Khảo sát, đánh giá, đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả cháy trong các

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

DƢƠNG THỊ BẮC

KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ VÀ ĐỂ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU
QUẢ CHÁY TRONG CÁC LÒ CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Kỹ thuật nhiệt

Hà Nội – 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

DƢƠNG THỊ BẮC

KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ VÀ ĐỂ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU
QUẢ CHÁY TRONG CÁC LÒ CÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Kỹ thuật nhiệt

NGƢỜI HƢỚNG DẪN: PGS TS TRẦN GIA MỸ

Hà Nội – 2015

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dƣới sự hƣớng
dẫn của PGS TS Trần Gia Mỹ. Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa
từng đƣợc công bố trong công trình nào.
Tác giả luận văn

Dƣơng Thị Bắc

i


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

1

Chƣơng 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHÁY

3

1.1. Cơ sở lý thuyết cháy nhiên liệu lỏng

3

1.1.1. Sự cháy nhiên liệu lỏng

3

1.1.2. Các quá trình cháy nhiên liệu lỏng

3

1.1.3. Ngọn lửa dầu

6

1.2. Cơ sở lý thuyết cháy nhiên liệu rắn

7

1.2.1. Sự cháy của nhiên liệu rắn

7

1.2.2. Đặc điểm của sự cháy than

9

1.3. Cân bằng nhiệt của lò và lƣợng tiêu hao nhiên liệu

11

1.3.1. Các khoản nhiệt cấp vào lò

18

1.3.2. Các khoản nhiệt được chi của lò

12

1.3.3. Lượng tiêu hao nhiên liệu

14

Chƣơng 2. THỰC TRẠNG SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG TRONG MỘT SỐ LÒ
VÀ HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIỆT CÔNG NGHIỆP

15

2.1. Tổng quan về tình hình năng lƣợng

15

2.1.1. Tình hình năng lượng thế giới

15

2.1.2. Tình hình năng lượng Việt Nam

15

2.2. Sử dụng năng lƣợng trong các lò và hệ thống cấp nhiệt công nghiệp

16

2.2.1.Đặc điểm kết cấu các lò công nghiệp và hệ thống cấp nhiệt công nghiệp 17
2.2.2. Các yêu cầu cơ bản về lò công nghiệp

17

2.2.3. Các hướng cơ bản để tiết kiệm năng lượng trong các lò công nghiệp và hệ
thống cấp nhiệt công nghiệp

20

2.3. Khảo sát lò công nghiệp và hệ thống cấp nhiệt công nghiệp

23

2.3.1. Lò nung gạch tuynel đốt than

23

2.3.2. Bể mạ kẽm đốt dầu

26

Chƣơng 3. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG TRONG LÒ VÀ
HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIỆT CÔNG NGHIỆP ĐƢỢC KHẢO SÁT

ii


3.1. Lò nung gạch tuynel đốt than

31

3.1.1. Tính toán sự cháy than cám

31

3.1.2. Tính toán cân bằng nhiệt

36

3.1.3. Lượng tiêu hao than

44

3.2. Bể mạ kẽm đốt dầu

46

3.2.1. Tính toán sự cháy của dầu DO

46

3.2.2. Tính cân bằng nhiệt cho bể mạ

49

3.2.3. Lượng tiêu hao dầu

56

Chƣơng 4. CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ CHÁY TRONG LÒ VÀ
HỆ THỐNG CẤP NHIỆT ĐƢỢC KHẢO SÁT

59

4.1. Lò nung gạch tuynel

59

4.1.1. Tăng cường cách nhiệt ở vùng nung

59

4.1.2. Đốt than bằng mỏ đốt

61

4.1.3. Xác định kích thước mỏ đốt than

64

4.2. Bể mạ kẽm

67

4.2.1. Ống bức xạ

68

4.2.2. Tính cân bằng nhiệt cho bể mạ

69

4.2.3. Xác định công suất và số lượng ống bức xạ

73

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

75

Kết luận

75

Kiến nghị

75

TÀI LIỆU THAM KHẢO

76

PHỤ LỤC

77

iii


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1. Quá trình cháy bụi dầu

3

Hình 1. 2. Vùng phản ứng quanh một giọt dầu

4

Hình 1. 3. Ổn định ngọn lửa bằng cách phun dầu vào vùng hồi lưu

7

Hình 1. 4. Diễn biến phản ứng khi hạt cacbon cháy

9

Hình 2. 1. Biểu đồ nguồn năng lượng

15

Hình 2. 2. Các lĩnh vực sử dụng năng lượng ở Việt Nam giai đoạn 2010 – 2030

16

Hình 2. 3. Sự phụ thuộc hiệu suất nhiệt vào nhiệt độ khói thải và hệ số không khí 21
Hình 2. 4. Sơ đồ lò tuynel

24

Hình 2. 5. chế độ nhiệt độ của lò nung tuynel

24

Hình 2. 6. cách xếp gạch trên các xe goòng

25

Hình 2. 7. Cấu tạo tường và nóc lò

25

Hình 2. 8. Xe goòng xếp liệu xí nghiệp gạch Cam Thượng

26

Hình 2. 9. Mạ kẽm tại nhà máy chế tạo KCT Yên Thường

28

Hình 2. 10. Chế độ nhiệt độ quá trình nấu kẽm

28

Hình 2. 11. Thể xây bể mạ

27

Hình 2. 12. Sơ đồ bể mạ kẽm

30

Hình 4. 1. Tường lò trước và sau khi tăng cường cách nhiệt

61

Hình 4. 2. Sơ đồ hệ thống đốt than bằng mỏ đốt

61

Hình 4. 3. Kết cấu mỏ đốt than bụi

67

Hình 4. 4. Sơ đồ bố trí xe goòng và mỏ đốt trong lò nung tuynel

67

Hình 4. 5. Ống bức hình chữ U.

