Tài liệu Giáo trình lò luyện kim P7 doc

Cấu trúc của hệ thống thoát khói Thông thường hệ thống thoát khói cho lò bao gồm các kênh khói, cống khói và ống khói làm nhiệm vụ dẫn sản phẩm cháy từ lò ra ngoài trời.. Thông thường c

Chương 7

Hệ thống thoát khói, cấp gió

và thiết bị tận dụng nhiệt khói lò

7.1 Hệ thống thoát khói

7.1.1 Cấu trúc của hệ thống thoát khói

Thông thường hệ thống thoát khói cho lò bao gồm các kênh khói, cống khói và ống khói làm nhiệm vụ dẫn sản phẩm cháy từ lò ra ngoài trời

Cấu trúc của hệ thống thoát khói rất đa dạng phụ thuộc cấu trúc lò và vị trí đặt hệ thống thoát khói Thông thường các lò có công suất nhỏ hoặc không dùng thiết bị trao

đổi nhiệt, hoặc dùng thiết bị trao đổi nhiệt hình kim, thiết bị ống nhẵn kiểu ống thẳng, người ta bố trí hệ thống khói ở ngay phía trên nóc lò Những lò có công suất trung bình

và lớn, có thiết bị hoàn nhiệt, thiết bị trao đổi nhiệt bằng gốm thường bố trí hệ thống thoát khói đi chìm dưới nền phân xưởng Cách bố trí hệ thống thoát khói đi chìm có ưu

điểm giải phóng được mặt bằng quanh lò, thuận tiện cho vận hành lò nhưng gây khó khăn và tốn kém trong xây dựng

Đa số các lò luyện kim, do mục đích sử dụng nhiệt trong lò, thường bố trí các kênh khói dẫn khói từ buồng lò qua đáy hoặc tường đi xuống phía dưới và tập trung vào cống khói để tới ống khói Trên hình 7.1 trình bày cấu trúc điển hình của một hệ thống thoát khói của lò nung liên tục

Kênh khói thường có tiết diện chữ nhật, làm nhiệm vụ dẫn khói từ không gian lò tới cống khói Miệng kênh khói có thể bố trí trên đáy lò hoặc trên tường tùy theo yêu cầu công nghệ Khi bố trí miệng kênh khói trên đáy, khoảng cách giữa cách kênh

6

A

A

5

1

A -A

Hình 7.1 Sơ đồ hệ thống thoát khói lò nung liên tục 1) Không gian lò 2) Kênh khói 3) Cống khói 4)Thiết bị trao đổi nhiệt 5) Van 6) ống khói

không được nhỏ hơn một viên gạch để đảm bảo độ bền của thể xây, đồng thời kích thước tiết diện cần chọn sao cho không để vật nung rơi xuống kênh Khi bố trí kênh trên tường lò thì chiều dày tường lò (không kể chiều rộng kênh) phải lớn hơn 460 mm Cống khói thường có tiết diện chữ nhật đứng, đỉnh cuốn vòm, đặt ngầm dưới đất, khoảng cách tối thiểu từ đỉnh cống khói tới mặt nền ≥ 300mm Những nơi có nước ngầm cống khói được đặt trong lớp bê tông chống thấm, khi đó cần cách nhiệt tốt để không làm cho bê tông bị phá hủy Trên đường dẫn khói lò có thể đặt thiết bị trao đổi nhiệt (thường là ở phần cống khói) và đặt van điều chỉnh lượng khói lò đi ra ống khói ống khói là bộ phận tạo sức hút để đưa sản phẩm cháy từ buồng lò thải ra môi trường Tùy theo công suất lò và nhiệt độ khí thải có thể sử dụng ống khói xây gạch, ống khói kim loại hoặc ống khói bằng bê tông chịu nhiệt

Khi thiết kế hệ thống thoát khói cần lưu ý các nguyên tắc sau:

- Bố trí các kênh khói sao cho khói lò từ buồng lò vào các kênh đều nhau để không có góc chết

- Đường dẫn khói càng ngắn, càng thẳng càng tốt, hạn chế các góc ngoặt, gấp khúc, các ví trí đột mở, đột thu đột ngột làm tăng trở lực trên đường dẫn, đồng thời

đảm bảo thuận tiện cho việc xây thể xây

- Những nơi có nhiều lò đặt gần nhau nên bố trí hệ thống thoát khói có chung một ống khói để giảm chi phí xây dựng

7.1.2 Tính hệ thống thoát khói

a) Tính lượng khí lò đi vào kênh

Lượng khí lò khi bắt đầu vào kênh khói:

ư

Trong dó:

B - lượng tiêu hao nhiên liệu [m3/h] hoặc [kg/h]

Vn - lượng sản phẩm cháy khi đốt cháy một đơn vị nhiên liệu [m3/kg] hoặc [m3/m3]

- tổng lượng khí lò mất qua cửa thao tác và cửa quan sát [m

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ > ữ

4 3 B H

:

t 1

V

3

2

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ > ữ

4 3 H

B

:

t 1

V V

' t

'

t BH 2gH

ψ là hệ số thời gian mở cửa:

f

G 3600

mP

=

Với m là thời gian ra một phôi [s], P năng suất lò [kg/h], Gf khối lượng một phôi[kg]

b) Tính tiết diện kênh khói

Diện tích tiết diện kênh khói xác định theo công thức sau:

N W 3600

V F

k

A

Trong đó:

Wk - tốc độ khí lò đi trong kênh , chọn trong khoảng 1 - 2 m/s

N - số kênh

Kênh khói có tiết diện chữ nhật nên ta có:

b a

Fk = Biết Fk ta xác định được các kích thước a và b

c) Tính diện tích tiết diện cống khói

C

A C

W 3600

V

Trong đó: Wc - tốc độ khí lò đi trong cống, chọn trong khoảng 1,5 - 3 m/s

Dựa vào tiết diện Fc tra bảng chọn cống khói có tiết diện F ≥ Fc

7.1.3 Tính trở lực trên đường dẫn khói

Tổng tổn thất áp suất ở hệ thống thoát khói xác định theo công thức:

∑

∑

Trong đó:

Σhms - tổng tổn thất do ma sát trên đường dẫn

Σhcb - tổng tổn thất cục bộ trên dường dẫn

Σhhh - tổng tổn thất hình học trên đường dẫn

a) Tính tổn thất ma sát

Tổn thất ma sát trên đường dẫn xác định theo công thức:

0

i k

i i n

1 i

2 k k i ms

T

T D

L 2

W

∑

=

ρ à

=

i i n

1 i

2 k i

D

L 2

W

∑

Trong đó:

ài - hệ số ma sát trên đoạn thứ i

ρ0k, W0k - khối lượng riêng và tốc độ khí lò ở điều kiện tiêu chuẩn [kg/m3] và [m/s]

Li, Di - chiều dài và đường kính thủy lực của đoạn khảo sát

i

i i

C

F 4

D =

Với Fi [m2] và Ci [m] là diện tích tiết diện và chu vi của dòng chảy tại đoạn khảo sát

T0 - nhiệt độ ở điều kiện tiêu chuẩn oK

ki

T - nhiệt độ trung bình trên đoạn thứ i:

2

T T

Tki k(i 1) ki

+

Với Tki =Tk(iư1) ư∆Ti li

- độ giảm nhiệt độ trên một đơn vị chiều dài đường dẫn[

i

T

b) Tính tổn thất cục bộ

Tổn thất áp suất do trở lực cục bộ xác định theo công thức:

∑

∑

=

ρ ξ

= n

1

i k 2 k k i cb

T

T 2

W h

⇒ ∑ ∑ (

= n

1 i

i k k

2 k i

2

W

Trong đó:

ξi - hệ số trở lực cục bộ tại mặt cắt i

Tk,i - nhiệt độ tại mặt cắt i

c) Tính tổn thất hình học

Tổn thất hình học xuất hiện khi khí lò nhẹ hơn không khí bao quanh chuyển

động từ trên xuống dưới hoặc khi khí lò nặng hơn chuyển động từ dưới lên trên Công thức xác định tổn thất do trở lực hình học khi khí lò nhẹ hơn không khí bao quanh chuyển động từ trên xuống dưới:

∑

∑

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

= n

1

0 ok i kk

0 okk i hh

T

T T

T gH

h

= n

1 i

i k i kk i

hh gH

Trong đó:

Hi - độ cao của đoạn kênh khảo sát [m]

- khối lượng riêng không khí và khí lò ở điều kiện tiêu chuẩn [kg/m

,

kk

0

i

kk

T , Tk i - nhiệt độ trung bình của không khí và khí lò trên đoạn khảo sát [oK] Trong trường hợp ngược lại, khí lò nhẹ đi lên hoặc khí lò nặng đi xuống, cột áp hình học giảm tổn thất áp trên đường dẫn (hhh mang dấu âm)

