* Phân ly xyclon thƣờng thải khí ở trên.
Phân ly xyclon thông thƣờng là một thiết bị loại thiết bị tƣơng đối đơn giản, hiệu suất phân ly rộng nên đƣợc sử dụng nhiều trong công nghiệp năng lƣợng cũng nhƣ một số nghành công nghiệp khác. Có nhiều dạng kết cấu của thiết bị này đƣợc sử dụng trong thực tế, nhƣng trong nội dung đề tài ta đang tìm hiều về sự phân ly khí - rắn sau buồng đốt là hỗn hợp dòng có nhiệt độ cao do đó kết cấu thiết bị có nhiều đặc điểm khác biệt. Ơ đây xin giới thiệu một số dạng kết cấu điển hình đối với dạng phân ly này:
- Phân ly xyclon kiểu tiếp tuyến và kiểu xoắn ốc.
Hiện nay trong công nghiệp thì thƣờng sử dụng kiểu phân ly xyclon thông thƣờng kiểu tiếp tuyến quay ngƣợc, miệng vào có thể là kiểu tiếp tuyến hay kiểu xoáy ốc. Khi dòng khí - rắn đi vào theo hƣớng tiếp tuyến với thân trụ dòng khí - rắn chảy xoáy mạnh trong phân ly. Sau phân ly dòng khí đƣợc thải ra khỏi thiết bị phân ly còn các hạt rắn đƣợc giữ lại đƣa đến các khâu xử lý tiếp theo. Đây là loại đƣợc sử dụng
37
nhiều trong các ngành công nghiệp năng lƣợng đặc biệt là sử dụng trong các buồng đốt tầng sôi và trong các nhà máy năng lƣợng của Việt nam hiện nay vẫn đang sử dụng.
Loại phân ly này đƣợc thiết kế theo dạng phân ly xoáy thông thƣờng. Nhƣng trong tình hình sử dụng hiện nay khi vận hành ở nhiệt độ cao nên thể tích của thiết bị phân ly tƣơng đối lớn. Thiết bị luôn hoạt động ở nhiệt độ cao nên cần phải sử dụng các loại vật liệu chịu nhiệt và bảo ôn tƣơng đối dầy, thời gian sử dụng hầu nhƣ liên tục nên tổn thất nhiệt là tƣơng đối lớn. Khi sử dụng trong lò hơi tuần hoàn, nếu tổ chức cháy không tốt sẽ gây ra cháy lần hai trong thiết bị phân ly gây nên điều kiện làm việc của thiết bị cực kỳ xấu, chính vì vậy loại thiết bị phân ly này cần đƣợc nghiên cứu và cải tiến.
- Phân ly xoáy nhiệt độ cao có đỉnh xoắn ốc
Đây là loại thiết bị phân ly xyclon có xoáy ở đỉnh. Thiết bị phân ly này có ƣu điểm là loại trừ đƣợc ảnh hƣởng của sự hình thành không gian hình vành trên mặt đỉnh mà loại phân ly thƣờng không có qua đó làm tăng tuổi thọ cho thiết bị. Thiết bị dạng này cũng đã sử dụng khá thành công trong một số ngành công nghiệp ở Mỹ hay Liên Xô. Ở Việt Nam thì có ứng dụng kiểu CLG dƣới đây là các kích thƣớc của loại phân ly đó. Kiểu Ducom H K CLG Độ nghiêng xoắn ốc 10°_15° 12° 11°,15°,24° 10° a/D 0,38_0,53 0,6 0,6 0,387 0,23 b/D 0,22_0,33 0,23_0,237 0,2 0,213 0,44 KA 10_66 5,5_5,8 6,54 9,55 7,76 dc/D 0,54_0,56 0,53_0,54 0,59 0,546 0,55 h/D 1,33 1,33 1,2 1 0,7 H1/D 0,9 0,9 1,5 0,6 1 H2/D 1,52 1,52 1,5 1,33 2,5 Hs/D 1,65 1,65 1,8 0,93 2,8 Dc/D 0,24 0,24 0,35 0,293 0,17 α 28° 28° 24,45° 29,77° 18,85° 1 7,4_8 7,4_8 3,86 4,82 3
38
Hình 4.1. Thiết bị xyclon thƣờng khí thải ở trên
- Loại phân ly nhiệt độ cao PV
Là loại thiết bị phân ly đƣợc trƣờng đại học dầu khí Trung Quốc và viện thiết kế Bắc Kinh hợp tác thiết kế chế tạo là loại thiết bị phân ly có kết cấu đơn giản nhƣng hiệu suất phân ly cao. Qua thử nghiệm và sử dụng đã chứng tỏ thiết bị phân ly này có tính năng kỹ thuật tƣơng đƣơng với phân ly xyclon hiện đại nhất ở nƣớc ngoài.
