Tính toán thiết kế lò hơi công nghiệp sản lượng hơi 6 tấnh

Đặt vấn đề Nước ta là nước đang phát triển, công nghiệp năng lượng là ngành được quan tâm hàng đầu và đang trong thời kì phát triển rất cao do đó công việc tính toán, thiết kế và chế tạ

KHOA CÔNG NGHỆ



LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

T NH TO N THI T HƠI C NG NGHIỆP N Ư NG HƠI T N H

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN

N T N Tr n Minh (MSSV: 1076713) Ngành: Cơ khí chế biến – Khóa: 33

C n T ơ, 05 2011

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

1 Họ và tên cán bộ hướng dẫn : Nguyễn Thuần Nhi

2 Tên đề tài : Tính toán, thiết kế lò hơi công nghiệp sản lượng hơi 6 tấn/h

3 Địa điểm thực hiện : Khoa Công Nghệ, Đại Học Cần Thơ

4 Sinh viên thực hiện : Trần Minh Mẫn

5 Họ và tên sinh viên đăng ký thực hiện ( nếu có ): Trần Minh Mẫn

6 Mục đích của đề tài :

- Khảo sát tình hình sản xuất tại nhà máy bia Sài Gòn, khu công nghiệp

- Tính toán thiết kế lò hơi

7 Các nội dung chính và giới hạn của đề tài:

- Nội dung chính :

+ Khảo sát nhà máy bia Sài Gòn, khu công nghiệp

+ Tính toán , thiết kế lò hơi

- Giới hạn của đề tài :

 Do hạn chế về kinh phí nên đề tài giới hạn trong phần tính toán

và thiết kế, không có chế tạo và khảo nghiệm

8 Các yêu cầu hổ trợ : Các phương tiện thí nghiệm tại Khoa Công nghệ, Đại học Cần Thơ

9 Kinh phí dự trù cho việc thực hiện đề tài ( dự trù chi tiết đính kèm) : 0 đồng DUYỆT CỦA BỘ MÔN DUYỆT CỦA TỔ CHUYÊN NGÀNH ĐỀ NGHỊ

Trần Minh Mẫn

TÓM TẮT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Trong thời gian thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp từ 01/ 2011 đến 05/

2011 Được sự hướng dẫn tận tình của Thầy Nguyễn Thuần Nhi và sự giúp đỡ của Công ty TNHH CĐ Thống Nhất và Công ty TNHH CĐ Thới Hưng Nay em

đã hoàn thành đề tài luận văn tốt nghiệp đáp ứng với những yêu cầu đã đặt ra :

+ Hoàn thành việc khảo sát nhà máy bia Sài Gòn Bạc Liêu và đi thực tế tại

công ty TNHH CĐ Thống Nhất và Công ty TNHH CĐ Thới Hưng

+ Hiểu được phương pháp tính toán và thiết kế lò hơi :

 Xác định cấu trúc cân bằng nhiệt lò hơi, trao đổi nhiệt trong buồng lửa

 Thiết kế buồng lửa, bộ hâm nước và bộ sấy không khí

 Tính toán, và chọn một số trang bị phụ trong lò hơi

 Tính sức bền một vài thiết bị chính trong lò hơi

LỜI CẢM TẠ

Khép lại chương trình bậc Đại Học, những năm tháng học tập và hoạt động miệt mài trên giảng đường Đại Học Khoảng thời gian không thể gọi là ngắn, đã có biết bao vui buồn của thời sinh viên, nhiều sự cố gắng cùng sự phấn đấu trong học tập Tất cả là nhằm chuẩn bị cho hành trang sinh viên chúng em trước khi bước vào đời

Sau hơn ba tháng thực hiện đề tài: “Tính toán, thiết kế lò hơi công nghiệp sản lượng hơi 6 tấn/h”, chúng em gặp không ít những khó khăn về tài liệu, kinh nghiệm cũng như kiến thức còn nhiều hạn chế Nhưng chúng em đã cố gắng hết sức mình để khắc phục những khó khăn đó và đến nay đề tài đã được hoàn thành đúng thời hạn

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Thuần Nhi đã tận tình giúp

đỡ và hướng dẫn em hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Chúng em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô của Khoa Công nghệ nói riêng và thầy cô của Trường Đại học Cần Thơ nói chung đã truyền đạt cho chúng

em những kiến thức quý báu trong suốt bốn năm học tại trường

Chúng em xin chân thành cảm ơn các anh chị, cô chú Công ty Trách Nhiệm Hữu Hạn Cơ Điện Thới Hưng và Công ty Trách Nhiệm Hữu Hạn Cơ Điện Thống Nhất đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Em xin cảm ơn tất cả các bạn đã giúp đỡ nhiệt tình trong suốt quá trình học tập cũng như quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp

Sinh viên thực hiện

Trần Minh Mẫn

MỤC LỤC

Trang TÓM TẮT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP LỜI CẢM TẠ MỤC LỤC BẢNG CÁC KÝ HIỆU DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT 12

