Giáo trình Kỹ thuật lò hơi

khói thải ra ngoài với tốc độ cần thiết. Từ số liệu đó xác định kích thước ống khói bảo đảm thông gió tự nhiên hoặc tính toán, chọn quạt khi thông gió cưỡng bức. Sự phức tạp của sơ đồ lò hơi làm tăng lực cản khí động chung, làm giảm nhiệt độ khí thoát dẫn tới làm giảm lực thông gió. Ống khói có nhiệm vụ thoát khói vào lớp khí quyển ở trên cao. Phân tán chúng có hiệu quả vào không khí; đặc bịêt có ý nghĩa quan trọng khi trong khói có hàm lượng cao của SO2 và tro nhẹ. Khói và không khí là những khí có độ nhớt, chuyển động của chúng trong ống dẫn khí của thiết bị đồng thời với tổn thất năng lượng, chi phí để thắng lực masát khi chảy rối, được biểu hiện ở hai khía cạnh: phát sinh masát khi chuyển động của khí với bề mặt vật cứng và sự thay đổi hướng chuyển động của nó do nội lực masát trong dòng. Để thắng lực masát, cần có áp suất dư của khí. - Tính toán thông gió: Trở lực của vùng bất kỳ của dòng khí khi thông gió bằng độ giảm áp lực toàn phần trong hai tiết diện của dòng khí. chhhh −−=Δ 21 N/m2 Áp lực hoàn toàn bằng tổng áp suất tĩnh và áp suất động. += thh dt hh +=ρω .2 2 74 Hình 4.1. Sơ đồ khí động thiết bị khí lò hơi: Chỉ số dưới: hệ số cản mp – ma sát; M – vị trí; Mv – vị trí vào; MR – vị trí ra Chỉ số trên: Ký hiệu buồng khí của lò hơi ne – bộ quá nhiệt; Te – Hâm nóng nước; TK - Đốt nóng không khí; Kx - Đường đi của khí; zy – Khử tro; φ - ống thắt; K – ống khói; q – quay vòng Thông gió tự nhiên hC = (z2 - z1).g.(ρkk - ρk) (N/m2) Ở đây: (z2- z1) - là hiệu số độ cao trắc địa của hai tiết diện, nghĩa là chiều cao dòng khí. ρkk - mật độ không khí (Kg/m3) ρk - mật độ khí (sản phẩm cháy) Kg/m3 Khi tính toán khí động, trở lực của vùng nào đó dòng khí, được xác định bằng tổng trở lực masát và cục bộ: ccbms hhhh Δ−Δ+Δ=Δ (N/m2) Trong điều kiện bề mặt trái đất khi t = 4oC, 1mm cột nước = 9,81 N/m2. Thứ nguyên của trở lực bằng mm cột nước, ta lấy biểu thức với thứ nguyên N/m2 chia cho 9,81. 75 + Xác định trở lực khí động của lò hơi theo dòng khí (sản phẩm cháy). Trở lực của thiết bị là tổng trở lực lò đốt, nồi hơi, bộ quá nhiệt, bộ hâm nóng nước, hâm nóng không khí, cửa lò, bộ điều chỉnh thông gió, bộ khử tro ống khói, với độ dự phòng 20%. ( ) 2,1.okkbtgclhkhnqnnltb hhhhhhhhhh Δ+Δ+Δ+Δ+Δ+Δ+Δ+Δ+Δ= mm cột nước. + Xác định trở lực trong điều kiện tải trọng hoàn toàn của thiết bị. - Trở lực của lò đốt: Khi cháy nhiên liệu tạo xỉ, cần phải thông gió cưỡng bức. Cháy nhiên liệu lỏng (mazút) tạo sự hạ áp của khí trong lò Δhl = 3mm cột nước. Thông gió tự nhiên trở lực của lò có thể tính theo công thức thực nghiệm. - Trở lực lò hơi: Để xác định trở lực lò hơi cần phải biết chi phí nhiên liệu cho lò, với tốc độ của sản phẩm cháy ω (m/s), và nhiệt độ trung bình của nó gọi là nhiệt độ của dòng: CC dk 00 θθ = Chi phí nhiên liệu cực đại cho một lò: η.. max cc k QK Q B = Ở đây: Qmax - tải trọng nhiệt cực đại đã cho của thiết bị (Kcal/h); K - số lượng lò hơi; η - hiệu suất thiết bị. Khi cần thiết có thể tính được áp lực động đối với sản phẩm cháy, tìm mật độ của dòng khí theo công thức: k H d θρρ += 273 273. (Kg/m3) Áp suất động 2 . 2 d h ω ρ=® (N/m2) H k kH V M=ρ (kg/m3) Ở đây: Mk(Kg/Kg) - Khối lượng sản phẩm cháy ứng với 1 Kg nhiên liệu. VH - Thể tích sản phẩm cháy ứng với 1 Kg nhiên liệu. 76 Trở lực của lò là tổng các trở lực tất cả các dòng khí và trở lực cục bộ. Trở lực dọc chùm ống là trở lực masát. Trở lực ngang chùm ống, là loại trở lực đặc biệt vì nó không phải là masát và cũng không phải là trở lực cục bộ. Trở lực cục bộ là trở lực khi dòng khí đổi hướng và khi thay đổi tiết diện. - Trở lực dọc chùm ống: Trở lực dọc chùm ống với điều kiện trao đổi nhiệt xác định theo: 2 2 2. . . . 2t t lh d T T ωλ ρ ⎛ ⎞⎜ ⎟⎜ ⎟Δ = ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ ® N/m2; Ở đây: T và Tt - nhiệt độ tuyệt đối trung bình của vùng đã cho của môi trường và nhiệt độ của thành (0K). Trong tính toán thông thường hệ số hiệu chỉnh 2 2 ⎟⎟ ⎟⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜⎜ ⎜ ⎝ ⎛ T Tt có thể bỏ qua; l - chiều dài dòng khí; λ - hệ số trở lực do masát, phụ thuộc vào độ nhám tương đối của thành dtđ/k và số Rây-nol Re = ν ω d. dtđ - đường kính tương đương; k - độ nhám của thành, nghĩa là độ cao các mấp mô; ω - tốc độ sản phẩm cháy (m/s); ν - hệ số nhớt động học (m2/s); Đặc điểm vật lý chọn ở nhiệt độ trung bình dòng khí. Trường hợp chảy trong ống, đường kính tương đương bằng đường kính trong của ống. Trường hợp dòng khí chảy theo tiết diện chữ nhật giữa ống và dọc theo nó. ( ) 2 4 . 4 2td dab z d a b z d π π ⎛ ⎞−⎜ ⎟⎝ ⎠= + + Ở đây: a,b - cạnh của rãnh (dòng khí) (m) z - số ống trong dòng khí 77 d - đường kính ngoài của ống (m) Khi dòng chảy theo tiết diện bất kỳ: U Fdtd 4= (m) Ở đây: F - tiết diện sống của rãnh (m2) U - chu vi ướt của tiết diện (m) Độ nhám tuyệt đối của thành ống kéo liền, mặt lò hơi, bộ hâm nóng không khí kiểu ống và kiểu tấm có K = 0,2 mm. Hệ số cản λ phụ thuộc vào số Re, mức độ độ nhám của thành ống và rãnh. Để xác định giá trị λ, có nhiều dạng công thức, nhưng phổ biến hiện nay là dùng công thức của Blaziusơ. λ = 25,0316,0 eR Đối với thành có độ nhám không lớn trong giới hạn của chỉ số Reynol 3000 < R < 100.000. Giá trị gần đúng đối với chuyển động dòng khí dọc ống λ = 0,03. Độ lớn áp lực động theo mm cột nước phụ thuộc vào tốc độ và nhiệt độ trung bình của dòng tra theo đồ thị. - Trở lực ngang ống Trở lực ngang chùm ống xác định theo ρωξ . 2 . 