4. NHỮNG ĐIỂM MỚI CỦA ĐỀ TÀI
3.2. PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ THỰC TRẠNG CỦA LÒ HƠI TẠI CÔNG TY
3.2.1. Nguyên lý làm việc của lò hơi
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1 14 15
Hình 3.2. Nguyên lý cấu tạo của lò hơi
1- Cửa tháo xỉ; 2- Cửa cấp nhiên liệu; 3-Buồng đốt; 4- Ống khói; 5- Thiết bị đo mức nước; 6- Thiết bị điều khiển áp suất hơi; 7- Đồng hồ đo
áp suất hơi; 8- Đường hơi ra; 9- Van an toàn; 10- Áp kế; 11- Bơm nước; 12- Kính thủy; 13- Phao; 14- Ống lò; 15- Ống lửa;
Tiền thân của loại lò hơi này là lò hơi ống lò - ống lửa đốt dầu FO buồng lửa phun, sản lượng hơi 500 kg/ h. Nhưng vì yêu cầu sử dụng hơi của đơn vị cho sản xuất
45
là không nhiều nên đơn vị đã sử dụng buồng lửa thủ công, đốt củi gỗ, ghi lò cố định thay thế cho buồng lửa phun đốt dầu.
Loại lò hơi này chỉ đốt được nhiên liệu rắn. Nhiên liệu được đưa vào qua cửa cấp, xếp thành lớp lên ghi lò, nhận nhiệt từ lớp nhiên liệu đang cháy bằng dẫn nhiệt, từ tường buồng lửa và ngọn lửa bằng bức xạ và từ không khí nóng và sản phẩm cháy từ lớp nhiên liệu đi lên bằng đối lưu.
Sau khi nhận nhiệt, nhiên liệu được sấy nóng, sấy khô, tách chất bốc và tạo thành cốc. Mặt khác, không khí được quạt gió đưa vào đi qua ghi, tiếp xúc với lớp nhiên liệu và cháy những thành phần cháy được, tạo thành sản phẩm cháy và tro xỉ. Tro xỉ được thải ra ngoài qua ghi xuống hộp tro xỉ, còn sản phẩm cháy ở thể khí thì hấp thụ nhiệt của phản ứng cháy, được đốt nóng đến nhiệt độ khá cao, có thể đạt đến khoảng 800 - 9000C, đi qua các bề mặt truyền nhiệt, truyền nhiệt cho môi chất, nhiệt độ của sản phẩm cháy giảm dần, cuối cùng có thể giảm đến khoảng 120 - 2000C trước khi thải ra ngoài. Còn môi chất là nước, được bơm nước bơm vào, qua các bề mặt truyền nhiệt, nhận nhiệt từ sản phẩm cháy có nhiệt độ cao, nhiệt độ tăng dần thành nước nóng, nước sôi hoặc bão hòa khô.
3.2.2. Phân tích ưu nhược điểm của lò hơi hiện sử dụng
- Nhiên liệu: củi gỗ là loại nhiên liệu có tuổi ít nhất. Lượng chất bốc cao, khoảng 80 đến 85% nên dễ cháy. Thành phần khá ổn định gồm: 50% Cc, 43% Oc, 6% Hc, khoảng 0,5 đến 1% Nc. Trong gỗ gần như không có S, độ tro rất nhỏ, thường Ac
chiếm khoảng 0,5 đến 2% còn độ ẩm đối với gỗ khô khoảng 20 - 30%, đối với gỗ tươi thì khoảng 50 đến 60%. Nhiệt trị thấp đối với gỗ khô khoảng 19.000 kJ/ kg, đối với gỗ tươi không quá 12.000 kJ/ kg.
- Lò hơi dạng lò hơi ống lò - ống lửa bao gồm 1 ống lò có đường kính = 770mm. Buồng lửa đặt bên trong nên truyền nhiệt bức xạ mạnh ở ống lò. Khói nóng sau khi ra khỏi cửa buồng lửa sẽ quặt trở lại qua các ống lửa có đường kính bằng 50mm. Bề mặt truyền nhiệt tăng lên 3 - 3,5 lần nên trong ống lửa có sự truyền nhiệt đối lưu mạnh. Lò hơi với kiểu dòng khói đi quặt trở lại đã giúp giảm chiều dài của lò và gọn hơn, khả năng trao đổi nhiệt cao
- Một số nhược điểm của loại lò này:
+ Bề mặt truyền nhiệt bị hạn chế, do đó không thể tăng sản lượng hơi theo yêu cầu; + Tiêu hao nhiều kim loại cho một đơn vị bề mặt đốt ( 200- 300 kg/ m2);
+ Áp suất hơi lớn nhất chỉ bẳng 1,3-2,0 MPa; + Tuần hoàn của nước không rõ rệt.
