Thiết lập quy trình thiết kế hệ thống nồi hơi đốt dầu FO

Thiết lập quy trình thiết kế hệ thống nồi hơi đốt dầu FO;  Quá trình truyền nhiệt trong nồi hơi: II. Quá trình cháy nhiên liệu; 3. Tính toán thể tích sản phẩm cháy tạo thành III. Cân bằng nhiệt lò hơi3. Cách nhiệt cho buồng đốt i. Truyền nhiệt từ bên trong đến lớp thứ nhất bằng cấp nhiệt

Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ

Báo cáo

thống nồi hơi đốt dầu FO

Nhóm lớp: A-02Danh sách nhĩm:

Năm học: 2015-2016

H th ng n i h i đ t d u FO ệ ố ồ ơ ố ầ

I Giới thiệu 4

Lò hơi 4

1 Định nghĩa 4

2 Phân loại 4

3 Nguyên lí làm việc buồng lửa phun tuần hoàn tự nhiên 5

Nhiên liệu 6

1 Định nghĩa 6

2 Ưu – nhược điểm 7

II Quá trình cháy nhiên liệu 7

1 Mục đích – Khái niệm cơ bản 7

2 Tính toán lượng không khí cần thiết cho sự cháy 8

3 Tính toán thể tích sản phẩm cháy tạo thành 8

III Cân bằng nhiệt lò hơi 9

1 Phương trình cân bằng nhiệt tổng quát của lò 9

2 Hiệu suất lò hơi 10

IV Buồng đốt 11

1 Yêu cầu 11

2 Đặc tính công nghệ 11

3 Cách nhiệt cho buồng đốt 12

i Truyền nhiệt từ bên trong đến lớp thứ nhất bằng cấp nhiệt 12

ii Dẫn nhiệt qua các lớp vật liệu 12

iii Cấp nhiệt từ bề mặt ngoài vào không khí 14

V Giàn ống sinh hơi 15

1 Nhiệt tính toán của giàn ống hơi 15

2 Chiều dày các ống 15

VI Tính bền cho nồi hơi theo ASME 16

1 Tính bền cho đáy và nắp thiết bị 16

i Tính chiều dày tối thiểu t 16

ii Tính tỉ số A 18

iv Áp suất làm việc bên trong thiết bị 19

2 Tính bền cho thân thiết bị 20

i Tính bề dày tối thiểu của thân 20

ii Tìm tỉ số A 20

iii Tìm giá trị B 22

iv Tính áp suất lớn nhất cho phép 22

VII Tính bền cho nồi hơi theo TCVN 23

1 Tính bền cho đáy và nắp thiết bị 23

i Đối với nắp hình elip 23

2 Tính bền cho thân thiết bị 24

i Chọn vật liệu 24

ii Xác định nhiệt độ tính toán 25

iii Xác định hệ số làm yếu 26

iv Độ bền thân hình trụ hàn 27

3 Kiểm tra điều kiện bền 28

VIII Vòi phun 29

1 Vòi phun bằng hơi nước hoặc không khí có áp suất cao 29

2 Vòi phun cơ khí 29

3 Sắp xếp vòi phun 30

4 Quạt khói 30

IX Các thiết bị phụ 30

1 Thiết bị đo lường 30

2 Thiết bị an toàn 30

i Van an toàn 31

ii Đinh chì 31

iii Cửa phòng nổ 32

iv Nắp phòng nổ 32

I Gi i thi u ới thiệu ệ thống nồi hơi đốt dầu FO

Lò h i ơ

1 Đ nh nghĩa ịnh nghĩa

Lò hơi là thiết bị trong đó xảy ra quá trình đốt cháy nhiên liệu Nhiệt lượng tỏa ra từ quá trìnhcháy sẽ truyền cho nước đựng trong lò để biến nước thành hơi Nghĩa là thực hiện quá trình biến đổi hóa năng của nhiên liệu thành nhiệt năng của dòng hơi

Lò hơi là thiết bị có mặt gần như trong tất cả xí nghiệp, nhà máy Trong các nhà máy công nghiệp như nhà máy hóa chất, đường, nước giải khát, … hơi nước phục vụ cho các quá trình công nghệ như chưng ất, cô đặc, sấy… Hơi ở đây thường là hơi bão hòa, có áp suất hơi tươngứng với nhiệt độ bão hòa cần thiết cho quá trình công nghệ Loại lò hơi này được gọi là lf hơicông nghiệp, có áp suất hơi thấp, sản lượng nhỏ Trong nhà máy điện, lò hơi sản xuất ra hơi

