hạt vật liệu, độ chênh áp tại vị trí trước vàsau lớp vật liệu tăng dần[7]

 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[7]

 Khi tiếp tục tăng tốc độ không khí, các bọt khí xuất hiện trong lớp sôi cóhình dạng tương tự bọt nước khi sôi, lúc này ta có chế độ sôi bọt[7]

 Việc tiếp tục tăng thêm tốc độ khí sẽ dẫn đến sự tạo thành các bọt khíhình viên đạn và các rãnh thoát khí trong lớp sôi Việc tăng tốc độ khí, cũngdẫn đến lớp vật liệu trên ghi ngày càng dãn nở ra [7]

[Type the document title] CHƯƠNG I

 Tốc độ không khí tiếp tục được tăng, các lớp vật liệu trên ghi có xuhướng bị thổi bay ra ngoài buồng sôi Lúc này nếu có hệ thống xyclon thu hồivật liệu để đưa trở lại buồng sôi thì ta có hệ thống kiểu lớp sôi tuần hoàn[7]

Hình 1.3Chế độ lớp sôi dạng tuần hoàn 1.3 Đặc điểm công nghệ lò hơi tầng sôi

Một buồng lửa của lò hơi tầng sôi chứa một khối lượng các hạt rắn thôngthường ở trong khoảng kích thước từ 0,1÷0,3 mm [9] Bao gồm:

- Cát hay sỏi (với nhiên liệu ít tro như gỗ)

- Đá vôi nguyên chất hay đá vôi già (với những lò đốt than nhiều lưuhuỳnh và đòi hỏi kiểm soát lượng phát thải lưu huỳnh)

- Tro từ than (những lò hơi đốt than có hàm lượng tro cao, trung bình vàkhông đòi hỏi khử lưu huỳnh)

Đôi khi, phối hợp các hạt liệu lớp sôi cũng được sử dụng Kích thướccủa hạt nhiên liệu, đặc biệt với nhiên liệu có hàm lượng tro thấp khác nhaukhông nhất thiết mang lại một lượng lớn hạt rắn lớp sôi, bởi vì chúng chỉ cóthể tạo thành một lượng hạt nhỏ hơn 1÷3% [9] tổng lượng hạt rắn lớp sôitrong lò

Lò tầng sôi có hai loại chính:

 Lò tầng sôi kiểu sôi nhẹ (công nghệ đốt tầng sôi bọt)

 Lò tầng sôi kiểu sôi mạnh (công nghệ đốt tầng sôi tuần hoàn)

Hình 1.4 Chuyển động của khí và chất rắn ở các loại lò hơi khác nhau[9]

1.3.1 Phương thức sôi bọt (BFB)

Trong phương thức này, chiều cao lớp sôi được giữ cố định trong mộtkhoảng cho phép nào đó Không gian này chỉ chiếm một phần trong toàn bộbuồng đốt Gió cấp vào từ quạt có nhiệm vụ cung cấp không khí cho quá trìnhcháy nhiên liệu, đồng thời tạo ra và duy trì lớp sôi Khi tốc độ gió vượt quátốc độ giới hạn cho phép, chất rắn sẽ bị thổi bay ra khỏi lớp Nếu hạt tươngđối thô sẽ quay trở lại mặt ghi do ảnh hưởng của trọng lực Nếu tiếp tục tăngtốc độ gió thì có thể một bộ phận hoặc toàn bộ hạt trên mặt ghi rơi vào trạngthái chuyển hai hướng: một hướng đi lên do lực nâng, một hướng đi xuống trởlại mặt ghi do trọng lực Trạng thái này giống như trạng thái sôi hay lớp sôi.Khi tốc độ gió tiếp tục tăng đến một giá trị tới hạn (ωgh), toàn bộ lớp sôi sẽthay đổi trạng thái, các hạt trong lớp sôi đều bị bay ra ngoài Tương tự nếu tốc

[Type the document title] CHƯƠNG Ithành lớp cố định.Như vậy, trong vận hành lò hơi BFB, tốc độ gió cấp vàophải nằm trong khoảng giới hạn sau: ωmf< ω < ωgh.

Hình 1.5 Lò hơi tầng sôi bọt (BFB)

1.3.2 Phương thức sôi tuần hoàn (CFB)

Lò hơi tầng sôi tuần hoàn vận hành dưới một điều kiện khí động đặcbiệt Tại đó các hạt rắn được vận chuyển suốt buồng lửa ở tốc độ vượt quá tốc

độ giới trung bình của các hạt Phần lớn các hạt rắn rời khỏi buồng lửa đượcthu lại nhờ bộ phận tách khói-hạt rắn và được tái tuần hoàn tới điểm cấp dướiđáy của buồng lửa Gió sơ cấp của quá trình cháy được phun qua đáy ghi củabuồng lửa Gió cấp 2 được thổi từ một chiều cao nào đó ở phía trên đáy buồnglửa Các hạt nhiên liệu cháy ở trong buồng lửa sinh ra nhiệt Một phần nhiệtlượng của quá trình cháy được hấp thụ bởi tường nước trong buồng lửa vàphần còn lại được hấp thụ bằng đối lưu của các bề mặt đốt được bố trí ởđường khói ra sau bộ tách khói-hạt rắn

Các lò hơi buồng lửa tầng sôi tuần hoàn thường kinh tế hơn khi áp dụngtrong các doanh nghiệp cần sử dụng hơi lớn từ 75÷100 T/h Với các nhà máy

có nhu cầu hơi lớn hơn, hệ thống lò hơi buồng lửa sôi tuần hoàn sẽ cung cấpkhoảng trống lớn hơn để sử dụng, các hạt nhiên liệu lớn hơn và thời gian hấpthụ để đạt hiệu suất cháy và mức SO2 cao hơn, việc áp dụng công nghệ đểkiểm soát mức NOx cũng dễ dàng hơn

Hình 1.6 Lò hơi tầng sôi tuần hoàn (CFB) 1.4Ưu điểm và nhược điểm của lò hơi tầng sôi