2 =Δh (N/m2) Ở đây: ξ - hệ số cản phụ thuộc vào số hàng và cách bố trí ống trong chùm; cũng như vào số Re ω - tốc độ dòng khí (m/s) - Chùm ống bên: Hệ số cản của chùm ống bên. 20 .Zξξ = Ở đây: ξ - hệ số cản đối với một hàng của chùm 78 Z2 - số hàng ống theo độ sâu của chùm. ξ0 - hệ số cản cho một hàng ống phụ thuộc bước ống theo chiều rộng và chiều sâu của chùm ống S1, S2 và đường kính ngoài của chùm Hệ số Re khí t dòng độ Nhiệt Re = WR'.10n ntd dd 10 = Thí dụ: Xác định Re khi W = 18m/s, d=120mm t = 6000 2,1 10 120 2 ==tdd mm. Re = 18.12,2.102 = 22.103 2,12' =eR dnp - Đường kính qui dẫn Hình 4.2. Đồ thị xác định số Re 79 Á p lực động khi 760 m m pm cm h g K g/m 2 C ông thức chuyển đổi hg 2 =hg 1 (W 2 /W 1 ) 2K G /m 2 Khi S1 ≤ S2: 2,0 2,0 2 1 5,0 1 0 .152,1 − −− ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ − −⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −= eRdS dS d Sξ ¸p suất động Hình 4.3. Đồ thị áp suất động của không khí Khi S1>S2: 2 2 1 2,0 68,0 2 1 5,0 1 0 9,0132,0 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ − − − −− ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −− −⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −= dS dS eRdS dS d Sξ Hệ số cản của chùm ống đặt so le, khí thổi ngang: ( )120 += Zξξ Hệ số cản một hàng ống sôi: 27,00 . −= eS RCξ Trong đó CS hệ số phụ thuộc S1, d và 22 2 14 1 SSSC += W 2 m /s T ốc độ không 80 Khi 0,14 ≤ dS dS C − −1 < 1,7, với chùm ống d S1 < 2 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ − −−+= d S dS dSC C S 11 27,26,42,3 Chùm ống có 21 ≥ d S CS = 3,2 Khi 2,57,1 1 ≤− −≤ dS ds C CS = 0,44 2 1 1⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +− − dS dS C - Sức cản cục bộ Sức cản cục bộ gây ra do đổi dòng khí trong lò đốt, đi vào và đi ra của khí trong lò. (Dòng khí co hẹp khi đi vào và dãn khi đi ra). Trường hợp chảy ngang không tính sức cản cục bộ, mà chỉ tính lực cản của chùm .ξ Toàn bộ lực cản cục bộ xác định theo công thức: ρωξ . 2 . 2 cbcbh =Δ (N/m2) Hệ số cản cục bộ phụ thuộc vào kiểu cản. Để quay vòng trong chùm: đi 1800 ξcb = 2 đi 900 ξcb = 1 đi 450 ξcb = 0,5 Cũng giá trị như trên khi quay vòng dòng khí không bị ống chắn. Tốc độ tại vị trí quay vòng xác định theo ( ) f BV kk .3600.273 273. θω += Ở đây: Vk - thể tích sản phẩm cháy ứng với hệ số thừa không khí; B - chi phí nhiên liệu cho một lò hơi; θk - nhiệt độ sản phẩm cháy tại vị trí quay vòng(0C); f - diện tích tiết diện sống (m2); Khi quay vòng 900 thì: 81 H ệ số c ản 21 11 2 ff f + = (m2) Với: f1, f2 - diện tích tiết diện quay vòng đầu và cuối Khi quay vòng 1800 thì: −++ = 221 111 3 fff f Tổng sức cản dòng khí và sức cản cục bộ, đưa vào hệ số hiệu chỉnh, ta có sức cản chung của lò hơi. ( ) ∑∑ ∑ −Δ+Δ=Δ c b H mscb hh khhh 760. 293,1 .. ρ (mm cột nước) Trong đó: k - hệ số hiệu chỉnh để tính sức cản; đối với lò hơi công suất nhỏ với sự quay vòng khí trong mặt phẳng ngang k =1. Cũng lò hơi loại này với buồng đốt trước chùm ống thứ nhất k = 1,5. Lò hơi nhiều phần k = 0,9. Đối với chùm ống ruột gà: 293,1 Hρ - hiệu chỉnh mật độ khí, vì các đồ thị đều thành lập với không khí khô ở điều kiện tiêu chuẩn. bh 760 - hiệu chỉnh áp suất barômét (Phong vũ biểu) Nếu cao độ của địa hình trên mức biển không quá 200 mm thì hb = 760 mmHg; Khi cao độ 1500m thì hb = 630 mmHg và khi cao độ 3000m thì hb= 530 mmHg; Hiệu chỉnh độ bụi của sản phẩm cháy không đưa vào vì người ta chỉ tính khi cháy nhiên liệu rắn. Đối với lò hơi nhỏ và trung bình thành phần ∑ ch bỏ qua. Trong trường hợp gần đúng, ta có thể tính sức cản của không khí bằng công thức thực nghiệm 82 Đối với ống lửa và lò hơi ống nước ngang: Tỉ số giữa tiết diện nhỏ và tiết diện lớn 2 005,0 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛=Δ α l l H Dh mm cột nước Hình 4.4. Hệ số trở lực cục bộ khi tiết diện thay đổi đột ngột Đối với lò hơi ống đứng kiểu Xy - Khốp 3004,0 2 −⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛=Δ l l H Dh mm cột nước. Trường hợp làm việc với tải trọng khác so với định mức, sức cản tính bằng cách nhân thêm với bình phương tỉ số giữa tải trọng mới và tải trọng định mức - Sức cản của bộ quá nhiệt. Bộ quá nhiệt dạng ống ruột gà cũng tính tương tự như đối vố dòng khí lò hơi với các hiệu chỉnh đã nói ở phần trên. - Sức cản bộ hâm nóng nước bằng gang có gờ: b H cbhn h hh 760. 293,1 .. 2 . 2 ρρωξ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ Δ+=Δ ∑ (N/m2) Ở đây : ξ = 0,5n; n - số hàng ống theo đường đi của khí; 81,9. 2 2 dh=ρω - áp suất động; ∑Δ cbh - sức cản cục bộ khi quay vòng; ρH - mật độ trung bình; - Sức cản bộ hâm nóng không khí. ( ) b H qvrvhk h Khhh 760. 293,1 .. 2 2 ρρωξξ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ Δ+++Δ=Δ (N/m2) Khi dòng sản phẩm cháy lưu thông trong ống và tấm nhám bộ hâm nóng không khí, hΔ được xác định nhờ đồ thị: lChh a .. 'Δ=Δ mm cột nước Δh' - phụ thuộc nhiệt độ trung bình và tốc độ dòng khí. Ca - hệ số hiệu chỉnh độ nhám, phụ thuộc vào ,K dtd 83 Đ ường kính ống (m m ) l - chiều dài chung của ống; Ngoài tổn thất do ma sát, còn tính tổn thất cục bộ ở cửa vào và ra, quay vòng dòng khí. rv ξξ , xác định theo đồ thị phụ thuộc tỉ số tiết diện nhỏ nhất và tiết diện lớn nhất. Đối với bộ hâm kiểu ống, gần đúng ta có: 2 1 24 HnM b dF F S S π ⋅= ⋅ Trong đó: S1, S2 - khoảng cách giữa các trục ống dHn - đường kính ống bộ hâm nóng không khí Tổn thất áp suất trong ống bộ phận hâm nóng không khí kiểu ống và kiểu tấm h’tb Δh = Δh’.Ca.l KG/m2 Nhiệt độ không khí 0C Hình 4.5. Tổn thất áp suất trong ống (mặt nhám) bộ hâm nóng không khí Tốc độ trong ống và nhiệt độ dòng khí nhận từ tính toán nhiệt. 84 - Sức cản quay vòng ở cửa lò hoặc tấm chắn. Sức cản ở cửa lò Δhcl = 1 ÷ 2 mm cột nước Sức cản dòng khí cháy trong ống thép ra ống khói: ( ) b H cbmskc h hhh 760 293,1 . ρ∑ ∑ Δ+Δ=Δ (N/m2) Ống dẫn khí thường có tiết diện tròn (tốc độ khí lưu chuyển 8 ÷ 10 m/s) hoặc chữ nhật: f = ab (m2) Ở đây: a,b - chiều rộng, chiều cao ( thường chọn) Đối với ống lớn và trung bình: a = 0,8 ÷ 1,5m b = 1 ÷ 2m. Đường kính tương đương: 2 t a bd a b ⋅= +® Chiều dài vùng l đo theo bản vẽ. Hệ số ma sát với ống thép không lót λ = 0,02 ống thép có lót và gạch khi dtđ ≥ 0,9; λ = 0,03 khi dtd < 0,9, λ = 0,04. - Kích thước và sức cản của ống khói: Đối với lò hơi cần thông gió cưỡng bức, chiều cao ống khói H phụ thuộc vào năng suất nhiệt của lò hơi và công trình kề bên, thường dao động trong khoảng 30 ÷ 45m. Trong trường hợp cần thiết có thể lớn hơn. Thông gió tự nhiên chiều cao H, sơ bộ cũng giới hạn như trên. Sau đây sẽ có tính toán chính xác. Đường kính ống khói lấy theo giá trị trung bình: 1 2 1 2 2 td d dd d d ⋅= + Trong đó: d1, d2 (m) - đường kính cửa vào và ra của ống khói. Tốc độ dòng khí ω (m/s) lấy theo giá trị trung bình: 