Nhiệt Khí thải Nhà máy Sản xuất Xi măng Công suất Điện

Nhiệt Khí thải Nhà máy Sản xuất Xi măng Công suất Điện

Cơ quan chủ trì đề tài: Viện Nghiên cứu Cơ khí Chủ nhiệm đề tài: Phạm Văn Quế

Trang

Mở đầu 1 Chương I Tổng quan về thiết bị bộ sấy không khí trong tổ

hợp thiết bị lò hơi

4

I.1 Tổng quan về thiết bị bộ sấy không khí trong lò hơi 4 I.2 Bộ sấy không khí kiểu thu nhiệt (bộ sấy tĩnh) 5

Chương II Tính toán - thiết kế bộ sấy không khí kiểu hồi nhiệt (dạng quay)

22

quay)

22

tính toán bộ sấy

28

Chương III Cấu tạo và quy trình công nghệ chế tạo môđul bộ sấy không khí

35

III.2 Sơ đồ công nghệ chế tạo khối trao đổi nhiệt trong bộ sấy không khí loại hồi nhiệt

39

III.2.1 Sơ đồ công nghệ chế tạo tấm trao đổi nhiệt 39

III.2.2 Sơ đồ công nghệ chế tạo tấm ngăn 40

III.2.4 Sơ đồ công nghệ lắp ráp tổ hợp khối trao đổi nhiệt 42

Chương IV Đề xuất giải pháp công nghệ giảm thiểu mức độ mòn hỏng của thiết bị

1 Lò hơi (Tập 1, tập 2) – GS.TSKH Nguyễn Sỹ Mão – Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật – Hà Nội 2006

2 Sổ tay tính nhiệt lò hơi (phương pháp tiêu chuẩn) – Nhà xuất bản Năng lượng quốc gia – Mockva 1957 (tiếng Nga) – Tái bản (tiếng Anh) 1998 3 Tính nhiệt lò hơi – Giáo trình Đại học Bách Khoa Hà Nội 1986

4 Quá trình buồng lửa – Giáo trình Đại học Bách Khoa Hà Nội 1986

5 Lý thuyết cháy và thiết bị cháy – GS.TSKH Nguyễn Sỹ Mão – Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật – Hà Nội 2002

6 Sổ tay tính khí động lò hơi – Nhà xuất bản Năng lượng quốc gia – Mockva 1964

7 Lò hơi công nghiệp - Trường ĐH Điện lực: Đàm Xuân Hiệp, Bàng Bích, Đỗ Văn Thắng, Trương Ngọc Tuấn, Trương Huy Hoàng - Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật

8 Truyền nhiệt - Đặng Quốc Phú, Trần Thế Sơn, Trần Văn Phú - Nhà xuất bản Giáo dục

9 Thiết bị trao đổi nhiệt - PGS.TS Bùi Hải, TS Dương Đức Hồng, TS Hà Mạnh Thư - Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật 2001

THÀNH VIÊN NHÓM ĐỀ TÀI

Phả Lại

Phả Lại

5 Đào Hữu Mạnh Kỹ sư Gia công áp lực Viện Nghiên cứu Cơ khí

MỞ ĐẦU

Bộ sấy không khí là một dạng thiết bị truyền nhiệt nằm ở phia sau lò hơi để tận dụng nhiệt của khói sau khi đi ra khỏi lò hơi, bộ sấy không khí có tác dụng nâng cao hiệu suất hoạt động của lò hơi Chính vì vậy mà bộ sấy không khí còn được gọi là “bộ tiết kiệm than” trong các nhà máy nhiệt điện đốt than

Theo xu hướng phát triển của các nền kinh tế trên thế giới, nhu cầu sử dụng điện năng ngày càng cao, từ đó phải xây dựng thêm nhiều nhà máy điện (trong đó có cả các nhà máy nhiệt điện đốt than) để phục vụ đời sống và sản xuất Trong nhà máy nhiệt điện, bộ sấy không khí tuy là thiết bị phụ nhưng là thiết bị phụ quan trọng, không thể thiếu và chiếm tỷ lệ đáng kể của nhà máy điện đốt than Chính vì vậy, tại các nước phát triển và có nền công nghiệp tiên tiến luôn nghiên cứu, thiết kế và cho ra đời các thiết bị có tính tối ưu hơn nhằm làm tăng hiệu quả kinh tế

Hiện nay trên thế giới có nhiều hãng chế tạo các thiết bị của lò hơi cho các nhà máy nhiệt điện Các tập đoàn lớn, các công ty chế tạo thiết bị cho lò hơi đã có nhiều năm kinh nghiệm sản xuất như: ABB, FUJITSU, Điện khí Thượng Hải, các nhà máy thuộc Nga, Ukraine,

Trên thế giới, bộ sấy không khí trong hệ thống trao đổi nhiệt hiện được nghiên cứu và chế tạo có 2 dạng: dạng quay (kiểu hồi nhiệt) và dạng tĩnh (kiểu thu nhiệt) Với trình độ và năng lực chuyên môn hoá cao, việc nghiên cứu và chế tạo các chủng loại bộ sấy không khí được các nước có nền khoa học phát triển trên thế giới không ngừng cải tiến, tối ưu hoá để nâng cao hiệu suất thu hồi nhiệt khí thải lò hơi

Ở nước ta trong nhiều năm qua, đặc biệt là trong khoảng 10 năm trở lại đây ngành công nghiệp năng lượng đã được Nhà nước chú trọng đầu tư phát triển và đã có những bước tiến đáng kể, tốc độ tiêu thụ năng lượng tăng 8,6%/năm trong các năm 1996-2000 và năm 2003 là 12% góp phần quan

trọng vào công cuộc đổi mới và phát triển đất nước

Hiện nay ở nước ta cũng như hầu hết các nước trên thế giới, lượng điện năng do các nhà máy nhiệt điện sản xuất chiếm tỷ lệ lớn trong tổng số điện năng sản xuất toàn quốc Trong quá trình sản xuất của nhà máy điện, lò hơi là khâu quan trọng đầu tiên bao gồm rất nhiều các thiết bị, trong đó có bộ sấy không khí

Ở Việt Nam hiện nay, có nhiều nhà máy nhiệt điện đốt than đã được xây dựng và đi vào sản xuất từ nhiều năm qua như:

- Nhà máy nhiệt điện Phả Lại 1 - Nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2 - Nhà máy nhiệt điện Uông Bí 1 - Nhà máy nhiệt điện Ninh Bình

- Nhà máy nhiệt điện Uông Bí 1 mở rộng,

Tuy nhiên các thiết bị bộ sấy không khí tại các nhà máy này chủ yếu được nhập ở nước ngoài như: Nga, Thuỵ Điển, Trung Quốc, Việc chế tạo trong nước mới chỉ dừng ở mức độ chế tạo một số cụm chi tiết phần tử của thiết bị theo thiết kế của nước ngoài hoặc chế tạo theo mẫu sẵn có để phục vụ cho việc bảo dưỡng, sửa chữa

Với tốc độ phát triển kinh tế như hiện nay, việc các nhà máy điện được xây dựng nhằm phục vụ cho sản xuất, kinh doanh và sinh hoạt là hướng phát triển quan trọng đã được Nhà nước hoạch định Xuất phát từ yêu cầu thực tế và góp phần phát triển năng lực ngành Cơ khí chế tạo trong nước, nhóm đề tài phòng Gia công áp lực - Viện Nghiên cứu Cơ khí đăng ký thực hiện kế hoạch khoa học công nghệ năm 2007 với đề tài này nhằm mục đích tạo tiền đề cho một hướng phát triển công nghệ chế tạo một trong các tổ hợp thiết bị quan trọng của lò hơi trong nhà máy nhiệt điện có công suất đến 300MW, tiến tới thực hiện mục tiêu nội địa hoá nhà máy nhiệt điện

Sơ đồ tổng thể của một nhà máy nhiệt điện

Chú thích:

1 Tháp làm mát 9 Tuabin trung áp 17 Bao hơi 25 Lọc bụi 2 Bơm nước 10 Điều tốc tuabin 18 Phễu tro 26 Quạt khói 3 Đường dây tải điện 11 Tuabin áp cao 19 Hơi quá nhiệt 27 Ống khói 4 Trạm biến áp 12 Khử khí 20 Quạt hút gió

5 Máy phát 13 Gia nhiệt nước 21.Bộ gia nhiệt lại 6 Tuabin áp thấp 14 Băng tải than 22 Khí vào

7 Bơm nước cấp 15 Phễu 23 Bộ hâm nước 8 Bình ngưng 16 Máy nghiền 24 Bộ sấy khí

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ BỘ SẤY KHÔNG KHÍ TRONG TỔ HỢP THIẾT BỊ LÒ HƠI

I.1 Tổng quan về thiết bị bộ sấy không khí trong lò hơi:

Trong các lò hơi hiện đại, đặc biệt khi đốt các nhiên liệu ẩm, các bộ sấy không khí được sử dụng rộng rãi Việc cấp không khí nóng vào buồng đốt của lò hơi làm tăng nhanh sự bốc cháy nhiên liệu và tăng cường quá trình cháy nhiên liệu, giảm các tổn thất nhiệt do không khí cháy kiệt về hóa học và cơ học Lắp đặt bộ sấy không khí đồng thời cho phép giảm nhiệt độ khói thoát, điều này đặc biệt đáng kể khi gia nhiệt sơ bộ nước cấp trước khi đưa vào bộ hâm nước

Trong các lò đốt than bột, không khí nóng được sử dụng để sấy nhiên liệu trong quá trình nghiền và vận chuyển than bột Đồng thời việc lắp bộ sấy không khí đòi hỏi bổ sung vốn đầu tư, tăng kích thước lò hơi và sức cản của tuyến khói và không khí của hợp thể

Bộ sấy không khí là bề mặt truyền nhiệt được đặt ở phía sau lò để tận dụng nhiệt của khói sau khi đi ra khỏi bộ quá nhiệt, có tác dụng nâng cao hiệu suất của lò hơi Ở đầu vào bộ sấy không khí, kim loại tại đây có nhiệt độ nhỏ nhất so với các bề mặt truyền nhiệt của lò Khi bố trí bộ sấy không khí (tức là bố trí bề mặt truyền nhiệt phần đuôi lò) cần biết trước nhiệt độ nước cấp và nhiệt độ không khí nóng ra khỏi bộ sấy không khí

Các sản phẩm cháy đi vào bộ sấy không khí bị nguội đi chậm hơn so với không khí được sấy nóng Nguyên nhân của hiện tượng đó là do lượng sản phẩm cháy và nhiệt dung của chúng lớn hơn so với của không khí được sấy nóng và để đạt được độ sấy nóng không khí cao hơn với việc sấy trong một

cấp đòi hỏi bề mặt đun nóng của bộ sấy không khí có kích thước cực lớn Trong các lò hơi hiện đại, để đạt được độ sấy không khí cao người ta sử dụng hai cấp, bố trí bộ sấy không khí tách đôi, kẹp bộ hâm nước ở giữa

Nhiệt độ nước cấp được xác định trên cơ sở kinh tế và kỹ thuật vì ta biết rằng khi tăng nhiệt độ nước cấp lượng nhiệt hấp thu của bộ hâm nước giảm đi làm cho nhiệt độ của khói thải ra khỏi lò và tương ứng tổn thất q2 tăng lên, nghĩa là hiệu suất lò giảm đi Nhưng mặt khác hiệu suất của chu trình tăng lên

Nhiệt độ không khí nóng được xác định theo yêu cầu đảm bảo tốt sự bốc cháy của nhiên liệu nghĩa là càng cao càng tốt Nhưng vì điều kiện làm việc của kim loại bộ sấy không khí, do hệ số tản nhiệt của không khí nhỏ hơn nhiều so với hơi và nước nên nhiệt độ vách ống thường lớn hơn nhiệt độ không khí nhiều, nghĩa là nếu chọn nhiệt độ không khí nóng cao thì đòi hỏi phải dùng những kim loại quý để chế tạo

Theo nguyên tắc truyền nhiệt, bộ sấy không khí được chia làm 2 loại: loại thu nhiệt và loại hồi nhiệt Ở loại thu nhiệt, nhiệt truyền trực tiếp từ khói tới không khí qua vách kim loại Ở loại hồi nhiệt khói đầu tiên đốt nóng kim loại rồi sau đó nhiệt tích tụ tại đây được truyền cho không khí Như vậy mỗi phần tử của bộ sấy không khí sẽ làm việc ở trang thái tiếp xúc lần lượt khi thì với khói, khi thì với không khí