1.4.1 Ưu điểm của lò hơi tầng sôi

Lò hơi tầng sôi có một số các đặc điểm nổi bật hơn so với những lò hơiđốt nhiên liệu rắn khác Những đặc tính này bao gồm:

 Độ mềm dẻo trong sử dụng nhiên liệu: Đây là một đặc tính ưu việt chínhcủa lò hơi tầng sôi Các hạt nhiên liệu rắn chiếm một lượng ít hơn 1÷3% khốilượng hạt rắn trong lớp nhiên liệu trong buồng lửa của một lò hơi tầng sôi đặctrưng Các hạt rắn còn lại không cháy được gồm: các chất hấp thụ, tro nhiênliệu và cát Điều kiện khí động đặc biệt của tầng sôi tạo ra một sự hỗn hợp

[Type the document title] CHƯƠNG Ikhí-rắn rất hoàn hảo Do vậy, các hạt nhiên liệu cấp vào buồng lửa sẽ nhanhchóng được phân tán vào trong khối hạt và cũng nhanh chóng được gia nhiệtđến nhiệt độ bắt cháy mà không dẫn đến một sự suy giảm đáng kể nào nhiệt

độ tầng hạt Đặc tính này của buồng lửa tầng sôi cho phép nó đốt bất cứ mộtdạng nhiên liệu nào mà không cần cấp nhiên liệu mồi để cấp nhiệt cho khôngkhí và chính nhiên liệu nâng nhiệt độ của chúng đến điểm bắt cháy của nó Dovậy, có thể đốt thay nhau nhiều loại nhiên liệu trong một lò tầng sôi mà khôngcần một sự thay đổi nào về cấu trúc lò Lò hơi tầng sôi có thể đốt nhiên liệutrấu chứa 18% hàm lượng tro

 Hiệu suất cháy lò hơi tầng sôi bọt là 90÷98% và trong lò hơi tầng sôituần hoàn có thể lên tới 97,5÷99,5%

 Tro ở dạng vô định hình nên sử dụng làm chất phụ gia trong công nghiệpsản xuất xi măng, composit, gạch chịu lửa, gạch xây nhà cao tầng,…

 Lò hơi tầng sôi có hiệu quả khử lưu huỳnh cao do thời gian lưu lại củakhí lớn 3÷4 giây, và các hạt hấp thụ rất mịn trải ra bề mặt phản ứng rộng, thúcđẩy quá trình phản ứng khử lưu huỳnh

 Giảm phát thải NOx là một đặc tính quan trọng của lò hơi tầng sôi Các

số liệu thu được trong các lò hơi tầng sôi đưa ra giá trị phát thải NOx trongkhoảng 50÷150ppm hay là 20÷150 mg/MJ Không khí cấp hai (chứa trên 20%lượng không khí thừa) được cấp vào bên trên buồng đốt Khi đó, nitơ trongnhiên liệu đã sẵn sàng tách ra thành nitơ phân tử vẫn có rất ít cơ hội để hìnhthành NO2 trên vùng này Nitơ trong không khí bình thường không thể tạothành NO2 ở nhiệt độ thấp 800÷900oC trong lò hơi tầng sôi

 Bề mặt cắt ngang buồng lửa nhỏ Lượng nhiệt sinh ra trên một đơn vịdiện tích bề mặt cắt ngang của buồng lửa (nhiệt thế diện tích) cao là ưu điểmnổi bật trong lò hơi tầng sôi Hệ thống đốt tầng sôi có nhiệt thế diện tích vàokhoảng 3,5÷4,5 MW/m2, cao hơn so với hầu hết các kiểu lò hơi công nghiệpkhác

 Số lượng điểm cấp nhiên liệu ít hơn Hệ thống cấp nhiên liệu trong lò hơitầng sôi được đơn giản hóa do số lượng điểm cấp ít Lò yêu cầu diện tích ghinhỏ và do vậy diện tích buồng đốt sẽ nhỏ hơn diện tích buồng đốt của hầu hếtcác kiểu lò hơi công nghiệp đốt trấu khác cùng công suất

 Sự thay đổi tải theo công suất rất tốt Vận tốc giả lỏng cao cộng với việcđiều chỉnh dễ dàng lượng nhiệt hấp thụ cho phép lò hơi tầng sôi có thể phảnứng nhanh nhạy với việc thay đổi tải.

1.4.2 Nhược điểm của lò hơi tầng sôi

Lò tầng sôi có một vài nhược điểm nhỏ:

 Yêu cầu điều chỉnh tốc độ gió phù hợp với điều kiện lớp sôi

 Tốn điện cho quạt để tạo chế độ hóa lỏng

 Tốn lượng đá vôi lớn, tăng chi phí nghiền

 Mài mòn mạnh các ống và tường do các hạt trơ gây ra

 Cần hệ thống thu hồi và tuần hoàn phức tạp, làm lò trở nên cồng kềnh

Tuy nhiên, các nhược điểm này đang dần được khắc phục trong những lòthế hệ mới

1.5 Tiềm năng sử dụng lò tầng sôi vào thực tế ở Việt Nam

Chất thải dân dụng và công nghiệp là những chất được loại ra khỏi quátrình sinh hoạt cũng như sản xuất, yêu cầu phải có công nghệ xử lý thích hợpnhằm bảo vệ môi trường và tận dụng lại một phần Ở nước ta là một nướcđang phát triển, nền kinh tế chủ yếu là nông nghiệp, nên lượng phế thải nônglâm nghiệp thải ra có trữ lượng lớn Ở Miền Trung và đồng bằng sông CửuLong có nhiều nguồn nhiên liệu xấu chưa khai thác hết như than nâu, thanbùn, than có thành phần lưu huỳnh cao, phế thải sinh khối(rơm, rạ, bã mía,mùn cưa…)

- Thông tin từ Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn cho biết: năm

