CÁC PHƯƠNG PHÁP THU HỒI NHIỆT THẢI LÒ HƠI I. Nguyên lý làm việc của lò hơi Lò hơi dùng nhiệt lượng sinh ra của nhiên liệu, biến thành nhiệt năng của hơi nước. Hơi này được cung cấp cho các quá tr ình công nghiệp như gia nhiệt cho không khí để sấy, rửa thiết bị, cung cấp nhiệt trong các nhà máy dệt, đường, hóa chất, rượu bia, nước giải khát… trong trường hợp này hơi sử dụng là hơi bão hòa. Ngoài ra, các nhà máy nhiệt điện dùng tuabin hơi để chạy máy phát điện thì hơi được sử dụng là hơi quá nhiệt. II. Các loại nhiệt thải Trong quá trình hoạt động, ở lò hơi có các nguồn nhiệt lượng như sau: nhiệt lượng của ngọn lửa khi đốt cháy nhiên liệu, nhiệt lượng của khói, nhiệt lượng của nước và hơi nước và ngoài ra còn có nhi ệt lượng do xỉ nóng chảy. Ngọn lửa của nhiên liệu nằm hoàn toàn trong lò hơi, hơi nước sẽ được đưa đến các quá trình công ngh ệ hoặc tuabin; như vậy nhìn chung ngọn lửa và hơi nước không mang nhiệt lượng ra môi trường b ên ngoài (dĩ nhiên là vẫn có một phần tổn thất ra bên ngoài, nhưng đó là chỉ là tổn thấy chứ không phải một nguồn nhiệt thải). Do đó, ở lò hơi có các nguồn nhiệt thải sau: - Khói - N ước tuy nằm trong bao hơi không thải nhiệt ra ngoài nhưng do trong quá trình hoạt động, để xả bỏ cáu cặn tích tụ lại người ta vẫn phải xả một lượng nước nhất định ra ngoài - Ở những lò thải xỉ lỏng thì cũng có nhiệt xỉ thải ra ngoài. Các ngu ồn nhiệt thải này đều có nhiệt độ cao, nếu không được tận dụng lại sẽ gây sự lãng phí r ất lớn. Sau đây ta sẽ đi vào phân tích nhiệt thải của từng loại. 1- Khói thải: Từ nguyên lý làm việc, ta thấy nhiệm vụ chủ yếu của lò hơi là sinh hơi (có thể là hơi bão hòa ho ặc hơi quá nhiệt). Như vậy, sau khi cháy, nhiệt lượng của nhiên liệu được dùng để sinh hơi, nhiệt độ khói tại trung tâm buồng lửa có thể đạt 1600-2200 0 C (tùy thuộc vào từng loại lò), khói sau khi đi qua vài pass gia nhiệt cho nước để sinh hơi thì nhiệt độ sau khi ra khỏi buồng lửa đạt khoảng 900-1300 0 C. Theo lý thuy ết, nhiệm vụ của khói đến đây là hết và có thể thải ra ngoài. Tuy nhiên, do nhiệt độ của khói đang còn rất cao, nếu thải đi mà kô tận dụng thì sẽ rất lãng phí. M ặt khác, hơi nước sau khi đi qua các thiết bị công nghệ sẽ được ngưng tụ thành lỏng và được bơm trở lại lò hơi để tiếp tục nhận nhiệt để sinh hơi. Nước được cấp trở lại lò hơi lại có nhiệt độ khá thấp. Ví d ụ: hơi sau sinh ra qua thiết bị trao đổi nhiệt (LOAD) đưa lại bể chứa (ở đây nước bổ sung (make-up water), có nhiệt độ thấp dẫn đến nước cấp (feedwater) cũng bị hạ thấp nhiệt độ. Hoặc ở các nhà máy nhiệt điện hơi nước sau khi giãn nở ở tuabin rồi được ngưng tụ ở bình ngưng có áp suất khoảng 0,05 bar với nhiệt độ khoảng 32 0 C), rõ ràng là ta sẽ phải tốn thêm một nhiệt lượng để gia nhiệt cho nước cấp từ nhiệt độ thấp đến nhiệt độ sôi ứng với áp suất tương ứng. Ví dụ sau cho thấy hiệu quả của việc gia nhiệt nước cấp trước khi đưa vào lò hơi: Cho lò h ơi hoạt động với hơi bão hòa ở áp suất p = 10 bar, sản lượng hơi D = 10 tấn/giờ. Nhiệt độ nước cấp là 30 0 C. Dùng dầu mazút có thành phần làm việc như sau: Nhiệt lượng cần thiết để gia nhiệt nước thành hơi bão hòa ở áp suất 10 bar: Với i 1 : entanpi của hơi bão hòa ở áp suất 10 bar i 2 : entanpi của nước ở áp suất 10 bar ứng với nhiệt độ 30 0 C Nhiệt trị thấp của nhiên liệu là: Giả sử hiệu suất nhiệt là 100%, ta thấy lượng tiêu hao nhiên liệu là: Nếu như nước cấp được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi, thì nhiệt lượng để sinh hơi bão hòa là: Với : entanpi của nước ở áp suất 10 bar ứng với nhiệt độ sôi Lượng tiêu hao nhiên liệu ở trường hợp này là: Như vậy ta đã tiết kiệm được một lượng nhiên liệu Từ đồ thị ta thấy, khi nước được hâm nóng, thì nhiệt lượng cần thiết để cung cấp cho quá trình sinh hơi sẽ giảm và lượng tiêu hao nhiên liệu cũng giảm, trong trường hợp này ta đã tiết kiệm được 24,34% nhi ên liệu. Một phần tử khác cần được gia nhiệt trong lò hơi là không khí. Như ta đã biết, không khí đưa vào buồng lửa để cung cấp oxi cho quá trình cháy. Không khí thường được lấy ở môi trường bên ngoài có nhi ệt độ khoảng 30 0 C, nếu đưa không khí này vào buồng lửa thì sẽ hấp thu một phần nhiệt lượng do nhiên liệu cháy sinh ra. Do đó việc sấy không khí để tăng thêm nhiệt lượng đưa vào buồng lửa sẽ làm tăng thêm nhiệt lượng hữu ích để sinh hơi. Giả sử ta dùng dầu để gia nhiệt không khí: Ở l ò phun, nhiệt độ không khí đưa vào buồng lửa khoảng 250 0 C, nhiệt lượng cần thiết để gia nhiệt cho không khí là: Với : thể tích không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hết nhiên liệu i 1 : entanpi của không khí ở 250 0 C i 2 : entanpi của không khí ở 30 0 C Nếu dùng dầu để gia nhiệt thì ta phải tốn thêm một lượng nhiên liệu: Ngoài ra, đối với các lò đốt bằng nhiên liệu lỏng mà chủ yếu là dầu nặng (FO) thì việc hâm nóng dầu trước khi đưa vào buồng lửa là cần thiết vì độ nhớt của dầu ở nhiệt độ thường rất cao gây khó khăn cho việc dẫn dầu trong các ống cũng như việc phun dầu vào buồng lửa. Thông thường người ta thường gia nhiệt dầu lên đến khoảng 90 0 C. Trước đây người ta thường dùng bộ gia nhiệt dầu bằng điện kết hợp với hơi nước. Ví dụ sau cho thấy nhiệt lượng cần thiết để gia nhiệt cho dầu Nhiệt lượng cần thiết để gia nhiệt dầu: Với B: lương tiêu hao nhiên liệu (lấy ở ví dụ trên B = 0,189 kg/s) C nl : tỷ nhiệt của nhiên liệu Trong đó: Từ đó, ta tính được Từ các ví dụ trên ta thấy nhiệt lượng của khói thải nếu được tận dụng để hâm nước cấp, sấy không khí, hâm dầu… thì sẽ tiết kiệm được một chi phí rất lớn. Vì lý do đó mà ngày nay người ta thường lắp đặt các bộ trao đổi nhiệt phía sau l ò, ở đường khói thải để gia nhiệt cho nước, không khí cũng như dầu (thường gọi là bộ hâm nước, bộ sấy không khí và bộ hâm dầu). Tùy thuộc vào từng loại lò mà có thể có hoặc không có 1 trong 3 phần tử kể trên. Ngoài ra, đối với những lò có công suất lớn thì nhiệt thải khói có thể lên đến rất cao, tuy đã tận dụng nhưng vẫn còn một nguồn nhiệt lượng khá lớn, do đó người ta sẽ tìm cách để tận dụng nguồn nhiệt lượng này để đun nước sinh hoạt cho các xí nghiệp hoặc hộ tiêu dùng hay trong vấn đề về tiết kiệm năng lượng thì dùng nhiệt do khói thải này dể chạy các máy lạnh hấp thụ. Theo sơ đồ ta thấy, khi cấp nhiệt cho bình phát sinh thì NH 3 trong hỗn hợp dung dịch gồm NH 3 – H 2 O sẽ bốc hơi (do ở cùng điều kiện áp suất thì NH3 có nhiệt độ bay hơi thấp hơn H 2 O). NH 3 bay lên còn n ước sẽ đi xuống dưới. Hơi NH 3 tiếp tục đi vào bình ngưng và được ngưng tụ thành lỏng nhờ nước làm mát, sau đó NH 3 lỏng đi qua van tiết lưu để giảm áp suất và đi vào bình bốc hơi. Ở đây nó sẽ nhận nhiệt từ chất cần làm lạnh (ở đây ví dụ là nước) và bốc hơi rồi đi qua bình hấp thụ. Tại bình hấp thụ, NH 3 sẽ được H 2 O từ bình phát sinh hấp thụ trở lại và hỗn hợp này được bơm về bình phát sinh để tiếp tục chu trình của nó. Ta thấy về mặt năng lượng (nếu không kể nguồn nhiệt từ khói đã có sẵn) thì máy l ạnh hấp thụ tiêu tốn ít năng lượng hơn nhiều so với máy lạnh có máy nén, vì công cần thiết cho máy nén để nén 1kg hơi từ áp suất po l ên áp suất pk sẽ cao hơn nhiều công để bơm hỗn hợp lỏng từ áp suất po đến áp suất pk. Do đó, tận dụng nhiệt thải của khói cho máy lạnh hấp thụ không những giúp giảm tổn thất do khói thải ra ngoài mà còn giúp ta tiết kiệm một phần năng lượng mà lẽ ra phải dùng khi s ử dụng máy lạnh có máy nén hơi. Cấu tạo a. Bộ hâm nước: Bộ hâm nước cũng như một thiết bị trao đổi nhiệt, dùng nhiệt của khói nóng đi bên ngoài để gia nhiệt cho nước lạnh đi bên trong ống. Để tăng cường diện tích trao đổi nhiệt, người ta bố trí thêm nhiều ống nối với nhau: “dạng phẳng” hoặc “không gian” Để tăng cường hệ số trao đổi nhiệt, người ta làm thêm cánh về phía khói, do khói có hệ số tỏa nhiệt đối lưu α bé hơn nước Tuỳ theo mức độ gia nhiệt trong bộ hâm nước mà bộ hâm nước có thể làm việc ở trạng thái sôi hoặc không sôi. Ở các lò ghi do nhiệt độ không khí nóng không cao nên toàn bộ lượng nhiệt còn lại thường dùng để gia nhiệt cho bộ hâm nước. V ì vậy bộ hâm nước thường làm việc ở trạng thái sôi. Cấu tạo của bộ hâm nước thường chia làm 3 loại: ống thép trơn, ống thép có cánh và ống gang. Do tính chất của gang là chịu va đập kém nên thường dung gang cho những bộ hâm nước không sôi. Ở các bộ hâm nước bằng gang, người ta thường l àm thêm cánh ở bên ngoài (vì khói có hệ số tỏa nhiệt đối lưu α bé hơn nước) để tăng cường hệ số trao đổi nhiệt . Do gang có tính đúc cao hơn thép nên việc làm cánh đối với gang dễ hơn thép nhiều. Tuy nhiên, ngày nay do công nghệ chế tạo đã phát triển nên việc làm cánh đối với thép không còn khó khăn như trước nữa. b. Bộ sấy không khí: Cũng là một thiết bị trao đổi nhiệt. Theo nguyên tắc truyền nhiệt, bộ sấy không khí được chia làm hai loại: loại thu nhiệt và loại hồi nhiệt. Nước vào Nước ra Thu nhiệt: nhiệt truyền trực tiếp từ khói tới không khí qua vách kim loại (ở đây là các ống dẫn). Bộ sấy không khí kiểu thu nhiệt được dùng rộng rãi nhất hiện nay. Nó cũng có dạng của một bộ trao đổi nhiệt loại chùm ống trong đó khói đi trong ống còn không khí đi bên ngoài ống. Người chế tạo hệ thống ống đứng đặt so le và được giữ với nhau bởi hai mặt sàng thành một cụm. Khi lắp lò, các cụm này được lắp với nhau thành bộ sấy không khí. Một cụm của bộ sấy không khí Có nhiều cách để bố trí đường đi của khói và không khí: Bộ sấy không khí kiểu ống có những ưu điểm sau: - Đơn giản trong chế tạo, lắp ráp và làm việc chắc chắn - Tro bám trong ống không nhiều, dễ dàng thổi sạch - Khắc phục hiện tượng lọt không khí vào trong đường khói - Xuất tiêu hao kim loại tương đối bé Khuyết điểm: chủ yếu là ống thép không bền vững dưới tác dụng ăn mòn của khói ở nhiệt độ cao và mài mòn bởi tro bay. Bộ sấy không khí bằng ống thép được dùng để gia nhiệt không khí tới khoảng 400 0 C. Khi mu ốn nhiệt độ không khí cao hơn, người ta dùng bộ sấy không khí bằng gang. Để tăng hệ số truyền nhiệt, ống gang thường có cánh ở ngoài và có răng ở trong. Khuyết điểm của bộ sấy không khí bằng gang là kích thước cồng kềnh và nặng nề. Bộ sấy không khí kiểu hồi nhiệt: khói đầu tiên đốt nóng kim loại rồi sau đó nhiệt tích tụ ở kim loại sẽ truyền lại cho không khí. Bộ phận chính là một rôto qua với tốc độ 2 ÷ 5 vòng/phút xung quanh tr ục đứng. Trên rôto có gắn các lá thép, những lá thép này trong quá trình rôto quay sẽ lần lượt khi thì tiếp xúc với khói nóng, khi thì tiếp xúc với không khí lạnh và qua đó “chuyển” nhiệt lượng từ khói sang không khí. Đường khói v à không khí được bố trí ở hai phía cố định và được ngăn bởi vách ngăn. Hình ảnh các “khung” và “rotor” của bộ sấy không khí kiểu hồi nhiệt, người ta sẽ lắp vào những khung này những “lá thép” để tăng diện tích trao đổi nhiệt. Trong quá trình hoạt động, các lá thép bị bám tro nên sẽ làm giảm hệ số trao đổi nhiệt nên ta dùng nước áp suất cao để rửa sạch. Thông thường, bộ sấy không khí được lắp sau bộ hâm nước. Hoặc người ta chia bộ hâm nước và bộ sấy không khí làm hai và đặt chúng xen kẽ. Việc chia cấp như vậy sẽ giảm nhiệt độ khói ở phía [...]... vào môi trường áp suất thấp sẽ làm bốc hơi một phần nước, hơi này có nhiệt độ cao khi bay ra gây nguy hiểm Do đó, cần có biện pháp cách ly lượng hơi này với môi trường bên ngoài Bên cạnh đó, lượng hơi này cụng có nhiệt lượng đáng kể nên cũng cần có biện pháp thu hồi lại nguồn nhiệt thải này Lượng nước xả lò hóa hơi (Flash steam) được tính qua phương trình cân bằng nhiệt sau (giả sử như nước được xả vào... bằng nhiệt Ta tính được: B = 0,139 kg/s Lượng nước tận dụng nhiệt qth = 40,58 % Qknr = Qnnv φB(I4 – I5) = G.cp (tn2–tn1) Suy ra: G = 2,305 kg/s Đồ thị cho ta thấy khi tận dụng nhiệt khói thải thì hiệu suất nhiệt của lò hơi tăng lên, tổn thất nhiệt do khói thải giảm xuống, đồng thời lượng tiêu hao nhiên liệu cũng giảm xuống Đồ thị cho biết, phần trăm nhiệt lượng thu hồi được và lượng nhiệt thu hồi được... nhả nhiệt cho nước cấp trong bồn 3- Nước ngưng: Nước ngưng là hơi nước ngưng tụ sau khi qua các thiết bị công nghiệp hoặc ở bình ngưng trong nhà máy nhiệt điện Hơi nước ngưng tụ từ các thiết bị công nghiệp thường có nhiệt độ cao (ứng với nhiệt độ sôi ở áp suất tương ứng) Lượng nước ngưng này hoặc được đưa trở lại lò hơi để tiếp tục sinh hơi, hoặc tiếp tục qua các bộ trao đổi nhiệt để tận dụng nhiệt. .. nhiệt để gia nhiệt cho nước cấp Ngoài ra, việc nhả nhiệt cho nước cấp sẽ làm cho nhiệt độ của nước xả ngưng giảm xuống và như thế việc xả bỏ nó ra ngoài sẽ an toàn hơn Lượng nước xả ngưng tụ = (1 – x)Dx = 0,0713 kg/s Giả sử sau khi nhả nhiệt cho nước cấp, nước ngưng được thải ra môi trường với nhiệt độ 300C Lượng nhiệt thu hồi = 0,0713 (i’1,2 – i30-1 bar) = 22,35 kW Tổng nhiệt lượng thu hồi = 32,22... dụng nhiệt thải để sấy không khí Giả sử không khí được sấy đến nhiệt độ 4000C với nhiệt độ không khí lạnh là 300C Tổn thất nhiệt do khói thải ra ngoài Q2 = (I3 – Ikkl) Nhiệt lượng đưa vào buồng lửa Qđv = Qt + Qkkn Phương trình cân bằng nhiệt Qknr = Qkknv φB(I2 – I3) = α.B.Vkk(Ikkn – Ikkl) Ta tính được các giá trị: I3 = 8645,935 kJ/kg Q2 = 8167,95 kJ/kg q2 = 18,14 % η = 77,86 % Phương trình cân bằng nhiệt: ... 29,67 % Tận dụng khói thải để hâm dầu Giả sử dầu được gia nhiệt từ nhiệt độ 300C lên 900C Tổn thất nhiệt do khói thải ra ngoài Q2 = (I4 – Ikkl) Nhiệt lượng đưa vào buồng lửa Qđv = Qt + Qkkn + Qnl Phương trình cân bằng nhiệt Qknr = Qnlnv φB(I3 – I4) = B (Cnl2t2– Cnl1t1) Ta tính được các giá trị: I4 = 8518,397 kJ/kg Q2 = 8040,412 kJ/kg q2 = 17,78 % η = 78,22 % Phương trình cân bằng nhiệt: Từ đó ta tính... bình hồi nhiệt Như vậy, ta đã tận dụng được nguồn nhiệt của hơi nước phân ly Còn lượng nước xả ngưng từ bình phân ly sẽ được thải bỏ??? Như ở ví dụ trên, lượng nhiệt do nước xả ngưng dư chiếm khoảng 50% nhiệt lượng nước xả lò, vì vậy nên tìm cách để tận dụng lại nguồn nhiệt này Như đã nói, lượng nước xả ngưng này chứa cáu cặn nên không thể sử dụng lại mà ta sẽ cho nó đi qua một thiết bị trao đổi nhiệt. .. dụng nhiệt thải qua các thiết bị: Giả sử tận dụng nguồn nhiệt để đun nước dùng trong sinh hoạt, với yêu cầu của khói thải ra khoảng 2000C, vì nhiệt độ khói thấp hơn nhiệt độ đọng sương sẽ gây ra hiện tượng ăn mòn đường ống Tổn thất nhiệt do khói thải ra ngoài Q2 = (I5 – Ikkl) Với I5 = 3606,178 kJ/kg Suy ra Q2 = 3128,193 kJ/kg q2 = 6,92 % η = 89,08 % Nhiệt lượng đưa vào buồng lửa Qđv = Qt + Qkkn + Qnl Phương. .. kW Lượng nhiệt thu hồi được chiếm khoảng 86% lượng nhiệt nước xả lò Sơ đồ xả lò ở trên hoạt động hiệu quả khi nước cấp luôn được bơm cùng thời gian khi có xả lò Tuy nhiên do xả lò không phải lúc nào cũng thực hiện, còn nước cấp thì cần cấp liên tục Do đó người ta sử dụng sơ đồ sau: Lúc này, khi có nước xả lò thì cảm biến nhiệt độ sẽ đưa tín hiệu để mở bơm tuần hoàn đưa nước tuần hoàn nhận nhiệt từ... dụng nhiệt do khói thải Nhiên liệu: dầu mazút có các thành phần làm việc như sau C = 83% - H = 10,4% - S = 2,8% - O = 0,7% - A = 0,1 % - W = 3% Thông số hơi: p = 10 bar - D = 10 tấn/giờ Các tổn thất khác: q3 = 3% - q4 = 0% - q5 = 1% - q6 = 0% Hệ số không khí thừa: α = 1,2 Khi không tận dụng khói thải: Giả sử nhiệt độ khói ra khỏi buồng lửa là 11000C, nếu không tận dụng nhiệt thải này thì Tổn thất nhiệt . CÁC PHƯƠNG PHÁP THU HỒI NHIỆT THẢI LÒ HƠI I. Nguyên lý làm việc của lò hơi Lò hơi dùng nhiệt lượng sinh ra của nhiên liệu, biến thành nhiệt năng của hơi. không phải một nguồn nhiệt thải) . Do đó, ở lò hơi có các nguồn nhiệt thải sau: - Khói - N ước tuy nằm trong bao hơi không thải nhiệt ra ngoài nhưng do