thiết kế và lựa chọn quạt cấp khí cho lò nung

Việc nung chảy các phôi thép tiết kiệm nhiên liệu phụ thuộc vào công nghệ nung thép, hệ thống lò nung phải đám ứng được các yêu cầu tiện lợi khi vận hành, không tổn thất nhiệt khi vận hà

LỜI MỞ ĐẦU Việc phát triển nền kinh tế đi đôi với việc phát triển cơ sở hạ tầng, nhằm đám ứng sự phát triển của xã hội, các ngành công nghiệp chế tạo phôi thép phát triển mạnh Việc nung chảy các phôi thép tiết kiệm nhiên liệu phụ thuộc vào công nghệ nung thép, hệ thống lò nung phải đám ứng được các yêu cầu tiện lợi khi vận hành, không tổn thất nhiệt khi vận hành, đốt cháy hoàn toàn lượng nhiên liệu cấp cho lò nung

Việc thiết kế và lựa chọn quạt cấp khí cho lò nung là việc rất quan trọng, nhằm đảm bảo đủ lượng khí cho lò nung, thông gió tốt cho lò, nhiên liệu than cấp cho

lò cháy ổn định, không xảy ra hiện tượng tắt lò khi lượng khí không cháy tồn động trong lò…

Lò nung thép đốt than cám ( than Antraxit)

1. Đặc tính của nhiên liệu than

Than là loại nhiên liệu được sử dụng phổ biến trong các lò gạch công nghiệp Than hay các loại nhiên liệu rắn khác có những đặc tính cần thiết

để có thể phân biệt thành các loại than tốt, than xấu, than dễ cháy, khó cháy, có nhiệt lượng cao, nhiệt lượng thấp v.v Để có thể hiểu được đặc điểm của than ta có các đặc tính sau

2. Thành phần hoá học của than.

Trong than, các nguyên tố cấu thành bao gồm các thành phần sau:

 Cacbon Cacbon là thành phần cháy chủ yếu trong nhiên liệu rắn , nhiệt

lượng phát ra khi cháy của 1 kg cacbon gọi là nhiệt trị của cacbon, khoảng 34.150 kj/kg Vì vậy lượng cacbon trong nhiên liệu càng nhiều thì nhiệt trị của nhiên liệu càng cao Tuổi hình thành nhiên liệu càng già thì thành phần cacbon càng cao, song khi ấy độ liên kết của than càng lớn nên than càng khó cháy

 Hyđrô Hydro là thành phần cháy quan trọng của nhiên liệu rắn, khi

cháy toả ra nhiệt lượng 144.500 kj/kg Nhưng lượng hyđrô có trong thiên nhiên rất ít Trong nhiên liệu lỏng hyđrô có nhiều hơn trong nhiên liệu rắn

 Lưu huỳnh Lưu huỳnh là thành phần cháy trong nhiên liệu Trong than

lưu huỳnh tồn tại dưới ba dạng: liên kết hữu cơ Shc, khoáng chất Sk, liên kết sunfat Ss.Lưu huỳnh hữu cơ và khoáng chất có thể tham gia quá trình cháy gọi là lưu huỳnh cháy Sc Còn lưu huỳnh sunfat thường nằm dưới dạng CaSO4, MgSO4 , FeSO4 , những liên kết này không tham gia quá trình cháy mà chuyển thành tro của nhiên liệu

Vì vậy: S = Shc + Sk + Ss , %

= Sc + Ss , %

Lưu huỳnh nằm trong nhiên liệu rắn ít hơn trong nhiên liệu lỏng

Nhiệt trị của lưu huỳnh bằng khoảng 1/3 nhiệt trị của cacbon Khi cháy lưu huỳnh sẽ tạo ra khí SO2 hoặc SO3 Lúc gặp hơi nước SO3 dễ hoà tan tạo ra axit

H2SO4 gây ăn mòn kim loại Khí SO2 thải ra ngoài là khí độc nguy hiểm vì vậy lưu huỳnh là nguyên tố có hại của nhiên liệu

 Oxy và Nitơ Oxy và Nitơ là những chất trơ trong nhiên liệu rắn và lỏng.

Sự có mặt của oxyvà nitơ làm giảm thành phần cháy của nhiên liệu làm cho nhiệt trị của nhiên liệu giảm xuống Nhiên liệu càng non thì oxy càng nhiều Khi đốt nhiên liệu, nitơ không tham gia quá trình cháy chuyển thành dạng tự do ở trong khói

 Tro, xỉ (A): Là thành phần còn lại sau khi nhiên liệu được cháy kiệt.