2013 sản lượng thóc cả nước khoảng 44,1 triệu tấn thóc thì lượng rơm rạ cũngđược xác định khoảng 43,3 triệu tấn và 8,68 triệu tấn Viện nghiên cứu Pháttriển đồng bằng sông Cửu Long cho biết: Với sản lượng thóc hơn 20 triệu tấnnhư hiện nay, nếu lấy tỷ lệ trung bình là 100kg thóc cho 20kg trấu, mỗi nămtrong vùng đồng bằng sông Cửu Long có trên 4 triệu tấn trấu Với lượng trấunày, hàng năm đồng bằng sông Cửu Long có thể cung ứng cho các nhà máysản xuất nhiệt điện với tổng công suất 500MW

- Ngoài thóc, Việt Nam cũng là một quốc gia có sản lượng lớn về mía Phế

[Type the document title] CHƯƠNG Iứng nhu cầu về năng lượng cho các nhà máy đường và nhân dân vùng trồngmía Theo kết quả nghiên cứu thực tế thì ép 1 tấn mía cây trung bình thải ra300kg bã mía có độ ẩm 50% với nhiệt lượng khoảng 7,8 MJ/kg bã mía.

- Tiềm năng nguồn phế thải gỗ và các loại sinh khối khác: phế thải trongchế biến gỗ bao gồm mùn cưa, đầu mẩu gỗ, vỏ bào, thường chiếm khoảng60÷70% lượng gỗ tròn từ các cơ sở chế biến gỗ

Kết quả phân tích nguồn nguyên liệu trấu xác định được:

- Lượng rơm rạ không được sử dụng làm nhiên liệu chiếm khoảng 30%

- Lượng trấu làm chất đốt chiếm 50% tổng lượng trấu được tạo ra trongquá trình canh tác thóc

- Trong vỏ trấu chứa khoảng 74÷83% chất hữu cơ dễ bay hơi sẽ cháytrong quá trình đốt và khoảng 17÷26% còn lại chuyển thành tro Chất hữu cơchứa chủ yếu cellulose, lignin và Hemi - cellulose (90%) Ngoài ra, có thêmthành phần khác như hợp chất nitơ và vô cơ Lignin chiếm khoảng 25÷30%

và cellulose chiếm khoảng 35÷40%

- Các chất hữu cơ của trấu là các mạch polycarbohydrat rất dài nên hầu hếtcác loài sinh vật không thể sử dụng trực tiếp được, nhưng các thành phần nàylại rất dễ cháy nên có thể dùng làm chất đốt Sau khi đốt, tro trấu có chứa trên80% là silic oxyt, đây là thành phần được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực

Hình 1.7 Nguồn năng lượng sinh khối (vỏ trấu, củi ép)

Từ những thông tin nêu trên, nếu như ta dùng những loại nhiên liệu nàyvào các công việc đốt các loại lò bình thường thì khả năng phát thải khí ô

nhiễm và độ tro bay ra môi trường sẽ rất lớn gây ô nhiễm môi trường nghiêmtrọng Vì vậy việc ứng dụng công nghệ lò tầng sôi vào nước ta cần được phổbiến rộng rãi và phát triển nhiều hơn.

[Type the document title] CHƯƠNG II

CHƯƠNG II PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THIẾT KẾ LÒ HƠI

TẦNG SÔI

2.1 Những vấn đề cơ bản khi tính toán thiết kế lò hơi tầng sôi

Việc thiết kế một lò hơi đốt than theo phương pháp lớp sôi-FB là mộtcông việc mới, phức tạp, đòi hỏi những người thiết kế phải nắm vững nhiềuvấn đề về kĩ thuật nói chung, kĩ thuật nhiệt, về bản chất các quá trình FB xảy

ra trong thiết bị thiết kế Cần tiến hành các tính toán cần thiết để có thể dự báochính xác các hiện tượng cơ nhiệt xảy ra trong thiết bị Cũng như việc thiết kếcác lò hơi thông thường, việc thiết kế một lò hơi lớp sôi cũng phải thực hiệnqua các bước chính sau:

 Lựa chọn phương pháp đốt: đốt theo lớp sôi bọt, lớp sôi tuần hoàn haytheo phương pháp trung gian

 Lựa chọn các phương pháp cấp than, cấp gió, thải tro xỉ

 Lựa chọn hình dạng của toàn bộ lò hơi và các phần tử chính

 Lựa chọn các thông số làm việc cơ bản của các phần tử của lò

 Tiến hành các bài tính để khẳng định các kích thước; các thông số chínhcủa lò và của các thiết bị chính

Kết quả của các bước trên là phải đưa ra được các thông số cơ bản vềkích thước, đặc tính kĩ thuật của các bộ phận chính của lò, để có thể tiến hànhthiết kế thi công chi tiết

Bài toán tính nhiệt lò hơi là bài toán đầu tiên phải thực hiện và là bàitoán quan trọng, xác định ra các số liệu nhiệt quan trọng nhất để thực hiện cáctính toán khác hoặc lựa chọn thiết bị

Việc tính nhiệt lò hơi FB cũng thực hiện theo các bước tương tự như tínhnhiệt các lò hơi PC, gồm: tính nhiệt buồng đốt, tiếp đó tính nhiệt các bề mặtđốt phần đuôi Việc tính nhiệt các bề mặt đốt phần đuôi lò FB thực hiện hoàntoàn giống như tính nhiệt các bề mặt đốt phần đuôi lò PC Nhưng việc tínhnhiệt buồng đốt lò FB thực hiện hoàn toàn khác

Do có hai loại buồng đốt lớp sôi là buồng đốt lớp sôi bọt (BFB) và lớpsôi tuần hoàn (CFB), về nguyên lí làm việc của hai loại buồng đốt này, cũng

như các phần tử buồng đốt đi kèm có khác nhau, nên việc tính nhiệt buồngđốt lớp sôi bọt và lớp sôi tuần hoàn cũng thực hiện khác nhau.

