Thiết lập quy trình thiết kế hệ thống nồi hơi đốt dầu FO

Hệ thống nồi hơi đốt dầu FO

Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ
Báo cáo

Thiết lập quy trình thiết kế hệ
thống nồi hơi đốt dầu FO

Đề tài:

Nhóm lớp: A-02
Danh sách nhóm:

Năm học: 2015-2016

Page 1


Hệ thống nồi hơi đốt dầu FO
Hệ thống nồi hơi đốt dầu FO

I.

Giới thiệu

Lò hơi
1. Định nghĩa
Lò hơi là thiết bị trong đó xảy ra quá trình đốt cháy nhiên liệu. Nhiệt lượng tỏa ra từ quá trình
cháy sẽ truyền cho nước đựng trong lò để biến nước thành hơi. Nghĩa là thực hiện quá trình

biến đổi hóa năng của nhiên liệu thành nhiệt năng của dòng hơi.
Lò hơi là thiết bị có mặt gần như trong tất cả xí nghiệp, nhà máy. Trong các nhà máy công
nghiệp như nhà máy hóa chất, đường, nước giải khát, … hơi nước phục vụ cho các quá trình
công nghệ như chưng ất, cô đặc, sấy… Hơi ở đây thường là hơi bão hòa, có áp suất hơi tương
ứng với nhiệt độ bão hòa cần thiết cho quá trình công nghệ. Loại lò hơi này được gọi là lf hơi
công nghiệp, có áp suất hơi thấp, sản lượng nhỏ. Trong nhà máy điện, lò hơi sản xuất ra hơi
để làm quay tua bin, phục vụ cho việc sản xuất điện năng, đòi hỏi phải ó công suất lớn, hơi là
hơi quá nhiệt có áp suất và nhiệt độ cao. Loại này được gọi là nồi hơi để sản xuất điện năng.
Nhiên liệu đốt trong lò hơi có thể là nhiên liệu rắn như than, gỗ, bã mía, có thể là nhiên liệu
lỏng như dầu nặng (FO), dầu diezen (DO) hoặc các nhiên liệu khí.

Page 2


Hệ thống nồi hơi đốt dầu FO

2. Phân loại
Ta có thể phân loại lò hơi theo nhiều cách:
 Theo nhiệm vụ của lò hơi:
Theo nhiệm vụ của lò hơi trong sản xuất, ta có: lò hơi công nghiệp và lò hơi sản xuất điện
năng.
Lò hơi công nghiệp phục vụ cho các quá trình công nghệ ở các nhà máy sản xuất công
nghiệp (thường sản xuất hơi bão hòa, áp suất hơi không vượt quá 2,0 Mpa, nhiệt độ t=
250oC). Lò hơi phục vụ cho sản xuất điện sản xuất hơi quá nhiệt, có công suất lớn, áp
suất và nhiệt độ hơi cao, thường lớn hơn 2,0 Mpa và trên 350oC.
 Theo chế độ đốt nhiên liệu trong buồng lửa: lò ghi thủ công, lò ghi cơ khí, lò phun
nhiên liệu lỏng, lò phun nhiên liệu khí…
 Theo chế độ tuàn hoàn nước trong lò: lò tuần hoàn tự nhiên, lò tuần hoàn cưỡng bức,
lò trực lưu.

3. Nguyên lí làm việc buồng lửa phun tuần hoàn tự nhiên

-

Quá trình đốt cháy nhiên liệu:

Thùng chứa → Bộ lọc → Bơm → Thiết bị đun nóng dầu → Vòi phun dầu → Buồng đốt
Hơi nước hoặc
kk nóng
Page 3