46
3.3. TÍNH NHIỆT TRỊ CỦA NHIÊN LIỆU
Các thông số của lò hơi:
- Công suất lò hơi: D = 100 kg/ h; - Áp suất làm việc: p = 2,5 kG/cm2; - Nhiệt độ đầu ra của hơi: thơi = 1000C; - Nhiệt độ nước cấp: tnc = 300C;
- Nhiệt độ khói thải: θth = 1800C; - Nhiên liệu đốt: Củi gỗ
- Chọn hệ số không khí thừa α = 1,4 theo bảng 3.
Bảng 3. Các giá trị phổ biến của hệ số không khí thừa [1]
Nhiên liệu α
Khí thiên nhiên, khí lò cao, lò cốc Dầu
Bột than
Than, ghi cơ khí Than, ghi thủ công
1,02 - 1,05 1,05 - 1,15 1,1 - 1,3 1,3 - 1,5 1,4 - 2,0
Lò hơi không thể kín tuyệt đối được vì có các chỗ ghép nối tường lò, trên tường lò phải có cửa vệ sinh, cửa quan sát, cửa phòng nổ. Khi lò làm việc, áp suất đường khói luôn thấp hơn áp suất khí quyển và áp suất khói giảm dần theo chiều khói đi, do đó không khí lạnh từ ngoài sẽ lọt vào đường khói làm tăng dần hệ số không khí thừa trong đường khói theo chiều đi của khói. Tuy nhiên khi cháy với lượng không khí thừa α quá lớn thì nhiệt độ buồng lửa giảm xuống tức quá trình truyền nhiệt giảm xuống, nhiệt thừa của khói tăng lên tức là lượng nhiệt do khói mang ra khỏi lò (q2) tăng lên, hiệu suất lò giảm xuống và tăng tiêu hao năng lượng của các loại quạt. Vì vậy, khi vận hành cần phải phấn đấu giữ cho α ở giá trị tối thiểu.
Bảng 4. Thành phần của nhiên liệu của củi gỗ [1]
Thành phần Clv Hlv Olv Nlv Alv Wlv
47 - Nhiệt trị thấp của nhiên liệu:
Qtlv = 418,6 (81,3Clv + 243Hlv + 15Nlv + 45,6Slv - 23,5Olv - 6W) [1]
= 418,6 (81,3. 50% + 243. 6% + 15. 1% + 45,6. 0% - 23,5. 43% - 6.30%) = 18198,64 kJ/ kg
3.4. THỂ TÍCH KHÔNG KHÍ VÀ SẢN PHẨM CHÁY NHIÊN LIỆU
Tất cả tính toán về thể tích và entanpi của không khí và sản phẩm cháy đều tiến hành tính toán với 1 kg nhiên liệu rắn ở điều kiện tiêu chuẩn.