1 Đặt vấn đề 12

2 Mục tiêu 12

3 Phương pháp thực hiện 13

4 Giới hạn của đề tài 13

CHƯƠNG II : LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 14

1 Quá trình phát triển lò hơi 14

1.1 Lò hơi kiểu bình và lò hơi ống lò, ống lửa 14

1.1.1 Lò hơi kiểu bình 14

1.1.2 Lò hơi ống lò 15

1.1.3 Lò hơi ống lửa 16

1.1.4 Lò hơi phối hợp ống lò - ống lửa 16

1.2 Lò hơi ống nước có hộp góp và lò hơi nhiều bao hơi 17

1.2.1 Lò hơi ống nước có hộp góp 17

1.2.2 Lò hơi ống nước có ống góp phân đoạn 18

1.2.3 Lò hơi có nhiều bao hơi 19

1.3 Lò hơi ống nước có các dàn ống 21

1.3.1 Lò hơi có tuần hoàn tự nhiên 21

1.3.2 Lò hơi tuần hoàn cưỡng bức 23

1.3.3 Lò hơi trực lưu 23

1.4 Lò hơi đặc biệt 24

1.4.1 Lò có áp suất buồng lửa cao 24

1.4.2 Lò hơi nhà máy điện nguyên tử 25

2 Nguyên lý làm việc của lò hơi 25

2.1 Vai trò của lò hơi và phân loại 25

2.1.1 Vai trò của lò hơi trong nền kinh tế 25

2.1.2 Phân loại lò hơi 26

2.2 Các đặc tính kỹ thuật của lò hơi 27

2.2.1 Thông số hơi của lò 27

2.2.2 Sản lượng hơi của lò 27

2.2.3 Hiệu suất của lò 28

2.2.4 Nhiệt thế thể tích của buồng lửa 28

2.2.5 Nhiệt thế diện tích trên ghi 29

2.2.6 Năng suất bốc hơi của bề mặt sinh hơi 29

3 Nhiên liệu và quá trình cháy 30

3.1 Nhiên liệu 30

3.1.1.Khái niệm về nhiên liệu 30

3.1.1.1 Nhiên liệu hữu cơ 30

3.1.1.2 Nhiên liệu vô cơ 30

3.1.2 Thành phần nhiên liệu 30

3.1.2.1 Thành phần của nhiên liệu khí 30

3.1.2.2 Thành phần nhiên liệu lỏng 31

3.1.2.3 Thành phần nhiên liệu rắn 31

3.1.3 Các loại nhiên liệu thường dùng trong lò hơi 33

3.1.3.1 Nhiên liệu khí 33

3.1.3.2 Nhiên liệu lỏng 34

3.1.3.3 Nhiên liệu rắn 34

3.2 Trấu và công nghệ khí hóa trấu trong sản xuất 35

3.2.1 Cơ lý tính của trấu 35

3.2.2 Công nghệ khí hóa trấu trong sản xuất 36

3.3 Cơ sở lý thuyết cháy 40

3 3.1 Các khái niệm cơ bản 40

3 3.2 Quá trình bốc cháy và tắt ngọn lửa 43

3 3.3 Quá trình lan truyền ngọn lửa 44

3 3.4 Các đặc điểm của quá trình cháy 45

3 3.5 Cơ sở khí động để phân loại buồng lửa 47

4 Buồng lửa lò hơi và thiết bị đốt nhiên liệu 48

4.1 Những yêu cầu đối với buồng lửa và các đặc tính công nghệ 48

4 1.1 Những yêu cầu đối với buồng lửa lò hơi 48

4 1.2 Các đặc tính công nghệ của buồng lửa 49

4.2 Buồng lửa ghi ( nhiên liệu cháy theo lớp ) 49

4 2.1 Nguyên lý cấu tạo buồng lửa ghi 49

4.2.2 Phân loại buồng lửa ghi 50

4.2.3 Những đặc tính chung của quá trình cháy buồng lửa trên ghi 50

4.2.4 Buồng lửa ghi thủ công 53

4.2.5 Buồng lửa ghi được cơ khí hóa một phần 54

4.2.6 Buồng lửa có ghi nghiêng và có lớp nhiên liệu chuyển động 55

4.2.7 Buồng lửa ghi xích 57

4 3 Buồng lửa phun 61

4 3.1 Khái niệm chung 61

4 3.2 Buồng lửa đốt nhiên liệu khí 62

4.3.3 Buồng lửa đốt nhiên liệu lỏng 63

4 3.4 Buồng lửa phun đốt bột than 64

4.3.5 Buồng lửa xoáy (xyclon ) 66

4 4 Buồng lửa tầng sôi ( lớp sôi ) 66

4 4.1 Sơ đồ nguyên lý buồng lửa tầng sôi 67

4 4.2 Các kiểu buồng lửa tầng sôi và ưu nhược điểm của nó 67

4 5 Chuẩn bị nhiên liệu để đốt trong lò hơi 69

4 5.1 Chuẩn bị nhiên liệu khí 69

4 5.2 Chuẩn bị nhiên liệu lỏng 69

4.5.3 Chuẩn bị nhiên liệu rắn 69

4.6 Yêu cầu đối với nước lò hơi 69

CHƯƠNG III : TÌNH HÌNH SẢN XUẤT NHÀ MÁY BIA SÀI GÒN, KHU CÔNG NGHIỆP 1 Tình hình sản xuất tại nhà máy bia Sài Gòn 72

2 Tình hình sản xuất lò hơi tại các công ty 86

CHƯƠNG IV : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ LÒ HƠI 1 Nhiệm vụ cho thiết kế và chọn các số liệu ban đầu để tính nhiệt 1.1 Tính toán các thành phần nhiên liệu và tính nhiệt trị nhiên liệu theo các giá trị Wlv và Alv đã cho 93

1.2 Tính thể tích không khí và sản phẩm cháy nhiên liệu 93

1.3 Entanpi của không khí và sản phẩm cháy 94

2 Xác định cấu trúc và cân bằng nhiệt lò hơi 2.1 Nhiệt lượng đưa vào của nhiên liệu 95

2.2 Các thành phần trong cân bằng nhiệt 95

2.3 Hệ số giữ nhiệt (bảo ôn ) 96

2.4 Lượng tiêu hao nhiên liệu 96

3 Tính toán thiết kế buồng lửa và thiết bị đốt 3.1 Thể tích buồng lửa Vbl 97

3.2 Xác định kích thước buồng lửa 97

3.3 Đặc tính cấu tạo của dàn ống sinh hơi và độ đặt ống 98

3.4 Xác định diện tích tiếp nhiệt của buồng lửa 99

4 Xác định quá trình trao đổi nhiệt trong buồng lửa 4.1 Diện tích bức xạ 99

4.2 Bề dày hiệu quả của lớp bức xạ trong buồng lửa 99

4.3 Nhiệt lượng hữu ích tỏa ra trong buồng đốt 100

4.4 Độ đen của buồng đốt 100

4.5 Năng lượng hấp thu trong buồng đốt 101

5 Tính toán, thiết kế bộ hâm nước 5.1 Sơ bộ thiết kế đặc tính cấu tạo 101

5.2 Tính truyền nhiệt bộ hâm nước 101

5.3 Tính toán ống lửa cho lò hơi 103

6 Tính toán thiết kế bộ sấy không khí 6.1 Đặc tính cấu tạo 105

6.2 Tính truyền nhiệt của bộ sấy không khí 105

7 Tính toán chọn quạt và bơm cho hệ thống 107

8 Các thiết bị phụ trợ trong lò hơi 8.1 Các loại van và bơm nước cấp 112

8.2 Áp kế và ống thủy 113

8.3 Hệ thống thông gió 115

9 Kiểm tra sức bền các chi tiết trong lò hơi 9.1 Các loại thép dùng trong chế tạo lò hơi 115

9.2 Tính sức bền của những chi tiết chính của lò hơi 116

CHƯƠNG V : VẬN HÀNH LÒ HƠI 1 Các chế độ vận hành lò hơi 118

2 Các quá trình không ổn định trong lò hơi có bao hơi 118

3 Khởi động lò hơi có bao hơi 118

4 Vận hành lò hơi khi làm việc bình thường 121

5 Ngừng lò hơi 122

CHƯƠNG VI : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

BẢNG CÁC KÝ HIỆU

a0 – độ đen của buồng đốt

Btt – Lượng tiêu hao nhiên liệu tính toán, kg/h

cp1 – Nhiệt dung riêng đẳng áp, kJ/ kg.độ

D - Sản lượng lò hơi, tấn /h

d – Đường kính, m

Fv – diện tích tiếp nhiệt, m2

G – Lưu lượng khối lượng, Kg/s

H – Chiều cao, m

Hb – Bề mặt hấp thụ bức xạ, m2

qv – Nhiệt thế thể tích buồng lửa, kW/m3

qr – Nhiệt thế diện tích tiết diện ngang của buồng lửa, kW/m2

Qtlv – Nhiệt trị thấp của nhiên liệu, kJ/ kg

- Hiệu suất lò hơi, %

Re – tiêu chuẩn Reynolds

Nu – Tiêu chuẩn Nusselt

Pr – Tiêu chuẩn Prandtl

DANH MỤC CÁC BẢNG

1 Bảng 1.1 Các giá trị thông số cơ bản và thông số hơi 29

3 Bảng 1.3 Ví dụ : Thành phần được tính đổi giữa các mẫu

nhiên liệu

33

4 Bảng 1.4 Thành phần khí dầu mỏ và khí thiên nhiên 33

5 Bảng 1.5 Thành phần [ % thể tích ] một số loại khí đốt 34

6 Bảng 1.6 Tính chất của hai loại dầu quan trọng nhất 34

7 Bảng 1.7 Đặc tính của một số loại than Mạo Khê 35

9 Bảng 1.9 RICE HUSK PROPERTIES Ultimate analysis

(% Dry basis ) & Higher heating value ( MJ/ kg Dry)