I.2 Bộ sấy không khí kiểu thu nhiệt (bộ sấy tĩnh):

Bộ sấy không khí kiểu thu nhiệt là loại được sử dụng rộng rãi hiện nay, về cấu tạo nó có thể gồm các kiểu sau: kiểu bằng tấm thép, kiểu bằng ống gang, kiểu bằng ống thép

Bộ sấy không khí kiểu ống gồm 2 loại: ống gang và ống thép, trong đó bộ sấy không khí loại ống thép hiện nay hay được sử dụng Nó gồm một hệ

thống ống đứng đặt so le và được giữ với nhau bởi hai mặt sàng, trong đó khói đi trong ống và không khí đi ngoài ống

Hình I-1 Bộ sấy không khí kiểu thu nhiệt (dạng tĩnh)

Thông thường hiện nay người ta chế tạo bộ sấy không khí theo từng cụm (khối) Khi lắp, chúng được nối với nhau tạo thành bộ sấy không khí Kích thước của khối được chọn theo kích thước của đường khói đối lưu, thường một cạnh của khối lấy bằng chiều sâu của đường khói còn cạnh kia được chọn trên cơ sở kích thước chiều rộng và số khối (ước số theo chiều rộng của lò)

Việc chia thành khối như vậy cho phép vận chuyển và lắp ráp dễ dàng Hình vẽ sau trình bày sơ đồ chia bộ sấy không khí thành các khối và cách nối các khối với nhau

b)

a)

Hình I-2 Sơ đồ chia bộ sấy không khí thành các khối và cách nối các khối

Khi nối, để ngăn ngừa không khí lọt vào trong đường khói qua các kẽ hở giữa các mặt sàng người ta đặt các vành bù Giữa các khối của bộ sấy với khung lò cũng cần đặt vành bù Vành bù là những lá tôn mỏng nối giữa mặt sàng và khung lò

Vì các ống của bộ sấy làm việc ở trạng thái không có áp suất nên được chế tạo bằng các lá tôn 1,25÷1,5mm uốn và hàn mí lại Đường kính ngoài của ống nằm trong phạm vi 25÷51mm Hiện nay người ta có xu hướng sử dụng hai loại đường kính 40mm và 51mm, dày 1,5mm

Mặt sàng của bộ sấy được tính theo điều kiện bền, thường đối với mặt trên và mặt dưới lấy bằng 15÷25mm Để tăng độ cứng vững của bộ sấy, giữa hai mặt sàng trên và dưới còn đặt mặt sàng trung gian, có bề dày nhỏ hơn, thường từ 5÷10mm Mặt sàng trung gian có tác dụng để phân chia đường không khí thành nhiều đường cắt đường khói nhiều lần Mỗi khối của bộ sấy không khí có thể có từ 1÷2 mặt sàng trung gian

Việc chọn số lần đường không khí cắt đường khói hay nói khác đi là việc chọn kích thước đường không khí đi là dựa trên cơ sở đảm bảo tốc độ của dòng không khí (hình vẽ 1-3 trình bày các dạng sơ đồ bố trí bộ sấy không khí kiểu ống)

a) b) c) d) Hình I-3 Sơ đồ bộ sấy không khí kiểu ống

a) sơ đồ một dòng; b) và d) sơ đồ hai dòng nhiều đường; c) sơ đồ một dòng một đường

Khi quyết định số lần đường không khí cắt đường khói cũng như số dòng không khí không phải hoàn toàn chỉ dựa vào tốc độ không khí yêu cầu mà còn phải dựa vào quan hệ giữa tốc độ khói và tốc độ không khí, nghĩa là còn phải xét tới kích thước và số lượng ống (tiết diện để khói qua), do đó, còn phải tuỳ thuộc bề mặt truyền nhiệt của bộ sấy không khí Cũng cần phải chú ý rằng khi số lần cắt càng nhiều thì độ chênh nhiệt độ càng lớn Ta có thể thấy rõ các mối quan hệ trên bằng cách chọn đường kính ống và tương ứng, số lượng ống như sau:

- Khi thiết kế bộ sấy không khí thì bề mặt truyền nhiệt yêu cầu được biết trước, còn tiết diện khói đi qua cũng đã được xác định bằng cách chọn trước tốc độ khói trên cơ sở tốc độ khói giới hạn theo điều kiện mài mòn bởi tro bay Bề mặt đốt và tiết diện để khói qua được xác định theo số lượng ống và đường kính ống như sau:

tăng số dãy ống dọc theo đường không khí, do đó làm tăng trở lực của đường không khí, còn khi giảm chiều dài ống thì số lần cắt cũng phải giảm theo (do phải giữ nguyên chiều cao của đường không khí đi)

Hiện nay để sử dụng ống đường kính bé và để hoàn thiện quá trình làm việc, bộ sấy không khí có thể thực hiện theo hai dòng riêng biệt (hình vẽ I-3b và d) Khi đó mỗi phần chỉ có một nửa tổng lượng không khí đi qua, so với sơ đồ một dòng cho phép tăng gấp đôi số lần cắt và giảm gấp đôi trở lực của đường không khí khi cùng tốc độ không khí Việc đưa không khí vào bộ sấy có thể thực hiện theo hai phía

♦ Bộ 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, ống dễ dàng thổi sạch,

- Khắc phục được hiện tượng lọt không khí vào trong đường khói, - Có xuất tiêu hao kim loại tương đối nhỏ

♦ Khuyết điểm của bộ sấy không khí kiểu ống:

Khuyết điểm chủ yếu là các ống thép không bền vững dưới tác dụng ăn mòn của khói ở nhiệt độ cao và tác dụng mài mòn của tro bay Vì vậy bộ sấy không khí kiểu ống được dùng để gia nhiệt không khí tới khoảng 400oC, nhiệt độ khói trước nó không quá 550oC