- Lượng không khí khô lý thuyết cần để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu (α=1). V0KK = 8,89. Clv + 26,67. Hlv + 3,33. Slv - 3,33. Olv [1]
= 8,89. 50% + 26,67. 6% + 3,33. 0% - 3,33. 43% = 4,61 m3tc/ kg
- Lượng không khí khô thực tế: VKK = α . V0 KK = 1,4. 4,61 = 6,454 m3tc/ kg [1] - Thể tích các thành phần sản phẩm cháy lý thuyết: V0 CO2 = 1,866. Clv = 1,866. 50% = 0,933 m3tc/ kg [1] V0 N2 = 0,79. V0 KK + 0,8. Nlv = 0,79. 4,61 + 0,8. 1% = 3,650 m3tc/ kg [1] V0 H2O = 11,2. Hlv + 1,24. Wlv + 0,0161. V0 KK [1] = 11,2. 6% + 1,24. 30% + 0.0161. 4,61 = 1,118 m3tc/ kg
- Khi quá trình cháy xảy ra hoàn toàn thì sản phẩm cháy bao gồm CO2, N2 và H2O. Trong đó hỗn hợp (CO2, N2) gọi chung là khói khô, ký hiệu V0
KhoiK. - Vậy thể tích khói lý thuyết:
V0
Khoi = V0
KhoiK + V0
H2O [1]
- Xác định thể tích khói khô lý thuyết V0 KhoiK V0 KhoiK = V0 CO2 + V0 N2 = 0,933 + 3,650 = 4,583 m3tc/ kg [1] VKhoiK = α. V0 KhoiK = 1,4. 4,583 = 6,416 m3tc/ kg [1] - Thể tích Nitơ thực tế: VN2 = V0N2 + 0,79. (α - 1). V0KK = 3,650 + 0.79. (1,4 - 1). 4,61 [1] = 5,108 m3tc/ kg
48 - Thể tích hơi nước thực tế VH2O = V0 H2O + 0,0161. (α - 1). V0 KK = 1,118 + 0,0161. (1,4 - 1). 4,61 [1] = 1,148 m3tc/ kg
- Thể tích khí O2 do không khí thừa mang vào: VO2 = 0,21. (α - 1). V0
KK = 0,21. (1,4 - 1). 4,61 = 0,387 m3tc/ kg [1] - Thể tích khói thực tế:
VKhoi = VKhoiK + VH2O + VO2 = 6,416 + 1,148 + 0,387 = 7,951 m3tc/ kg [1]
3.5. ENTANPI CỦA KHÔNG KHÍ VÀ SẢN PHẨM CHÁY
- Entanpi của không khí lý thuyết I0
KK = V0
KK . (C.θ)KK [2]
Ta có nhiệt độ của không khí là: θKK = 300C
Theo bảng tra entanpi của không khí ta có entanpi của không khí tại 300C là (C.θ)KK = 39 kJ/ m3tc
I0
KK = 4,61. 39 = 179,79 kJ/ kg nl Trong đó: V0
KK: Thể tích riêng của không khí lý thuyết, (m3tc/ kg) C: Nhiệt dung riêng thể tích của không khí, (kJ/ m3tc) θKK: Nhiệt độ của không khí, (0C).
- Entanpi của sản phẩm cháy Nhiệt độ khói thải là θth = 1800C
Theo bảng tra entanpi của các khí ta có entanpi của các khí tại 1800C là (C.θ)CO2 = 320 kJ/ m3tc (C.θ)N2 = 234 kJ/ m3tc (C.θ)H2O = 274 kJ/ m3tc Vậy I0 CO2 = V0 CO2 . (C.θ)CO2 = 0,933. 320 = 298,56 kJ/ kg nl I0 N2 = V0 N2 . (C.θ)N2 = 3,650. 234 = 854,10 kJ/ kg nl I0 H2O = V0 H2O . (C.θ)H2O = 1,118. 274 = 306,33 kJ/ kg nl - Entanpi của khói lý thuyết
I0
Khoi = I0
CO2 + I0 N2 + I0
49 - Entanpi khói thực tế
IKhoi = I0
Khoi + (α - 1). I0
KK = 1458,99 + (1,4 - 1). 179.79 = 1530,90kJ/kgnl [2]
3.6. CÂN BẰNG NHIỆT VÀ HIỆU SUẤT LÒ HƠI
Lập phương trình cân bằng nhiệt cho lò hơi là xây dựng phương trình biểu diễn sự cân bằng giữa lượng nhiệt đưa vào lò với lượng nhiệt sử dụng hữu ích và các tổn thất nhiệt của lò.
Nhiệt lượng sinh ra khi đốt cháy nhiên liệu trong lò hơi chính là lượng nhiệt do nhiên liệu và không khí mang vào và nhiệt lượng giải phóng từ chúng khi xảy ra quá trình cháy.
Nhiệt lượng sinh ra khi đốt cháy nhiên liệu trong lò hơi có thể phân chia làm hai thành phần: một phần nhiệt được sử dụng để sinh hơi (gọi là nhiệt lượng hữu ích) và một phần nhiệt bị mất đi trong quá trình làm việc (gọi là tổn thất nhiệt của lò).