36

10 Bảng 1.10 Nhiệt độ bốc cháy của một số khí cháy trong

không khí

44

11 Bảng 1.11 Chiều dày lớp nhiên liệu trên ghi 44

12 Bảng 1.12 Những đặc tính tính toán của buồng lửa ghi xích 61

13 Bảng 1.13 Thành phần hóa học của một số thép trong

ngành chế tạo lò hơi

88

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

5 Hình 2.5: Lò hơi nằm ống lò ống lửa đi quặt nhiều lần 17

6 Hình 2.6: Lò hơi có hộp góp và bao hơi đặt dọc 18

8 Hình 2.8: Lò Gacberg có 4 bao hơi ống nước thẳng 20

9 Hình 2.9: Lò hơi có 4 bao hơi, bộ hâm nước có 2 bao nước 21

10 Hình 2.10: Sự phát triển của lò hơi tuần hoàn tự nhiên 22

17 Hình 2.17: Mô hình một hệ thống khí hóa sử dụng trấu 40

18 Hình 2.18: Quá trình cháy lớp cố định cấp nhiên liệu phía trên 51

20 Hình 2.20: a) Cấu tạo ghi thanh, b) Cấu tạo ghi tấm 53

24 Hình 2.24: Buồng lửa cấp nhiên liệu từ dưới lên bằng vít tải 56

25 Hình 2.25: Sơ đồ nguyên lý buồng lửa ghi xích 57

27 Hình 2.27: Sơ đồ buồng lửa ghi xích dùng để đốt bột than 59

28 Hình 2.28:Lò ghi xích 35t/h, p = 4Mpa,tqn =4500C,tnc =1050C 60

29 Hình 2.29: Nguyên lý buồng lửa phun 61

33 Hình 2.33: Chuyển động của hạt nhiên liệu trong buồng lửa 67

41 Hình 3.8 : Gạch chịu nhiệt sử dụng trong lò hơi 90

CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT

1 Đặt vấn đề

Nước ta là nước đang phát triển, công nghiệp năng lượng là ngành được quan tâm hàng đầu và đang trong thời kì phát triển rất cao do đó công việc tính toán, thiết kế và chế tạo lò hơi, lắp ráp các lò hơi sử dụng trong công nghiệp và trong các nhà máy nhiệt điện cũng đòi hỏi phải được quan tâm đúng mức để đáp ứng được tương xứng với tốc độ phát triển kinh tế của đất nước Hiện nay lò hơi được sử dụng trong các nhà máy, xí nghiệp thuộc ngành công nghệ thực phẩm ( sản xuất đường, rượu bia, chế biến thực phẩm …), trong các ngành công nghiệp khác như các nhà máy, xí nghiệp dệt, giấy, cao su … hơi nước từ lò hơi được dùng cung cấp cho các quá trình công nghệ như đun sôi, chưng cất, cô đặc, sấy

….Trong các nhà máy nhiệt điện, hơi nước được sản xuất để cung cấp cho tuốc bin hơi, làm quay tuốc bin kéo máy phát điện để sản xuất điện năng Thiết bị chính để sản xuất hơi nước là lò hơi Phần lớn là các lò có hiệu suất sử dụng năng lượng thấp, nên lượng khí độc hại do đốt nhiên liệu phát thải vào môi trường là rất cao và kém hiệu quả về mặt kinh tế Tình hình này đặt ra yêu cầu cần thiết phải có các giải pháp giúp các doanh nghiệp nâng cao hiệu suất, tiết kiệm năng lượng trong sử dụng và vận hành các lò hơi của cơ sở mình Nền kinh

tế Việt Nam hiện đang sử dụng hàng ngàn lò hơi các loại trong đó chủ yếu thuộc ngành công nghiệp Các lò hơi này có công suất từ 1tấn /giờ đến 300 tấn /giờ

Theo nghiên cứu của Bộ Công nghiệp gần đây cho thấy, do công nghệ lò hơi lạc hậu nên mức tiêu hao năng lượng để sản xuất ra một đơn vị sản phẩm cao Vì vậy, việc nâng cao hiệu suất, tiết kiệm năng lượng của lò hơi, và giảm thiểu tác động đến môi trường đang là vấn đề được các doanh nghiệp quan tâm, nhất là trong thời điểm hiện nay khi giá nhiên liệu đang có xu hướng ngày càng tăng cao

2 Mục tiêu

- Mục tiêu tổng quát : của đề tài là tính toán và thiết kế lò hơi công nghiệp 6 t/h

- Mục tiêu cụ thể như sau :

 Khảo sát nhà máy bia Sài Gòn, khu công nghiệp Trà Kha Bạc Liêu để xác định yêu cầu kỹ thuật

 Xác định loại nhiên liệu và nguyên lý làm việc

 Tính toán, thiết kế lò hơi

3 Phương pháp thực hiện

 Lược khảo tài liệu có liên quan

 Khảo sát tình hình sản xuất tại nhà máy Bia Sài Gòn

 Khảo sát hiện trạng sử dụng lò hơi tại các công ty, khu công nghiệp

 Thực hiện các thí nghiệm có liên quan (nếu có điều kiện )

4 Giới hạn đề tài

Do hạn chế về kinh phí nên đề tài giới hạn trong phần tính toán và thiết kế, không có chế tạo và khảo nghiệm

CHƯƠNG 2: LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU

1 Quá trình phát triển lò hơi

1.1 Lò hơi kiểu bình và lò hơi ống lò ống lửa

1.1.1 Lò hơi kiểu bình

Năm 1790 người ta đã chế tạo được lò hơi kiểu bình đầu tiên dùng đinh tán Đây là loại lò hơi đơn giản nhất Khói đốt nóng bên ngoài bình và chỉ đốt ở nửa dưới của bình Lò có khối lượng nước lớn Tỷ số giữa bề mặt đốt của lò và lượng nước F/G là tương đối nhỏ, khoảng 1 m2 /t, khói ra có nhiệt độ rất cao, đến

300oC và lớn hơn

Hình 2.1 Lò hơi kiểu bình

1 – bao hơi, 2 – đáy bao hơi, 3 – đôm hơi, 4 - ống dẫn hơi ra, 6 – tấm đỡ,

7 – nắm lỗ vệ sinh, 8 – áp kế, 9 - ống thủy, 10 – van an toàn, 11 – van hơi chính,

12 – van cấp nước, 13 – van một chiều, 14 – van xả, 15 – ghi lò, 16 – buồng lửa,

17 – ngăn chứa tro,18 - cửa cấp than, 19 – cửa cấp gió, 20 – đường khói, 21 – gạch chịu lửa, 22 – lớp cách nhiệt, 23 – móng lò, 24 – khói vào ống khói, 25 -

ống khói, 26 – tấm điều chỉnh khói

Nhược điểm là bề mặt truyền nhiệt nhỏ, tối đa bằng 25 – 30 m2, thân bình

bị đốt nóng trực tiếp do đó sinh ra ứng suất nhiệt phụ trong kim loại thành bình

Do đốt nóng và giãn nỡ không đều của phần trên và dưới mà trong thành bình có ứng suất cao hơn Tuần hoàn của nước không rỏ rệt Để tăng bề mặt truyền nhiệt F (m2) người ta dùng nhiều bình Hơi sản xuất ở lò hơi này là hơi

bão hòa Sản lượng nhỏ khoảng 200  500 kg/h.Tiêu hao nhiều kim loại 250 

300 kg/ m3

1.1.2 Lò hơi ống lò

Với mục đích tăng F (m2) người ta dùng lò hơi có cấu tạo mới năm (1802)

là lò hơi ống lò Bên trong thân lò có thể đặt 1, 2 đến 3 ống lò có đường kính

 = 400  900 mm, ống lò được nối với thân lò bằng 2 mặt sàng Buồng lửa đặt bên trong ống lò nên truyền nhiệt bức xạ mạnh

a) b)

Hình 2.2 Lò bình có ống lò a) một ống lò ; b) hai ống lò

1 - ống lò, 2 – ghi lò, 3 – vòng trong thân lò

4 – vành ngoài thân lò, 5 – giá đỡ, 6 – đôm hơi

Sản lượng hơi khoảng 0,8  1,5 t/h đối với lò có một ống lò, tỷ lệ F/G tốt hơn bằng 4 -5 m2/t, dòng nhiệt q =11,63 W /m2, suất sinh hơi của lò hơi ống lò bằng d = D /F  20 kg/m2h

1.1.3 Lò hơi ống lửa

Lò hơi ống lửa xuất hiện vào khoảng năm 1829 Ống lửa có đường kính bằng 50  80 mm Bề mặt truyền nhiệt tăng lên 3  3,5 lần, áp suất làm việc đến 1,5  2,0 Mpa

Hình 2.3 Lò hơi kiểu bình có ống lửa

1 – thân lò, 2 – ghi lò, 3 – tường lò, 4 - ống lửa, 5 – khoang nước,

Hình 2.5 Lò hơi nằm ống lò, ống lửa có đường khói đi quặt nhiều lần

1 - ống lò, 2 – hộp khói, 3 - ống lửa, 4 – thanh giằng, 5 – đôm hơi,

6- thân ngoài

Lò hơi ống lò ống lửa có suất sinh hơi lớn hơn (D/F = 25 kg/m2h) Truyền nhiệt bức xạ tốt ở ống lò và truyền nhiệt đối lưu mạnh trong các ống lửa, do khói đi trong các ống nhỏ có tốc độ lớn

