Tieu luan Thu Hoi Nhiet Thai Lo Hoi

Khả năng thu hồi nhiệt và yêu cầu của thiết bị sử dụng nhiệt tính toán sơ bộ 1.. Ở mỗi dây chuyền có sử dụng một lò nung đốt gas CNG, nung nóng sợi thép nguyên liệu lên đến 6000C, Sợi th

TIỂU LUẬN MÔN THU HỒI NHIỆT THẢI

Đề tài:

T N D NG NHI T KHÓI TH I LÒ NUNG THÉP Đ GI M T I Ậ Ụ Ệ Ả Ể Ả Ả CHO H TH NG ĐI N TR Đ T C A THI T B GIA NHI T S I Ệ Ố Ệ Ở Ố Ủ Ế Ị Ệ Ợ

THÉP

GVHD: TS NGUYỄN VĂN TUYÊN HVTH: NGUYỄN TRỌNG HIẾU LỚP: CAO HỌC NHIỆT 2015

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015

Nội dung tiểu luận

Phần 1: Giới thiệu chung

I Giới thiệu lò nung thép và thiết bị gia nhiệt thép của công ty Hyosung

II Sự cần thiết của đề tài

Phần 2: Tính toán thiết kế thiết bị thu hồi nhiệt thải

I Khả năng thu hồi nhiệt và yêu cầu của thiết bị sử dụng nhiệt (tính toán sơ bộ)

1 Nguồn nhiệt thải

2 Thiết bị sử dụng nhiệt (thiết bị gia nhiệt)

3 Khả năng thu hồi nhiệt

II Lựa chọn phương pháp thu hồi nhiệt thải

III Tính toán thiết kế thiết bị thu hồi nhiệt

1 Sơ đồ trao đổi nhiệt và các thông số của hệ thống

2 Tính toán nhiệt cho hệ thống

3 Thiết kế các bộ trao đổi nhiệt

4 Nhận xét và đề xuất phương án lắp đặt các bộ trao đổi nhiệt

Phần 3: Hiệu quả kinh tế - kỹ thuật và môi trường

I Hiệu quả kinh tế - kỹ thuật và môi trường

II Kết luận

Phần 1: GIỚI THIỆU CHUNG

I Giới thiệu lò nung thép và thiết bị gia nhiệt thép của công ty Hyosung

Nhà máy sản xuất sợi thép của Steel cord của công ty Hyosung có 4 dây chuyền sản xuất sợi thép Brassing Ở mỗi dây chuyền có sử dụng một lò nung đốt gas CNG, nung nóng sợi thép nguyên liệu lên đến 6000C, Sợi thép sau khi nung sẽ qua các công đoạn kéo, mạ đồng, kẻm, rửa… và hệ thống gia nhiệt sợi thép lên khoảng 1200C

Hình 1.1: Lò nung 600 0 C dây chuyền Brassing

Hệ thống gia nhiệt thép có buồng đốt sử dụng điện trở đốt với công suất điện trở mỗi máy là 100kW Không khí làm tác nhân gia nhiệt sẽ được quạt thổi qua buồng đốt điện trở trước khi được đưa vào buồng chứa sợi thép để gia nhiệt cho sợi thép

Hình 1.2: Thiết bị gia nhiệt thép

II Sự cần thiết của đề tài:

Dây chuyền sản xuất của nhà máy vận hành 24 giờ mỗi ngày và khoảng 360 ngày mỗi năm, do vậy điện năng tiêu thụ mỗi năm cho hệ thống điện trở đốt của nhà máy rất lớn Trong khi đó nguồn nhiệt thải từ các lò nung thép của nhà máy vẫn chưa được tận dụng hết, do vậy có thể tận dụng nguồn nhiệt thải này để cấp nhiệt cho hệ thống gia nhiệt thép nhằm thay thế cho việc dùng điện trở đốt (hệ thống điện trở đốt có thể để dự phòng hoặc đốt bổ sung khi nguồn nhiệt tận dụng không đủ đáp ứng công suất yêu cầu) Việc sử dùng nguồn nhiệt tận dụng được từ nhiệt thải sẽ làm giảm đáng kể điện năng tiêu thụ cho nhà máy và giảm chi phí tiền điện hằng năm

