Tính nhiệt và khí động lò hơi tầng sôi

Đây là tiều liệu thiết kế, tính kiểm tra nhiệt của lò hơi đốt trấu theo phương thức sôi bọt. Việc tính toán và thiết kế hoàn toàn dựa vào thực tiễn chế tạo lò hơi của Việt Nam hiện nay. Việc tính toán tập trung vào thông số nhiệt buồng đốt, dàn đối lưu, Tính khí động để chọn quạt và chiều cao ống khói.

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG

Cùng với việc tăng giá nhiên liệu dầu trên thế giới, sức ép về chi phí nhiên liệu của các cơ sở sản xuất đang tăng mạnh và các cơ sở sản xuất đang

có xu hướng thay thế các nhiên liệu nhập ngoại bằng các nhiên liệu có sẵn trong nước và nhất là các loại nhiên liệu rẻ tiền Công nghệ tầng sôi với các

ưu điểm nổi bật của mình có thể là 1 giải pháp hỗ trợ cho các doanh nghiệp

do có 1 số ưu điểm sau:

 Có thể đốt được các nhiên liệu nhiệt trị thấp như than cám, phụ phẩm nông nghiệp: trấu bã mía, mùn cưa,…

 Có thể đốt được các nhiên liệu có độ ẩm cao đến 25% như than bùn, rác thải, cặn bùn…

 Có thể cơ giới hóa nên hiệu suất sử dụng cao hơn lò thủ công

 Có thể sử dụng biện pháp sơ cấp giảm chi phí độc hại nhờ thêm phụ gia vào trong buồng đốt do đó có thể đốt nhiên liệu có thành phần lưu huỳnh cao mà không gây ô nhiễm môi trường

 Có thể tăng khả năng tự động hóa thiết bị nhiệt, nhất là vấn đề cấp liệu thải bụi

 Do nhiệt độ buồng đốt thấp nên tuổi thọ thiết bị tăng lên

 Có thể thay đổi nhiên liệu một cách linh hoạt

So sánh một số nhiên liệu và giá thành sản xuất nhiệt được cho trong bảng

Từ bảng này ta thấy giá thành sản xuất nhiệt hay chi phí nhiên liệu khi chuyển từ dầu FO sang than đá còn là 61%, chuyển sang trấu chỉ còn là 18% Như vậy mức độ tiết kiệm là đáng kể, nhất là cho các cơ sở dùng nhiệt nhiều

Để sử dụng các nhiên liệu có nhiệt trị thấp thì thiết bị tầng sôi là 1 phương án khả thi và thích hợp với điều kiện ở nước ta hiện nay

Vỏ hạt điều

Trấu, mùn cưa Nhiệt trị kJ/k

g 48000 45980 43890 29260 20900 18000 16000 Nhiệt trị so với

nhiệt tương

đương

đ 11000 7909 5756 3281 2010 1197 577 Chi phí so với

Gas - 1 0,719 0,523 0,298 0,183 0,109 0,052 Chi phí so với

dầu FO - 1,91 1,37 1 0,57 0,35 0,21 0,1 Chi phí so với

than đá - 3,35 2,41 1,75 1 0,61 0,36 0,18 Chi phí 1 năm,

cho FO

triệu đồng /năm

2000 1140 698 237 70

Hình bên cho ta thấy được rõ mức độ

giảm chi phí nhiên liệu khi được sử

dụng các nhiên liệu có giá thành rẻ

So sánh chi phí nhiên liệu

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Gas,LPG DO FO Than đá Than cám Vỏ hạt

điều Trấu, mùn cưa

loại nhiên liệu

GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU

1 Việc tính toán thiết kế buồng đốt BFB dựa trên mô hình thực

nghiệm đang được nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của Viện Khoa Học Và Công Nghệ Nhiệt Lạnh

2 Việc tính toán tập chung vào xác định các thông số nhiệt, tính khí

động để tính chọn quạt và chiều cao ống khói và các thông số thiết

CHƯƠNG 2: TÍNH NHIỆT LÒ HƠI TẦNG SÔI ĐỐT TRẤU 2.1 KHÁI NIỆM TẦNG SÔI

Đây là một công nghệ đốt được phát triển từ công nghệ đốt trên ghi cố định Gió cấp được thổi từ dưới ghi lên Khi tốc độ gió đủ lớn sẽ tạo ra một lực cuốn thắng được trọng lực của hạt và khi đó, các hạt sẽ bắt đầu dịch chuyển lên trên tạo ra một lớp hạt lơ lửng giống như 1 lớp chất lỏng Các chế

