Giáo án lò hơi

Giáo án lò hơi

GIÁO ÁN MÔN HỌC: LÒ HƠI

Tài liệu tham khảo:

1 Thiết bị lò hơi – Trương Duy Nghĩa 2 Thiết kế lò hơi – Trần Thanh Kỳ 3 Sổ tay kỹ thuật lò hơi – Phan Sâm

MỞ ĐẦU 1 Khái niệm

- Lò hơi là thiết bị sinh ra hơi nước có áp suất và nhiệt độ cao bằng cách cấp nhiệt vào Nhiên liệu sử dụng thường là nhiên liệu hoá thạch như: dầu mỏ, than đá, khí đốt Ngoài ra lò hơi còn được cấp nhiệt bằng điện trở

2 Công dụng của lò hơi

™ Sử dụng trong các quy trình công nghệ như trong các nhà máy dệt, nhà máy đường, thực phẩm, giao thông vận tải, rượu bia, nhà máy giấy, trong nhà máy nhiệt điện…

™ Cung cấp hơi cho các tuabin hơi của nhà máy nhiệt điện ™ Dùng để làm sức kéo dùng trong động cơ hơi nước

3 Các thông số kỹ thuật cơ bản của lò hơi

a Sản lượng hơi (công suất, năng suất) D: là lượng hơi sinh ra trong một đơn vị thời gian (kg/h, tấn/h, kg/s)

- SLH định mức Dđm: SLH lớn nhất mà lò hơi có thể làm việc lâu dài ở thông số hơi qui định

- SLH qui ước (Equivalent evaporation): SLH sinh ra tại 100oC (Steam rating from water at 100 oC to steam at 100 oC)

- SLH cực đại: SLH lớn nhất cho phép NH làm việc tạm thời trong một thời gian ngắn Thường Dmax = (1,1 ÷ 1,2)Dđm

- SLH kinh tế: ứng với khi NH đạt hiệu suất cao nhất Thường Dkt = (0,8 ÷ 0,9)Dđm

b Áp suất làm việc, nhiệt độ làm việc: hơi bão hòa hoặc hơi quá nhiệt Thông số càng cao thì hiệu suất càng cao

Aùp suất: 20kgf/cm2;50 kgf/cm2;100 kgf/cm2;180 kgf/cm2;240 kgf/cm2;300 kgf/cm2

Nhiệt độ:400;450;540;565;600oC c Nhiệt thế thể tích của buồng lửa

CHƯƠNG 1 – LÒ HƠI VÀ CÁC KHÁI NIỆM

Nồi hơi là thiết bị sản xuất ra hơi nước nhờ sử dụng nhiệt năng toả ra khi đốt nhiên liệu

- Xảy ra 02 quá trình chuyển biến năng lượng: cháy và trao đổi nhiệt - Hệ thống nồi hơi bao gồm các thiết bị chính và thiết bị phụ:

+ TB chính là các bộ phận thuộc bản thể lò (phục vụ trực tiếp cho việc sinh hơi) gồm: buồng lửa, thiết bị đốt, dàn ống sinh hơi, bao hơi, bộ quá nhiệt, bộ hâm nước, sấy không khí

+ TB phụ giúp nồi hơi hoạt động an toàn, kinh tế, gồm: quạt gió, quạt khói, bơm cấp nước, các van, thiết bị đo – kiểm soát – an toàn,

Phân loại lò hơi

Lò hơi được phân loại theo các tiêu chuẩn như sau: - Theo thông số hơi: áp suất p, nhiệt độ t, sản lượng hơi D - Theo phương pháp đốt nhiên liệu:

Lò ghi: đốt nhiên liệu rắn Lò phun: đốt bột, lỏng, khí

- Theo chế độ tuần hoàn của nước: tuần hoàn tự nhiên, cưỡng bức, trực lưu - Theo lịch sử phát triển của lò hơi: lò hơi ống lò ống lửa, lò hơi ống nước, lò hơi

thẳng đứng, lò hơi nằm ngang - Theo công dụng:

Theo quy trình công nghệ Sử dụng làm động lực

Một số phương hướng phát triển của lò hơi:

Nâng cao công suất và hiệu suất của lò hơi (thu hồi nhiệt thải lò hơi) Nâng cao tính an toàn trong lúc vận hành và sử dụng

Lắp ráp sửa chửa dể dàng

Lò hơi ống lò

Lò hơi ống lò ống lửa

a Lò hơi ống nước thẳng đứng

CHƯƠNG 2 – NHIÊN LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA NHIÊN LIỆU I Khái niệm:

Nhiên liệu là những vật chất có khả năng oxy hóa tạo thành sản phẩm cháy có nhiệt độ cao nhờ năng lượng hoá học kết hợp bên trong

II Phân loại:

™ Theo nguồn gốc: thiên nhiên, nhân tạo ™ Trạng thái vật lý: rắn, lỏng, khí

Bảng phân loại:

Trạng thái vật lý Thiên nhiên Nhân tạo

Rắn Gỗ, các loại than tự nhiên Than gỗ, than bánh, than cốc

mazut, dầu hỏa

III Thành phần hóa học của nhiên liệu a Nhiên liệu rắn và lỏng

Các nhiên liệu hữu cơ rắn và lỏng bao gồm một số lượng lớn hợp chất phức tạp Do đó việc xác định chính xác cấu tạo phân tử của nhiên liệu này rất khó khăn Cho nên người ta chỉ phân tích các thành phần nguyên tố cơ bản trong nhiên liệu bao gồm: C, H, O, N và S được thể hiện dưới dạng phần trăm Đồng thời trong nhiên liệu này còn có chứa hàm lượng ẩm W và độ tro A Trong đó lưu huỳnh bao gồm 2 thành phần: Sc , Ssf :với Sc lưu huỳnh cháy được và Ssf _lưu huỳnh không cháy được gọi là thành phần sunfat

Cacbon C là thành phần cháy chủ yếu của nhiên liệu có nhiệt trị khá cao (34150kJ/kg)

Hydro H là thành phần cháy quan trọng có nhiệt trị cao nhất (144500kJ/kg) Tuy nhiên trong nhiên liệu hàm lượng Hydro chiếm tỷ lệ khá ít (trong nhiên liệu lỏng hàm lượng H nhiều hơn trong nhiên liệu rắn)

Lưu huỳnh S là thành phần cháy của nhiên liệu có nhiệt trị thấp: 9000kJ/kg Trong nhiên liệu S tồn tại ở 3 dạng: hữu cơ, khoáng chất, sunfat (CaSO4; MgSO4; FeSO4 không tham gia phản ứng cháy và tạo xỉ)

S = + cháy

Lưu huỳnh ở trong nhiên liệu là có hại

Đối với dầu mazut người ta căn cứ vào lượng lưu huỳnh để phân biệt dầu tốt hay xấu

S≤ tốt 0,5%<S≤2% trung bình S>2% xấu, ảnh hưởng đến tính đông đặc của dầu

Oxy O và Nitơ N là thành phần vô ích không tham gia vào phản ứng cháy và làm giảm quá trình cháy, nhận nhiệt trị, nhiên liệu càng non thì hàm lượng oxy càng nhiều

Độ ẩm là thành phần có hại làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu, khó bắt lửa do đó cần phải tiêu hao năng lượng để làm khô Độ ẩm chỉ tồn tại trong nhiên liệu rắn Độ ẩm của nhiên liệu bao gồm lượng ẩm nhiên liệu hút từ môi trường và trong kết cấu của nhiên liệu

Độ tro: bao gồm tro phát sinh trong quá trình khai thác, tồn trữ, vận chuyển và có sẳn trong nhiên liệu Độ tro rất có hại cho nhiên liệu làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu, đóng tro trong các bề mặt trao đổi nhiệt làm giảm hệ số truyền nhiệt kéo theo diện tích trao đổi nhiệt tăng thêm