22 8 3 0 k tb tb V d ω = ⋅ 85 Vk - lưu lượng thể tích của khói (m3/s) theo nhiệt độ trung bình của khói; Htb θθθ Δ−= 2 1 1 ( 0C) θ1 - nhiệt độ khói khi đi vào ống khói (0C) Δθ - mức giảm nhiệt độ của khói qua 1m chiều cao ống. Với ống thép không lót: D 8,0=Δθ grad/m Ống gạch nhỏ: D 4,0=Δθ grad/m Ống gạch lớn: D 2,0=Δθ grad/m Ở đây: D - năng suất giờ cực đại của lò hơi (Tấn) Tốc độ khói ra khỏi ống khi thông gió cưỡng bức ωr = 8 ÷ 15 m/s. Khi thông gió tự nhiên ωr = 6 ÷ 8 m/s. Đường kính bên trong đối với: ống thép dH = dt ống gạch xây dH = dt + 0,02H (m) Sức cản masát trong ống: dk tb tb ms d Hh ρωλ ⋅⋅⋅= 2 2 (N/m2); Trong đó: λ = 0,04; ρdk- mật độ dòng khí (khói cháy): ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ Δ−+ ⋅= 2 .273 273 H ms H dk θθ ρρ Tổn thất khi ra: dkrrh ρωξ ⋅⋅=Δ 2 2 (N/m2); Ở đây: ξ = 1 86 ( )Hms HH dk .273 273 θθρρ Δ−+⋅= Sức cản ống khói: ( ) b rmsok h hhh 760⋅Δ+Δ=Δ (N/m2); Để tránh xuất hiện đồng thời hạ áp của khí ở vùng từ bơm đẩy tới ống khói, sức cản của ống không được vượt quá độ lớn tạo nên sự thông gió của nó (công thức dưới). - Sự thông khí bằng ống khói. Nếu ký hiệu áp suất giữa không khí bên ngoài và sản phẩm cháy trong ống qua Δp. hms = Δp = H.g(ρkk - ρk) (N/m2); Đây là phương trình thể hiện sự thông gió lý thuyết của khói (không tính tới sức cản). kk H kkkk t+⋅= 273 273ρρ (Kg/m3) k H kk θρρ +⋅= 273 273 (Kg/m3) Trong điều kiện tiêu chuẩn (00C và 760 mmHg), mật độ không khí Hkkρ = 1,293 và mật độ khói Hkρ = 1,26 ÷ 1,31. Nếu coi Hkkρ = Hkρ =1,3, có tính tới áp suất baromet và sự làm nguội khí trong ống. Ta có công thức tính toán: 760 2 .273 1 273 1.3,1.273.. b ms k T ms h Ht gHhp ⋅ ⎟⎟ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜⎜ ⎝ ⎛ Δ−+ −+==Δ θθ (N/m2) - Xác định năng suất và áp lực của bơm khói. + Năng suất: những lò hơi có năng suất từ 2T trở lên, khuyên nên dùng bơm hút khói cưỡng bức. Năng suất bơm hút khói: ( ) 273 1,1273. ms H K HK BVV θ+= (m3/h) Ở đây: B - chi phí nhiên liệu (kg/h); 1,1 - hệ số dự trữ. + Áp lực bơm khói: 87 Phân áp suất của bơm hút khói để thắng các trở lực. HK = htb - hms mm cột nước Chọn quạt hút khói theo Catalô về năng suất, cột áp, số vòng quay, hiệu suất và kích thước ta có áp lực thực: ms cat KK HH θ+ += 273 20273. cột nước và áp suất quạt Trong đó: Δhl - sức cản lớp nhiên liệu trên ghi lò và ΔhKK trở lực của khí ẩm. Ở đây 200C là nhiệt độ môi trường đặt quạt. catKH - cột áp quạt chọn theo Catalô + Công suất cho quạt hút khói: dK KHK K HVN ηη ..3600.102 1,1..= Trong đó hiệu suất bộ truyền đai ηđ = 0,95. Từ đây chọn động cơ điện theo Catalô. + Chiều cao ống khói khi thông gió tự nhiên. Sau khi xác định tổng trở lực của thiết bị với tải trọng cực đại, ta có: 760 2 .273 1 273 13,1.273 b ms k tb h Ht h H ⋅ ⎟⎟ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜⎜ ⎝ ⎛ Δ−+ −+ = θθ (m) Công thức này tính chiều cao ống khói khi nhiệt độ môi trường 100C. - Xác định năng suất và cột áp quạt thổi khí. Năng suất quạt thổi: ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −+= 100 1 273 273 ....1,1 4qtBVV kotk α (m3/h) không khí các giá trị Vo, α, tB, q4 chọn từ tính toán nhiệt nồi hơi. Áp lực quạt: Ht.k = Δhl + Δhk mm cột nước Trong đó: Δhl - sức cản lớp nhiên liệu trên ghi bằng 80 mm cột nước Δhk - sức cản không khí ẩm; Khi không có bộ hâm không khí, thì tốc độ không khí 5 ÷ 8 m/s, sức cản 20 mm cột nước. 88 Khi có bộ hâm nóng khí, sức cản chỉ là do không khí. Khi cấp không khí cho hỗn hợp ngọn lửa cháy ở áp suất thấp thì Δhl =80 mm cột nước. Khi cấp không khí cho vòi phun mazút thì Δhl = 200 - 300 mm cột nước. Quạt thổi thường dùng quạt áp lực thấp: Công suất cho quạt: dK dkdk q HV N ηη ..3600.102 1,1..= Trong đó: Hđk - áp suất hoàn toàn của quạt (mm cột nước) ηđ = 0,95. Câu hỏi ôn tập chương 4: Hệ thống thông gió. 1. Nhiệm vụ và các giải pháp thông gió? 2. Trình bầy phương pháp tình toán sức cản trong điểu kiện tải trọng hoàn toàn của thiết bị? 3. Tính toán sức cản cục bộ trong hệ thống? 4. xác định kích thước và sức cản của ống khói? 89 Chương 5 : VẬN HÀNH VÀ BẢO DƯỠNG 1. MỘT SỐ CHỈ TIÊU KINH TẾ KỸ THUẬT Để đánh giá hiệu quả làm việc của lò hơi, người ta đưa ra một số chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật chính. 1.1. Chỉ tiêu kinh tế Để đánh giá mức độ sử dụng công suất của lò hơi Dtbị so với nhu cầu sử dụng đồng thời nhiệt hoặc hơi cực đại Dmax, người ta gọi là hệ số tải trọng hoặc hệ số dự trữ của lò hơi. maxl tb DK D = Þ Để đánh giá thời gian sử dụng lò hơi trong năm, người ta dùng khái niệm về hệ số sử dụng của thiết bị: 8760 n m sd tb QK D = ⋅ ¨ Þ Trong đó: Qnăm - lượng nhiệt hoặc hơi sản xuất trong năm; 8760 - là số giờ trong năm = 24 giờ × 365 ngày. Người ta cũng dùng chỉ tiêu khác: số giờ làm việc của thiết bị trong năm. n m nam tb Qh D = ¨ Þ (giờ) Hiệu suất lò hơi là tỷ lệ giữa năng lượng có ích sử dụng được với tổng năng lượng đưa vào. Năng lượng có ích ở đây là năng lượng dùng để sản xuất nước nóng, nước sôi hoặc hơi nước. Nhiệt đưa vào là nhiệt cháy nhiên liệu. Ta thường dùng khái niệm: hiệu suất thô và hiệu suất tinh. . n m th n lv t Q B Q η = ¨ « 100% . n m td tinh n lv t Q q B Q η −= × ¨ Trong đó: qtd - lượng nhiệt tự dùng cho bản thân lò hơi. Trong các lò hơi hiện dùng, hiệu suất thô có thể đạt 93 ÷ 99% + Chỉ tiêu về tiêu hao nhiên liệu: Chi phí nhiên liệu riêng cho một đơn vị sản phẩm, nghĩa là: 90 n n Q Bb = (g/g) + Giá thành sản xuất hơi Đây là chỉ tiêu tổng hợp, là tỉ số giữa giá thành và lượng hơi sản xuất ra. D Gg = (đ/T) G - giá thành, gồm giá thành cố định và giá thành thay thay đổi. G = Gcđ + G tđ Giá thành cố định gồm: lương, vốn đầu tư thiết bị, bảo dưỡng và sửa chữa.... Giá thành thay đổi gồm: chi phí về nhiên liệu, nước, điện, nguyên vật liệu phụ.... 1.2. Chỉ tiêu về chế độ vận hành. - Hệ số sử dụng thời gian sẵn sàng: ss lv ss z zK = Trong đó: zlv - là số giờ trong một năm = 8760 giờ; zss - tổng thời gian làm việc và thời gian dự phòng. Thời gian làm việc của lò hơi trong một năm có thể đạt 8550 giờ, thời gian sẵn sàng 7700 ÷ 8300 giờ. Giá trị của Kss có thể đạt 91 ÷ 99%. - Hệ số khai thác công