7.1.4 Tính ống khói

Thiết kế ống khói nhằm mục đích xác định chiều cao ống khói và các thông số cơ bản của ống khói sao cho đảm bảo lực hút của ống khói lớn hơn trở lực trên đường dẫn của hệ thống thoát khói Sử dụng phương trình Becnuly ta nhận được quan hệ giữa áp suất âm ở chân ống khói với chiều cao của nó, nhiệt độ sản phẩm cháy và các tổn thất năng lượng khi sản phẩm cháy chuyển động trong ống khói:

] m / N [ T

T 2

W d

H T

T 2 W

T

T 2

W W

T

T T

T Hg

p

2 0

2 , k 2 k tb 0 k 2 k

0 k

2 1 , k

2 2 , k k k

0 k kk

0 kk 0

2 , k

àρ

ư

ư ρ

ư

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

ρ

ư ρ

=

∆

(7.11)

Trong đó:

∆ - áp suất âm cần tạo ra ở chân ống khói [N/m2]:

(7.12)

∑

=

∆p k htt Với k = 1,2 - 1,3 là hệ số kể đến sự tăng trở lực khi kênh dẫn bị bám bụi và khả năng cường hóa quá trình

∑htt - tổng tổn thất trên đường dẫn đến chân ống khói [N/m2]

Từ phương trình (7.11) và (7.12), nhận được công thức xác định chiều cao ống khói:

tb 0 k 2 k k

0 k kk

0 kk 0

0

2 , k 2 k 0

k 2

1 , k

2 2 , k k tt

d

1 T

T 2

W T

T T

T g

T

T 2

W T

T 2

W W

h

k H

k

2 , k

àρ +

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

ρ

ư ρ

ρ +

ư ρ

+

[m] (7.13)

Trong đó:

, : khối lượng riêng khói lò và không khí ở điều kiện tiêu chuẩn [kg/m

k

[m/s]

1

,

k

k

W là tốc độ trung bình của khói lò trong ống khói ở điều kiện tiêu chuẩn:

2

W W

+

=

420

∆P (m)

Tkk - nhiệt độ không khí xung quanh [oK]

2

T T

Tk k,1 k,2

+

= - nhiệt độ trung bình của khói

lò trong ống khói [oK]

, T - nhiệt độ khói lò ở chân và đỉnh ốn

1

,

k

khói [oK]

à - hệ số ma sát trong ống khói

dtb- đường kính trong trung bình của ống khói:

2

d d

tb

+

= Với d1, d2 đường kính trong ở chân và đỉnh ống

khói [m]

100

150

200

250

t k = 450 o C

350

380

340

300

260

220

180

140

100

60

20

20 60 60 80 H (m)

Hình 7.2 Biểu đồ chọn chiều cao sơ bộ của

ống khói

Các thông số trong công thức (7.13) được xác như sau:

Nhiệt độ khí lò tại miệng ống khói:

sb 1

, k 2 ,

k T H

k

T - nhiệt độ trung bình của khói lò trong ống khói [oK]

Với t∆ là độ giảm nhiệt độ trung bình của khói lò ứng với 1 m chiều cao ống khói [oC/m], Hsb là chiều cao ống khói sơ bộ, chọn theo giản đồ hình 7.2

Đường kính ra của miệng ống khói:

2 , k

k 2

w

V 4 d

π

Đối với ốngkhói xây bằng gạch thì d2≥ 800mm

Đường kính chân ống khói bằng gạch và bê tông chọn:

2

1 1, d

d = Tốc độ khí lò tại miệng ống khói W k,2chọn ≥ 3 - 4 m/s

thì không phải tính lại Trường hợp H < 16 m, lấy H = 16 m để đảm bảo điều kiện vệ

sinh môi trường

10

Hsb ±

7.2 Hệ thống cấp gió và khí đốt

7.2.1 Cấu trúc hệ thống cấp gió

Hệ thống cấp gió gồm thiết bị cấp gió (quạt gió) và các ống dẫn gió làm nhiệm vụ dẫn không khi từ thiết bị cấp gió đến thiết bị đốt nhiên liệu Trong trường hợp dùng gió nóng, có thêm đường dẫn không khí đi qua thiết bị trao đổi nhiệt trước khi đến thiết bị

đốt Trên hình 7.3 trình bày cấu trúc của hệ thống cấp gió của một lò nung liên tục sử dụng gió nóng

Các ống dẫn gió được làm bằng thép ống hàn, chiều dày thành ống từ 3 - 6 mm Nếu ống dẫn gió nóng mà nhiệt độ tkk < 500oC bên ngoài có bọc cách nhiệt, còn khi tkk