 Độ ẩm (M): Là thành phần nước có trong nhiên liệu thường được bốc

hơi vào giai đoạn đầu của quá trình cháy

Như vậy, về thành phần hoá học của nhiên liệu thì ta có các thành phần sau: C,

H, O, N, S, A, M và có thể được thể hiện bằng thành phần phần trăm

C+ H + O + N + S + A + M = 100%

 Thành phần công nghệ của than.

Ngoài thành phần hoá học, người ta còn đánh giá đặc tính của than dựa trên thành phần công nghệ Các thành phần công nghệ sử dụng để đánh giá than bao gồm độ ẩm, hàm lượng cốc, hàm lượng chất bốc, hàm lượng tro, nhiệt trị nhiên liệu

 Độ ẩm trong than “M”

Độ ẩm của than là hàm lượng nước chứa trong than Độ ẩm toàn phần của than được xác định bằng cách sấy nhiên liệu trong tủ sấy ở nhiệt độ 1050 C cho đến khi trọng lượng nhiên liệu không thay đổi Phần trọng lượng mất đi gọi là độ

ẩm nhiên liệu Thực ra ở nhiệt độ 1050 C chưa đủ để thải hoàn toàn độ ẩm ra khỏi nhiên liệu vì một số loại độ ẩm trong như ẩm tinh thể, thường phải ở nhiệt

độ 500- 8000 C mới thóat ra ngoài được

 Độ tro trong than “A”

Các vật chất ở dạng khoáng chất trong than khi cháy biến thành tro, Sự có mặt của chúng làm giảm thành phần cháy nghĩa là làm giảm nhiệt trị của than Tỷ lệ tro trong than ảnh hưởng rất lớn đến tính chất cháy của than như: giảm nhiệt trị của than,gây nên mài mòn bề mặt ống hấp thụ nhiệt,bám bẩn làm giảm hệ số truyền nhiệt qua vách ống, Ngoài ra một đặc tính quan trọng nữa của tro ảnh hưởng lớn đến quá trình làm việc của thiết bị cháy là độ nóng chảy của tro

Độ tro của nhiên liệu được xác định bằng cách đem mẫu nhiên liệu đốt đến 800- 8500 C đối với nhiên liệu rắn, 5000 C đối với nhiên liệu lỏng cho đến khi trọng lượng còn lại không thay đổi Phần trọng lượng không thay đổi đó tính bằng phần trăm gọi là độ tro của nhiên liệu Độ tro của madut vào khoảng

0,2-0,3%, của gỗ vào khoảng 0,5 – 1%, của than antraxitcó thể lên tới 15 – 30% hoặc cao hơn nữa

Một trong những đặc tính quan trọng làm ảnh hưởng đến điều kiện làm việc trong lò hơi là độ nóng chảy của tro

 Chất Bốc của than (V )

Khi đem đốt nóng nhiên liệu trong điều kiện môi trường không có Ôxy thì mối liên kết các phân tử hữu cơ bị phân huỷ Quá trình đó gọi là quá trình phân huỷ nhiệt Sản phẩm của phân huỷ nhiệt là những chất khí được gọi là "Chất bốc"

và kí hiệu là VC %, bao gồm những khí Hydro, Cacbuahydro, Cacbonoxit, Cacbonic

Những liên kết có nhiều Oxy là những liên kết ít bền vững dễ bị phá vỡ ở nhiệt

độ cao, vì vậy than càng non tuổi bao nhiêu thì chất bốc càng nhiều bấy nhiêu, than bùn (V=70%), than đá (V=10-45)%, than antraxit (V=2-9) %

Nhiệt độ bắt đầu sinh ra chất bốc phụ thuộc vào tuổi hình thành của than, than càng non tuổi thì nhiệt độ bắt đầu sinh chất bốc càng thấp Lượng chất bốc sinh

ra còn phụ thuộc vào thời gian phân huỷ nhiệt

Theo tiêu chuẩn ASTMD388 thì Chất bốc của than thành phần bay hơi của than

đã trừ đi độ ẩm khi mẫu than được đốt nóng trong chén có nắp đậy kín (không đưa không khí vào) ,ở nhiệt độ 800-820OC trong thời gian 7 phút, và được kí hiệu là V (%)

Chất bốc của than có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình cháy than, chất bốc càng nhiều bao nhiêu thì than càng xốp, dễ bắt lửa và cháy kiệt bấy nhiêu Vì vậy khi cháy than ít chất bốc như than Antraxit của Việt nam thì cần phải có biện pháp

kĩ thuật thích hợp

 Thành phần cốc trong than (FC )

