Giáo án môn học lò hơi

Giáo án môn học lò hơi

GIÁO ÁN MÔN HỌC: LÒ HƠI

Tài liệu tham khảo:

1 Thiết bị lò hơi – Trương Duy Nghĩa

2 Thiết kế lò hơi – Trần Thanh Kỳ

3 Sổ tay kỹ thuật lò hơi – Phan Sâm

MỞ ĐẦU

1 Khái niệm

- Lò hơi là thiết bị sinh ra hơi nước có áp suất và nhiệt độ cao bằng cách cấp nhiệt vào Nhiên liệu sử dụng thường là nhiên liệu hoá thạch như: dầu mỏ, than đá, khí đốt Ngoài ra lò hơi còn được cấp nhiệt bằng điện trở

2 Công dụng của lò hơi

™ Sử dụng trong các quy trình công nghệ như trong các nhà máy dệt, nhà máy đường, thực phẩm, giao thông vận tải, rượu bia, nhà máy giấy, trong nhà máy nhiệt điện…

™ Cung cấp hơi cho các tuabin hơi của nhà máy nhiệt điện

™ Dùng để làm sức kéo dùng trong động cơ hơi nước

3 Các thông số kỹ thuật cơ bản của lò hơi

a Sản lượng hơi (công suất, năng suất) D: là lượng hơi sinh ra trong một đơn vị thời gian (kg/h, tấn/h, kg/s)

- SLH định mức Dđm: SLH lớn nhất mà lò hơi có thể làm việc lâu dài ở thông số hơi qui định

- SLH qui ước (Equivalent evaporation): SLH sinh ra tại 100oC (Steam rating from water at 100 oC to steam at 100 oC)

- SLH cực đại: SLH lớn nhất cho phép NH làm việc tạm thời trong một thời gian ngắn Thường Dmax = (1,1 ÷ 1,2)Dđm

- SLH kinh tế: ứng với khi NH đạt hiệu suất cao nhất Thường Dkt = (0,8 ÷ 0,9)Dđm

b Áp suất làm việc, nhiệt độ làm việc: hơi bão hòa hoặc hơi quá nhiệt Thông số càng cao thì hiệu suất càng cao

Q: nhiệt lượng sinh ra

V: thể tích buồng lửa

d Năng suất bốc hơi: khả năng sinh hơi trên một đơn vị diện tích bề mặt đốt trên một đơn vị thời gian (kg/m2h)

e Phụ tải nhiệt của lò hơi:Nhiệt lượng mà hơi sinh ra cung cấp cho nơi sử dụng trong một đơn vị thời gian (kJ/h, kcal/h, kW)

f Hiệu suất nhiệt của lò hơi: tỷ lệ nhiệt lượng nhận được từ hơi nước và nhiệt lượng cấp vào cho lò hơi Thông thường hiệu suất nhiệt của lò hơi lớn hơn 80%

CHƯƠNG 1 – LÒ HƠI VÀ CÁC KHÁI NIỆM

Nồi hơi là thiết bị sản xuất ra hơi nước nhờ sử dụng nhiệt năng toả ra khi đốt nhiên liệu

- Xảy ra 02 quá trình chuyển biến năng lượng: cháy và trao đổi nhiệt

- Hệ thống nồi hơi bao gồm các thiết bị chính và thiết bị phụ:

+ TB chính là các bộ phận thuộc bản thể lò (phục vụ trực tiếp cho việc sinh hơi) gồm: buồng lửa, thiết bị đốt, dàn ống sinh hơi, bao hơi, bộ quá nhiệt, bộ hâm nước, sấy không khí

+ TB phụ giúp nồi hơi hoạt động an toàn, kinh tế, gồm: quạt gió, quạt khói, bơm cấp nước, các van, thiết bị đo – kiểm soát – an toàn,

Phân loại lò hơi

Lò hơi được phân loại theo các tiêu chuẩn như sau:

- Theo thông số hơi: áp suất p, nhiệt độ t, sản lượng hơi D

- Theo phương pháp đốt nhiên liệu:

Lò ghi: đốt nhiên liệu rắn

Lò phun: đốt bột, lỏng, khí

- Theo chế độ tuần hoàn của nước: tuần hoàn tự nhiên, cưỡng bức, trực lưu

- Theo lịch sử phát triển của lò hơi: lò hơi ống lò ống lửa, lò hơi ống nước, lò hơi thẳng đứng, lò hơi nằm ngang

- Theo công dụng:

Theo quy trình công nghệ

Sử dụng làm động lực

Một số phương hướng phát triển của lò hơi:

Nâng cao công suất và hiệu suất của lò hơi (thu hồi nhiệt thải lò hơi)

Nâng cao tính an toàn trong lúc vận hành và sử dụng

Lắp ráp sửa chửa dể dàng

Lò hơi ống lò

KhóiNước

Lò hơi ống lò ống lửa

Nước Khói

a Lò hơi ống nước thẳng đứng

CHƯƠNG 2 – NHIÊN LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA NHIÊN LIỆU

I Khái niệm:

Nhiên liệu là những vật chất có khả năng oxy hóa tạo thành sản phẩm cháy có nhiệt độ cao nhờ năng lượng hoá học kết hợp bên trong

II Phân loại:

™ Theo nguồn gốc: thiên nhiên, nhân tạo

™ Trạng thái vật lý: rắn, lỏng, khí

Bảng phân loại:

Trạng thái vật lý Thiên nhiên Nhân tạo

Rắn Gỗ, các loại than tự nhiên Than gỗ, than bánh, than

cốc

mazut, dầu hỏa

III Thành phần hóa học của nhiên liệu

a Nhiên liệu rắn và lỏng

Các nhiên liệu hữu cơ rắn và lỏng bao gồm một số lượng lớn hợp chất phức tạp Do đó việc xác định chính xác cấu tạo phân tử của nhiên liệu này rất khó khăn Cho nên người ta chỉ phân tích các thành phần nguyên tố cơ bản trong nhiên liệu bao gồm: C,

H, O, N và S được thể hiện dưới dạng phần trăm Đồng thời trong nhiên liệu này còn có chứa hàm lượng ẩm W và độ tro A Trong đó lưu huỳnh bao gồm 2 thành phần: Sc ,

Ssf :với Sc lưu huỳnh cháy được và Ssf _lưu huỳnh không cháy được gọi là thành phần sunfat

Cacbon C là thành phần cháy chủ yếu của nhiên liệu có nhiệt trị khá cao (34150kJ/kg)

Hydro H là thành phần cháy quan trọng có nhiệt trị cao nhất (144500kJ/kg) Tuy nhiên trong nhiên liệu hàm lượng Hydro chiếm tỷ lệ khá ít (trong nhiên liệu lỏng hàm lượng H nhiều hơn trong nhiên liệu rắn)

Lưu huỳnh S là thành phần cháy của nhiên liệu có nhiệt trị thấp: 9000kJ/kg Trong nhiên liệu S tồn tại ở 3 dạng: hữu cơ, khoáng chất, sunfat (CaSO4; MgSO4; FeSO4 không tham gia phản ứng cháy và tạo xỉ)

sf c sf kc

S

kc hc

S = + cháy

Lưu huỳnh ở trong nhiên liệu là có hại

4 2 2

3

3 2

2

SOHO

H

SO

SOO

SO

→+

→+

Đối với dầu mazut người ta căn cứ vào lượng lưu huỳnh để phân biệt dầu tốt hay xấu

Độ ẩm là thành phần có hại làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu, khó bắt lửa do đó cần phải tiêu hao năng lượng để làm khô Độ ẩm chỉ tồn tại trong nhiên liệu rắn Độ ẩm của nhiên liệu bao gồm lượng ẩm nhiên liệu hút từ môi trường và trong kết cấu của nhiên liệu