suất định mức. . n cs m n DK D Z = ® Trong đó: Dn - lượng hơi sản xuất trong một năm (T/năm) = Dtb. zlv; Dtb - sản lượng hơi trung bình sản xuất trong 1 giờ (T/h); Dđm - sản lượng hơi định mức (T/h); Zn - số giờ trong một năm = 8760 giờ. 2. CHỌN SỐ LƯỢNG NỒI HƠI VÀ PHÂN BỐ PHỤ TẢI GIỮA CÁC LÒ. Trường hợp lắp đặt nhiều nồi hơi với những đặc tính kỹ thuật khác nhau, cần sử dụng bao nhiêu nồi hơi với năng suất hơi bao nhiêu; phụ tải phân bố thế nào cho hợp lý. Thường có các cách sau: - Chọn nồi hơi có hiệu suất cao nhất gánh phụ tải gốc. Lò hơi có năng suất thấp gánh phụ tải ngọn. - Phân phối phụ tải tỉ lệ với hiệu suất các lò; 91 - Phân phối phụ tải tỉ lệ với năng suất các lò; - Phân phối phụ tải sao cho tiêu hao nhiên liệu thấp nhất. Đây là biện pháp có hiệu quả cao nhất, trong thực tế cần được sử dụng. + Vận hành lò hơi: Nhiệm vụ của công việc vận hành lò hơi là phải đáp ứng đầy đủ yêu cầu của cơ sở sử dụng, đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật về chất lượng hơi, nước nóng, hơi quá nhiệt, đồng thời đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế: giá thành một đơn vị hơi, chỉ tiêu chi phí nhiên liệu ... Theo tiêu chuẩn Việt Nam qui định về quy trình vận hành lò hơi, những quy định về đảm bảo an toàn thiết bị và an toàn cho người sử dụng. Những quy định về kiểm tra định kỳ tình trạng kỹ thuật của thiết bị. Cơ sở sử dụng lò hơi đã xây dựng quy trình công nghệ vận hành từ khâu đầu tới khâu cuối cùng trước khi sử dụng cho máy và thiết bị công tác. Phần này chỉ nhằm giới thiệu một số công đoạn trong quy trình công nghệ vận hành lò hơi. - Khởi động lò: Trước khi khởi động lò hơi cần kiểm tra trạng thái kỹ thuật của tất cả các bộ phận quan trọng của lò hơi: thiết bị chính và phụ, bình chứa hơi cao áp, các van và đồng hồ đo, hệ thống điều khiển, lò đốt...phải ở trạng thái tốt. Cấp nước cho lò hơi ở mức thấp nhất và ổn định. Điều quan trọng nhất là không cho phép ứng suất nhiệt ảnh hưởng quá mức tới các bộ phận của lò hơi, gây biến dạng có thể nứt vỡ... Đặc biệt đối với các chi tiết có độ dày mỏng hoặc không đều. Trường hợp cấp nước nóng (đã qua bộ phận hâm nóng nước) thì độ chênh nhiệt độ theo chiều dày của trống chứa nước không được quá lớn. Độ chênh nhiệt độ theo chiều dày tính theo công thức: 2 2 x a t ⋅=Δ ω (0C) Trong đó: x - chiều dày vách tính đến bề mặt dẫn nhiệt. Giá trị cực đại ứng với x = δ (δ - chiều dày vách) 2 2 δω ⋅=Δ a t a - hệ số dẫn nhiệt độ của vách (m2/h) τω d dt= - tốc độ tăng nhiệt độ của vách (0C/h) chọn bằng 60 ÷ 900C/h. Thời gian cấp nước nóng vào lò có thể từ 1 ÷ 1,5 giờ với lò hơi trung bình, với lò hơi có thông số cao có thể tới 1,5 ÷ 2 giờ. Trong quá trình nhóm lò cần đặc biệt lưu ý việc thải khí, tránh hiện tượng đọng sương bằng cách sử dụng quạt gió. Sau khi cấp nước đầy đủ, bắt đầu nhóm lò: lò ghi sử 92 dụng nhiên liệu rắn có thể nhóm bằng củi, hoặc gỗ tẩm dầu. Lò đốt phun có thể nhóm bằng dầu; nhằm nâng nhiệt độ của nhiên liệu tới nhiệt độ bắt lửa. Trong trống chứa nước có sự phân cách rõ rệt: phần trên chứa hơi, phần dưới là nước, có hệ số toả nhiệt khác nhau, nên giữa hai phần có độ chênh nhiệt độ (có thể tới 500C) làm cho trống có xu hướng bị uốn trong quá trình nhóm lò, sau trở lại bình thường khi đã ổn định. Các dàn ống trao đổi nhiệt khi nóng sẽ dãn nở, vì thế một đầu dàn lắp cố định, đầu còn lại cần ở trạng thái tự do. Ngoài ra do nhiệt độ không đều trên dàn ống, xuất hiện ứng suất nhiệt, dẫn đến nứt rạn các đầu mối nối, đặc biệt là các mối hàn. Đối với bộ hâm nóng nước, giai đoạn đầu lượng hơi bốc chưa nhiều, nước cấp bổ xung nhỏ, trong khi khói nóng vẫn đi qua đều đặn, rất dễ bị quá nhiệt các ống nước. Bộ hâm nóng bằng gang có lắp đặt đường tái tuần hoàn, không cho phép nước sôi. Bộ hâm nóng bằng thép có thể cho phép nước bốc hơi với tỉ lệ nào đó. Bộ quá nhiệt cần được quan tâm đặc biệt, vì hơi ở nhiệt độ và áp suất khá cao. Lưu lượng hơi ở giai đoạn nhóm lò hầu như bằng không, trong khi khói nóng vẫn đi qua, làm cho bộ quá nhiệt quá nóng. Khi khởi động cần mở van xả bớt ra ngoài để hơi qua bộ quá nhiệt đạt tới tốc độ 2 dẫn 3 m/s, lưu lượng xả ban đầu 10% và cuối giai đoạn nhóm lò đạt 15% năng suất hơi định mức. Nhiệt độ chênh lệch giữa vách ống và hơi rất lớn (tới 2700C), rất không đảm bảo an toàn, do đó cần tiếp tục xả bớt. Do đó, yếu tố quyết định tới thời gian nhóm lò là tốc độ tăng nhiệt độ cho phép của các phần tử lò và khả năng làm mát bộ hâm nước và bộ quá nhiệt. Tốc độ tăng nhiệt cho phép từ 60 ÷ 900C/h cá biệt có thể tới 2800C/h. Thời gian khởi động lò thông thường đạt 2 ÷ 4 h với lò trung áp, 4 ÷ 5h với lò cao áp và 8 ÷ 12h với lò siêu cao áp. - Vận hành ổn định. Để vận hành lò ổn định, thiết bị lò hơi trang bị dụng cụ đo - kiểm tra và hệ điều chỉnh tự động. + Thiết bị đo - Kiểm tra. Dụng cụ đo và kiểm tra thiết bị lò hơi dùng để xác định thường xuyên các thông số làm việc nhằm theo dõi chế độ sử dụng, cũng như chỉnh lý lại các thông số khi máy làm việc có sai lệch so với thông số qui định. Người ta phân biệt 3 loại dụng cụ đo - kiểm tra: đọc, ghi và tích luỹ. Dụng cụ đọc dùng cho các thông số có giá trị cố định ở mỗi điểm (dùng kim chỉ trên thang chia sẵn) Dụng cụ ghi, ghi trên băng giấy giá trị thông số phụ thuộc vào thời gian. Dụng cụ tích luỹ thuộc loại máy tính năng lượng điện và khí. 93 Thông thường các loại dụng cụ trên thuộc loại phối hợp (đọc kết hợp với ghi...). Toàn bộ dụng cụ được lắp trên bảng quan sát trước lò hơi. Số lượng các dụng cụ đo kiểm tra tăng lên, khi nâng cao năng suất và thông số hơi của thiết bị; thường bố trí các loại dụng cụ sau: * Áp kÕ ®Ó ®o ¸p suÊt h¬i b·o hoμ trong trèng lß h¬i, ¸p suÊt h¬i qóa nhiÖt ë cöa ra cña bé phËn qu¸ nhiÖt, ¸p suÊt n−íc cung cÊp. * CÆp nhiÖt hoÆc nhiÖt kÕ ®Ó ®o nhiÖt ®é n−íc cung cÊp vμ h¬i qu¸ nhiÖt. * CÆp nhiÖt ®Ó ®o nhiÖt ®é cña khãi lß sau bé qu¸ nhiÖt, sau lß h¬i, sau bé h©m nãng n−íc, sau bé h©m nãng kh«ng khÝ. §o nhiÖt ®é kh«ng khÝ ®i vμo bé h©m nãng kh«ng khÝ vμ khÝ ch¸y. * §ång hå th«ng giã ®Ó ®o ®é h¹ ¸p ë phÇn trªn lß ®èt. §é h¹ ¸p vμ ¸p suÊt ®−êng khÝ vμ ®−êng kh«ng khÝ cña