để làm quay tua bin, phục vụ cho việc sản xuất điện năng, đòi hỏi phải ó công suất lớn, hơi làhơi quá nhiệt có áp suất và nhiệt độ cao Loại này được gọi là nồi hơi để sản xuất điện năng.Nhiên liệu đốt trong lò hơi có thể là nhiên liệu rắn như than, gỗ, bã mía, có thể là nhiên liệu lỏng như dầu nặng (FO), dầu diezen (DO) hoặc các nhiên liệu khí

2 Phân lo i ại

Ta có thể phân loại lò hơi theo nhiều cách:

 Theo nhiệm vụ của lò hơi :

Theo nhiệm vụ của lò hơi trong sản xuất, ta có: lò hơi công nghiệp và lò hơi sản xuất điệnnăng

Lò hơi công nghiệp phục vụ cho các quá trình công nghệ ở các nhà máy sản xuất công nghiệp (thường sản xuất hơi bão hòa, áp suất hơi không vượt quá 2,0 Mpa, nhiệt độ t=

250oC) Lò hơi phục vụ cho sản xuất điện sản xuất hơi quá nhiệt, có công suất lớn, áp suất và nhiệt độ hơi cao, thường lớn hơn 2,0 Mpa và trên 350oC

 Theo chế độ đốt nhiên liệu trong buồng lửa : lò ghi thủ công, lò ghi cơ khí, lò phun nhiên liệu lỏng, lò phun nhiên liệu khí…

 Theo chế độ tuàn hoàn nước trong lò : lò tuần hoàn tự nhiên, lò tuần hoàn cưỡng bức,

lò trực lưu

3 Nguyên lí làm vi c bu ng l a phun tu n hoàn t nhiên ệ ồ ửa phun tuần hoàn tự nhiên ầ ự nhiên

- Quá trình đốt cháy nhiên liệu:

Thùng chứa  Bộ lọc  Bơm  Thiết bị đun nóng dầu  Vòi phun dầu  Buồng đốt

Hơi nước hoặc kknóng

Đầu tiên nhiên liệu được bơm vào thùng chứa Sau đó, FO được cho qua bộ lọc để loại bỏcặn bẩn tránh hiện tượng tắc vòi phun dầu Tiếp theo, dầu được đưa vào thiết bị trao đổi nhiệt, để giảm độ nhớt của dầu, nhằm vận chuyển dễ dàng hơn, dễ phun hơn, đồng thời

dễ bốc cháy hơn Dầu sau đó được đưa vào vòi phun hòa vào không khí thành các hạt sương đi vào buồng đốt Các hạt sương gặp nhiệt độ cao sẽ bay hơi và bị phân hủy (cháy)tạo nhiệt lượng lớn

 Quá trình truyền nhiệt trong nồi hơi:

+ Truyền nhiệt diễn ra bằng 2 quá trình chính: truyền nhiệt bằng đối lưu và truyền nhiệt bằng bức xạ

+ Dầu FO sau khi được đốt sẽ tạo ra nhiệt lượng lớn đốt nóng không khí lên nhiệt độ cao.Không khí sau đó sẽ được phân phối tới các dàn ống phía bên trong nồi hơi đang chứa nước Nhiệt sẽ được truyền từ khí nóng qua thành ống ra ngoài nước đang chứa trong nồi

để đun sôi nước Khi đó nước sẽ bốc hơi, thể tích chênh lệch của hơi và nước làm tăng ápsuất ở phần hơi Để tăng hiệu quả truyền nhiệt thì dàn ống được chia thành nhiều ống có đường kính nhỏ, và gồm nhiều chặng, thướng là 2 đến 3 chặng

 Các bộ phận khác:

+ Hơi nước ở nồi hơi sau khi được tạo ra thường được đưa qua bộ quá nhiệt để tăng nhiệt

độ Cấu tạo ở dạng truyền nhiệt ngược chiều ống lồng Hơi đốt sau khi đun sôi nước đượctận dụng để cấp nhiệt cho thiết bị quá nhiệt để tận dụng lượng nhiệt thừa

+ Bộ đun nước: trước khi nước cấp cho nồi, được đưa qua bộ hâm nước ban đầu lên gần nhiệt độ sôi Cấu tạo cũng ở dạng truyền nhiệt ngược chiều Hơi cấp nhiệt có thể là khói

lò, hoặc hơi nước sau khi sử dụng còn 1 lượng nhiệt lớn được tận dụng lại

4 Ưu nhược điểm:

 Ưu điểm của nồi hơi ống lửa:

- Tốc độ truyền nhiệt cao  quá trình hóa hơi nhanh

- Quá trình truyền nhiệt đối lưu tốt hơn do được lắp đặt 1 số lượng lớn các ống truyền nhiệt có đường kính nhỏ và số lần khí đi qua nồi hơi

- Hiệu suất nhiệt cao

- Có khả năng tận dụng nhiệt tốt

 Hạn chế:

- Suất tiêu hao kim loại lớn

- Khó khử cáu bẩn do tro bám vào bề mặt thành ống

Nhiên li u ệ

1 Đ nh nghĩa ịnh nghĩa

Dầu Mazut, còn được gọi là dầu nhiên liệu hay dầu FO, là phân đoạn nặng thu được khi chưng cất dầu thô parafin và asphalt ở áp suất khí quyển và trong chân không Các dầu FO cóđiển sôi cao

2 Ưu – nhược điểm u – nh ược điểm c đi m ểm

 Ô nhiễm môi trường

II Quá trình cháy nhiên li u ệ thống nồi hơi đốt dầu FO

1 M c đích – Khái ni m c b n ục đích – Khái niệm cơ bản ệ ơ ản

Tính toán quá trình cháy nhằm mục đích cung cấp các số liệu cần thiết cho việc thiết kế, vận hành, nghiên cứu và kiểm tra buồng lửa

Các đại lượng cần xác định bao gồm: Thể tích không khí lý thuyết và thực tế cần thiết; Thànhphần và thể tích sản phẩm cháy (khô, ẩm, lý thuyết, thực tế) sinh ra khi đốt cháy một đơn vị nhiên liệu, nhiệt độ đọng sương của sản phẩm cháy

Để đơn giản trong tính toán, ta giả thiết:

 Quá trình cháy là đẳng áp

 Chất oxy hóa là oxy của không khí có thành phần thể tích 21% O2 và 79%N2

 Các chát khí và hơi tham gia và xuát hiện trong quá trình cháy đều được xem là khí

lí tưởng, ở điều kiện tiêu chuẩn thể tích một kmol của chúng bằng 22,4 m3/kmol

Hệ số không khí thừa: Tỉ số giữa lượng không khí thực cấp vào Vkk với lượng không khí lý thuyết tính toán được Vo

kk gọi là hệ số không khí thừa, ký hiểu là α:

α= V kk

V kk o > 1

2 Tính toán l ược điểm ng không khí c n thi t cho s cháy ầ ế ự nhiên

Lượng không khí lý thuyết cần thiết cho sự cháy:

Lượng không khí thực tế cần thiết cho sự cháy:

V kk=α V kk o

3 Tính toán th tích s n ph m cháy t o thành ểm ản ẩm cháy tạo thành ại

Sản phẩm cháy ( gọi là khói thực) gồm có khói khô và hơi nước Tùy thuộc vào điều kiện cháy hoàn toàn hay không hoàn toàn các nguyên tó cháy của nhiên liệu mà tỷ lệ thành phần các chất sinh ra trong sản phẩm cháy sẽ khác nhau Ở trạng thái lý thuyết, khi cháy hoàn toàn(α=1) sẽ tạo thành các chất: CO2, SO2, N2, và H2O

V khoi o =V CO 2+V SO 2+V o N 2+V H 2 O o

Thể tích khói khô lý thuyết:

V0 khoi.khô= 1.866.Clv + 0.7.Slv + 0.79V0

Vkhoi= VH2O + Vkhói.khô

III Cân b ng nhi t lò h i ằng nhiệt lò hơi ệ thống nồi hơi đốt dầu FO ơi đốt dầu FO

1 Ph ươ ng trình cân b ng nhi t t ng quát c a lò ằng nhiệt tổng quát của lò ệ ổng quát của lò ủa lò

Nhiệt lượng sinh ra khi đốt cháy nhiên liệu trong lò hơi chính là nhiệt lượng do nhiên liệu và không khí mang vào:

Qđv = Qnl + Qkk

Nhiệt lương sinh ra khi đốt cháy nhiên liệu trong lò hơi được phân thành hai phần: một phần

nhiệt được sử dụng để sinh hơi (nhiệt lượng hữu ích) và một phần bị mất đi trong quá trình làm việc (gọi là tổn thất nhiệt của lò) Như vậy:

Qđv = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6

Trong đó:

Q1 : nhiệt lượng sử dụng hữu ích để sinh hơi, kJ/kg

Q2: lượng tổn thất nhiệt do khói thải mang ra ngoài lò hơi, kJ/kg

Q3: lượng tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt hóa học, kJ/kg

Q4: lượng tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt cơ học, kJ/kg

Q5: lượng tổn thất nhiệt do tỏa nhiệt từ mặt ngoài tường lò ra không khí xung quanh, kJ/kg

Q6: lượng tổn thất nhiệt do xỉ nóng mang ra ngoài, kJ/kg

Lượng nhiệt do 1kg nhiên liệu lỏng đưa vào lò hơi được xác định bằng công thức:

t: nhiệt trị thấp làm việc của nhiên liệu

Qnl: nhiệt vật lý của nhiên liệu đưa vào:

α’: hệ số không khí thừa đầu vào bộ sấy không khí

(CnlTkk)n , (Cnltkk)1 : nhiệt dung riêng và nhiệt độ của không khí nóng và không khí lạnh

Qph : nhiệt lượng do dùng hơi phun nhiệu lỏng vào lò:

Qph = Gph ( iph – 2500 ), kJ/kg

Gph: lượng hơi để phun dầu vào lò khi sử dụng vòi phun kiểu thổi, tính ứng với 1kg nhiên liệu thường lấy Gph 0,3 – 0,35 kg hơi/ kg dầu Đối với vòi phun dầu kiểu cơ khí thì Gph = 0 nên Qph = 0

Iph: Entapi ủa hơi phun dầu vào lò

Thực tế thì khong khí và nhiên liệu cấp cho lò hơi thường không sấy bằng nguồn nhiệt bên ngoài mà sấy bằng chính khói từ lò hơi và không dùng hơi phun dầu vì rất tốn hơi nên Qnl,

Qkk, Qph được coi gần bằng 0 và lượng nhiệt đưa vào lò bằng nhiệt trị thấp của nhiên liệu:

 Đảm bảo cháy hết nhiên liệu cấp vào với hệ số không khí thừa nhỏ nhất

 Thỏa mãn được một chương trình nhiên liệu rộng nhất có thể mà không giảm hiệu suất hoặc chu kì vận hành khi thay đổi nhiên liệu đốt

 Sản phảm cháy không được phép rút ngắn chu kỳ vận hành do đóng xỉ hay bám tro Sản phẩm cháy đi ra khỏi buồng lửa phải chứa ít tro nhất và chứa ít các chất có hại

 Tường buồng lửa phải được sử dụng tốt để sản xuất hơi và phải bảo đảm làm lạnh khói đến mức cần thiết trướ khi ra khỏi buồng lửa.

 Không gian cần thiết cho buồng lửa phải nhỏ nhất đến mức có thể

 Các phần của buồng lửa và các trang bị phụ của nó phải có khối lượng nhỏ nhất có thể, không yêu cầu nhiều vật liệu hợp kim đắt tiền

 Năng lượng tự dùng của buồng lửa và các thiết bị phụ của nó như máy nghiền, các quạt phải ở mức tối thiểu

 Có thể điều chỉnh tốt và nhanh các quá trình trong buồng lửa, đồng thời công suất tốithiểu của buồng lửa phải thấp nhất có thể

 Buồng lửa không hạn chế sản lượng của lò hơi và không cản trở sự tăng sản lượng của lò hơi

 Phải bảo đảm độ tin cậy cao trong vận hành

 Chi phi đầu từ và vận hành buồng lửa phải thấp nhất

 Buồng lửa cho phép dùng những phương pháp quen biết để điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt về phía khói

2 Đ c tính công ngh ặc tính công nghệ ệ

4.1 Buồng đốt:

 Diện tích cần để sinh hơi: 1

D F D



+ D1 là năng suất bốc hơi riêng phần kg/m2.h

+ D là năng suát bốc hơi toàn phần, kg/h

 Thể tích buồng lửa:

lv

t th v

B Q V q



+ Bt là lượng nhiên liệu tiêu hao, kg/h

+ Qth là nhiệt trị thấp nhất của nhiên liệu

+ qv là ưng suất nhiệt cho phép của buông đốt ( nhiệt thế) kW/m3

 Xác định chiều dày của buông đốt l bằng các xác định chiều dài của ngọn lửa



+ P là áp suất của nồi hơi

+  là ứng suất của cho phép của vật liệu chọn ở nhiệt độ làm việc + l là chiều dài của ống lửa

3 Cách nhi t cho bu ng đ t ệ ồ ố

i Truy n nhi t t bên trong đ n l p th nh t b ng c p nhi t ền nhiệt từ bên trong đến lớp thứ nhất bằng cấp nhiệt ệ ừ bên trong đến lớp thứ nhất bằng cấp nhiệt ế ớp thứ nhất bằng cấp nhiệt ứ nhất bằng cấp nhiệt ất lò hơi ằng nhiệt tổng quát của lò ất lò hơi ệ

q=α1(t1-tT1), W/m2

Trong đó:

α: hệ số cấp nhiệt

t1: nhiệt độ bên trong buồng đôt

tT1: nhiệt độ tại lớp thứ 1

ii D n nhi t qua các l p v t li u ẫn nhiệt qua các lớp vật liệu ệ ớp thứ nhất bằng cấp nhiệt ậ ệ

Mật độ dòng nhiệt truyền qua 3 lớp theo công thức:

Đối với n lớp mật độ dòng nhiệt dẫn qua các lớp được xác định như sau:

Trong đó:

λ: hệ số dẫn nhiệt, W/mK

δ: chiều dày lớp cách nhiệt, m

q: mật độ dòng nhiệt, W/m2

Nếu vách phẳng có diện tích F thì nhiệt lượng truyền qua vách là Q là:

Q = F.q , W

Hệ số dẫn nhiệt một số chất:

iii C p nhi t t b m t ngoài vào không khí ất lò hơi ệ ừ bên trong đến lớp thứ nhất bằng cấp nhiệt ền nhiệt từ bên trong đến lớp thứ nhất bằng cấp nhiệt ặc tính công nghệ

q=α2(tTN – t2), W/m2

Trong đó:

tTN: nhiệt độ bề mặt ngoài

t2: nhiệt độ không khí

V Giàn ng sinh h i ống nồi hơi đốt dầu FO ơi đốt dầu FO

1 Nhi t tính toán c a giàn ng h i ệ ủa lò ố ơ

Trong lò hơi tuần hoàn tự nhiên:

tv = tbh + 60oC

Trong lò hơi tuần hoàn cưỡng bức: lấy nhiệt độ của nồi hơi

2 Chi u dày các ng ền nhiệt từ bên trong đến lớp thứ nhất bằng cấp nhiệt ố

Khi tính theo đường kính trong của ống:

0

2

t cp

dng , dt : đường kính ngoài, đường kính trong của ống

σ: ứng suất của vật liệu ở nhiệt độ làm việc, N/mm2

( tra bảng)

Co: hệ số bổ sung, thường lấy giá trị là 0,5 mm

Trong mọi trường hợp, chiều dày tính được của ống không được nhỏ hơn chiều dày tối thiểu theo bảng sau:

-VI Tính b n cho n i h i theo ASME ền cho nồi hơi theo ASME ồi hơi đốt dầu FO ơi đốt dầu FO

1 Tính b n cho đáy và n p thi t b ền nhiệt từ bên trong đến lớp thứ nhất bằng cấp nhiệt ắp thiết bị ế ịnh nghĩa

i Tính chi u dày t i thi u t ền nhiệt từ bên trong đến lớp thứ nhất bằng cấp nhiệt ố ểm

Nắp, đáy: Hình Elip

Vật liệu: Thép 304

Chiều dày tối thiểu t:

Với:

P: áp suất thiết kế bên trong(psi)

D: đường kính trong thiết bị (in)

E: hệ số bền mối hàn

S: ứng suất cho phép tối đa (psi)

( tra S bảng Table 2A đối với thep 304, tra theo nhiệt độ hơi đốt trong lò)

ii Tính t s A ỉ số A ố

Với:

t: bề dày tối thiểu

Ro: bán kính tương đương của nắp elip

6 7 8 8 9 9 1 3 5 7 0

iii Tính t s B ỉ số A ố

Đối với thép 304, dùng giản đồ Fig HA – 1

Cách tra bảng:

 Tại giá trị A, kẻ đường thẳng cắt đường nhiệt độ T (nhiệt độ làm việc của thiết bị)

 Từ điểm đó, kẻ ngang cắt Fator B, tìm được B

iv Áp su t làm vi c bên trong thi t b ất lò hơi ệ ế ịnh nghĩa

Áp suất làm việc cho phép bên ngoài thiết bị được tính bằng công thức:

2 Tính b n cho thân thi t b ền nhiệt từ bên trong đến lớp thứ nhất bằng cấp nhiệt ế ịnh nghĩa

i Tính b dày t i thi u c a thân ền nhiệt từ bên trong đến lớp thứ nhất bằng cấp nhiệt ố ểm ủa lò

Thân hình trụ, chịu ứng suất vòng

SE−0,6 P ( với điều kiện: t < 0,5R ; P < 0,385SE )

E: Hệ số bền mối hàn

P: áp suất tính toán bên trong(psi) của hơi đốt

S: ứng suất tối đa cho phép( ví dụ cho thép 304)

R: bán kính bên trong của thân

ii Tìm t s A ỉ số A ố

 Tính tỉ số L

D o ;

D o t

 Tra bảng Fig G ở Subpart 3 of Section 2 Part D (p 791,792) cho giá trị L/Do