Độ tro: bao gồm tro phát sinh trong quá trình khai thác, tồn trữ, vận chuyển và có sẳn trong nhiên liệu Độ tro rất có hại cho nhiên liệu làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu, đóng tro trong các bề mặt trao đổi nhiệt làm giảm hệ số truyền nhiệt kéo theo diện tích trao đổi nhiệt tăng thêm

Ngoài ra tro bay ra trong khói còn làm mài mòn thiết bị làm giảm tuổi thọ thiết bị,

ô nhiễm môi trường Nếu tro dễ nóng chảy sẽ bám vào các bề mặt trao đổi nhiệt một lớp rắn chắc gây hư hỏng thiết bị Do đó khi thiết kế lò hơi ta phải chọn nhiệt độ khói ra khỏi buồng lửa nhỏ hơn nhiệt độ bắt đầu biến dạng của tro

b Đối với nhiên liệu khí: chủ yếu là mêtan_CH4 , ngoài ra còn có các khí cháy được như hydro_H2 , cacbuahydro_CmHn (C2H4; C3H8; C4H10 ,… ), oxytcacbon_CO và một số ít khí không cháy được như nitơ_N2 ,Oxy_O2, acbonic=dioxytcacbon_CO2 và hơi nước_ H2O

c Các thành phần của nhiên liệu rắn và lỏng:

Khi tính thành phần hóa học của nhiên liệu rắn và lỏng người ta tính theo thành phần khối lượng các nguyên tố cơ bản, đơn vị là phần trăm,% Có 5 thành phần khối lượng

cơ bản là: thành phần khối lượng làm việc_“lv”; phân tích _“pt”; khô_“k”; cháy_“c”; hữu cơ_“hc” Tổng các thành phần khối lượng các nguyên tố trong cùng 1 thành phần đều bằng 100%

™ Thành phần khối lượng làm việc: đây là thành phần dùng để tính tiêu hao nhiên liệu trong lò hơi và là thành phần thực tế khi nhiên liệu sử dụng để cung cấp nhiệt

100%

WAONSH

™ Thành phần khối lượng hữu cơ: gồm những nguyên tố ở dạng hữu cơ:

100%

ONSH

Chc + hc + hcc + hc + hc = (1-5)

Trong thực tế ta gặp nhiều nhất là thành phần làm việc

9 Quan hệ giữa thành phần làm việc và thành phần cháy:

Để chuyển đổi từ thành phần khối lượng này sang thành phần khối lượng khác ta dùng công thức chuyển đổi như sau:

db

cad

cb

NSH

Clv+ lv+ lvc + lv+ lv = lv+ lv

100ONSH

Cc+ c+ cc+ c+ c=

Ta có:

100

)W(A100

S

SH

H

C

c c

lv c c

100C

100H

Hc lv lv lv

+

−

9 Tương tự đối với nhiên liệu khí cháy được và không cháy được

9 Khi cùng một thành phần khối lượng mà có độ ẩm khác nhau hay thay đổi độ ẩm,

ta có tính theo công thức tương tự:

)W(A-100O

NSH

C1lv+ 1lv+ lvc1+ 1lv+ 1lv = 1lv+ 1lv

)W(A-100O

NSH

Clv2 + lv2 + lvc2+ lv2 + lv2 = lv2 + 2lv

Ta có:

lv 1

lv 1 lv

c2

lv c1 lv

W100

S

SH

lv 1 lv

1

lv

2

W-100

W100C

lv 1

lv 1 lv

1

lv

2

W-100

W100H

9 Đối với nhiên liệu khí người ta thường chọn thành phần thể tích của các khí trong nhiên liệu để tính toán, đơn vị là phần trăm_%

Chương 3- CÁC ĐẶC TÍNH CÔNG NGHỆ CỦA NHIÊN LIỆU

Độ tro A

Là các thành phần tạp chất không cháy được như là Al2O3 ; các muối sunfat, sunfat sắt,… và gọi chung là thành phần khoáng của nhiên liệu Nếu nhiên liệu có hàm lượng tro lớn thì khi cháy sẽ làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu và bám bẩn vào bề mặt trao đổi nhiệt và làm giảm hệ số truyền nhiệt K