thiÕt bÞ t¹i c¸c ®iÓm bè trÝ ®o nhiÖt ®é khãi vμ kh«ng khÝ. * Dông cô ph©n tÝch khÝ tù ®émg x¸c ®Þnh hμm l−îng CO2 vμ O2 trong khãi. Th−êng bè trÝ phÝa tr−íc bé h©m nãng n−íc. * L−u l−îng kÕ ®o l−îng n−íc cung cÊp, n¨ng suÊt h¬i cuèi cïng. + VÊn ®Ò ®iÒu chØnh tù ®éng. HÖ ®iÒu chØnh tù ®éng bè trÝ lμm viÖc trªn thiÕt bÞ chÝnh vμ phô liªn tôc ®o t¶i träng ®Þnh møc, chØ tiªu kinh tÕ tèt nhÊt, sù lμm viÖc æn ®Þnh nhÊt cña thiÕt bÞ. Ngoμi ra hÖ ®iÒu chØnh tù ®éng cßn cho phÐp rót bít ng−êi phôc vô m¸y. Hμng lo¹t hÖ ®iÒu chØnh tù ®éng víi nguyªn t¾c lμm viÖc kh¸c nhau: lo¹i c¬ ®iÖn, lo¹i thuû lùc, lo¹i khÝ nÐn vμ lo¹i ®iÖn tö... Mçi lo¹i cã nh÷ng −u nh−îc ®iÓm kh¸c nhau. Nhê cã hÖ thèng ®iÒu chØnh tù ®éng, hiÖu qu¶ kinh tÕ kü thuËt cao, cã thÓ n©ng cao hiÖu suÊt 2 ÷ 2,5%, ®ång thêi gi¶m chi phÝ nhiªn liÖu. VÊn ®Ò c¬ b¶n cña thiÕt bÞ lμ lu«n gi÷ mét c¸ch chÝnh x¸c khi t¶i träng thay ®æi, gi¸ trÞ tèi −u cña ¸p suÊt vμ nhiÖt ®é cña h¬i, còng nh− c¸c th«ng sè cña qu¸ tr×nh ch¸y. Bé ®iÒu chØnh tù ®éng nhiÖt ®é cña h¬i qu¸ nhiÖt lμ nhiÖt trë bè trÝ trong èng h¬i qu¸ nhiÖt ra khái lß h¬i. Bé phËn ®iÒu chØnh ¸p suÊt h¬i phøc t¹p h¬n v× nã liªn quan tíi bé phËn ®iÒu chØnh tù ®éng qu¸ tr×nh ch¸y, phô thuéc d¹ng ch¸y cña nguyªn liÖu.Trªn c¸c lß h¬i dïng nhiªn liÖu khÝ, th−êng bè trÝ bé phËn tù ®éng - ®iÒu chØnh chÕ ®é lμm viÖc cña lß h¬i (chÕ ®é ch¸y) còng nh− chÕ ®é an toμn cña thiÕt bÞ. Bμi to¸n ®iÒu chØnh tù ®éng chÕ ®é lμm viÖc cho c¸c lo¹i lß h¬i bao gåm: gi÷ tù ®éng th«ng sè h¬i ®· cho, hÖ sè thõa kh«ng khÝ, ®é gi¶m ¸p vμ ¸p suÊt dßng khÝ vμ dßng kh«ng khÝ. ChÕ ®é an toμn tù ®éng cã t¸c dông ngõng cung cÊp khÝ cho lß ®èt khi ®iÒu kiÖn lμm viÖc b×nh th−êng c¸c bé phËn lß h¬i bÞ ph¸ vì. Bé phËn lμm viÖc chÝnh th−êng lμ c¸c xu - p¸p - c¾t liÖu, lμm viÖc 94 øng víi c¸c tÝn hiÖu t−¬ng øng. Trªn s¬ ®å (H×nh 5.1) cho ta vÝ dô vÒ s¬ ®å dông cô tù ®éng ®iÒu chØnh cña lß h¬i DKBP, lμm viÖc víi nhiªn liÖu khÝ. 95 t í n h i ệ u đ i ề u c h ỉ n h Mạch hơi chính Vào ống khói Mạch cung cấp Truyền khí vào vòi đốt Bơm khói Hâm nóng Nước Mạch khí Quạt thổi áp lực Lò hơi tín hiệu Nơi đặt dụng cụ vào sơ đồ trung tâm tín hiệu bảng của lò hơi a) b) Hình 5.1. Sơ đồ bố trí các dụng cụ đo - kiểm tra trên thiết bị lò hơi DKBP làm việc với nhiên liệu khí. 96 Áp lực hơi là xung chính tiếp nhận từ mạch hơi chính, truyền tới bộ điều chỉnh cháy, thông qua cơ cấu sử dụng tới bộ phận cấp nhiên liệu và không khí. Đồng thời cũng tác động tới cơ cấu điều chỉnh bơm khói, làm thay đổi số lượng nhiên liệu và không khí cung cấp vào lò đốt, cũng như khí khói còn lại trong lò. Để bảo đảm áp lực không khí trước vòi phun và độ giảm áp suất ở phần trên lò đốt, bộ phận điều chỉnh cháy cần được hiệu chỉnh sơ bộ xung áp lực. Đối với lò hơi kiểu trống, việc giữ mức nước không đổi trong trống là cực kỳ quan trọng vì mức nước hạ thấp trong trống có thể làm quá nóng ống sôi. Khi nước quá đầy, làm nó chảy vào bộ phận quá nhiệt, sau đó tuốc bin, dẫn tới hư hỏng thiết bị. Mức nước được giữ không đổi là nhờ sự kích động của su-páp cung cấp của lò hơi. Đối với lò hơi lớn, dùng bộ phận điều chỉnh tự động 2 xung (Hình 5.2). Dụng cụ này bao gồm ống điều nhiệt 1. Đầu trên của nó nối ống cách nhiệt 3 với không gian trống 15. Ống không cách nhiệt 11 với không gian chứa nước sao cho mức nước trong bộ điều nhiệt xấp xỉ mức nước trong trống. Nhiệt độ nước ở bộ điều nhiệt thấp hơn nhiệt độ nước trong trống, vì ống 11 và ống 1 không cách nhiệt, nên dễ dàng truyền nhiệt vào môi trường. Nhiệt độ hơi ở phần trên của ống điều nhiệt cũng bằng ở trong trống. Bộ điều chỉnh làm việc chính xác nhờ xung thứ hai truyền theo ống 2 từ đệm đo 14 đặt trên đường dẫn hơi quá nhiệt từ lò hơi đến hộp gió 9. Khi tăng chí phí hơi, áp lực hơi sẽ tụt, màng ngăn sẽ tăng lên tác động tới hộp gió 9, tay đòn 5, tác động tới động cơ 10, su-páp điều chỉnh 13. Tay kéo 8 dùng để tách tiếp điểm 7. Cuối cùng cơ cấu điều chỉnh sẽ ổn định ở vị trí cần thiết. Khi giảm năng suất hơi, quá trình tác động ngược lại. + Ngừng lò: Quá trình ngừng lò là công việc rất quan trọng: ngừng do sự cố, ngừng lò để dự phòng nóng hay lạnh hoặc ngừng lò bình thường theo qui phạm. Ngừng lò do sự cố, tác động đến toàn bộ thông số của lò một cách đột ngột sẽ không tránh khỏi những hư hại. Ngừng lò bình thường, trước hết cắt các phụ tải, cung cấp nhiên liệu. Đối với lò than phun, ngừng lò không lâu thì ngừng cấp than. Sử dụng hết số than trong bộ phận cung cấp thì dừng vận hành máy. Trường hợp dừng lò dài ngày phải dùng hết bột than rồi mới dừng, phòng khả năng tự đốt cháy của bột than. Khi ngừng cấp than, phải chạy tiếp quạt khói khoảng 5 ÷ 10 phút, thải hết các khí cháy, tránh nổ khi nhóm lò sau này. Đối với lò ghi xích, dừng cấp than, giảm tốc độ ghi, giảm cấp gió, sau đó mới cho dừng ghi xích.Tránh ghi xích trực tiếp tiếp xúc với nhiệt độ cao. Ngừng quạt gió 97 nhưng vẫn còn thông gió tự nhiên, tạo điều kiện cháy hết nhiên liệu. Sau khi nhiên liệu cháy hết, cho ghi xích làm việc để thải xỉ và làm nguội ghi xích. Hình 5.2. Bộ điều chỉnh 2 xung mức nước trong trống lò hơi. Sau khi cắt nhiên liệu, cũng cắt dần phụ tải, giữ mức nước bình thường. Khi cắt hoàn toàn phụ tải, áp suất hơi và nhiệt độ có thể tăng cao, cần xả hơi qua van hơi bộ quá nhịêt. Không được để lò hơi quá nguội nhanh (thường kéo dài 30 ÷ 50 phút). Khi ngừng lò để sửa chữa, cần làm nguội khoảng 18 ÷ 24giờ (loại nhỏ) và 36 ÷ 48 giờ (loại lớn), nước đạt nhiệt độ 70 ÷ 800C thì xả hết. + Một số vấn đề về sử dụng lò hơi. Tiêu chuẩn Việt Nam 6004 - 6008 ban hành 1995 qui định về yêu cầu kỹ thuật, an toàn về thiết kế, kết cấu... phải được tuân thủ nghiêm ngặt. Sau đây là một số vấn đề cần lưu ý thực hiện: - Bảo vệ bề mặt truyền nhiệt 98 Bề mặt trao đổi nhiệt của lò hơi bị bám bẩn làm giảm khả năng truyền nhiệt, làm cho nhiệt độ khí thoát khỏi bề mặt hâm nóng nhiệt độ còn cao, hiệu suất lò hơi giảm. Đồng thời làm tăng trở lực khí động của dòng khí, làm tăng tải trọng cho ống khói, tăng chi phí năng lượng điện cho việc thông gió. Đặc điểm vật liệu bám bẩn trên bề mặt trao đổi nhiệt cũng khác