Tuy nhiên kiểu ống lò ống lửa nằm ngang có chiều dài khá lớn, do đó người ta đã chế tạo lò nằm cho khói đi quặt trở lại Lò hơi kiểu dòng khói đi quặt trở lại đã giúp giảm chiều dài của lò và gọn hơn, ở đây khói ra khỏi ống

lò đi quặt vào các ống lửa một lần hay nhiều lần

1.2 Lò hơi ống nước có hộp góp và lò hơi nhiều bao hơi

Lò hơi ống nước chỉ được phát triển khi người ta đã có thể chế tạo các ống liền ( không có mối hàn dọc) Lò hơi này có từ sau nữa thế kỷ 19 Lò hơi ống nước có những ưu điểm sau đây :

- Có thể tăng bề mặt đốt chế tạo từ những ống có đường kính nhỏ và đặt dày trong đường khói

- Cho phép tăng đáng kể áp suất hơi vì các ống sinh hơi có đường kính bằng

50  100 mm, và bao hơi lúc này không cần phải làm nhiệm vụ bề mặt đốt nữa nên có thể giảm đường kính đến 800  1500 mm

- Giảm rất nhiều lượng kim loại tiêu hao cho lò, suất tiêu hao kim loại giảm

từ 8  10 t/t hơi.h đến 3  3,5 t/t hơi h

1.2.1 Lò hơi ống nước có hộp góp

Loại lò hơi có hộp góp với những ống nước hơi nghiêng 10o  15o so với mặt phẳng ngang Có hai loại đó là loại có bao hơi đặt dọc và loại có bao hơi đặt ngang

Số ống hạn chế cả chiều ngang lẫn chiều đứng Do có hộp góp tán đinh nên không thể tăng áp suất cao được, dễ xì hở những chổ nối núc ống vào hộp góp do giãn nở nhiệt của chúng không đều

Lò hơi có hộp góp được chế tạo đến sản lượng 16 t/h, áp suất làm việc bằng 2 MPa, bề mặt hấp thu nhiệt đạt đến 450m2 , suất sinh hơi bằng 35kg/m2h, chiều dài các ống nước đến 5m và là các ống thẳng

a) b)

Hình 2.6 Lò hơi có hộp góp và bao hơi đặt dọc ; a) ống nước ngang ; b) ống nước nghiêng ; 1- ghi lò, 2 – hộp góp; 3 – bao hơi;

4 – bộ quá nhiệt

1.2.2 Lò hơi ống nước có ống góp phân đoạn

Để khắc phục nhược điểm của hộp góp người ta phân hộp góp thành nhiều ống góp có tiết diện vuông hay chữ nhật, kích thước mỗi ống góp vuông có thể đạt đến 140 x 140 mm Những lò hơi này do hãng Babcock – Wilcox khởi thảo và chế tạo đầu tiên

a) b)

Hình 2.7 Lò hơi có ống hóp phân đoạn a) nối ống vơi hộp góp, b) chi tiết nắp đậy lỗ trên ống góp 1- hộp góp, 2 – bulong, 3 – ecu, 4 – mốc, a – lỗ kiểm tra, b – lỗ núc

ống; c – nắp đậy

Vì thời kỳ ấy người ta chưa biết xử lý nước cấp cho lò hơi nên phải đặt các lỗ ở hộp góp hay ống góp phân đoạn đối diện với ống để làm sạch cáu cặn bám trong ống bằng biện pháp cơ khí Những lỗ này có nắp đậy kiểu elip và xiết chặt bằng bulong thật chặt Ở những nước Anh, Đức, Mỹ mãi tới năm

1940 mới ngừng hẳn việc sản xuất những lò hơi loại này

1.2.3 Lò hơi có nhiều bao hơi

Lò hơi ống nước đứng có tuần hoàn của nước rõ rệt và mạnh Lò hơi loại này có ba, bốn và năm bao hơi ( như lò Oschats; lò Sladek; lò Gacberg; Sterling) và được dùng phổ biến trong những năm 1925 – 1930

Hình 2.8 Lò Gacberg có 4 bao hơi, ống nước thẳng

Hình 2.9 Lò hơi có 4 bao hơi, ống nước đứng với bộ hâm nước có 2 bao

1.3.1 Lò hơi có tuần hoàn tự nhiên

Sự thay đổi tận gốc sơ đồ nguyên lý của lò hơi ống nước bắt đầu vào những năm thứ 20 của thế kỷ XX Sở dĩ có sự thay đổi như vậy vì sự tiến bộ

của kỹ thuật xử lý nước đã cho phép bảo đảm được chế độ làm việc của lò hơi không có đóng cáu trong ống bằng cách làm mềm nước (trao đổi ion), đồng thời tiến hành xử lý nước bổ sung bằng phốt phát và xả liên tục Do tiến bộ này mà người ta đã có thể dùng các ống uốn cong thay cho các ống thẳng trước đây

Hình 2.10 Sự phát triển của lò hói tuần hoàn tự nhiên

Các điều kiện tiêu chuẩn khi chế tạo lò hơi bao gồm :

- Tăng D, p, t

- Giảm khối lượng và kích thước bằng cách giảm số bao hơi, dùng ống có đường kính bé

- Tăng bề mặt đốt hấp thu nhiệt bằng bức xạ, dùng tường nhẹ và bảo ôn lò

- Hoàn thiện tuần hoàn, tránh đốt nóng các ống nước xuống

- Tăng hiệu suất lò bằng cách đặt các bề mặt đốt ở phần đuôi lò

- Hoàn thiện phương pháp đốt nhiên liệu

Vào những năm 1920 – 1930, ở nhiều nước trên thế giới như Liên Xô,

Mỹ, Pháp, Đức người ta đã tiến hành nghiên cứu và thí nghiệm một phương pháp mới để đốt nhiên liệu rắn, đó là phương pháp đốt than bột Do áp dụng phương pháp đốt bột than trong buồng lửa lò hơi mà sản lượng hơi của lò đã tăng lên rất nhiều

Năm 1923 người ta đã bắt đầu sử dụng lò hơi thông số cao để tăng hiệu suất và độ kinh tế sử dụng than trong việc sản xuất điện năng

Ở những lò thông số cao có vai trò của bộ quá nhiệt tăng lên rỏ rệt và trở thành phần tử không thể thiếu được của thiết bị lò hơi Lò có tuần hoàn tự nhiên thường được chế tạo đến áp suất p = 18 Mpa

Để giảm khối lượng và kích thước bằng cách giảm số bao hơi dùng ống

có đường kính bé theo xu hướng phát triển

1.3.2 Lò hơi tuần hoàn cưỡng bức

Bên cạnh nhưng lò hơi có tuần hoàn tự nhiên của nước và hỗn hợp của nước trong các dàn ống sinh hơi, đã xuất hiện vào năm 1923 những lò hơi có tuần hoàn cưỡng bức Đó là lò La Mont có suất sinh hơi đến

46  170 kg/m2h Vào những năm 1930 – 1945 chúng được dùng phổ biến

Ở Mỹ có các lò hơi La Mont lớn D= 250  430 t/h, với p =21,5 MPa

Ở Anh đã sản xuất lò hơi loại này với D = 1700 t/h, pqn=17 Mpa, tqn= 5680C,

và quá nhiệt trung gian đến 5680C

Hình 2.11 Lò hơi La Mont (Mỹ)

1 – bao hơi, 2 – bơm tuần hoàn, 3 – dàn ống dinh hơi, 4,5 - bộ quá nhiệt,

6 – bộ hâm nước 1.3.3 Lò hơi trực lưu

Ý tưởng tạo ra lò hơi kiểu trực lưu có từ thế kỷ 19 Đến trước chiến tranh thế giới thứ nhất có một kỹ sư Tiệp tên Muller đã khởi thảo lò trực lưu

về mặt kỹ thuật Ông ta di cư sang Anh và đổi tên là Benson

Ở Liên Xô vào những năm 1930 – 1931 giáo sư L K Ramzin cũng đã phát minh ra lò hơi trực lưu mang tên ông

Ở Thụy Sỹ có lò hơi Sulzer, vì Thụy Sỹ không có quặng và than nên đòi hỏi giảm kim loại để chế tạo lò hơi, mà lò hơi này đã đáp ứng đòi hỏi đó

