chương 3 nghiên cứu ứng dụng công nghệ khí hóa than trong thiết bị sấy công nghiệp

Chương 3-Tính toán thiết bị trong công nghệ khí hóa than

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ KHÍ
HÓA THAN
3.1 Giới thiệu
Trong các hệ thống khí hóa than thì hệ thống khí hóa than tầng cố định kiểu
ngược chiều là đơn giản, dễ thao tác vận hành, điều khiển tối ưu và chi phí ban đầu thấp.
Hệ thống làm việc với nguyên lý ngược chiều.

19

20

8
13

4

7
9

16
1
17
15
14

6

2
5

3
12

10

11
18

Hình 3.1 : Sơ đồ nguyên lý hệ thống khí hóa than tầng cố định kiểu ngược chiều
1. Thân lò hóa khí; 2. Áo nước; 3. Van thủy lực; 4. Phểu chứa than; 5. Ống dẫn không
khí từ bộ sấy tới lò hóa khí; 6. Mũ gió; 7. Xyclôn nóng; 8. Ống dẫn khí; 9. Bộ sấy không
khí; 10. Quạt hút; 11. Thùng chứa bụi; 12. Đường ống dẫn hơi từ bao hơi tới lò hóa khí;
- 52 -


Chương 3-Tính toán thiết bị trong công nghệ khí hóa than

13. Bao hơi; 14. Đường ống dẫn nước từ bao hơi xuống áo nước; 15. Đường ống dẫn hơi
từ áo nuớc lên bao hơi; 16. Các ống để đo nhiệt độ; 17. Ống mồi lửa; 18. Quạt cấp gió
vào bộ sấy; 19. Cơ cấu cấp than vào lò; 20. Hệ thống gàu tải.
* Nguyên lý hệ thống :
Than được cấp vào lò khí hóa nhờ hệ thống gàu tải (20) và cơ cấu cấp than (19).
Than sau khi vào lò khí hóa thực hiện các phản ứng hóa học với chất khí hóa đi từ dưới
lên để tạo thành khí than và tỏa ra một nhiệt lượng rất cao, đặc biệt tại zôn khí hóa. Tại
zôn khí hóa có thiết bị áo nước (2) nhằm mục đích giảm nhiệt độ vùng khí hóa đồng thời
sản xuất ra lượng hơi nước cần thiết cung cấp cho quá trình. Hơi nước sinh ra được chứa
tại bao hơi (13). Khí than sau khi ra khỏi lò đi qua xclôn để lọc bụi (7) rồi đi qua bô sấy
không khí (9) trao đổi nhiệt với không khí rồi đi tới nơi tiêu thụ nhờ quạt hút (10).
Không khí bên ngoài được cấp vào bộ sấy không khí nhờ quạt (18) nhận nhiệt của khí

than lên đến một nhiệt độ theo yêu cầu rồi hòa trộn với hơi nước từ bao hơi thành chất
khí hóa đi vào lò khí hóa để thực hiện các phản ứng hóa học với than.
3.2 Tính toán các bộ phận của lò khí hoá
3.2.1 Các thông số đặc trưng
Ký hiệu

Kích cỡ

Nhiệt trị

HG

35÷50

7642

Cục 3

mm

kcal/kg

Thành phần than
K.hiệu Clv
% KL

Hlv

Slv

Olv

80 5.54 0.58

6

Nlv Wlv
1

3

Alv
3.88

Bảng 3.1 : Đặc tính than dùng khí hóa [13]
Thành phần khí

CO

H2

CH4

N2

CO2

Nhiệt trị (kJ/m3)

%V

28

12

0,5

54,5

5

5024

Bảng 3.2 : Thành phần khí than [13]
TT

Đại lượng

Giá trị

Thứ nguyên

1

Công suất tính

350000

kcal/h

2

Hiệu quả chuyển hóa năng lượng

65

%

- 53 -


Chương 3-Tính toán thiết bị trong công nghệ khí hóa than

3

Chất phụ gia hơi nước (gh)

