Đánh giá hiệu suất nhiệt của lò công nghiệp trong lĩnh vực cơ khí và các giải pháp tiết kiệm năng lượng

Nhan đề : Đánh giá hiệu suất nhiệt của lò công nghiệp trong lĩnh vực cơ khí và các giải pháp tiết kiệm năng lượng Tác giả : Trần Mạnh Tân Người hướng dẫn: Trần Gia Mỹ Từ khoá : Lò công nghiệp; Hiệu suất Năm xuất bản : 2012 Nhà xuất bản : Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tóm tắt : Trình bày ý nghĩa tiết kiệm năng lượng trong lò nung. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động của lò nung. Cân bằng nhiệt của lò nung. Các giải pháp tiết kiệm năng lượng. Mô tả: Luận văn (Thạc sỹ khoa học) Ngành Kỹ thuật nhiệt lạnh

Trang 1

-

Tr ần Mạnh Tân

ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT NHIỆT CỦA LÒ CÔNG NGHIỆP

LƯỢNG

Hà Nội – Năm 2012

Trang 2

Chuyên ngành: KỸ THUẬT NHIỆT – LẠNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT NHIỆT – LẠNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS Trần Gia Mỹ

Hà Nội – Năm 2012

Trang 3

Luận văn tốt nghiệp Page 1

L ỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn khoa học này do tôi tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Trần Gia Mỹ

Để hoàn thành luận văn, tôi chỉ sử dụng những tài liệu được liệt kê trong mục tài liệu tham khảo, ngoài ra không sử dụng bất cứ tài liệu nào khác

Nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định

Kí tên

Trần Mạnh Tân

Trang 4

L ỜI NÓI ĐẦU

Lĩnh vực cơ khí sử dụng năng lượng, nhiên liệu ở quy mô lớn Lò nung phôi thép hiện nay chủ yếu được đốt bằng dầu, khí, suất tiêu hao nhiều năng lượng

Trong xu hướng giá năng lượng ngày một tăng, sự cạnh tranh giá thành sản phẩm trên thị trường diễn ra rất gay gắt thì việc áp dụng các giải pháp tiết

kiệm năng lượng, giảm chi phí sản xuất, giảm thiểu ô nhiễm môi trường là

một việc làm cần thiết, mang lại hiệu quả kinh tế cao

Lò nung tiêu thụ một lượng lớn nhiên liệu trong cán cân năng lượng của các nhà sản xuất Có thể do kết cấu, chế độ vận hành làm cho các tổn thất năng lượng càng tăng dần trong quá trình sử dụng Vì vậy, việc cải thiện hiệu

suất lò dẫn tới tiết kiệm nhiên liệu và cải thiện môi trường Việc kiểm tra để tìm nguyên nhân tăng tổn thất năng lượng và đưa ra các giải pháp khắc phục

là hết sức cần thiết

Trong khuôn khổ luận văn tốt nghiệp cao học các vấn đề sau đây được nghiên cứu và giải quyết:

1 Ý nghĩa tiết kiệm năng lượng trong lò nung

2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả lò nung

3 Đánh giá hiệu suất nhiệt của lò nung

4 Đề xuất và tính toán thực hiện các giải pháp tiết kiệm năng lượng

5 Đánh giá hiệu quả và khả năng ứng dụng của các giải pháp tiết kiệm

năng lượng

Trong qua trình thực hiện luận văn tác giả đã nhận được sự hưởng dẫn

tận tình của thầy giáo PGS.TS Trần Gia Mỹ Sự giúp đỡ nhiệt tình của nhà máy cán thép Hòa Phát, lãnh đạo, cán bộ kỹ thuật và công nhân tại nhà máy cán thép Hòa Phát, đã góp phần không nhỏ cho sự thành công của luận văn

Trang 5

Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy, các cô trong Viện Khoa Học Công Nghệ Nhiệt - Lạnh, cảm ơn các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu vừa qua

Tác giả đã cố gắng hoàn thành tốt luận văn, mặc dù vậy không tránh khỏi những sai sót Tác giả mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy, cô giáo và toàn thể các bạn đồng nghiệp

Trần Mạnh Tân

Trang 6

M ỤC LỤC

L ỜI CAM ĐOAN 1

L ỜI NÓI ĐẦU 2

Ch ương 1 Ý NGHĨA TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG LÒ NUNG 6

1.1 Thực trạng sử dụng năng lượng trong các nhà máy thép……… 6

1.2 Vai trò của lò nung trong công nghiệp 6

1.3 Lò nung đáy bước 7

Ch ương 2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU QUẢ HOẠT ĐỘNG C ỦA LÒ NUNG 10

2.1 Mức độ sử dụng năng lượng trong các lò nung 10

2.2 Quá trình cháy 11

2.3 Tổn thất nhiệt ở những khe hở 11

2.4 Áp suất trong lò 12

2.5 Nhiệt khí lò 12

2.6 Tổn thất nhiệt qua vỏ lò 13

2.7 Các yêu cầu cho hệ thống cấp nhiệt 14

Ch ương 3: CÂN BẰNG NHIỆT CỦA LÒ NUNG 16

3.1 Cơ sở dữ liệu 16

3.2 Tính cân bằng nhiệt 22

3.2.1 Các khoản thu nhiệt lượng 22

3.2.2 Các khoản chi nhiệt lượng 24

3.2.3Lượng tiêu hao dầu FO và các thông số nhiệt đặc trưng của lò nung 33

Ch ương 4 CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG 38

4.1 Các hướng tiết kiệm năng lượng trong lò nung 38

4.1.1 Phân tích đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt của lò 38 4.2 Tính toán một số giải pháp tiết kiệm năng lượng trong lò nung 50