68

Hình 4. 6. Sơ đồ bố trí ống bức sạ bể mạ kẽm

74

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. 1. Thời gian cháy giọt và đám sương

6

Bảng 2. 1. Tổng hợp khả năng khai thác than đến năm 2030 [12]

15

Bảng 2. 2. Khai thác dầu thô đến năm 2025 [12]

16

Bảng 2. 3. Thành phần sử dụng của than [5]

23

Bảng 2. 4. Thể xây và các lớp vật liệu lò nung gạch tuynel

25

Bảng 2. 5. Thành phần của dầu DO [15]

29

iv


Bảng 3. 1. Bảng tính cháy than

33

Bảng 3. 2. Bảng cân bằng khối lượng

34

Bảng 3. 3. Nhiệt độ làm việc từng vùng trong lò

36

Bảng 3. 4. Bảng cân bằng năng lượng

45

Bảng 3. 5. Bảng tính cháy dầu

47

Bảng 3. 6. Bảng cân bằng khối lượng

48

Bảng 3. 7. Nhiệt độ làm việc từng giai đoạn của bể mạ

50

Bảng 3. 8. Lượng nhiệt nấu chảy kẽm và mạ sản phẩm

51

Bảng 3. 9. Lượng nhiệt tổn thất do bức xạ

53

Bảng 3. 10. Lượng nhiệt tổn thất qua tường bể mạ ở các giai đoạn

55

Bảng 3. 11. Lượng nhiệt tổn thất qua đáy và thể xây bể mạ

56

Bảng 3. 12. Lượng tiêu hao dầu của bể mạ qua từng giai đoạn

56

Bảng 3. 13. Bảng cân bằng năng lượng

57

Bảng 3. 14. Lượng dầu cần bổ sung cho từng giai đoạn bể mạ

58

Bảng 4. 1. Lượng nhiệt cấp cho từng giai đoạn bể mạ

70

Bảng 4. 2. Lượng nhiệt tổn thất qua nắp bể mạ

72

Bảng 4. 3. Lượng nhiệt tổn thất qua thể xây bể mạ

72

Bảng 4. 4. Lượng tiêu hao dầu khi sử dụng ống bức xạ

73

v


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Năng lƣợng là một trong những yếu tố quan trọng cho sự phát triển của xã
hội và các nền kinh tế. Trong tƣơng lai, các nguồn nhiên liệu hóa thạch nhƣ than đá,
dầu mỏ, khí tự nhiên sẽ cạn kiệt, đồng thời khi sử dụng những nguồn nhiên liệu này
cũng gây ra những ảnh hƣởng đến môi trƣờng. Vì vậy việc sử dụng tiết kiệm và
hiệu quả các nguồn nhiên liệu là ƣu tiên quan trọng trong chính sách năng lƣợng
quốc gia.
Ngày nay việc sử dụng các nguồn nhiên liệu trong các lò và hệ thống cấp
nhiệt công nghiệp ngày càng tăng. Việc sử dụng tiết kiệm nhiên liệu trong các lò và
hệ thống cấp nhiệt công nghiệp không những góp phần giảm chi phí sản xuất, tăng
tính cạnh tranh, tăng lợi nhuận mà còn đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lƣợng ngày
càng cao, đồng thời giảm sự phát thải các chất độc hại, khai thác hợp lý các nguồn
nhiên liệu, thực hiện phát triển kinh tế - xã hội bền vững. Vì những lý do trên tôi
thực hiện đề tài: Khảo sát, đánh giá và đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả
cháy trong các lò công nghiệp.
2.Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
2.1. Đối tƣợng
Đối tƣợng nghiên cứu là các lò và hệ thống cấp nhiệt công nghiệp, cụ thể là
lò nung gạch tuynel xí nghiệp gạch Cam Thƣợng Ba Vì - Hà Nội và bể mạ kẽm nhà
máy chế tạo KCT Yên Thƣờng Đông Anh - Hà Nội.
2.2. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu và hiệu quả sử dụng nhiên liệu để
thực hiện các mục đích công nghệ của các lò và hệ thống cấp nhiệt công nghiệp.

Trong khuôn khổ luận văn này tôi đƣợc giao nhiệm vụ tìm hiểu về lò và hệ
thống cấp nhiệt công nghiệp đốt nhiên liệu rắn và lỏng.
3.Mục đích nghiên cứu
Đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả cháy nhằm tiết kiệm nhiên liệu cho
các lò và hệ thống cấp nhiệt công nghiệp.

1


4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Lý thuyết kết hợp với thu thập số liệu thực tế: đánh giá và đề xuất các giải
pháp nâng cao hiệu quả cháy trên cơ sở lý thuyết cháy và các số liệu thu thập từ
thực tế vận hành của các lò và hệ thống cấp nhiệt công nghiệp.
5. Nội dung
Luận văn bao gồm các nội dung sau đây, với mỗi nội dung đƣợc trình bày
thành một chƣơng:
- Cơ sở lý thuyết cháy.
- Thực trạng sử dụng năng lƣợng trong lò và hệ thống cấp nhiệt công nghiệp.
- Đánh giá hiệu quả sử dụng năng lƣợng trong lò và hệ thống cấp nhiệt công
nghiệp đƣợc khảo sát.
- Các giải pháp nâng cao hiệu quả cháy trong lò và hệ thống cấp nhiệt công
nghiệp đƣợc khảo sát.

