Phương pháp thu hồi nhiệt thải trong lò hơi

Phương pháp thu hồi nhiệt thải trong lò hơi

CÁC PHƯƠNG PHÁP THU H ỒI NHIỆT THẢI L Ò HƠI I. Nguyên lý làm vi ệc của lò hơi Lò h ơi d ùng nhi ệt lượng sinh ra của nhiên liệu, biến thành nhiệt năng của hơi nước. Hơi này đư ợc cung cấp cho các quá trình công nghiệp như gia nhi ệt cho không khí để sấy, rửa thiết bị , cung c ấp nhiệt trong các nhà máy dệt, đường, hóa chất, rượu bia, nước giải khát… trong trường hợp này hơi sử d ụng là hơi b ão hòa . Ngoài ra, các nhà máy nhi ệt điện dùng tuabin hơi đ ể chạy máy phát điện thì h ơ i được sử dụng là hơi quá nhiệt. II. Các lo ại nhiệt th ải Trong quá trình ho ạt động, ở lò hơi có các nguồn nhiệt lượng như sau: nhiệt lượng của ngọn lửa khi đốt cháy nhiên liệu, nhiệt lượng của khói, nhiệt lượng của nước và hơi nước và ngoài ra còn có nhi ệt lượng do xỉ nóng chảy. Ng ọn lửa của nhiên liệu nằm hoàn toàn trong lò h ơi, hơi nước sẽ được đưa đến các quá trình công ngh ệ hoặc tuabin; như vậy nhìn chung ng ọn lửa và hơi nước không mang nhiệt lượng ra môi trường bên ngoài (dĩ nhiên là vẫn có một phần tổn thất ra bên ngoài, nhưng đó là chỉ là tổn thấy chứ không ph ải một nguồn nhiệt thải). Do đó, ở lò hơi có các nguồn nhiệt thải sau: - Khói - Nước tuy nằm trong bao hơi không thải nhiệt ra ngoài nhưng do trong quá trình hoạt đ ộng , đ ể xả bỏ cáu cặn tích tụ lại người ta vẫn phải xả một lượng nước nhất định ra ngoài - Ở nh ững lò th ải xỉ lỏng thì cũng có nhiệt xỉ thải ra ngoài. Các ngu ồn nhiệt thải này đều có nhi ệt độ cao, nếu không được tận dụng lại sẽ gây sự lãng phí r ất lớn. Sau đây ta sẽ đi vào phân tích nhi ệt thải của từng loại. 1- Khói th ải: Từ nguyên lý làm việc, ta thấy nhiệm vụ chủ yếu của lò hơi là sinh hơi (có thể là hơi bão hòa ho ặc hơi quá nhiệt). Như vậy, sau khi cháy, nhiệt lượng của nhiên liệu được dùng để sinh hơi, nhiệt độ khói t ại trung tâm buồng lửa có thể đạt 1600 -2200 0 C (tùy thu ộc vào t ừng lo ại lò), khói sau khi đi qua vài pass gia nhiệt cho nước để sinh hơi thì nhiệt độ sau khi ra khỏi buồng lửa đạt khoảng 900-1300 0 C. Theo lý thuy ết, nhiệm vụ của khói đến đây là hết và có thể thải ra ngoài. Tuy nhiên, do nhi ệt độ của khói đang còn rất cao, nếu th ải đi m à kô tận dụng thì s ẽ r ất lãng phí . Mặt khác, hơi nước sau khi đi qua các thiết bị công nghệ sẽ được ngưng tụ thành lỏng và được bơm trở l ại lò hơi để tiếp tục nhận nhiệt để sinh hơi. Nước được cấp trở lại lò hơi l ại có nhi ệt độ khá thấp . Ví d ụ: hơi sau sinh ra qua thi ết bị trao đổi nhiệt (LOAD) đưa lại bể chứa (ở đây nước bổ sung (make-up water), có nhiệt độ thấp dẫn đến nước cấp (feedwater) cũng bị hạ thấp nhiệt độ. Ho ặc ở các nh à máy nhiệt điện hơi nước sau khi giãn nở ở tuabin rồi được ngưng t ụ ở b ình ngưng có áp suất khoảng 0,05 bar với nhiệt độ khoảng 32 0 C), rõ ràng là ta sẽ phải tốn thêm một nhiệt lư ợng đ ể gia nhiệt cho nước