Trang 7

4.2.1 Hiệu chỉnh hệ số không khí dư cho quá trình cháy giảm tổn thất nhiệt

do khí dư mang ra ngoài môi trường qua kênh khói 514.2.2 Tăng cường trao dổi nhiệt ở thiết bị trao đổi nhiệt sấy sơ bộ không khí

cấp vào lò 574.2.3 Giảm tổn thất nhiệt khe hở tay nâng phôi, cửa vào và ra phôi 644.2.4 Giảm tổn thất nhiệt qua tường bằng phương pháp cách nhiệt bằng

bông gốm cách nhiệt Ceramic 1260 73

K ẾT LUẬN 85

PH Ụ LỤC 86

Phụ lục 1: Tính toán giảm thiểu phát thải và tiết kiệm chi phí hàng năm 86

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 88

Trang 8

Chương 1 Ý NGHĨA TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG LÒ NUNG

1.1 Th ực trạng sử dụng năng lượng trong lĩnh vực cơ khí

Trong lĩnh vực cơ khí sử dụng một lượng lớn lò nung đốt nhiên liệu, đa dạng về chủng loại (lò buồng, lò liên tục, lò đáy bước,v.v…), về nhiên liệu (lò đốt ga, lò dầu, lò đốt than), về năng suất (từ vài trăm kg/h đến hàng chục

tấn/h) để phục vụ cho nhiều mục đích công nghệ khác nhau(cán, kéo, rèn, dập v.v… )

Các nhà máy sản xuất thép trong nước có mức tiêu hao năng lượng cao, chủ yếu là do công nghệ Việc áp dụng những công nghệ tiên tiến cho các nhà máy thép tại Việt Nam cũng bị hạn chế do các lò gang đều có công suất nhỏ hơn 300 tấn Bên cạnh đó, các nhà máy cán thép có công suất thấp và sử dụng thiết bị lạc hậu đã khiến chênh lệch mức tiêu hao đối với cán thép của các nhà máy này so với những nhà máy hiện đại ở mức 30%[9]

Lựa chọn áp dụng các giải pháp quản lý, kỹ thuật nhằm tiết kiệm và nâng cao hiệu quả năng lượng nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả sản xuất kinh doanh là việc làm cấp bách, rất được nhà máy quan tâm góp phần tăng sức cạnh tranh của sản phẩm, nâng cao lợi nhuận và tránh ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường

1.2 Vai trò c ủa lò nung trong công nghiệp

Lò nung biến đổi hóa năng của nhiên liệu thành nhiệt năng và tiêu thụ

một lượng năng lượng đáng kể trong quá trình vận hành Có thể khi trang bị các phụ kiện cho lò vẫn có những chỗ chưa thật hoàn thiện, đồng thời trong quá trình vận hành có thể có nhiều lý do làm cho các tổn thất năng lượng càng tăng dần trong quá trình sử dụng, do đó chỉ cần vài phần trăm cải thiện về

hiệu suất lò cũng mang lại mức tiết kiệm năng lượng đáng kể Việc kiểm tra

để tìm nguyên nhân làm tăng tổn thất năng lượng và đưa ra các giải pháp khắc

Trang 9

phục là hết sức cần thiết Luận văn này phân tích đánh giá hiệu quả năng lượng của lò nung, từ đó đề ra một số giải pháp tiết kiệm năng lượng trong lò nung

Lượng nhiệt cấp cho lò là nhiệt năng tỏa ra khi đốt cháy nhiên liệu hoặc biến đổi điện năng thành nhiệt năng Trong lò công nghiệp, sự trao đổi nhiệt

có tầm quan trọng hàng đầu Cấu trúc hợp lý của lò, chế độ nhiệt và nhiệt độ phù hợp yêu cầu công nghệ là những nhân tố có ảnh hưởng trực tiếp và quyết định đến: chất lượng sản phẩm, năng suất của lò và năng suất của các thiết bị liên quan đến lò, tỷ lệ phế phẩm, chi phí vật liệu, suất tiêu hao nhiên liệu, ô nhiễm môi trường

1.3 Lò nung đáy bước

Lò nung đáy bước là lò nung phôi liên tục có phần đáy di động di chuyển được theo hành trình có thể tiến hoặc lùi để ra phôi hay hồi phôi nhờ

hệ thống piston thủy lực Phần đáy lò gồm các dầm động và dầm tĩnh được đúc bằng vật liệu là bê tông chịu lửa được gá trên các dầm chữ U bằng thép

chịu nhiệt

Lò có chế độ nhiệt và nhiệt độ không thay đổi theo thời gian, nhưng thay đổi theo chiều dài lò phụ thuộc vào giản đồ nung (hình 1.1)

Phôi nguội được chất vào lò, dòng khí nóng chuyển động ngược lại do

vậy nhiệt độ phôi tăng dần

Trang 10

Hình 1.1 Giản đồ nung lò nung đáy bước 1- Nhiệt độ khói lò, 2- Nhiệt độ bề mặt phôi, 3- Nhiệt độ tâm phôi

a) Vùng s ấy: trong vùng này phôi được nung sơ bộ, không cấp nhiên

liệu mà tận dụng nhiệt độ của sản phẩm cháy từ vùng nung sang Để tránh ứng suất nhiệt do đó phải nung phôi với tốc độ chậm từ nhiệt độ môi trường

tới trên 500 0C và đảm bảo độ chênh nhiệt độ giữa tâm và bề mặt phôi ở mức cho phép Thông thường độ chênh nhiệt độ ∆t = 50 0C[2]

