chương 3 nghiên cứu ứng dụng công nghệ khí hóa than trong thiết bị sấy công nghiệp

Tại zôn khí hóa có thiết bị áo nước 2 nhằm mục đích giảm nhiệt độ vùng khí hóa đồng thời sản xuất ra lượng hơi nước cần thiết cung cấp cho quá trình.. Không khí bên ngoài được cấp vào bộ

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ KHÍ

9

8 7

Hình 3.1 : Sơ đồ nguyên lý hệ thống khí hóa than tầng cố định kiểu ngược chiều

1 Thân lò hóa khí; 2 Áo nước; 3 Van thủy lực; 4 Phểu chứa than; 5 Ống dẫn không khí từ bộ sấy tới lò hóa khí; 6 Mũ gió; 7 Xyclôn nóng; 8 Ống dẫn khí; 9 Bộ sấy không khí; 10 Quạt hút; 11 Thùng chứa bụi; 12 Đường ống dẫn hơi từ bao hơi tới lò hóa khí;

13 Bao hơi; 14 Đường ống dẫn nước từ bao hơi xuống áo nước; 15 Đường ống dẫn hơi

từ áo nuớc lên bao hơi; 16 Các ống để đo nhiệt độ; 17 Ống mồi lửa; 18 Quạt cấp gió

vào bộ sấy; 19 Cơ cấu cấp than vào lò; 20 Hệ thống gàu tải

* Nguyên lý hệ thống :

Than được cấp vào lò khí hóa nhờ hệ thống gàu tải (20) và cơ cấu cấp than (19)

Than sau khi vào lò khí hóa thực hiện các phản ứng hóa học với chất khí hóa đi từ dưới

lên để tạo thành khí than và tỏa ra một nhiệt lượng rất cao, đặc biệt tại zôn khí hóa Tại

zôn khí hóa có thiết bị áo nước (2) nhằm mục đích giảm nhiệt độ vùng khí hóa đồng thời

sản xuất ra lượng hơi nước cần thiết cung cấp cho quá trình Hơi nước sinh ra được chứa

tại bao hơi (13) Khí than sau khi ra khỏi lò đi qua xclôn để lọc bụi (7) rồi đi qua bô sấy

không khí (9) trao đổi nhiệt với không khí rồi đi tới nơi tiêu thụ nhờ quạt hút (10)

Không khí bên ngoài được cấp vào bộ sấy không khí nhờ quạt (18) nhận nhiệt của khí

than lên đến một nhiệt độ theo yêu cầu rồi hòa trộn với hơi nước từ bao hơi thành chất

khí hóa đi vào lò khí hóa để thực hiện các phản ứng hóa học với than

3.2 Tính toán các bộ phận của lò khí hoá

3 Chất phụ gia hơi nước (gh) 0,5 kg/kgnl

Bảng 3.3 : Các thông số cơ bản của hệ thống hóa khí [10]

3.2.2 Tính toán thông số thân lò

* Về mặt tổng quát, quá trình hóa khí than vẫn phải thỏa mãn được các phương trình

cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng

Hình 3.2 : Sơ đồ biểu diễn sự cân bằng

- Phương trình cân bằng vật chất :

1 + Vkk ρ kk+ Gh = Vk.than + A/100 + 0.05.C/100 [kg/kg than] (3.1)

- Phương trình cân bằng năng lượng

Qk.than = (ρk than V k.t.tk.t.Ck.t+ Vk.t.Qt.kt)

Qxỉ = A/100.tx.Cx

Qcac bon dư = 0.05.C/100.Qcacbon

Q5 = k f ∆ t {tổn thất nhiệt ra môi trường}

3 Đường kính ngoài lò d2 d1 + 2 δ 820 mm

Bảng 3.5 : Thông số kết cấu lò

* Với δ = 10 [mm] : chiều dày vật liệu chế tạo lò (Thép K)