Khi nhiệt độ khói và không khí cao hơn người ta thường dụng bộ sấy không khí kiểu ống bằng gang, do gang bền vững hơn dưới tác dụng ăn mòn và mài mòn so với ống thép Để tăng hệ số truyền nhiệt, ống gang thường có cánh ở ngoài ống và có răng ở trong ống Lúc này không khí được bố trí đi trong ống còn khói đi ngoài ống Các cánh (ngoài ống) và răng (trong ống) được bố trí dọc theo đường lưu động của dòng không khí hay khói, nghĩa là vuông góc với nhau (như hình I-4)

Hình I-4 Cấu tạo của ống gang có cánh và răng của bộ sấy không khí bằng gang

Số lượng ống theo chiều rộng đường khói của bộ sấy không khí bằng gang được xác định theo điều kiện đảm bảo tốc độ khói, còn chiều dài ống được xác định theo điều kiện đảm bảo bề mặt đốt

Khuyết điểm chủ yếu của bộ sấy không khí bằng gang là kích thước cồng

kềnh và nặng nề, sản xuất tiêu hao kim loại rất lớn, độ lọt không khí nhiều và dễ bám tro Nhưng do khả năng chống mài mòn và mài mòn cao nên nó được sử dụng để chế tạo bộ sấy không khí cấp một (hoặc một phần ở phía đầu vào bộ sấy cấp một) khi đốt nhiên liệu nhiều lưu huỳnh, nhiên liệu rất ẩm và với nhiệt độ khói thải thấp, hay để chế tạo bộ sấy không khí cấp hai (hoặc phần đi ra của bộ sấy không khí cấp hai) khi cần dùng không khí có nhiệt độ quá cao

Trong các thiết bị đốt nhiệt độ khói thải ra khỏi lò còn rất cao (trên 1000oC) nên người ta thường dùng khói này để gia nhiệt không khí Nhưng vì nhiệt độ khói rất cao nên đòi hỏi kim loại chế tạo phải là thép hợp kim chống gỉ

I.3 Bộ sấy không khí kiểu hồi nhiệt (bộ sấy quay):

Hiện nay trên thế giới cũng như tại một số nhà máy nhiệt điện chạy than tại Việt Nam cũng đã sử dụng khá rộng rãi bộ sấy không khí kiểu hồi nhiệt (dạng quay)

Hình I-5 Bộ sấy không khí kiểu quay (loại hồi nhiệt)

Thiết bị sấy nóng không khí hồi nhiệt kiểu quay (rotary regenerative air heater) thu giữ và sử dụng lại khoảng 60% nhiệt lượng thoát ra ngoài lò hơi, nếu không, năng lượng này sẽ bay đi mất theo đường ống khói Với một nhà máy nhiệt điện chạy than công suất 500 MW, năng lượng sử dụng lại có thể lên tới khoảng 3,5.105 kcal mỗi giờ, và nhờ sử dụng lại nhiệt lượng này, có thể giảm mức tiêu hao nhiên liệu khoảng 1.500 tấn mỗi ngày

Bộ phận chính của bộ sấy là một rôto quay với tốc độ chậm xung quanh trục 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 khí nóng, khi thì tiếp xúc với không khí lạnh Đường khói và đường không khí được bố trí ở hai phía cố định của bộ sấy và được ngăn bởi vách ngăn

Phần rôto khi đi qua đường khói sẽ được đốt nóng tới nhiệt độ của khói, lượng nhiệt tích luỹ này sẽ được truyền cho không khí khi rôto đi qua đường không khí, nhiệt độ của phần rôto này sẽ giảm xuống Khi đi qua đường khói, các chi tiết của rôto sẽ có nhiệt độ bằng nhiệt độ của khói, nên khắc phục được hiện tượng ăn mòn ở nhiệt độ thấp trong đường khói Khi đi qua phần không khí, do không khí không phải là môi trường ăn mòn như khói, nên cho phép nhiệt độ của các chi tiết hạ xuống khá thấp Đó cũng là ưu điểm chính của bộ sấy không khí kiểu hồi nhiệt

Ngoài ra bộ sấy không khí kiểu hồi nhiệt còn có ưu điểm là kích thước nhỏ gọn, suất tiêu hao kim loại nhỏ, trở lực đường khói và không khí khá bé Khuyết điểm chủ yếu của bộ sấy không khí kiểu hồi nhiệt là lượng không khí lọt vào trong đường khói khá lớn Trong các cấu tạo cũ, khi không bảo đảm chèn kín tốt, lượng không khí lọt vào có thể lên tới 20% Ngay cả khi chèn tốt, lượng không khí lọt cũng tới 10% Điều này làm cho lượng tiêu hao điện năng, cho việc thông gió và tổn thất q2 tăng lên Ngoài ra việc thực hiện chuyển động quay trong điều kiện nhiệt độ cao làm cho cấu tạo phức tạp lên nhiều

Để khắc phục những khuyết điểm này, hiện nay trong nhiều trường hợp người ta đã dùng bộ sấy không khí kiểu hồi nhiệt nhưng không có rôto quay bằng kim loại mà bằng khối gạch chịu lửa cố định, chia làm hai phần, tiếp xúc định kỳ với khói và không khí nhờ một hệ thống van lá chắn đóng mở đường khói và gió

Để so sánh các loại bộ sấy không khí, người ta dùng các chỉ tiêu về kích thước Về trọng lượng và về giá thành, bộ sấy không khí bằng gang có cánh có kích thước cấu tạo lớn nhất và giá thành đắt nhất, sau đến bộ sấy không khí kiểu tấm, rồi đến kiểu ống Bộ sấy không khí kiểu hồi nhiệt có chỉ tiêu nhỏ nhất Qua các kết quả phân tích thực tế, người ta thấy so với bộ sấy không khí kiểu ống đường kính 40mm, bộ sấy không khí bằng gang nặng hơn 4 lần, dài hơn 2,5 lần và lượng tiêu hao điện năng cho việc thông gió lớn hơn 4 lần