0,5

kg/kgnl

4

Hiệu quả chuyển hóa cácbon

95

%

5

Hệ số không khí thừa (α)

0,2÷0,3

-

6

Cường độ khí hóa (b)

200÷350

kg/m2.h

Bảng 3.3 : Các thông số cơ bản của hệ thống hóa khí [10]
3.2.2 Tính toán thông số thân lò
* Về mặt tổng quát, quá trình hóa khí than vẫn phải thỏa mãn được các phương trình
cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng
Q5 = k..f. ∆ t {tổn thất nhiệt ra môi trường}
Qthan = Qt
Qkk = ρ k .Vk.Ik
Qhn = Gh (Ih-2500)

Qk.than = (ρk .than .Vk.t.tk.t.Ck.t+ Vk.t.Qt.kt)

Lò khí
hoá.

Qxỉ

= A/100.tx.Cx
Qcac bon dư = 0.05.C/100.Qcacbon

Hình 3.2 : Sơ đồ biểu diễn sự cân bằng.
- Phương trình cân bằng vật chất :
1 + Vkk. ρ kk+ Gh = Vk.than + A/100 + 0.05.C/100 [kg/kg than]

(3.1)

- Phương trình cân bằng năng lượng
Qv = Qra + Q5 [kw]
=>

[Qt+ρkk.Vkk.Ikk+Gh(Ih-2500)]=[ρk.than.Vk.t.tk.t.Ck.t+Vk.t.Qt.kt+A/100.tx.Cx+

0.05.C/100.Qcacbon] + k.f. ∆t [kw]

(3.2)

Tính toán các thông số :
TT

Đại lượng

Công thức

Kết quả

Đơn vị

1

Chiều cao lò,H

Ht + Htrống + Hvòmlò

3500

mm

2

Đường kính trong lò dl

800

mm

4 .B
π .b

- 54 -


Chương 3-Tính toán thiết bị trong công nghệ khí hóa than

3

Đường kính ngoài lò d2

d1 + 2 δ

820

mm

Bảng 3.5 : Thông số kết cấu lò
* Với δ = 10 [mm] : chiều dày vật liệu chế tạo lò (Thép K)
TT

Đại lượng
Suất tiêu

1

hao nhiên

Công thức
Q

yc

Kết quả

Đơn vị

TL

.100

η .Qtlv

70

Kg/h

10

gh.B

35

Kg/h

10

596,4

m3/h

10

161

m3/h

10

2,2

m

Chọn

0,09

m/s

10

liệu B
2

3

Lượng hơi
nước, Gh
KK lý
thuyết V o

4
5

KK Vkkα
Chiều cao
lớp liệu, Ht
Tốc độ gió

7

khí trong lò
rỗng, ω

8

B.[0,0889(Clv+0.375S lv) +0,265Hlv0,0333Olv]
α × V0kk

Hxỉ + Hkhíhóa + Hchuẩn bị

Vkkα
3,14.rlò2 .3600

Nhiệt độ

450

o

C

10

m3/h

10

khí ,tkt
9

Thể tích khí
ra

B.[1 + Vkk. ρkk + Gh- A/100 -

228,2

0.05.C/100]

Bảng 3.4 : Kết quả tính toán buồng hóa khí công suất 350000 kcal/h

- 55 -


Chương 3-Tính toán thiết bị trong công nghệ khí hóa than

3.2.3 Tính toán áo nước
a) Mục đích
Với các thông số về kích thước và nhiệt của lò hóa khí đã biết chúng ta tiến hành
tính toán nhiệt cho phần áo nước của lò hóa khí để kiểm tra xem lượng nhiệt mà áo nước
nhận được có đủ để sản xuất ra được lượng hơi nước cần dùng cho việc hóa khí hay
không và để tính chọn các thông số kích thước của phần áo nước.
b) Thiết kế áo nước
* Các thông số của lò khí hóa và áo nước :
+ Đường kính trong của ống hoá khí: d1 = 800 [mm]
+ Đường kính ngoài của ống hóa khí: d2 = 820 [mm]
+ Lượng nhiên liệu tiêu thụ trong 1 giờ: B = 70 [kg/h]
+ Nhiệt độ trung bình của lớp than phần áo nước là: t = 1000 [0C]
+ Áp suất hơi bảo hòa là: p= 7 [Pa]
+ Sản lượng hơi cần sản xuất: gh = 0,5 [kghơi/kgnl]