Loại thiệt bị phân ly này có đặc điểm là có đỉnh phẳng và miệng hình chữ nhật, có kết cấu dẫn dòng gồm hai đoạn, đoạn trên là hình trụ, đoạn dƣới có kết cấu chữ V. Khi thiết kế ngoài tỷ số tiết diện miệng vào Fi và đƣờng kính xyclon kết cấu khác cũng đƣợc xác định theo tối ƣu hóa.
- Phân ly xyclon nhiệt độ cao có hơi nƣớc làm nguội
Đây là loại thiết bị phân ly đƣợc công ty Foster Wheler đƣa ra. Đặc điểm của loại thiết bị phân ly này đó là đem phân ly bỏ vào trong khoang có nƣớc hoặc hơi nƣớc làm nguội, khoang làm lạnh do các màng hơi tạo thành. Các màng hơi làm lạnh cùng với bộ quá nhiệt của lò hơi kết cấu thành một hệ thống hoàn chỉnh, vạch của màng cùng vỏ ngoài của phân ly, phía trên và phía dƣới nối với nhau bằng ống góp.
39
Hệ thống phân ly đƣợc đƣợc thiết kế theo kết cấu treo, khi chịu nhiệt cùng lò hơi giãn nở xuống dƣới. Hệ thống làm nguội bằng màng có thể chia làm 4 bộ phận để chế tạo sẵn tại các nhà máy sau đó vận chuyển đến nơi lắp ráp.
Việc sử dụng phƣơng pháp này không cần sử dụng lớp bảo ôn dày, nhƣ vậy không chỉ giảm đƣợc tổn thất nhiệt mà còn giảm đƣợc thời gian khởi động và ngừng lò, bên cạnh đó còn loại bỏ đƣợc các sự cố bởi ảnh hƣởng cơ khí do co dãn nở miệng vào phân ly. Cụ thể có thể giảm đƣợc độ dày lớp chịu nhiệt 6 đến 8 lần và nhiệt độ ngoài vách phân ly giảm 2 lần so với dạng phân ly bình thƣờng.
Đối với lò hơi tầng sôi có tuần hoàn khi sử dụng thiết bị phân ly này cho phép tăng tốc gia nhiệt, tăng tốc khởi động, thời gian khởi động chỉ cần từ 4 cho đến 6 giờ. Nhƣ vậy có thể thấy đây là một thiết bị phân ly có thể cho cho độ tin cậy rất lớn nhƣng ngƣợc lại đây lại là thiết bị phân ly tƣơng đối phức tạp đặc biệt là bộ phận phễu tro, giá chế tạo rất đắt và hiện nay rất hạn chế trong sử dụng.
* Phân ly xyclon thải khí phía dƣới.
Đây là loại thiết bị phân ly đã đƣợc nghiên cứu và phát triển tƣơng đối thành công trong công nghiệp. Về cơ bản kết cấu, tính năng và đặc điểm của nó không hoàn toàn giống với phân ly truyền thống. Hiện nay phân ly xyclon thải khí phía dƣới đƣợc thiết kế trên cơ sở kết quả nghiên cứu thực nghiệm và kinh nghiệm thực tế trong công nghiệp.