Các số liệu về kĩ thuật lớp sôi rất nhiều, đa dạng, và có tính thực nghiệm,chưa thống nhất và chưa được tiêu chuẩn hóa Vì vậy, các nước, các hãng chếtạo lò hơi, các tác giả đưa ra các phương pháp tính nhiệt buồng đốt khácnhau

2.2 Thiết kế và tính toán lò hơi tầng sôi bọt (BFB)

2.2.1 Các vấn đề về thiết kế lò hơi BFB

Các bước thiết kế và tính toán một lò hơi lớp sôi vẫn chưa được chuẩnhoá, chủ yếu là ở phần thiết kế và tính toán buồng đốt Các bước còn lại, thựchiện tương tự như khi thiết kế một lò hơi thông thường Như vậy việc thiết kếmột lò hơi BFB cũng cần qua các bước chính sau:

- Xác định các thông số kinh tế - kĩ thuật của bài toán đưa ra: Đặc tínhnhiên liệu đốt trong lò hơi; các điều kiện môi trường bên ngoài, ở khu vực bốtrí lò; các thông số kĩ thuật như thông số hơi D, Phơi, thơi,… các yêu cầu khác

- Dựa trên cơ sở các tài liệu thiết kế, các số liệu kinh nghiệm,… ngườithiết kế phải đưa ra được cấu hình cơ bản của toàn bộ lò hơi, cũng như củacác phần tử chính của lò Phải quyết định được các giải pháp chính của toàn

bộ hệ thống như: Phương pháp cấp nhiên liệu và thải tro xỉ, cấp nước, giảipháp bảo ôn và chịu lửa, chốg mài mòn, cấu trúc các bề mặt đốt, mức độ tựđộng hoá,…

- Thực hiện các bản vẽ bản thể lò hơi và các bài tính nhiệt lực lò, khíđộng, thuỷ động, sức bền các phần tử lò hơi; lần lượt từ buồng lửa đến các bềmặt đốt cuối cùng dọc theo đường lưu động khói

Kết quả tính toán phải thỏa mãn các yêu cầu đặt ra, thoả mãn các tiêuchuẩn về kĩ thuật, an toàn và môi trường mới nhất của kĩ thuật và của ngườiđặt hàng, thoả mãn các tiêu chuẩn về kinh tế như: giá thành, khả năng chế tạo.Với các lò hơi FB, thiết kế phải đạt được các ưu việt của phương pháp đốt FBnhư các vấn đề về môi trường, nhiên liệu,…

Trước khi thiết kế, tính chọn một lò hơi đốt theo lớp sôi, cần có lưu ý làcác lò hơi lớp sôi BFB có các đặc điểm sau:

[Type the document title] CHƯƠNG II

- Thường áp dụng đốt nhiên liệu theo phương pháp - BFB cho các lò hơicông nghiệp, có công suất nhỏ và trung bình (công suất nhiệt từ 5 đến100MW nhiệt, thông số hơi tất nhiên tùy theo yêu cầu sử dụng, nhưng có thểđạt tới các thông số của các lò hơi năng lượng công suất trung bình (PQN=10÷70bar, tQN=200÷500oC) [10]

- Thường áp dụng khi cần đốt các loại nhiên liệu xấu (độ tro cao; Alv >30%, độ ẩm cao Wlv > 15%), được cung cấp từ nhiều nguồn nhiên liệu nênchất lượng nhiên liệu giao động (đó là ưu điểm nổi trội của phương pháp đốttheo FB)

- Áp dụng phương pháp đốt BFB khi cải tạo, nâng cấp các lò hơi đốt nhiênliệu cũ, cần nâng cao năng suất, hiệu suất hoặc khi cần cơ giới hoá vận hànhlò

Việc thiết kế tính toán buồng đốt BFB thường thực hiện qua các bướcchính sau:

- Tính chọn các thông số kỹ thuật buồng đốt: Xác định hình dáng và kíchthước chính của buồng đốt, xác định kết cấu dàn ống buồng lửa và bề mặt đốtđặt trong lớp sôi, xác định kết cấu ghi và các đặc tính ghi liên quan đến chế

độ làm việc khí động của buồng đốt

- Tính nhiệt buồng đốt, xác định lượng nhiệt truyền trong buồng đốt vànhiệt độ khói ra khỏi buồng lửa: Các tính toán nhiệt nên tính ở chế độ phụ tảinhiệt và ở hai chế độ khí động, ứng với hệ số không khí thừa α= 1,1÷1,2 vàα=1,8÷2,0

Nhiên liệu vào

Hình 2.1 Cấu trúc chung phần dưới buồng đốt BFB

2.2.2 Tính chọn một số thông số thiết kế buồng đốt

Khi lựa chọn cấu hình một buồng đốt lớp sôi, cần phải tính chọn một sốthông số quan trọng sau:

 Diện tích ghi phân phối gió - F ghi: Dựa trên cơ sở lý thuyết và thựcnghiệm, có thể có các xác định diện tích ghi phân phối gió như sau:

Theo tiêu chuẩn tính nhiệt [11]:

[Type the document title] CHƯƠNG IIDiện tích bề mặt đốt nằm trong lớp sôi: Hls = (1,4÷1,6).D, m2 (2.4)

Trong đó: D - Công suất hơi, tấn/h

 Nhiệt độ lớp sôi θ ls:Phụ thuộc chủ yếu vào loại nhiên liệu Với các loạinhiên liệu khó cháy, để ổn định cháy, nhiệt độ làm việc lớp sôi nên lấy bằng900÷950oC, và phải nhỏ hơn nhiệt độ bắt đầu mềm của tro (T1) hơn 50oC

 Tốc độ sôi của buồng đốt tầng sôi bọt:chọn trong khoảng 1÷3,5÷4,0 m/s

[10] Hoặc có thể chọn theo lượng không khí thổi qua 1 m2 diện tích ghi, theo[11] lượng không khí vận hành tối ưu, cỡ 2000÷2800 m3

tc /m2 ghi (tức bằngkhoảng 3÷4 lần lượng gió tối thiểu để lớp hạt bắt đầu sôi) Tốc độ sôi khôngnên lớn hơn 0,5.bay

