Thông tin tài liệu
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN KỸ THUẬT NHIỆT TIỂU LUẬN MÔN THU HỒI NHIỆT THẢI Đề tài: TẬN DỤNG NHIỆT KHĨI THẢI LỊ NUNG THÉP ĐỂ GIẢM TẢI CHO HỆ THỐNG ĐIỆN TRỞ ĐỐT CỦA THIẾT BỊ GIA NHIỆT SỢI THÉP GVHD: TS NGUYỄN VĂN TUYÊN HVTH: NGUYỄN TRỌNG HIẾU LỚP: CAO HỌC NHIỆT 2015 Tiểu luận môn Thu hồi nhiệt thải GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015 Nội dung tiểu luận Phần 1: Giới thiệu chung I Giới thiệu lò nung thép thiết bị gia nhiệt thép công ty Hyosung II Sự cần thiết đề tài Phần 2: Tính tốn thiết kế thiết bị thu hồi nhiệt thải I Khả thu hồi nhiệt yêu cầu thiết bị sử dụng nhiệt (tính tốn sơ bộ) Nguồn nhiệt thải Thiết bị sử dụng nhiệt (thiết bị gia nhiệt) Khả thu hồi nhiệt II Lựa chọn phương pháp thu hồi nhiệt thải III Tính tốn thiết kế thiết bị thu hồi nhiệt Sơ đồ trao đổi nhiệt thơng số hệ thống Tính tốn nhiệt cho hệ thống Thiết kế trao đổi nhiệt Nhận xét đề xuất phương án lắp đặt trao đổi nhiệt Phần 3: Hiệu kinh tế - kỹ thuật môi trường I Hiệu kinh tế - kỹ thuật môi trường II Kết luận HVTH: Nguyễn Trọng Hiếu Trang Tiểu luận môn Thu hồi nhiệt thải Phần 1: GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên GIỚI THIỆU CHUNG I Giới thiệu lò nung thép thiết bị gia nhiệt thép công ty Hyosung Nhà máy sản xuất sợi thép Steel cord cơng ty Hyosung có dây chuyền sản xuất sợi thép Brassing Ở dây chuyền có sử dụng lò nung đốt gas CNG, nung nóng sợi thép nguyên liệu lên đến 600 0C, Sợi thép sau nung qua công đoạn kéo, mạ đồng, kẻm, rửa… hệ thống gia nhiệt sợi thép lên khoảng 1200C Hình 1.1: Lò nung 6000C dây chuyền Brassing Hệ thống gia nhiệt thép có buồng đốt sử dụng điện trở đốt với công suất điện trở máy 100kW Khơng khí làm tác nhân gia nhiệt quạt thổi qua buồng đốt điện trở trước đưa vào buồng chứa sợi thép để gia nhiệt cho sợi thép Hình 1.2: Thiết bị gia nhiệt thép II Sự cần thiết đề tài: HVTH: Nguyễn Trọng Hiếu Trang Tiểu luận môn Thu hồi nhiệt thải GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên Dây chuyền sản xuất nhà máy vận hành 24 ngày khoảng 360 ngày năm, điện tiêu thụ năm cho hệ thống điện trở đốt nhà máy lớn Trong nguồn nhiệt thải từ lò nung thép nhà máy chưa tận dụng hết, tận dụng nguồn nhiệt thải để cấp nhiệt cho hệ thống gia nhiệt thép nhằm thay cho việc dùng điện trở đốt (hệ thống điện trở đốt để dự phòng đốt bổ sung nguồn nhiệt tận dụng không đủ đáp ứng công suất yêu cầu) Việc sử dùng nguồn nhiệt tận dụng từ nhiệt thải làm giảm đáng kể điện tiêu thụ cho nhà máy giảm chi phí tiền điện năm HVTH: Nguyễn Trọng Hiếu Trang Tiểu luận môn Thu hồi nhiệt thải GVHD: TS Nguyễn Văn Tun Phần 2: TÍNH TỐN THIẾT KẾ THIẾT BỊ THU HỒI NHIỆT THẢI I Khả thu hồi nhiệt yêu cầu thiết bị sử dụng nhiệt (tính tốn sơ bộ) Nguồn nhiệt