Đang tải... (xem toàn văn)
Thiết lập quy trình thiết kế hệ thống nồi hơi đốt dầu FO; Quá trình truyền nhiệt trong nồi hơi: II. Quá trình cháy nhiên liệu; 3. Tính toán thể tích sản phẩm cháy tạo thành III. Cân bằng nhiệt lò hơi3. Cách nhiệt cho buồng đốt i. Truyền nhiệt từ bên trong đến lớp thứ nhất bằng cấp nhiệt
Hệ thống nồi đốt dầu FO Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh BỘ MÔN QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ Báo cáo Thiết lập quy trình thiết kế hệ thống nồi đốt dầu FO Đề tài: Nhóm lớp: A-02 Danh sách nhóm: Năm học: 2015-2016 Page Hệ thống nồi đốt dầu FO Hệ thống nồi đốt dầu FO I Giới thiệu Lò Định nghĩa Lị thiết bị xảy trình đốt cháy nhiên liệu Nhiệt lượng tỏa từ trình cháy truyền cho nước đựng lò để biến nước thành Nghĩa thực q trình biến đổi hóa nhiên liệu thành nhiệt dòng Lò thiết bị có mặt gần tất xí nghiệp, nhà máy Trong nhà máy công nghiệp nhà máy hóa chất, đường, nước giải khát, … nước phục vụ cho q trình cơng nghệ chưng ất, cô đặc, sấy… Hơi thường bão hịa, có áp suất tương ứng với nhiệt độ bão hịa cần thiết cho q trình cơng nghệ Loại lị gọi lf cơng nghiệp, có áp suất thấp, sản lượng nhỏ Trong nhà máy điện, lò sản xuất để làm quay tua bin, phục vụ cho việc sản xuất điện năng, địi hỏi phải ó cơng suất lớn, nhiệt có áp suất nhiệt độ cao Loại gọi nồi để sản xuất điện Nhiên liệu đốt lị nhiên liệu rắn than, gỗ, bã mía, nhiên liệu lỏng dầu nặng (FO), dầu diezen (DO) nhiên liệu khí Page Hệ thống nồi đốt dầu FO Phân loại Ta phân loại lị theo nhiều cách: Theo nhiệm vụ lò hơi: Theo nhiệm vụ lị sản xuất, ta có: lị cơng nghiệp lị sản xuất điện Lị cơng nghiệp phục vụ cho q trình cơng nghệ nhà máy sản xuất công nghiệp (thường sản xuất bão hịa, áp suất khơng vượt 2,0 Mpa, nhiệt độ t= 250oC) Lò phục vụ cho sản xuất điện sản xuất nhiệt, có cơng suất lớn, áp suất nhiệt độ cao, thường lớn 2,0 Mpa 350oC Theo chế độ đốt nhiên liệu buồng lửa: lò ghi thủ cơng, lị ghi khí, lị phun nhiên liệu lỏng, lị phun nhiên liệu khí… Theo chế độ tn hồn nước lị: lị tuần hồn tự nhiên, lị tuần hồn cưỡng bức, lị trực lưu Ngun lí làm việc buồng lửa phun tuần hồn tự nhiên - Quá trình đốt cháy nhiên liệu: Thùng chứa → Bộ lọc → Bơm → Thiết bị đun nóng dầu → Vòi phun dầu → Buồng đốt Hơi nước kk nóng Page Hệ thống nồi đốt dầu FO Đầu tiên nhiên liệu bơm vào thùng chứa Sau đó, FO cho qua lọc để loại bỏ cặn bẩn tránh tượng tắc vòi phun dầu Tiếp theo, dầu đưa vào thiết bị trao đổi nhiệt, để giảm độ nhớt dầu, nhằm vận chuyển dễ dàng hơn, dễ phun hơn, đồng thời dễ bốc cháy Dầu sau đưa vào vịi phun hịa vào khơng khí thành hạt sương vào buồng đốt Các hạt sương gặp nhiệt độ cao bay bị phân hủy (cháy) tạo nhiệt lượng lớn Quá trình truyền nhiệt nồi hơi: + Truyền nhiệt diễn q trình chính: truyền nhiệt đối lưu truyền nhiệt xạ + Dầu FO sau đốt tạo nhiệt lượng lớn đốt nóng khơng khí lên nhiệt độ cao Khơng khí sau phân phối tới dàn ống phía bên nồi chứa nước Nhiệt truyền từ khí nóng qua thành ống nước chứa nồi để đun sơi nước Khi nước bốc hơi, thể tích chênh lệch nước làm tăng áp suất phần Để tăng hiệu truyền nhiệt dàn ống chia thành nhiều ống có đường kính nhỏ, gồm nhiều chặng, thướng đến chặng Các phận khác: + Hơi nước nồi sau tạo thường đưa qua nhiệt để tăng nhiệt độ Cấu tạo dạng truyền nhiệt ngược chiều ống lồng Hơi đốt sau đun sôi nước tận dụng để cấp nhiệt cho thiết bị nhiệt để tận dụng lượng nhiệt thừa + Bộ đun nước: trước nước cấp cho nồi, đưa qua hâm nước ban đầu lên gần nhiệt độ sôi Cấu tạo dạng truyền nhiệt ngược chiều Hơi cấp nhiệt khói lị, nước sau sử dụng lượng nhiệt lớn tận dụng lại Ưu nhược điểm: Ưu điểm nồi ống lửa: - Tốc độ truyền nhiệt cao trình hóa nhanh - Q trình truyền nhiệt đối lưu tốt lắp đặt số lượng lớn ống truyền nhiệt có đường kính nhỏ số lần khí qua nồi - Hiệu suất nhiệt cao - Có khả tận dụng nhiệt tốt Hạn chế: - Suất tiêu hao kim loại lớn - Khó khử cáu bẩn tro bám vào bề mặt thành ống Page Hệ thống nồi đốt dầu FO Nhiên liệu Định nghĩa Dầu Mazut, gọi dầu nhiên liệu hay dầu FO, phân đoạn nặng thu chưng cất dầu thô parafin asphalt áp suất khí chân khơng Các dầu FO có điển sơi cao Ưu – nhược điểm Ưu điểm: Dễ sử dụng Hiệu suất, suất cao Nhược điểm: Giá thành mắc Ơ nhiễm mơi trường II Q trình cháy nhiên liệu Page Hệ thống nồi đốt dầu FO Mục đích – Khái niệm Tính tốn q trình cháy nhằm mục đích cung cấp số liệu cần thiết cho việc thiết kế, vận hành, nghiên cứu kiểm tra buồng lửa Các đại lượng cần xác định bao gồm: Thể tích khơng khí lý thuyết thực tế cần thiết; Thành phần thể tích sản phẩm cháy (khơ, ẩm, lý thuyết, thực tế) sinh đốt cháy đơn vị nhiên liệu, nhiệt độ đọng sương sản phẩm cháy Để đơn giản tính tốn, ta giả thiết: Q trình cháy đẳng áp Chất oxy hóa oxy khơng khí có thành phần thể tích 21% O2 79%N2 Các chát khí tham gia xuát trình cháy xem khí lí tưởng, điều kiện tiêu chuẩn thể tích kmol chúng 22,4 m3/kmol Hệ số khơng khí thừa: Tỉ số lượng khơng khí thực cấp vào Vkk với lượng khơng khí lý thuyết tính tốn Vokk gọi hệ số khơng khí thừa, ký hiểu : >1 Tính tốn lượng khơng khí cần thiết cho cháy Lượng khơng khí lý thuyết cần thiết cho cháy: Lượng khơng khí thực tế cần thiết cho cháy: Page Hệ thống nồi đốt dầu FO Tính tốn thể tích sản phẩm cháy tạo thành Sản phẩm cháy ( gọi khói thực) gồm có khói khơ nước Tùy thuộc vào điều kiện cháy hồn tồn hay khơng hồn tồn ngun tó cháy nhiên liệu mà tỷ lệ thành phần chất sinh sản phẩm cháy khác Ở trạng thái lý thuyết, cháy hoàn toàn (α=1) tạo thành chất: CO2, SO2, N2, H2O Thể tích khói khơ lý thuyết: V0khoi.khô= 1.866.Clv + 0.7.Slv + 0.79V0kk , m3/kg Thể tích khí nito thực tế: Thể tích nước lý thuyết: VoH2O = 11.2Hlv + 1.24Wlv + 1.24Gph + 1.611.V0kk , m3/kg (Gph lưu lượngh nước để phun dầu mazut thành sương, thường lấy 0,3 – 0,35 kg hơi/ kg dầu) Thể tích nước thực tế: VH2O = 11.2Hlv + 1.24Wlv + 1.24Gph + 1.611.α.V0kk , m3/kg Thể tích khói thực: Vkhoi= VH2O + Vkhói.khơ III Cân nhiệt lị Phương trình cân nhiệt tổng quát lò Nhiệt lượng sinh đốt cháy nhiên liệu lị nhiệt lượng nhiên liệu khơng khí mang vào: Qđv = Qnl + Qkk Nhiệt lương sinh đốt cháy nhiên liệu lò phân thành hai phần: phần nhiệt sử dụng để sinh (nhiệt lượng hữu ích) phần bị trình làm việc (gọi tổn thất nhiệt lò) Như vậy: Page Hệ thống nồi đốt dầu FO Qđv = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6 Trong đó: Q1 : nhiệt lượng sử dụng hữu ích để sinh hơi, kJ/kg Q2: lượng tổn thất nhiệt khói thải mang ngồi lị hơi, kJ/kg Q3: lượng tổn thất nhiệt cháy khơng hồn tồn mặt hóa học, kJ/kg Q4: lượng tổn thất nhiệt cháy khơng hồn tồn mặt học, kJ/kg Q5: lượng tổn thất nhiệt tỏa nhiệt từ mặt ngồi tường lị khơng khí xung quanh, kJ/kg Q6: lượng tổn thất nhiệt xỉ nóng mang ngồi, kJ/kg Lượng nhiệt 1kg nhiên liệu lỏng đưa vào lò xác định công thức: Qđv = Qlvt + Qnl + Qnkk + Qp – Qk , kJ/m3 Trong đó: Qlvt: nhiệt trị thấp làm việc nhiên liệu Qnl: nhiệt vật lý nhiên liệu đưa vào: Qnl = Cnl tnl , kJ/m3 , kJ/kg Với Cnl nhiệt dung riêng nhiên liệu: Cknl nhiệt dung riêng nhiên liệu khô, tra theo bảng thông số nhiệt động, với dầu mazut: Cmz = 1,74 + 0,0025.t , kJ/kg oC n Q kk : nhiệt lượng khơng khí nóng mang vào, tính đến khơng khí sấy nóng nguồn nhiệt bên ngồi: Page Hệ thống nồi đốt dầu FO α’: hệ số khơng khí thừa đầu vào sấy khơng khí (CnlTkk)n , (Cnltkk)1 : nhiệt dung riêng nhiệt độ khơng khí nóng khơng khí lạnh Qph : nhiệt lượng dùng phun nhiệu lỏng vào lò: Qph = Gph ( iph – 2500 ), kJ/kg Gph: lượng để phun dầu vào lò sử dụng vòi phun kiểu thổi, tính ứng với 1kg nhiên liệu thường lấy Gph 0,3 – 0,35 kg hơi/ kg dầu Đối với vòi phun dầu kiểu khí Gph = nên Qph = Iph: Entapi phun dầu vào lị Thực tế khong khí nhiên liệu cấp cho lị thường khơng sấy nguồn nhiệt bên ngồi mà sấy khói từ lị khơng dùng phun dầu tốn nên Qnl, Qkk, Qph coi gần lượng nhiệt đưa vào lò nhiệt trị thấp nhiên liệu: Qđv = Qlvt , kJ/kg, kJ/m3 Hiệu suất lò Hiệu suất lò tỉ số lượng nhiệt sử dụng hữu ích lượng nhiệt cung cấp vào lò IV Buồng đốt Yêu cầu Đảm bảo cháy hết nhiên liệu cấp vào với hệ số khơng khí thừa nhỏ Thỏa mãn chương trình nhiên liệu rộng mà khơng giảm hiệu suất chu kì vận hành thay đổi nhiên liệu đốt Sản phảm cháy không phép rút ngắn chu kỳ vận hành đóng xỉ hay bám tro Sản phẩm cháy khỏi buồng lửa phải chứa tro chứa chất có hại Tường buồng lửa phải sử dụng tốt để sản xuất phải bảo đảm làm lạnh khói đến mức cần thiết trướ khỏi buồng lửa Không gian cần thiết cho buồng lửa phải nhỏ đến mức Page Hệ thống nồi đốt dầu FO Các phần buồng lửa trang bị phụ phải có khối lượng nhỏ có thể, không yêu cầu nhiều vật liệu hợp kim đắt tiền Năng lượng tự dùng buồng lửa thiết bị phụ máy nghiền, quạt phải mức tối thiểu Có thể điều chỉnh tốt nhanh trình buồng lửa, đồng thời công suất tối thiểu buồng lửa phải thấp Buồng lửa khơng hạn chế sản lượng lị khơng cản trở tăng sản lượng lò Phải bảo đảm độ tin cậy cao vận hành Chi phi đầu từ vận hành buồng lửa phải thấp Buồng lửa cho phép dùng phương pháp quen biết để điều chỉnh nhiệt độ nhiệt phía khói Đặc tính cơng nghệ 4.1 Buồng đốt: F= D D1 Diện tích cần để sinh hơi: + D1 suất bốc riêng phần kg/m2.h + D suát bốc toàn phần, kg/h V= Bt Qth lv qv Thể tích buồng lửa: + Bt lượng nhiên liệu tiêu hao, kg/h + Qthlv nhiệt trị thấp nhiên liệu + qv ưng suất nhiệt cho phép buông đốt ( nhiệt thế) kW/m3 Xác định chiều dày buông đốt l xác định chiều dài lửa Page 10 Hệ thống nồi đốt dầu FO Tính bền cho thân thiết bị i Tính bề dày tối thiểu thân Thân hình trụ, chịu ứng suất vòng ( với điều kiện: t < 0,5R ; P < 0,385SE ) E: Hệ số bền mối hàn P: áp suất tính tốn bên trong(psi) đốt S: ứng suất tối đa cho phép( ví dụ cho thép 304) R: bán kính bên thân ii Tìm tỉ số A Tính tỉ số Tra bảng Fig G Subpart of Section Part D (p 791,792) cho giá trị L/Do Page 21 Hệ thống nồi đốt dầu FO Nếu > 50, lấy giá trị = 50 bảng Nếu < 0,05, lấy giá trị = 0,05 bảng Từ giá trị , di chuyển ngang đến giá trị (giá trị nội suy) kẻ thẳng xuống cắt trục Factor A, đọc giá trị A Page 22 Hệ thống nồi đốt dầu FO iii Tìm giá trị B Đối với vật liệu thép 304 Từ điểm A trục Factor A, kẻ thẳng đứng cắt đường vật liệu/nhiệt độ(nhiệt độ đốt lò) Kẻ ngang từ điểm cắt trục Factor B, đọc giá trị B iv Tính áp suất lớn cho phép Áp suất lớn cho phép tính theo cơng thức: Nếu điểm A nằm bên trái đường vật liệu/ nhiệt độ , ta tính áp suất lớn cho phép theo công thức: So sánh giá trị Pa với áp suất thiết kế bên ngoài: Nếu Pa < P: tăng bề dày t, thực lại trình tính tốn Pa ≥ P: chọn giá trị Page 23 Hệ thống nồi đốt dầu FO VII Tính bền cho nồi theo TCVN Tính bền cho đáy nắp thiết bị i Đối với nắp hình elip Nồi chịu áp suất Tính bề dày tối thiểu S’ Khi : Khi: Trong đó: P: áp suất tính tốn thiết bị,N/mm2 Page 24 Hệ thống nồi đốt dầu FO �: ứng suất cho phép kéo vật liệu làm đáy : bán kính cong bên đỉnh đáy(nắp),mm bán kính cong bên ngồi đỉnh đáy(nắp),mm ht, hn: chiều sâu bên bên phần elip, mm Tính áp suất Tính bền cho thân thiết bị i Chọn vật liệu Do nồi làm việc áp suất nhiệt độ cao nên chọn thép thép chất lượng cao, gồm loại thép tấm, thép cán, thép rèn có tính chất sau: Cacbon không lớn 0,23% Phốtpho không lớn 0,04 % Lưu huỳnh không lớn 0,04 % Cacbon + mangan/6 không lớn 0,45 % Giới hạn bền kéo tính tốn nhỏ thép nhiệt độ làm việc thành không lớn 450 MPa, nhiệt độ tính tốn thành khơng lấy thấp 250 0C Ở chọn thân hình trụ hàn nồi lớn dùng hàn để ghép nhiều kim loại lại với dễ chế tạo tiết kiệm chi phí so với thân rèn nguyên khối ii Xác định nhiệt độ tính tốn Nhiệt độ tính tốn thành dùng để thiết kế tính tốn độ bền phận nồi trường hợp không lấy thấp 250 °C Đối với phần thân không tiếp xúc với khói lị (hơi nóng) phần bảo vệ đầy đủ với khói nóng thì: nhiệt độ T phải nhiệt độ lớn nước nóng hay nước nằm bên trong: tv = tbh Đối với phần tiếp xúc trực tiếp với khói nóng thì: T nhiệt độ trung bình thành: Page 25 Hệ thống nồi đốt dầu FO tv min= tbh + 25 Xác định ứng suất cho phép: Trong đó: : hệ số hiệu chỉnh, xác định theo điều kiện làm việc thiết bị : ứng suất cho phép tiêu chuẩn, N/mm2 , xác định theo bảng đặc tính loại thép Tra bảng ứng suất cho phép: Page 26 Hệ thống nồi đốt dầu FO iii Xác định hệ số làm yếu Hệ số làm yếu hàn: ϕ h Khi hàn tay hai phía, lấy ϕh = 0,95; Khi hàn tay phía có miếng lót, lấy ϕh = 0,9; Khi hàn tự động phía, lấy ϕh = 0,8; Khi hàn tay phía, lấy ϕh = 0,7; Khi hàn tự động hai phía, lấy ϕh = 1,0 Hệ số làm yếu khoét lỗ Khi lỗ đặt song song: Theo phương dọc trục: Theo phương ngang trục: ϕd = ϕd = Khi lỗ đặt so le: ϕd = iv Độ bền thân hình trụ hàn Bề dày tối thiểu thân hình trụ Khi tính theo đường kính (mm): pDt Khi tính theo đường kính ngồi (mm): 2ϕ [ σ ] − p S'= S'= pDn 2ϕ [ σ ] + p Trong đó: Dt, Dn : đường kính thiết bị, mm p: áp suất tính tốn thiết bị, N/mm2 φ: hệ số làm yếu mối hàn Page 27 Hệ thống nồi đốt dầu FO [σ]: hệ số làm yếu Bề dày thực thân thiết bị: S = S’ + C Trong đó: C: hệ số hiệu chỉnh C = Ca + Cb + Cc + C0 Ca: hệ số bổ sung ăn mịn hóa học mơi trường, mm Cb: hệ số bổ sung bào mòn học môi trường, mm Cc: hệ số bổ sung sai lệch chế tạo, lắp ráp, mm C0: hệ số bổ sung quy trịn kích thước, mm Đối với thiết bị nồi mơi trường thường có tốc độ ăn mòn nhỏ 0.05 mm/năm nên Ca = 0, Cb =0 mơi trường thay đổi, Cc lấy Đối với Co: Co = mm thép dùng để chế tạo có chiều dày < 20 mm Co = thép chế tạo có chiều dày ≥ 20 mm Kiểm tra điều kiện bền Kiểm tra áp suất cho phép bên thiết bị: [ p] = [ σ ] ϕ ( S − Ca ) Dt + ( S − Ca ) Nếu [p] > p thỏa điều kiện Page 28 Hệ thống nồi đốt dầu FO VIII Vòi phun Trong buồng lửa lò thường đốt dầu FO có lưu huỳnh với độ nhớt cao có paraphin Dầu FO phun mịn qua vịi phun vào buồng lửa, đốt theo phương pháp khác Có loại phun dầu: Phun khí Phun dùng khơng khí nén Vịi phun nước khơng khí có áp suất cao Vịi phun có lớp bên dẫn dầu, bên ngồi dẫn khơng khí nén nước Tại điểm thắt chênh lệch áp suất dầu hịa vào khơng khí Ta thường dùng khơng khí nén với áp suất khoảng – bar, tiêu tốn khoảng 0,09 – 0,15 m3 khơng khí/l dầu Nếu dùng nước, áp suất khoảng 2,5 – bar, tiêu tốn khoảng 0,2 – 0,6 kg hơi/kg dầu Page 29 Hệ thống nồi đốt dầu FO Vịi phun khí Ngun tắc vận hành: nhiên liệu phun bụi động dịng có áp suất lớn qua cá lỗ phun nhỏ lực ly tâm xoắn dòng Sự đập mịn giọt nhiên liệu sau tác dụng áp suất môi trường Thường dùng loại bơm có áp suất từ 10 – 20 bar (1): ống phun, (2): đĩa phân phối, (3): đĩa xoáy, (4) đĩa phun, (5): êcu Đối với khơng khí dùng bơm thổi song song với vòi phun vào lò Sắp xếp vịi phun Vịi phun bố trí thành vài dãy, phía phía đối diện Có thể điều chỉnh cơng suất lò cách điều chỉnh số lượng vòi phun hoạt động Quạt khói Có thể có khơng có quạt khói Quạt khói chủ yếu dùng để hút khí thải thiết bị lớn có trở lực cao Áp suất hoạt động từ 0,6 – 0,7 bar IX Các thiết bị phụ Thiết bị đo lường - Đồng hồ đo nhiệt độ Đồng hồ đo áp suất Thiết bị đo lưu lượng Thiết bị đo thành phần khói Thiết bị an tồn Nồi làm việc môi trường nhiệt độ cao, áp suất cao nên dễ gây tượng phá hủy thiết bị, dẫn đến thiệt hại to lớn nồi ln ln phải trang bị thiết bị an tồn, Page 30 Hệ thống nồi đốt dầu FO thiết bị thường xuyên đóng, xảy cố mở để xả áp giảm nhiệt độ tự phá hủy vị trí quy định i Van an toàn - Là thiết bị để khống chế áp suất lị khơng để vượt q giới hạn cho phép phá hủy thiết bị Trên nồi hơi, van an toàn đặt ba lông, đầu nhiệt đầu vào, đầu hâm nước gang - Khi làm việc bình thường, van an tồn lnđóng, áp suất nồi vượt giới hạn cho phép van an tồn tự động mở để xả bớt làm giảm áp suất đến mức cho phép, lúc van lại tự động đóng lại ii Đinh chì - Là thiết bị bảo đảm an toàn cho bề mặt truyền nhiệt, người ta làm đinh chì gắn vào bề mặt truyền nhiệt cần bảo vệ ren - Đinh chì nút gồm hai phần, bên ngồi làm thép, córen, lõm làm hợp kim chì có nhiệt độ nóng chảy thấp Page 31 Hệ thống nồi đốt dầu FO - Khi làm việc bình thường, đinh chì bề mặt truyền nhiệt nước làm mát, lượng nước xuống mức, nhiệt độ bề mặt tăng lên, đến nhiệt độ gây nguy hiểm cho bề mặt truyền nhiệt, lõi chì nóng chảy, nước phun làm tắt nồi báo cho người vậnhành biết xử lý iii Cửa phòng nổ - Trên tường buồng nổ, nồi đốt dầu thường có bố trí cửa phịng nổ Thường cửa nghiêng, có tiết diện hình chữn hật, thường xuyên đóng nhờ trọng lực nắp có lề - Kh ibuồng lửa có tượng cháy đột ngột, áp suất tăng mức cho phép vượt qua trọng lực nắp lúc nắp mở để xả khói ngồi, làm áp suất giảm nắp tự động đóng lại iv Nắp phịng nổ - Trên tường buồng nổ, nồi đốt dầu thường có bố trí cửa phịng nổ Thường cửa nghiêng, có tiết diện hình chữn hật, thường xuyên đóng nhờ trọng lực nắp có lề - Kh ibuồng lửa có tượng cháy đột ngột, áp suất tăng mức cho phép vượt qua trọng lực nắp lúc nắp mở để xả khói ngồi, làm áp suất giảm nắp tự động đóng lại X Tham khảo Giáo trình Lị Hơi – PGS TS Hồng Ngọc Đồng Tính tốn, thiết kế thiết bị hóa chất dầu khí – Hồ Lê Viên ASME Boiler and Pressure Vessel Code Page 32