Ngoài ra tro bay ra trong khói còn làm mài mòn thiết bị làm giảm tuổi thọ thiết bị, ô nhiễm môi trường Nếu tro dễ nóng chảy sẽ bám vào các bề mặt trao đổi nhiệt một lớp rắn chắc gây hư hỏng thiết bị Do đó khi thiết kế lò hơi ta phải chọn nhiệt độ khói ra khỏi buồng lửa nhỏ hơn nhiệt độ bắt đầu biến dạng của tro

b Đối với nhiên liệu khí: chủ yếu là mêtan_CH4 , ngoài ra còn có các khí cháy được như hydro_H2 , cacbuahydro_CmHn (C2H4; C3H8; C4H10 ,… ), oxytcacbon_CO và một số ít khí không cháy được như nitơ_N2 ,Oxy_O2, acbonic=dioxytcacbon_CO2 và hơi nước_ H2O

c Các thành phần của nhiên liệu rắn và lỏng:

Khi tính thành phần hóa học của nhiên liệu rắn và lỏng người ta tính theo thành phần khối lượng các nguyên tố cơ bản, đơn vị là phần trăm,% Có 5 thành phần khối lượng cơ bản là: thành phần khối lượng làm việc_“lv”; phân tích _“pt”; khô_“k”; cháy_“c”; hữu cơ_“hc” Tổng các thành phần khối lượng các nguyên tố trong cùng 1 thành phần đều bằng 100%

™ Thành phần khối lượng làm việc: đây là thành phần dùng để tính tiêu hao nhiên liệu trong lò hơi và là thành phần thực tế khi nhiên liệu sử dụng để cung cấp nhiệt

Clv+ lv + lvc + lv+ lv+ lv+ lv = (1-1)

™ Thành phần khối lượng phân tích: là thành phần khi nhiên liệu được nghiền thành bột (rắn) và đưa về trạng thái không khí khô

Cpt + pt+ cpt+ pt+ pt+ pt + pt = (1-2)

™ Thành phần khối lượng khô: là mẩu nhiên liệu được sấy khô ở 105oC cho đến khi khối lượng của nhiên liệu hoàn toàn không thay đổi

Ck+ k+ kc + k+ k+ k = (1-3)

™ Thành phần khối lượng cháy: bao gồm những thành phần có thể cháy được

™ Thành phần khối lượng hữu cơ: gồm những nguyên tố ở dạng hữu cơ: 100%

Chc + hc + hcc + hc + hc = (1-5) Trong thực tế ta gặp nhiều nhất là thành phần làm việc 9 Quan hệ giữa thành phần làm việc và thành phần cháy:

Để chuyển đổi từ thành phần khối lượng này sang thành phần khối lượng khác ta dùng công thức chuyển đổi như sau:

Ví dụ: Chuyển đổi từ thành phần làm việc sang thành phần cháy:

Clv+ lv+ lvc + lv+ lv = lv+ lv100

Cc+ c+ cc+ c+ c=Ta có:

Vậy:

Cc lv lv lv+−

Hc lv lv lv+−

9 Tương tự đối với nhiên liệu khí cháy được và không cháy được

9 Khi cùng một thành phần khối lượng mà có độ ẩm khác nhau hay thay đổi độ ẩm, ta có tính theo công thức tương tự:

C1lv+ 1lv+ lvc1+ 1lv+ 1lv = 1lv+ 1lv)W(A-100O

Clv2 + lv2 + lvc2+ lv2 + lv2 = lv2 + 2lvTa có:

Vậy:

W100C

9 Đối với nhiên liệu khí người ta thường chọn thành phần thể tích của các khí trong nhiên liệu để tính toán, đơn vị là phần trăm_%