thải: • Tốc độ khói: v = 15m/s • Nhiệt độ khói: tkh1 = 500 0C • Khối lượng riêng khói: ρ = 0.405kg/m3 • Lưu lượng thể tích khói: Gv = 7.536 m3/s • Lưu lượng khối lượng khói: G = ρ Gv = 0.405* 7.536 = 3.05kg/s • Thành phần khói: xem khói tiêu chuẩn (760 mmHg; 13% CO; 11% H 2O; 76%N2) • Nồng độ bụi: thấp Thiết bị sử dụng nhiệt (thiết bị gia nhiệt): • • • • • Số lượng thiết bị gia nhiệt lắp đặt thiết bị thu hồi: Công suất điện trở đốt thiết bị gia nhiệt: Q’đt = 100kW Tổng công suất điện trở: Qđt = 400kW Nhiệt độ buồng đốt: tbđ = 1300C Nhiệt độ buồng gia nhiệt: tbs = 1200C Khả thu hồi nhiệt: • Nhiệt độ khói thải sau thu hồi (chọn): tkh2 = 3000C • Cơng suất nhiệt thu hồi từ khói thải: Q kh = G*(iv – ir) = 3.05*(1.185*500 – 1.122*300) = 780.495kW • Ước tính tỉ lệ tổn nhiệt mơi trường: 20% • Cơng suất nhiệt thu hồi sử dụng thiết bị gia nhiệt: Q th = Qkh*(100%-20%) = 624kW Nhận xét: Công suất nguồn nhiệt thải Qth = 624kW lớn công suất yêu cầu Q đt = 400kW II Chọn phương pháp thu hồi nhiệt thải Sử dụng dầu truyền nhiệt, thông qua thiết bị trao đổi nhiệt đặt đường ống khói thải lò nung, dầu truyền nhiệt nhận nhiệt khói thải bơm qua hệ thống đường ống đến thiết bị gia nhiệt, đây, đặt trao đổi nhiệt dầu truyền nhiệt tác nhân gia nhiệt (không khí) để sử dụng nhiệt dầu nóng Ở sử dụng loại dầu truyền nhiệt Shell Heat Transfer Oil S2 với thông số kỹ thuật sau Bảng2.1: Thông số kỹ thuật dầu truyền nhiệt Shell Heat Transfer Oil S2 HVTH: Nguyễn Trọng Hiếu Trang Tiểu luận môn Thu hồi nhiệt thải GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên Bộ trao đổi nhiệt đường ống khói thải gồm ống thép hợp kim trơn (không làm cánh), khói vng góc với ống thép Bộ trao đổi nhiệt thiết bị gia nhiệt gồm ống thép hợp kim có cánh, khơng khí (tác nhân gia nhiệt) vng góc với ống thép Dưới mô tả hệ thống thu hồi nhiệt sử dụng dầu truyền nhiệt: Hình 2.1: Sơ đồ thu hồi nhiệt cho dây chuyền sản xuất thép Ghi chú: LN: Lò nung thép TBGN1, TBGN2: Các thiết bị gia nhiệt thép TĐN1: Bộ trao đổi nhiệt đường khói thải lò nung TĐN2, TĐN3: Các trao đổi nhiệt thiết bị gia nhiệt TĐN4, TĐN5: Các trao đổi nhiệt thiết bị gia nhiệt 3, (không vẽ vào) BD: Bơm dầu BCD: Bồn chứa dầu Q1, Q2: Các quạt gió V: Van III Tính tốn thiết kế thiết bị thu hồi nhiệt Sơ đồ trao đổi nhiệt thông số hệ thống: HVTH: Nguyễn Trọng Hiếu Trang Tiểu luận môn Thu hồi nhiệt thải GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên Hình 2.2: Sơ đồ TĐN hệ thống thu hồi nhiệt thải Tính tốn nhiệt cho hệ thống: a Tính tốn cho TĐN thiết bị gia nhiệt: *Thông số biết trước: - Thơng số dầu nóng: • Nhiệt dung riêng dầu (lấy nhiệt độ 2500C): Cd = 2.72 kJ/kgK • Khối lượng riêng dầu (ở 2500C): ρd = 713kg/m3 • Nhiệt độ dầu nóng vào TĐN: tdv = 2500C (chọn) • Nhiệt độ dầu