nhau phụ thuộc vào loại nhiên liệu đốt cháy, phương pháp đốt và chế độ nhiệt độ vùng có bề mặt hâm nóng bẩn. Người ta phân biệt: * Bẩn bề mặt hâm nóng, khi nhiệt độ bên ngoài ống vượt quá điểm sương đối với nhiên liệu cháy. Khi cháy nhiên liệu rắn theo lớp hoặc phụn bột trong lò đốt. Khi cháy nhiên liệu lỏng trong lò dạng ngọn đuốc và đôi khi nhiên liệu rắn trong lò xyclôn. Khi đốt cháy nhiên liệu khí. * Bẩn bề mặt hâm nóng, nhiệt độ mặt ngoài ống thấp hơn nhiệt độ điểm sương đối với nhiên liệu cháy. - Khi cháy nhiên liệu rắn theo lớp hoặc phun bột nhiên liệu. Nhiệt độ bên ngoài ống cao hơn nhiệt độ điểm sương (ống khô). Vật liệu bẩn là tro nhẹ, có thể làm sạch bằng tia hơi hoặc tia không khí thổi trực tiếp vào. Dễ dàng làm sạch bằng cơ học. Phần tử tro bám vào ống dưới tác dụng của lực hút nguyên tử lớp mặt. Hiệu quả của lực này tăng khi tỉ số diện tích mặt vật thể với thể tích của nó, có nghĩa là giảm kích thước vật. Hạt tro càng nhỏ càng bám chặt. Khi dòng khí nóng thổi ngang qua hàng ống, vị trí lớp đọng bẩn không phụ thuộc vào hướng dòng khí, đọng lại phía sau hàng ống (Hình 5.3), phía cạnh bên ít hơn. Kích thước lớp đọng bẩn phụ thuộc tốc độ dòng khí. Khi tăng tốc độ, kích thước lớp đọng giảm. Mức độ bẩn bề mặt hâm nóng sau quá trình ổn định phụ thuộc vào mật độ tro trong khói. Đối vối nhiên liệu cháy có độ tro thấp, độ bẩn bề mặt ít hơn khi dùng nhiên liệu có độ tro lớn. Tác hại lớn nhất độ bẩn bề mặt hâm nóng là giảm trị số hệ số trao đổi nhiệt của bề mặt hâm nóng đã cho. Để đánh giá mức độ bẩn ta dùng hệ số bẩn: 1 1t t t sk k λε δ= = − ® ® ® m3.h.grad/Kcal Trong đó: ktđ, ks - hệ số truyền nhiệt của chùm ống bẩn tương đương và chùm ống sạch. Khi đốt nhiên liệu rắn, với dòng khí nóng thổi ngang, giá trị ε giảm khi tăng tốc độ khí nóng và tăng gần như tuyến tính với đường kính ống. Đối với chùm ống kiểu bàn cờ, trong điều kiện như nhau, ε nhỏ hơn hai lần so với các hàng bên cạnh. Giảm bước dọc tương đối của ống trong chùm ống kiểu bàn cờ từ 2 xuống 1, làm giảm ε (khoảng 4 lần) vì làm giảm và biến mất hoàn toàn lớp tro ở cạnh sau của 99 ống. Thường hướng chuyển động của dòng khí nóng và mật độ lớp tro không ảnh hưởng tới ε. Hệ số ε của chùm ống có gờ cao hơn nhiều so với chùm ống nhẵn. Từ các điều kiện trình bày ở trên cho thấy, tăng tốc độ dòng khí nóng có thể là biện pháp hợp lý để tự làm sạch bề mặt hâm nóng khỏi bám bẩn ở mặt ngoài ống. Tuy nhiên, cũng chỉ có thể tăng ở một giới hạn nhất định; vì tăng quá lớn sẽ làm tăng trở lực, tăng áp suất khói, tăng chi phí năng lượng điện cho thông gió. Giới hạn dưới tốc độ khói 6 m/s (thổi ngang chùm ống) và 8 m/s (chùm ống bộ hâm nóng không khí). Giới hạn trên của khói với điều kiện hạn chế mài mòn 9 ÷ 14 m/s phụ thuộc vào loại nhiên liệu và phương pháp đốt cháy. Độ lớn của hệ số bẩn đối với chùm ống nhẵn khi đốt cháy nhiên liệu rắn, trừ gỗ, xác định theo công thức: 0. .tC Cε ε ε= + Δ® (m2.h grad/Kcal) Trong ®ã: ε0 - ®é bÈn ban ®Çu, x¸c ®Þnh theo ®å thÞ (H×nh 5.4); Cd - hÖ sè hiÖu chØnh ®−êng kÝnh èng víi chïm èng bªn, x¸c ®Þnh b»ng ®å thÞ; Ct - hÖ sè hiÖu chØnh thμnh phÇn tro; 0,1 ®èi víi cacbon vμ 0,7 ®èi víi than bïn; Δε - hệ số hiệu chỉnh bằng 0,002 đưa vào khi xác định độ lớn ε đối với bộ quá nhiệt, cũng như đối với chùm ống bốc hơi; 17,0 m/s 10,8 m/s 4,9 m/s Hình 5.3. Các dạng lắng đọng bẩn trên thành ống khi khí nóng chuyển động ngang ống với tốc độ khác nhau. Khi đốt cháy gỗ, hệ số bẩn có giá trị bằng 0,01 m2.h.grad/Kcal (chùm ống lò hơi) 0,008 (đối với bộ quá nhiệt) và 0,012 (bộ hâm nóng nước ống nhẵn). - Khi đốt cháy mazút và một số loại nhiên liệu rắn trong lò đốt kiểu xiclôn. Sau một số chu kỳ làm việc của lò hơi trong điều kiện không thuận lợi (khoảng 10 ÷15 ngày) chiều dày của lớp bẩn có thể đạt tới 4 ÷ 7mm, đôi khi 15 ÷ 20mm. Điều này làm cho khí xả còn có nhiệt độ cao, tăng trở lực khí động dòng khí. Để tránh hiện tượng này 100 cần phải làm sạch bề mặt hâm nóng. Lớp bẩn có hàm lượng cao ôxít silic, ôxíti sắt và sulphat của kim loại kiềm. Oxít silic, ôxít sắt có trong thành phần lớp bẩn ngưng tụ là do thành phần khoáng của nhiên liệu. Sulphat kim loại kiềm tạo thành trong quá trình cháy của nhiên liệu, ở trạng thái hơi ở nhiệt độ sôi thấp. Trong quá trình chuyển động cùng với khí lò hơi, chúng sẽ ngưng tụ trên ống cùng với một lớp mỏng ôxít silic và ôxít sắt (khá cứng). Để ngăn ngừa tạo thành lớp lắng khi đốt cháy mazút, người ta cho thêm phụ gia vào nhiên liệu(khoảng 0,1 ÷ 1%) hoặc đưa trực tiếp vào buồng lửa nhờ thiết bị thổi. Phụ gia dùng phổ biến hiện nay là đô-lô- mít bao gồm hỗn hợp cácbonát Canxi và Magiê - (CaO = 30 ÷ 34%; MgO = 21 ÷ 22%; CO2 = 38 ÷ 48%). m2.h.grad/Kcal Hệ số hiệu chỉnh Đường kính ống d (mm) ống bên Tốc độ khí ω (m/s) a) m2.h.grad/Kcal Chùm ống kiểu bàn cờ Tốc độ khí ω (m/s) b) Hình 5.4. Đồ thị xác định hệ số bẩn chùm ống nhẵn phụ thuộc tốc độ dòng bụi 101 a/ ống đặt bên b/ ống đặt kiểu bàn cờ - Khi đốt cháy nhiên liệu khí, độ bẩn trên bề mặt trao đổi nhiệt không đáng kể; thường là lớp bồ hóng mỏng. Hệ số bẩn tính toán khi đốt cháy khí tự nhiên khoảng 0,005 m2.h.grad/Kcal đối với các bề mặt hâm nóng. * Bề mặt hâm nóng đối lưu, nhiệt độ thành ngoài ống thấp hơn nhiệt độ đọng sương. Lớp bẩn giới hạn ở phần dưới ống bộ hâm nóng nước kiểu ống hoặc phần dưới của hàng ống gang lò hơi năng suất thấp. Tro đọng lại trên bề mặt ẩm của ống liên kết thành lớp, độ dầy tăng lên dần và rắn lại, nhiệt độ bề mặt tăng cao, quá trình ngưng hơi nước từ khói sẽ chấm dứt. Quá trình này không cản trở sự làm việc bình thường của lò hơi. Người ta làm sạch bẩn trên chùm ống khi dừng máy để sửa chữa. - Rỉ bề mặt hâm nóng của lò hơi Rỉ bề mặt kim loại là hiện tượng phá huỷ kim loại dưới tác động của môi trường bên ngoài, gây ra bởi quá trình hoá học hoặc điện hoá. Mặt ngoài ống tiếp xúc trực tiếp với khói và bên trong với nước và hơi nước. Đặc tính phá huỷ bao gồm: rỉ toàn bộ và rỉ cục bộ. Rỉ bên ngoài bề mặt hâm nóng của lò hơi được phân biệt: Ở nhiệt độ thấp do ôxy và lưu huỳnh gây ra khi đốt cháy các loại nhiên liệu. Ở nhiệt độ cao chỉ có ở đốt cháy