Chương 3- CÁC ĐẶC TÍNH CÔNG NGHỆ CỦA NHIÊN LIỆU Độ tro A

Là các thành phần tạp chất không cháy được như là Al2O3 ; các muối sunfat, sunfat sắt,… và gọi chung là thành phần khoáng của nhiên liệu Nếu nhiên liệu có hàm lượng tro lớn thì khi cháy sẽ làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu và bám bẩn vào bề mặt trao đổi nhiệt và làm giảm hệ số truyền nhiệt K

Phân loại:

Tro dể nóng chảy, t<1200oC

Tro có nhiệt độ nóng chảy trung bình, 1200oC<t<1400oC Tro khó nóng chảy, t>1400oC

Độ ẩm: W

Là hàm lượng nước chứa trong nhiên liệu

Độ ẩm của nhiên liệu phụ thuộc vào tuổi của nhiên liệu Nhiên liệu càng già thì độ ẩm của nhiên liệu càng thấp (nhiên liệu rắn) Còn nhiên liệu lỏng và khí thì hàm lượng ẩm hầu như không thay đổi

Nhiệt trị của nhiên liệu

Là nhiệt lượng sinh ra khi đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu rắn hay lỏng hoặc 1m3tc nhiên liệu khí

Đối với nhiên liệu rắn và lỏng có hai loại nhiệt trị: nhiệt trị cao Qc (kJ/kg) và nhiệt trị thấp Qt (kJ/kg)

Nhiệt trị thấp làm việc Qtlv là nhiệt lượng sinh ra khi đốt cháy nhiên liệu trong điều kiện làm việc thực tế của các thiết bị Đây là thông số để tính toán lượng tiêu hao năng lượng hay hiệu suất của lò hơi

Nhiệt trị cao Qclv là nhiệt lượng sinh ra khi đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu trong điều kiện hơi nước của sản phẩm cháy được ngưng tụ lại

Q = +OHO21

H2 + 2 = 22 16 18 1 8 9

Aån nhiệt hoá hơi của nước r=2500kJ/kg 1Hlv →9H2O

1kg Hlv tham gia phản ứng cháy tạo ra 9kg nước

Vì trong nhiên liệu có chứa nước (hàm lượng ẩm) cho nên nó cũng tham gia phản ứng cháy và bay hơi

Nhiệt lượng nước nhả ra khi ngưng tụ lại (tính theo % Hlv tham gia phản ứng cháy)

Q = +

Ta có:

Ta lại có:

Qct lvt lv lv lv+−+

Mối quan hệ giữa thành phần làm việc và thành phần khô: ⎪⎩

Trong đó: lvt

Q _ nhiệt trị thấp ở khối lượng làm việc, kJ/kg

Clv, Hlv,… thành phần khối lượng làm việc của các nguyên tố trong nhiên liệu, %

339; 1030;……….nhiệt lượng toả ra khi đốt cháy hoàn toàn 1kg C, H,… sau khi đã chia cho 100

9 Đối với nhiên liệu khí ta có công thức như sau: (kJ/m3)

9 Khi độ ẩm của nhiên liệu thay đổi thì nhiệt trị thấp làm việc cũng thay đổi theo quan hệ:

9 Khi hỗn hợp hai loại nhiên liệu, nhiệt trị thấp làm việc của hỗn hợp đối với 1kg nhiên liệu rắn và lỏng được xác định như sau:

B1; B2: khối lượng nhiên liệu thứ nhất và thứ hai

Q ; lvt2

Q _ nhiệt trị thấp làm việc của nhiên liệu thứ nhất và thứ hai

Nhiên liệu quy ước và đặc tính quy dẫn của nhiên liệu

Để so sánh các loại nhiên liệu khác nhau về nhiệt lượng người ta dùng khái niệm nhiên liệu quy ước, đó là loại nhiên liệu có nhiệt trị thấp là 7000kcal hay bằng 29300kJ/kg

Độ tiêu hao nhiên liệu quy ước (Bq)