- Ở một số lò nung hiện đại nhiệt độ xấp xỉ 1300-1400 0C, khói lò ra

bằng 00 thì bức xạ nhiệt phân bố đều[2]

Trang 11

c) Vùng đồng nhiệt: Vùng đồng nhiệt có nhiệm vụ đồng đều nhiệt độ

theo chiều dày phôi và khử vết đen trên bề mặt phôi Nhiệt độ khí lò yêu cầu

phải cao hơn nhiệt độ yêu cầu của nung kim loại khoảng 50- 70 0C

- Đối với phôi mỏng không cần giai đoạn đồng đều nhiệt độ, vì sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và tâm phôi không đáng kể Chỉ cần nung 2 giai đoạn là nung sơ bộ và nung nhanh

- Khi nung phôi lớn để tăng năng suất lò, mỏ đốt dọc theo chiều dài lò

có thể bố trí 1 hoặc 2 dãy ở vùng nung, tuy nhiên phôi vẫn nung theo 3 giai đoạn, trong đó có một vùng nung Cho phép tăng nhiệt độ khói lò (1000-

10500C), giảm chiều dài vùng sấy, tăng chiều dài vùng nung có nhiệt độ cao làm tăng quá trình nung[2]

Trang 12

Chương 2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU QUẢ HOẠT

ĐỘNG CỦA LÒ NUNG 2.1 Mức độ sử dụng năng lượng trong các lò nung

Khi đốt cháy một đơn vị nhiên liệu (1kg nhiên liệu rắn hoặc lỏng hay 1

m3 nhiên liệu khí) ở điều kiện tiêu chuẩn, nhiệt tỏa ra trong lò nung được sử

dụng cho nhiều mục đích khác nhau[1]:

Qthu = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6 + Q7 + Q8; kJ/kg

Qthu : lượng nhiệt cấp vào lò, kJ/kg hoặc kJ/m3

Q1: lượng nhiệt hữu ích dùng để nung kim loại, kJ/kg

Q2: tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về hóa học, kJ/kg

Q3: tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về cơ học, kJ/kg

Q4: tổn thất nhiệt do truyền qua tường, kJ/kg

Q5: tổn thất nhiệt do bức xạ khi mở cửa lò, kJ/kg

Q6: tổn thất do lọt sản phẩm cháy khi mở cửa, kJ/kg

Q7: tổn thất nhiệt do khói thải mang ra ngoài, kJ/kg

Q8: tổn thất nhiệt do nước làm nguội các kết cấu lò, kJ/kg

Khi hệ số không khí dư trong lò càng lớn thì nhiệt độ cháy lý thuyết của quá trình giảm, làm giảm lượng nhiệt hấp thu bằng bức xạ trong lò, dẫn đến nhiệt độ khói trong lò tăng lên tức là nhiệt độ khói thoát tăng Đồng thời

hệ số không khí dư càng lớn thì thể tích khói thải càng lớn và như vậy thì Q7

cũng càng lớn Vì vậy cần khống chế ở mức nhỏ nhất, đồng thời hạn chế không khí lạnh lọt vào lò nung Tuy nhiên khi hệ số không khí thừa càng nhỏ thì Q7 giảm nhưng Q2 lại tăng có thể do thiếu không khí hoặc khó pha trộn không khí với nhiên liệu (nhưng khi hệ số không khí thừa quá lớn làm cho

Trang 13

nhiệt độ trong lò quá thấp thì Q2 cũng lại tăng) Vì vậy phải tính chọn hệ số không khí thừa sao cho tổng tổn thất nhiệt Q7 + Q2 là nhỏ nhất

2.2 Quá trình cháy

Lượng nhiệt theo khí lò phụ thuộc trực tiếp vào thể tích khí lò và gián tiếp vào lượng không khí dư Quá trình cháy nhiên liệu được hoàn tất với lượng không khí xác định Cần phải điều chỉnh lượng không khí xâm nhập vào lò, duy trì áp suất không khí cháy ổn định Khí dư quá nhiều sẽ làm giảm nhiệt độ của ngọn lửa, nhiệt độ lò và tốc độ gia nhiệt Khí dư quá nhỏ sẽ làm tăng thành phần không cháy hết trong khí lò được thải qua ống khói, đồng thời làm tăng tổn thất nhiệt hơn

Tối ưu hóa hệ số không khí dư của quá trình cháy là một trong các giải pháp kỹ thuật để tiết kiệm năng lượng Nếu lò nung không có thiết bị điều chỉnh tỷ lệ không khí trên nhiên liệu cấp vào tự động thì cần định kì lấy mẫu khí trong lò và đo hàm lượng ôxy bằng thiết bị phân tích khí[8]

2.3 T ổn thất nhiệt ở những khe hở

Tổn thất nhiệt có thể xảy ra do bức xạ trực tiếp qua những khoảng hở của lò nung Như đầu vào, đầu ra phôi của lò, các lỗ thăm dò trên vách, trên trần lò, các tay nâng phôi Nhiệt cũng có thể mất do có sự chênh lệch áp suất

giữa môi trường bên trong lò với môi trường bên ngoài lò dẫn tới sự rò rỉ khí

lò ra qua các vị trí trên Nhiệt bị mất do không khí bên ngoài xâm nhập vào, nhiệt bị mất làm nhiệt độ trong lò không đồng đều và có thể gây ôxy hóa vật nung

Giảm tần suất và thời gian mở cửa lò hạn chế lượng nhiệt bức xạ ra ngoài Lượng tổn thất này chiếm khoảng 1% tổng nhiệt tỏa ra trong lò, nếu áp

suất lò được điều chỉnh hợp lý[8]

Trang 14

2.4 Áp su ất trong lò

Nếu trong lò có áp suất âm, không khí có thể xâm nhập vào các vết nứt

và khoảng hở, ảnh hưởng đến mức điều chỉnh tỷ lệ không khí trên nhiên liệu

Tỷ lệ điều chỉnh này có thể làm kim loại không đạt được nhiệt độ mong muốn hoặc không đồng đều nhiệt độ, ảnh hưởng đến quá trình tiếp theo như rèn và cán của phôi Tiêu thụ nhiên liệu và sản phẩm hỏng cũng tăng lên Để tránh điều này cần duy trì áp suất dương trong lò

Sự chênh lệch áp suất không được quá cao vì có thể gây ngọn lửa cháy trong lò lọt ra bên ngoài, vật liệu chịu lửa bị quá nhiệt, làm giảm tuổi thọ của gạch, tăng bảo trì lò, làm cháy ống và thiết bị, mặc dù vấn đề này không phức

tạp như khí xâm nhập

Vì vậy cần phải điều chỉnh chênh lệch áp suất bên trong và bên ngoài lò

để giảm tổn thất nhiệt và các tác động không tốt đối với sản phẩm

2.5 Nhi ệt khí lò

Ở lò nung công nghiệp, sản phẩm cháy sẽ ra khỏi lò với nhiệt độ cao Lượng nhiệt của khói lò chiếm 25-35% lượng nhiệt cấp vào lò và lượng nhiệt tổn thất đi ra ngoài qua ống khói[8] Lượng không khí dư càng lớn nhiệt độ khói lò càng cao, lượng nhiệt tổn thất qua khói lò càng lớn

Có thể thu hồi nhiệt khói thải để gia nhiệt sơ bộ cho tải trước khi đưa vào lò, gia nhiệt không khí của quá trình cháy hoặc các quá trình khác:

- Gia nhiệt sơ bộ cho tải nạp vào lò:

- Nếu vật nung được gia nhiệt sơ bộ bằng nhiệt khí lò trước khi vào lò nung thì lượng nhiên liệu dùng cho lò sẽ giảm Phôi trước khi vào lò thường có nhiệt độ bằng nhiệt độ phòng, việc sử dụng khí lò có

Trang 15

nhiệt độ cao để gia nhiệt sơ bộ cho phôi sẽ giúp giảm tiêu thụ nhiên liệu

- Nung trước không khí của quá trình cháy:

Hiện có nhiều loại thiết bị dùng để thu hồi nhiệt thải, thiết bị thu hồi nhiệt thải bên ngoài là phổ biến nhất, ngoài ra còn có các công nghệ khác như lò nung công nghiệp tự thu hồi nhiệt thải Ví dụ như, một thiết bị thu hồi nhiệt thải hiện đại sử dụng khí lò ở nhiệt độ 10000C có thể gia nhiệt cho không khí của quá trình cháy lên đến 5000C, giúp tiết kiệm 30% năng lượng so với khi cấp không khí lạnh cho quá trình cháy trong lò[8]

Vì thể tích không khí của quá trình cháy sẽ tăng lên khi được gia nhiệt sơ

bộ, cần phải tính đến yếu tố này khi thay đổi đường kính của đường ống cấp không khí và quạt cao áp

- Tận dụng nhiệt thải cho quá trình khác( để tạo hơi hoặc đốt nóng lò hơi sử dụng nhiệt thải ):

Nhiệt độ khói lò có thể có nhiệt độ 400-6000C, kể cả sau khi đã thu hồi nhiệt từ khói lò để gia nhiệt sơ bộ cho không khí của quá trình cháy Một giải pháp khác là sử dụng lò hơi tận dụng nhiệt thải để tạo ra hơi hoặc nước nóng

từ sử dụng nhiệt thải này, nhất là khi hệ thống cần sử dụng một lượng hơi và lượng nước nóng lớn Đôi khi nhiệt thải từ khí lò được sử dụng gia nhiệt cho các thiết bị khác với điều kiện là lượng nhiệt, nhiệt độ, thời gian vận hành của thiết bị thích hợp Nhờ đó có thể giảm mức tiêu hao nhiên liệu

2.6 T ổn thất nhiệt qua vỏ lò

Một phần nhiệt của lò nung bị tổn thất do dẫn nhiệt qua tường lò Mức

độ tổn thất nhiệt phụ thuộc vào:

- Độ phát xạ của vách lò;

- Độ dẫn nhiệt của vật liệu chịu lửa;

Trang 16

- Độ dày của vách lò;

- Lò được hoạt động liên tục hay gián đoạn

Có một số cách để giảm thiểu tổn thất qua vách lò:

- Chọn vật liệu chịu lửa thích hợp;

- Tăng độ dày của vách đối với lò hoạt động liên tục;

- Sử dụng gạch bảo ôn: Nhiệt độ vách lò phía ngoài và tổn thất nhiệt của vách lò làm bằng composite thấp hơn nhiều so với vách lò làm bằng gạch chịu lửa có cùng độ dày Lý do là gạch bảo ôn có độ dẫn nhiệt thấp hơn nhiều