+ Lượng không khí cần dùng để khí hóa 1kg than là: Vkk = 2,3 [m3/kgnl]
* Phương trình cân bằng nhiệt
Phương trình cân bằng nhiệt tổng cho vùng áo nước có dạng:
Qdv = Q1 + Qmt + Qxỉ + Qk

(3.3)

+ Trong đó: Q1: Nhiệt lượng cấp cho nước sinh hơi.
Qmt: Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường bên ngoài.
Qxỉ: Nhiệt lượng tổn thất do xỉ mang ra ngoài.
Qk: Nhiệt lượng do khí mang vào vùng than phía trên.
Qdv: Là nhiệt lượng đưa vào cho lò hóa khí
Với : Qdv = Qnl + Qhn + Qkk

(3.4)

+ Qnl: Là nhiệt lượng do than mang vào.
Qnl = Qt lv = 7642 [kcal/kgnl]
+ Qhn: Là nhiệt lượng do hơi nước mang vào lò khí hóa
Qh = gh.ih
- gh: Lượng hơi nước cần dùng để hóa khí một kilôgam than gh = 0,5 [kg/kgnl]
- 56 -


Chương 3-Tính toán thiết bị trong công nghệ khí hóa than
- ih: Entapi của hơi. Với hơi nước ở p = 7at (thn = 1650C) tra bảng 3 [8]
ta có : ih = 2763 [kJ/kg]
=> Qhn = 0,5 .2763 = 1381,5 [kJ/kgnl]
+ Qkk : Nhiệt lượng do không khí mang vào lò hóa khí.
Qkk = Gkk [(Cp2t2)kkn - (Cp1t1)kkl] [kJ/kg]

(3.5)

+ Gkk: khối lượng không khí cần để hóa khí cho 1kg than
Gkk = ρ kk .Vkk

(3.6)

Với: ρkk là khối lượng riêng của không khí. Ta có nhiệt độ trung bình của không khí
ttb = 1650C tra bảng ta có ρkk = 0,86 kg/m3
Vkk là thể tích không khí cần để hóa khí 1kg nhiên liệu
=>

Gkk = 0,86.2,3 = 2 [kg/kgnl]

-

Cp2 nhiệt dung riêng của không khí nóng ở nhiệt độ t2 = 3000C, Cp2 = 1,047

[kJ/kgđộ]
-

Cp1 nhiệt dung riêng của không khí lạnh ở nhiệt độ t1 = 300C, Cp1 = 1,005

[kJ/kgđộ]
=>

Qkk = 2[(1,047.300) - (1,005.30)] = 567,9[kJ/kg]

Như vậy nhiệt lượng cấp cho lò hóa khí sẽ là :

Qdv = 7642.4,18 + 1381,5 + 567,9 = 35389,4 [kJ/kgnl]
* Tính lượng nhiệt vùng khí hóa truyền cho nước
Để tính được lượng nhiệt này thì ta phải tính được hệ số cấp nhiệt αk từ khí lò
tới vách thiết bị khí hóa và hệ số cấp nhiệt αv từ vách ra cho nước. Ta tính đại lượng này
theo điều kiện trao đổi nhiệt tại hai mặt biên của vách, dựa vào các công thức thực
nghiệm tính α tại hai mặt vách, sao cho thỏa mãn điệu kiện cân bằng nhiệt khi ổn định
qαk=qαv=q. Phép tính αk , αv và q với sai số εq<εchọn trước (ε < εchọn trước => ε <5%) có thể
thực hiện theo trình tự sau:
+ Chọn nhiệt độ vách phía khí tw1 = 1800C.
Nhiệt độ trung bình của vùng khí hóa là t1 = 10000C. Ứng với nhiệt độ này và
coi khí trong vùng này có thành phần tương tự như khói lò thì tra bảng 25 [8] ta sẽ có:
ρ = 0,275kg/m3; Cp= 1,036 kJ/kgđộ; λ = 10,9.10-2w/m.độ; ν = 174,3.10-6m2/s;
- 57 -