> 500oC thì ngoài lớp bọc cách nhiệt, bên trong ống còn phải lót gạch chịu lửa mác thấp

Đối với các lò dùng nhiên liệu khí, ngoài các ống dẫn gió còn có hệ thống ống dẫn khí đốt Các ống dẫn khí đốt cũng chế tạo bằng các ống thép hàn, chiều dày thành

ống từ 5 - 8 mm, bên ngoài bọc cách nhiệt nếu tk <500oC và lót gạch bên trong và bọc cách nhiệt bên ngoài nếu tk > 500oC

Khi thiết kế hệ thống cấp gió cần lưu ý:

1 2

3

4

5

5

Hình 7.3 Sơ đồ cấp gió cho lò nung liên tục 1) Quạt gió 2) ống dẫn gió lạnh 3) ống dẫn gió nóng 4) ống dẫn gió pha loãng khói lò 5)Thiết bị đốt

- Bố trí đường dẫn khí sao cho chiều dài đường dẫn càng ngắn càng tốt, hạn chế gấp khúc và các trở lực cục bố khác làm tăng tổn thất áp suất trên đường dẫn, đồng thời không gây trở ngại cho việc đi lại và thao tác xung quanh lò

- Khi trong phân xưởng có nhiều lò gần nhau thì có thể thiết kế một hệ thống cấp gió chung cho các lò

- Tính toán trở lực trên đường dẫn để chọn quạt gió cần tính cho nhánh có tổn thất lớn nhất

7.2.2 Tính kích thước đường ống dẫn gió và khí đốt

- Diện tích tiết diện ống dẫn gió:

i kk

i kk i

kk

W 3600

V

Trong đó:

i

kk

V - lưu lượng gió qua tiết diện đoạn ống khảo sát [m3/h]

i

kk

W - tốc độ gió qua tiết diện đoạn ống khảo sát [m/s], chọn theo bảng 7.1

- Đường kính ống dẫn:

π

i kk

F 4

Bảng 7.1 Tốc độ gió và khí đốt trong ống dẫn

Khí đốt lạnh, áp suất thấp:

- ống thẳng

- ống có hình phức tạp

12

6

7.2.3 Tính tổn thất áp suất trên đường dẫn gió

Tổng tổn thất trên đường dẫn gió xác định theo công thức tương tự trong phần thiết kế hệ thống thoát khói nhưng lưu ý các thông số thiết kế (như độ giảm nhiệt độ,

hệ số trở lực …) được chọn theo không khí hoặc khí đốt

Tổng tổn thất:

∑

∑

∑

Tổn thất ma sát:

( kki kk

0 i i n

1 i

2 kk 0 i

D

L 2

W

∑

Tổn thất cục bộ:

(

∑

∑

=

α + ρ ξ

1 i

i kk kk

0

2 kk 0 i

2

W

Đối với lò dùng nhiên liệu rắn, trở lực trên đường dẫn gió phải kể đến trở lực qua ghi lò hg

7.3 Thiết bị tận dụng nhiệt khói lò

7.3.1 Phân loại

Để tận dụng nhiệt khói thải, trong các lò luyện kim thường sử sụng các thiết bị thu hồi nhiệt để nung nóng không khí hoặc khí đốt

Theo nguyên tắc làm việc người ta chia các thiết bị thu hồi nhiệt thành hai loại:

- Thiết bị trao đổi nhiệt: hoạt động liên tục, chế độ nhiệt độ ổn định, không khí

và khói cùng đi qua thiết bị

- Thiết bị hoàn nhiệt: hoạt động theo chu kỳ, chế độ nhiệt độ không ổn định, không khí và khói lò đi qua thiết bị trong những khoảng thời gian khác nhau

Dưới đây chủ yếu khảo sát thiết bị trao đổi nhiệt

7.3.2 Thiết bị trao đổi nhiệt

Thiết bị trao đổi nhiệt có hai loại: thiết bị trao đổi nhiệt kiểu gốm chế tạo bằng vật liệu phi kim (samôt hoặc cac bô run) và thiết bị trao đổi nhiệt kim loại được chế tạo bằng kim loại (gang xám, thép các bon thấp, thép hợp kim chịu nhiệt …) Phổ biến là thiết bị trao đổi nhiệt kim loại

Theo cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt kim loại được chia ra làm hai loại: loại ống kim loại nhẵn và loại ống có gai