Phần 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ THU HỒI NHIỆT THẢI

I Khả năng thu hồi nhiệt và yêu cầu của thiết bị sử dụng nhiệt (tính toán sơ bộ)

1 Nguồn nhiệt thải:

• Tốc độ khói: v = 15m/s

• Nhiệt độ khói: tkh1 = 500 0C

• Khối lượng riêng của khói: ρ = 0.405kg/m3

• Lưu lượng thể tích của khói: Gv = 7.536 m3/s

• Lưu lượng khối lượng khói: G = ρ Gv = 0.405* 7.536 = 3.05kg/s

• Thành phần khói: xem như khói tiêu chuẩn (760 mmHg; 13% CO; 11% H2O; 76%N2)

• Nồng độ bụi: thấp

2 Thiết bị sử dụng nhiệt (thiết bị gia nhiệt):

• Số lượng thiết bị gia nhiệt có thể lắp đặt thiết bị thu hồi: 4

• Công suất điện trở đốt ở mỗi thiết bị gia nhiệt: Q’đt = 100kW

• Tổng công suất điện trở: Qđt = 400kW

• Nhiệt độ buồng đốt: tbđ = 1300C

• Nhiệt độ buồng gia nhiệt: tbs = 1200C

3 Khả năng thu hồi nhiệt:

• Nhiệt độ khói thải sau khi thu hồi (chọn): tkh2 = 3000C

• Công suất nhiệt thu hồi từ khói thải: Qkh = G*(iv – ir) = 3.05*(1.185*500 – 1.122*300) = 780.495kW

• Ước tính tỉ lệ tổn nhiệt ra môi trường: 20%

• Công suất nhiệt thu hồi có thể sử dụng ở thiết bị gia nhiệt: Qth = Qkh*(100%-20%)

= 624kW

Nhận xét: Công suất nguồn nhiệt thải Q th = 624kW lớn hơn công suất yêu cầu Q đt = 400kW

II Chọn phương pháp thu hồi nhiệt thải

Sử dụng dầu truyền nhiệt, thông qua thiết bị trao đổi nhiệt đặt tại đường ống khói thải

lò nung, dầu truyền nhiệt sẽ nhận nhiệt của khói thải và được bơm qua hệ thống đường ống đến thiết bị gia nhiệt, tại đây, đặt một bộ trao đổi nhiệt giữa dầu truyền nhiệt và tác nhân gia nhiệt (không khí) để sử dụng nhiệt của dầu nóng Ở đây sử dụng loại dầu truyền nhiệt Shell Heat Transfer Oil S2 với các thông số kỹ thuật như sau

Bảng2.1: Thông số kỹ thuật của dầu truyền nhiệt Shell Heat Transfer Oil S2

Bộ trao đổi nhiệt tại đường ống khói thải gồm các ống thép hợp kim trơn (không làm cánh), khói đi vuông góc với các ống thép

Bộ trao đổi nhiệt tại thiết bị gia nhiệt gồm các ống thép hợp kim có cánh, không khí (tác nhân gia nhiệt) đi vuông góc với các ống thép

Dưới đây mô tả hệ thống thu hồi nhiệt sử dụng dầu truyền nhiệt:

Hình 2.1: Sơ đồ thu hồi nhiệt cho dây chuyền sản xuất thép Ghi chú:

LN: Lò nung thép

TBGN1, TBGN2: Các thiết bị gia nhiệt thép

TĐN1: Bộ trao đổi nhiệt tại đường khói thải lò nung

TĐN2, TĐN3: Các bộ trao đổi nhiệt tại các thiết bị gia nhiệt

TĐN4, TĐN5: Các bộ trao đổi nhiệt tại các thiết bị gia nhiệt 3, 4 (không vẽ vào) BD: Bơm dầu

BCD: Bồn chứa dầu

Q1, Q2: Các quạt gió

V: Van

III Tính toán thiết kế thiết bị thu hồi nhiệt

1 Sơ đồ trao đổi nhiệt và các thông số của hệ thống:

Hình 2.2: Sơ đồ TĐN của hệ thống thu hồi nhiệt thải

2 Tính toán nhiệt cho hệ thống:

a Tính toán cho bộ TĐN của thiết bị gia nhiệt:

*Thông số biết trước:

- Thông số dầu nóng:

• Nhiệt dung riêng của dầu (lấy ở nhiệt độ 2500C): Cd = 2.72 kJ/kgK

• Khối lượng riêng của dầu (ở 2500C): ρd = 713kg/m3

• Nhiệt độ dầu nóng vào bộ TĐN: tdv = 2500C (chọn)

• Nhiệt độ dầu nóng ra bộ TĐN: tdv = 2400C (chọn)

- Thông số không khí (tác nhân gia nhiệt):

• Nhiệt dung riêng đẳng áp của không khí (ở 1200C): Ck = 1.0072kJ/kgK

• Khối lượng riêng của không khí (ở 1200C): ρk = 0.898kg/m3

• Lưu lượng không khí qua bộ TĐN: Gk = 10,000m3/h = 2.5kg/s

• Nhiệt độ không khí ra bộ trao đổi nhiệt: tkr = 1300C

- Thông số chung:

• Công suất nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt: Qgn = 100kW (bằng công suất điện trở đốt)

• Hệ số truyền nhiệt của bộ TĐN: k1 = 50W/m2K (lấy theo kinh nghiệm)

• Hệ số làm cánh: c = 5

*Thông số tính toán:

• Lưu lượng dầu nóng qua bộ TĐN: Gd

• Nhiệt độ không khí vào bộ TĐN: tkv

• Diện tích bộ TĐN: F1

* Phương trình cân bằng nhiệt tại bộ TĐN:

Gd*Cd *(tdv – tdr) = Gk*Ck*(tkr – tkv) = Qgn (1) Thay số vào hệ phương trình trên:

Gd*2.72 *(250 – 240) = 2.5*1.0072*(130 – tkv) = 100

Giải hệ phương trình trên, ta được:

Gd = 3.68kg/s

tkv = 900C

* Phương trình truyền nhiệt tại bộ TĐN:

Q gn = k 1 F 1∆t1 (2) Trong đó, ∆t1 là độ chênh nhiệt độ trung bình của không khí và dầu qua bộ TĐN: ∆t1

= ∆t’*ε∆t

∆t’ : độ chênh nhiệt độ của không khí và dầu ứng với sơ đồ TĐN song song ngược chiều,

0

250 130 ln

ln

24

’

0 90

C







ε∆t : hệ số hiệu chỉnh do tính toán với so đồ TĐN chéo nhau,

ε∆t = f(P,R);

240 250

0.0625

90 250

dr dv

kv dv

P

90 130

dr dv

kv kr

R

Từ các giá trị P và R, tra ε∆t trên đồ thị tương ứng với sơ đồ TĐN chéo nhau, ta có 1

t

Vậy t1� t' 1340C

Từ phương trình (2) suy ra: 1 1 1

100*1000

15 50*134

gn

Q F

k t

b Tính toán cho bộ TĐN tại lò nung thép:

*Thông số biết trước:

- Thông số dầu nóng:

• Nhiệt dung riêng của dầu (lấy ở nhiệt độ 2500C): Cd = 2.72 kJ/kgK

• Khối lượng riêng của dầu (ở 2500C): ρd = 713kg/m3

• Lưu lượng dầu nóng qua bộ TĐN : GD = 4*Gd = 4*3.68 = 14.72 (kg/s)

• Nhiệt độ dầu nóng vào bộ TĐN: tDv = tdr – 2 = 240 – 2 =238 (0C) (ước tính nhiệt

nhiệt ra môi trường).

• Nhiệt độ dầu nóng ra bộ TĐN: tDr = tdv + 2 = 250 + 2 = 252 (0C) (ước tính nhiệt độ dầu vào bộ TĐN ở nhiết bị gia nhiệt giảm 2 0C so với nhiệt độ dầu ra bộ TĐN ở lò nung do tổn thất nhiệt ra môi trường)

- Thông số khói:

• Nhiệt độ khói vào bộ TĐN: tkhv = 5000C

• Nhiệt dung riêng đẳng áp của khói (ở 5000C): Ckh1 = 1.185kJ/kgK

• Nhiệt dung riêng đẳng áp của khói (ở 3000C): Ckh2 = 1.122kJ/kgK

• Lưu lượng khói qua bộ TĐN: Gkh = 3.05kg/s

- Thông số chung:

• Hệ số truyền nhiệt của bộ TĐN: k2 = 70W/m2K (lấy theo kinh nghiệm)

*Thông số tính toán:

• Nhiệt độ khói ra bộ TĐN: tkhr

• Công suất nhiệt của bộ TĐN tại lò nung: Qln

• Diện tích truyền nhiệt bộ TĐN: F2

* Phương trình cân bằng nhiệt tại bộ TĐN:

GD*Cd *(tDr – tDv) = Gkh*(ikhv – ikhr) = Qln (3) Trong đó:

ikhv, ikhr : entanpi của khói vào và ra bộ TĐN

ikhv = Ckh1*tkhv = 1.185*500=592.5kJ/kg

ikhr � Ckh2*tkhr =1.122*tkhr (kJ/kg)

Thay số vào hệ phương trình (3):

14.72*2.72 *(252 – 238) = 3.05*(592.5 – 1.122*tkhr) = Qln

Giải hệ phương trình trên, ta được:

Qln = 561kW

tkhr = 3640C

* Phương trình truyền nhiệt tại bộ TĐN:

Q ln = k 2 F 2∆t2 (4) Trong đó, ∆t2 là độ chênh nhiệt độ trung bình của khói và dầu qua bộ TĐN: ∆t2 =

∆t’*ε∆t

∆t’ : độ chênh nhiệt độ của khói và dầu ứng với sơ đồ TĐN song song ngược chiều,

0

500 252 ln

ln

’

2

khv Dr khr Dv

C



 

ε∆t : hệ số hiệu chỉnh do tính toán với so đồ TĐN chéo nhau,

ε∆t = f(P,R);

252 238

0.05

500 238

Dr Dv

khv Dv

P

252 238

0.103

500 364

Dr Dv khv khr

R

Từ các giá trị P và R, tra ε∆t trên đồ thị tương ứng với sơ đồ TĐN chéo nhau, ta có 1

t

Vậy t2 � t' 1800C

Từ phương trình (2) suy ra:

2

2 2

561*1000

45 70*180

ln Q F

k t

3 Thiết kế các bộ trao đổi nhiệt:

a Thiết kế bộ TĐN của thiết bị gia nhiệt:

Hình 2.3: Hình vẽ thiết kế bộ TĐN của thiết bị gia nhiệt thép Ghi chú: Để đơn giản nên không vẽ cánh của dàn ống ở hình vẽ trên.

Từ diện tích trao đổi nhiệt F = 15m2, sau khi lựa chọn và tính toán, ta có các thông số của dàn ống bộ TĐN:

- Số ống xoắn (được gắn vào ống góp chung): 7 ống

- Tổng chiều dài một ống xoắn: 7m

- Khoảng cách giữa 2 ống xoắn liên tiếp (không kể cánh): 0.045m

- Chiều dài một đoạn ống thẳng: 0.5m

- Bán kính trong tiết diện mặt cắt ngang của ống: 0.01m

- Bán kính ngoài tiết diện mặt cắt ngang của ống: 0.015m

- Số lượng cánh trong một đoạn ống thẳng: 42 cánh

- Chiều cao của cánh: 0.015m

- Chiều dày của cánh: 0.002m

b Thiết kế bộ TĐN tại đường khói thải lò nung:

Hình 2.4: Hình vẽ thiết kế bộ TĐN tại lò nung thép

Từ diện tích trao đổi nhiệt F = 45m2, sau khi lựa chọn và tính toán, ta có các thông số của dàn ống bộ TĐN:

- Số ống xoắn (được gắn vào ống góp chung): 15 ống, các ống xoắn được vào ống góp trên và ống góp dưới

- Khoảng cách giữa 2 ống xoắn liên tiếp 0.075m

- Chiều dài một đoạn ống thẳng: 1m

- Bán kính uốn trong của ống xoắn: 0.0375m

- Bán kính trong tiết diện mặt cắt ngang của ống: 0.02m

- Bán kính ngoài tiết diện mặt cắt ngang của ống: 0.025m

4 Nhận xét và đề xuất phương án lắp đặt các bộ trao đổi nhiệt:

- Nhiệt độ khói thải sau khi thu hồi nhiệt ở lò nung tính toán được là 3640C, nhiệt độ

này khá cao, có thể tiếp tục tận dụng nhiệt cho những mục đích khác tại nhà máy, như gia nhiệt cho nước rửa ở các máy rửa thép