 Trở lực phần buồng đốt lớp sôi: Chủ yếu gồm trở lực của ghi Δp với tốc độ của dòng được thể hiện trong hình 1.2:pghi và trởlực của lớp hạt trơ Δp với tốc độ của dòng được thể hiện trong hình 1.2:pls Trở lực của ghi nên khá lớn để đảm bảo phân bốkhông khí đều trên toàn bộ bề mặt lớp, thường chọn Δp với tốc độ của dòng được thể hiện trong hình 1.2:pghi = Δp với tốc độ của dòng được thể hiện trong hình 1.2:pls; Δp với tốc độ của dòng được thể hiện trong hình 1.2:pghi ≥200mmH2O

 Về kết cấu: Buồng đốt lớp sôi nên có hình dạng phía dưới nên nhỏ hơn

phía trên, tức là tường buồng đốt đoạn dưới có góc loe, mở ra lên phía trên,với góc loe cỡ 40o÷50o (xem hình 2.1)

 Chiều cao lớp hạt trơ: Ở trạng thái tĩnh cần phù hợp với cột áp của quạt

gió Khi không bố trí bề mặt đốt trong lớp sôi, chiều cao tĩnh của lớp hạt trơkhông nên lớn quá 400÷500mm; nhưng cũng có thể đạt tới 1,0m [10] Cỡ hạttrơ 0,5÷2,0mm; cỡ hạt nhiên liệu có thể đến 50mm, nhưng thông dụng có cỡ0÷6,0mm

 Thể tích buồng đốt: Được tính toán để đảm bảo làm mát khói ra khỏi

buồng lửa tới nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ trung bình lớp sôi 150oC÷300oC, tốc

độ khói nóng ở vùng trên buồng lửa, phía ra khỏi buồng lửa càng nhỏ càngtốt, cỡ trên dưới 1m/s

2.2.3 Tính nhiệt buồng đốt BFB

Việc tính nhiệt buồng đốt BFB thông qua các bước tính toán chính sau:

a) Tốc độ sôi tới hạn nhỏ nhất  th: Cần phải tính cho hạt có cỡ hạt là dk Côngthức dùng để tính th là công thức tính tốc độ sôi tới hạn thông thường:

Reth = (a2 + b.Ar)0,5 – a (2.5)

Trong đó: a = 42,85(1-εth)/Φ; b = 0,571 εth3.Φ

hoặc đơn giản hơn:

Reth = Ar/(1400 + 5,22.Ar0,5), nếu εth = 0,40 (2.6)

Reth = Ar/(710 + 4,0.Ar0,5), nếu εth = 0,48 (2.7)

Reth = Ar.εth4,75/[18 + 0,6.(Ar.εth4,75)0,5] (2.8)

Từ (2.8) tính được th = υkhi.A

Trong đó: Ar = g.d3.(ρhat/ρkhi - 1)/υ2 (2.9)

ρhat và Φ là khối lượng riêng, kg/m3 và hệ số hình dạng hạt;

ρkhi và υkhilà khối lượng riêng của khí, kg/m3và độ nhớt động họccủa khí m2/s;

εthđộ rỗng của khối hạt ở chế độ bắt đầu sôi; khi số liệu về εth và

Φ không tin cậy, có thể lấy như sau:a= 33,7; b= 0,0408.εth = 0,40÷0,48; độnhớt động lực học của khí khói ở áp suất khí quyểnµ =1,5.10 -6.T1,5/(T+123,6),N.s/m2; khối lượng riêng không khí (có thể dùng cho khói với sai số nhỏ) ρkhi

= 1,293.273/T, kg/m3;υkhi = µ/ρkhi

b) Tốc độ bay của hạt  bay: là tốc độ dòng khí mà khi đó lực khí động dòngkhí tác dụng lên hạt lớn hơn trọng lượng nổi của hạt, với tốc độ này hoặc lớnhơn, hạt bị cuốn và bay cùng dòng khí Tốc độ bay của hạt cũng tính theo cáccông thức sau:

Rebay = Ar/(18+ 0,61.Ar0,5 ) (2.11)Dưới đây đưa ra các giá trị thvà bay của hạt có ρhat = 2,65g/cm3, khi thổibằng không khí có nhiệt độ 20oC và 1000oC; εth =0,4

Bảng 2.1 Bảng giá trị  th và  bay của hạt có ρ hat = 2,65g/cm 3

c) Nếu có dùng đá vôi để khử Lưu huỳnh trong nhiên liệu:Thể tích khí CO2

trong khói sẽ tăng một lượng VRO2,K do đá vôi bị nhiệt phân, do đó:

VRO2,K = VRO2+ 0,157Bdavoi/Btt (2.12)

[Type the document title] CHƯƠNG II

Vkhoi = Vkhoi+ 0,3125.Bdavoi/Btt (2.13)

d) Phân lượng tro bay trong khói của lò lớp sôi bọt (a b ):

Phụ thuộc cỡ hạt nhiên liệu; tính chất vật lí của tro và tốc độ làm việccủa khói trong buồng đốt Giá trịab chọn theo kinh nghiệm, lấy trong khoảng0,15÷0,6; (có khi có thể lên tới 1,0) hoặc xác định theo đồ thị hình 2.2; và 1 =

Trong đó: Qtlv - Nhiệt trị thấp làm việc của nhiên liệu, MJ/kg;

axi = 1 - abay: Phần tro nhiên liệu thải khỏi lớp từ đáy buồng lửa;

Гxi - Phần nhiên liệu chưa cháy nằm trong tro của lớp sôi;

Alv - Phần tro của nhiên liệu, %

Giá trị q4xi sẽ lấy bằng 0,5÷2,0% với loại nhiên liệu có Alv < 50%; vớinhiên liệu có Alv> 50% tính q4xi theo công thức (2-15), khi đó giá trị Гxi đốivới đa số nhiên liệu lấy bằng 0,5÷3%, hoặc có thể xác định theo hình 2.3