độ tương tác giữa khí và hạt phụ thuộc vào tốc độ gió cấp vào bao gồm: lớp

cố định, giả lỏng sôi đều, sôi bọt, sôi dạng pít tông, sôi rối, sôi chèn và sôi tuần hoàn

2.2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ ĐỐT TẦNG SÔI

Đây là kiểu lò đốt trấu theo phương thức sôi bọt (BFB), chiều cao lớp sôi được giữ cố định trong một khoảng cho phép nào đó Không gian cháy chỉ chiếm một phần trong toàn bộ buồng đốt Gió cấp vào từ quạt có 2 nhiệm vụ:

i) Cung cấp không khí cho quá trình cháy nhiên liệu

ii) Tạo và duy trì lớp sôi

Khi tốc độ gió cấp vượt quá tốc độ giới hạn cho phép, chất rắn sẽ bị thổi bay ra khỏi lớp Nếu hạt tương đối thô sẽ quay trở lại mặt ghi do ảnh hưởng của trọng lực Nếu tiếp tục tăng tốc độ gió thì có thể một bộ phận hoặc toàn

bộ hạt trên bề mặt ghi rơi vào trạng thái chuyện động hai hướng: một hướng

đi lên do lực nâng, một hướng đi xuống trở lại mặt ghi do trọng lực Trạng thái này giống như trạng thái sôi của chất lỏng, tốc độ gió tại đó là umf (tốc độ sôi tối thiểu) Lúc đó, lớp chất rắn chuyển động từ trạng thái lớp cố định sang trạng thái lớp sôi hay lớp sôi Khi tốc độ gió tiếp tục tăng đến một giá trị giới hạn ugh, toàn bộ lớp sôi sẽ bị phá huỷ, các hạt trong lớp sôi đều bị bay ra ngoài, tương tự nếu tốc độ gió quá nhỏ không đủ để nâng khối lượng các hạt lên thì lớp sôi lại trở thành lớp cố định

Như vậy, trong vận hành lò hơi BFB, tốc độ gió cấp vào lò phải nằm trong khoảng giới hạn sau: umf < u < ugh

2.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ TÍNH TOÁN

2.3.1 Nhiệm vụ thiết kế

 Sản lượng hơi định mức của lò hơi 2 tấn/h

 Áp suất hơi làm việc Pbh = 10 at

 Nhiệt độ hơi bão hoà tbh = 180 oC

 Nhiệt độ nước cấp tnc = 20 oC

 Nhiệt độ không khí cấp vào lò tlkk = 20 oC

 Nhiệt độ khói thoát tk = 150 oC

Đặc tính nhiên liệu trấu:

1 - Bộ trao đổi nhiệt kiểu ống nước

2 - Bộ trao đổi nhiệt kiểu ống lửa (Bao hơi)

Nhiên liệu được cấp vào lò từ phần trên lớp sôi, gió được cấp vào từ dưới ghi sẽ thổi cho lớp vật liệu sôi, khói sau khi trao đổi nhiệt trong buồng lửa sẽ được dẫn vào Bao hơi nước (bộ trao đổi nhiệt kiểu ống lửa), sau đó ra ngoài theo đường khói

a Cấu tạo của bộ trao đổi nhiệt kiểu ống nước (buồng đốt):

Tường buồng đốt là các ống sinh hơi có hàn các kín giữa các ống nước là

các tấm kim loại Các thông số thiết kế buồng đốt được cho trong bảng 1,

bảng 2, bảng 3, bảng 4 dưới đây:

Vật liệu chế tạo làm các dàn ống sinh hơi là thép C20

b Thông số thiết kế bộ trao đổi nhiệt ống lửa (Ba lông)

Bộ trao đổi nhiệt kiểu ống lửa là bộ trao đổi nhiệt khói đi trong ống, nước bao ngoài ống Thép chế tạo Bao hơi là thép 10K

Trong thiết kế này ta chia đường khói đi trong Ba Lông làm 3 cụm, các

thông số thiết kế được cho trong bảng 5, bảng 6, bảng 7 dưới đây:

gió

khói

NL

Ghi chú

8 Diện tích ghi là Fghi m2 1.2x1.2 1.44

9 Bề ngang của BL a m cạnhghi+ddướigóp 1.419

10 Chiều sâu buồng

dưới góp 1.325

Bảng 2: Thông số thiết kế phần lớp sôi

Ghi chú

Ghi chú

1 Đường kính ống

3 Diện tích mỗi ống f m2 3.14*dtrong*l 0.685

2.3.3 Tính toán phụ

1 Cân bằng không khí

Xác định hệ số không khí thừa tuỳ thuộc vào phương pháp đốt Đối với phần tính toán này ta chọn hệ số không khí thừa tuỳ thuộc vào từng chế độ làm việc của lò