cấp từ nhiệt độ thấp đến nhiệt độ sôi ứng với áp suất tương ứng. Ví d ụ sau cho th ấy hiệu quả của việc gia nhiệt nướ c c ấp trước khi đưa vào lò hơi : Cho lò hơi hoạt động với hơi bão hòa ở áp suất p = 10 bar, sản lượng hơi D = 10 t ấn/giờ. Nhiệt độ nước cấp là 30 0 C. Dùng d ầu mazút có thành phần làm việc như sau: Nhiệt lượng cần thiết để gia nhiệt nước thành hơi bão hòa ở áp suất 10 bar: V ới i 1 : entanpi c ủa hơi b ão hòa ở áp suất 10 bar i 2 : entanpi c ủa nước ở áp suất 10 bar ứng với nhiệt độ 30 0 C Nhi ệt trị thấp của nhiên liệu là: Gi ả sử hiệu suất nhiệt là 100%, ta thấy lượng tiêu hao nhiên li ệu là: Nếu như nước cấp được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi, thì nhiệt lượng để sinh hơi bão hòa là: Với : entanpi của nước ở áp suất 10 bar ứng với nhiệt độ sôi Lượng tiêu hao nhiên liệu ở trường hợp này là: Như v ậy ta đã tiết kiệm được một lượng nhiên liệu T ừ đồ thị ta thấy, khi nước được hâm nóng, thì nhiệt lượng cần thiết để cung cấp cho quá trình sinh hơi sẽ giảm và lượng tiêu hao nhiên liệu cũng giảm, trong trường hợp này ta đã tiết kiệm đư ợc 24,34% nhiên liệu. Một phần tử khác cần được gia nhiệt trong lò hơi là không khí. Như ta đã biết, không khí đưa vào bu ồng lửa để cung cấp oxi cho quá trình cháy. Không khí thường được lấy ở môi trường bên ngoài có nhi ệt đ ộ khoảng 30 0 C, n ếu đưa không khí này vào buồng lửa thì sẽ hấp thu một phần nhiệt lượng do nhiên li ệu cháy sinh ra . Do đó vi ệc sấy không khí để tăng thêm nhiệt lượng đưa vào buồng lửa sẽ làm tăng thêm nhiệt lượng hữu ích để sinh hơi. Giả sử ta dùng dầu để gia nhiệt không khí: Ở l ò phun, nhiệt độ không khí đưa vào buồng lửa khoảng 250 0 C, nhi ệt lượng cần thiết để gia nhi ệt cho không khí là: V ới : th ể tích không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hết nhiên liệu i 1 : entanpi c ủ a không khí ở 250 0 C i 2 : entanpi c ủa không khí ở 30 0 C N ếu dùng d ầu để gia nhiệt thì ta phải tốn thêm một lượng nhiên liệu: Ngoài ra, đối với các l ò đốt bằng nhiên liệu lỏng mà chủ yếu là dầu nặng (FO) thì việc hâm nóng d ầu trước khi đư a vào bu ồng lửa là cần thiết vì độ nhớt của dầu ở nhiệt độ thường rất cao gây khó khăn cho việc dẫn dầu trong các ống cũng như việc phun dầu vào buồng lửa. Thông thường người ta thư ờng gia nhiệt dầu lên đến khoảng 90 0 C. Trư ớc đây người ta thường dùng bộ gi a nhi ệt dầu bằng đi ện kết hợp với hơi nước. Ví d ụ sau cho thấy nhiệt lượng cần thiết để gia nhiệt cho dầu Nhiệt lượng cần thiết để gia nhiệt dầu: V ới B: lương tiêu hao nhiên li ệu (lấy ở ví dụ trên B = 0,189 kg/s) C nl : tỷ nhiệt của nhiên liệu Trong đó: T ừ đó, ta tính được T ừ các ví dụ trên ta thấy nhiệt lượng của khói thải nếu được tận dụng để hâm nước cấp, sấy không khí, hâm dầu… thì sẽ tiết kiệm được một chi phí rất lớn. Vì lý do đó mà ngày nay người ta thư ờng lắp đặt các bộ trao đổi nhiệt phía sau lò, ở đường