Bq=E.B

Trong đó: B: lượng tiêu hao nhiên liệu tính toán E: trị số giữa

(tương đương nhiệt của nhiên liệu) Đặc tính quy dẫn của nhiên liệu

Nhiệt trị của một số nhiên liệu phổ biến, kcal/kg Than 3000-7000

Đặc tính quy dẫn của nhiên liệu ở 1000kcal =41900kJ

a Độ tro quy dẫn:

b Độ ẩm quy dẫn:

c Hàm lượng lưu huỳnh qui dẫn:

QS4190

Chương 4- CÁC SẢN PHẨM CHÁY CỦA NHIÊN LIỆU I Thể tích không khí lý thuyết

Khi đốt cháy nhiên liệu thì các thành phần cháy của nhiên liệu như C, H, S bị oxy hoá và tạo thành sản phẩm cháy như: CO2, SO2 và hơi nước Chất oxy hoá chủ yếu là oxy trong không khí chiếm 21% về thể tích Ngoài ra trong sản phẩm cháy còn có khí N2do không khí mang vào Ta gọi V0kk là thể tích không khí lý thuyết cần thiết (m3/kg, m3/m3tc) để đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu rắn (lỏng) hoặc 1m3tc nhiên liệu khí Nghĩa là lúc này lượng oxy trong không khí đã cháy hết, không có oxy thừa (phản ứng cháy hoàn toàn)

1m3kk →0,21m3O2

VV =

clv

1 0,5 1 OHO21

H2 + 2 → 21 0,5 1

H2 + 2 → 2+ 21 1,5 1 1

CH4+ 2 → 2+ 21 2 1 2

Cm n ⎟ 2 → 2+ 2⎠

⎝⎛ ++

1 4

m+ m 2

⎝⎛ +++

⎝⎛ +++

Trong đó: Clv; lv

Trong đó: b1 là hàm lượng khối lượng của nhiên liệu thứ nhất có trong hỗn hợp

II Thể tích sản phẩm cháy lý thuyết

9 Khi đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu và không có không khí thừa nghĩa là α=1 thì thành phần của sản phẩm cháy lý thuyết bao gồm các khí: CO2; SO2; N2 và hơi nước H2O, ta có tỷ lệ phần trăm các khí như sau:

CO2 +SO2 +N2 + H2O=100% Lúc này người ta gọi o

V là thể tích hơi nước lý thuyết Ta có:

Trong đó:

V - thể tích khói khô, bao gồm:

RO 0,0187C 0,375SV

V - thể tích khí nitơ lý thuyết:

N 0,79V 0,008NV

Thể tích hơi nước lý thuyết do các nguồn sau đây đưa vào khói: Do phản ứng oxy hóa H2 trong nhiên liệu:

Do độ ẩm trong nhiên liệu

Do độ ẩm trong không khí:

N 0,79V 0,01NV

Thể tích hơi nước lý thuyết:

Trong đó dk là hàm lượng ẩm của nhiên liệu khí (nếu có) tính bằng gam/m3

III Thể tích sản phẩm cháy thực tế

Trong thực tế sự tiếp xúc giữa nhiên liệu và không khí không được hoàn hảo, vì vậy lượng không khí cần thiết để đốt cháy nhiên liệu (lượng không khí thực tế) phải lớn

hơn lượng không khí lý thuyết và tỷ lệ thể tích không khí thực tế và thể tích không khí lý thuyết gọi là hệ số không khí thừa

okkkk >=

O + H2O=100% Gọi Vk là thể tích khói thực tế

V - thể tích khí nitơ thực tế:

( ) okko

V = oOH2

V +0,0161(α-1) okk

IV Độ lọt không khí

Vì buồng lửa và buồng khói không thể làm kín tuyệt đối đồng thời nó làm việc ở áp suất chân không cho nên có một lượng không khí lạnh lọt vào trong ta gọi là độ lọt không khí Ký hiệu là αΔ

Δ=Δα

Độ lọt không khí này là điều bất lợi cho quá trình làm việc của lò hơi vì: 4 Làm tăng thể tích sản phẩm cháy

5 Làm giảm nhiệt độ buồng lửa và làm giảm công suất của lò hơi Gọi Δαi là độ lọt không khí ở bề mặt đốt thứ i

V Sự cháy hoàn toàn và không hoàn toàn

Qua việc phân tích thành phần của sản phẩm cháy (khói) ta sẽ biết được quá trình cháy diễn ra trong buồng lửa có hoàn toàn hay không Một phản ứng cháy được gọi là không hoàn toàn khi trong khói có chứa hàm lượng khí oxýt cacbon

Khi nhiên liệu cháy không hoàn toàn thì trong sản phẩm cháy (khói) ngoài các khí CO2; SO2; N2; O2 hơi nước H2O còn có khí CO

RO2 +N2 + t2

O + CO=100% Thể tích khói khô thực tế

Trong đó: tO2

V - là thể tích khí oxy thừa

Thành phần phần trăm % các khí có trong khói khô: RO2 +N2 + t

Gọi

OC+ →1 2,67 3,67

OS+ →1 1 2

21C+ 2 →1 1,33 2,33

ρ=

Phương trình đặc trưng cho sự cháy không hoàn toàn: %

RO2 +β + 2t =

™ Khi cháy hoàn toàn (CO=0) và có oxy thừa:

β+= 211-ORO

™ Khi cháy hoàn toàn (CO=0) và không có oxy thừa (Ot2=0): β

Hệ số không khí thừa trong buồng lửa:

Khi đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu thì hệ số không khí thừa trong buồng đốt được xác định theo công thức:

Trong đó: N2 =100-(RO2+ t

O ) cháy hoàn toàn N2 =100-(RO2+ t

O +CO) cháy không hoàn toàn

VI Entanpi của sản phẩm cháy

Entanpi của sản phẩm cháy (khói) thực tế của 1kg nhiên liệu rắn, lỏng hoặc 1m3

nhiên liệu khí được xác định như sau:

I = + α− + α2 + , kJ/kg hoặc kJ/m3TC (1-51) Trong đó:

• oK

I - entanpi của khói lý thuyết, được xác định như sau: o

oK

RO2.(Ct) 2 V 2(Ct) 2 V 2 (Ct) 2

Ở đây VRO2, oN2

V , oOH2

V là thể tích lý thuyết của sản phẩm cháy

• okk

I - entanpi của không khí lý thuyết o

I = o kkkk(Ct)

• αOH2

I - entanpi của hơi nước do không khí thừa đem vào α

kk(Ct) 21).V

• Itro-entanpi của tro bay theo khói Itro= b lv.(Ct)tro

ab- độ tro của nhiên liệu bay theo khói

Giá trị của Itro chỉ tính khi 1,5Q

tlv

PHẦN 2: CÂN BẰNG NHIỆT LÒ HƠI I Phương trình cân bằng nhiệt của lò hơi

Nhiệt lượng sinh ra trong buồng lửa một phần chủ yếu sẽ cung cấp cho nước tạo thành hơi nước với áp suất và nhiệt độ cho trước, ta gọi là nhiệt lượng hữu ích phần còn lại là do bị tổn thất

Q2: tổn thất nhiệt do khói thải mang ra ngoài

Q3: tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về hoá học Q4: tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về cơ học Q5: tổn thất nhiệt do toả nhiệt ra môi trường xung quanh Q6: tổn thất nhiệt do tro mang ra ngoài

Đặt 100%Q

1= là % nhiệt lượng hữu ích Đặt 100%

2 = là % tổn thất nhiệt do khói mang ra ngoài

Phương trình cân bằng nhiệt của lò hơi %

q1+ 2+ 3+ 4 + 5+ 6 =Hiệu suất nhiệt của lò hơi:

( 23456)

Ta gọi hiệu suất nhiệt này là hiệu suất nhiệt thô Hiệu suất nhiệt tinh:

tdtinh =η−qη

Trong đó: 100%Q

td = là %năng lượng tự dùng của lò hơi 14 Xác định nhiệt lượng đưa vào của lò hơi:

lvt