Hệ thống nồi hơi đốt dầu FO

Đầu tiên nhiên liệu được bơm vào thùng chứa. Sau đó, FO được cho qua bộ lọc để loại bỏ
cặn bẩn tránh hiện tượng tắc vòi phun dầu. Tiếp theo, dầu được đưa vào thiết bị trao đổi
nhiệt, để giảm độ nhớt của dầu, nhằm vận chuyển dễ dàng hơn, dễ phun hơn, đồng thời
dễ bốc cháy hơn. Dầu sau đó được đưa vào vòi phun hòa vào không khí thành các hạt
sương đi vào buồng đốt. Các hạt sương gặp nhiệt độ cao sẽ bay hơi và bị phân hủy (cháy)
tạo nhiệt lượng lớn.
 Quá trình truyền nhiệt trong nồi hơi:
+ Truyền nhiệt diễn ra bằng 2 quá trình chính: truyền nhiệt bằng đối lưu và truyền nhiệt
bằng bức xạ.
+ Dầu FO sau khi được đốt sẽ tạo ra nhiệt lượng lớn đốt nóng không khí lên nhiệt độ cao.
Không khí sau đó sẽ được phân phối tới các dàn ống phía bên trong nồi hơi đang chứa
nước. Nhiệt sẽ được truyền từ khí nóng qua thành ống ra ngoài nước đang chứa trong nồi
để đun sôi nước. Khi đó nước sẽ bốc hơi, thể tích chênh lệch của hơi và nước làm tăng áp
suất ở phần hơi. Để tăng hiệu quả truyền nhiệt thì dàn ống được chia thành nhiều ống có
đường kính nhỏ, và gồm nhiều chặng, thướng là 2 đến 3 chặng.
 Các bộ phận khác:

+ Hơi nước ở nồi hơi sau khi được tạo ra thường được đưa qua bộ quá nhiệt để tăng nhiệt
độ. Cấu tạo ở dạng truyền nhiệt ngược chiều ống lồng. Hơi đốt sau khi đun sôi nước được
tận dụng để cấp nhiệt cho thiết bị quá nhiệt để tận dụng lượng nhiệt thừa.
+ Bộ đun nước: trước khi nước cấp cho nồi, được đưa qua bộ hâm nước ban đầu lên gần
nhiệt độ sôi. Cấu tạo cũng ở dạng truyền nhiệt ngược chiều. Hơi cấp nhiệt có thể là khói
lò, hoặc hơi nước sau khi sử dụng còn 1 lượng nhiệt lớn được tận dụng lại.
4. Ưu nhược điểm:
 Ưu điểm của nồi hơi ống lửa:
- Tốc độ truyền nhiệt cao  quá trình hóa hơi nhanh.
- Quá trình truyền nhiệt đối lưu tốt hơn do được lắp đặt 1 số lượng lớn các ống truyền
nhiệt có đường kính nhỏ và số lần khí đi qua nồi hơi.
- Hiệu suất nhiệt cao.
- Có khả năng tận dụng nhiệt tốt.
 Hạn chế:
- Suất tiêu hao kim loại lớn.
- Khó khử cáu bẩn do tro bám vào bề mặt thành ống

Page 4


Hệ thống nồi hơi đốt dầu FO

Nhiên liệu
1. Định nghĩa
Dầu Mazut, còn được gọi là dầu nhiên liệu hay dầu FO, là phân đoạn nặng thu được khi
chưng cất dầu thô parafin và asphalt ở áp suất khí quyển và trong chân không. Các dầu FO có
điển sôi cao.

2. Ưu – nhược điểm
Ưu điểm:

 Dễ sử dụng
 Hiệu suất, năng suất cao
Nhược điểm:
 Giá thành mắc
 Ô nhiễm môi trường

II.

Quá trình cháy nhiên liệu
Page 5


Hệ thống nồi hơi đốt dầu FO
1. Mục đích – Khái niệm cơ bản
Tính toán quá trình cháy nhằm mục đích cung cấp các số liệu cần thiết cho việc thiết kế, vận
hành, nghiên cứu và kiểm tra buồng lửa.
Các đại lượng cần xác định bao gồm: Thể tích không khí lý thuyết và thực tế cần thiết; Thành
phần và thể tích sản phẩm cháy (khô, ẩm, lý thuyết, thực tế) sinh ra khi đốt cháy một đơn vị
nhiên liệu, nhiệt độ đọng sương của sản phẩm cháy.
Để đơn giản trong tính toán, ta giả thiết:
 Quá trình cháy là đẳng áp
 Chất oxy hóa là oxy của không khí có thành phần thể tích 21% O2 và 79%N2.
 Các chát khí và hơi tham gia và xuát hiện trong quá trình cháy đều được xem là khí
lí tưởng, ở điều kiện tiêu chuẩn thể tích một kmol của chúng bằng 22,4 m3/kmol.
Hệ số không khí thừa: Tỉ số giữa lượng không khí thực cấp vào Vkk với lượng không khí lý
thuyết tính toán được Vokk gọi là hệ số không khí thừa, ký hiểu là :
>1

