4. NHỮNG ĐIỂM MỚI CỦA ĐỀ TÀI
2.1. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu
- Quy trình công nghệ bê tông đóng rắn nhanh. - Chất lượng của đúc cột điện bê tông ly tâm.
- Hệ thống gia nhiệt hơi nước trong công nghệ đúc cột điện bê tông ly tâm tại Công ty TNHH Xây lắp Sản xuất và Thương mại Điện cơ SDC.
2.1.2. Phạm vi nghiên cứu
Khảo sát kỹ thuật hệ thống thiết bị đúc cột điện bê tông ly tâm tại Công ty TNHH XL SX & TM Điện cơ SDC.
Thiết kế cải tiến hệ thống gia nhiệt hơi nước trong công nghệ đúc cột điện bê tông ly tâm. Thiết kế bộ thu hồi nhiệt khói thải của lò hơi công nghiệp có sẵn.
Đề tài được thực hiện trong thời gian 06 tháng, từ tháng 09/2015 đến tháng 04/2016.
2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Nội dung nghiên cứu bao gồm:
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về bê tông cốt thép - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về lò hơi công nghiệp.
- Tổng quan về công nghệ và thiết bị sản xuất cột điện bê tông cốt thép kiểu đúc ly tâm có gia nhiệt hơi nước.
- Tính toán các thông số cơ bản cho lò đốt của lò hơi.
- Tính toán nhiệt cho bộ gia nhiệt trước nước cấp vào lò hơi. - Thiết kế cải tiến lò đốt tận dụng nhiệt, có hiệu suất nhiệt cao.
2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.3.1. Phương pháp phỏng vấn chuyên gia 2.3.1. Phương pháp phỏng vấn chuyên gia
Trao đổi với các chuyên gia có kinh nghiệm về lĩnh vực này nhằm nâng cao kinh nghiệm thực tiễn và phát triển cơ sở lý luận theo đúng hướng nghiên cứu.
2.3.2. Phương pháp nghiên cứu tài liệu
Nghiên cứu các tài liệu và công trình đã có liên quan đến đề tài để có cơ sở lý thuyết, xác định đúng hướng nghiên cứu.
41
2.3.3. Phương pháp tính toán thiết kế
Nghiên cứu và đưa ra các phương án thiết kế, tính toán để chọn phương án phù hợp nhất.
2.3.4. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Thực nghiệm xác định cường độ mẫu bê tông có gia nhiệt hơi nước theo thời gian ninh kết và đối chứng với mẫu không gia nhiệt.Tiến hành tạo mẫu và làm thí nghiệm thực tế trên thiết bị hiện có.
42
CHƯƠNG 3
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1. PHÂN TÍCH SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT HƠI NƯỚC ĐẾN QUÁ TRÌNH NINH KẾT BÊ TÔNG NƯỚC ĐẾN QUÁ TRÌNH NINH KẾT BÊ TÔNG
3.1.1. Thực nghiệm xác định cường độ bê tông có gia nhiệt hơi nước theo thời gian
- Tiến hành lấy mẫu bê tông đã được trộn đều bằng máy trộn khi đúc cột điện bê tông ly tâm theo kích thước tiêu chuẩn 100x100x100mm. Các mẫu bê tông được đúc trong 2 hộp khuôn (một hộp khuôn hở + một hộp khuôn kín), mỗi hộp khuôn đúc được 3 mẫu cùng một lúc. Các mẫu bê tông sau khi đúc sẽ được phân chia thành 2 nhóm:
+ Nhóm 1: Nhóm mẫu đối chứng bao gồm các mẫu bê tông được đúc trong hộp khuôn hở, không qua gia nhiệt hơi nước, dưỡng hộ trong điều kiện tự nhiên.
+ Nhóm 2: Nhóm mẫu bao gồm các mẫu bê tông được đúc trong khuôn hộp kín. Các mẫu bê tông này trong 3 giờ đầu sẽ được dưỡng hộ trong điều kiện có gia nhiệt hơi nước, sau đó lại được dưỡng hộ trong điều kiện tự nhiên.
- Trong mỗi nhóm mẫu có 21 mẫu, được chia thành 7 mốc thời gian dưỡng hộ là 3 giờ, 6 giờ, 12 giờ, 18 giờ, 24 giờ, 30 giờ, 36 giờ.
- Thí nghiệm kiểm tra cường độ chịu lực được tiến hành trên máy kéo nén WE- 300 tại Khoa Cơ Khí Công Nghệ.
- Thí nghiệm kiểm tra được tiến hành với 3 loạt mẫu cho mỗi mốc thời gian.
Bảng 2. Kết quả cường độ chịu nén của mẫu bê tông trên máy kéo nén WE-300
STT Thời gian ninh kết (giờ)
Cường độ chịu nén bê tông (kN/cm2) Mẫu đối chứng có gia nhiệt hơi nước Mẫu ninh kết Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 TB Sai lệch σ Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 TB Sai lệch σ 1 3 0.1 0.2 0.3 0.2 0.1 76 82 86 81.3 5.0 2 6 1.6 2 2.2 1.9 0.3 89 94 98 93.7 4.5 3 12 23.6 25.4 27.6 25.5 2.0 97 110 115 107.3 9.3 4 18 42.5 48 63.5 51.3 10.9 112 117 123 117.3 5.5 5 24 76 80 82 79.3 3.1 118 124 132 124.7 7.0 6 30 86 95 112.5 97.8 13.5 129 130 131 130.0 1.0 7 36 96 122 126 114.7 16.3 126 140 143 136.3 9.1
43 20 40 60 80 100 120 140 3 6 12 18 24 30 36 kN/cm2 h
Hình 3.1. Đồ thị so sánh cường độ chịu nén của mẫu bê tông
3.1.2. Nhận xét
- Qua đồ thị ta nhận thấy các mẫu bê tông trong nhóm một thời gian đầu từ 3-6 giờ vẫn còn trong quá trình thủy hóa chưa bắt đầu thời gian ninh kết. Thời gian tiếp theo bê tông bắt đầu ninh kết và cường độ chịu nén của mẫu bê tông tăng dần theo dạng tuyến tính.
- Các mẫu bê tông nhóm hai thì thời gian 3 giờ đầu được dưỡng hộ trong điều kiện gia nhiệt hơi nước đã có được cường độ chịu nén tăng nhanh và lớn hơn so với mẫu đối chứng ở mức 24 giờ. Sau đó tiếp tục dưỡng hộ trong điều kiện tự nhiên thì cường độ chịu nén chỉ tăng chậm và hệ số góc dường như không thay đổi nhiều.
- Qua đó ta có thể khẳng định rằng cường độ chịu nén của bê tông có ảnh hưởng rất lớn bởi yếu tố gia nhiệt hơi nước. Bằng phương pháp gia nhiệt ta có thể rút ngắn lại thời gian ninh kết của bê tông, điều này rất có lợi cho doanh nghiệp trong quá trình sản xuất, tăng được năng suất sử dụng khuôn để đúc cột điện bê tông ly tâm.
Mẫu đối chứng Mẫu có gia nhiệt
44
3.2. PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ THỰC TRẠNG CỦA LÒ HƠI TẠI CÔNG TY 3.2.1. Nguyên lý làm việc của lò hơi 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;