Như vậy ta có phương trình cân bằng nhiệt: Qđv = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6 [1] Trong đó:
Qđv: Nhiệt lượng đưa vào lò, kJ/ kg;
Q1: Nhiệt lượng hữu ích để sinh hơi, kJ/ kg;
Q2: Là lượng tổn thất nhiệt do khói thải mang ra ngoài lò hơi, kJ/ kg;
Q3: Là lượng tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt hóa học, kJ/ kg; Q4: Là lượng tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt cơ học, kJ/ kg; Q5: Là lượng tổn thất nhiệt do tỏa nhiệt từ mặt ngoài tường lò ra không khí xung quanh, kJ/ kg;
Q6: Là lượng tổn thất nhiệt do xỉ nóng mang ra ngoài, kJ/ kg;
- Nhiệt lượng đưa vào lò:
Qđv = Qtlv+ Qnl + Qn
kk+ QP [1] Ở đây:
Qtlv: Nhiệt trị thấp của nhiên liệu, (kJ/ kg); Qnl: Nhiệt vật lý của nhiên liệu, (kJ/ kg);
Qnkk: Nhiệt lượng do không khí được sấy nóng nhờ nguồn nhiệt ngoài, (kJ/kg); QP: Lượng nhiệt do hơi phun vào lò hơi, (kJ/ kg);
50
Vì thực tế không khí và nhiên liệu cấp cho lò hơi không được sấy bằng nguồn nhiệt bên ngoài nên Qnl, Qn
kk, QP được xem gần bằng không và lượng nhiệt đưa vào lò sẽ bằng nhiệt trị thấp của nhiên liệu:
Qđv = Qtlv = 18198,64 kJ/ kg
- Tổn thất nhiệt do khói thải mang ra ngoài lò hơi
, kJ/kg [1] hoặc: [1] Ith = I0Khoi = 1458,99 kJ/ kg nl Ikkl = I0 KK = 179,79 kJ/ kg nl
(4 ÷ 8%) thỏa mãn yêu cầu [1]
- Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về hóa học
Các yếu tố ảnh hưởng đến q3 bao gồm: Nhiệt độ buồng lửa, hệ số không khí thừa và phương thức xáo trộn giữa không khí với nhiên liệu trongg buồng lửa.
Nhiệt độ buồng lửa thấp thì quá trình cháy sẽ xấu đi, do đó tổn thất q3 tăng. Hệ số không khí thừa thì q3 càng nhỏ nhưng q2 lại tăng (tuy nhiên hệ số không khí thừa quá lớn làm cho nhiệt độ buồng lửa quá thấp thì q3 lại tăng). Sự pha trộn giữa nhiên liệu và không khí càng tốt thì q3 càng nhỏ. Vì vậy phải tính chọn α sao cho tổng tổn thất nhiệt q2 + q3 là nhỏ nhất.
Nếu chiều dài buồng lửa không đạt yêu cầu tối thiểu thì thời gian nhiên liệu lưu lại trong buồng lửa ngắn cũng sẽ làm cho nhiên liệu cháy không hoàn toàn làm cho q3 tăng.
Khi đốt nhiên liệu rắn: đối với buồng đốt bột than q3 thường nhỏ hơn 0,5%, buồng lửa ghi xích tổn thất q3 có thể đạt đến 0,5-1%, và với buồng lửa ghi thủ công q3
có thể đạt đến 2% hoặc cao hơn. Khi đốt mazut thì q3 cao hơn vì khi cháy mazut cacbuahy đro dễ bị phân hủy tạo thành những liên kết khó phản ứng (mồ hóng), thường q3 = 3%.