2. Tính toán lượng không khí cần thiết cho sự cháy
Lượng không khí lý thuyết cần thiết cho sự cháy:

Lượng không khí thực tế cần thiết cho sự cháy:

Page 6


Hệ thống nồi hơi đốt dầu FO
3. Tính toán thể tích sản phẩm cháy tạo thành
Sản phẩm cháy ( gọi là khói thực) gồm có khói khô và hơi nước. Tùy thuộc vào điều kiện
cháy hoàn toàn hay không hoàn toàn các nguyên tó cháy của nhiên liệu mà tỷ lệ thành phần
các chất sinh ra trong sản phẩm cháy sẽ khác nhau. Ở trạng thái lý thuyết, khi cháy hoàn toàn
(α=1) sẽ tạo thành các chất: CO2, SO2, N2, và H2O.

Thể tích khói khô lý thuyết:

V0khoi.khô= 1.866.Clv + 0.7.Slv + 0.79V0kk , m3/kg
Thể tích khí nito thực tế:

Thể tích hơi nước lý thuyết:

VoH2O = 11.2Hlv + 1.24Wlv + 1.24Gph + 1.611.V0kk , m3/kg
(Gph là lưu lượngh ơi nước để phun dầu mazut thành sương, thường lấy bằng 0,3 – 0,35 kg
hơi/ kg dầu)
Thể tích hơi nước thực tế:

VH2O = 11.2Hlv + 1.24Wlv + 1.24Gph + 1.611.α.V0kk , m3/kg
Thể tích khói thực:

Vkhoi= VH2O + Vkhói.khô

III. Cân bằng nhiệt lò hơi
1. Phương trình cân bằng nhiệt tổng quát của lò
Nhiệt lượng sinh ra khi đốt cháy nhiên liệu trong lò hơi chính là nhiệt lượng do nhiên liệu và
không khí mang vào:

Qđv = Qnl + Qkk
Nhiệt lương sinh ra khi đốt cháy nhiên liệu trong lò hơi được phân thành hai phần: một phần
nhiệt được sử dụng để sinh hơi (nhiệt lượng hữu ích) và một phần bị mất đi trong quá trình
làm việc (gọi là tổn thất nhiệt của lò). Như vậy:
Page 7


Hệ thống nồi hơi đốt dầu FO
Qđv = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6
Trong đó:
Q1 : nhiệt lượng sử dụng hữu ích để sinh hơi, kJ/kg
Q2: lượng tổn thất nhiệt do khói thải mang ra ngoài lò hơi, kJ/kg
Q3: lượng tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt hóa học, kJ/kg
Q4: lượng tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt cơ học, kJ/kg
Q5: lượng tổn thất nhiệt do tỏa nhiệt từ mặt ngoài tường lò ra không khí xung quanh,
kJ/kg
Q6: lượng tổn thất nhiệt do xỉ nóng mang ra ngoài, kJ/kg

Lượng nhiệt do 1kg nhiên liệu lỏng đưa vào lò hơi được xác định bằng công thức:

Qđv = Qlvt + Qnl + Qnkk + Qp – Qk , kJ/m3
Trong đó:
Qlvt: nhiệt trị thấp làm việc của nhiên liệu
Qnl: nhiệt vật lý của nhiên liệu đưa vào:

Qnl = Cnl . tnl , kJ/m3 , kJ/kg

Với Cnl là nhiệt dung riêng của nhiên liệu:

Cknl là nhiệt dung riêng của nhiên liệu khô, tra theo bảng thông số nhiệt động, với dầu
mazut:

Cmz = 1,74 + 0,0025.t , kJ/kg oC
n

Q kk : nhiệt lượng do không khí nóng mang vào, được tính đến khi không khí được sấy
nóng bằng nguồn nhiệt bên ngoài:

Page 8


Hệ thống nồi hơi đốt dầu FO

α’: hệ số không khí thừa đầu vào bộ sấy không khí
(CnlTkk)n , (Cnltkk)1 : nhiệt dung riêng và nhiệt độ của không khí nóng và không khí lạnh