Ỏ Liên Xô cũ đã chế tạo lò hơi trực lưu sản lượng D = 3950 t/h, đốt hỗn hợp nhiên liệu khí madút cung cấp hơi cho tổ máy 1200 MW

1.4.1 Lò có áp suất buồng lửa cao

Các lò hơi thông thường được trình bày ở những phần trước có áp suất khói trong buồng lửa nhỏ hơn áp suất khí quyển ( có độ chân không khoảng -

20 đến -40 Pa), còn ở loại lò hơi này đường khói có áp suất lớn hơn áp suất

khí quyển, áp suất dư là 0,3 – 0,5 MPa, khi đó lò hơi chỉ cần bố trí quạt gió

mà không cần quạt khói

1.4.2 Lò hơi nhà máy điện nguyên tử

Lò hơi nhà máy điện nguyên tử khác so với lò hơi đốt than, madút hoặc khí đốt Ở lò hơi của nhà máy điện nguyên tử không có quá trình buồng lửa, lượng nhiệt cần thiết để sinh hơi được tỏa ra với một lượng khổng lồ trong lò phản ứng hạt nhân

Trong việc phát triển kỹ thuật lò hơi và buồng lửa một điều quan trọng, nhất là với những lò hơi sản lượng lớn và thông số cao là độ tin cậy của thiết

bị Phương hướng chung là :

- Tăng sản lượng đơn vị của một thiết bị

- Tăng thông số của hơi quá nhiệt

- Bảo đảm độ tin cậy cao

- Đảm bảo độ kinh tế cao trong vận hành các khối lò hơi – tuabin có công suất lớn

2 Nguyên lý làm việc của lò hơi

2.1 Vai trò của lò hơi và phân loại

2.1.1 Vai trò của lò hơi trong nền kinh tế

Lò hơi là thiết bị trong đó xảy ra quá trình đốt cháy nhiên liệu, nhiệt lượng tỏa ra từ quá trình cháy sẽ truyền cho nước trong lò để biến 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 rất phổ biến trong các xí nghiệp nhà máy Trong các nhà máy công nghiệp như nhà máy hóa chất, đường, rượu, bia, nước giải khát, thuốc

lá, dệt, chế biến thực phẩm …, hơi nước phục vụ cho quá trình công nghệ như đun nấu, chưng cất các dung dịch, cô đặc và sấy sản phẩm… Hơi ở đây thường

là hơi bão hòa, có áp suất hơi tương ứng với nhiệt độ bão hòa cần thiết cho quá trình công nghệ, có áp suất hơi thấp sản lượng nhỏ Trong nhà máy nhiệt điện, lò hơi sản xuất ra hơi làm quay tuốc bin, phục vụ cho việc sản xuất điện năng, đòi hỏi phải có công suất lớn, hơi là hơi quá nhiệt có áp suất và nhiệt độ cao, loại này được gọi là lò năng lượng

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 nhiên liệu khí

Hình 2.13 Nguyên lý cấu tạo của lò hơi 1- vòi phun nhiên liệu và không khí, 2-buồng đốt, 3- phễu tro lạnh, 4-đáy thải xỉ, 5- dàn ống sinh hơi, 6 – bộ quá nhiệt bức xạ, 7-bộ quá nhiệt nữa bức xạ,8- ống hơi lên,9 – bộ quá nhiệt đối lưu, 10-bộ hâm nước,11-bộ sấy không khí, 13-quạt khói, 14- quạt gió, 15-bao hơi, 16-ống nước xuống, 17-ống góp nước

2.1.2 Phân loại lò hơi

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 năng lượng, lò hơi công nghiệp, lò hơi dân dụng

+ Lò hơi năng lượng là loại lò có công suất lớn, thông số hơi cao được đặt trong các nhà máy nhiệt điện có nhiệm vụ sản xuất hơi nước để cung cấp cho tuốc bin hơi, làm quay tuốc bin kéo máy phát điện để sản suất điện năng Loại lò hơi này sản xuất ra hơi quá nhiệt, thường có công suất trên 50 t /h, áp suất thường lớn hơn 2,0 Mpa và nhiệt độ hơi trên 3500C

+ Lò hơi công nghiệp là loại lò có công suất vừa và nhỏ đặt trong các nhà máy , xí nghiệp thuộc ngành công nghiệp thực phẩm ( sản xuất đường, rượu, bia, chế biến thực phẩm…), trong ngành công nghiệp nhẹ như các nhà máy, xí nghiệp dệt, giấy, cao su … sản xuất hơi cung cấp cho các quá trình công nghệ như đun sôi, chưng cất, cô đặc, sấy … hơi ở đây thường là hơi bão hòa, áp suất hơi không vượt quá 2,0 Mpa, nhiệt độ t = 2500C

+ Lò hơi dân dụng là loại lò có công suất nhỏ đặt trong các khách sạn, nhà hàng, bệnh viện sản xuất hơi phục vụ việc giặt là, sấy, tắm hơi … sản xuất hơi bão hòa có áp suất hơi không vượt quá 0,5 Mpa và nhiệt độ hơi không quá

1500C

* Theo chế độ đốt nhiên liệu trong buồng lửa

Theo chế độ đốt nhiên liệu trong buồng lửa ta có: Lò hơi ghi thủ công; lò hơi ghi nữa cơ khí; lò hơi ghi xích ( ghi cơ khí); lò hơi đốt nhiên liệu lỏng, lò hơi đốt nhiên liệu khí; lò hơi đốt bột than thải xỉ khô hay xỉ lỏng, lò hơi buồng lửa xoáy; lò hơi buồng lửa tầng sôi

* Theo chế độ tuần hoàn của nước trong lò

Theo chế độ tuần hoàn nước trong lò ta có : Lò hơi tuần hoàn tự nhiên, lò hơi tuần hoàn cưỡng bức, lò hơi trực lưu

Tuy nhiên cách phân loại này chỉ thể hiện một vài đặc tính nào đó của lò hơi nên thực tế khi gọi tên lò hơi thường người ta kết hợp nhiều kiểu phân loại

2.2 Các đặc tính kỹ thuật của lò hơi

Một lò hơi thường được xác định bởi các đặc tính kỹ thuật chính như sau :

2.2.1 Thông số hơi của lò :

Đối với lò hơi của nhà máy điện, hơi sản xuất ra là quá nhiệt nên thông số hơi của lò được biểu thị bằng áp suất và nhiệt độ hơi quá nhiệt : Pqn (MPa ),

tqn ( 0C ) Áp suất và nhiệt độ hơi quá nhiệt được chọn trên cơ sở so sánh kinh tế

kỹ thuật của chu trình nhiệt;

Đối với lò hơi công nghiệp trong nhà máy công nghiệp, hơi nước ở đây thường là hơi bão hòa, áp suất hơi tương ứng nhiệt độ bão hòa cần thiết cho quá trình công nghệ, do đó thông số của loại lò hơi này là áp suất ( Mpa )

2.2.2 Sản lượng hơi của lò :

Sản lượng hơi của lò là lượng hơi mà lò sản xuất ra được trong một đơn vị thời gian ( kg/h hoặc t/h hoặc kg/s) Thường dùng 3 khái niệm sản lượng

- Sản lượng hơi định mức ( Ddm ) :là sản lượng hơi lớn nhất lò có thể đạt được, đảm bảo vận hành trong thời gian lâu dài, ổn định với các thông số hơi đã cho mà không phá hủy hoặc gây ảnh hưởng xấu đến chế độ làm việc của lò

- Sản lượng hơi cực đại (Dmax): là sản lượng hơi lớn nhất mà lò có thể đạt được, nhưng chỉ trong thời gian ngắn, nghĩa là lò không thể làm việc lâu dài với sản lượng hơi cực đại được Sản lượng hơi cực đại bằng :

D max  (1,1 1, 2)  D dm

- Sản lượng hơi kinh tế là sản lượng hơi mà ở đó lò làm việc với hiệu quả kinh tế cao nhất Sản lượng hơi kinh tế bằng :