a) b) Hình I-6 Bố trí các bề mặt truyền nhiệt phần đuôi lò

a) Bố trí một cấp; b) bố trí hai cấp

1,3 - Bộ sấy không khí cấp 1 và 2; 2,4 - Bộ hâm nước cấp 1 và 2

Trong đường khói phần đuôi, bộ sấy không khí có thể bố trí theo dạng một cấp (hình I-6a) hoặc 2 cấp xen kẽ nhau (hình I-6b) Chọn kiểu kết cấu nào là tuỳ theo yêu cầu về độ gia nhiệt không khí nóng quyết định Thông thường, ở ghi lò, để bảo vệ ghi lò, nhiệt độ không khí nóng thường không quá 150oC, (chỉ khi đốt những nguyên liệu rất nhiều tro và ẩm như than bùn, nhiệt độ không khí nóng mới tới 205oC), khi ấy chỉ cần bố trí bộ sấy không khí một cấp Ở lò phun nhiệt nóng tới 400oC, có khi cao hơn Để thu được nhiệt độ không khí nóng cao như vậy cần thiết phải đặt đầu ra của bộ sấy không khí vào vùng nhiệt độ khói cao, nghĩa là bộ sấy không khí chia thành hai cấp Nhưng thông thường nhiệt độ khói đi ra khỏi bộ quá nhiệt còn lớn hơn 600oC, nên để bảo vệ bộ sấy không khí, người ta thường đặt bộ sấy không khí cấp hai vào giữa bộ hâm nước, có nghĩa là bộ hâm nước cũng được chia thành hai cấp

Hình I-7 Sự thay đổi nhiệt độ khói và môi chất của các bề mặt đốt phần đuôi khi bố trí hai cấp

Hình I-7 trình bày đặc tính thay đổi nhiệt độ của dòng khói và môi chất đi qua các bề mặt truyền nhiệt phần đuôi khi bố trí hai cấp Các dòng môi chất đều được bố trí ngược dòng khói nên theo chiều giảm nhiệt độ dòng khói và theo chiều tăng nhiệt độ môi chất Độ tăng nhiệt độ của không khí lạnh nhanh hơn độ giảm nhiệt độ của khói, còn đốt với bộ hâm nước thì xảy ra ngược lại Ta có thể thấy rõ điều này bằng cách khảo sát phương trình cân bằng nhiệt của các cấp

Đốt với bộ sấy không khí cấp một, dựa theo các ký hiệu trên hình I-7, phương trình cân bằng nhiệt có dạng:

[ RORONNthkkkkHO]( kth)

(I.4) trong đó: tkkn, tkkl - nhiệt độ không khí nóng và lạnh, oC;

tk, tth - nhiệt độ khói và nhiệt độ khói thải, oC αbl - hệ số không khí thừa trong buồng lửa

∆αng - hệ số không khí lọt trong hệ thống nghiền than Người ta thường ký hiệu:

( blng) kkkkkk αα V0C

( th ) kkkkHOHO

k =V 2C 2 +V 2C 2 +α−1V0C +V 2 C 2

gọi là đương lượng nước của không khí và của khói

Đối với các loại nhiên liệu, thể tích lý thuyết của không khí thường nhỏ hơn thể tích lý thuyết của khói, nhiên liệu càng ẩm thì thể tích không khí càng nhỏ hơn Mặt khác do đường khói của hầu hết các lò làm việc ở trạng thái chân không, nên có lọt không khí nghĩa là αth >αbl Khi đó tỷ nhiệt của nitơ xấp xỉ với tỷ nhiệt tài nguyên của không khí nên tỷ nhiệt trung bình của khói lớn hơn của không khí Vì vậy đương lượng nước của không khí thường nhỏ hơn nhiều so với đương lượng nước của khói Do đó từ phương trình (I.4) ta có hiệu nhiệt độ (tkkn−tkkl) (> tk −tth); nghĩa là độ tăng nhiệt độ không khí lớn

hơn độ giảm nhiệt độ của khói Trung bình cứ giảm nhiệt độ của khói đi 1oC thì nhiệt độ của không khí tăng lên 1,2÷1,5oC

Trong bộ hâm nước của lò hơi, đương lượng của nước là:

lại lớn hơn đương lượng của khói do tỷ nhiệt của nước lớn hơn nhiều so với tỷ nhiệt của khói (khoảng 2,5 lần) Vì vậy độ tăng nhiệt độ nước nhỏ hơn nhiều so với độ giảm nhiệt độ khói Nhiệm vụ chủ yếu khi bố trí các bề mặt truyền nhiệt phần đuôi là xác định tỷ lệ hấp thụ nhiệt hay nói khác đi, tỷ lệ bề mặt đốt của từng cấp bộ sấy không khí và bộ hâm nước Do bố trí xen kẽ, sự làm việc của các cấp bộ sấy không khí và bộ hâm nước có liên hệ với nhau nên thực ra chỉ cần xác định kích thước của bộ sấy không khí cấp một và nhiệt độ khói trước bộ sấy không khí cấp hai sẽ phân bố được tỷ lệ hấp thụ nhiệt giữa các cấp của bộ sấy không khí và bộ hâm nước

Nếu gọi nhiệt độ ở đầu ra bộ sấy không khí cấp một là:

ψ − −

Ta thấy từ phương trình (I.10), nhiệt độ không khí nóng khi ra khỏi bộ sấy không khí cấp một được xác định phụ thuộc vào nhiệt độ khí lạnh, nhiệt độ khói thải, hiệu nhiệt độ ở đầu ra bộ sấy không khí cấp một và mức độ sai khác giữa đương lượng nước của không khí và của khói Nhiệt độ không khí nóng sẽ giảm đi khi giảm nhiệt độ khói thải, khi tăng nhiệt độ không khí lạnh,

khi giảm tỷ số giữa đương lượng nước của không khí và của khói khi tăng hiệu số nhiệt độ ở đầu ra của bộ sấy không khí

Vì khi phân bố tỷ lệ hấp thụ nhiệt giữa các cấp, nhiệt độ khói thải là đã chọn trước, nhiệt độ không khí lạnh là một trị số không thay đổi, còn đương lượng nước của không khí và khói phụ thuộc vào loại nhiên liệu đốt đã cho nên cũng là những trị số cố định Vì vậy đại lượng có ý nghĩa quyết định đến nhiệt độ không khí nóng chính là hiệu nhiệt độ ở đầu ra bộ sấy không khí cấp một