Chất rắn còn lại (đã trừ đi độ tro) của than sau khi bốc hết chất bốc thì được gọi

là cốc của than Cốc là thành phần chất cháy chủ yếu của than Tính chất của cốc phụ thuộc vào tính chất của các mối liên hệ hữu cơ có trong các thành phần chaý Nếu cốc ở dạng cục thì gọi là than thiêu kết ( than mỡ, than béo ), nếu cốc

ở dạng bột thì gọi là than không thiêu kết (than đá ,than antraxit ) Than có nhiều chất bốc thì cốc càng xồp,thancàng có khả năng phẩn ứng cao, Các bon không những dễ bị Oxy hoá mà còn dễ bị hoàn nguyên khí CO2 thành khí CO Than gầy và than Antrxit không không cho cốc xốp khi cháy, cho nên chúng là loại than khó chaý Tuỳ thuộc khả năng thiêu kết của than mà than có màu sắc

khác nhau Than không thiêu kết có màu xám, than ít thiêu kết có màu ánh kim loại

Độ cứng của than phụ thuộc vào độ xốp của cốc, than càng xốp thì độ bền càng

bé than càng dễ nghiền

 Nhiệt trị của than.

Nhiệt trị của than là nhiệt lượng phát ra khi cháy hoàn toàn 1 kg than đựoc kí hiệu bằng chữ Q (Kj/kg) Nhiệt trị của than được phân thành Nhiệt trị cao và nhiệt trị thấp

Xác đinh nhiệt trị bằng thực nghiệm được tiến hành bằng cách đo trực tiếp lượng nhiệt sinh ra khi đốt cháy một lượng nhiên liệu nhất định trong “ Bom nhiệt lượng kế” Bom nhiệt lượng kế là một bình bằng thép trong chứa oxy ở áp suất 2,5 – 3,0 MN/m2 Bom được đặt trong một thùng nhỏ chứa nước ngập đền toàn bộ bom gọi là “bình nhiệt lượng kế” Nhiệt lượng toả ra khi cháy nhiên liệu dùng để đun nóng khối lượng nước này Người ta đo được nhiệt độ của nước nóng và suy ra nhiệt trị của nhiên liệu Để hạn chế ảnh hưởng do toả nhiệt

ra môi trường xung quanh, người ta thường đặt bình nhiệt lượng kế vào một thùng khác có hai vỏ và chứa đầy nước, đảm bảo cho không gian xung quanh nhiệt lượng kế có nhiệt độ đồng đều Phương pháp xác định nhiệt trị bằng tính toán dựa trên cơ sở tính nhiệt lượng toả ra khi cháy từng thành phần nguyên tố của nhiên liệu Như vậy để tính chính xác nhiệt trị cần phải xác định chính xác, cũng như ảnh hưởng của hiệu ứng nhiệt sinh ra kèm theo các phản ứng cháy

Song trong sản phẩm cháy có hơi nước nếu như hơi nước đó ngưng đọng lại thành nước thì nó còn toả thêm một lượng nhiệt nữa Nhiệt trị cao của nhiên liệu chính là nhiệt trị có kể đến phần lượng nhiệt thêm đó

Các bảng dưới đây trình bày đặc tính công nghệ của một số loại than phổ biến ở Việt Nam

Chất lượng thương phẩm than Hòn Gai - Cẩm Phả

Loại Ký hiệu Cỡ

hạt (mm)

Than

cám

Trung bình

Giới hạn Trung

bình

Không lớn

Trung Trung Không

lớn

Không

hơn bình bình hơn nhỏ hơn

2 HG HG 070 0¸15 9 8,01¸10 8 12 6,5 0,6 0,8 7600

3a

HG

HG 08A 0¸15 11,5 10,01¸13 8 12 6,5 0,6 0,8 7350

3b

HG

HG 08B 0¸15 14 13,01¸15 8 12 6,5 0,6 0,8 7050

3c

HG

HG 08C 0¸15 16,5 15,01¸18 8 12 6,5 0,6 0,8 6850

4a

HG

HG 09A 0¸15 20 18,01¸22 8 12 6,5 0,6 0,8 6500

4b

HG

HG 09B 0¸15 24 22,01¸26 8 12 6,5 0,6 0,8 6050

5 HG HG 100 0¸15 30 26,01¸33 8 12 6,5 0,6 0,8 5500

6a

HG

HG 11A 0¸15 36 33,01¸40 8 12 6,5 0,6 0,8 4850

6b

HG

HG 11B 0¸15 42 40,01¸45 8 12 6,5 0,6 0,8 4400

Chất lượng than Mạo Khê

Loại Kí hiệu Cỡ

hạt (mm)