Chọn q3 = 2% với buồng lửa ghi thủ công [1]
- Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về cơ học
Yếu tố ảnh hưởng đến tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt cơ học là kích cỡ hạt, tính kết dính của tro, tốc độ và cách tổ chức cấp gió ở lò ghi, khe hở của ghi càng lớn thì tổn thất q4 càng lớn. Nếu việc phân phối gió cấp I và II không tốt, sẽ
( )( ) dv kkl th dv Q q I I Q Q q 2 4 2 100 100 − − = = ( )( ) 100 100 4 2 q I I Q = th − kkl − ( )( ) % 6 64 , 18198 14 100 79 , 179 99 , 1458 2 = − − = q
51
không đều thì q4 càng lớn. Buồng lửa phun có q4 bé nhất, đặc biệt là buồng lửa thải xỉ lỏng có thể coi q4 = 0, vì các hạt nhiên liệu rơi xuống đáy lò gặp xỉ chảy lỏng có nhiệt độ cao nên tiếp tục cháy và cháy kiệt. Đối với buồng đốt kiểu phun: q4 có thể đạt đến 4%; đối với buồng đốt ghi từ 2-14%.
Chọn q4 = 14% với buồng lửa ghi thủ công [1]
- Tổn thất nhiệt do tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh
Trong quá trình vận hành, nhiệt độ bề mặt của hệ thống thiết bị lò hơi đều cao hơn nhiệt độ của môi trường xung quanh, nên luôn luôn có nhiệt tỏa ra từ các bề mặt đến môi trường xung quanh tạo thành tổn thất q5.
Giá trị q5 không lớn, chỉ bẳng khoảng 0,5 - 3,5%. Tổn thất q5 phụ thuộc vào công suất, vào diện tích bề mặt, độ chênh nhiệt độ giữa bề mặt thiết bị với môi trường, với hệ số trao đổi nhiệt đối lưu và bức xạ giữa bề mặt với môi trường xung quanh mà chủ yếu là tốc độ gió xung quanh và màu sắc của bề mặt.
Ta chọn q5 = 0,8% [2]
- Tổn thất nhiệt do xỉ mang ra ngoài lò hơi
[1]
ax = 0,9 - tỷ lệ tro bay theo khói
(C.θ)x = 560 kJ/ kg với nhiệt độ của tro xỉ ra lò là 6000C
- Hiệu suất của lò hơi
= 100 - q2 - q3 - q4 - q5 - q6 = 100 - 6 - 2 - 14 - 0,8 - 0,055 = 77,145%
3.7. LƯỢNG TIÊU HAO NHIÊN LIỆU
Phụ tải nhiệt của lò hơi xác định theo công thức:
Q1 = Dqn (iqn - inc) + Dbh (i'' - inc) + Dtg (i''tg - i'tg) + Dx (i' - inc) [5] Ở đây:
Dqn: Lượng hơi quá nhiệt ra khỏi lò. Vì sản xuất hơi bão hòa nên Dqn = 0; iqn: entanpi của hơi quá nhiệt;
Dbh: Lượng hơi bão hòa dẫn đi cung cấp trực tiếp không qua bộ quá nhiệt; i'': entanpi của hơi bão hòa, xác định theo áp suất trong bao hơi
Lượng nước xả lò rất ít nên Dx = 0; inc: entanpi của nước cấp cho lò;
( ) % 055 , 0 64 , 18198 2 . 560 . 9 , 0 . 6 = = = dv lv x x Q A C a q
52 Dtg: Lượng hơi đi quá nhiệt trung gian Không có quá nhiệt trung gian nên Dtg = 0;
i'tg và i''tg entanpi của hơi vào và ra khỏi bộ quá nhiệt trung gian.
Q1 = Dbh (i'' - inc)
Tra bảng nước và hơi nước bão hòa theo áp suất tại p =2,5 bar ta có: i'' = 2715 kJ/ kg
Với tnc = 300C và p = 2,5 bar, tra bảng nước chưa sôi và hơi quá nhiệt ta có: inc = 126 kJ/ kg
Q1 = 100. (2715 - 126) = 258900 kJ/ kg Lượng tiêu hao nhiên liệu tính toán của lò:
[5]
3.8. TÍNH TOÁN TRAO ĐỔI NHIỆT TRONG BUỒNG LỬA 3.8.1. Thể tích buồng lửa 3.8.1. Thể tích buồng lửa
- Chiều dài buồng lửa: Lbl = 2800mm = 2,8m
- Đường kính trung bình buồng lửa: Dbl = 770mm = 0,77m
- Diện tích toàn bộ buồng lửa:
Fv = . Dbl. Lbl = 3,14. 0,77. 2,8 = 6,77 m2 - Thể tích buồng lửa: