Quy trình thiết kế lò hơi

Mục lục bài viết

Thiết kế lò hơi là bài toán lớn, phức tạp đến nay vẫn chưa giải được bằng lý thuyết thuần túy mà thường phải dùng thực nghiệm kết hợp với lý luận đồng dạng nên kết quả vẫn chỉ là gần đúng, giới hạn trong những điều kiện và phạm vi nhất định.

Mỗi một kiểu thiết kế lò hơi thì đều có những ưu nhược điểm riêng. Tùy theo mục đích sử dụng và điều kiện chế tạo mà ta chọn kiểu thiết kế phù hợp thực tế loại nhiên liệu đốt và điều kiện kinh tế.

1. Phân loại lò hơi

Lò hơi là thiết bị trong đó xảy ra quá trình đốt cháy nhiên liệu, nhiệt lượng tỏa ra từ quá trình cháy sẽ truyền cho nước trong lò để biến nước thành hơi. Nghĩa là thực hiện quá trình biến đổi năng lượng trong nhiên liệu thành nhiệt năng của dòng hơi.

Lò hơi là một thiết bị không thể thiếu được trong nền kinh tế quốc dân, nền công nghiệp hiện đại. Không những nó được dùng trong các khu công nghiệp lớn như nhà máy nhiệt điện, nhà máy công nghiệp, mà nó còn đi sâu từng cơ sở kinh tế nhỏ, như nấu cơm, sấy, sưởi ấm v.v…

Trong nhà máy nhiệt điện, lò hơi là thiết bị lớn nhất vận hành phức tạp nhất. Nó có trình độ cơ khí hoá và tự động hoá cao, làm việc bảo đảm và hiệu suất tương đối cao. Nó có nhiệm vụ sản xuất hơi để cung cấp hơi chạy Tuabin.

Trong các lĩnh vực công nghiệp, lò hơi dùng để sản xuất hơi nước. Hơi nước sẽ làm chất trung gian tải nhiệt. Nó sẽ truyền nhiệt lượng cho sản phẩm cần gia nhiệt trong thiết bị trao đổi nhiệt. Việc dùng lò hơi để sản xuất hơi nước trung gian sau đó hơi nước gia nhiệt cho vật phẩm sẽ có nhiều ưu điểm hơn so với dùng những thiết bị khác để gia nhiệt.

1.1. Theo nhiệm vụ của lò hơi

Theo nhiệm vụ của lò hơi trong sản xuất ta có: lò hơi công nghiệp và lò hơi sản xuất điện năng.

Lò hơi công nghiệp phục vụ cho các quá trình công nghệ ở các nhà máy sản xuất công nghiệp (thường sản xuất hơi bão hoà, áp suất hơi không vượt quá 2,0Mpa, nhiệt độ t = 250⁰C). Lò hơi phục vụ cho sản xuất điện sản xuất hơi quá nhiệt, có công suất lớn, áp suất và nhiệt độ hơi cao, thường lớn hơn 2,0Mpa và trên 350⁰C.

1.2. Theo chế độ đốt nhiên liệu trong buồng lửa

Lò ghi thủ công, lò ghi nửa cơ khí, lò ghi cơ khí (ghi xích), lò phun nhiên liệu lỏng, lò phun nhiên liệu khí, lò phun bột than thải xỉ khô hay thải xỉ lỏng, lò buồng đốt xoáy, lò buồng lửa tầng sôi.

1.3. Theo chế độ tuần hoàn của nước trong lò

Lò tuần hoàn tự nhiên, lò tuần hoàn cưỡng bức, lò trực lưu.

Tuy nhiên cách phân loại này chỉ thể hiện một vài đặc tính nào đó của lò hơi nên thực tế khi gọi tên lò hơi thường người ta kết hợp nhiều kiểu phân loại.

2. Nhiên liệu

Nhiên liệu là những vật chất khi cháy phát ra ánh sáng và nhiệt năng. Trong công nghiệp thì nhiên liệu phải đạt các yêu cầu: Có sẵn trong tự nhiên với trữ lượng lớn, dễ khai thác, giá thành rẻ, khi cháy không sinh ra các chất gây nguy hiểm.

Nhiên liệu có thể phân thành hai nhóm chính: nhiên liệu vô cơ và nhiên liệu hữu cơ.

2.1. Nhiên liệu hữu cơ

Nhiên liệu hữu cơ là nhiên liệu có sẵn trong thiên nhiên do quá trình phân hủy hữu cơ tạo thành. Nhiên liệu hữu cơ thường dùng trong lò hơi công nghiệp và năng lượng có 3 loại:

Khí thiên nhiên.
Nhiên liệu lỏng: dầu nhẹ (Diezen DO), dầu nặng (dầu đen FO).
Nhiên liệu rắn: theo tuổi hình thành nhiên liệu ta có gỗ, than bùn, than nâu, than mỡ, than đá, nửa antraxit và antraxit (cám).

2.2. Nhiên liệu vô cơ

Nhiên liệu vô cơ là nhiên liệu hạt nhân, được dùng trong các lò hơi của nhà máy điện nguyên tử. Nó sinh nhiệt do phản ứng phân hủy hạt nhân của một số đồng vị các nguyên tố nặng như: đồng vị của uran U²³⁵ ; đồng vị của uran U²³⁸ tạo ra prôtn P²³⁸. Khả năng toả nhiệt của nhiên liệu hạt nhân rất lơn, có thể đạt 8.10¹⁰ kj/kg.

Trong giáo trình này chúng ta chỉ nghiên cứu nhiên liệu hữu cơ.

3. Thành phần nhiên liệu

Nhiên liệu bao gồm những chất có khả năng bị oxy hóa gọi là chất cháy và những chất không thể bị oxy hóa gọi là chất trơ.

Nhiên liệu thường được phân tích theo thành phần các chất tạo nên chúng. Thành phần của một chất nào đó trong nhiên liệu là tỷ số giữa khối lượng hoặc thể tích của chất đó với tổng khối lượng hoặc thể tích nhiên liệu ta đang khảo sát.

Thành phần của tất cả các loại nhiên liệu bao gồm: Cacbon (C), Hyđro (H₂), Lưu huỳnh (S), Hyđrôcarbua (C_mH_n), Nitơ (N₂), Oxy (O₂), Độ tro (A), Độ ẩm (W).

Tuỳ thuộc loại nhiên liệu và tuổi hình thành mà tỷ lệ các thành phần của nhiên liệu sẽ khác nhau.

3.1. Thành phần của nhiên liệu khí

Nhiên liệu khí là hỗn hợp của các khí cháy và không cháy. Thành phần chủ yếu của nhiên liệu khí bao gồm: hydro H₂, metan CH₄, hydrocacbua C_nH_m, sunphua hydro H₂S, oxyt cabon CO, lưu huỳnh. Nhiên liệu khí có nhiều ưu điểm như: dễ vân chuyển, dễ đốt, dễ điều chỉnh quá trình cháy, gần như không có tro nên sạch, không mài mòn, không bám bẩn.

Khí hay hỗn hợp khí có thể sử dụng để đốt với mức độ lớn trong công nghiệp được gọi là khí đốt (không kể các khí để sinh nhiệt cho những mục đích đặc biệt như để hàn axetylenhydro,). Tuỳ theo hàm lượng tương đối của các thành phần khí mà các khí có nhiệt trị và những tính chất khác nhau.

Cụ thể phân loại nhiên liệu khí theo những cách khác nhau: theo nguồn gốc, theo nhiệt trị, theo mục đích sử dụng…Thực tế trong lò hơi thường sử dụng khí thiên nhiên, khí dầu mỏ.

3.1.1. Khí thiên nhiên

Khí thiên nhiên tạo thành từng mỏ ở trong lòng đất, thành phần chủ yếu của khí thiên nhiên là khí metan CH₄ (93 đến 99%), còn lại là các khí khác như etan (C₂H₆), propan (C₃H₈), butan (C₄H₁₀); Q_t = 35- 45 MJ/m³.

3.1.2. Khí dầu mỏ

Gồm khí đồng hành và khí ngưng tụ:

Khí đồng hành cũng gọi là khí lọc dầu: là khí lẫn trong dầu mỏ, được hình thành cùng với dầu, thành phần chủ yếu là các khí nặng như: propan (C₃H₈), butan (C₄H₁₀), Pentan (C₅H₁₂)..cũng được gọi là khí dầu mỏ.

Khí ngưng tụ (condensate): thực chất là dạng trung gian giữa dầu mỏ và khí (phần cuối của khí và phần đầu của dầu), bao gồm các hydrocacbon như propan, butan và một số hydrocacbon lỏng khỏc như pentan, hexam, thậm chí hydrocacbon naphtenic và aromic đơn giản.

3.2. Thành phần của nhiên liệu lỏng

Thành phần chủ yếu của dầu là: Cacbon(C = 82-87%), Hyđro (H₂ = 11-14%).

Ngoài ra còn có các nguyên tố khác như: S = 4% ; N₂ = 0,001-1,8%; 0₂= 0,05-1,0%; và một lượng rất nhỏ tính bằng ppm các nguyên tố như halogen (clo, Iod), các kim loại (vanadi, Niken, Volfram..,).

* Đặc điểm dầu thô Việt Nam (đại diện là mỏ Bạch hổ, mỏ đại Hùng):

Dầu thô Việt Nam thuộc loại nhẹ vừa phải, có tỷ trọng khoảng 0,83-0,85, trong đó: dầu ở mỏ Bạch hổ là 0,8319 (36,6 ⁰API); ở mỏ Đại hùng là 0,8403 (36,9 0

API), trong khi đó Dầu thô Angieri d = 0,830; Venêzuêla d = 0,948)

Dầu thô Việt nam là loại dầu sạch, chứa ít các chất độc tố, rất ít lưu huỳnh, nitơ và kim loại nặng.

Dầu có thể khai thác từ 3 nguồn sau đây: Dầu khoáng chất (chế biến từ nguyên liệu dầu mỏ); Dầu tổng hợp (chế biến từ than đỏ hoặc than nâu); Dầu đỏ (khai thác từ các vỉa đá dầu).

Dầu thường dùng để đốt trong lò hơi thuộc nhóm dầu khoảng. Dầu khoảng được chia thành 5 loại: dầu đặc biệt nhẹ (EL), cũn gọi là dầu DO; dầu nhẹ (L); dầu nhẹ trung bình (M); dầu nặng (S) và dầu đặc biệt nặng (ES).

Thường dùng để đốt trong lò hơi là 2 loại: dầu đặc biệt nhẹ (EL), cũng gọi là dầu DO, có khối lượng riêng nhỏ hơn nước và dầu nặng (S) hay cũng gọi là dầu FO, có khối lượng riêng lớn hơn nước.

3.3. Thành phần của nhiên liệu rắn

Trong nhiên liệu rắn có: Cacbon(C), Hyđro (H), Ôxi (O), Nitơ (N), Lưu huỳnh (S), độ tro (A) và độ ẩm (W). Các nguyên tố hóa học trong nhiên liệu đều ở dạng liên kết các phân tử hữu cơ rất phức tạp nên khó cháy.

3.3.1. Thành phần các chất

Cacbon: Các bon là thành phần cháy chủ yếu trong nhiên liệu rắn, có thể chiếm tới 95% khối lượng nhiên liệu. Khi cháy 1kg các bon tỏa ra một nhiệt lượng khá lớn, khoảng 34150 KJ/Kg, gọi là nhiệt trị của các bon, do vậy nhiên liệu càng nhiều các bon thì nhiệt trị càng cao.

Hyđro: Hyđro là thành phần cháy quan trọng của nhiên liệu rắn. Tuy lượng hyđro trong nhiên liệu rất it, tối đa chỉ đến 10% khối lượng nhiên liệu, nhưng nhiệt trị của Hyđrô rất lớn. Khi cháy, 1kg Hyđro tỏa ra một nhiệt lượng khoảng 144.500 KJ/Kg .

Lưu huỳnh: Tuy là một thành phần cháy, nhưng lưu huỳnh là một chất có hại trong nhiên liệu vì khi cháy tạo thành SO₂thải ra môi trường rất độc và SO₃ gây ăn mòn kim loại rất mạnh, đặc biệt SO₂tác dụng với nước tạo thành axit H₂SO₄. Đồng thời sự có mặt của các chất này sẽ làm tăng đáng kể nhiệt độ đọng sương của khói.

Nitơ: Nitơ là thành phần vô ích trong nhiên liệu vì sự có mặt của nó trong nhiên liệu sẽ làm giảm các thành phần cháy được của nhiên liệu, do đó làm giảm nhiệt trị chung của nhiên liệu.

Ôxi: Tuy là thành phần cháy, nhưng có rất nhiều trong không khí, nên sự có mặt của nó trong nhiên liệu sẽ làm giảm các thành phần cháy được của nhiên liệu, do đó làm giảm nhiệt trị chung của nhiên liệu, do đó sự có mặt của oxy trong nhiên liệu là không cần thiết. Nhiên liệu càng non thì lượng oxy càng nhiều.

3.3.2. Đặc điểm các loại nhiên liệu

Theo tuổi hình thành từ thấp lên cao ta có các loại nhiên liệu rắn theo thứ tự sau: Gỗ, than bùn, than nâu, than đá, than nửa antraxit và antraxit.

Nhiên liệu càng non thì càng nhiều chất bốc, có khả năng phản ứng cao, càng dễ cháy, cốc càng xốp, nhưng lượng cácbon ít nên nhiệt trị thấp.

Nhiên liệu càng già (tuổi hình thành than càng cao) thì lượng chất bốc càng ít, càng khó cháy, nhưng lượng các bon chứa ở than càng nhiều nghĩa là nhiệt trị càng cao.

Khi đốt nhiên liệu ít chất bốc như than antraxit, cần thiết phải duy trì nhiệt độ ở vùng bốc cháy cao, đồng thời phải tăng chiều dài buồng lửa để đảm bảo cho cốc cháy hết trước khi ra khỏi buồng lửa.

4. Quy trình thiết kế lò hơi

Quy trình thiết kế lò hơi gồm hai bước là tính toán thiết kế và tính kiểm tra.

Tính nhiệt lò hơi là bài toán lớn, phức tạp đến nay vẫn chưa giải được bằng lý thuyết thuần túy mà thường phải dùng thực nghiệm kết hợp với lý luận đồng dạng nên kết quả vẫn chỉ là gần đúng, giới hạn trong những điều kiện và phạm vi nhất định.

Ở Việt Nam thì thiết kế lò hơi ghi xích là một lựa chọn phù hợp với điều kiện kinh tế, khả năng chế tạo, vận hành, sửa chữa bảo dưỡng cũng như tính an toàn và hiệu quả.

Quy-trinh-thiet-ke-lo-hoi_Navis-Group Tải xuống

5. Các kiểu thiết kế lò hơi cơ bản

5.1. Lò hơi đứng ống lò ống nước

1-thân lò; 2- ống lò (thân trong); 3- buồng lửa; 4- tấm chắn khói; 5- chùm ống nước; 6-tấm chắn khói; 7- mặt sàng trên; 8- ống khói; chóp đỉnh lò; 10- van an toàn; 11- hộp
giữ van an toàn; 12- tấm điều chỉnh khói; 13- ống thuỷ; 14- cửa vệ sinh; 15- cửa cấp nhiên liệu; 16- ghi lò; 17- bệ lò; 18- cửa vệ sinh ống nước; 19- cửa vệ sinh mặt sàng trên;20- ống thủy tối; 21-áp kế; 23- cần điều chỉnh khói; 24- van chặn; 25- van một chiều;

5.2. Lò hơi ngang ống lò ống nước

1- thân ngoài; 2- ống lò (thân trong); 3- tấm chắn khói; 4- ghi lò; 5- chùm ống nước; 6- bao hơi; 7- nắp trước; 8-nắp sau; 9- ống khói; 10- đế lò; 11- áp kế; 12- đường lấy hơi ra; 13- van an toàn; 14- van xả đáy

5.3. Lò hơi có hộp góp nước nghiêng

Có thể tăng bề mặt đốt chế tạo từ những ống có đường kính nhỏ và đặt dày trong đường khói;
Cho phép tăng đáng kể áp suất hơi vì các ống sinh hơi có đường kính bằng 50 -100 mm, và bao hơi lúc này không phải làm nhiệm vụ bề mặt đốt nữa nên có thể giảm đường kính từ 800 đến1500 mm;
Giảm rất nhiều lượng kim loại tiêu hao cho lò, suất tiêu hao kim loại giảm từ 8 – 10 tấn hơi/h đến 3-3,5 tấn hơi/h.