2


Chƣơng 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHÁY
1.1. Cơ sở lý thuyết cháy nhiên liệu lỏng
1.1.1. Sự cháy nhiên liệu lỏng
Quá trình cháy nhiên liệu lỏng (chủ yếu là các loại dầu) vừa là quá trình cháy

dị thể, vừa là quá trình cháy đồng thể.
Để đốt cháy nhiên liệu lỏng cần phải tách nhiên liệu thành hạt nhỏ để tăng bề
mặt tiếp xúc giữa nhiên liệu và không khí, quá trình đó đƣợc gọi là quá trình biến
bụi. Khi biến bụi diện tích bề mặt tiếp xúc với chất oxy hóa tăng lên nhiều bậc và
quá trình bay hơi diễn ra nhanh chóng. Quá trình cháy của các hạt bụi dầu xảy ra
theo các giai đoạn sau:
-

Biến nhiên liệu lỏng thành các giọt riêng biệt.

-

Hòa trộn giữa bụi dầu và không khí.

-

Hỗn hợp đƣợc sấy nóng và bụi dầu bốc hơi.

-

Phân hủy các hợp chất hydrocacbon.

-

Xảy ra các phản ứng cháy.

Hình 1. 1. Quá trình cháy bụi dầu
1- giọt dầu, 2- vùng hơi dầu, 3- vùng xảy ra các phản ứng cháy
1.1.2. Các quá trình cháy nhiên liệu lỏng
a. Cháy các giọt riêng biệt.

Sự cháy các giọt riêng biệt, cố định trong môi trƣờng yên tĩnh đƣợc nghiên
cứu bằng cách treo đối tƣợng nghiên cứu lên sợi chỉ thạch anh ở trong lò. Lò chứa
khí có thành phần và nhiệt độ đã biết. Khi đó quá trình bay hơi đƣợc tăng nhanh
nhờ nhiệt độ cấp từ không khí tới giọt. Hơi khuếch tán ra khỏi giọt, hỗn hợp với
không khí và bắt lửa khi đạt một thành phần và nhiệt độ xác định. Trong không khí

3


các giọt cháy ở 8000C. Nhiên liệu cháy hoàn toàn thành khói, ngoài mặt cháy không
còn hơi nhiên liệu, trong mặt cháy không còn oxy. Hình dáng kéo dài bắt nguồn từ
lực nâng của vùng phản ứng có nhiệt độ cao và khói bao quanh nó hình 1.2a.
Để tính toán ngƣời ta đơn giản hóa là mô hình cầu. Hình 1.2b và c vùng phản
ứng đƣợc thay thế bằng một bề mặt phản ứng.

Nl
a)

Nl

Kh
O2

b)

Kh
O2

Nl
c)

Kh
O2

Nl , Kh, O2 : nồng độ hơi nhiên liệu, khói và oxy

Hình 1. 2. Vùng phản ứng quanh một giọt dầu
a. dạng thực, b. mô hình cầu, c. mô hình cầu đơn giản
Khi đó toàn bộ thời gian cháy của giọt bao gồm thời gian bắt lửa chậm trễ và
thời gian cháy. Bắt lửa chậm là thời gian từ khi bắt đầu cấp nhiệt cho đến khi cháy.
Thời gian bắt lửa chậm trễ cần để nung giọt, làm bay hơi, nung và hỗn hợp để cho
những phản ứng cháy đầu tiên kết thúc. Giả sử bắt lửa chậm chủ yếu là do các điều
kiện động học quyết định, thời gian chậm trễ thực nghiệm đƣợc xác định theo định
luật Arrhenius [1]:
t z  a * eb / T

ln t z  ln a 

b
T

(1.1)

Trong đó: a, b phụ thuộc vào đƣờng kính giọt. Đối với các giọt có đƣờng kính
1.5 mm [1]:
Dầu nhẹ: lna = - 9.45 và b = 0.88*104
Dầu nặng: lna = - 8.0 và b = 0.79*104

4

Các thử nghiệm tính thời gian cháy của các giọt riêng biệt đã đƣợc nhiều tác
giả thực hiện và đa số các tác giả chấp nhận các giả thiết sau:
Mô hình tƣơng tự với hình 1.2c,
Giọt nhận nhiệt bằng dẫn nhiệt, bỏ qua vai trò của bức xạ và đối lƣu,
Giọt có nhiệt độ đồng đều, nhiệt cấp chỉ để bay hơi,
Hơi nhiên liệu khuếch tán tới mặt cháy, khói theo hƣớng ngƣợc lại tới bề mặt giọt,
Ngoài bề mặt giọt là môi trƣờng không khí yên tĩnh,
Vận tốc phản ứng vô cùng lớn, hình thành một mặt cháy,
Dựa trên cơ sở các phƣơng trình bảo toàn nguyên tử, năng lƣợng, vật chất có [1]:
d 02  d 2  k ( z  z0 )

(1.2)

Trong đó:
d - đƣờng kính giọt nhiên liệu
z - thời gian
k - hệ số
Và chỉ số 0 chỉ trạng thái ban đầu

Qtd O2  cg T 
k
ln 1 


t cg  q O2 min
q 
8g

(1.3)

Trong đó:
ΔT - hiệu nhiệt độ giữa ngọn lửa và giọt
q - nhiệt hóa hơi của dầu
Qtd - nhiệt trị thấp của nhiên liệu
[O2] - hàm lƣợng oxy trong môi trƣờng xung quanh ngọn lửa
[O2]min - nhu cầu oxy tối thiểu của nhiên liệu
Các chỉ số:

g - khí ở giữa giọt và ngọn lửa
t - chất giọt

b. Cháy trong đám sương
Khi cháy trong đám sƣơng cần phải tính đến ảnh hƣởng lẫn nhau của các giọt
nhiên liệu. Các giọt có độ lớn khác nhau và khoảng cách giữa chúng khác nhau nên
ảnh hƣởng qua lại cũng khác nhau. Thời gian cháy trong đám sƣơng có thể coi gần