Trong lò hơi tầng sôi tuần hoàn khi dùng phân ly thải ra ở trên do lƣu trình của ngọn lửa và chống đỡ nên làm thay đổi nguyên hình bên ngoài của lò hơi làm cho kết cấu tổng thể phình to ra.
Việc dùng thiết bị phân ly khói thải ra phía dƣới trong lò hơi tầng sôi thì bản thân phân ly nhƣ đƣờng ống khói uấn cong, bố trí đi nhƣ vậy là hoàn toàn phù hợp với đƣờng đi của khói. Hơn nữa, buồng lửa của lò hơi tầng sôi tƣơng đối cao thì đem phân ly xyclon thải dƣới bố trí ở chỗ cao của phần đuôi lò là rất thích hợp. Nhƣ vậy là kết cấu của lò hơi là rất chặt chẽ, giảm bớt kích thƣớc ngoại hình của lò hơi, giá thành lò hơi và nhà xƣởng.
Về hiệu suất phân ly ta cũng thấy: Qua phân tích trƣờng lƣu động trong phân ly khí thải phía đuôi thì không tồn tại dòng xoáy đi lên ở tâm cho nên những hạt gần trung tâm dễ đi ra ngoài bị dòng xoáy quay trở lại mang đi làm cho hiệu suất phân ly
40
tăng. Ngoài ra thiết bị phân ly này bố trí ở đƣờng khói nhiệt độ trung bình nên thể tích khói giảm dẫn tới kích thƣớc phân ly cũng giảm và các lý do này cũng làm cho hiệu suất của thiết bị phân ly tăng lên.
Ngoài những yếu tố trên việc bố trí phân ly khói thải dƣới còn góp phần nâng cao an toàn trong vận hành hệ thống cải tạo lò hơi và không làm thay đổi kết cấu của lò hơi.
Tuy nhiên khi xử dụng kiểu phân ly này cần phải chú ý đến các kích thƣớc đảm bảo hợp lý nhiệt độ quá nhiệt, tốc độ dòng để đề phòng mài mòn nghiêm trọng do nồng độ hạt quá cao gây lên làm mất an toàn cho lò hơi.
* Phân ly xyclon nhiệt độ cao thoát khí ở trên kiểu hình vuông
Đây là thiết bị phân ly cũng đƣợc sử dụng khá rộng rãi trong lò hơi tầng sôi tuần hoàn. Đặc điểm của loại thiết bị phân ly này đó là không phải hình tròn mà thƣờng là hình vuông. Nhờ có kết cấu hình vuông này nên khi phân ly ở nhiệt độ cao dễ dàng chế tạo màng vách làm lạnh bằng nƣớc hoặc hơi nƣớc, có thể làm giảm giá thành giảm kết cấu chịu nhiệt của thiết bị, từ đó nâng cao tính khởi động và ngừng hệ thống, kích thƣớc thiết bị giảm xuống. Hơn nữa kiểu vách màng của phân ly có thể dùng chung cùng buồng lửa lò hơi tầng sôi làm cho kết cấu hệ thống gọn nhẹ hơn. Miệng vào của phân ly hình vuông có hình dẹp và dài, đồng thời hai bên miệng vào lắp thêm tấm hƣớng dòng để tăng hiệu suất phân ly. Do dòng đi vào không đập trƣc tiếp vào mặt trong của phân ly và thƣờng thƣờng có một lớp hạt bảo vệ cho nên độ mài mòn của phân ly xoáy hình vuông nhỏ hơn phân ly xoáy bình thƣờng. Dựa trên đây để xác định tiết diện của thiết bị phân ly nói chung.
Nếu ta gọi X là tham số độ tròn của phân ly khi đó:
X=( chiều dài chu vi của pha khí của phân ly/ chu vi tròn của pha khí)
Khi đó phân ly hình tròn có X=1, phân ly hình vuông có X=1,273. Nhƣ vậy đối với loại phân ly này nên đảm bảo độ tròn từ 1,1 và tốt nhất là lơn hơn 1,15.
Một đặc điểm vô cùng quan trọng khác của phân ly hình vuông này đó là có khả năng bố trí dễ dàng hai cái hoặc một tổ hợp phân ly song song với nhau, là một kiểu bố trí rất gọn nhƣ hình vẽ. Bên cạch đó việc bố trí song song này việc quay trở về của hạt than có thể thực hiện một cách riêng rẽ từng phân ly hoặc có thể tập trung vào tổng phễu tro để quay về.
41
* Phân ly xyclon hình vuông thải khí ở dƣới
Cũng nhƣ các thiết bị phân ly thông thƣờng ở trên ta đã tìm hiểu việc bố trí thiết bị phân ly khi thải khí đi ngƣợc chiều lên trên thì ta cũng có thể bố trí thiết bị phân ly dạng hình vuông này ta cũng có thể bố trí phân ly thuận dòng thải dòng khí ở dƣới nó cũng thích hợp các yêu cầu để phối hợp với buồng lửa tầng sôi mà điểm chủ yếu là ống thải ở dƣới, nhƣ vậy có thể bố trí ở trên mặt đốt phần đuôi của lò làm cho lò hơi bố trí càng chặt chẽ.
Trong những nghiên cứu của trƣờng đại học Triết Giang cùng với Trần Giang Ba đã dùng máy đo tốc độ để đo tốc độ phân ly đã cho thấy những đặc điểm chủ yếu của của trƣờng lƣu động trong phân trong phân ly khí thải phía dƣới nhƣ sau:
- Do phân ly tiết diện là hình vuông ống tròn ở tâm, quá trình lƣu động của khí giống nhƣ lƣu động trong đƣờng dẫn có tiết diện luôn luôn thay đổi nên ở những chỗ rẽ ngoặt có tốc độ dòng nhỏ, ở những chỗ gần trung tâm cửa có tốc độ dòng lớn.
- Ở góc ngoặt có bán kính đƣờng cong rất nhỏ, cho nên chỗ đó có tác dụng phân ly rất mạnh, dòng lƣu động ép chặt vào vách ngoài có tốc độ rất lớn đó là vì tiết diện hình vuông làm cho dòng “Chảy vòng cấp tốc” sinh ra tại chỗ ngoặt hình vuông có xoáy nhỏ, mặt trên dƣới của chỗ ngoặt cũng hình thành các xoáy, ngoài ra gần tâm dòng cũng suất hiện các xoáy phẳng các xoáy này cũng giống nhƣ tính toán cấp bậc thang trong lõi tâm hình tròn làm tăng hiệu quả phân ly trong thiết bị.
- Do tác dụng sức hút của tốc độ cao ở miệng vào, làm sinh ra xoáy ở phần dƣới miệng vào của phân ly.
- Ở gần phía dƣới khu vực miệng ra lƣu động rất phức tạp, phƣơng hƣớng lƣu động ở phía dƣới miệng ra của phân ly ngƣợc với phƣơng hƣớng trƣợt xuống của hạt. Tại bề mặt gần chỗ rẽ ngoặt dòng khí lƣu động đi xuống gặp phải dòng đi lên từ phía dƣới, hình thành xoáy mạnh, ở chỗ đó các bộ phận hạt đã đƣợc phân ly lại bị quấn hút trở lại đây là nguyên nhân gây ảnh hƣởng nghiêm trọng đến hiệu suất phân ly.
* Phân ly xyclon kiểu nằm nhiệt độ cao
Đây là loại thiết bị phân ly có thân hình trụ đặt nằm ngang, thƣờng loại thiết bị phân ly này phải kết hợp chặt chẽ với buồng lửa tầng sôi tuần hoàn hoặc thiết bị tiêu hóa. Từ thiết bị phân ly đó hạt rắn phân ly ra trực tiếp đƣợc phân bố về buồng đốt tầng sôi, giảm bớt hệ thống quay trở về phức tạp làm cho hệ thống càng chặt chẽ.
42
Hiện nay thiết bị phân ly xoáy nằm ngang này có các loại kết cấu khác nhau và mang những đặc điểm cũng rất khác nhau, trong phần này xin giới thiệu một số dạng kết cấu điển hình đƣợc áp dụng nhiều nhất trong buồng đốt tầng sôi:
- Phân ly xoáy nằm ngang chảy ngƣợc thông thƣờng
Đây là loại thiết bị do công ty của Mỹ Footer và Garaia- Mallol cung cấp. Thiết bị phân ly này có một buồng xoắn ốc, buồng xoắn ốc có một ống vào men theo toàn bộ chiều dài của buồng lửa dùng để tiếp thu dòng khí - rắn và nhờ tác dụng ly tâm đem hạt phân ly ra. Cùng trên hƣớng trục có lắp đặt một ống trung tâm một phần kéo dài vào trong buồng xoắn ốc, vách ngăn trong của buồng xoắn ốc dùng để đỡ ống trung tâm có hình xoắn ruột gà.
Thiết bị với kết cấu không gian hình vành khăn, do đó khi dòng hỗn hợp chuyển động trong không gian hình vành khăn đó làm cho dòng khí sạch ở trung tâm có áp suất thấp đi vào ống ở giữa từ đó dòng khí sạch thải vào bề mặt đốt phần đuôi lò, các hạt phân ly ra đƣợc đƣa trở lại bồng lửa.
Ngoài ra đặc điểm lớn nhất của thiết bị phân ly loại này là đầu tiên cho khí thoát chuyển động xuống dƣới, sau đó phân lớn dòng khí thay đổi hƣớng đi vào buồng xoắn của phân ly, nhƣng bộ phận khí này gồm đại bộ phận các hạt cơ bản không thay đổi phƣơng hƣớng mà đi vào đƣờng dẫn quay trở lại. Trong khí thải đã bao gồm tƣơng đối lớn các hạt đã đƣợc phân ly trƣớc khi đi vào buồng xoắn. Chính vì vậy mà nó không làm thay đổi tải buồng xoắn. Nên trong buồng xoắn có thể dùng tốc độ dòng khí rất lớn mà không sợ bị mài mòn. Tốc độ dòng lớn có lợi cho năng lực phân ly giảm lƣợng bụi trong dòng khí - rắn.
Trong quá trình phát triển thiết bị phân ly này còn đƣợc phát triển hơn nữa bằng các kết cấu kết hợp làm lạnh bằng hơi nƣớc, từ đó làm giảm nhẹ yêu cầu về vật liệu bảo ôn và đảm bảo an toàn hơn cho hệ thống.
- Phân ly xoáy năm ngang có đặt buồng phân cách
Khi dùng cho các lò hơi tầng sôi vừa và nhỏ các thiết bị phân ly khác cho hiệu quả phân ly không cao, chính vì thế Vƣơng Bảo Xuân và một số nhà khoa học khác đã nghiên cứu và đề ra một kiểu phân ly xoáy kiểu nằm khác đó là phân ly nằm ngang có đặt buồng phân cách.
43
Đặc điểm trong kết cấu của thiết bi phân ly này đó là phƣơng pháp phân ly động lực học không khí. Trong buồng lửa lò hơi đặt một ống xoáy tròn nhiệt độ cao và một tấm cách ly. Ống xoắn và buồng ngăn phân ly giao nhau ở hai đầu bên phải và bên trái ống. Trong quá trình làm việc một mặt các hạt lớn luồng than đi vào buồng ngăn đƣợc phân ly quay trở lại buồng lửa tiếp tục quá trình cháy, mặt khác ngọn lửa cùng hạt tro nhỏ hỗn hợp vào trong ống xoáy để cháy nhanh hơn, nâng cao hiệu suất cháy, một bộ phận tro nhỏ sau khi qua ống trung tâm thoát ra ngoài