Việc chọn hiệu nhiệt độ đầu ra bộ sấy cấp một ∆tskk là một vấn đề tương đối phức tạp, được xác định trên cơ sở tính kinh tế kỹ thuật Khi hiệu nhiệt độ ở đầu ra bộ sấy không khí cấp một càng nhỏ thì nhiệt độ không khí nóng và tương ứng nhiệt độ khói trước bộ sấy không khí cấp một càng cao (điểm làm việc của nhiệt độ khói trước bộ sấy không khí cấp một dịch chuyển về bên trái đồ thị I-7), do đó hiệu nhiệt độ ở đầu vào bộ hâm nước cấp một cũng sẽ càng lớn vì nhiệt độ nước cấp là không đổi Như vậy khi chọn nhiệt độ không khí nóng ra khỏi bộ sấy không khí cấp một càng cao thì chênh lệch độ trong bộ sấy không khí cấp một càng giảm, còn trong bộ hâm nước lại tăng Do đó ở một lượng nhiệt hấp thụ không đổi kích thước bề mặt truyền nhiệt độ hâm nước giảm đi còn của bộ sấy không khí thì tăng lên

Xác định được nhiệt độ không khí nóng ra khỏi bộ sấy không khí cấp một thì sẽ xác định được tỷ lệ hấp thụ nhiệt giữa hai cấp của bộ sấy không khí Tỷ lệ phân bố hấp thụ nhiệt giữa hai cấp của bộ hâm nước được xác định trên cơ sở chọn nhiệt độ khói trước bộ sấy không khí cấp hai Nhiệt độ này được chọn theo điều kiện bảo đảm chống ăn mòn ở nhiệt độ cao cho bộ sấy không khí

Trên cơ sở xác định các trị số hiệu nhiệt độ ∆tskk, ∆thn, ta xác định được nhiệt độ khói thải tốt nhất theo phân tích về mặt kinh tế Dựa trên cơ sở phương trình (I.4) và (I.8) ta sẽ xác định được nhiệt độ khói thải:

ψ + +∆

⎝⎛ −∆+

Từ công thức (I.11) ta thấy: Có thể giảm nhiệt độ của khói thải bằng cách giảm nhiệt độ nước cấp, nhiệt độ không khí lạnh, hiệu nhiệt độ ∆thn, ∆tsk hoặc làm cho đương lượng nước của không khí và của khói gần bằng nhau Nhiệt độ không khí lạnh đưa vào bộ sấy không khí thường lấy bằng nhiệt độ của không khí trong gian lò, nghĩa là đã là một trị số cố định cho trước

Việc quyết định chọn nhiệt độ nước cấp là một vấn đề phức tạp dựa trên cơ sở so sánh kinh tế giữa việc tăng hiệu suất lò (do giảm nhiệt độ khói thải) với việc giảm hiệu suất của chu trình nhiệt khi giảm nhiệt độ nước cấp Đối với một thông số của lò và chu trình, nhiệt độ nước cấp đã được chọn theo cách so sánh kinh tế

Để cho tỷ số

ψ tiến tới 1 thì cần phải giảm lượng không khí lọt vào lò

Trong quá trình vận hành cũng như khi thiết kế lò, lượng không khí lọt đã được khắc phục đến mức tối thiểu

Như vậy không thể dùng các biện pháp giảm nhiệt độ nước cấp, nhiệt độ không khí lạnh và lượng không khí lọt tới quá mức quy định để làm giảm nhiệt độ khói thải Khi ấy nhiệt độ khói thải chỉ còn phụ thuộc vào hai trị số

=1,33 - đối với nhiên liệu khô)

Bảng I.1 - Nhiệt độ khói thải khi thay đổi hiệu nhiệt độ ∆thn và ∆tskk, oC Nhiệt độ không khí

lạnh tkkl, oC

Cthn =800

Ctskk =600∆

Cthn =400

Ctskk =300∆

Cthn =200

Ctskk =150∆

Cthn =100

Ctskk =70∆

30 60 80

131 154 171

100 123 139

83 107 123

75 99 115 Từ bảng trên ta có thể lập được mối quan hệ về độ chênh nhiệt độ trung bình logarit theo nhiệt độ khói thải của bộ sấy không khí thay đổi các trị số

∆ Ví dụ khi giảm nhiệt độ khói thải từ 103oC xuống 75oC thì độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit ∆tlog giảm đi 15%, còn khi giảm tth từ 85oC xuống 75oC thì ∆tlog giảm đi 1,5 lần, nghĩa là tương ứng bề mặt truyền nhiệt của bộ sấy không khí sẽ tăng lên 1,5% hay 1,5 lần Vì vậy càng giảm nguồn nhiệt độ thải (giảm chi phí vận hành) thì chi phí kim loại chế tạo bề mặt truyền nhiệt bộ sấy không khí càng tăng lên nhanh

Dựa trên các kết quả tính toán kinh tế, thường lấy ∆thn =400C,

Ctskk =300

Cthn =400

∆ , ∆tskk =300C

= 80,

= 70,

Bảng I.2 - Nhiệt độ khói thải của nhiên liệu khô và ẩm Nhiệt độ không

khí lạnh, oC

Nhiệt độ khói thải

khô

Nhiên liệu ẩm 30

60 80

86 110 126

99 120 134

100 123 139

118 139 153

Trị số nhiệt độ khói thải xác định được theo điều kiện kinh tế ở trên phải đảm bảo không gây nên ăn mòn nhiệt độ thấp ở bề mặt truyền nhiệt nghĩa là phải cao hơn nhiệt độ đọng sương

Đối với bộ sấy không khí, do hệ số tản nhiệt về phía khói và về phía không khí xấp xỉ nhau nên việc chọn kích thước bề mặt truyền nhiệt của bộ sấy không khí không những phụ thuộc vào vị trí tốc độ khói có lợi nhất mà còn cả vào trị số tốc độ không khí có lợi nhất, nghĩa là vào tỷ số có lợi nhất của tốc độ khói và không khí Tỷ số có lợi nhất này có thể xác định như sau:

- Đối với bộ sấy không khí kiểu ống: ψkk/ψk =0,5

- Đối với bộ sấy không khí kiểu ống có cánh răng: ψkk/ψk =0,7

- Đối với bộ sấy không khí kiểu tấm và kiểu ống có cánh: ψkk/ψk =1

Việc chọn tốc độ khói có lợi nhất cho bộ sấy không khí dựa trên cơ sở so sánh giữa việc tăng chi phí điện năng cho việc thông gió khi tăng tốc độ với việc giảm chi phí đầu tư do giảm kích thước bề mặt truyền nhiệt Các trị số tốc độ xác định được này thường nhỏ hơn nhiều so với trị số giới hạn cho phép về mặt mài mòn do việc mài mòn ở đây xảy ra ít hơn so với khi dòng khí lưu động ngang Bảng 3 trình bày tốc độ khói có lợi nhất trong bộ sấy không khí

Bảng I.3 - Tốc độ khói có lợi nhất trong bộ sấy không khí, m/s

được tốc độ không khí có lợi nhất

Qua phân tích ưu nhược điểm của các chủng loại bộ sấy không khí trên và hơn nữa để tiếp cận với các thiết kế mới, hiện đại của các kết cấu bộ sấy không

khí hiện đang được sử dụng tại các nhà máy điện mới xây dựng, nhóm đề tài chúng tôi đã làm việc với Công ty CP Nhiệt điện Phả Lại và quyết định lựa chọn bộ sấy không khí kiểu hồi nhiệt (dạng bộ sấy không khí quay) làm đối tượng nghiên cứu và thiết kế Môđun sản phẩm bộ sấy không khí kiểu quay trên sau khi chế tạo thử nghiệm sẽ được đưa vào lắp ráp và vận hành khảo nghiệm tại Công ty CP Nhiệt điện Phả Lại

CHƯƠNG II

TÍNH TOÁN - THIẾT KẾ

BỘ SẤY KHÔNG KHÍ LOẠI HỒI NHIỆT (DẠNG QUAY)

II.1 Mô tả chung bộ sấy không khí loại hồi nhiệt (dạng quay)

Bộ phận chính của bộ sấy không khí loại hồi nhiệt là một rôto quay với tốc độ độ rất chậm xung quanh trục 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 Đường khói và đường không khí được bố trí ở hai phía cố định của bộ sấy và được ngăn bởi vách ngăn

Phần rôto đi qua đường khói nóng sẽ được đốt nóng đến nhiệt độ của khói, lượng nhiệt tích luỹ này sẽ truyền cho không khí khi rôto đi qua đường không khí, nhiệt độ của phần rôto này sẽ giảm xuống Khi đi qua đường khói, các chi tiết của rôto sẽ có nhiệt độ bằng nhiệt độ của khói nên khắc phục được hiện tượng ăn mòn ở nhiệt độ thấp trong đường khói Khi đi qua phần không khí, do không khí không phải là môi trường ăn mòn như khói, nên cho phép nhiệt dộ các chi tiết hạ xuống khá thấp

Bộ sấy không khí dạng này có kích thước gọn gàng, suất tiêu hao kim loại nhỏ, trở lực đường khói và không khí bé Nhưng chúng có nhược điểm chủ yếu là độ lọt gió đáng kể từ phí không khí sang khói (độ lọt gió tiêu chuẩn của không khí 0,2-0,25) Dạng bộ sấy không khí này đảm bảo sấy không khí tới 250÷300oC và được dùng chủ yếu cho các lò hơi công suất lớn

Việc lựa chọn tốc độ của các sản phẩm cháy và không khí trong thiết kế bộ sấy không khí là rất quan trọng Các bộ sấy không khí đặt ỏ vùng nhiệt độ thấp của các sản phẩm cháy bị ăn mòn bên ngoài, đặc biệt bị ăn mòn nhanh khi đốt các nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao Các bộ sấy không khí của lò hơi công nghiệp thường được bảo vệ chống ăn mòn bằng cách duy trì nhiệt độ của thành ống cao hơn nhiệt độ điểm sương 10oK

Nhiệt độ điểm sương của các sản phẩm cháy:

Trong đó:

tng.t - nhiệt độ phát sinh ngưng tụ hơi nước từ các sản phẩm cháy, oC

∆tp- trị số hiệu chỉnh tính đến sự tăng nhiệt độ điểm sương so với nhiệt độ ngưng tụ

Đối với các nhiên liệu không chứa lưu huỳnh, nhiệt độ điểm sương được coi là bằng nhiệt độ ngưng tụ hơi nước với áp suất riêng phần của chúng trong các sản phẩm cháy Trong trường hợp đó nhiệt độ điểm sương là 45-55oC Đại lượng ∆tp phụ thuộc vào độ lưu huỳnh ước lược và độ tro:

Trong đó:

ayH - lượng tro trong khói;

Sn, An - tương ứng là hàm lượng lưu huỳnh và tro quy đổi

Quá trình ăn mòn khi đốt các nhiên liệu chứa lưu huỳnh xảy ra chậm khi tuân thủ các điều kiện sau:

Để duy trì nhiệt độ thành bộ sấy không khí cao hơn nhiệt độ điểm sương người ta áp dụng tái tuần hoàn không khí nóng và sấy sơ bộ không khí trước

khi đưa vào bộ sấy không khí Gần đây người ta ít áp dụng tái tuần hoàn không khí nóng vào đầu hút của quạt gió, bởi vì với sơ đồ đó tiêu hao năng lượng cho quạt sẽ tăng lên Ngoài ra tái tuần hoàn bảo vệ bộ sấy không khí kém hiệu quả khi khởi động lò Hiện nay việc sấy không khí trước khi đưa vào bộ sấy không khí trong bộ gia nhiệt bằng hơi hoặc bằng nước được sử dụng rộng rãi, bởi vì đảm bảo được sự sấy nóng cần thiết với bất kỳ phương thức vận hành nào của lò hơi

II.2 Cơ sở tính toán bộ sấy không khí

Dựa trên cơ sở tính toán đối với bộ sấy không khí kiểu ống ta áp dụng vào công tác tính toán bộ sấy không khí kiểu quay Cơ sở của việc tính toán bộ

sấy không khí kiểu ống được xác định như sau:

- Khi tính toán kết cấu bộ sấy không khí lựa chọn đường kính ống, các bước ngang và dọc, các tiết diện cho các sản phẩm cháy và không khí đi qua, số lượng các hành trình Trong tính toán kiểm tra bộ sấy không khí hiện hành, các đặc tính trên và bề mặt đun nóng của nó được xác định từ bản vẽ