nóng TĐN: tdv = 2400C (chọn) - Thơng số khơng khí (tác nhân gia nhiệt): • Nhiệt dung riêng đẳng áp khơng khí (ở 1200C): Ck = 1.0072kJ/kgK • Khối lượng riêng khơng khí (ở 1200C): ρk = 0.898kg/m3 • Lưu lượng khơng khí qua TĐN: Gk = 10,000m3/h = 2.5kg/s • Nhiệt độ khơng khí trao đổi nhiệt: tkr = 1300C - Thông số chung: • Công suất nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt: Q gn = 100kW (bằng công suất điện trở đốt) • Hệ số truyền nhiệt TĐN: k1 = 50W/m2K (lấy theo kinh nghiệm) • Hệ số làm cánh: c = *Thơng số tính tốn: • Lưu lượng dầu nóng qua TĐN: Gd • Nhiệt độ khơng khí vào TĐN: tkv HVTH: Nguyễn Trọng Hiếu Trang Tiểu luận môn Thu hồi nhiệt thải GVHD: TS Nguyễn Văn Tun • Diện tích TĐN: F1 * Phương trình cân nhiệt TĐN: Gd*Cd *(tdv – tdr) = Gk*Ck*(tkr – tkv) = Qgn (1) Thay số vào hệ phương trình trên: Gd*2.72 *(250 – 240) = 2.5*1.0072*(130 – tkv) = 100 Giải hệ phương trình trên, ta được: Gd = 3.68kg/s tkv = 900C * Phương trình truyền nhiệt TĐN: Qgn = k1F1∆t1 (2) Trong đó, ∆t1 độ chênh nhiệt độ trung bình khơng khí dầu qua TĐN: ∆t = ∆t’*ε∆t ∆t’ : độ chênh nhiệt độ khơng khí dầu ứng với sơ đồ TĐN song song ngược chiều, t’ (tdv tkr ) (tdr tkv ) (250 130) (240 90) 134( 0C ) �t t � �250 130 � ln � ln �dv kr � � �240 90 � �tdr tkv � ε∆t : hệ số hiệu chỉnh tính tốn với so đồ TĐN chéo nhau, ε∆t = f(P,R); t t 240 250 P dr dv 0.0625 tkv tdv 90 250 R tdr tdv 240 250 0.25 tkv tkr 90 130 Từ giá trị P R, tra ε∆t đồ thị tương ứng với sơ đồ TĐN chéo nhau, ta có t �1 Vậy t1 �t ' 1340 C F1 Qgn 100*1000 15 50*134 (m2) k1t1 Từ phương trình (2) suy ra: b Tính tốn cho TĐN lò nung thép: *Thơng số biết trước: - Thơng số dầu nóng: • Nhiệt dung riêng dầu (lấy nhiệt độ 2500C): Cd = 2.72 kJ/kgK • • • Khối lượng riêng dầu (ở 2500C): ρd = 713kg/m3 Lưu lượng dầu nóng qua TĐN : GD = 4*Gd = 4*3.68 = 14.72 (kg/s) Nhiệt độ dầu nóng vào TĐN: tDv = tdr – = 240 – =238 (0C) (ước tính nhiệt HVTH: Nguyễn Trọng Hiếu Trang Tiểu luận môn Thu hồi nhiệt thải GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên độ dầu giảm 0C so với nhiệt độ dầu TĐN thiết bị gia nhiệt tổn thất nhiệt mơi trường) • Nhiệt độ dầu nóng TĐN: tDr = tdv + = 250 + = 252 (0C) (ước tính nhiệt độ dầu vào TĐN nhiết bị gia nhiệt giảm 0C so với nhiệt độ dầu TĐN lò nung tổn thất nhiệt mơi trường) - Thơng số khói: • Nhiệt độ khói vào TĐN: tkhv = 5000C • Nhiệt dung riêng đẳng áp khói (ở 5000C): Ckh1 = 1.185kJ/kgK • Nhiệt dung riêng đẳng áp khói (ở 3000C): Ckh2 = 1.122kJ/kgK • Lưu lượng khói qua TĐN: Gkh = 3.05kg/s - Thơng số chung: • Hệ số truyền nhiệt TĐN: k2 = 70W/m2K (lấy theo kinh nghiệm) *Thông số tính tốn: • Nhiệt độ khói TĐN: tkhr • Cơng suất nhiệt TĐN lò nung: Qln • Diện tích truyền nhiệt TĐN: F2 * Phương trình cân nhiệt TĐN: GD*Cd *(tDr – tDv) = Gkh*(ikhv – ikhr) = Qln (3) Trong đó: ikhv, ikhr : entanpi khói vào TĐN ikhv = Ckh1*tkhv = 1.185*500=592.5kJ/kg ikhr �Ckh2*tkhr =1.122*tkhr (kJ/kg) Thay số vào hệ phương trình (3): 14.72*2.72 *(252 – 238) = 3.05*(592.5 – 1.122*tkhr) = Qln Giải hệ phương trình trên, ta được: Qln = 561kW tkhr = 3640C * Phương trình truyền nhiệt TĐN: Qln = k2 F2∆t2 (4) Trong đó, ∆t2 độ chênh nhiệt độ trung bình khói dầu qua TĐN: ∆t = ∆t’*ε∆t ∆t’ : độ chênh nhiệt độ khói dầu ứng với sơ đồ TĐN song song ngược chiều, t’ (tkhv t Dr ) (tkhr t Dv ) (500 252) (364 238) 180( 0C ) �t t � �500 252 � ln � ln �khv Dr � � �364 238 � �tkhr t Dv � ε∆t : hệ số hiệu chỉnh tính tốn với so đồ TĐN chéo nhau, ε∆t = f(P,R); HVTH: Nguyễn Trọng Hiếu Trang Tiểu luận môn Thu hồi nhiệt thải GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên P tDr tDv 252 238 0.05 tkhv t Dv 500 238 R t Dr t Dv 252 238 0.103 tkhv tkhr 500 364 Từ giá trị P R, tra ε∆t đồ thị tương ứng với sơ đồ TĐN chéo nhau, ta có t �1 Vậy t2 �t ' 180 C F2 Từ phương trình (2) suy ra: Qln 561*1000 45 k2 t2 70*180 (m2) Thiết kế trao đổi nhiệt: a Thiết kế TĐN thiết bị gia nhiệt: Hình 2.3: Hình vẽ thiết kế TĐN thiết bị gia nhiệt thép Ghi chú: Để đơn giản nên không vẽ cánh dàn ống hình vẽ Từ diện tích trao đổi nhiệt F = 15m2, sau lựa chọn tính tốn, ta có thơng số dàn ống TĐN: - Số ống xoắn (được gắn vào ống góp chung): ống - Tổng chiều dài ống xoắn: 7m - Khoảng cách ống xoắn liên tiếp (không kể cánh): 0.045m - Chiều dài đoạn ống thẳng: 0.5m HVTH: Nguyễn Trọng Hiếu Trang 10 Tiểu luận môn Thu hồi nhiệt thải GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên - Bán kính uốn ống xoắn: 0.023m - Bán kính tiết diện mặt cắt ngang ống: 0.01m - Bán kính ngồi tiết diện mặt cắt ngang ống: 0.015m - Số lượng cánh đoạn ống thẳng: 42 cánh - Chiều cao cánh: 0.015m - Chiều dày cánh: 0.002m b Thiết kế TĐN đường khói thải lò nung: Hình 2.4: Hình vẽ thiết kế TĐN lò nung thép Từ diện tích trao đổi nhiệt F = 45m2, sau lựa chọn tính tốn, ta có thơng số dàn ống TĐN: - Số ống xoắn (được gắn vào ống góp chung): 15 ống, ống xoắn vào ống góp ống góp - Khoảng cách ống xoắn liên tiếp 0.075m - Chiều dài đoạn ống thẳng: 1m - Bán kính uốn ống xoắn: 0.0375m - Bán kính tiết diện mặt cắt ngang ống: 0.02m - Bán kính ngồi tiết diện mặt cắt ngang ống: 0.025m Nhận xét đề xuất phương án lắp đặt trao đổi nhiệt: - Nhiệt độ khói thải sau thu hồi nhiệt lò nung tính tốn 364 0C, nhiệt độ HVTH: Nguyễn Trọng Hiếu Trang 11 Tiểu luận môn Thu hồi nhiệt thải GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên cao, tiếp tục tận dụng nhiệt cho mục đích khác nhà máy, gia nhiệt cho nước rửa máy rửa thép - Các TĐN dầu nóng vào khơng khí TĐN khói dầu, sau thiết kế, có đủ diện tích để lắp đặt khu vực đặt máy gia