- Lập kế hoạch cho thời gian làm việc của lò: Với hầu hết các lò nhỏ thời gian hoạt động xen kẽ với thời gian chờ

2.7 Các yêu cầu cho hệ thống cấp nhiệt

Loại và kết cấu thiết bị được xác định có tính đến hiệu quả kinh tế và phụ thuộc vào các mục đích công nghệ, đặc điểm hoạt động, năng suất, và loại nhiên liệu Đối với dây chuyền sản xuất liên tục thông thường sử dụng

với các lò hoạt động liên tục Đối với dây chuyền sản xuất riêng lẻ thường sử

dụng cho lò chu kỳ Chế độ nhiệt của lò và phạm vi điều chỉnh được xác định phụ thuộc vào mục đích công nghệ của lò

Các mỏ đốt được lắp cần phải đảm bảo vùng tiêu hao nhiên liệu cần thiết, chế độ nhiệt độ Loại và số lượng mỏ đốt cũng như sự sắp xếp được xác định phụ thuộc vào đặc điểm và chế độ làm việc của lò, phụ thuộc vào vùng điều chỉnh lưu lượng nhiên liệu cần thiết và thành phần môi trường khí Các

mỏ đốt lắp trong lò cần phải có hồ sơ và được cơ quan nhà nước thẩm định Không cho phép được thay đổi bất kì một chi tiết nào đã qua thẩm định, không cho phép lắp khi chưa thẩm định

Trang 17

Hệ số không khí dư được xác định theo mục đích công nghệ của lò, khi

cần thiết điều chỉnh n ( > 1,5; hoặc < 0,8) cần sử dụng các mỏ đốt đặc biệt để đảm bảo các giá trị n này, hoặc các thiết bị đặc biệt để cấp nhiên liệu bổ sung, trong tất cả các trường hợp khác hệ số không khí nên duy trì gần với giá trị lý thuyết (n = 1) Đối với các lò nung với diện tích > 1m2 (sàn lò) và t0lv >

600oC, trừ các lò được trang bị mỏ đốt tự hút, nhất thiết phải lắp đặt các thiết

bị trao đổi nhiệt để nung không khí cho quá trình cháy[10]

Đối với các lò nung(trừ các lò rèn) cần được trang bị các hệ thống điều chỉnh tự động bao gồm: điều chỉnh và duy trì nhiệt độ trong lò tương ứng với chế độ đã cho, duy trì tỷ lệ không khí trên nhiên liệu trong giới hạn được xác định bởi các yêu cầu công nghệ, tự động và an toàn

Trên các lò được trang bị mỏ đốt tự hút tỷ lệ không khí trên nhiên liệu được quyết định bởi mỏ đốt Trong giới hạn của mỗi vùng cần đảm bảo cấp đều nhiên liệu và không khí tới các mỏ đốt từ các bình chứa Để làm được điều này các bình chứa nên làm kín Nếu điều này không thể thì nên thực hiện các đoạn ống cấp khí và không khí tới các bình chứa đối xứng (trở kháng bằng nhau) tới điểm phân chia hoặc là lắp đặt trở kháng bổ sung (tấm chắn hoặc van điều chỉnh bằng tay) ở trên đoạn đường ống có trở kháng bé hơn

Tiết diện của các đường ống cấp không khí tới mỗi mỏ đốt nên tính với

vận tốc khí ở trong các đường ống sao cho vận tốc trong ống gấp 3÷5 lần vận

tốc không khí ở trong các hộp khí Trên tất cả các lò có tiêu hao khí từ 40÷400 m3/h, cần lắp đặt đồng hồ khí, còn nếu tiêu hao hơn 400 m3/h cần lắp đặt các tấm chắn và các thiết bị phụ trợ Đối với các lò tiêu thụ khi ít hơn 40

m3/h cần lắp đặt các đồng hồ đo khí theo nhóm thiết bị với tổng tiêu hao khí

lớn hơn 40 m3/h[10]

Trang 18

Chương 3: CÂN BẰNG NHIỆT CỦA LÒ NUNG 3.1 Cơ sở dữ liệu

a, Thông s ố kỹ thuật của lò

- Lò nung đáy bước

- Nhiệt độ đầu và cuối của vật nung tđầu = 20 0C , tcu ối = 1100 0C

- Nhiệt độ nung trước + không khí tkk = 300 0 C

+ nhiên liệu tdầu = 90 0 C nung 100 %

- Nhiệt dung riêng của dầu CP = 1,86 kJ/kg.K [5]

- Hệ số không khí dư n = 1,2

- Nhiệt trị thấp của nhiên liệu Qd

t = 35647,5 kJ/kg

Trang 19

- Khối lượng riêng của sản phẩm cháy ρ0 =1,336 kg/m3tc

b, Phương pháp nung và giản đồ nung

- Phôi được xếp thành 2 hàng dọc theo chiều dài lò

- Phôi vào lò có nhiệt độ bằng nhiệt độ môi trường, chọn t1m =t1t = 20

- Giản đồ nung kim loại, chọn chế độ nung ba vùng: sấy, nung và đồng

nhiệt

Hình 3.1 Giản đồ nhiệt độ nung phôi

- Giai đoạn sấy:

+ Nhiệt độ lò ở đầu giai đoạn sấy t1 = 700 oC

+ Nhiệt độ lò ở cuối giai đoạn sấy t2k = 1170 oC

+ Nhiệt độ bề mặt và tâm phôi khi vào lò t1m = t1t =20 oC

+ Nhiệt độ bề mặt phôi ở cuối giai đoạn sấy t2m = 600 oC

Trang 20

- Giai đoạn nung

+ Nhiệt độ lò t2k = t3k = 1170 oC

+ Nhiệt độ bề mặt phôi ở cuối giai đoạn nung t3m = 1100 oC

- Giai đoạn đồng đều nhiệt

+ Tại vùng đồng nhiệt, nhiệt độ bề mặt phôi không tăng, nhiệt độ tâm

phôi tăng dần lên tới khi [ ] =t4m – t4t < chophep

+ Nhiệt độ lò ở đầu giai đoạn đồng đều nhiệt t3k = 1170 oC

+ Nhiệt độ lò ở cuối giai đoạn đồng nhiệt t4k =1150 oC

+ Nhiệt độ bề mặt phôi ở cuối giai đoạn đồng nhiệt t4m=1100 oC

+ Nhiệt độ tâm phôi ở cuối giai đoạn đồng nhiệt t4t = 1085 oC

d, V ật liệu và kích thước thể xây

Các vật liệu được dùng trong lò nung liên tục là vật liệu chịu nhiệt và cách nhiệt

Trang 21

Bảng 3.2 Bảng thống kê thông số vật liệu xây lò[2]

Trang 22

Bảng 3.3 Bảng thống kê kích thước tường và nóc lò[2]

Trang 23

e Kích thước ngoại hình lò nung liên tục

Kích thước ngoại hình lò bằng kích thước nội hình lò cộng chiều dày các vách tương ứng Từ bảng kích thước nội hình lò nung và bảng thống kê vật liệu lò nung ta tính được kích thước ngoại hình của lò nung theo bảng dưới đây

Bảng 3.4 Kích thước ngoại hình lò nung

Trang 24

3.2 Tính cân b ằng nhiệt

3.2.1 Các kho ản thu nhiệt lượng

a) Nhi ệt lượng do đốt cháy dầu FO

Dầu FO bị đốt cháy tỏa ra một lượng nhiệt được xác định theo công thức [1]:

Qc=0,28.B.Qt , W Trong đó :

B : Lượng tiêu hao dầu FO, kg/h;

Qt = 35647,5 kJ/kg, nhiệt trị thấp của dầu FO;

Vậy nhiệt lượng do đốt cháy dầu tỏa ra là:

Qc=0,28.B 35647,5 =9981,3 B, W

b) Nhiệt lượng do không khí nóng mang vào

Không khí được nung nóng sẽ mang vào lò một lượng nhiệt tính theo công thức[1]:

Qkk=0,28.Ckk.tkk.Ln.f.B, W Trong đó :

Ckk.tkk= ikk = 397 kJ/m3, entanpy của không khí ở nhiệt độ tkk

=300oC;

Ln =11,2 m3/kg, lượng không khí thực tế cần để đốt 1 kg dầu FO;

f =0,931, tỷ lệ nung trước không khí [nung 93.1% không khí];

Vậy lượng nhiệt do không khí nóng mang vào là:

Qkk = 0,28.397.11,2.0,931.B = 1159,1.B, W

Trang 25

c) Nhiệt lượng do nung trước dầu FO

Theo số liệu ban đầu, dầu FO được nung trước tới nhiệt độ tdầu=900C Nhiệt lượng do nung trước dầu là[1]:

Qdầu=0,28.Cdầu.tdầu.B [W]

Trong đó:

Cd ầu=1,86 kJ/kgK, nhiệt dung riêng của dầu FO;

tdầu =90 0C, nhiệt độ nung trước của dầu FO;

Vậy nhiệt lượng do nung trước dầu là:

Qdầu=0,28.1,86.90.B =46,9.B, W

d) Nhi ệt lượng do các phản ứng toả nhiệt

Khi nung kim loại bị oxy hoá Phản ứng oxy hoá kim loại là phản ứng

toả nhiệt theo công thức[1]:

Qtoả = 0,28.a.q.P, W Trong đó :

a = 0,011, lượng kim loại bị oxy hoá khi nung trong lò;

q =5650 kJ/kg, lượng nhiệt toả ra khi 1 kg sắt Fe bị oxy hoá;

P = 60000 kg/h, năng suất lò;

Vậy lượng nhiệt do các phản ứng oxy hóa tỏa nhiệt là:

Qto ả=0,28.0,011.5650.60000=1044120, W

Vậy tổng nhiệt lượng thu của lò là: ΣQthu

ΣQthu = Qc + Qkk + Qdau+Qtoa

= 9981,3.B+1159,1.B+46,9.B+1044120

=11187,3.B + 1044120, W

Trang 26

3.2.2 Các kho ản chi nhiệt lượng

a) Nhi ệt lượng dùng để nung kim loại

Để nung kim loại đến nhiệt độ yêu cầu cần một lượng nhiệt Q1, áp dụng công thức[1]:

Q1=0,28.P.(ic - id), W Trong đó :

P = 60000 kg/h, năng suất lò;

ic = i1090 = 768,17 kJ/kg và id = i20= 9,4 kJ/kg entanpy của phôi sau

và trước khi nung;

Vậy nhiệt lượng dùng để nung phôi là:

Q1=0,28.60000.(768,17 - 9,4) = 12747336, W

b) Lượng nhiệt tổn thất do đốt cháy không hoàn toàn hoá học Q 2

Do đốt cháy không hoàn toàn hóa học nên tạo ra một lượng khí CO và

H2 các khí này là các chất cháy Vì vậy, khí thoát ra lò sẽ gây ra lượng nhiệt tổn thất Q2 [1]:

Q2 =0,28.p.g.B.Vn , W Trong đó :

p : Tỷ lệ CO và H2 có trong sản phẩm cháy Giá trị này phụ thuộc vào thiết bị đốt, do lò dùng mỏ phun cao áp nên chọn p=0,01;

g = 12150 kJ/m3, nhiệt trị trung bình của các khí CO và H2 [5];

Vn = 11,54 m3/kg, lượng sản phẩm cháy thực tế sinh ra khi đốt cháy

1 kg dầu FO;

Vậy ta có lượng nhiệt tổn thất do đốt cháy không hoàn toàn hóa học là:

Trang 27

c) Lượng nhiệt tổn thất do đốt cháy không hoàn toàn cơ học Q 3

Lượng nhiệt tổn thất do cháy không hoàn toàn cơ học Q3 [1] :

Q3=0,28.K.Qtd.B, W Trong đó :

Qtd=35647,5 kJ/kg, nhiệt trị thấp của dầu FO;

K=0,01, hệ số mất mát do cháy không hoàn toàn cơ học với nhiên

liệu lỏng;

Vậy lượng nhiệt tổn thất do cháy không hoàn toàn cơ học là:

Q3 = 0,28.0,01.35647,5.B = 99,81.B, W

d) Lượng nhiệt tổn thất do dẫn nhiệt qua các thể xây lò Q 4

Nhiệt lượng tổn thất do dẫn nhiệt qua các thể xây lò gồm tổn thất qua tường lò, qua nóc lò và qua đáy lò[1]:

Q4 = Q4t + Q4n + Q4d, W

Trong đó:

Q4t: Nhiệt tổn thất qua tường lò, W

Q4n: Nhiệt tổn thất qua nóc lò, W

Q4d: Nhiệt tổn thất qua đáy lò, W

- Lượng nhiệt mất do dẫn nhiệt qua tường lò của mỗi vùng được tính theo công thức[1]:

Q4t = w 1 w 2

1

i i

Trang 28

tw1 – nhiệt độ mặt trong của tường lò, 0C Giá trị này nhỏ hơn giá trị của

sản phẩm cháy (ttbk) từ (50 – 100)0C Chọn tw1 = ttbk – 500C Giá trị tw1 tương ứng với ba vùng: sấy, nung, đồng nhiệt được trình bày trong bảng 3.5

tw2 – nhiệt độ không khí mặt ngoài tường lò, 0C (có thể lấy từ 30 –

λ - hệ số dẫn nhiệt của lớp vật liệu thứ i

Bảng 3.6: Các thông số và kết quả tính toán dẫn nhiệt qua tường lò

Trang 29

• Tổn thất do dẫn nhiệt qua nóc lò: Q4n, W

Q4 = Q4 sấy + Q4nung + Q4 đồng nhiệt

Trong đó: Q4 sấy , Q4nung , Q4 đồng nhiệt – nhiệt lượng tổn thất qua tường ở vùng

sấy, vùng nung, vùng đồng nhiệt

Nóc lò phẳng nên quá trình tính toán tổn thất nhiệt cũng tương tự như đối với

tường lò

Q4n = w 1 w 2

1

i i

λ - hệ số dẫn nhiệt của lớp vật liệu thứ i

Kết quả tính toán được trình bày trong bảng 3.7

Bảng 3.7 Các thông số và kết quả tính toán dẫn nhiệt qua nóc lò

Trang 30

Do đáy lò được xây trực tiếp trên nền móng vì vậy khó xác định được chính xác đáy lò Vì vậy trong tính toán ta thường xác định lượng nhiệt tổn thất qua đáy lò theo những số liệu gần đúng: Q4 đ = 0,2 Q4t

e) Lượng nhiệt tổn thất do bức xạ qua cửa lò khi mở cửa Q 5

Trong khi làm việc cửa lò có lúc mở hoàn toàn hoặc mở một phần theo chu kỳ để thao tác đưa phôi vào và ra Ngoài ra còn mở cửa quan sát để kiểm tra tình trạng của phôi trong lò bởi công nhân vận hành Mỗi lần mở như vậy

sẽ mất lượng nhiệt đáng kể do nhiệt độ trong lò cao hơn nhiều so với môi trường bên ngoài, lượng nhiệt mất này được xác định [1]:

C0=5,7 W/m2.K4, hệ số bức xạ;

Tk : Nhiệt độ của sản phẩm cháy ở vùng có cửa, K;

F: Diện tích phần mở cửa, m2 Diện tích này phụ thuộc vào từng loại cửa và kích thước từng loại phôi;

Cửa quan sát mở hoàn toàn Fqs = 0,12 m2

Cửa vào và ra phôi: mở rộng 0,8 m, cao 0,4 m

Fv = Fr = 0,4 0,8 = 0,32 m2

Trang 31

ψ: Hệ số thời gian mở cửa

Hệ số mở cửa vào ψv = ψr = 1 cửa vào và ra phôi luôn mở

hệ số mở một cửa quan sát mỗi lần mở mất 5 giây và mỗi giờ mở 2 lần nên ψqs = 2.5 0, 0028

3600 =

φ : Hệ số chắn, xác định theo chiều dày của tường và kích thước từng loại cửa mở Chiều dày tường là 0,5m, với cửa quan sát khi mở là mở hết

cửa nên φqs = 0,5 và cửa ra vào phôi chỉ mở một phần φr =φv = 0,54 [1]