D kt  (0,8 0,9)  Ddm

2.2.3 Hiệu suất của lò

Hiệu suất của lò là tỉ số giữa lượng nhiệt mà môi chất hấp thụ được ( hay còn gọi là lượng nhiệt có ích ) với lượng nhiệt cung cấp vào cho lò ( sinh ra trong buồng lửa ) Hiệu suất của lò ký hiệu bằng , được xác định :

(qn nc)

lv t

D i i BQ

   [ Đào Ngọc Chân –Hoàng Ngọc Đồng, 2008 ]

Trong đó: D là sản lượng hơi, (kg/h)

iqn là entanpi của hơi quá nhiệt, (kJ/kg)

inc là entanpi của nước đi vào bộ hâm nước, (kJ/kg)

B là lương nhiên liệu tiêu hao trong một giờ, (kg/h)

Qt

lv

: Nhiệt trị thấp làm việc của nhiên liệu, (kJ/kg)

2.2.4 Nhiệt thế thể tích của buồng lửa :

Nhiệt thế thể tích của buồng lửa là lượng nhiệt sinh ra trong một đơn vị thời gian trên một đơn vị thể tích của buồng lửa

[Đào Ngọc Chân – Hoàng Ngọc Đồng, 2008]

Trong đó : Vbl: Thể tích buồng lửa, (m3 ); B, (kg/s)

Đối với các lò hơi nhỏ, người ta còn chú ý đến các đặc tính sau đây

Bảng 1.1 Các giá trị thông số cơ bản và công suất lò hơi

Loại lò

Hơi

Áp suất hơi, MPa

Nhiệt độ nước cấp,

Dưới 5 tấn 2,5; 4; 6,5; 10;

16; 20; 25; 35;

50; 75

Hơi bão hòa, Hơi bão hòa hoặc hơi quá nhiệt 250

6,5; 10; 16; 20;

25; 35; 50;75 10; 16; 25; 35;

90; 120; 160

220 210; 320; 420

480 500; 640

540 570; 545 570; 540

2.2.5 Nhiệt thế diện tích trên ghi :

Nhiệt thế diện tích trên ghi là nhiệt lượng sinh ra trong một đơn vị thời gian trên một đơn vị diện tích bề mặt của ghi :

2

, (W / )

lv t r

2.2.6 Năng suất bốc hơi của bề mặt sinh hơi :

Năng suất bốc hơi của bề mặt sinh hơi là khả năng bốc hơi của một đơn vị diện tích bề mặt đốt ( bề mặt sinh hơi ) trong một đơn vị thời gian, kí hiệu là S, thường dùng cho các lò hơi công nghiệp công suất nhỏ :

2

, ( / )

D

S kg m h H



D : Sản lượng hơi của lò, (kg/h)

H : diện tích bề mặt sinh hơi (bề mặt đốt), (m2)

3 Nhiên liệu và quá trình cháy

3.1 Nhiên liệu

3.1.1 Khái niệm nhiên liệu

Nhiên liệu là những vật chất khi cháy phát ra ánh sáng và nhiệt năng Trong công nghiệp thì nhiên liệu phải đạt các yêu cầu : có sẵn trong thiên nhiên với trữ lượng lớn, dễ khai thác, giá thành rẻ, khi cháy không sinh ra các chất nguy hiểm

Nhiên liệu có thể phân chia thành hai nhóm chính : nhiên liệu vô cơ và hữu cơ

3.1.1.1 Nhiên liệu hữu cơ :

Nhiên liệu hữu cơ là nhiên liệu có sẵn trong thiên nhiên do quá trình phân hủy hữu cơ tạo thành Nhiên liệu hữu cơ thường dùng trong lò hơi công nghiệp

và năng lượng có 3 loại :

- Khí thiên nhiên

- Nhiên liệu lỏng : dầu nhẹ (diezen DO), dầu nặng (dầu đen FO)

- Nhiên liệu rắn : theo tuổi hình thành nhiên liệu ta có gỗ, than bùn, than nâu, than mỡ, than đá, nữa antraxit và antraxit (cám)

3.1.1.2 Nhiên liệu vô cơ

Nhiên liệu vô cơ là nhiên liệu hạt nhân, được dùng trong các lò phản ứng của nhà máy điện nguyên tử Nó sinh nhiệt do phản ứng phân hủy hạt nhân của một số đồng vị các nguyên tố nặng như : đồng vị của Uran U235 ; đồng vị của Uran U238 tao ra prôton P239 Khả năng tỏa nhiệt của nhiên liêu hạt nhân rất lớn, 1

kg nhiên liệu hạt nhân có thể tỏa ra lượng nhiệt 8.1010 kJ

Thành phần của tất cả các loại nhiên liệu bao gồm : cacbon ( C), Hydro (H2), lưu huỳnh ( S), hydrocacbua (CmHn), nitơ (N2), oxy (O2), độ tro (A), độ ẩm (W)

Tùy thuộc loại nhiên liệu và tuổi hình thành mà tỷ lệ các thành phần của nhiên liệu sẽ khác nhau

3.1.2.1 Thành phần của nhiên liệu khí :

Nhiên liệu khí là một hỗn hợp các chất khí cháy và không cháy Thành phần chủ yếu của nhiên liệu khí bao gồm : hydro H2, metan CH4, hydrocacbua

CnHm, sunphua hydro H2S, oxyt cacbon CO, lưu huỳnh S, …Nhiên liệu khí có

nhiều ưu điểm như ; dễ vận chuyển, dễ đốt, dễ điều chỉnh quá trình cháy, gần như không có tro nên sạch, không mài mòn , không bám bẩn …

Thành phần nhiên liệu khí được xác định theo phần trăm thể tích của từng chất khí thành phần, ở đây có mặt tất cả thành phần của nhiên liệu :

[CO] + [H2] + [CmHn] + [CO2] + [N2] + [O2] = 100%

3.1.2.2 Thành phần nhiên liệu lỏng

Thành phần chủ yếu của dầu là: cacbon ( C = 82  87% ), hydro ( H2 =11

 14% )

Ngoài ra còn có các nguyên tố khác như : S = 1  4 % ; N2 = 0,001 – 1,8

% ; O2 = 0,005 – 1,0% ; và một lượng rất nhỏ tính bằng ppm các nguyên tố như halogen (clo, iod), các kim loại ( vanadi, niken, volfram ….)

3.1.2.3 Thành phần nhiên liệu rắn

Tương tự như nhiên liệu lỏng, trong nhiên liệu rắn có : cacbon (C ), hydro (H ), oxi (O), nitơ (N), lưu huỳnh (S), độ tro (A), và độ ẩm (W) Các nguyên tố hóa học trong nhiên liệu đều ở dạng liên kết các phân tử hữu cơ rất phức tạp nên khó cháy

- Cacbon : là thành phần cháy chủ yếu trong nhiên liệu rắn, có thể chiếm 95% khối lượng nhiên liệu Khi cháy 1 kg các bon tỏa ra một nhiệt lượng khá lớn khoảng 34150 kJ/kg, gọi là nhiệt trị các bon

- Hydro : Hydro là thành phần cháy quan trọng của nhiên liệu rắn, chiếm khoảng 10% khối lương nhiên liệu, nhưng nhiệt trị của hydro rất lớn, 1kg hydro tỏa ra một nhiệt lượng khoảng 144.500 kJ/kg

- Lưu huỳnh : Tuy là thành phần cháy nhưng lưu huỳnh là một chất có hại trong nhiên liệu vì khi cháy tạo thành SO2 thải ra môi trường rất độc và

SO3 gây ăn mòn kim loại rất mạnh, đặc biệt SO2 tác dụng với nước tạo thành axit H2SO4 Đồng thời sự có mặt của các chất này sẽ làm tăng đáng

kể nhiệt độ đọng sương của khói

- Nitơ : Nitơ là thành phần vô ích trong nhiên liệu vì sự có mặt của nó trong nhiên liệu sẽ làm giảm các thành phần cháy được của nhiên liệu, do đó làm giảm nhiệt trị chung của nhiên liệu Ở nhiệt độ trên 1000 0 C thì nitơ cháy và tạo thành oxytnito NOx gây nguy hại cho môi trường