- Xác định nhiệt độ ở phía đầu nóng của bộ sấy không khí: '

- Xác định nhiệt hấp thu của không khí trong bộ sấy không khí Khi sấy sơ bộ không khí trong lò phát nhiệt nhiệt hấp thu trong bộ sấy không khí:

( o )

I , ogb

I - entanpi của lượng không khí lý thuyết ở đầu vào bộ sấy không khí và ở đầu ra từ bộ sấy không khí với các nhiệt độ tương ứng đã được chấp nhận khi lập cân bằng nhiệt lò hơi

- Từ phương trình cân bằng nhiệt xác định entanpi của các sản phẩm cháy sau bộ sấy không khí

- Tùy thuộc vào sự chuyển động tương quan của không khí và các sản phẩm cháy xác định độ chênh nhiệt độ trong bộ sấy không khí

Để áp dụng toán đồ ta tính các thông số không thứ nguyên:

' t

ττ

+= β

F - diện tích mặt cắt ngang cho không khí đi qua, m2

- Xác định hệ số hoàn nhiệt bằng đối lưu từ các sản phẩm cháy tới thành bộ sấy

Khi đặt ngang chùm ống dạng so le và dạng thẳng hàng:

k α c c c

lfHk α c c

ở đây: αH - hệ số truyền nhiệt xác định theo toán đồ

cz - hệ số hiệu chỉnh hàng ống theo chuyển động sản phẩm cháy cs - hệ số hiệu chỉnh do sắp xếp hình học cho chùm ống

cf - hệ số tính đến ảnh hưởng của sự thay đổi các thông số vật lý dòng cl - hệ số hiệu chỉnh cho độ dài tương đối, đưa vào khi l/d <50 và được xác định trong trường hợp ống xếp thẳng, không quy tròn

- Xác định tổng hệ số tỏa nhiệt từ các sản phẩm cháy tới bề mặt đun nóng

α - Hệ số tỏa nhiệt bằng bức xạ, đối với các bộ sấy không khí cấp thứ nhất được chấp nhận αb.x =0

ξ - hệ số sử dụng: khi đốt than antraxit, than bùn, mazut và củi, ξ được chấp nhận bằng 0,8; các nhiên liệu còn lại bằng 0,85

- Xác định hệ số tỏa nhiệt từ thành bề mặt đun nóng tới không khí Khi bao quanh ngang của các chùm kiểu hành lang và bàn cờ:

- Xác định hệ số truyền nhiệt

- Khi tính toán kết cấu từ phương trình truyền nhiệt xác định bề mặt đun nóng của bộ sấy không khí

310

Khi tính toán kiểm tra (bề mặt đun nóng của bộ sấy không khí đã biết) từ phương trình truyền nhiệt xác định được lượng nhiệt không khí tiếp nhận:

10 ∆

Theo trị số Qbp xác định được entanpi của không khí nóng sau bộ sấy không khí:

αβ +∆

II.3 Các thông số bộ sấy không khí loại hồi nhiệt và tính toán bộ sấy:

II.3.1 Các thông số kỹ thuật của lò hơi:

♦ Sản lượng lò hơi 950T/h

tg,,=570

♦ Áp suất khói trong buồng lửa P = 30mmH2O

II.3.2 Các thông số chính của bộ sấy không khí:

♦ Công suất động cơ chính rôto bộ sấy không khí Nđc = 11kW

II.3.3 Tính toán bộ sấy không khí khiểu quay:

Theo các thông số cho trước của bộ sấy không khí ta có: - Nhiệt độ không khí nóng đầu ra Tkkr2 = 336oC

xxbp =

với x1 - số vùng khói x2 - số vùng tổng

- Tiết diện lưu thông của khói và không khí:

F =0,785. roto2. p. p. (m2)

H =0,95.0,875. roto2 p dd. (m2)

- Nhiệt độ không khí nóng đầu ra đã biết là Tkkr1 ≈ 368oC

- Theo bảng tra entanpi của không khí nóng ta có entanpi của không khí nóng tại 368oC là Ikkn0=655 (kcal/kg)

- Tỷ số giữa lượng không khí sau bộ sấy và lượng không khí lý thuyết β” = 1,16

- Hệ số lọt không khí ∆α đối với lò hơi có sản lượng >50T/h thì ∆α = 0,2

- Nhiệt độ không khí đầu vào cấp 2 Tkkv2 ≈ 25oC

- Theo bảng tra entanpi của không khí ta có entanpi của không khí tại 25oC là Ig0=43 (kcal/kg)

- Ta có nhiệt lượng hấp thụ của cấp nóng bộ sấy:

⎝⎛ +∆

= β α (kcal/kg) (II.4) tài liệu [2]

(65543) 711,122

" IQcIkkn

= (kcal/kg) (II.5) tài liệu [3]

với φ là hệ số giữ nhiệt

q5 là tổn thất nhiệt do tỏa nhiệt ra môi trường, đối với lò hơi có sản lượng >900T/h thì q5 = 0,2 (%)

η1 là hiệu suất nhiệt, η1 = 100-Σq

q là tổng tổn thất nhiệt được tính như sau: Σq = q2 + q3 + q4 + q5 + q6 (%) q2 - tổn thất do dàn ống khói mang đi

Q - trị nhiệt thấp của nhiên liệu Đối với các lò hơi đốt than bột nếu

không có sự sấy nóng không khí bằng nguồn nhiệt bên ngoài thì nhiệt lượng đưa vào gần bằng trị nhiệt thấp của nhiên liệu lv = đv =5000

I - entanpi không khí lạnh lý thuyết, l =52,5

(%) Σq = q2 + q3 + q4 + q5 + q6 = 5,04 + 0,5 + 0,2 + 0,36 = 6,1 (%) η1 = 100-Σq = 100 - 6,1 = 93,9 (%)

ηϕ

Tính toán entanpi khói đầu ra:

- Độ chênh nhiệt độ trung bình ∆t = tktb - tkktb = 260-196,5 = 63,5 (oC)

+= ktbkktbv

- Tốc độ trung bình của khói:

⎝⎛ +⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ +∆=

⎝⎛ −=

1001 q4

B - Lượng tiêu hao nhiên liệu

.100.1