Hình 2.3 (Toán đồ 4; [11]) Xác định chất cháy còn trong xỉ lò lớp sôi

Giá trị A dùng trong toán đồ xác định theo quan hệ sau:

A = ω.ρk.102./[kc.hkc.ρ3.(α - 0,5).Vo.(θkc + 273)] (2.16)

Trong đó: ω - tốc độ sôi, m/s;

ρk và ρ3 - khối lượng riêng của hạt cốc và của tro, kg/m3;

hkc - chiều cao lớp sôi, m;

α - hệ số không khí thừa;

Vo - lượng không khí lí thuyết, m3/kg;

θkc - nhiệt độ lớp sôi, oC;

kc - hằng số tốc độ phản ứng của nhiên liệu với không khí, m/s;

Khi không có số liệu thực nghiệm tin cậy, có thể tính kc theo định luậtAreniuss:

kc = ko.exp(-E/8,31.Tls) (2.17)

Tls = θkc + 273; hệ số ko phụ thuộc năng lượng hoạt hoá E của phản ứng

Giá trị qbay có thể xác định theo toán đồ hình 2.4 phụ thuộc loại nhiênliệu, cỡ hạt và điều kiện cháy

[Type the document title] CHƯƠNG II

Hình 2.4 (Toán đồ 5; [11]) Xác định tổn thất nhiệt do cháy không hết về

cơ học trong tro bay (q 4bay )

Trong toán đồ hình 2.4, giá trị Qk/Qilv = 1-Vdaf.(100-Wlv-Alv).10-4; ∂1 - cỡhạt tro lớn nhất bay khỏi lớp sôi, khi làm việc với tốc độ sôi ω; ∂o – cỡ hạttrung bình của nhiên liệu

Khi không có số liệu tin cậy về cỡ hạt, có thể xác định gần đúng q4bay

theo hệ số khả năng phản ứng của nhiên liệu RT = Vdaf/(100 - Vdaf), như sau:

- Khi có áp dụng hệ thống quay vòng tro bay về buồng đốt (tái tuần hoàntro hoặc các biện pháp khác), với hiệu suất thu hồi là µthu, thì tổn thất nhiệt docháy không hết về cơ khí giảm, bằng:

q*4bay = q4bay.(1 - µthu) (2.20)

- Tổn thất nhiệt q5: Nói chung do lò BFB có kích thước hơi lớn hơn lò PC,

do đó tổn thất nhiệt q5 có lớn hơn lò PC, thường chọn q5 = 0,2÷0,5%

- Tổn thất nhiệt q6 tính theo công thức tính q6 của các phương pháp tínhcân bằng nhiệt buồng đốt thông thường, với nhiệt độ xỉ thải lấy bằng nhiệt độlớp sôi Với lò công suất nhỏ có thể lấy q6 = 0

f) Trao đổi nhiệt trong buồng đốt lớp sôi:

- Tính nhiệt các bề mặt đốt trong lớp sôi bọt cũng tiến hành hoặc theophương pháp tính thiết kế hoặc tính kiểm tra, dựa vào hai phương trình cơ bảnsau:

Phương trình truyền nhiệt: QTN

LS = KLS.HLS.Δp với tốc độ của dòng được thể hiện trong hình 1.2:t.10-3 (2.21)

Trong đó: QTN

LS- Nhiệt truyền trong lớp sôi, kW;

KLS - Hệ số truyền nhiệt trong lớp sôi;

HLS - Diện tích bề mặt đốt nằm trong lớp, m2

Δp với tốc độ của dòng được thể hiện trong hình 1.2:t - Độ chênh nhiệt độ giữa lớp sôi và môi chất

Phương trình cân bằng nhiệt: QCB

LS = χLS.φ.Btt.[QBL- I”BL]- Qxi (2.22)

Trong đó: QCB

LS - Nhiệt lượng truyền trong lớp sôi, kW;

χLS - Hiệu quả cháy kiệt nhiên liệu, thường có giá trị 0,75÷0,9 tuỳtheo loại nhiên liệu,cỡ hạt, có thể chọn theo bảng 2.2

φ - Hệ số bảo ôn

Btt - Tiêu hao nhiên liệu tính toán, kg/s

QBL = Qtlv + Ikkl : Nhiệt lượng đưa vào buồng lửa, kJ/Kg

Qxi = Btt.Qtlv.q6/100 : tổn thất nhiệt vật lí của xỉ, kW

Cân bằng hai phương trình (2.21) và (2.22), tìm được diện tích bề mặtđốt cần bố trí trong lớp sôi: HLS = QTN

LS/(KLS.Δp với tốc độ của dòng được thể hiện trong hình 1.2:t ), m2

Khi tính thiết kế, nhiệt độ trung bình lớp sôi nên chọn trong khoảng(850÷950)oC (giá trị lớn dùng cho nhiên liệu khó đốt) Nhiệt độ khói ra khỏilớp sôi θ”LS = θLS- (30÷50)oC Nếu đốt nhiên liệu có nhiệt trị cao hoặc khi bốtrí nhiều bề mặt đốt lớp; Khi đốt nhiên liệu dễ cháyvà bố trí ít bề mặt đốttrong lớp, chọn θ”LS = θLS

[Type the document title] CHƯƠNG IIKhi tính kiểm tra, do đã biết HLS, sau khi cân bằng (2.21) và (2.22),được:

Trong đó: σo = 5,67.10-8 W/m2.K : Hằng số bức xạ của vật đen tuyệt đối

als = 0,7÷0,8 : độ đen của vật liệu hạt lớp sôi

avo = 0,82 : độ đen của bề mặt trao đổi nhiệt

αđl - Hệ số tản nhiệt đối lưu

 Đối với bề mặt đốt dạng dàn ống đứng hoặc mặt phẳng đứng:

αđl = 1554,4.λkhi.(1-Kε).Re0,23

hat/∂TD, W/m2.K (2.25)