Phân loại:

Tro dể nóng chảy, t<1200oC

Tro có nhiệt độ nóng chảy trung bình, 1200oC<t<1400oC

Tro khó nóng chảy, t>1400oC

Độ ẩm: W

Là hàm lượng nước chứa trong nhiên liệu

Độ ẩm của nhiên liệu phụ thuộc vào tuổi của nhiên liệu Nhiên liệu càng già thì độ ẩm của nhiên liệu càng thấp (nhiên liệu rắn) Còn nhiên liệu lỏng và khí thì hàm lượng ẩm hầu như không thay đổi

Nhiệt trị của nhiên liệu

Là nhiệt lượng sinh ra khi đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu rắn hay lỏng hoặc 1m3tc nhiên liệu khí

Đối với nhiên liệu rắn và lỏng có hai loại nhiệt trị: nhiệt trị cao Qc (kJ/kg) và nhiệt trị thấp Qt (kJ/kg)

Nhiệt trị thấp làm việc Qtlv là nhiệt lượng sinh ra khi đốt cháy nhiên liệu trong điều kiện làm việc thực tế của các thiết bị Đây là thông số để tính toán lượng tiêu hao năng lượng hay hiệu suất của lò hơi

Nhiệt trị cao Qclv là nhiệt lượng sinh ra khi đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu trong điều kiện hơi nước của sản phẩm cháy được ngưng tụ lại

O H

1kg Hlv tham gia phản ứng cháy tạo ra 9kg nước

Vì trong nhiên liệu có chứa nước (hàm lượng ẩm) cho nên nó cũng tham gia phản ứng cháy và bay hơi

Nhiệt lượng nước nhả ra khi ngưng tụ lại (tính theo % Hlv tham gia phản ứng cháy)

lv lv

O H

O

H

O H

lv lv

25W225H

QQ

Q

25W225H

Q

Q2500100

t

c

Q = +

Ta có:

c

lv c

lv c

t

lv lv

225HQ

25WQ

25WQ

Q

c t

lv lv

t c c

)W(A100

100)

25WQ

(

Qct lvt lv lv lv

+

−+

t

k

c

lv lv

Q

225W225H

lv

k

lv k

t

lv lv

t k

k t

lv lv

t

k

c

lv lv

WA100

H

H

H

HQ

225WQ

225HQ

225H225W

Q

Q

Q

225HQ

Q

225H225W

++

O1091030H

339C

Q

lv lv c lv

lv

lv

lv lv

c lv lv

Clv, Hlv,… thành phần khối lượng làm việc của các nguyên tố trong nhiên liệu, %

339; 1030;……….nhiệt lượng toả ra khi đốt cháy hoàn toàn 1kg C, H,… sau khi đã chia cho 100

9 Đối với nhiên liệu khí ta có công thức như sau: (kJ/m3)

6 6 12

5 10

4 8

4 8

3

6 3 6

2 4

2 4

2 2

k

t

H1403CH

1461CH

1187CH

1135CH

913C

H860CH

638CH

591C358CH

S234H108H

126CO

Q

++

++

+

++

++

++

=

9 Khi độ ẩm của nhiên liệu thay đổi thì nhiệt trị thấp làm việc cũng thay đổi theo quan hệ:

lv 1

lv 1

lv 2

lv 2 lv

1

lv 2 lv

W100H

H25W

2 lv

1

lv 2

lv 1

lv t1 lv

W100

W10025WQ

−

−+

9 Khi hỗn hợp hai loại nhiên liệu, nhiệt trị thấp làm việc của hỗn hợp đối với 1kg nhiên liệu rắn và lỏng được xác định như sau:

lv t2 1

1

Bb

+

B1; B2: khối lượng nhiên liệu thứ nhất và thứ hai

lv t1

Q ; lv

t2

Q _ nhiệt trị thấp làm việc của nhiên liệu thứ nhất và thứ hai

Nhiên liệu quy ước và đặc tính quy dẫn của nhiên liệu

Để so sánh các loại nhiên liệu khác nhau về nhiệt lượng người ta dùng khái niệm nhiên liệu quy ước, đó là loại nhiên liệu có nhiệt trị thấp là 7000kcal hay bằng 29300kJ/kg