5


gấp đôi thời gian cháy một giọt riêng lẻ, và k có giá trị 0.005 – 0.01 cm2/s. Đối với
dầu nhẹ, môi trƣờng xung quanh yên tĩnh và vận tốc tƣơng đối bằng 0, khi đó thời
gian cháy đƣợc thể hiện ở bảng 1.1 [1]:
Bảng 1. 1. Thời gian cháy giọt và đám sương
Đƣờng kính giọt, mm

Thời gian cháy của giọt
riêng lẻ, ms

Thời gian cháy của đám

sƣơng, ms

1

500 đến 1000

1000 đến 2000

0.5

125 đến 150

250 đến 500

0.1

5 đến 10

10 đến 20

0.05

1.25 đến 2.5

2.5 đến 5

c. Diễn biến của quá trình hỗn hợp và phản ứng
Ngọn lửa dầu thƣờng gồm hai phần chồng lên nhau phần đầu là hóa hơi, bắt
lửa và một phần cháy, phần thứ hai có tính chất của ngọn lửa khí. Yêu cầu thời gian
để phân rã các phân tử và tỉ số C/H cao trong dầu cho nhiều khả năng tạo muội. Với

nồng độ 20g/cm3 tạo ra ngọn lửa chiếu sáng. Và khi đốt dầu nặng không thể đốt
cháy hoàn toàn các giọt, các phân tử có nhiệt độ sôi lớn nhất tạo ra một chất dạng
cốc và lắng đọng, khi đó thời gian cháy các mạch gấp đôi thời gian cháy của giọt
tƣơng đƣơng. Đối với giọt có kích thƣớc 1 mm ở 7000C thời gian cháy là 2s với hệ
số k = 0.0043 cm2/s.
1.1.3. Ngọn lửa dầu
Ngọn lửa dầu của các thiết bị biến bụi không xoáy có trƣờng dòng và trƣờng
phản ứng tƣơng tự nhƣ ngọn lửa khí. Việc tính chính xác ngọn lửa dầu rất khó.
Thƣờng sử dụng công thức thực nghiệm [1]:

Lk I

(1.4)

Trong đó:
I - xung của dòng không khí.
Để ổn định ngọn lửa ngƣời ta sử dụng vùng hồi lƣu trong hạt nhân dòng xoáy
hoặc sau vật cản. Trong các thiết bị biến bụi áp suất bằng cách thay đổi góc của
dòng có thể thay đổi thời gian lƣu của giọt trong vùng chảy ngƣợc về và đặc tính

6


ngọn lửa. Trên đƣờng đi qua vùng khí hồi lƣu nóng các giọt sẽ bay hơi hoàn toàn.
Hơi cùng với khói chuyển động ngƣợc dòng, nhờ trao đổi nhiệt rối xâm nhập vào
dòng không khí chảy về phía trƣớc. Trong vùng chuyển hƣớng xác lập sự cân bằng
giữa vận tốc dòng và vận tốc ngọn lửa.

Bề mặt ngọn lửa rối

Hình nón phun của
các giọt dầu
Không khí
Tâm xoáy
Thiết bị biến bụi
Hơi dầu trong vùng hồi lƣu
vị trí vận tốc hƣớng trục
bằng 0

Không khí
Vận chuyển hơi đến bề
mặt ngọn lửa

Hình 1.3. Ổn định ngọn lửa bằng cách phun dầu vào vùng hồi lưu
1.2. Cơ sở lý thuyết cháy nhiên liệu rắn
1.2.1. Sự cháy của nhiên liệu rắn
Quá trình cháy của nhiên liệu rắn là quá trình cháy không đồng thể giữa một
chất thể rắn và một chất thể khí. Tuy nhiên trong quá trình cháy cũng xảy ra một
phần quá trình cháy đồng thể đó là quá trình cháy chất bốc.
Cháy nhiên liệu rắn bao gồm các phản ứng:
Phản ứng cháy các bon

 CO2
C + O2 


Phản ứng hóa khí:

 2CO
C + CO2 



Phản ứng hóa khí không đồng thể

 CO + H2
C + H2O 


7


Quá trình cháy đồng thể xảy ra trong toàn bộ thể tích, cháy không đồng thể
chỉ xảy ra trên bề mặt nhiên liệu rắn. Vì vậy sự vận chuyển CO2 từ vùng phản ứng
ra ngoài và O2 từ ngoài vào vùng phản ứng đóng một vai trò đáng kể.
Các yếu tố ảnh hƣởng tới quá trình cháy nhiên liệu rắn: phản ứng hóa học,
khuếch tán trong lỗ, và khuếch tán qua màng biên.
Các giai đoạn cháy nhiên liệu rắn:
Pha I: oxy có thể thâm nhập vào bên trong viên than. Nồng độ của nó ở mọi
điểm bằng nồng độ trong buồng khí. Khi đó vận tốc cháy đƣợc quyết định bởi phản
ứng giữa oxy và tƣờng cacbon của lỗ nhiên liệu. Vận tốc phản ứng hiệu quả đƣợc
xác định [1]:
khq = km* MC (l/thời gian)

(1.5)

Trong đó:
MC - khối lƣợng nhiên liệu theo thể tích
km - khả năng phản ứng tính theo gam cốc
Pha II: khi nhiệt độ cháy của cốc tăng quá 7500C vận tốc phản ứng tăng tại
bề mặt giới hạn các pha tăng. Bên trong hạt cốc số lƣợng phân tử oxy giảm dần tạo

nên sự chênh lệch nồng độ giữa tâm và mặt ngoài. Mức độ nhanh chậm của quá
trình cháy phụ thuộc vào sự cung cấp oxy bằng khuếch tán trong lỗ. Hệ số vận tốc
phản ứng hiệu quả đƣợc xác định [1]:
khq = η km MC

(1.6)

Trong đó: η - hiệu suất sử dụng
Pha III: nhiệt độ trên 9000C oxy không thể thâm nhập vào bên trong các lỗ
đƣợc, quá trình cháy chỉ diễn ra trên mặt ngoài hạt nhiên liệu và nó đƣợc bao bởi
khí chuyển động nên trên bề mặt có màng khí. Vận tốc phản ứng lúc này phụ thuộc
vào sự khuếch tán của oxy qua màng biên. Nồng độ của khí phản ứng trong màng
biên có độ dày δ giảm, hệ số vận tốc hiệu quả [1]:
khq = Ftđ * D/δ

(1.7)

Trong đó:
Ftđ - bề mặt tƣơng đối của nhiên liệu quy về không gian phản ứng
D - hệ số khuếch tán

8


Thông qua giá trị của khq có thể biểu diễn phƣơng trình chuyển động của lớp nhiên
liệu đƣợc dòng khí tích cực chuyển động qua với vận tốc u [1]:
d(u cx) = - khq * cx dx, mol/s cm2

(1.8)

Trong đó:
cx - nồng độ nhiên liệu tại x

Hình 1. 4. Diễn biến phản ứng khi hạt cacbon cháy
Pha I: phản ứng hóa học quyết định vận tốc,
Pha II: khuếch tán trong lỗ quyết định vận tốc,
Pha III: khuếch tán qua lớp biên quyết định vận tốc,
1.2.2. Đặc điểm của sự cháy than
Khi than cháy xuất hiện nhiều quá trình thành phần mà khi đốt dầu hay khí
không có. Phản ứng cháy than là không đồng thể, cấu trúc của than thay đổi trong
quá trình phản ứng. Ban đầu than đƣợc sấy khô, sau đó một phần biến thành khí,
phần khác chuyển thành cốc. Đặc điểm cháy than bao gồm:
Sự thay đổi than khi nung, tách khí.
Sấy và vai trò của hơi nƣớc.
Cháy đồng thể và cháy không đồng thể.
Vai trò của tro.
 Sự thay đổi của than khi nung, tách khí

9


Khi nhiệt độ tăng từ 400 đến 5000C than mềm dần, chất khí thoát ra, đến
khoảng 9000C vẫn còn khí thoát và hình thành một chất rắn gọi là cốc. Lƣu lƣợng,
nhiệt độ hình thành và thành phần của khí thoát ra có ý nghĩa đối với quá trình cháy.
Thành phần hóa học của khí thoát ra thay đổi theo nhiệt độ và hàm lƣợng
chất bốc. Khi nung đến khoảng 5500C chất bốc bao gồm 40 ÷ 50% CH4, ngoài ra có
CO, H2, CO2, N2. Nhiệt trị thấp của hỗn hợp này khoảng 35000 kJ/m3 [1].
Độ rỗng của cốc đóng vai trò quan trọng đối với quá trình cháy, thƣờng nằm
trong khoảng 40 ÷ 55%, trong đó các lỗ bé hơn 6 m chiếm khoảng 4 ÷ 23% và lớn
hơn 6 m khoảng 27 ÷ 51% [1].

 Sấy và vai trò của hơi nước.
Ẩm có thể ở trên bề mặt cũng nhƣ trong lỗ than. Khi sấy than xuất hiện các
quá trình nhƣ khi sấy vật có lỗ nói chung. Hơi nƣớc đƣợc hình thành thêm do phản
ứng dƣới 2000C, giữa các thành phần chứa hydro và oxy có trong than. Hơi nƣớc ở
mức nào đó có lợi vì quá trình cháy CO diễn ra nhanh và dễ dàng hơn do có nhóm
OH. Ngoài ra hơi nƣớc tham gia vào quá trình cháy thông qua hai phản ứng khí
nƣớc.
 Cháy đồng thể và cháy không đồng thể
Quá trình cháy không đồng thể chỉ diễn ra với một phần nhỏ của nhiên liệu
lỏng nhƣng lại diễn ra với phần lớn nhiên liệu rắn. Quá trình cháy đồng thể đóng vai
trò quan trọng đốivới nhiên liệu rắn, đƣợc thể hiện theo hai cách sau:
Các chất bốc tách ra từ hạt than và cháy giống hơi hay giọt dầu trong ngọn
lửa bọc lấy hạt than hoặc trong môi trƣờng của hạt than. Vì nhiệt độ bắt lửa của các
chất chỉ khoảng 5000C nên chúng khởi đầu quá trình cháy của hạt than. Hàm lƣợng
chất bốc quyết định các tính chất bắt lửa của nhiên liệu rắn: cốc và antraxit có ít
chất bốc nên khó bắt lửa hơn so với than mỡ, than khí hoặc cả than nâu và gỗ. Các
phản ứng đồng thể thứ hai bắt nguồn từ các phản ứng không đồng thể.
Các phản ứng không đồng thể cạnh hạt các bon C:
2C + O2 = 2CO
C + O2 = 2CO
Phản ứng khử nƣớc:

10


C + H2O = CO + H2
Các phản ứng trên đều sinh ra khí CO và H2. Các khí này cháy đồng thể.
Hai quá trình này có thể chồng chéo nhau nếu sự thoát chất bốc và oxy hóa
diễn ra đồng thời.
1.3. Cân bằng nhiệt của lò và lƣợng tiêu hao nhiên liệu

Buồng lửa là không gian bị giới hạn trong đó xảy ra quá trình cháy và biến
đổi năng lƣợng. Cần tính cân bằng nhiệt của buồng lửa để xác định lƣợng nhiên liệu
đáp ứng đƣợc các yêu cầu công nghệ.
1.3.1. Các khoản nhiệt cấp vào lò


Nhiệt do cháy nhiên liệu [2]
Qc = B*Qtd, kJ/h

(1.9)

Trong đó:
B - lƣợng nhiên liệu đƣợc đốt cháy trong một giờ, m3/h hoặc kg/h.
Qtd - nhiệt trị thấp của nhiên liệu, kJ/kg hoặc kJ/m3.