mazút. Rỉ do ôxy tăng khi độ ẩm nhiên liệu tăng; vì làm tăng độ ẩm của khói tăng nhiệt độ điểm sương. Bề mặt trao đổi nhiệt bằng thép bị phá hoại nhanh hơn bằng gang. Rỉ do axít Sulfuric khi đốt nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh (mazút có hàm lượng lưu huỳnh cao). Khí SO2 và SO3 liên kết với hơi nước chứa trong khói tạo thành axít Sulfuric H2SO4. Kết quả trong khói sẽ có hỗn hợp hai thành phần H2O - H2SO4. Khi hệ được làm lạnh, bắt đầu có hiện tượng ngưng axit Sulfuric ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ ngưng tụ của hơi nước. Ở nhiệt độ tạo thành axít Sulfuric lỏng trong khói xác định căn cứ vào hàm lương lưu huỳnh trong nhiên liệu. Vì hàm lượng H2SO4 trong khói lò, nên tác động nhanh lên kim loại không xảy ra. Tốc độ rỉ do axít Sunfuric đạt cực đại ở nhịêt độ 120 ÷ 1400C. Để loại trừ tác hại rỉ do axít Sunfuric, người ta tìm cách giảm nhiệt độ bắt đầu tách axít Sunfuric lỏng khỏi khói bằng cách sử dụng phụ gia. Phụ gia chủ yếu dùng cho nhiên liệu lỏng và cũng có thể dùng cho nhiên liệu rắn có hàm lượng lưu huỳnh cao. Cháy mazút có thể giảm rỉ do H2SO4 khi độ thừa không khí đạt 1,02 ÷ 1,05 (giảm SO2 chuyển thành SO3 trong quá trình cháy). * Vấn đề bảo vệ môi trường. Vấn đề môi trường đang được thế giới quan tâm. Hàng trăm nước đã ký vào hiệp ước KyoTo, nhằm hạn chế tới mức tối thiểu khí thải vào không khí, nhằm giữ cho nhiệt độ của trái đất không tăng cao. 102 Mỗi nước có qui định riêng về mức độ cho phép của khí thải: ví dụ nồng độ bụi ở các nước bằng 50mg/m3tc, nồng độ SOx ở các nước châu Âu bằng 400, ở Mỹ bằng 585 mg/m3tc. Nồng độ NOx ở Đức 400, ở Pháp 650.... - Bộ khử bụi + Khái niệm chung: Dòng sản phẩm cháy, chuyển động cùng khí lò hơi, mang theo các phần tử tro nhẹ, cứng không cháy được của nhiên liệu. Tro sẽ lắng đọng trên bề mặt hâm nóng, làm giảm hệ số truyền nhiệt, tăng trở lực thuỷ lực của dòng khí và làm hao mòn bề mặt đốt nóng. Thành phần của tro gồm các phần tử nhỏ, kích thước nhỏ hơn 30μm. Phần tử to hơn phá hoại lớp lắng đọng và mài mòn bề mặt đốt nóng. Bụi do nhiên liệu rắn cháy và xỉ cứng của sản phẩm cháy trong không khí chiếm 70 ÷ 75% tro. Khi cháy theo lớp trong lò đốt ghi cơ học có tới 15 ÷ 20% tro chứa trong nhiên liệu. Khí xả ra ngoài với các phần tử cứng và ôxít sulfua làm ô nhiễm không khí xung quanh. Loại trừ ôxít lưu huỳnh là khó khăn, nhưng hàm lượng của nó trong sản phẩm cháy nhỏ. Để loại trừ phần tử cứng người ta sử dụng thiết bị thải tro. Thiết bị thải tro nên bố trí ở lò hơi có năng suất 3 Tấn/h hơi tiêu chuẩn, đặc biệt khi đốt cháy than nâu. Hiện nay người ta sử dụng 3 kiểu thiết bị thải tro: kiểu cơ học, kiểu khô và ẩm, kiểu điện và phối hợp. Mức độ làm sạch xác định bằng hệ số làm sạch η0: %1001100 . .. 0 ⋅⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −=⋅−= a b aV bVaV q qqη Trong đó: qV - thể tích qua bộ phận thải tro của khói (m 3/h) a,b - số lượng của tro nhẹ trước và sau bộ phận thải tro, xác định bằng thực nghiệm (g/m3). Hệ số làm sạch đánh giá sự làm việc của bộ phận thải tro theo độ lớn phần tử loại bỏ. %1001 ⋅⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −= c d Pη Trong đó: d, c - lượng tro riêng trước và sau bộ phận thải tro (g/m3); - Bộ phận thải tro kiểu cơ học - khô. Hiện nay có hai kiểu chính: kiểu xyclôn và kiểu khe chếch. * Kiểu xyclôn (Hình 5.5) Nguyên tắc làm việc của bộ phận thải tro kiểu xyclôn như sau: 103 Luồng khói có chứa bụi được thổi tiếp tuyến với thân xyclôn với tốc độ cao (khoảng 20m/s), hình thành chuyển động xoáy lốc. Phần tử tro cứng chuyển động theo quán tính ép vào mặt trong thân xyclôn và rơi xuống dưới, khí nhẹ thoát nên trên. Chuyển động xoáy làm cho áp suất ở tâm xoáy giảm, kết quả dòng khí ở phần côn dưới thay đổi hướng đi theo tâm xyclôn lên trên, đưa vào ống xả. Tro hướng xuống dưới xả ra ngoài theo chu kỳ hoặc liên tục, có phun nước tơi nhỏ làm giảm bụi. Khí vào xyclôn thường theo ống có tiết diện chữ nhật, cho hiệu quả làm việc tốt. Giảm bề rộng khe ống vào sẽ rút ngắn quãng đường chuyển động của phần tử cứng tới khi tiếp xúc với thành trụ, làm cho hiệu quả làm việc sẽ tốt. Lực phân ly ly tâm của xyclôn 2m uP r ⋅= Ở đây: m - khối lượng phần tử bụi u - tốc độ vào của dòng khí r - bán kính xyclôn . Hình 5.5. Sơ đồ hoạt động của xyclôn Cùng một tốc độ đi vào u, lực P tỉ lệ nghịch với bán kính r, do đó bộ phận thải tro thường dùng xyclôn có đường kính nhỏ. Tuy nhiên đường kính giảm tới mức độ nào đó, nếu không sẽ làm giảm hiệu quả làm việc của nó. Xyclôn chế tạo bằng gang cho phép đặt nó trong dòng khí có nhiệt độ cao (tới 4500C). Nhược điểm của xyclôn là trở lực cao (85mm cột nước) làm tro bị ứ đọng và khó làm kín khít. Đối với lò hơi khi số lượng sản phẩm cháy lớn hơn 30.000 m3/h, đường kính xyclôn có thể tới 250mm. * Kiểu khe chếch. Thiết bị thải tro kiểu khe chếch sử dụng với sản phẩm cháy tới 30.000 m3/h than đốt có độ tro nhỏ; kích thước hạt tro cỡ 30 ÷ 35 μm, đạt hiệu suất 80%. Sơ đồ làm việc mổ tả trên (Hình 5.7). Sàng khe chếch chế tạo bằng thép góc hoặc bằng gang, đặt nghiêng 300 so với hướng chuyển động của dòng khí. Luồng bụi đi qua sàng, một phần lớn khí tách ra khỏi những phần tử bụi nhỏ. Phần tử bụi có kích thước lớn hơn va đập vào mặt sàng khe chếch, cuốn theo dòng khí đi vào xyclôn. Tại đây quá trình làm sạch khí được thực hiện. Tốc độ sản phẩm cháy trước sàng khe chếch 10 ÷ 15 m/s. 104 Chiều dài thanh thép góc k k y b f l = Trong đó: fk - diện tích tiết diện cửa vào (m2) bk - bề rộng cửa vào. ω q k V f = (m2). Sức cản thuỷ lực khe chếch bộ phận thải tro. ρωξ ⋅=Δ 2 . 