Độ tiêu hao nhiên liệu quy ước (Bq)

Nhiệt trị của một số nhiên liệu phổ biến, kcal/kg

Đặc tính quy dẫn của nhiên liệu ở 1000kcal =41900kJ

a Độ tro quy dẫn:

lv t

lv qd

Q

A4190

b Độ ẩm quy dẫn:

lv t

lv qd

Q

W4190

c Hàm lượng lưu huỳnh qui dẫn:

lv t

lv c qd

Q

S4190

Chương 4- CÁC SẢN PHẨM CHÁY CỦA NHIÊN LIỆU

I Thể tích không khí lý thuyết

Khi đốt cháy nhiên liệu thì các thành phần cháy của nhiên liệu như C, H, S bị oxy hoá và tạo thành sản phẩm cháy như: CO2, SO2 và hơi nước Chất oxy hoá chủ yếu là oxy trong không khí chiếm 21% về thể tích Ngoài ra trong sản phẩm cháy còn có khí N2

do không khí mang vào Ta gọi V0kk là thể tích không khí lý thuyết cần thiết (m3/kg,

m3/m3tc) để đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu rắn (lỏng) hoặc 1m3tc nhiên liệu khí Nghĩa là lúc này lượng oxy trong không khí đã cháy hết, không có oxy thừa (phản ứng cháy hoàn toàn)

S1100

H8100

O

O O

o

21,0

G21

1 0,5 1

OHO

2

CH4+ 2 → 2+ 2

1 2 1 2

OH2

nmCOO

4

nm

OHC4

nmCH2SH5,1H5,0CO5,001,0

nmCH2SH5,1H5,0CO5

2 2

O

o

kk

2 n m 4

2 2

++

++

++

S ; Hlv; Olv- tính theo % khối lượng

CO; H2; CH4… - tính theo % thể tích

9 Đối với hỗn hợp 2 nhiên liệu, thể tích không khí của hỗn hợp:

o kk2

o kk1 1

o

Trong đó: b1 là hàm lượng khối lượng của nhiên liệu thứ nhất có trong hỗn hợp

II Thể tích sản phẩm cháy lý thuyết

9 Khi đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu và không có không khí thừa nghĩa là α=1 thì thành phần của sản phẩm cháy lý thuyết bao gồm các khí: CO2; SO2; N2 và hơi nước H2O, ta có tỷ lệ phần trăm các khí như sau:

o RO

o

2 N

lv c SO

lv CO

3 SO

3 CO

SO

SO CO

CO CO

SO RO

S375,0C0187,0V

100

S2G

;100

C67,3G

m/kg857,2

m/kg964,1

GG

VV

V

2

2 2

2

2

2

2 2

2 2

2 2

=+

Thể tích hơi nước lý thuyết do các nguồn sau đây đưa vào khói:

Do phản ứng oxy hóa H2 trong nhiên liệu:

lv H

lv O

H O

9

V

G

m/kg804,0,

2

H

2

2 2

=

=ρρ

=

Do độ ẩm trong nhiên liệu

lv lv

W100

O H kk

O

H

V.0161

lv o

n m 4

2 2

HSH

Trong đó dk là hàm lượng ẩm của nhiên liệu khí (nếu có) tính bằng gam/m3

III Thể tích sản phẩm cháy thực tế

Trong thực tế sự tiếp xúc giữa nhiên liệu và không khí không được hoàn hảo, vì vậy lượng không khí cần thiết để đốt cháy nhiên liệu (lượng không khí thực tế) phải lớn

hơn lượng không khí lý thuyết và tỷ lệ thể tích không khí thực tế và thể tích không khí lý thuyết gọi là hệ số không khí thừa

+

=

→

−α

=Δ

++

=

o kk lv

lv O

H

o kk 2

o kk lv

lv o

O H

V 0161,0W0124,0H112,0V

V10161,0OVH

V0161,0W0124,0H112,0V

2 2

IV Độ lọt không khí

Vì buồng lửa và buồng khói không thể làm kín tuyệt đối đồng thời nó làm việc ở áp suất chân không cho nên có một lượng không khí lạnh lọt vào trong ta gọi là độ lọt không khí Ký hiệu là αΔ

Độ lọt không khí này là điều bất lợi cho quá trình làm việc của lò hơi vì:

4 Làm tăng thể tích sản phẩm cháy

5 Làm giảm nhiệt độ buồng lửa và làm giảm công suất của lò hơi

Gọi Δαi là độ lọt không khí ở bề mặt đốt thứ i

7 Bộ quá nhiệt Δαqn =0,03

8 Bộ hâm nước Δαhn =0,08

9 Bộ sấy không khí bằng thép ống Δαskk =0,03÷0,06

10 Bộ sấy không khí hồi nhiệt Δαhoinhiet =0,2÷0,25

+

=+

+

++

=

++

=

++

=

lv 1

lv 2 lv

1

lv 2 lv

lv 2 lv

1

lv 2 lv 1

lv 2 lv

1

lv 1 t

lv 2

lv 2 t lv 1

lv 1

lv

1

t

lv 2

lv 2

lv 2

lv 1

W100

Q

Q

W25W

100

W100.W25Q

Q

W100

W100H

HH225

H225W

25Q

W25QH225W

25

Q

H225W

25

Q

Q

H225W

Qua việc phân tích thành phần của sản phẩm cháy (khói) ta sẽ biết được quá trình cháy diễn ra trong buồng lửa có hoàn toàn hay không Một phản ứng cháy được gọi là không hoàn toàn khi trong khói có chứa hàm lượng khí oxýt cacbon

Khi nhiên liệu cháy không hoàn toàn thì trong sản phẩm cháy (khói) ngoài các khí

CO2; SO2; N2; O2 hơi nước H2O còn có khí CO

o N RO

V

2 2

Trong đó: t

O2

V - là thể tích khí oxy thừa

Thành phần phần trăm % các khí có trong khói khô:

CO kkho

CO RO

VV

V

%100V

VV

%100CO

=

+

=+

lv 1 CO

964,1.100

C67,3G

lv 2 CO

249,1.100

C33,2G

ρ

=

lv c

lv c SO

857,2.100

S2G

kkho

lv c lv

2

lv c lv

lv c lv

lv c

lv 2

lv 1 SO

CO

CO

V

S375,0C87,1100.V

S375,0C100

87,1CO

RO

S375,0

+

=+

+

CORO

S375,0C

+

Công thức (1-43) xác định cho nhiên liệu rắn hay lỏng

11 Hệ số đặc tính của nhiên liệu rắn hay lỏng:

lv c lv

lv lv

S375,0C

8

OH

+

−β

−

=

0,605

ORO)RO21

(

Phương trình đặc trưng cho sự cháy không hoàn toàn:

%21O)605,0(CO

™ Khi cháy hoàn toàn (CO=0) và không có oxy thừa (Ot2=0):

β

+

=121

ROmax2

Hệ số không khí thừa trong buồng lửa:

Khi đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu thì hệ số không khí thừa trong buồng đốt được xác định theo công thức:

2

t 2

N

O79

O +CO) cháy không hoàn toàn

VI Entanpi của sản phẩm cháy

Entanpi của sản phẩm cháy (khói) thực tế của 1kg nhiên liệu rắn, lỏng hoặc 1m3

nhiên liệu khí được xác định như sau:

tro O H

o kk

o N

o N RO