3.2.3 Tính toán áo nước

a) Mục đích

Với các thông số về kích thước và nhiệt của lò hóa khí đã biết chúng ta tiến hành tính toán nhiệt cho phần áo nước của lò hóa khí để kiểm tra xem lượng nhiệt mà áo nước nhận được có đủ để sản xuất ra được lượng hơi nước cần dùng cho việc hóa khí hay không và để tính chọn các thông số kích thước của phần áo nước

b) Thiết kế áo nước

* Các thông số của lò khí hóa và áo nước :

+ Đường kính trong của ống hoá khí: d1 = 800 [mm]

+ Đường kính ngoài của ống hóa khí: d2 = 820 [mm]

+ Lượng nhiên liệu tiêu thụ trong 1 giờ: B = 70 [kg/h]

+ Nhiệt độ trung bình của lớp than phần áo nước là: t = 1000 [0C]

+ Áp suất hơi bảo hòa là: p= 7 [Pa]

+ Sản lượng hơi cần sản xuất: gh = 0,5 [kghơi/kgnl]

+ Lượng không khí cần dùng để khí hóa 1kg than là: Vkk = 2,3 [m3/kgnl]

* Phương trình cân bằng nhiệt

Phương trình cân bằng nhiệt tổng cho vùng áo nước có dạng:

Qdv = Q1 + Qmt + Qxỉ + Qk (3.3)

+ Trong đó: Q1: Nhiệt lượng cấp cho nước sinh hơi

Qmt: Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường bên ngoài

Qxỉ: Nhiệt lượng tổn thất do xỉ mang ra ngoài

Qk: Nhiệt lượng do khí mang vào vùng than phía trên

Qdv: Là nhiệt lượng đưa vào cho lò hóa khí

- ih: Entapi của hơi Với hơi nước ở p = 7at (thn = 1650C) tra bảng 3 [8]

ta có : ih = 2763 [kJ/kg]

=> Qhn = 0,5 2763 = 1381,5 [kJ/kgnl]

+ Qkk : Nhiệt lượng do không khí mang vào lò hóa khí

Qkk = Gkk [(Cp2t2)kkn - (Cp1t1)kkl] [kJ/kg] (3.5) + Gkk: khối lượng không khí cần để hóa khí cho 1kg than

* Tính lượng nhiệt vùng khí hóa truyền cho nước

Để tính được lượng nhiệt này thì ta phải tính được hệ số cấp nhiệt αk từ khí lò tới vách thiết bị khí hóa và hệ số cấp nhiệt αv từ vách ra cho nước Ta tính đại lượng này theo điều kiện trao đổi nhiệt tại hai mặt biên của vách, dựa vào các công thức thực nghiệm tính α tại hai mặt vách, sao cho thỏa mãn điệu kiện cân bằng nhiệt khi ổn định

qαk=qαv=q Phép tính αk , αv và q với sai số εq<εchọn trước (ε < εchọn trước => ε <5%) có thể thực hiện theo trình tự sau:

+ Chọn nhiệt độ vách phía khí tw1 = 1800C

Nhiệt độ trung bình của vùng khí hóa là t1 = 10000C Ứng với nhiệt độ này và coi khí trong vùng này có thành phần tương tự như khói lò thì tra bảng 25 [8] ta sẽ có:

ρ = 0,275kg/m3; Cp= 1,036 kJ/kgđộ; λ = 10,9.10-2w/m.độ; ν = 174,3.10-6m2/s;

Suy ra chuẩn số Râynon của khí lò là: Re=

ν

ω.d

Với: ω là tốc độ khí trong lò ω = 2m/s; d = 0,8 m : là đường kính trong của thiết bị khí hóa, ν độ nhớt động học của khí lò

=> Re = 6

10 3

,

174

8 , 0

Do khí lò có nhiệt độ rất cao nên sự trao đổi nhiệt giữa khói và vách gồm có cả đối lưu

và bức xạ, ngoài ra nó còn có thêm sự trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt từ các hạt than với vách Nên ta có thể tính hệ số cấp nhiệt αk theo công thức ([7]) :