Nhiệt vật lý do không khí được nung nóng trước [3]
QVLkk = B Ln f ikk, kJ/h

(1.10)

Trong đó:
Ln - lƣợng không khí thực tế để đốt cháy 1kg nhiên liệu rắn hoặc lỏng hoặc 1m3
nhiên liệu khí, m3/kg hoặc m3/m3.
f - tỷ lệ nung trƣớc không khí, nếu nung toàn bộ lƣợng không khí thì f = 1, nếu
không nung trƣớc không khí thì f = 0.
ikk - enthalpy của không khí ở nhiệt độ đƣợc nung, kJ/m3.


Nhiệt vật lý do nhiên liệu được nung nóng trước [3]

QVLnl = B inl, kJ/h

(1.11)

Trong đó:
inl - enthalpy của nhiên liệu ở nhiệt độ đƣợc nung, kJ/m3.
Vậy nhiệt cấp vào lò:

11


Qcấp = Qc + QVLkk + QVLnl, kJ/h

(1.12)

1.3.2. Các khoản nhiệt được chi của lò


Nhiệt để nung sản phẩm [3]
Q1 = G (icsp– idsp), kJ/h

(1.13)

Trong đó:
G - khối lƣợng sản phẩm cần nung, kg/h.
idsp, icsp - enthalpy của sản phẩm trƣớc và sau khi nung, kJ/kg.


Nhiệt để nung xỉ [3]
Q2 = Gx ix, kJ/h

(1.14)

Trong đó:
Gx - lƣợng xỉ tạo thành, kg/h.
ix - enthalpy của xỉ, kJ/kg.


Nhiệt tổn thất do cháy không hoàn toàn hóa học
Nếu đốt nhiên liệu không có ngọn lửa thì không có tổn thất nhiệt do cháy

không hoàn toàn hóa học. Khi đốt nhiên liệu theo phƣơng pháp có ngọn lửa thì sản
phẩm cháy ra khỏi lò chứa khoảng 1% CO, 0.5% H2 chƣa kịp cháy. Nhiệt trị của
hỗn hợp CO và H2 khoảng 12140 kJ/m3. Gọi p là phần lƣợng khí chƣa cháy (thƣờng
p = 0.005 ÷ 0.03 lƣợng sản phẩm cháy) [3]:
Q3 = p*B*Vα*12140 = B Vα(0.005 ÷ 0.03)*12140, kJ/h

(1.15)

Trong đó:
Vα - lƣợng sản phẩm cháy tạo thành khi đốt 1 đơn vị nhiên liệu, m3/m3 hoặc m3/kg.


Nhiệt tổn thất do cháy không hoàn toàn cơ học [3]
Q4 = k B Qtd, kJ/h

(1.16)

Trong đó: k - hệ số mất mát do cháy không hoàn toàn cơ học:



-

Với nhiên liệu rắn k = 0.03 ÷0.05

-

Với nhiên liệu khí k = 0.02 ÷ 0.03

-

Với nhiên liệu lỏng k = 0.01
Nhiệt tổn thất do sản phẩm cháy mang ra khỏi lò [3]
Q5 = ikh (BVα - ∑V0), kJ/h

(1.17)

Trong đó:

12


ikh - enthalpy của sản phẩm cháy ở nhiệt độ khí ra khỏi lò, kJ/m3
V0 - tổng lƣợng khí lò lọt qua các cửa mở, m3/h


Nhiệt tổn thất do dẫn nhiệt qua các thể xây lò [3]
Q6 = QT6 + QN6 + QĐ6, W

(1.18)

Trong đó:
Q6 - tổng lƣợng nhiệt tổn thất qua thể xây của lò, W
QT6, QN6, QĐ6 - lƣợng nhiệt tổn thất qua tƣờng, nóc, đáy lò, W
Lƣợng nhiệt tổn thất qua thể xây của lò đƣợc xác định theo công thức:
Q6 

tT  tkk


1  2
1
  ...  n 
1 2
n  kk

(1.19)

F, W

Trong đó:
tT - nhiệt độ mặt trong của thể xây, 0C
tkk - nhiệt độ không khí xung quanh lò, 0C
λ1, λ2,…, λn - hệ số dẫn nhiệt các lớp vật liệu, W/mK
δ1, δ2,…, δn - chiều dày các lớp vật liệu xây lò, m
F - diện tích mặt ngoài lò tiếp xúc với không khí, m2
αkk - hệ số truyền nhiệt đối lƣu từ mặt ngoài của lò ra môi trƣờng không khí, W/m2K
Lƣợng nhiệt tổn thất qua đáy lò có thể đƣợc tính theo công thức trên hoặc có
thể lấy gần đúng bằng (15 † 20)% lƣợng nhiệt tổn thất qua tƣờng lò.



Nhiệt tổn thất do bức xạ [3]
Q7  C0 (

TK 4
) * F *  * , W
100

Trong đó:
C0 - hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối, C0 = 5.7 W/m2K4
TK - nhiệt độ trung bình của lò, K
F - diện tích phần khe hở và cửa mở, m2
Ψ - hệ số thời gian mở cửa
Φ - hệ số màng ngăn
Vậy lƣợng nhiệt chi của lò:

13


Qchi = Q1 + Q2 + Q3 +Q4 + Q5 + Q6 + Q7
1.3.3. Lượng tiêu hao nhiên liệu


Lượng tiêu hao nhiên liệu
Dựa vào phƣơng trình cân bằng nhiệt có [3]:
Qcấp = Qchi

Do đó: Qc + QVLkk + QVLnl= Q1 + Q2 + Q3 +Q4 + Q5 + Q6 + Q7

(1.20)

Giải phƣơng trình (1.20) với ẩn B tìm đƣợc suất tiêu hao nhiên liệu, kg/h hoặc m3/h.


Suất tiêu hao nhiên liệu tiêu chuẩn
Các loại nhiên liệu khác nhau hoặc nhiên liệu cùng loại nhƣng nhiệt trị khác

nhau đƣợc đốt trong các lò, cấu trúc của các lò có thể khác nhau và công nghệ gia
công khác nhau. Do đó muốn đánh giá và so sánh chúng về mặt sử dụng nhiệt ngƣời
ta dùng chỉ tiêu kỹ thuật là suất tiêu hao nhiên liệu tiêu chuẩn b.
Suất tiêu hao nhiên liệu tiêu chuẩn là lƣợng nhiên liệu tiêu chuẩn cần thiết để
gia công một đơn vị khối lƣợng vật nung. Các nhiên liệu khác nhau đƣợc quy về
nhiên liệu tiêu chuẩn. Nhiên liệu tiêu chuẩn là nhiên liệu đƣợc quy ƣớc, nhiệt trị của
nó bằng 29300 kJ/kg. Vậy suất tiêu hao nhiên liệu tiêu chuẩn đƣợc xác định theo
công thức [2]:
b

B * Qtd
, kg nhiên liệu tiêu chuẩn /kg vật nung
29300G

14

(1.21)


Chƣơng 2. THỰC TRẠNG SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG TRONG MỘT SỐ LÒ
VÀ HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIỆT CÔNG NGHIỆP
2.1.

Tổng quan về tình hình năng lƣợng

2.1.1. Tình hình năng lượng thế giới
Các nguồn năng lƣợng đang đƣợc sử dụng bao gồm nhiên liệu hóa thạch (than
đá và dầu mỏ, khí thiên nhiên), nhiên liệu hạt nhân (Uranium) và các nguồn năng
lƣợng tái tạo nhƣ: năng lƣợng mặt trời, sinh khối, địa nhiệt …. Hiện nay nhiên liệu
hóa thạch chiếm khoảng 90% năng lƣợng sơ cấp, trong đó dầu mỏ chiếm 40%, than
chiếm 26% và khí thiên nhiên chiếm 24% [11].

Hình 2. 1. Biểu đồ nguồn năng lượng
2.1.2. Tình hình năng lượng Việt Nam
Than là nguồn nhiên liệu lớn nhất của nƣớc ta. Khai thác và sử dụng than ở
Việt Nam có lịch sử lâu đời, mức độ khai thác, sử dụng và xuất khẩu ngày càng
tăng. Xét về trữ lƣợng, tính đến 1/1/2005 tổng trữ lƣợng than đã tìm kiếm thăm dò
khoảng 6.14 tỷ tấn. Khả năng khai thác than, dựa trên cơ sở dự báo cho giai đoạn
2015 – 2030 trong quy hoạch phát triển ngành than đƣợc thể hiện ở bảng 2.1.
Bảng 2. 1. Tổng hợp khả năng khai thác than đến năm 2030 [12]
Năm

2015

2020

2025

2030

Sản lƣợng (triệu tấn)

55 - 58

60 - 65

66 – 70

Trên 75

Khả năng khai thác dầu thô từ năm 2015 – 2025 đƣợc thể hiện bảng 2.2.

15


Bảng 2. 2. Khai thác dầu thô đến năm 2025 [12]
Năm

2015

2020

2025

Sản lƣợng (triệu tấn)

17.0

16.3

16.2

Sự sụt giảm về khai thác dầu thô sẽ phải thay thế và bù đắp bằng các nguồn
năng lƣợng tiềm năng khác nhằm đáp ứng nhu cầu tăng trƣởng nền kinh tế. Đối với
khí đốt, khả năng khai thác sẽ tăng, giai đoạn 2011 – 2015 sẽ đạt mức từ 10.7 tỷ m3
lên 19 tỷ m3.
Về nhu cầu sử dụng năng lƣợng, giai đoạn 2010 – 2030 điện năng và tổng
sản phẩm dầu chiếm tỷ trọng lớn. Tỷ lệ tiêu thụ điện năng tăng từ 15.2% năm 2010
lên 32.1% năm 2030, tiêu thụ than giảm nhẹ từ 20.1% xuống còn 18.2%, sử dụng
khí đốt tăng từ 1% lên 1.6%, sản phẩm dầu tăng từ 33.7% lên 40.6%, đối với năng
lƣợng phi thƣơng mại giảm từ 28.9% xuống còn 7.5%.
Dự báo nhu cầu năng lƣợng của các ngành theo kịch bản tăng trƣởng kinh tế,
kết quả đƣợc thể hiện biểu đồ sau [12].

Hình 2. 2. Các lĩnh vực sử dụng năng lượng ở Việt Nam giai đoạn 2010 – 2030
Theo biểu đồ trên trong giai đoạn 2010 – 2030 nhu cầu lớn nhất thuộc ngành
công nghiệp, tiếp đến là giao thông vận tải, sau đó là dân dụng và dịch vụ thƣơng
mại.
2.2.

Sử dụng năng lƣợng trong các lò và hệ thống cấp nhiệt công nghiệp

2.2.1. Đặc điểm kết cấu các lò công nghiệp và hệ thống cấp nhiệt công nghiệp
Trong công nghiệp có rất nhiều loại lò đƣợc sử dụng để tiến hành các chế độ
gia nhiệt khác nhau, các vật nung rất đa dạng về hình dáng kích thƣớc và thành
phần vật liệu.

16


Các lò nung công nghiệp theo nhiệm vụ chia làm hai loại lò nung trƣớc khi
gia công áp lực và lò nung nhiệt luyện, theo đặc điểm vận hành chia lò thành lò làm

việc liên tục và lò làm việc theo chu kỳ, theo kết cấu đƣợc chia thành lò buồng, lò
tuynel, lò quay …
2.2.2. Các yêu cầu cơ bản về lò công nghiệp
-

Nung chất lƣợng kim loại là đảm bảo tiêu hao nhiệt riêng thấp nhất, thực
hiện chính xác chế độ công nghệ đã chọn, oxy hóa và thoát cacbon ít nhất.

-

Kết cấu đơn giản và thông dụng (có thể nung các phôi có hình dạng, khối
lƣợng, kích thƣớc khác nhau).

-

Làm việc tin cậy khi nhiệt trị của nhiên liệu dao động và khi thay đổi nhiên
liệu.

-

Tin cậy khi hoạt động, tiện lợi khi vận hành và sửa chữa.

-

Đảm bảo các tiêu chuẩn bảo vệ môi trƣờng và an toàn lao động.
Hiện nay đang diễn ra quá trình hiện đại hóa các lò công nghiệp do tồn tại

một lƣợng lớn các lò làm việc kém hiệu quả. Các nguyên nhân cơ bản của hoạt
động kém hiệu quả có thể đƣợc đánh giá nhƣ sau:
-

Thời gian chờ nóng kéo dài, có thể đạt đến 30% toàn bộ thời gian làm việc
của lò.

-

Tỷ lệ nhiên liệu cháy không hết hóa học cao 10 ÷ 20%, do thiết bị đốt không
hoàn thiện, không thực hiện hoặc thiếu việc điều khiển tự động tỷ lệ nhiên
liệu và không khí.

-

Tổn thất nhiệt lớn qua tƣờng, lỗ hở, không khí lạnh thâm nhập vào không
gian làm việc của lò qua cửa mở hay không đóng kín.

-

Không thu hồi nhiệt khói thải.

-

Kết cấu lò và chế độ làm việc lò không tƣơng xứng với đặc điểm sản xuất.
Đối với dây chuyền sản xuất liên tục cần phải sử dụng các lò hoạt động liên

tục, với sản xuất từng mẻ và đơn chiếc cần phải sử dụng lò hoạt động theo chu kỳ.
Kết cấu hiện đại các lò cần phải thỏa mãn các yêu cầu tăng cƣờng trao đổi
nhiệt trong không gian làm việc và tiêu hao nhiên liệu riêng thấp nhất. Phƣơng tiện
hữu hiệu để tăng cƣờng độ và sự đồng đều nung vật liệu, giảm thời gian nung và

17

giữ nhiệt là tái tuần hoàn khí lò. Khi đó diễn ra sự xáo trộn mạnh khí nóng với khí
nguội, loại bỏ đƣợc các vùng lạnh tù đọng, tăng vận tốc chuyển động của khí cạnh
các bề mặt nung, sự trao đổi nhiệt bức xạ và đối lƣu tới vật nung đƣợc tăng cƣờng.
Trong các lò tái tuần hoàn để nung đều mẻ nung vật nung đƣợc xếp thành
nhiều hàng theo chiều rộng và chiều cao của lò, cần đảm bảo sự thâm nhập khí vào
bên trong mẻ và tạo ra sự chuyển động, nhƣ vậy ở trong các khoảng trống giữa các
chồng và tƣờng lò sao cho toàn bộ sự trao đổi nhiệt từ khí và tƣờng tới mặt ngoài
của mẻ không vƣợt quá sự trao đổi nhiệt từ khí đến bề mặt các chi tiết ở bên trong
mẻ. Việc tuân thủ điều kiện này phụ thuộc vào tỷ lệ các lƣợng khí chuyển động vào
bên trong và bên ngoài mẻ, nghĩa là phụ thuộc vào kết cấu không gian làm việc, kết
cấu và phân bổ các thiết bị đốt, các yếu tố chế độ khác quyết định chiều chuyển
động và mức độ tái tuần hoàn khí nóng.
Phƣơng pháp hữu hiệu khác để làm giảm thời gian nung và nâng cao chất
lƣợng vật nung là sử dụng phƣơng pháp đốt khí trong lớp tƣơng đối “mỏng” cạnh
nóc lò hoặc cạnh tƣờng bên. Tƣờng lò đƣợc nung đến nhiệt độ cao 1500 ÷ 1800K
bức xạ mạnh lên bề mặt vật nung đảm bảo nung nhanh và đều. Phƣơng pháp này
đặc biệt hiệu quả khi gia nhiệt các chi tiết mỏng.
Phƣơng pháp quan trọng tiết kiệm nhiên liệu lò là lắp đặt các thiết bị trao đổi
nhiệt tận dụng nhiệt khói thải. Hiện nay phần lớn các lò trong công nghiệp không có
thiết bị trao đổi nhiệt. Việc lắp đặt thiết bị này cho phép tiết kiệm nhiên liệu từ 10
đến 25 % [10].
Lƣợng nhiên liệu đáng kể có thể đƣợc tiết kiệm bằng cách tự động hóa và tối
ƣu hóa chế độ nhiệt của lò và giảm tổn thất nhiệt qua tƣờng. Việc nung hai giai
đoạn các phôi lớn cho phép giảm thời nung từ 2 đến 3 lần, giảm đáng kể tiêu hao
nhiên liệu riêng và tổn thất kim loại theo oxit. Việc giảm các thao tác vào liệu và ra
liệu giảm tổn thất tiêu hao nhiệt để nung lò trong các khoảng thời gian giữa hai chu
kỳ hoạt động và nhƣ vậy tiết kiệm đƣợc nhiên liệu. Việc tự động hóa chế độ nhiệt
và nhiệt độ với việc duy trì tự động hệ số không khí định trƣớc cho phép tiết kiệm

10 ÷ 20 % nhiên liệu [10].

18