Thông thường khi chế độ phụ tải nhỏ hơn 100 % thì hệ số không khí thừa phải lớn hơn hệ số không khí thừa ở tải định mức

rH2O = 2

o

H O K

V

V =0, 6695,319=0,252 Pâaân tâek tícâ kâí 3 nguyeân tö û :

rp = rH2O+rRO2 =0,127 + 0,252 = 0,379

b Tính Entanpi của sản phẩm cháy

Entanpy của khói là (Tài liệu 1):

I  I  ( " 1)I    ITrong đó:

a A Q

Nên có thể bỏ qua giá trị Itr

Từ đó ta có bảng tính entanpi của khói

Đặc tính của sản phẩm cháy khi các hệ số không khí thừa khác nhau tính

toán trong bảng 8 dưới đây:

Entanpy khói được tính toán trong bảng 9 và các tổn thất nhiệt nhiệt trong lò hơi được xác định trong bảng 10 và bảng 11

d

V R

V



Hàm lượng chất bốc trong trấu là Vc = 63,3%;

 Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt hóa học q3:

q3 = 2% theo tài liệu TBLH tập 1

 Tổn thất nhiệt cho môi trường xung quanh q5:

dm dm

D

D

3 Thể tích khói khô Vkhkhô m3tc/kg Vokhkhô+(α-1)*Vokk 3.9829 4.083 4.399829 4.4998987 3.96145952

4 Thể tích khói thực Vkhoi m3tc/kg Vkhkhô+VH20 5.3188 5.519 6.152754 6.3528943 5.91452511

5 Phân thể tích RO2 rRO2 at VRO2/Vkh 0.1274 0.123 0.110117 0.1066477 0.1145521

6 Phân thể tích H2O rH2O at VH2O/Vkh 0.2512 0.26 0.284901 0.2916774 0.33021511

7 Phân thể tích khí 3

nguyên tử rP at rRO2+rH2O 0.3786 0.383 0.395018 0.398325 0.44476721

Bảng 10: Entanpy của khói

1 Nhiệt trị thấp làm việc Qtlv kJ/kg cho 15308 15308 15308 15308

2 Nhiệt độ khói thải t"kh oC giả thiết 240 220 230 250

3 Entanpy khói thải Ikt kJ/kg tra bảng 1558.76 1428.87 1493.82 1623.71

4 Entanpy không khí lạnh Ilkk kJ/kg lấy bằng nhiệt độ môi

trường 20oC 293.6 293.6 293.6 293.6

5 Tổn thất nhiệt do cháy không

hoàn toàn vể mặt cơ học q4 % chọn 6 % đến 10 % 8.92 8.92 8.92 8.92

6 Tổn thất nhiệt khói thải q2 % (Ikt-α*Ilkk)(100-q4)/Qtlv 7.18 6.41 6.79 7.56

7 Tổn thất nhiệt do cháy không

hoàn toàn về mặt hoá học q3 % chọn theo TBLH tập 1 2 2 2 2

8 Tổn thất nhiệt cho môi trường

9 Tổn thất nhiệt xỉ q6 % ax*Alv/100*Cx*tx 0.19 0.19 0.19 0.19

10 Tổng tổn thất nhiệt Σq % q2+q3+q4+q5+q6 19.80 20.02 19.91 19.88

12 Entanpy của hơi i"hoi kJ/kg 10bar,180oC 2778 2778 2778 2778

13 Entanpy của nước cấp i"nc kJ/kg 20oC 84.88 84.88 84.88 84.88

14 Nhiệt có ích của lò hơi Qci kW D*(I''hoi-I'nc) 1496.18 897.71 1122.13 1870.22

15 Tiêu hao nhiên liệu Btt kg/s 100*Qci/(Qtlv*η)*(1-q4/100) 0.11 0.07 0.08 0.14

2.3.4 Tính toán phần lớp sôi

Trong lò hơi đốt theo công nghệ tầng sôi, việc tính toán chỉ khác với các

lò hơi thông thường ở phần lớp sôi của lò Còn các phần khác có phương pháp tính tương tự như các lò PC cổ điển Có rất nhiều phương pháp để tính toán lớp sôi Trong đề tài tốt nghiệp này ta sẽ tính phần trên lớp sôi theo phương pháp của Đại Học Thanh Hoa Trung Quốc

Đối với phần lớp sôi, ta cần phải xác định được vận tốc gió phù hợp sao cho nó phải đủ lớn để làm cho lớp vật liệu sôi và nó cũng không được lơn quá

sẽ làm cho lớp vật liệu sôi bay ra ngoài theo đường khói

Chính vì vậy vận tốc gió phải đảm bảo mf    gh

1 Giá trị mf[m/s] được xác định theo công thức 2-8 sách Trung Quốc:

4,75 t 4,75 t

Ar.

18+0,6 Ar.

khi mf hat

khoi

 : độ nhớt của khói, [m/s]

1,5.10 ( 123, 6)

ls khoi

khi khi ls

T T

Trị số Ar được tính theo công thức:

 : khối lượng riêng của hạt tro, [kg/m3]

2 Giá trị gh được xác định theo công thức:

Ar

18+0,61 Ar

khi gh hat

Vận tốc gió có thể được xác định theo công thức (5 – 1 TL1)

Các kết quả tính toán phần lớp sôi được trình bày trong bảng 12

Từ bảng 11 ta thấy sai số ΔQ < 0.5% nên có thể chấp nhận được Trong trường hợp ΔQ lớn hơn 0.5% thì ta phải thay đổi lại kết cấu phần lớp sôi, tăng giảm diện tích nhận nhiệt phần trong lớp sôi để thay đổi giá trị

Qls = 0.001*KLS*HLS*Δt, [kW]

sao cho ΔQ = |Q’ls – Qls|/Qls*100% < 0.5%

1.487 1.053 1.113 1.868

17 Độ rỗng lớp sôi

25 Hệ số Kε - [(18*ReHAT+0.36*Re

2 HAT)/

khỏi lớp sôi I"LS kJ/kg

tra bảng ở nhiệt độ ra khỏi

2.3.5 Tính toán phần trên lớp sôi

Phần trên lớp sôi gồm phần trung gian và phần buồng lửa phía trên

Để tính toán phần này ta có thể tính riêng cho phần trung gian và tính riêng

cho phần buồng lửa phía trên Nhưng để cho đơn giản tính toán ta có thể tính

chung cho cả 2 phần này

Nhiệt độ khói ra khỏi buồng lửa được tính theo công thức (5 – 35 TL1):

θ”tls = Totls/((C*(Totls/1000)4*4.18*Htls/Btt/Qdvtls)0.6+1))-273

Trình tự tính toán phần trên lớp sôi được trình bày trong bảng 13

Bảng 13: Tính truyền nhiệt phần trên lớp sôi

T

Kí Hiệu

Btt/Qdvtls)^0.6+1))-273 584.3 385.0 503.1 643.3

5 Entanpy khói ra khỏi lớp

phần trên lớp sôi I"tls

2.3.6 Tính toán phần cụm ống 1

Trong Bao hơi thực chất là bộ trao đổi nhiệt kiểu ống lửa, khí đi trong

nước bao ngoài Trong cả 3 cụm ống đều có cách tính như sau:

Giả thiết nhiệt độ ra khỏi cụm ống: θ”co1, oC

Nhiệt độ trung bình của khói trong cụm ống: θtb = (θ’co1 + θ”co1)/2, oC

Từ nhiệt độ trung bình ta xác định được các thông số của khói:

 Độ nhớt động học của khói υkhoi, m2/s

 Hệ số dẫn nhiệt của khói λkhói, W/moC

 d - đường kính trong của ống lửa, m

Sau đó ta có thể xác định được hệ số tản nhiệt đối lưu theo công thức

sau:

0,85 0,4 khoi

1

0,023.

Hệ số tính đến ảnh hưởng của đường kính và chiều dài ống Cl, Cd

Đối với cụm ống phía sau này ta có thể bỏ qua lượng nhiệt trao đổi bực

xạ, vì nó rât nhỏ và phần này nhận nhiệt đối lưu là chủ yếu

Hệ số trao đổi nhiệt bức xạ có thể được tính theo công thức:

bx =5,67.10 (a +1)/2.T *(1-(T /T ) /(1-T /T ))*a b co1 vo1 co1 vo1 co1 kh

Các đại lượng trong công thức trên được xác định nhờ các công thức

trong tài liệu thiết kế lò hơi (Th.S Mai Thanh Hà Huế, Giáo sư Nguyễn Sĩ

Mão)

Sau khi tính được hệ số tản nhiệt bực xạ và hệ số tản nhiệt đối lưu, ta

tính được hệ số tản nhiệt của cụm ống k, W/m2K

Suy ra lượng nhiệt truyền cho cụm ống: Qco1 = k.H.Δθ/Btt, kW

Entanpy khói ra khỏi cụm ống 1: I”co1 = I’co1 – Qco1, kW

Tra bảng Entanpy ta có được nhiệt độ khói ra khỏi cụm ống: θ”tco1, oC

Độ chênh nhiệt độ phải đảm bảo nhỏ hơn 0,5% Nếu lớn hơn ta phải tiến hành chọn lại nhiệt độ giả thiết lúc ban đầu

Trình tự và phương pháp tính được trình bày cụ thể trong bảng 14

2 Entanpy khói vào cụm

ống 1 I'co1 kJ/kg I'co1 = I"tls+Δα*I

7 Tiết diện khói đi qua

khói

1 m2 n1*Л*d2trong/4 0.104 0.104 0.104 0.104

8 Tốc độ khói ωkh m/s Vkh*Btt *(1+ttbco1/273)/ Fkhói1 17.3 7.5 10.5 20.0

9 Nhiệt độ tuyệt đối của

tb co1 K ttbco1+273 717.6 597.0 670.0 766.1

10 Nhiệt độ tuyệt đối của

dtro2)0.33 1.5 1.7 1.5 1.4

22 Nhiệt lượng truyền cho

cụm ống 1 Q1 kJ/kg k*H1*Δt/1000/Btt 2014.9 853.0 1508.7 2164.3

23 Entanpy khói ra khỏi

cum ống 1 I"co1 kJ/kg I"tls- Q1 2210.5 1887.4 2111.8 2500.7

24 Nhiệt độ khói ra khỏi

cụm ống 1 θ"co1

o

2 Entanpy khói vào

cụm ống 2 I'co2 kJ/kg I'co2 = I"co1+Δα*I

9 Nhiệt độ tuyệt đối

13 Khối lượng riêng

của khói Gkh kg/kg 1-0.01*A

16 Tích số Kps Kps cm2/kg.m (Ktro+Kkh)*p*s 0.543 0.547 0.548 0.525

2.3.8 Tính toán toán nhiệt cụm ống thứ 3

2 Entanpy khói vào

cụm ống 3 I'co3 kJ/kg I'co3 = I"co2+Δα*I

7 Tiết diện khói đi qua

22 Nhiệt lượng truyền Q3 kJ/kg k*H3*Δt/1000/Btt 98.423 21.917 66.677 165.476

23 Entanpy khói ra khỏi

cum ống 3 I"co3 kJ/kg I"co2- Q3 1800.4 1734.0 1759.7 1859.3

24 Nhiệt độ khói ra khỏi

cụm ống 3 θ"co3

o

CHƯƠNG 3: TÍNH KHÍ ĐỘNG 3.1 NHIỆM VỤ

Nhiệm vụ của hệ thống thông gió là khắc phục tất cả các trở lực để cung cấp đồng thời đầy đủ lượng không khí cần thiết cho quá trình cháy trong buồng lửa đồng thời đưa các sản phẩm cháy đi qua các bề mặt đốt và thải ra ngoài trời

Lò hơi khác nhau thì yêu cầu hêj thống thông gió khác nhau Loại lò đốt kiểu nhỏ không có bề mặt truyền nhiệt phân đuôi thì trở lực không khí đưa vào lò và thải khói ra khỏi lò rất nhỏ cho nên chỉ dùng lực tự hút của ống khói

là có thể thông gió tốt

Khi trở lực lớn hơn như loại lò đốt theo lớp có bề mặt truyền nhiệt phía sau thì trở lực gió tương đối lớn do đó phải ddùngdùng quạt gió để đưa không khí vào buồng lửa còn thải ra ngoài buồng lửa thì nhờ lực hút của ống khói có

đủ độ cao, hay dùng quạt hút khói

Thường người ta dùng phương pháp thông gió thăng bằng nghĩa là nhiệm

vụ đưa gió vào buồng lửa do quạt cung cấp gió đảm nhiệm, còn nhiệm vụ thải gió là do quạt hút khói đảm nhiệm Phương pháp điều chỉnh như trên làm cho

lò hơi và đường khói có độ chân không hợp lý đảm bảo các yêu cầu vệ sinh cho gian lò, vận hành kinh tế hơn Hiện nay các loại lò hơi lớn và loại trung bình đều sử dụng biện pháp thông gió này

Trở lực ma sát được tính theo công thức cơ bản sau :

2

1 2

 dtd : đường kính tương đương của máng dẫn khí, m;

 ω : tốc độ của dòng khí lấy theo nhiệt độ trung bình của dòng và