=

k m

w T T

T T d

Nu

w k

w k k

4 4 0

d: là đường kính trong của thiết bị [m]

* Tính nhiệt độ vách phía nước :

Khi cân bằng nhiệt thì ta có qαk = qαv :

1 2

2 1

ln 2

1

d d

t t q

v

w w k

λπα

λv : là hệ số dẫn nhiệt của vách [w/m.k]

d1, d2 là đường kính trong và ngoài của vách lò khí hóa [m]

Từ đó ta có nhiệt độ của vách phía nước sẽ là:

800

820ln43.14,3.2

16,19294180

ln.2

1

1

2 1

d

d q

t

t

v ak w

ν

βl t g

(3.10)Trong đó: g: là gia tốc trọng trường g =9,8m/s2;

l= d2 : là kích thước hình học chủ yếu [m]

∆t : là hiệu số nhiệt độ giữa bề mặt vách và nước, 0C

12 2

6

3

10 25 , 2 )

10 181 , 0 (

) 165 5 , 178 ( 82 , 0 00113 , 0 8

537,1634.68,0

028 , 0 6 , 19294

4 , 18756 1

,19294(2

1)(

3600.54,22830

Thì sẽ đáp ứng được lượng hơi yêu cầu của việc hóa khí của chúng ta

* Tính toán các thông số của áo nước :

Ta chọn chiều cao áo nước là l = 1,2m, chiều cao này ta lấy bằng chiều cao của vùng khí hóa, vùng có nhiệt độ cao nhất của lò khí hóa Và lượng hơi cần sinh ra trong một giờ là

G = 39,8 kg/h Thì khi đó ta có thể tích áo nước sẽ là:

0398,01000

8,39)

G V R R

l

ρ

Với :

R1= 410 mm :bán kính ngoài của thiết bị hóa khí

R2 : Bán kính trong của áo nước

422,02,1.14,3

0398,041,00398,

2 1

l R

R

Bán kính ngoài của áo nước (R3) :

R3 = R2 + δ = 430 + 10 = 440 mm

3.2.4 Tính cách nhiệt

3.2.4.1 Mục đích

Đảm bảo nhiệt độ bề mặt ngoài của thiết bị không quá cao, ảnh hưởng tới điều kiện an toàn của người vận hành và giảm bớt nhiệt lượng ra môi trường xung quanh, cải thiện điều kiện làm việc và giảm tổn thất nhiệt

3.2.4.2 Cơ sở tính toán cách nhiệt

Trong kỹ thuật, để giảm mật độ dòng nhiệt hay như chúng ta thường nói là giảm tổn thất nhiệt thì chúng ta phải tăng nhiệt trở toàn phần lên Để tăng nhiệt trở toàn phần, chúng ta có thể tăng nhiệt trở từng phân như nhiệt trở tỏa nhiệt, nhiệt trở dẫn nhiệt Thông thường, tăng nhiêt trở dẫn nhiệt là cách thích hợp nhất Để tăng nhiệt trở dẫn nhiệt, tức là để cách nhiệt, ta thêm vào các lớp có hệ số dẫn nhiệt bé Các loại vật liệu có

λ <0,2w/m.k thường được dùng làm vật liệu cách nhiệt như stirofo, amiăng, bông thủy tinh, bông xỉ, mùn cưa, trấu Các vật liệu cách nhiệt cũng cần đảm bảo một số yêu cầu

kỹ thuật nhất định như chịu nhiệt độ cao, chịu ẩm, đảm bảo các yêu cầu vệ sinh công nghiệp Khi bọc cách nhiệt, chúng ta cũng cần lưu ý một điều: đối với với vách phẳng khi tăng chiều dày cách nhiệt thì nhiệt trở toàn phần sẽ tăng nhưng đối với vách trụ, khi tăng chiều dày lớp cách nhiệt thì có thể làm nhiệt trở toàn phần giảm mặc dù nhiệt trở dẫn nhiệt tăng Thực vậy, nếu ta bọc một lớp cách nhiệt có hệ số dẩn nhiệt λcn ngoài một ống có đường kính d2, đường kính ngoài của ống có bọc cách nhiệt sẽ là dcn Khi đó nhiệt trở dẫn nhiệt