Do lò liên tục có 3 loại cửa: cửa vào phôi, cửa ra phôi và các cửa quan sát Trong một đơn vị thời gian (giờ) số lần mở (thời gian mở) của mỗi cửa cũng không giống nhau vì vậy phải tính lượng nhiệt mất phụ thuộc vào hệ số thời gian mở cửa của mỗi loại cửa Sau đó tính lượng nhiệt mất chung cho

mỗi vùng và cho toàn bộ Dưới đây là bảng thống kê lượng nhiệt tổn thất qua các loại cửa

Bảng 3.8 Bảng thống kê lượng nhiệt tổn thất qua các loại cửa

Trang 32

Q5 = 110948,05 , W

f) Lượng nhiệt tổn thất do lọt sản phẩm cháy khi mở cửa Q 6

Thông thường trong lò có áp suất lớn hơn áp suất khí quyển vì vậy khi

mở cửa lò có một lượng khí lò qua cửa mở ra ngoài Do khí lò có nhiệt độ cao

nên đã làm mất theo một lượng nhiệt

Q6= 0,28.Ck..tk.V0.ψ, W Trong đó:

Ck.tk=ik: entanpi của sản phẩm cháy tại vùng mở cửa, với cửa vào phôi tk= 7000C suy ra i700 =1029,45 kJ/kg và cửa ra phôi tk = 1150 0C suy ra

i1150 = 1687,8 kJ/kg [1];

V0: Lượng sản phẩm cháy lọt qua cửa khi mở cửa;

Do chiều rộng mở cửa là 0,8m > 0,4 m chiều cao mở cửa nên có thể coi

H g

273273

kk kk

t

ρ

=+

3;

Trang 33

ρkv=ρ700 =

0

1, 31670011

273273

k k

1

273 273

k k

700 1 1

273 273

v

k

V V

1150 1 1

273 273

r

k

V V

ψ: Hệ số thời gian mở cửa đã tính ở phần trên ψv = ψr = 1

Vậy lượng nhiệt tổn thất do lọt sản phẩm cháy khi mở cửa ở cửa vào

Trang 34

g) Lượng nhiệt tổn thất do sản phẩm cháy mang ra khỏi lò Q 7

Sản phẩm cháy qua kênh khói có nhiệt độ tương đối cao khoảng t =

7000C, vì vậy gây ra tổn thất nhiệt không nhỏ Lượng nhiệt tổn thất này tính [1]:

Q7 = 0,28 Ck..tk.(B.Vn - ΣV0.ψ) , WTrong đó:

Ck.tk = ik = i700 = 1029,45 kJ/kg , entanpy của sản phẩm cháy đi vào kênh khói;

Vn = 11,54 m3/kg, lượng sản phẩm cháy khi đốt 1 đơn vị nhiên liệu

dầu FO ở điều kiện tiêu chuẩn;

Đối với lò liên tục [1]:

ΣV0.ψ = ΣV0S.ψ + ΣV0Ng.ψ + ΣV0Dn.ψ = 802,1+ 746,1 =1548 m3/h Vậy lượng nhiệt tổn thất do sản phẩm cháy mang ra khỏi lò là:

Q7 = 0,28 1029,45(B.11,54 - 1548) = 3378,28.B – 453437,53 W

h) Lượng nhiệt mất do nước làm nguội các kết cấu lò Q 8

Các kết cấu lò được làm nguội bằng nước trong lò như: các con lăn vào

và ra phôi, các tay đẩy và tay lấy phôi, nước làm kín đáy lò, các camera quan sát Lượng nhiệt Q8 là tổng lượng nhiệt mất mát của từng kết cấu được làm

lạnh

tvào = tmôi trường = 20 oC, nhiệt độ trung bình trong năm;

tra = 42 oC, nhiệt dộ nước ra để không xảy ra sự bay hơi trong máng nước làm kín đáy lò;

Trang 35

G = 30 m3/h = 30000 kg/h, lưu lượng nước làm kín đáy lò;

tra2 = 45 oC, nhiệt độ nước ra sau khi làm mát con lăn ra phôi, tay gắp phôi;

G = 20 m3/h, lưu lượng nước làm mát;

21500.4200.(46 20)

6521673600

l mmat G C nuoc t ra t vao

3.2.3 Lượng tiêu hao dầu FO và các thông số nhiệt đặc trưng của lò nung

- Lượng tiêu hao dầu FO

Trên cơ sở cân bằng lượng nhiệt thu bằng nhiệt chi của lò ta xác định được lượng tiêu hao dầu FO:

∑Qthu = ∑Qchi

Trong đó:

+ ∑Qthu =11187,3.B + 1044120 ,W

Trang 36

Trong đó:

Q1 = 12747336 W, lượng nhiệt để nung kim loại;

Qt ỏa = 1044120 W, lượng tỏa ra do phản ứng oxy hóa ;

Qc = 18961712,28 W, lượng nhiệt tỏa ra do đốt cháy dầu FO;

c

Q Q Q

Trang 37

Trang 38

Bảng 3.9 Bảng cân bằng nhiệt thực tế của lò (với n=1,2)

3 Nung trước

Cháy không hoàn toàn cơ

Trang 39

Bảng 3.10 Tính toán nhiệt thực tế của lò (với n=1,2)

Trang 40

Chương 4 CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG

4.1 Các hướng tiết kiệm năng lượng trong lò nung

4.1.1 Phân tích đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt của lò

Định dạng
Số trang	91
Dung lượng	1,56 MB