khói thải để gia nhiệt cho nước, không khí c ũng như dầu (thường gọi là bộ hâm nước, bộ sấy không khí và bộ hâm dầu). Tùy thuộc vào từng loại lò mà có th ể có hoặc khôn g có 1 trong 3 ph ần tử kể trên. Ngoài ra, đ ối với những lò có công suất lớn thì nhiệt thải khói có thể lên đến rất cao, tuy đã tận dụng nhưng vẫn còn một nguồn nhiệt lượng khá l ớn, do đó người ta sẽ tìm cách để tận dụng nguồn nhiệt lượng này để đun nước sinh hoạt cho các xí nghi ệp ho ặc hộ tiêu dùng hay trong vấn đề về tiết kiệm năng lượng thì dùng nhiệt do khói thải này dể chạy các máy lạnh hấp thụ. Theo sơ đ ồ ta thấy, khi cấp nhiệt cho bình phát sinh thì NH 3 trong h ỗn hợp dung dịch gồm NH 3 – H 2 O sẽ bốc hơi (do ở cùng điều kiện áp suất thì NH3 có nhiệt độ bay hơi thấp hơn H 2 O). NH 3 bay lên còn n ước sẽ đi xuống dưới. Hơi NH 3 ti ếp tục đi vào bình ngưng và được ngưng tụ thành lỏng nhờ nư ớc làm mát, sau đó NH 3 l ỏng đi qua van tiết lưu để giảm áp suất và đi vào bình bốc hơi. Ở đây nó s ẽ nhận nhiệt từ chất cần làm lạnh (ở đây ví dụ là nước) và bốc hơi rồi đi qua bình hấp thụ. Tại bình hấp th ụ, NH 3 s ẽ được H 2 O t ừ bình phát sinh hấp thụ trở lại và hỗn hợp này được bơm về bình phát sinh để ti ếp tục chu trình của nó. Ta thấy về mặt năng lư ợng (nếu không kể nguồn nhiệt từ khói đã có sẵn) thì máy l ạnh hấp thụ tiêu tốn ít năng lượng hơn nhiều so với máy lạnh có máy nén, vì công cần thiết cho máy nén để nén 1kg hơi từ áp suất po lên áp suất pk sẽ cao hơn nhiều công để bơm hỗn hợp lỏng từ áp su ất po đến áp suất pk. Do đó, tận dụng nhiệt thải của khói cho máy lạnh hấp thụ không những giúp gi ảm tổn thất do khói thải ra ngoài mà còn giúp ta tiết kiệm một phần năng lượng mà lẽ ra phải dùng khi sử dụng máy lạnh có máy nén hơi. C ấu tạo a. Bộ hâm nước: Bộ hâm n ước c ũng như m ột thi ết bị trao đổi nhiệt , dùng nhi ệt của khói nóng đi bên ngoài đ ể gia nhiệt cho nước lạnh đi bên trong ống . Đ ể tăng cường diện tích trao đổi nhiệt, người ta bố trí thêm nhiều ống nối với nhau: “ d ạng ph ẳng ” ho ặc “không gian” Để tăng c ường hệ số trao đổi nhiệt, ngườ i ta làm thêm cánh v ề phía khói, do khói có h ệ số t ỏa nhiệt đối lưu α b é hơn nước Tu ỳ theo mức độ gia nhiệt trong bộ hâm nước mà bộ hâm nước có thể làm việc ở trạng thái sôi ho ặc không sôi. Ở các l ò ghi do nhi ệt độ không khí nóng không cao n ên toàn bộ lượng nhiệt còn lại thường dùng để gia nhiệt cho bộ hâm nước. Vì vậy bộ hâm nước thường làm việc ở trạng thái sôi. C ấu tạo của bộ hâm nước thường chia làm 3 loại: ống thép trơn, ống thép có cánh và ống gang. Do tính ch ất của gang là chịu va đập kém nên thường dung gang cho những bộ hâm nước không sôi. Ở các bộ hâm n ước bằng gang, người ta thư ờng làm thêm cánh ở bên ngoài (vì khói có hệ số tỏa nhiệt đối lưu α bé hơn nước) để tăng cường hệ số trao đổi nhiệt. Do gang có tính đúc cao hơn thép nên vi ệc làm cánh đối với gang d ễ hơn thép nhiều. Tuy nhiên, ngày nay do công ngh ệ chế tạo đã phát triển nên việc làm cánh đối với thép không còn khó kh ăn như trước nữa. b. B ộ sấy không khí: C ũng là một thiết bị trao đổi nh i ệt. Theo nguyên t ắc truyền nhiệt, bộ sấy không khí được chia làm hai lo ại: loại thu nhiệt và loại hồi nhiệt. Nước vào Nư ớc ra Thu nhi ệt: nhiệt truyền trực tiếp từ khói tới không khí qua vách kim loại (ở đây là các ống d ẫn) . B ộ sấy không khí kiểu thu nhiệt được dùng rộ ng rãi nh ất hiện nay. Nó cũng có dạng của một bộ trao đổi nhiệt loại chùm ống trong đó khói đi trong ống c òn không khí đi bên ngoài ống. Ngư ời chế tạo hệ thống ống đứng đặt so le và được giữ với nhau bởi hai mặt sàng thành một cụm. Khi lắp lò, các cụm này được l ắp với nhau thành bộ sấy không khí. M ột cụm của bộ sấy không khí Có nhiều cách để bố trí đường đi của khói và không khí: B ộ sấy không khí kiểu ống có những ưu điểm sau: - Đơn giản trong chế tạo, lắp ráp và làm việc chắc chắn - Tro bám trong ống không nhiều, dễ dàng thổi sạch - Kh ắc phục hiện tượng lọt không khí vào trong đường khói - Xuất tiêu hao kim loại tương đối bé Khuy ết điểm: chủ yếu là ống thép không bền vững dưới tác dụng ăn mòn của khói ở nhiệt độ cao và mài mòn b ở i tro bay. B ộ sấy không khí bằng ống thép được dùng để gia nhiệt không khí tới kho ảng 400 0 C. Khi muốn nhiệt độ không khí cao hơn, người ta dùng bộ sấy không khí bằng gang. Để tăng hệ s ố truyền nhiệt, ống gang thường có c ánh ở ngoài và có răng ở trong. Khuy ết điểm c ủa bộ sấy không khí bằng gang là kích thước cồng kềnh và nặng nề. Bộ sấy không khí kiểu hồi nhiệt: khói đầu tiên đốt nóng kim loại rồi sau đó nhiệt tích tụ ở kim lo ại sẽ truyền lại cho không khí. B ộ phận chính là một rôto qua với tốc độ 2 ÷ 5 vòng/phút xung quanh tr ục đứng. Trên rôto có gắn các lá thép, những lá thép này trong quá trình rôto quay sẽ lần lượt khi thì tiếp xúc với khói nóng, khi thì tiếp xúc với không khí lạnh và qua đó “chuyển” nhiệt lượng từ khói sang không khí. Đư ờng khói và k hông khí đư ợc bố trí ở hai phía cố định và được ngăn bởi vách ngăn. Hình ảnh các “khung” và “rotor” c ủa b ộ sấy không khí kiểu hồi nhiệt, ngư ời ta sẽ lắp vào những khung này nh ững “lá thép” đ ể tăng diện tích trao đổi nhiệt. Trong quá trình hoạt động , các lá thép b ị bám tro nên sẽ làm giảm hệ số trao đổi nhiệt nên ta dùng nước áp suất cao để rửa sạch. Thông thư ờng, bộ sấy không khí được lắp sau bộ hâm nước. Hoặc người ta chia bộ hâm nước và bộ sấy không khí làm hai và đặt chúng xen kẽ. Việc chia cấp như vậy sẽ giảm nhiệt độ khói ở phía . chia làm hai lo ại: lo i thu nhiệt và lo i hồi nhiệt. Nước vào Nư ớc ra Thu nhi ệt: nhiệt truyền trực tiếp từ khói tới không khí qua vách kim lo i (ở đây. sấy không khí kiểu thu nhiệt được dùng rộ ng rãi nh ất hiện nay. Nó cũng có dạng của một bộ trao đổi nhiệt lo i chùm ống trong đó khói đi trong ống c òn không