- Các bộ TĐN giữa dầu nóng vào không khí và bộ TĐN giữa khói và dầu, sau khi thiết kế, có đủ diện tích để lắp đặt tại các khu vực đặt máy gia nhiệt sợi thép và tại lò nung

- Đối với bộ TĐN giữa dầu nóng và không khí, có thể đặt song song với bộ TĐN bằng điện trở cũ, trường hợp hệ thống thu hồi nhiệt không đáp ứng đủ nhu cầu thiết bị gia nhiệt hoặc cần sửa chữa, bảo trì thì có thể vận hành hệ thống TĐN cũ bằng điện trở

I Hiệu quả kinh tế - kỹ thuật và môi trường

Sau khi ước tính chi phí lắp đặt thiết bị thu hồi và dựa vào chỉ số giảm phát thải CO2 trên một đơn vị điện năng tiết kiệm, ta có bảng phân tích hiệu quả kinh tế kỹ thuật và môi trường như sau:

Bảng 3.1: Phân tích hiệu quả kinh tế - kỹ thuật và môi trường của phương án thu hồi nhiệt thải

Thông số Đơn vị Gía trị

Chỉ số giảm phát thải CO2 tấn/MWh 0.624

Hệ thống hiện hữu

Số lượng máy gia nhiệt thép cái 4

Công suất định mức điện trở mỗi máy gia nhiệt

Tổng công suất định mức của điện trở kW 400

Hệ số tải trung bình của các điện trở đốt % 50

Tổng công suất tiêu thụ thực tế của các điện trở kW 200

Thời gian vận hành mỗi ngày của thiết bị giờ 24

Số ngày vận hành trong năm của thiết bị ngày 360

Lượng điện năng tiêu thụ mỗi năm của thiết bị

Lắp thiết bị thu hồi nhiệt

Chi phí nguyên vật liệu và thiết bị cho hệ thống 103 đ 900,000

Chi phí thiết kế và lắp đặt 103 đ 90,000

Tổng đầu từ lắp đặt hệ thống thu hồi 10 3 đ 1,039,500

Lượng điện năng tiết kiệm được hàng năm kWh/năm 1,728,000

Số tiền tiết kiệm được hàng năm 10 3 đ/năm 2,359,656

Thời gian thu hồi vốn Năm 0.44

Lượng giảm phát thải khí CO 2 ra môi trường Tấn/năm 1,079

II Kết luận

Tiểu luận đã nêu lên đề xuất lắp đặt thiết bị thu hồi nhiệt thải cho lò nung thép ở nhà máy sản xuất của công ty Hyosung, đã thực hiện tính toán nhiệt, thiết kế các bộ trao đổi nhiệt sử dụng dầu truyền nhiệt để truyền tải nhiệt từ lò nung thép đến các thiết bị gia nhiệt sợi thép Đề xuất này đã đáp ứng được yêu cầu của công ty trong việc sử dụng nguồn nhiệt tận dụng để giảm điện năng tiêu thụ tại công ty Tuy nhiên, nguồn nhiệt thải sau khi tận dụng vẫn còn nhiệt độ khá cao, có thể tiếp tục thu hồi để sử dụng vào những

mục đích khác tùy theo nhu cầu của công ty.

Việc thực hiện thu hồi nhiệt thải từ lò nung thép để sử dụng cho thiết bị gia nhiệt sợi thép sẽ giúp cắt giảm một lượng điện năng tiêu thụ hàng năm cho công ty là khoảng 1,728,000 kWh, nhờ đó sẽ giảm chi phí tiền điện tương ứng là 2,359,656,000 đ mỗi năm Ngoài ra, việc cắt giảm điện năng sẽ góp phần làm giảm lượng phát thải CO2 vào môi

trường, khoảng 1,079 tấn/năm, khí này là tác nhân chính gây ra hiệu ứng nhà kính, đang

gây nhiều ảnh hưởng tiêu cực đến khí hậu toàn cầu

Tài liệu tham khảo:

1 Bài giảng Thu hồi nhiệt thải – TS Nguyễn Văn Tuyên

2 Giáo trình Thiết bị trao đổi nhiệt – PGS.TS Nguyễn Bốn

3 Một số tài liệu trên Internet