2

ln.2

sẽ giảm Vì vậy, nhiệt trở toàn phần có thể giảm Do đó cần phải xét mối quan hệ giữa nhiệt trở toàn phần và đường kính cách nhiệt dcn Nhiệt trở toàn phần có thể viết:

cn

cn

d R

1ln

1

=

−

cn cn

cn d α π d

λ

π

Đường kính ứng với R nhỏ nhất gọi là đường kính cách nhiệt tới hạn và được tính theo công thức [7]

2

.2

số dẫn nhiệt λcn = 0,063w/m.k Thiết bị hóa khí đặt trong nhà xưởng, ta sẽ có ([8]):

036 , 0

=

th

Như vậy, đường kính tới hạn sẽ là:

+ Với phần chuyển bị nhiên liệu: dth = d2 + dth = 820 + 10,3 = 830,3mm

+ Với phần áo nước : dth = dn + dth = 880 + 10,3 = 890,3mm

Ở đây với lò khí hoá ta tính cách nhiệt cho hai phần của lò đó là, phần áo nước và phần không có áo nước (phần chuẩn bị nhiên liệu)

Khi bọc cách nhiệt, chúng ta phải tính toán chiều dày cách nhiệt cho hợp lý để vừa đảm bảo giảm tổn thất nhiệt, nghĩa là tiết kiệm được năng lượng nhưng lại vừa đảm bảo được vốn đầu tư xây dựng là ít nhất Vì tổn thất nhiệt của các thiết bị hình trụ có bọc cách nhiệt sẽ không giảm tỷ lệ thuận với bề dày của lớp cách nhiệt bởi vì khi tăng bề dày lớp cách nhiệt thì nhiệt trở cách nhiệt sẽ tăng :

2

ln

1

πα

Trong đó:

d2: là dường kính ngoài của thiết bị;

dcn đường kính ngoài lớp cách nhệt;

α : là hệ số cấp nhiệt từ bề mặt lớp cách nhiệt ra môi trường

Do đó ta phải chọn chiều dày lớp cách nhiệt trước, từ chiều dày cách nhiệt ta tính được nhiệt độ bề mặt của lớp cách nhiệt theo phương trình cân bằng nhiệt Nếu nhiệt độ này nằm trong khoảng 40÷550C là được, rồi so sánh với đường kính tới hạn dth Vì ở nhiệt độ này sẽ không gây bỏng cho người vận hành, và vì khi nhiệt độ bề mặt lớp cách nhiệt mà giảm xuống thấp hơn thì chiều dày lớp cách nhiệt tăng lên mà tổn thất nhiệt sẽ không giảm tỉ lệ thuận với chiều dày này nên sẽ tốn kém về kinh tế

3.2.4.3 Tính cách nhiệt vùng chuyển bị nhiên liệu (vùng không có áo nước)

- Chọn chiều dày lớp cách nhiệt σ2 = 45mm

- Đường kính bọc cách nhiệt dc2= 910mm

- Đường kính ngoài của thiết bị chưa kể lớp cách nhiệt d2 = 820mm

- Vật liệu bọc cách nhiệt là bông thủy tinh có hệ số dẫn nhiệt

λc = 0,0372 w/m độ

+ Nhiệt trở của lớp cách nhiệt Rc2:

45,0820

910ln0372,0.14,3.2

1ln

2

α

R

t t R

Trong đó:

t1: nhiệt độ bề mặt của ống kim loại, 0C

tc2: nhiệt độ tại bề mặt lớp cách nhiệt, 0C

t0: nhiệt độ không khí ngoài trời, 0C

029 , 0

1 45 , 0 1

029 , 0

25 45 , 0 440

1 1

2 2

2

0 2 1

2

+

+

= +

R

t R

3.2.4.4 Tính cách nhiệt phần áo nước

- Nhiệt độ nước sôi trong áo nước là t = 1650C

- Chọn chiều dày bọc cách nhiệt σ1 = 45mm

- Đường kính ngoài của áo nước chưa kể lớp cách nhiệt là dn = 880 mm

- Nhiệt độ bề mặt ngoài của áo nước t1: Coi nhiệt độ ở bề mặt ngoài áo nước bằng nhiệt

độ nước trong bao nước thì t1 = 1650C

- Vật liệu cách nhiệt là bông thủy tinh, có hệ số dẫn nhiệt:

λc =0,0372w/m.độ

+ Nhiệt trở lớp cách nhiệt

880

970 ln 0372 , 0 14 , 3 2

1 ln

2

n

c c

d R

1

1

2 1

1 4168 , 0 1

027 , 0

30 4168 , 0 165

1 1

1 1

1

0 1 1

1

+

+

= +

R

t R

t

t

c c

Nhiệt độ này nằm trong khoảng nhiệt độ 40÷550C, như vậy ta lấy chiều dày cách nhiệt cho vùng chuyển bị nhiên liệu là σ1 = 45mm Khi đó đường kính cách nhiệt thỏa mãn dcn >dth

3.2.5 Tính trở lực của lớp than trong lò khí hóa

- Khi tốc độ dòng lớn hơn tốc độ tới hạn nào đó ωth thì hạt rắn trở nên linh động và bắt đầu chuyển động, lớp hạt có tính chất “chảy” - xuất hiện lớp lơ lửng (ta thường gọi là tầng sôi hay lỏng giả) Trạng thái này tồn tại trong khoảng tốc độ từ ωth đến ωp (ωp là tốc

độ phụt, là tốc độ nhỏ nhất của dòng mà khí hay lỏng bắt đầu mang hạt rắn ra khỏi thiết bị)

* Mục đích : mục đích chính của việc tính trở lực lớp than là xác định trở lực lớp than

từ đó chọn được loại quạt phù hợp để cung cấp đủ lưu lượng không khí cho quá trình khí hóa

Độ xốp của lớp vật liệu đổ lộn xộn, đứng yên bằng thể tích tự do và có thể xác định theo công thức sau:

t g

d

H

Trong đó:

hcuc - Tổn thất áp suất qua lớp hạt [m H2O]

ξcuc - Hệ số trở lực cục bộ của lớp hạt Phụ thuộc vào hệ số reynol

H- Chiều cao lớp hạt [m]

db- Đường kính trung bình của hạt than [m]

ωo - Tốc độ khí trong lò rỗng [m/s]

ρo - Khối lượng riêng của không khí [kg/m3]

Hệ số trở lực cục bộ ξcuc phụ thuộc vào giá trị chuẩn số Râynôn tính theo đường kính hạt:

0 0

Re

615 , 0 10 40 09 , 0

09 , 0 04 , 0

2 , 2 4

)273300(760

273

273

760

0

+

=+ V

t

Với : Pa : áp suất không khí tại nơi đặt quạt; Pa = 1,3at

t: nhiệt độ không khí nơi đặt quạt [0C], t = 3000C

+ Áp suất thực tế yêu cầu Ht:

273.760.3,1

)273300(760

273

)273(

cuc a

có ích của quạt cần nằm trong vùng lớn hơn 0,5 để quạt tiêu thụ công suất ít nhất Ở đây

ta chọn quạt ly tâm kiểu BT-1, có số vòng quay n=1500v/ph.Công suất động cơ : N=4,5

kW Lưu lượng 200m3/h Cột Áp 450mm H2O

3.2.6 Bảng kết quả tính toán các bộ phận của lò khí hóa

1 Chiều cao lò (H) Ht + Htrống+ Hvòm 3500 mm

2 Đường kính trong lò (d1)

14 , 3 t

t H

B

5 Đường kính trong áo nước (d3)

l

d

.

0398 , 0 2

2 2

Bảng 3.6: Bảng kết quả tính toán các bộ phận của lò khí hóa

3.3 Thiết kế các bộ phận khác của hệ thống khí hóa

3.3.1 Thiết kế ghi lò

Đối với lò sinh khí có hai loại ghi: ghi quay và ghi cố định Trong thiết kế này sử

dụng ghi quay

Sử dụng ghi quay cho phép ta cơ khí hóa hoàn toàn việc thải xỉ ra ngoài Vì vậy,

ở những lò khí hóa có công suất lớn đều sử dụng ghi quay để thải xỉ đồng thời phân bố

gió đồng đều hơn, có khả năng đập nhỏ xỉ kết khối

Ghi quay thường gồm mũ gió, mũ gió này gắn liền với mâm quay chứa nước Mũ

gió có thể nằm chính tâm lò hoặc lệch một ít Mũ gió lệch sẽ tăng khả năng đập nát xỉ

khi nghi quay Dưới mũ gió có hộp gió để đưa gió (tác nhân khí hóa) vào lò Toàn bộ

mâm lò tạo với thành lò thành một van thủy lực nhằm không cho không khí thoát ra

khỏi lò qua chổ tháo xỉ

Mặc dù là bộ phận quan trọng tuy nhiên ghi lò cấu tạo tương đối đơn giản

3.3.1.1 Mũ gió

+ Đường kính mũ gió:

dmũ = dlò – 2.100 = 800-200 = 600mm

Trong đó dlò: Đường kính thân trong của lò khí hoá

+ Chiều cao mũ gió:

hmũ = 100÷300 mm {kinh nghiệm}, chọn hmũ = 200mm

3.3.1.2 Mâm quay

+ Đường kính mâm quay :

- Phần miệng: dmmâm = dáo nước + 2.400 = 1000 + 800 = 1800mm = 1,8m

Trong đó : dáo nước : đường kính ngoài áo nước đã bọc cách nhiệt

- Phần đáy : ddmâm = dmmâm – 400 = 1800 – 400 = 1400mm = 1,4m

+ Chiều cao mâm quay: Chiều cao mâm quay chon phù hợp với áp suất đáy lò, để nó

có thể bịt kín lò được khi áp suất trong lò cao nhất Ở đây ta chọn chiều cao mâm quay

hmâm= 600mm

- 70 -

Hình 3.3: Cấu tạo ghi lò [13]

3.3.2 Thiết kế cơ cấu cấp than

Trong thiết kế này, sử dụng cơ cấu cấp than thủ công

Than được đưa vào gàu tải, gàu tải được máy tời kéo di động trên hành trình định sẵn và lên đến đỉnh hành trình gàu sẽ tự động đổ than vào cơ cấu cấp than Sau

đó than được đổ vào khoang trên của cơ cấu cấp than Người vận hành nâng đối trọng và than được đưa vào khoang dưới của cơ câú Từ đây, than được đưa vào lò bằng việc nâng đối trọng của khoang dưới Với kết cấu này sẽ đảm bảo khí không lọt ra ngoài, gây độc hại cho người vận hành Thông số hệ thống cấp than như sau: + Kết cấu gàu tải: dài *rộng*cao = 700*450*350 mm

+ Công suất động cơ kéo gàu: 1,5 kW

- 71 -

Hình 3.4: Hệ thống gàu tải

+ Thông số kết cấu cấp than như hình 3.5

Hình 3.5: Cơ cấu cấp than