2 h (N/m2); Khi sử dụng hệ số thực nghiệm ξ, ta có có công thức thực nghiệm ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ +Δ = 273 1 .58,0 k q k h V f θ Trong đó: kqV θ, - thể tích và nhiệt độ của khói Δh - xác định theo (mm cột nước). Bảng 5.1. Kích thước hình học của xyclôn NHI - Ô - GA (Hình 5.5) Kiểu Xiclôn Tên Đ ơn v ị đo ЦH-15 ЦH-15y ЦH-24 ЦH-11 - Góc nghiêng của nắp và cánh Xyclôn α*0 0C 15 15 24 11 - Đường kính trong của xyclôn mm 40 - 800 200 - 800 400 - 1000 40 - 800 - Chiều cao bên trong cửa vào a mm 0,66D 0,66D 1,11D 0,48D - Chiều cao ống thải ha mm 1,74D 1,5D 2,11D 1,56D - Chiều cao phần trụ của thân hT mm 2,26D 1,51D 2,11D 2,08D - Chiều cao phần côn hK mm 2D 1,5D 1,75D 2D - Chiều cao xyclôn H mm 4,56D 3,31D 4,26D 4,38D -Đường kính trong ống xả khí d mm 0,6D 0,6D 0,6D 0,6D -Đường kính trong lô xả tro d1 mm 0,3 – 0,4D 0,3 – 0,4D 0,3 – 0,4D 0,3 – 0,4D - Chiều rộng cửa vào xyclôn b mm 0,2D 0,2D 0,2D 0,2D - Chiều rộng cửa vào bên ngoài b1 mm 0,26D 0,26D 0,26D 0,26D - Chiều dài ống vào l mm 0,6D 0,6D 0,6D 0,6D - Đường kính trung bình xyclôn Dtb mm 0,8D 0,8D 0,8D 0,8D - Chiều cao miệng thoát tro hφn mm 0,24 – 0,32D 0,24 – 0,32D 0,24 – 0,32D 0,24 – 0,32D 105 N hỏ n hấ t Bộ phận thải tro ẩm. (Hình 5.8) Bụi tro của sản phẩm cháy được loại bỏ, độ sạch của khí đạt tới 85%. Cần lưu ý, loại thiết bị này ít dùng khi sản phẩm cháy của nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao hơn 0,9% cho 1000 Kcal/kg nhiệt cháy, vì tránh cho kim loại bị phá huỷ. Sản phẩm cháy vào bộ phận thải tro theo hướng tiếp tuyến với thân bộ phận, thực hiện chuyển động xoáy lốc. Nhờ tiếp xúc với hơi nước phun ra từ vòi phun, bụi bị làm ẩm hoá va tách ra khỏi dòng khí. Khí sạch tách ra và thoát ra ngoài ở phần trên của thân. Hỗn hợp tro tách ra qua rãnh bộ phận thải tro ẩm. * Bộ thải tro kiểu điện. Bộ phận thải tro kiểu điện cho hiệu suất làm sạch đạt tới 98%, các phần tử có kích thước 5μm bị loại bỏ hoàn toàn. Kích thước phần tử tới 60μm, hiệu suất đạt 72%. Sơ đồ nguyên tắc làm việc trình bày trên (hình 5.9) Tại chính tâm ống, người ta lắp đặt một điện cực, nối với cực âm của nguồn một chiều. Ống nối với cực dương của nguồn. Điện áp một chiều đạt tới 90.000 Vôn xung quanh điện cực tạo ra một trường điện từ. Bụi tro bám thành lớp trên điện cực, làm giảm hiệu quả làm việc của bộ phận thải tro. Vì vậy điện cực cần phải được làm sạch. Tốc độ chuyển động của khí 1,3 ÷ 2 m/s. Sức cản thuỷ lực 5 ÷ 20 mm cột nước chi phí điện năng 0,3 ÷ 0,5 KWh/1000m3 khí. Khí ra Khí ra Khí vào a) b) Hình 5.6. Xyclôn Nhi - Ô - Ga a/ Dạng chung b/ Kích thước 1- Miệng vào; 2- Thân; 3- Ống thoát khí; 4- Cánh xoắn; 5- Phần côn của thân xyclôn; 6- Đường ra của khí; 7- Thùng tro. 106 * Giảm bớt khí độc hại. - Giảm SO2: Việc khử lưu huỳnh có thể tiến hành trước, trong và sau khi đốt. Trong khi đốt, có thể đưa trực tiếp đá vôi vào buồng lửa, bị nhiệt phân theo phản ứng: CaCO3 = CaO + CO2 CaO tiếp xúc với SO2 trong khói, có phản ứng CaO + SO2 + 2 1 O2 = CaSO4 Phản ứng xảy ra thuận lợi khi nhiệt độ 820 ÷ 8500C. Nhiệt độ càng cao, hiệu quả càng giảm, ở nhiệt độ 13500C thì CaSO4 lại bị phân huỷ trở lại thành SO2. Phương pháp khử SO2 trong khi đốt đơn giản, rẻ tiền và được dùng phổ biến. Ngoài ra người ta còn cho khói sau khi khử đi qua các chất hấp thụ SO2 cũng cho kết quả khá tốt Khí sạch Khí sạch Bụi vào Bụi vào a) Ra Nhỏ nhất Vào b) Hình 5.7. Sơ đồ bộ phận thải tro kiểu khe chếch (a) và kiểu 6 xyclôn (b). 107 Lợi dụng phản ứng hoạt hoá bằng cách phun nước dưới dạng sương vào bằng hoạt hoá đặt giữa bộ sấy không khí và bộ khử bụi, đã làm tăng bề mặt tiếp xúc: CaO + H2O = Ca(OH)2 Ca(OH)2 + SO2 = CaSO3 + H2O 7 3 6 1 2 4 5 8 9 10 Hình 5.8. Bộ phận thải tro ẩm Hình 5.9. Sơ đồ bộ thải tro kiểu điện 1-thân; 2- ống vào; 3- ống ra 1- đường vào; 2- điện cực lắng; 4- vòi phun ẩm; 5- sàng ống 3- điện cực dây; 4- thoát khí; 6- ống nước; 7- vòi tưới 5- loại tro 8- cửa; 9- van thuỷ lực 10- ống loại hỗn hợp tro Ngoài ra còn sử dụng phương pháp nghiền vôi thành bột (khoảng 80% hạt có kích thước 25μm) cần lưu ý, luôn giữ nhiệt độ khí thải cao hơn 100C so với nhiệt độ đọng sương. - Giảm NOx: NOx tạo thành từ nitơ trong không khí và trong nhiên liệu. Xử lý thực hiện ngay trong quá trình cháy và xử lý sau khi đã hình thành. Phương pháp xử lý trong khi đốt là chủ yếu. Ta có các phản ứng sau: N2 + O = NO + N N + O2 = NO2 N + OH = NO + H 108 Thực nghiệm cho thấy, dưới 15000C thì NOx hình thành ít, nhưng trên 15000C thì tăng mạnh. Quá trình hình thành NOx có thể giải thích: Khí clorua hyđrô trong chất bốc của nhiên liệu bị nhiệt phân giải thành gốc CH tự do, gặp nitơ trong không khí thành HCN và N rồi phản ứng với ôxy rất nhanh tạo thành NOx. Ta cũng thấy ở dưới 15000C thành phần NOx cũng rất ít. Nitơ trong nhiên liệu bị nhiệt phân giải thành N, CN, HCN ở 600 ÷ 8000C, do đó trong buồng lửa có nhiệt độ cao rất dễ bị ôxy hoá (chiếm khoảng 60 ÷ 80% tổng NOx). NOx của nhiên liệu phụ thuộc nhiều vào hệ số thừa không khí. Từ cơ sở trên, để giảm NOx ta có các biện pháp sau: - Giảm hệ số thừa không khí và nồng độ ôxy; - Giảm bớt nhiệt độ cháy trong buồng lửa; - Giảm thời gian khí lưu ở nhiệt độ cao; Cần lưu ý, khi làm giảm NOx, đồng thời lại làm giảm hiệu quả quá trình cháy. Trong kỹ thuật thường dùng phương pháp tái tuần hoàn khói, phương pháp đốt phân cấp và dùng vòi phun. Phương pháp tái tuần hoàn khói, dùng quạt tái tuần hoàn hút khói trước bộ sấy không khí đưa vào buồng hỗn hợp với không khí rồi đưa vào buồng lửa. Phương pháp này vừa giảm nhiệt độ vừa giảm nồng độ ôxy. Hệ số tái tuần hoàn khoảng 15 ÷ 20%, lượng NOx trong lò than phun giảm 25%. Phương pháp đốt phân cấp, ban đầu đốt với hệ số thừa không khí bằng 0,8 ở cấp một. Giai đoạn cấp hai, hệ số thừa không khí lớn hơn 1, cung cấp đủ không khí cho cháy và giảm được 50% NOx. Phương pháp dùng vòi phun, vòi phun có gió cấp một chiếm khoảng 15 ÷ 20%, gió cấp hai chiếm 35 ÷ 45%, còn lại do gió cấp hai phụ. Nhiệt độ ở cách vòi phun 2 m đã giảm từ 16000C xuống 14000C, lượng NOx giảm 16% và tránh đóng xỉ. Câu hỏi ôn tập chương 5: Vận hành và bảo dưỡng 1. Xác định các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của thiết bị? 2. Cơ sở lựa chọn số lượng nồi hơi và phân bố phụ tải giữa các lò hơi? 3. Trình bầy các bước vận hành lò hơi? 4. Một số vần đề và sử dụng lò hơi? 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 - Công nghệ lò hơi và mạng nhiệt Phan Lê Dần, Nguyễn Công Hàn NXBKHKT 1999 2 - Lò hơi - P.Γ .Max Nhà xuất bản năng lượng Moskba1968. 3 - Calculthermique des chaudìeres. Friedirch et Kark Nuber Dunol. Paris 1972.