Ak% Wpt % Vk % Sk Qk(Cal/g)

Than

cám

Trung bình

Giới hạn Trung

bình

Không lớn hơn

Trung bình

Trung bình

Không lớn hơn

Không nhỏ hơn

4a

MK

4b

MK

6a

MK

6b

MK

3. Tính toán lượng không khí cần thiết để đốt 1kg than

) /

( 16 , 11 ) 63 , 1 79 , 1 ( 034 , 0 1 346 , 0 94 115 , 0

) ( 034 , 0 346 , 0 115 , 0

2 0

0

kgthan kgk

x x

L

O S H

C L

=

− +

+

=

− +

+

=

Nhiệt lượng cần cung cấp đề nung chảy 50 kg thép:

Q=m.c.∆t =50x460x(1535−35)=34500000(J)

Trong đó: m: khối lượng thép

C: nhiệt dung riêng của thep

1535 : nhiệt độ nóng chảy của thép

35: nhiệt độ thép ban đầu

- Chiều dày lớp than trên mặt ghi ( phụ lục 31, giáo trình lý thuyết, tính toán và thiết kế hệ thống sấy) : Đối với than Antraxit dùng cho buồng đốt

bán khí 250 mm

- Quan hệ giữa chiều cao và diện tích đáy lò than đốt ghi thủ công:

- Cường độ cháy và cường độ nhiệt của ghi lò khi đốt cháy hoàn toàn ( phụ

lục 33, ( phụ lục 31, giáo trình lý thuyết, tính toán và thiết kế hệ thống

sấy), đối với ghi thu công, cường độ cháy của ghi :100-120 (kg/m 2 h)

Cường độ nhiệt của ghi (400-500).10 3 (Kcal/m2h)

4. Lựa chọn quạt cho lò nung thép

Khi tính toán thiết kế một lò nung thép đốt nhiên liệu là than Antrixit, ngoài việc tính toán nhiệt lượng cần nung cho thép nóng chảy, ta còn tính toán thiết kế quạt ly tâm cấp không khí cho việc đốt than, nhằm mục đích đốt than cháy hoàn toàn, tính toán nhiệt thiết kế lò đốt đúng thì việc tính toán và chọn quạt cũng không kém phần quan trọng Quạt là bộ phận quan trọng của hệ thống

lò nung thép

Một hệ thống lò nung thép làm việc có hiệu quả hay không phụ thuộc nhiều vào chất lượng quạt Do tầm quan trọng như vậy các cơ sở nung nấu thép cần phải trang bị cho mình một hệ thống khảo nghiệm quạt, với đầy đủ dụng cụ

đo, nhằm giúp các nhà sản xuất biết các thông số của quạt do họ chế tạo

Việc lựa chọn loại quạt nào, số hiệu bao nhiêu phụ thuộc vào đặc trưng của hệ thống lò nung, trở lực mà quạt phải khắc phục ∆P (Pa), năng suất mà quạt cần cấp để đốt hoàn toàn than V (m3/h) cũng như nhiệt độ và độ ẩm của không khí , khi chọn quạt, giá trị cần xác định là hiệu suất của quạt

Quạt có 2 nhiệm vụ chính trong hệ thống lò nung thép:

- Cung cấp lượng không khí cần thiết để đốt cháy hết lượng than cấp nhiệt cho lò

- Mang lượng khí thải ra lò ( thống gió cho lò đốt)

Theo yêu cầu thiết kế của hệ thống lò nung thép ở đây ta chọn loại quạt là quạt ly tâm.

1. Bố trí quạt ly tâm cho lò nung.

Quạt ly tâm được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và xây dựng, dùng để thông gió, cấp gió cho các hệ thống buồng đốt nhiên liệu, điều tiết không khí tại các nhà cao tầng, các trạm, phân xưởng sản xuất, hút và xả các chất độc sinh ra trong quá trình sản xuất, đặc biệt là ở các phân xưởng và các nhà máy hóa chất

Sơ đồ bố trí hệ thống lò nung thep

Hệ thống lò nung thép và cấp liệu cho lò nung

Một số loại ghi lò đốt nhiên liệu than thướng dùng

Lò nung thép

Tổng tổn thất áp suất cần khắc phục Δp:

Δp = Δpt + Δpcb , N/m2

Trong đó: Δpt: Trở lực qua lớp vật liệu trên ghi

Δpcb: Trở lực cục bộ qua ghi, co và cyclon

- Trở lực qua lớp vật liệu trên ghi:

k gh

G

ρ

Khối lượng của lớp than trên ghi, G= 7 kg

Khối lượng riêng của dòng khí ρk = 1,2 kg/m3

Khối lượng riêng của than Antraxit, ρv = 850 kg/m3

Diện tích của ghi, Fgh = 1,5 m2

Ta tính được:

Pa g

F

G

gh V

5 , 1 850

5 ).