Qph : nhiệt lượng do dùng hơi phun nhiệu lỏng vào lò:

Qph = Gph ( iph – 2500 ), kJ/kg
Gph: lượng hơi để phun dầu vào lò khi sử dụng vòi phun kiểu thổi, tính ứng với 1kg nhiên
liệu thường lấy Gph 0,3 – 0,35 kg hơi/ kg dầu. Đối với vòi phun dầu kiểu cơ khí thì Gph = 0
nên Qph = 0
Iph: Entapi ủa hơi phun dầu vào lò

Thực tế thì khong khí và nhiên liệu cấp cho lò hơi thường không sấy bằng nguồn nhiệt bên

ngoài mà sấy bằng chính khói từ lò hơi và không dùng hơi phun dầu vì rất tốn hơi nên Qnl,
Qkk, Qph được coi gần bằng 0 và lượng nhiệt đưa vào lò bằng nhiệt trị thấp của nhiên liệu:

Qđv = Qlvt , kJ/kg, kJ/m3
2. Hiệu suất lò hơi
Hiệu suất của lò hơi là tỉ số giữa lượng nhiệt sử dụng hữu ích và lượng nhiệt cung cấp vào lò
hơi

IV.

Buồng đốt

1. Yêu cầu
 Đảm bảo cháy hết nhiên liệu cấp vào với hệ số không khí thừa nhỏ nhất
 Thỏa mãn được một chương trình nhiên liệu rộng nhất có thể mà không giảm hiệu
suất hoặc chu kì vận hành khi thay đổi nhiên liệu đốt
 Sản phảm cháy không được phép rút ngắn chu kỳ vận hành do đóng xỉ hay bám tro.
Sản phẩm cháy đi ra khỏi buồng lửa phải chứa ít tro nhất và chứa ít các chất có hại.
 Tường buồng lửa phải được sử dụng tốt để sản xuất hơi và phải bảo đảm làm lạnh
khói đến mức cần thiết trướ khi ra khỏi buồng lửa.
 Không gian cần thiết cho buồng lửa phải nhỏ nhất đến mức có thể.
Page 9


Hệ thống nồi hơi đốt dầu FO
 Các phần của buồng lửa và các trang bị phụ của nó phải có khối lượng nhỏ nhất có
thể, không yêu cầu nhiều vật liệu hợp kim đắt tiền.
 Năng lượng tự dùng của buồng lửa và các thiết bị phụ của nó như máy nghiền, các
quạt phải ở mức tối thiểu.
 Có thể điều chỉnh tốt và nhanh các quá trình trong buồng lửa, đồng thời công suất tối

thiểu của buồng lửa phải thấp nhất có thể.
 Buồng lửa không hạn chế sản lượng của lò hơi và không cản trở sự tăng sản lượng
của lò hơi.
 Phải bảo đảm độ tin cậy cao trong vận hành.
 Chi phi đầu từ và vận hành buồng lửa phải thấp nhất.
 Buồng lửa cho phép dùng những phương pháp quen biết để điều chỉnh nhiệt độ hơi
quá nhiệt về phía khói.

2. Đặc tính công nghệ
4.1. Buồng đốt:
F=

D
D1

 Diện tích cần để sinh hơi:
+ D1 là năng suất bốc hơi riêng phần kg/m2.h
+ D là năng suát bốc hơi toàn phần, kg/h

V=

Bt Qth lv
qv

 Thể tích buồng lửa:
+ Bt là lượng nhiên liệu tiêu hao, kg/h
+ Qthlv là nhiệt trị thấp nhất của nhiên liệu
+ qv là ưng suất nhiệt cho phép của buông đốt ( nhiệt thế) kW/m3


Xác định chiều dày của buông đốt l bằng các xác định chiều dài của ngọn lửa.

Page 10


Hệ thống nồi hơi đốt dầu FO


Page 11


Hệ thống nồi hơi đốt dầu FO
2.3 Tính bền:

3. Cách nhiệt cho buồng đốt
i.

Truyền nhiệt từ bên trong đến lớp thứ nhất bằng cấp nhiệt

q=α1(t1-tT1), W/m2
Trong đó:
Page 12


Hệ thống nồi hơi đốt dầu FO
α: hệ số cấp nhiệt
t1: nhiệt độ bên trong buồng đôt
tT1: nhiệt độ tại lớp thứ 1
ii.

Dẫn nhiệt qua các lớp vật liệu

Mật độ dòng nhiệt truyền qua 3 lớp theo công thức:

Đối với n lớp mật độ dòng nhiệt dẫn qua các lớp được xác định như sau:

Trong đó:
λ: hệ số dẫn nhiệt, W/mK
δ: chiều dày lớp cách nhiệt, m
Page 13


Hệ thống nồi hơi đốt dầu FO
q: mật độ dòng nhiệt, W/m2
Nếu vách phẳng có diện tích F thì nhiệt lượng truyền qua vách là Q là:

Q = F.q , W
Hệ số dẫn nhiệt một số chất:

Page 14


Hệ thống nồi hơi đốt dầu FO

iii.

Cấp nhiệt từ bề mặt ngoài vào không khí

q=α2(tTN – t2), W/m2
Trong đó:

tTN: nhiệt độ bề mặt ngoài
t2: nhiệt độ không khí

Page 15


Hệ thống nồi hơi đốt dầu FO

V.

Giàn ống sinh hơi

1. Nhiệt tính toán của giàn ống hơi
Trong lò hơi tuần hoàn tự nhiên:

tv = tbh + 60oC
Trong lò hơi tuần hoàn cưỡng bức: lấy nhiệt độ của nồi hơi

2. Chiều dày các ống
Khi tính theo đường kính trong của ống:

pdt
S=
+ C0
2σ cp − p
Khi tính theo đường ngoài của ống:

S=

pd ng

2σ cp + p

+ C0

Trong đó:
p: áp suất tính toán, N/mm2
dng , dt : đường kính ngoài, đường kính trong của ống
σ: ứng suất của vật liệu ở nhiệt độ làm việc, N/mm2
( tra bảng)
Co: hệ số bổ sung, thường lấy giá trị là 0,5 mm
Trong mọi trường hợp, chiều dày tính được của ống không được nhỏ hơn chiều dày tối thiểu
theo bảng sau:

Page 16


Hệ thống nồi hơi đốt dầu FO

Khi chịu áp suấ
1,75
2,16
2,40
2,60
3,05
3,28
3,50

VI. Tính bền cho nồi hơi theo ASME
1. Tính bền cho đáy và nắp thiết bị
i.

Tính chiều dày tối thiểu t

Nắp, đáy: Hình Elip
Vật liệu: Thép 304

Page 17


Hệ thống nồi hơi đốt dầu FO

Chiều dày tối thiểu t:

Với:
P: áp suất thiết kế bên trong(psi)
D: đường kính trong thiết bị (in)
E: hệ số bền mối hàn
S: ứng suất cho phép tối đa (psi)
( tra S bảng Table 2A đối với thep 304, tra theo nhiệt độ hơi đốt trong lò)

Page 18


Hệ thống nồi hơi đốt dầu FO

ii.

Tính tỉ số A

Với:

t: bề dày tối thiểu
Ro: bán kính tương đương của nắp elip
Ro = Ko . D0
Do: bán kính ngoài
Ko: tra theo bảng Table UG-33.1
2,2
0,99

2,0
0,9
Page 19

1,8
0,81


Hệ thống nồi hơi đốt dầu FO

iii.
Tính tỉ số B
Đối với thép 304, dùng giản đồ Fig. HA – 1

Cách tra bảng:
 Tại giá trị A, kẻ đường thẳng cắt đường nhiệt độ T (nhiệt độ làm việc của thiết bị)
 Từ điểm đó, kẻ ngang cắt Fator B, tìm được B
iv.
Áp suất làm việc bên trong thiết bị
Áp suất làm việc cho phép bên ngoài thiết bị được tính bằng công thức:

So sánh giá trị Pa với áp suất thiết kế bên trong P:

 Pa> P: chọn kết quả thiết kế
 Pa< P: cần tăng bề dày và tính lại các bước trên

Page 20


Hệ thống nồi hơi đốt dầu FO
2. Tính bền cho thân thiết bị
i.

Tính bề dày tối thiểu của thân

Thân hình trụ, chịu ứng suất vòng.

( với điều kiện: t < 0,5R ; P < 0,385SE )
E: Hệ số bền mối hàn.
P: áp suất tính toán bên trong(psi) của hơi đốt
S: ứng suất tối đa cho phép( ví dụ cho thép 304).
R: bán kính bên trong của thân.
ii.

Tìm tỉ số A
 Tính tỉ số
 Tra bảng Fig. G ở Subpart 3 of Section 2 Part D (p. 791,792) cho giá trị L/Do

Page 21


Hệ thống nồi hơi đốt dầu FO

 Nếu > 50, lấy giá trị = 50 trên bảng
 Nếu < 0,05, lấy giá trị = 0,05 trên bảng
 Từ giá trị , di chuyển ngang đến giá trị (giá trị nội suy) và kẻ thẳng xuống cắt trục
Factor A, đọc giá trị A
Page 22


Hệ thống nồi hơi đốt dầu FO
iii.
Tìm giá trị B
Đối với vật liệu thép 304

 Từ điểm A trên trục Factor A, kẻ thẳng đứng cắt đường vật liệu/nhiệt độ(nhiệt độ
hơi đốt trong lò)
 Kẻ ngang từ điểm đó cắt trục Factor B, đọc giá trị của B.
iv.
Tính áp suất lớn nhất cho phép
Áp suất lớn nhất cho phép tính theo công thức:

Nếu điểm A nằm bên trái đường vật liệu/ nhiệt độ , ta tính áp suất lớn nhất cho phép theo
công thức:

So sánh giá trị Pa với áp suất thiết kế bên ngoài:
 Nếu Pa < P: tăng bề dày của t, thực hiện lại quá trình tính toán
 Pa ≥ P: chọn giá trị đó
Page 23


Hệ thống nồi hơi đốt dầu FO


VII. Tính bền cho nồi hơi theo TCVN
1. Tính bền cho đáy và nắp thiết bị
i.
Đối với nắp hình elip
Nồi hơi chịu áp suất trong
Tính bề dày tối thiểu S’
Khi :

thì

Khi:

thì

Trong đó:
P: là áp suất tính toán trong thiết bị,N/mm2
Page 24


Hệ thống nồi hơi đốt dầu FO
�: ứng suất cho phép khi kéo của vật liệu làm đáy
:

bán kính cong bên trong ở đỉnh đáy(nắp),mm

bán kính cong bên ngoài ở đỉnh đáy(nắp),mm
ht, hn: chiều sâu bên trong bên ngoài của phần elip, mm

Tính áp suất

2. Tính bền cho thân thiết bị
i.
Chọn vật liệu
Do nồi hơi làm việc ở áp suất và nhiệt độ cao nên chọn thép là thép chất lượng cao, gồm các
loại thép tấm, thép cán, thép rèn có các tính chất sau:






Cacbon không lớn hơn 0,23%
Phốtpho không lớn hơn 0,04 %
Lưu huỳnh không lớn hơn 0,04 %
Cacbon + mangan/6 không lớn hơn 0,45 %
Giới hạn bền kéo tính toán nhỏ nhất của thép ở nhiệt độ làm việc của thành không
được lớn hơn 450 MPa, nhiệt độ tính toán của thành không được lấy thấp hơn 250 0C

Ở đây chọn thân hình trụ hàn vì nồi hơi lớn dùng hàn để ghép nhiều tấm kim loại lại với
nhau sẽ dễ chế tạo và tiết kiệm chi phí hơn so với thân rèn nguyên khối
ii.
Xác định nhiệt độ tính toán
Nhiệt độ tính toán của thành được dùng để thiết kế tính toán độ bền các bộ phận nồi hơi và
trong mọi trường hợp không được lấy thấp hơn 250 °C.
Đối với phần thân không tiếp xúc với khói lò (hơi nóng) và phần được bảo vệ đầy đủ với
khói nóng thì: nhiệt độ T phải bằng nhiệt độ lớn nhất của nước nóng hay hơi nước nằm bên
trong:

tv = tbh

Đối với phần tiếp xúc trực tiếp với khói nóng thì: T là nhiệt độ trung bình của thành:

Page 25