Loại ống nhẵn được chế tạo từ các ống thép nhẵn có đường kính trong d = 15 -

100 mm, chiều dày thành ống từ 3 - 5 mm Các ống được bố trí thành chùm ống theo kiểu bàn cờ hoặc so le, không khí đi trong ống còn khói lò đi ngoài ống Nhiệt độ khói

lò thường không được vượt quá 500oC

Loại này có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo và lắp đặt, hệ số truyền nhiệt vào khoảng

15 - 25 Kcal/m2.h.độ

Loại ống mặt có gai được chế tạo từ gang chịu nhiệt chứa 1,5 - 30 %Cr, có gai hai mặt hoặc có gai mặt trong, mặt ngoài nhẵn Do bề mặt có gai, nên loại này có hệ số

b) a)

Hình 7.2 Sơ đồ cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt kim loại

a) ống trơn b) ống có gai

truyền nhiệt lớn, khoảng 80 - 100 Kcal/m2.h.độ, nhưng kết cấu phức tạp, khó lắp đặt và lượng không khí rò lớn

7.3.3 Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt

Mục đích tính toán thiết bị trao đổi nhiệt là xác định bề mặt trao đổi nhiệt cần thiết của thiết bị

Khi chế độ nhiệt ổn định, lượng nhiệt truyền từ khói lò qua thành của thiết bị đến không khí xác định theo công thức sau:

F t K

⇒

tb

t K

Q F

∆

Lượng nhiệt Q cần truyền từ khói lò đến không khí:

( ư )= ( ư )η

Trong đó:

Vkk - lượng không khí cần nung nóng [m3/h]

Vk - lượng khói lò đi qua thiết bị [m3/h]

- hệ số sử dụng nhiệt của thiết bị 0,85 - 0,90

η

, và , là nhiệt dung riêng của không khí và khi lò trước khi vào và sau khi ra khỏi thiết bị

d

kk

C Cckk Cdk Cck

d

kk

t , và , là nhiệt độ của không khí và khí lò trước khi vào và sau khi ra khỏi thiết bị

c

kk

t tdk tck

K - hệ số truyền nhiệt từ khói đến không khí:

Khi tường phẳng:

kk k

1 S 1

1 K

α

+ λ

+ α

2 kk 1

2 1

1 r

r

1 r 1

1 K

α

+ λ

+ α

Hiệu số nhiệt độ trung bình ∆ xác định phụ thuộc nhiệt độ đầu và cuối, hướng ttb chuyển động của khói và không khí Trên hình 7.3 trình bày một số trường hợp thông dụng và biểu đồ nhiệt độ sử dụng để tính ∆ ttb

Hiệu số nhiệt độ trung bình trong thiết bị xác định theo nhiệt độ trung bình logarit:

c d

c d tb

t

t lg 3 , 2

t t t

∆

∆

∆

ư

∆

=

Trong đó:

- hiệu số nhiệt độ tại đầu khói vào:

d

t

∆

Thuận dòng: ∆td =tdk ưtdkk

Nghịch dòng: ∆td =tdk ưtckk

- hiệu số nhiệt độ tại đầu khói ra:

c

t

∆

Thuận dòng: ∆tc =tck ưtckk

KK

K

KK

K

KK

Giao nhau Ngược dòng

Thuận dòng

K

K

K

Chính giao thuận dòng Chính giao ngược dòng

tk

tkk

t o C

L (m)

tk

tkk

d

k

t

d

kk

t

kk

t

d k

t

kk

t

c kk

t

d

c k

t

c k

t

c

t o

C

L (m)

Hình 7.3 Phân loại chuyển động khói lò và không khí

Nghịch dòng: ∆tc =tck −tdkk

Sau khi tính đ−ợc Fk, tra bảng chọn loại ống trao đổi nhiệt, số l−ợng ống và bố trí

số l−ợng ống trong một hàng và số hàng cần thiết để đảm bảo bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị lớn hơn hoặc bằng giá trị tính đ−ợc

Tµi liÖu tham kh¶o

1 Ph¹m V¨n TrÝ, D−¬ng §øc Hång, NguyÔn C«ng CÈn: “Lß c«ng nghiÖp” §¹i häc

B¸ch khoa Hµ néi - 1996

2 Bé m«n LuyÖn kim: “Nguyªn lý lß luyÖn kim” §¹i häc B¸ch khoa Hµ néi - 1968

3 E.I Kazanxev: “Pr«m−slenn−i petchi” NXB “Metalurghi” , Moskva - 1975

4 H.E Xentruk, H Dzmakin: “Tepl«v−i ratri«t− plachenn−x petchªi dlia nagrepva i

tepl««brab«tki metala” NXB Minxk -1974