=

ρ

- Trở lực cục bộ qua co, ghi và cyclon:

2

.

2

k S cb

v

∆ =

Vận tốc dòng khí: vs= 5 m/s

Hệ số trở lực qua co, chọn ξco = 1,1

Hệ số trở lực qua ghi, chọn ξG = 2 ( phụ lục 2 GT BQMN)

Hệ số trở lực qua siclon, chọn ξS = 0

Ta tính được:

Pa

2

5 2 , 1 ).

0 2 1 , 1 ( 2

)

2

= +

+

= +

+

=

Chiều dài ống thép từ miệng ra của quạt đến cửa cấp khí của lò nung l = 1

m, đường kính d = 0,2m, vận tốc khí trong ống v=10 m/s

pa

v d

l

2

10 2 , 0

1 15 , 0 2

2 2

=

=

=

Vậy : cột áp toàn phần Δp = 46+37,5= 84 Pa

Lưu lượng quạt:

Q L v

ρ

= =

, m3/s Với: L là lượng không khí khô cần thiết đã tính được ở trên L = 11,16 kgkk/s

s m

2

,

1

16

,

=

=

Công suất cần thiết của quạt:

kW Q

p

65 , 0

10 3 , 9 84 10

.

=

=

∆

η

η

:hiệu suất chung, thường

65 , 0 4 ,

0 −

=

η

, chọn

65 , 0

=

η

Công suất động cơ quạt:

Nđc = K.Nlt , kW Với K là hệ số dự trữ K =1,1

III. THIẾT KẾ QUẠT.

1) Thiết kế guồng

- Đường kính trong của guồng:

m n

Q

1470

3 , 9 5 , 3 5

,

- Đường kính ngoài của quồng:

m m

D

85 , 0

647 , 0 1

Với m là hệ số : m= 0,85-0,9 với quạt thấp áp

- Để đảm bảo an toàn cho cách quạt ta chọn chiều dầy cánh:

mm

6

=

δ

- Độ dài cánh:

m D

D

2

1

=

- Bước cánh : t = Z

- Số cánh:

37 06

, 0

71 , 0 14 , 3 2

t

D n

(cánh) Vận tốc ở cửa ra

98 , 16 98 2

, 1

4 , 29 81 , 9 2

2

ρ d

h g C

(m/s)

Trong đó: hd=0,3.H = 0,3 98 = 29,4 mmH2O Cột áp quạt áp lực thấp: < 100 mm H2O

- Vận tốc đầu vào:

-s m D

Q

647 , 0 14 , 3

3 , 9 4

4

2 2

1

π

- Vận tốc góc của guồng động:

.1470

n

rad s

π π

- Tốc độ vòng ở đầu vào:

) / ( 8 , 49 2

647 , 0 154 1

1

- tốc độ vòng ở đầu ra:

) / ( 52 , 58 2

76 , 0 154 2

2

- Để quạt hoạt động tốt nhất, kinh tế nhất: ta chọn góc giữa C1

với U1 là 900

90 1

o

α

⇔ =

- Vận tốc tương đối:

27 , 57 8 , 49 3 ,

28 2 2 2

1

2 1

W

(m/s)

93 , 60 52 , 58 98 ,

2 2

2 2

W

(m/s)

- Vân tốc pháp tuyết:

Cr = C1 = 28,3 (m/s)

- Vân tốc tiếp tuyến

Ct = 0

- Tam giác vận tốc ở cửa vào:

nên ta xem như Cr1 =Cr2 = 28,3 (m/s) Góc ra của không khí tại cửa ra và vào:

1

1

U W

1

1

27 , 52

8 , 49 arcsin

=

W

U

β

R1cosβ1

= R2cosβ2

⇒ β 2

=74,99o

- Chiều rộng của guồng động:

) ( 2429 , 0 8 , 49 4 , 0 3 , 28 ).

20 006 , 0 647 , 0 14 , 3 (

3 , 9

).

(

2 2 2

2 1

2 1

2 1 1 1

m b

u C

n D

Q b

=

−

−

=

−

−

=

ϕ δ

π

b = 0,242 m