nhiệt sợi thép lò nung - Đối với TĐN dầu nóng khơng khí, đặt song song với TĐN điện trở cũ, trường hợp hệ thống thu hồi nhiệt không đáp ứng đủ nhu cầu thiết bị gia nhiệt cần sửa chữa, bảo trì vận hành hệ thống TĐN cũ điện trở HVTH: Nguyễn Trọng Hiếu Trang 12 Tiểu luận môn Thu hồi nhiệt thải GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên Phần 3: HIỆU QUẢ KINH TẾ - KỸ THUẬT VÀ MÔI TRƯỜNG I Hiệu kinh tế - kỹ thuật mơi trường Sau ước tính chi phí lắp đặt thiết bị thu hồi dựa vào số giảm phát thải CO đơn vị điện tiết kiệm, ta có bảng phân tích hiệu kinh tế kỹ thuật môi trường sau: Bảng 3.1: Phân tích hiệu kinh tế - kỹ thuật môi trường phương án thu hồi nhiệt thải Thông số Gía điện trung bình Chỉ số giảm phát thải CO2 Hệ thống hữu Số lượng máy gia nhiệt thép Công suất định mức điện trở máy gia nhiệt thép Tổng công suất định mức điện trở Hệ số tải trung bình điện trở đốt Tổng công suất tiêu thụ thực tế điện trở Thời gian vận hành ngày thiết bị Số ngày vận hành năm thiết bị Lượng điện tiêu thụ năm thiết bị gia nhiệt thép Đơn vị đ/kWh tấn/MWh Gía trị 1,366 0.624 kW 100 kW % kW ngày 400 50 200 24 360 kWh/năm 1,728,000 103 đ 103 đ 103 đ 103 đ kWh/năm 103 đ/năm Năm Tấn/năm 900,000 90,000 49,500 1,039,500 1,728,000 2,359,656 0.44 1,079 Lắp thiết bị thu hồi nhiệt Chi phí nguyên vật liệu thiết bị cho hệ thống Chi phí thiết kế lắp đặt Chi phí dự phòng Tổng đầu từ lắp đặt hệ thống thu hồi Lượng điện tiết kiệm hàng năm Số tiền tiết kiệm hàng năm Thời gian thu hồi vốn Lượng giảm phát thải khí CO2 môi trường II Kết luận Tiểu luận nêu lên đề xuất lắp đặt thiết bị thu hồi nhiệt thải cho lò nung thép nhà máy sản xuất cơng ty Hyosung, thực tính tốn nhiệt, thiết kế trao đổi nhiệt sử dụng dầu truyền nhiệt để truyền tải nhiệt từ lò nung thép đến thiết bị gia nhiệt sợi thép Đề xuất đáp ứng yêu cầu công ty việc sử dụng nguồn nhiệt tận dụng để giảm điện tiêu thụ công ty Tuy nhiên, nguồn nhiệt thải sau tận dụng nhiệt độ cao, tiếp tục thu hồi để sử dụng vào HVTH: Nguyễn Trọng Hiếu Trang 13 Tiểu luận môn Thu hồi nhiệt thải GVHD: TS Nguyễn Văn Tun mục đích khác tùy theo nhu cầu cơng ty Việc thực thu hồi nhiệt thải từ lò nung thép để sử dụng cho thiết bị gia nhiệt sợi thép giúp cắt giảm lượng điện tiêu thụ hàng năm cho công ty khoảng 1,728,000 kWh, nhờ giảm chi phí tiền điện tương ứng 2,359,656,000 đ năm Ngoài ra, việc cắt giảm điện góp phần làm giảm lượng phát thải CO vào mơi trường, khoảng 1,079 tấn/năm, khí tác nhân gây hiệu ứng nhà kính, gây nhiều ảnh hưởng tiêu cực đến khí hậu toàn cầu Tài liệu tham khảo: Bài giảng Thu hồi nhiệt thải – TS Nguyễn Văn Tuyên Giáo trình Thiết bị trao đổi nhiệt – PGS.TS Nguyễn Bốn Một số tài liệu Internet HVTH: Nguyễn Trọng Hiếu Trang 14
Ngày đăng: 22/01/2018, 17:22
Xem thêm:
