Nghiên cứu ứng dụng thiết bị tận dụng nhiệt khối thải sử dụng ống nhiệt trọng trường trong các lò dầu truyền nhiệt đốt than đá

Nghiên cứu ứng dụng thiết bị tận dụng nhiệt khối thải sử dụng ống nhiệt trọng trường trong các lò dầu truyền nhiệt đốt than đá

NGHIÊN C U NG D NG THI T B T N D NG NHI T KHÓI TH I S

D NG NG NHI T TR NG TR NG TRONG CÁC LÒ D U TRUY N NHI T T THAN Á

GVHD: GVC.TS Tr n V n Vang SVTH: Ngô M u N m & Nguy n Ng c Huy

L p 04N1, Khoa Công ngh Nhi t i n l nh

i h c Bách Khoa à N ng TÓM T T

Trong khi giá nhiên li u t ng cao, nhi t th i t các lò h i, lò gia nhi t ch a c t n

d ng, gây lãng phí ngu n n ng l ng Báo cáo này trình bày nghiên c u ng d ng thi t b t n d ng nhi t khói th i s d ng ng nhi t tr ng tr ng gia nhi t không khí trong các lò d u truy n nhi t t than á M t s ph ng pháp c i ti n nâng cao

hi u qu trao i nhi t ng th i m ra nh ng h ng ng d ng m i c a thi t b c ng

c c p ây Các thông s v n hành c o tr c ti p trên thi t b t n d ng nhi t th i s d ng ng nhi t tr ng tr ng t i nhà máy s n xu t tinh b t s n do Công ty

C Nhi t !i n l nh Bách Khoa Mi n Trung (POLYCO - MT) ch t o và l p "t

ABSTRACT

While higher increasing price of fuel Waste heat from boilers, heating furnaces are not utilized, to waste energy This article presents application of the exhaust heat recovery by using thermosyphons to heat air in oil boiler using coals as fuel Enhanced methods to increase heat exchanger and potential applications are also mentioned in this article Some operate data are measured on the application of the exhaust heat recovery by using thermosyphons at cassava atrach factory by Polytechnic Mechanical Thermal Electrical and Refrigeration Engineering Co.,Ltd-Mien Trung (POLYCO - MT) created and installed

1 T V N

Các nhà máy nhi t luy n kim, xi m ng, hóa ch t, g ch, g m s , d t, nhu m, ch

bi n th c ph m u có các lò h i, lò gia nhi t, lò t s d ng than, d u, gas c p nhi t cho quá trình s n xu t L ng nhiên li u th c s h u ích th ng ch chi m m t

ph n nh trong t ng s nhiên li u b t cháy i u này không nh ng gây lãng phí tài nguyên, mà còn nh h !ng nghiêm tr ng t i môi tr ng và khí quy n trái t

T n d ng, tái s d ng nhi t th i trong ho t ng s n xu t là gi i pháp ti t ki m

n ng l ng Ti t ki m n ng l ng v i l i ích tr c tiên là thu h"i nhi t th i, và ây là nhân t quan tr ng cho các công ty u t vào thi t b thu h"i n ng l ng nhi t th i M#t khác, vi c gi m s d ng nhiên li u c$ng "ng ngh%a v i vi c gi m phát th i khí gây ô nhi m môi tr ng nh CO, H2S, SO2 Trên th c t , có r t nhi u công ngh t n

d ng nhi t th i, có th ng d ng cho h u h t các l%nh v c, ngành s n xu t phát sinh

nhi t th i Tuy nhiên, cho n nay v&n còn nhi u doanh nghi p ch a th c s quan tâm

n v n này

H u h t các lò h i công nghi p có công su t v'a và nh không c trang b b trao i nhi t thu h"i nhi t th i i u này là do các v n liên quan n b o d (ng, kích th c thi t b , chi phí u t Vì các lý do ó nên khi l)p #t h th ng thu h"i nhi t th i cho các lò h i có công su t v'a và nh ã không thu c hi u qu kinh t

B trao i nhi t s d ng ng nhi t có r t nhi u l i ích so v i b trao i nhi t truy n th ng nh : Nh nh* h n, c u trúc n gi n, d b o d (ng, gi m áp s t khí th p,

an toàn v n hành cao, d l)p #t V i #c i m nh trên, b trao i nhi t này s+ r t

hi u qu khi áp d ng thu h"i nhi t th i trong các nhà máy công nghi p Các ng nhi t có cánh bên ngoài ã c ng d ng r t có hi u qu t n d ng nhi t khói th i t' các nhà máy, nh t là trong công nghi p hóa ch t và th c ph m b!i vì thi t b g n,

ho t ng lâu b n và có tin c y cao

Nghiên c u này nh,m m c ích:

- ánh giá hi u qu trao i nhi t c-a thi t b t n d ng nhi t th i s d ng ng nhi t tr ng tr ng trong quá trình v n hành th c t

- xu t ph ng pháp c i ti n nâng cao hi u qu trao i nhi t "ng th i m!

ra nh ng h ng ng d ng m i c-a thi t b

2 T NG QUAN V CÁC LÒ D U TRUY N NHI T

Gi i thi u v lò d u truy n nhi t

Lò d u truy n nhi t c s d ng r ng rãi t i n c ta t' n m 1990 trong công nghi p ch bi n h i s n, th c ph m, rau qu … Thi t b này s d ng môi ch t mang nhi t là d u chuyên d ng (môi ch t không ch u nén), quá trình trao nhi t x y ra trong các c m ng trao i nhi t bên trong lò D u truy n nhi t sau khi ã nh n nhi t l ng

do t nhiên li u, c a n thi t b trao i nhi t khác b,ng b m tu n hoàn, v i áp

su t khí quy n d u chuyên d ng không b hóa h i ! nhi t làm vi c Do ó, thông

th ng lò gia nhi t d u không ph i là thi t b ch u áp l c ph i ng ký và ki m nh t i các c quan nhà n c

Hình 2.1 Lò d u truy n nhi t t d u FO và t than á

Nhiên li u t trong các lò này th ng là d u, than á ho#c gas T' khi giá d u

và gas t ng kéo theo chi phí s n xu t t ng, các nhà máy b)t u chuy n sang dùng than

á, chi phí s n xu t gi m h n m t ph n ba do v y giá thành s n ph m th p h n Tuy nhiên các lò t than á có nhi t khói th i cao (200oC - 400 oC), làm gi m hi u su t c-a lò, do v y c n thi t ph i s d ng b t n d ng nhi t th i t' các lò này

Lò d u truy n nhi t t than á trên ghi c nh do công ty C Nhi t i n l nh Bách Khoa Mi n Trung thi t k và ch t o ây là lo i lò ki u π, bao g"m t h p các chùm ng, s d ng môi ch t là d u truy n nhi t, có s d ng b t n d ng nhi t th i s

d ng ng nhi t tr ng tr ng Ch i u ch nh nhi t d u truy n nhi t hoàn toàn t

ng

9

2

1

3

10

5

4 11

8

Hình 2.2 H th ng gia nhi t không khí 2 tri u kcal/h – 200 oC

Chú thích:

1 Bu ng t 2 B gia nhi t d u c p 2

3 B gia nhi t d u c p 1 4 B t n d ng nhi t khói th i

5 ! ng ng d#n khói nóng 6 Xiclone l c b i khói

7 $ng khói Φ560 8 Qu t khói 5,5 kW

9 Qu t gió 4 kW 10 $ng d#n khí nóng Φ460

11 Ph%u tách b i khói

u i m c a lò d u truy n nhi t t than á

gia nhi t cho không khí, lò d u truy n nhi t t than á có nhi u u i m h n so

v i lò h i:

- an toàn cao, ch th-y ng t t: Dùng lò d u truy n nhi t có th t nhi t

cao mà áp su t môi ch t th p, an toàn cho ng i s d ng

- Hi u su t cao, kh!i ng nhanh

- Giá thành l)p #t th p

- D s d ng và b o trì, b o d (ng

- Tu i th cao do không có s n mòn trong ng

- n nh v i m i ch ph t i

- Thân lò c cách nhi t t t b,ng v t li u bông th-y tinh có m t cao Bên ngoài

b c b,ng tôn s n t%nh i n b o m b n và tính m/ thu t

3 GI I THI U V CÁC THI T B TRAO I NHI T T N D NG NHI T KHÓI TH I

t n d ng nhi t khói th i, hi n nay chúng ta ang s d ng m t s thi t b trao

i nhi t d ng b c x , i l u, h0n h p, roto h p th nhi t, lò hoàn nhi t t n d ng nhi t th i và b trao i nhi t b,ng g m M t s thi t b s d ng ph bi n là:

B trao i nhi t ng tr n t n d ng nhi t khói th i gia nhi t cho không khí

Lo i này s d ng khá ph bi n do giá thành không cao, ch t o n gi n, tro bám không nhi u tuy nhiên h s trao i nhi t th p và tiêu t n nhi u kim lo i, chi m nhi u không gian l)p #t

Hình 3.1 B trao i nhi t ng tr n

B trao i nhi t lo i có cánh t n d ng nhi t khói th i gia nhi t cho n c c p lò

h i ho#c quá trình công ngh khác, c s d ng khá ph bi n do h s trao i nhi t

c c i thi n có nh c i m là ch t o ph c t p, thi t b c"ng k nh, d bám b n v phía làm cánh, khó v sinh s a ch a

Hình 3.2 B trao i nhi t ng có cánh bên ngoài

B trao i nhi t lo i t m g n sóng t n d ng nhi t th i gia nhi t không khí nóng, h s trao i nhi t c i thi n rõ r t, k t c u ch#t ch+ và g n, nh c i m ch- y u

là d b t)c, làm v sinh và tu s a khó, s d ng cho dòng khói t ng i s ch và ít n mòn

Hình 3.3 B trao i nhi t lo i t m g n sóng

B trao i nhi t lo i roto h p th nhi t gia nhi t cho không khí nóng s y ho#c t Lo i này có k t c u ch#t ch+, có th t n ng su t l n nên th ng s d ng trong các nhà máy nhi t i n, tuy nhiên do #c tính truy n nhi t không n nh, kích

th c thi t b l n và không khí l nh không c tinh khi t nên không ng d ng r ng rãi trong công nghi p

Hình 3.4 B trao i nhi t lo i roto h p th nhi t

B trao i nhi t truy n th ng trong h th ng thu h"i nhi t khói th i luôn ph i

i m#t v i các v n kích th c thi t b , b o d (ng và s n mòn kh)c ph c v n này ng i ta s d ng công ngh trao i nhi t b,ng ng nhi t Trong các ng d ng công nghi p thì công ngh này v&n còn m i m1 Tuy nhiên, nh ng n m g n ây do nhu c u n ng l ng ngày càng t ng k t h p v i xu h ng th ng m i toàn c u hóa nên vi c s d ng b trao i nhi t ng nhi t trong các ngành công nghi p khác c

áp d ng r ng rãi

S truy n nhi t trao i "ng b trong các ng nhi t t o cho chúng có d&n nhi t r t cao Th c t , d&n nhi t c-a ng nhi t cao h n "ng kho ng 100 l n H n

n a, t2 l vùng trao i nhi t có th i u ch nh c b,ng cách thay i cao và b sung cân b,ng

4 THI T K CH T O THI T B TRAO I NHI T S D NG NG

M t s lý thuy t v ng nhi t tr!ng tr"#ng

3ng nhi t là ph n t trao i nhi t có không gian khép kín, bên trong ch a môi

ch t ( n ch t ho#c h0n h p) và x y ra hai quá trình chuy n pha là sôi và ng ng t Vách ng th ng b,ng kim lo i có d ng b t k4, nh ng th ng là d ng ng 3ng nhi t

c chia làm 3 ph n: ph n b c h i còn g i là ph n sôi, ! ây là ng nh n nhi t; ph n

o n nhi t, trong ph n này ng không trao i nhi t v i bên ngoài, ph n này có th có ho#c không có; ph n ng ng, ! ây ng to nhi t

Hình 4.1 C u t o ng nhi t Trong ph n b c h i, ch t l ng nh n nhi t c-a ngu"n nóng (ví d : khói lò…) s+ sôi và bi n thành h i, h i chuy n ng qua ph n o n nhi t t i ph n ng ng T i ây

h i nh nhi t qua vách ng cho ngu"n l nh ! ngoài ng (ví d : không khí…) và ng ng

t l i thành ch t l ng ng ng Ch t l ng ng ng t o thành s+ ch y v ph n b c h i nh

m t trong nh ng l c sau ây: l c tr ng tr ng, l c mao d&n, l c ly tâm, l c t'

tr ng…Quá trình làm vi c c-a ng nhi t c bi u di n trên " th T-s:

Hình 4.2 ! th T – s bi u di%n quá trình làm vi c c a ng nhi t

- AB: Quá trình b c h i x y ra trong ph n sôi ! áp su t p1

- BC: Quá trình chuy n ng c-a h i t' ph n sôi n ph n ng ng, ! ây do ma sát, áp

su t c-a h i gi m t' p1 n p2 (p2 là áp su t h i trong ph n ng ng) Tuy nhiên s gi m

áp su t h i nói chung là r t nh

- CD: Quá trình ng ng t h i t o thành ch t l ng ng ng ! áp su t p2

- DA: Quá trình chuy n ng c-a ch t l ng ng ng theo b m#t trong c-a ng nhi t t'

ph n ng ng v ph n sôi nh l c tr ng tr ng, l c mao d&n… trong quá trình này ch t

l ng ng ng s+ c t nóng n nhi t sôi và quá trình c l#p l i

i v i ng nhi t tr ng tr ng, l c a ch t l ng ng ng v l i ph n sôi là l c

tr ng tr ng 3ng nhi t tr ng tr ng có nhi u lo i, nh ng có m t i m chung là ph n sôi luôn n,m th p h n ph n ng ng cho ng nhi t tr ng tr ng ho t ng bình

th ng thì góc nghiêng 5 (góc t o b!i tr c ng nhi t và hình chi u c-a nó lên m#t ph6ng n,m ngang) không c nh h n 10°C và l ng n p ξ (là t s gi a th tích

l ng n p V1 và th tích ph n sôi Vs c-a ng nhi t ξ= V1/Vs) n,m trong kho ng 0,2÷0,5 Ngoài ra công su t truy n t i nhi t c-a ng nhi t không c v t quá công

su t nhi t t i h n (là công su t truy n t i nhi t l n nh t mà ng nhi t ch a b h ng)

Có nhi u lo i công su t nhi t t i h n, tuy nhiên v i ng nhi t tr ng tr ng thì công

su t nhi t t i h n lôi cu n Qc có giá tr nh nh t, và khi tính toán thi t k chúng ta ch quan tâm n lo i giá tr gi i h n lôi cu n do G.S Imura a ra có d ng:

13 , 0

64 ,

h

n h

ρ

ρ

−

=

7 ây ch c p n ng nhi t tr ng tr ng có b m#t trong nh n ây là lo i

ng nhi t có kh n ng truy n t i nhi t l n d ch t o Xác nh công su t nhi t trong

và công su t nhi t toàn b c-a ng nhi t tr ng tr ng có m#t trong nh n:

Công su t nhi t trong:

75 , 0 ) (

24 ,

Hay Qi =5,24A.ξ.∆ti0,75

Công su t nhi t toàn b :

w vn n h s vs z

w z

R R R R R R R

t t R

t Q

+ + + + + +

−

=

∆

=

7 ch nhi t n nh thì Q = Qi

A - H s kích th c c-a ng nhi t,

ξ - H s tính ch t v t lý c-a môi ch t n p,

R - T ng nhi t tr!, (ºK/W)

Re - T ng nhi t tr! ngoài, (ºK/W)

Rz, Rvs, Rvn, Rw, Rs, Rn, Rh - Nhi t tr! thành ph n, (ºK/W)

tz - nhi t trung bình c-a ngu"n t nóng (khói…) t i ph n sôi c-a ng, (oC)

tw - nhi t trung bình c-a ngu"n làm mát (không khí ) t i ph n ng ng c-a ng, (oC)

Ph"$ng pháp tính

3ng nhi t tr ng tr ng có nhi u ng d ng quan tr ng, m t trong nh ng ng

d ng c-a nó là ch t o các thi t b trao i nhi t t n d ng nhi t th i c-a khói trong các nhà máy s n xu t nh : luy n kim, th c ph m, ch bi n g0…

Thi t b trao i nhi t làm b,ng các ng nhi t tr ng tr ng có b m#t nh n bên trong #t th6ng ng, bên ngoài làm cánh, môi ch t n p là n c Nhi t khói nóng !

ph n sôi là tz, nhi t không khí l nh ! ph n ng ng là tw, (tz > tw) T c khói nóng

và t c không khí l nh i qua thi t b trao i nhi t b,ng nhau và b,ng ω Xác nh công su t nhi t toàn b c-a m t ng nhi t

Hình 4.3 B trao i nhi t t n d ng nhi t khói th i s d ng ng nhi t

xác nh Q c n gi i h ph ng trình:

( )

( )

( )2 3

.

.

24

,

5

24 , 5

.

.

24

,

5

1

75

,

0

75 , 0 75

, 0

∆

=

∆

=

−

=

+ +

−

=

∆

=

ξ

ξ ξ

A

t

R

t A t

t A

Q

R R R

t t

R

t

Q

i

i

i in

is i

h n s

in is i

i

i

Gi i ph ng trình b,ng ph ng pháp l#p theo s " thu t toán th hi n ! o n ch ng trình d i ây:

Thi t k ch t%o thi t b&:

Trong các nhà máy s n xu t tinh b t s)n thì lò d u truy n nhi t t than á công su t 2 tri u kCal/h r t ph bi n, công ty POLYCO-MT ã ti n hành ch t o b trao i nhi t s d ng ng nhi t tr ng tr ng có b m#t nh n bên trong t n d ng nhi t khói th i cho lo i lò này gia nhi t cho không khí cung c p cho quá trình t nhiên li u Các thông s tính toán nh sau:

- Nhi t khói th i: 260 oC

- Nhi t không khí: 30 oC

-

START

c các s li u t' file SLNHIET.DAT bao g"m:

1 S li u v c u trúc thi t b : di, de, dz, S1, L, Ls, Lln, Ldn, dtaz, Z

2 S li u v thông s khói nóng: tz, tw

3 S li u v thông s v t lý c-a môi ch t

CH8N LO9I DUNG MÔI

CHO Ri = 0

- Tính Q theo ph ng trình

I E

s R R

t t Q

+

−

= ω (1)

- G i th- t c AFVAF tính αvs và Fvs

- G i hàm A và th- t c ξ (trong ó có s d ng hàm tính RE và hàm

TRABANG xác nh thông s c-a môi ch t theo nhi t )

- Tính c ∆ t' ph t1 ng trình: 0,75

1

24 , 5

=

∆

ξ

A

Q

- Tính Ri t' ph ng trình:

ξ

24 , 5

25 , 0

A

t

i

∆

- Thay Ri vào ph ng trình (1) tính l i c Qss

- Tính sai s t ng i ε:

Q

Q

Q − ss

=

ε

[ ]ε

ε <

Xu t các k t qu lên file SLKT.TXT

+

END

- L u l ng khói th i: 2940 m3/h

- L u l ng không khí: 2520 m3/h

- B trao i nhi t thi t k m b o nhi t khói th i ra kh i thi t b là: 210 oC

Công su t nhi t c-a b thu d ki n là:

kk pkh kh kh

kk

Q = ρ − = 2940.1,295.1,04.(260 – 210)/3600 = 54,9943 kW

Nhi t không khí nóng ra kh i thi t b là:

( k k pk)

hi

k

t 2 = 1+ / ρ . = 30 + 54,9943.3600/(2520.1,295.1,04) = 88,3 oC

C'u trúc thi t b&:

- Chi u dài ph n ng ng : Ln = 1,100 m

- Kho ng cách hai cánh k ti p : z = 0,0008 m

Thông s khói và không khí:

- Nhi t khói nóng : tz = 235,00 oC

- Nhi t không khí l nh : tw = 55,15 oC

K t qu( tính toán:

- Công su t nhi t m t ng nhi t: Q = 1145,7 W

- S l ng ng nhi t trong b trao i nhi t: n = 54 , 9943 / 1 , 1457 ≈ 48 ng

Khi s d ng ch ng trình trên, chúng ta có th xác nh m t cách nhanh chóng và chính xác khi cho các thông s u vào c th

Cu i cùng là ti n hành ch t o t i Công ty C Nhi t i n l nh Bách Khoa Mi n Trung

5 PH )NG PHÁP O CÁC THÔNG S V N HÀNH

Th#i gian và &a i m o thông s v*n hành

Th i gian: t' ngày 10/02/2009 n ngày 13/02/2009

a i m: t i nhà v n hành lò d u truy n nhi t, nhà máy tinh b t s)n FOCOCEV

Qu ng Tr ; D c Son, H i L ng, Qu ng Tr

Ph"$ng pháp o

o nhi t khói, không khí tr c và sau b t n d ng nhi t khói th i b,ng các

u dò nhi t (temperature sensor) c)m vào ng khói, ng không khí Tín hi u