- Oxi : Tuy là thành phần cháy nhưng có rất nhiều trong không khí, nên sự

có mặt trong nhiên liệu sẽ làm giảm các thành phần cháy được của nhiên liệu, do đó làm giảm nhiệt trị chung của nhiên liệu

- Độ ẩm : Độ ẩm kí hiệu W, là lượng nước chứa trong nhiên liệu, vì lượng nước này nên nhiệt trị nhiên liệu giảm xuống

- Độ tro : Độ tro ký hiệu A, tro của nhiên liệu là phần rắn ở dạng chất khoáng còn lại sau khi nhiên liệu cháy Thành phần của nó gồm một số hỗn hợp rắn như đất sét, cát, pyrit sắt, oxit sắt … Sự có mặt của nó làm

giảm thành phần cháy được của nhiên liệu, do đó giảm nhiệt trị của nhiên liệu

Trong thực tế, người ta thường phân tích thành phần khối lượng ở các dạng mẫu khác nhau như : mẫu làm việc, mẫu khô, mẫu cháy, dựa vào đó có thể đánh giá ảnh hưởng của quá trình khai thác, vận chuyển cà bảo quản đến thành phần nhiên liệu

Đối với nhiên liệu rắn hay lỏng, thành phần nhiên liệu được xác định theo phần trăm khối lượng, có thể biểu thị theo các mẫu nhiên liệu sau :

- Mẫu làm việc : là mẫu ở trạng thái thực tế, lấy tại bãi chứa nhiên liệu trước khi cấp vào lò, ở mẫu này có tất cả các thành phần của nhiên liệu :

Clv + Hlv + Slv + Olv + Nlv + Alv + Wlv = 100%

- Mẫu phân tích : mẫu được đặt trong phòng thí nghiệm (không khí có nhiệt

độ 250 C, độ ẩm 60%) thì phần độ ẩm ngoài sẽ tách khỏi nhiên liệu, khi đó

Bảng 1.3 Ví dụ: Thành phần được tính đổi giữa các mẫu nhiên liệu

Mẫu nhiên liệu Thành phần, %

Thực tế trong lò hơi thường sử dụng khí thiên nhiên, khí dầu mỏ

a Khí thiên nhiên : Khí thiên nhiên được tạo thành từ dầu mỏ ở trong lòng đất, thành phần chủ yếu của khí thiên nhiên là metan CH4 (93  99%), còn lại là các khí như etan, propan, butan, nhiệt trị thấp của nó vào khoảng

Qt = 35  45 MJ/m3

b Khí dầu mỏ : Gồm khí đồng hành và khí ngưng tụ

- Khí đồng hành còn được goi là khí lọc dầu : là khí lẫn trong dầu mỏ, được hình thành cùng với dầu, thành phần chủ yếu là các khí nặng như : propan, butan, pentan…

- Khí ngưng tụ (condensate): thực chất là dạng trung gian giữa dầu mỏ và khí, bao gồm các hydrocacbon như pentan, hexan, thậm chí hydrocacbon napentic và aromic đơn giản Khí ngưng tụ là nguyên liệu quý để sản xuất LPG và sử dụng trong tổng hợp hóa dầu

Bảng 1.4 Thành phần khí dầu mỏ và khí thiên nhiên

0,2 1,0 6,4 10,4

- 0,12 0,6 35,7 92,3

28,6

- 1,2 6,4 6,0

49,2 10,2 13,9 8,8 0,53

- 59,6 7,6 23,7 1,17

-

-

- 1,1

-

3.1.3.2 Nhiên liệu lỏng

Để đốt trong lò hơi người ta thường dùng 2 loại dầu : dầu đặc biệt nhẹ (EL), còn gọi là dầu DO, có khối lượng riêng khoảng 860 kh/m3 và dầu nặng (S) hay còn gọi là dầu FO, có khối lượng riêng khoảng 940 kg/m3

Bảng 1.6 Tính chất của hai loại dầu quan trọng nhất

Khối lượng riêng ở 150C [kh/m3] 860  940 Điểm lửa [ 0C ]

Độ nhớt động học, max [mm2/s]

200C

500C

1000C Hàm lượng lưu huỳnh, max [%]

Hàm lượng nước, max[%]

Chất không hòa tan, max [%]

 41,686 0,01

65

-

450

40 2,8 0,5 0,5

 39,775 0,15

3.1.3.3 Nhiên liệu rắn

Theo tuổi hình thành từ thấp lên cao ta có các loại nhiên liệu rắn theo thứ

tự sau: Gỗ, than bùn, than nâu, than đá, than nữa antraxit và antraxit

Nhiên liệu càng già thì lượng chất bốc càng ít, càng khó cháy nhưng lượng cacbon chứa ở than càng nhiều nghĩa là nhiệt trị càng cao

Khi đốt nhiên liệu ít chất bốc như than antraxit, cần thiết phải duy trì nhiệt độ ở vùng bốc cháy cao, đồng thời phải tăng chiều dài buồng lửa để đảm bảo cho cốc cháy hết trước khi ra khỏi buồng lửa

Bảng 1.7 Đặc tính của một số loại than Mạo Khê

Loại than Wpt Apt Vpt Cpt Hpt Npt Spt Opt Q, MJ/kg Hỗn hợp C5 & C6 1,80 28,2 5,8 65,6 1,4 1,0 0,40 1,5 24,032 Than cám 5 3,0 28,9 3,8 63,5 1,7 0,8 0,5 1,5 23,199 Than cám 6 2,5 36,1 4,0 56,7 1,6 0,8 0,4 1,9 21,181

Bảng 1.8 Đặc tính của một số loại than Hòn Gai

Loại than Wpt Apt Vpt Cpt Hpt Npt Spt Opt Q, MJ/kg Hỗn hợp C5 & C6 1,2 30,3 6,8 64,7 1,3 0,8 0,4 1,3 23,620 Than cám 5 1,6 28,6 6,0 64,5 2,0 1,0 0,3 1,9 24,639 Than cám 6 1,6 31,3 6,4 61,3 2,1 1,0 0,4 2,1 23,374

3.2 Trấu và công nghệ khí hóa trấu trong sản xuất

3.2.1 Cơ lý tính của trấu

 Vỏ trấu do hai lá của gié lúa là vảy lá và mày hoa tạo thành Cả hai phần này được ghép liền với nhau theo nếp dọc bằng một nếp gấp cài vào nhau Phần trên của hai mảnh của vỏ trấu chuyển thành đoạn cuối của vỏ trấu và cuối cùng kết thúc thành một cái râu (awn) Tuỳ theo từng loại trấu mà trấu có chiều dài từ

5 – 10mm, chiều ngang bằng 1/2 -1/3 chiều dài, góc nghỉ của trấu từ 35 – 50 độ tuỳ theo ẩm độ và điều kiện nhiệt độ môi trường Thành phần thực tế của vỏ trấu thay đổi tùy theo giống lúa và có liên quan tới các điều kiện đất đai mà cây lúa được trồng

Việt Nam là một quốc gia nông nghiệp do đó nguồn nguyên liệu sinh khối ( biomass ) rất dồi dào Trong đó có thể nói lượng sinh khối từ trấu là đáng kể nhất Theo Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, sản lượng lúa tại Nam Bộ năm 2010 ước đạt 24 triệu tấn, tăng 1 triệu tấn so kế hoạch đề ra Sản lượng tăng nói trên chủ yếu tại Đồng bằng sông Cửu Long Tổng sản lượng lúa năm 2010 tại đây ước đạt 23 triệu tấn, chiến 57% sản lượng lúa cả nước Trong thực tế hiện nay, trấu được sử dụng làm nguồn chất đốt cho các hộ gia đình nông dân ở nông thôn Ngoài ra, còn được sử dụng cho việc lót, ủ phục vụ cho nông nghiệp Riêng khu vực ĐBSCL là vựa lúa lớn nhất của cả nước, trấu còn được sử dụng làm nhiên liệu cho các lò nung gạch, gốm…

Các tính chất chủ yếu của trấu được tra trong bảng sau :

Bảng 1.9 RICE HUSK PROPERTIES

Ultimate analysis (% Dry basis ) & Higher heating value ( MJ/ kg Dry)