Trong đó: λkhi - Hệ số dẫn nhiệt của khói ở nhiệt độ làm việc, W/m.K

Kε = [18.Rehat + 0,36.Re2

Ar = (g.∂TD.γhat)/(υ2

 Đối với bề mặt đốt dạng chùm ống nằm ngang:

Khi: (Pr.Chat/Ar.Ckhi) < 10-4

αđl = 2969,6.λkhi.CS.Re.[(1-Kε)/Kε]1,2.(Pr.Chat/Ar.Ckhi)0,3/∂TD, W/m2.K (2.28)

Khi: (Pr.Chat/Ar.Ckhi) > 10-4

αđl = 16356.λkhi.CS.Re.[(1 - Kε)/Kε]1,2.(Pr.Chat/Ar.Ckhi)0,3/∂TD, W/m2.K (2.29)

Trong đó: Pr = υ/a : Số Prantl của khí

Ckhi; Chat - Nhiệt dung riêng của khí khói và của hạt, kJ/Kg

CS = CS1.CS2;CS1 = (S1/6d)0,3

Khi: S1> 6d; CS1 = 1; CS2 = (S2/2d)0,3

Khi: S2> 2d; CS2 = 1

S1; S2 - Bước ống ngang và dọc

- Tính truyền nhiệt phần trên lớp sôi: Trên lớp sôi có thể phân thành 2 lớp

là phần ngay trên lớp (có chiều cao 300÷400mm, còn gọi là phần trung gian;phần chuyển tiếp), và phần trên buồng lửa, là phần còn lại của buồng lửa Đểđơn giản tính toán, người ta tính truyền nhiệt chung một bước cho phần bềmặt đốt trên lớp sôi và trên buồng lửa, và xác định nhiệt độ khói ra khỏibuồng lửa θ”BL theo công thức thực nghiệm sau:

θ”BL = {[θo + 273]/{[C.(To/1000)4.4,18.HTLS/Btt.QTLS]0,6 +1}} - 273 (2.30)

Trong đó: Btt - kg/h

QTLS - kJ/kgC- Hệ số kinh nghiệm, khoảng 4000÷6000

To = θ0 + 273 : Nhiệt độ cháy tuyệt đối lí thuyết, xác định theonhiệt lượng đưa vào phần trên buồng lửa QTBL = χLS.I”LS + (1- χLS).Qtlv

Trong đó: χLS - Hiệu quả cháy kiệt trong lớp sôi; xác định ở phần tính lớpsôi

I”LS - Entanpi khói ra khỏi lớp sôi; đã xác định ở phần tính lớpsôi

HTLS - Tổng diện tích bề mặt đốt bức xạ bố trí trên lớp sôi (phầntrên buồng lửa)

2.2.4 Thiết kế ghi cấp gió

Ghi phân phối gió là cấp một phần lớn không khí cần cho sự cháy,nhưng trong các lò hơi lớp sôi, ghi còn phải đảm bảo cung cấp gió để tạo mộtlớp sôi ổn định ở mọi chế độ làm việc của lò, không tạo vùng lắng, cũngkhông quá mạnh để xảy ra hiện tượng cuốn hạt bay khỏi lớp sôi (đặc biệt làkhi ghi phân phối gió không đều) Tấm ghi lò tầng sôi phải:

- Đảm bảo đỡ được lớp nhiên liệu của lớp sôi ở trạng thái tĩnh (gồm trọnglượng bản thân ghi, trọng lượng lớp vật liệu trơ và trọng lượng than nằm tronglớp);

- Đưa một lượng không khí đủ qua ghi với một trở lực khí động thích hợp;

- Đảm bảo lưu lượng và tốc độ gió đồng đều ở toàn bề mặt ghi, tạo điềukiện duy trì lớp vật liệu trên ghi ở trạng thái sôi hợp lý và ổn định

a) Thiết kế tấm lỗ của ghi

[Type the document title] CHƯƠNG IITấm lỗ ghi thường phải có hình dạng và kích thước phù hợp với phầntiết diện của buồng đốt lớp sôi có bố trí ghi Các lỗ trên ghi phải bố trí đều vớimật độ bố trí lỗ ghi (số lỗ lắp chụp thổi gió/1m2 diện tích ghi) thích hợp Các

lỗ có thể bố trí theo hình tam giác đều hoặc hình vuông (tấm lỗ hình chữ nhật)hoặc theo các vòng tròn đồng tâm Hình 2.9 mô tả các cách bố trí trên ghi chữnhật

Hình 2.9 Bố trí lỗ trên tấm ghi

Nói chung mật độ lỗ trên tấm ghi chọn trong khoảng 20 lỗ đến 30 lỗ trên1m2 Bề dày tấm ghi bằng thép có thể lấy từ 15÷20mm, nếu dùng tấm gangchịu nhiệt bề dày cần tăng lên tới 30÷40mm Bước lỗ ghi lấy bằng 1,5÷1,75lần chu vi vòng tròn bố trí các mắt thổi gió của nấm gió Các tấm ghi phảiđược phân thành các tấm nhỏ, để thuận tiện chế tạo, lắp đặt Sau khi lắp đặtphải có biện pháp ghép chặt để chống cong vênh khi ghi làm việc ở nhiệt độcao, gây lọt gió từ dưới hộp gió Để thuận tiện cho việc treo đỡ, cố định, kíchthước bố trí các lỗ cần nhỏ hơn kích thước thực của tấm ghi 50÷100mm

Để thải các tạp vật lớn không cháy, các khối xỉ lớn, tro xỉ thừa khi cầnđiều chỉnh phụ tải lò,… tấm ghi cần bố trí một số điểm thải đáy, thường là các

lỗ để lắp ống có kích thước n= 100÷150mm, hoặc có thể số lượng lỗ thải đáychọn từ 1÷6 tùy theo công suất lò và thuận tiện cho việc thải xỉ khi vận hành.Khi kích thước ghi lớn có thể chọn theo giá trị sau: 1 lỗ xả đáy/3÷4m2 ghi

b) Thiết kế chụp thổi gió

Chụp thổi gió thường sử dụng loại thổi gió ngang hoặc thổi gió chéoxuống 15o Chụp thổi gió ngang có ưu điểm là có các dòng không khí thổingang rất nhỏ tác dụng tương hỗ với nhau gây xáo trộn lớp liệu mãnh liệt,

nhưng tác dụng tạo sôi kém do tác dụng nâng hạt không mạnh, các hạt lớn dễ

bị lắng đọng, tạo các vùng chết Chụp thổi gió chéo xuống 15o có tác dụngthổi các hạt lắng đọng ở vùng giữa các chụp gió, cải thiện hiệu quả sôi, nhưngthiết kế chế tạo phức tạp Thực tế ta thường thiết kế chụp thổi gió có cải tiếncác rãnh dẫn hướng(như hình 2.5) sau:

Hình 2.10 Chụp thổi gió ngang có rãnh dẫn hướng

Tổn thất áp suất của toàn bộ ghi cần chọn trong khoảng 0,1÷0,3 tổn thất

áp suất của lớp, tổn thất ghi chủ yếu là tổn thất khí động khi qua các lỗ thổigió Hệ số mở lỗ ghi (tổng tiết diện lỗ thổi gió / tiết diện ghi) lấy bằng0,5÷2%

c) Lớp chịu lửa bảo vệ ghi

Tấm ghi làm việc ở nhiệt độ cao dễ bị cong vênh nên cần được bảo vệbằng một lớp vật liệu chịu lửa có bề dày nhất định Bề dày lớp chịu lửa phụthuộc chiều cao của nấm thổi gió, nhưng nói chung cần có bề dày cỡ100÷150mm Sau khi đã bố trí xong các nấm gió (thử nghiệm cân bằng gió và

cố định chặc nấm gió vào tấm ghi), bố trí một lớp phủ kín, một lớp cách nhiệt

và một lớp chịu lửa, cho đến cách tâm các lỗ thổi gió dưới cùng khoảng15÷20mm, không nên lớn quá 20mm vì dễ gây đọng tro khi làm việc Nếu bốtrí lớp chịu lửa quá gần có thể gây tắc các lỗ thổi gió

[Type the document title] CHƯƠNG III

CHƯƠNG III TÍNH TOÁN THIẾT KẾ LÒ HƠI TẦNG SÔI ĐỐT TRẤU

Trên cơ sở tìm hiểu về tiềm năng sử dụng lò hơi tầng sôi ở Việt Nam

(mục 1.5) và phương pháp tính toán thiết kế lò hơi tầng sôi (chương 2) Trong

chương này, sẽ trình bày nội dung tính toán và thiết kế sơ bộ lò hơi tầng sôi(BFB) công suất 6 tấn hơi/giờ, sử dụng trấu ép làm nhiên liệu đốt Việc tínhtoán và thiết kế dựa trên tài liệu tham khảo có liên quan, nhưng chưa cóphương pháp tính nhiệt chuẩn nào cho công nghệ lò Vì vậy, bài tính này chỉmang tính tham khảo cho việc xây dựng mô hình thực nghiệm có độ thực tế

Từ đó, sẽ hoàn thiện cơ sở lý thuyết để phục vụcông việc tính toán thiết kế lòđốt theo công nghệ lớp sôi

Nội dung bài tính thiết kế lò hơi tầng sôi công suất 6 tấn hơi/giờ đốtnhiên liệu trấu được trình bày như sau:

3.1 Các thông số thiết kế

- Năng suất hơi định mức: D = 10 tấn/h

- Áp suất hơi bão hòa: Pbh = 12kG/cm2=11,76bar

- Nhiệt độ nước cấp lò: tnc = 125oC

- Nhiệt độ khói thoát ra môi trường: θth = 150oCNguồn nhiên liệu sử dụng trong lò đốt tầng sôi đang thiết kế là trấu, cóthành phần và đặc tính như sau:

Bảng 3.1 Thành phần nhiên liệu trấu

Nhiệt trị nhiên liệu được tính theo công thức Menđeleep (trang 17;

[4]):

 Thành phần cháy của nhiên liệu:

C c=100 C lv 100−A lv−W lv

(3.1)

S c

=100 S lv 100− A lv−W lv

(3.2)

100.

100

lv c

lv lv

O O

[Type the document title] CHƯƠNG III

Nhiệt trị thấp của nhiên

3.2 Tính cân bằng vật chất của quá trình cháy

3.2.1 Tính thể tích lý thuyết và thể tích thực tế của sản phẩm cháy

Trước hết ta phải chọn hệ số không khí thừa, hệ số không khí thừa phụthuộc tuỳ loại nhiên liệu đốt, loại thiết bị buồng lửa và điều kiện vận hành Tachọn hệ số không khí thừa trong lớp sôi là 1,3; trên lớp sôi là 1,4 [4]:

Dựa vào bảng 3.1 ta sẽ tính được thành phần thể tích của nhiên liệu [4]:

- Thể tích không khí cháy lý thuyết:

kk + 0,008.Nlv; m3

- Thể tích hơi nước lý thuyết:

Vo H2O = 0,112.Hlv + 0,0124.Wlv + 0,0161.Vo

Các kết quả tính toán thể tích sản phẩm cháy lý thuyết và thể tích sảnphẩm cháy thực tế được thể hiện trong bảng 3.3:

Bảng 3.3 Cân bằng không khí

T

T Tên đại lượng

Ký

[Type the document title] CHƯƠNG III

3.2.2 Xác định entanpi của sản phẩm cháy

Theo công thức (3-57) [4], entanpi của khói được xác định:

Itr: entanpi của tro bay theo khói, kJ/kg.

Chọn hàm lượng tro bay theo khói là ab = 0,30 nên ta có:

100 100.0,8.16,88

0,1 1,513092

lv b lv t

a A Q

; Do đó ta bỏ qua It