Proximate analysis, % Weight dry basis

Fixed Carbon Volatile Matter Ash

14.00

16.67

68.60 65.47

17.40 17.86

Maheshwari, 1975 ctied by Beagle Ebeling, 1985

13 – 21

81.4

77 – 87 6.4

0.2 – 2.0 12.2

Wood, white oak ( Tillman, 1981) Coal, anthracite (Osborn, 1985 )

Theo kết quả khảo sát của Viện Nghiên cứu Phát triển ĐBSCL tại 108 nhà máy xay xát trong vùng, chỉ gần 50% lượng trấu được bán cho các hộ dân, cơ sở sản xuất để làm chất đốt cho lò sấy, nung gạch, phân bón Số trấu còn lại được đốt thành tro hoặc thải ra sông, gây ô nhiễm môi trường Thống kê của Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn Cần Thơ cho thấy, mỗi năm các nhà máy xay xát trên địa bàn thải ra khoảng 240.000 tấn trấu Với sản lượng lúa hơn 20 triệu tấn hiện nay, khu vực ĐBSCL thải ra trên 4 triệu tấn trấu/năm Nếu nguồn nguyên liệu này được dùng để sản xuất điện, nhiều địa phương sẽ giải quyết được nhu cầu sử dụng điện cho sản xuất, sinh hoạt

3.2.2 Công nghệ khí hóa trấu trong sản xuất

Công nghệ khí hoá đã được dùng rất phổ biến ở Việt Nam trong thập

kỷ 70 -80, giai đoạn khó khăn về nguồn năng lượng từ dầu mỏ Tuy nhiên,

do kỹ thuật lạc hậu, công nghệ này đã bị lãng quên Gần đây, với sự tiến bộ của khoa học cộng với mối quan tâm về môi trường, công nghệ này đang trở lại.Ở đây chúng ta sẽ mô tả quá trình khí hoá và vấn đề sử dụng công nghệ này trong việc sản xuất năng lượng từ trấu

2.06 0.49

- 0.40 0.50 0.57

0.1 0.07

- 0.02 0.01 0.03

18.04 20.29 23.20 18.46 21.60 15.43

13.41 14.85 14.50 16.14 15.30

-

Maheshwari, 1975 Beagle, 1978 Cruz, 1983 Ebeling, 1985 Kaupp, 1984 Kaupp, 1984

- 0.90

0.24 8.90

18.85 31.90

Wood, Coal, Anthracite

Trên thế giới, việc khí hóa các nhiên liệu sinh khối đã được sử dụng hơn

100 năm nay và ngày nay công nghệ này hầu như vẫn còn nguyên giá trị Khí từ

hệ hệ thống khí hóa sinh khối có thể dùng làm nhiên liệu cho các động cơ đốt trong, các lò hơi, các máy phát điện,

Các kỹ thuật chủ yếu của công nghệ khí hóa như sau: sinh khối được nung nóng, các thành phần của nó thay đổi khi các chất bốc được tách ra và chuyển thành thể khí, quá trình này gọi là khí hóa nếu nó xảy ra trong điều kiện môi trường ôxy hóa lý tưởng, và là quá trình nhiệt phân nếu như xảy ra trong môi trường không có hoặc có rất ít tác nhân ôxy hóa Tác nhân ôxy hóa có thể là ôxy, khí trời, hoặc nước và ôxy (không khí ẩm)

Kiểu đốt trấu truyền thống tạo ra khói mang theo đến 55% nhiệt lượng Tổ hợp khói gồm 3 chất không cháy là hơi nước (H2O), khí nitơ (N2), khí carbonic (CO2) và 8 chất cháy là methanol (CH3OH), nhựa than (CxHyO), aceton (CH3COCH3), acid acetic (CH3COOH), carbon monoxid (CO), khí hydro (H2), khí mêtan (CH4) và bụi than (C) Chưa hết, hiệu suất sử dụng nhiệt của kiểu đốt

cũ này ít khi vượt quá 9 - 10% - một sự phí phạm lớn

Quá trình khí hóa xảy ra theo phương trình nhiệt hóa học sau đây:

2C + O2  2 CO

800  8500C

C + H2O  2 CO + H2

Khí sản sinh ra bao gồm các thành phần CO, H2, là hỗn hợp khí cháy,

dễ dàng sử dụng làm nhiên liệu cho các thiết bị khác như lò hơi, lò đốt, động cơ,… Có 3 phương pháp khí hóa chính và nguyên lý của chúng như sau:

+ Khí hóa thổi xuống (downdraft) : Trong bộ khí hóa thổi xuống, các sản

phẩm khí hóa được đi qua vùng nóng nhất, tạo thành liên kết các hydrocacbon nặng Vì khí rất nóng nên sau khi đi ra khỏi bộ khí hóa nó cần làm nguội trong một hệ thống thu hồi nhiệt

+ Khí hóa thổi lên ( updraft) : Trong bộ khí hóa thổi lên, các sản phẩm khí hóa

được vận chuyển qua vùng nguội hơn để đi ra ngoài Kết quả là sản phẩm khí hóa thường tương đối nguội và không xảy ra các phản ứng phân ly các hydrocacbon nặng Tuy nhiên cần lọc sạch các khí sản phẩm Khí sản xuất ra có thể sử dụng làm nhiên liệu cho các động cơ đốt trong

Hình 2.15 Sơ đồ khí hóa thổi lên

+ Khí hóa tầng sôi ( fluidized bed ) : bộ khí hóa tầng sôi đơn giản hơn hai loại

trên, nhiên liệu được nạp vào lò thông qua vách của bộ phản ứng, ở đó nó gặp

nhiệt phân đốt cháy giảm trọng

dòng khí nóng và tầng vật liệu lập tức được đặt vào tình trạng khí hóa Sự tiếp xúc giữa tầng vật liệu nóng và nhiên liệu đảm bạo một hiệu suất cao về truyền nhiệt đến các hạt nhiên liệu vì thế quá trình khí hóa diễn ra nhanh và hiệu quả hơn Nhiệt độ điển hình của sản phẩm khí là 7000C  8500C

sản phẩm khí Phân nồi

tro

tầng sôi

sinh khối

thông gió không khí /hơi

Hình 2.16 Sơ đồ khí hóa tầng sôi

Có thể nói hiện nay bộ khí hóa kiểu tầng sôi được sử dụng nhiều nhất, tùy theo từng địa phương mà các nguyên liệu sinh khối sử dụng cũng rất đa dạng: trấu, bã mía, vỏ cà phê, rơm rạ, gỗ vụn,… cả rác thải đô thị cũng có thể sử dụng làm nguyên liệu khí hoá Do ở thể khí, việc đốt cháy sản phẩm khí hoá cho hiệu suất rất cao, cao hơn 3 - 4 lần so với việc đốt trực tiếp sinh khối Kiểu đốt công nghiệp gọi là khí hóa vỏ trấu nay có khả năng thay thế khí hóa lỏng LPG vốn rất đắt Một bộ khí hóa liên tục với một buồng gọn nhẹ sử dụng 8,3 kg trấu/giờ có thể tạo ra công suất 19 kW và đạt đến hiệu suất 63% mà chỉ cần một người vận hành Trấu được cho chảy xuống từ trên, gió cũng được bơm từ trên và tiến trình khí hóa diễn ra trong buồng phản ứng ở nhiệt độ khoảng

117 - 205oC, tạo ra dòng khói dày đặc trước khi chuyển hết thành gas ở đầu mỏ đốt

Tro sinh ra trong buồng phản ứng là loại tro hoàn toàn đen xốp gọi là biochar, được đẩy ra bể tro nhờ luồng gió vốn giữ ba chức năng là điều khiển quá trình khí hóa, làm mát buồng phản ứng, và vận chuyển tro ra không để tắt lò Muốn có loại tro trắng không kết tinh hoạt tính cao để làm nguyên liệu công nghiệp người ta điều chỉnh tốc độ gió sao cho nhiệt độ trong buồng phản ứng lên đến 480 - 530oC (không đạt đến nhiệt độ kết tinh silic trên mức 650oC)