Chương 3-Tính toán thiết bị trong công nghệ khí hóa than

Suy ra chuẩn số Râynon của khí lò là: Re=

ω.d
ν

Với: ω là tốc độ khí trong lò ω = 2m/s; d = 0,8 m : là đường kính trong của thiết bị khí
hóa, ν độ nhớt động học của khí lò.
=> Re =

2.0,8
= 9,2.103
174,3.10 −6

Do 2300 < Re < 104 nên khí chuyển động quá độ trong ống nên hệ số Nusselt
được tính theo công thức:
Nu = 0,008.Re0,8.Pr0,43
Hay

(3.7)

3 0,8

0,43

Nu = 0,008.(9,2.10 ) (0,58)

= 9,384.

Do khí lò có nhiệt độ rất cao nên sự trao đổi nhiệt giữa khói và vách gồm có cả đối lưu
và bức xạ, ngoài ra nó còn có thêm sự trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt từ các hạt than với
vách. Nên ta có thể tính hệ số cấp nhiệt αk theo công thức ([7]) :
αk =

Trong đó:

λ .Nu
d

+ ε k .δ 0

Tk4 − Tw4
Tk − Tw

⎡ w ⎤
⎢⎣ m 2 k ⎥⎦

(3.8)

λ : là hệ số dẩn nhiệt của khí
d: là đường kính trong của thiết bị [m]
εk : là độ đen của khí. εk = 0,125
δ0 : hằng số bức xạ của vật đen tuyệt đối δ0 = 5,67.10-8 [w/m2 k4]
Tk : là nhiệt độ của khí lò : Tk = 1273 K.
Tw : là nhiệt độ của vách : Tw = 453 K.

Như vậy ta có nhiệt lượng mà khí truyền cho vách thiết bị sẽ là:
qαk = αk (t1 - tw1) = 23,53(1000 - 180) =19294,6 w/m
* Tính nhiệt độ vách phía nước :
Khi cân bằng nhiệt thì ta có qαk = qαv :
qαk =

t w1 − t w2
[w/m]
1
d2
ln
2π .λv d1

(3.9)

Trong đó:
tw2: là nhiệt độ vách phía nước [0C]
- 58 -

Chương 3-Tính toán thiết bị trong công nghệ khí hóa than

λv : là hệ số dẫn nhiệt của vách [w/m.k]
d1, d2 là đường kính trong và ngoài của vách lò khí hóa [m]
Từ đó ta có nhiệt độ của vách phía nước sẽ là:
t w 2 = t w1 − qak

820
d
1
1
= 178,50C.
ln
ln 2 = 180 − 19294,6
2.3,14.43 800
2π .λv d1

+ Nhiệt độ trung bình của vách và nước là:
tm =

178,5 + 165
= 171,80C.
2

Tra bảng 6 [8] thông số vật lý của nước trên đường bão hòa ta có:
β = 0,0013 : là hệ số nở nhiệt ; ν = 0,181.10-6m2/s ; Pr =1,05 ; λ = 0,68 w/m.k
+ Chuẩn số Gratkov (đặc trưng cho cường độ đối lưu tự nhiên)
Gr =

Trong đó:

g.β .l 3 .∆t

ν2

(3.10)
2

g: là gia tốc trọng trường g =9,8m/s ;
l= d2 : là kích thước hình học chủ yếu [m]
∆t : là hiệu số nhiệt độ giữa bề mặt vách và nước, 0C.

Gr =

9.8.0,00113.0,82 3 (178,5 − 165)
= 2,25.1012
−6 2
(0,181.10 )

Gr.Pr=2,25.1012.1,05=2,36.1012
+ Hệ số Nuyxen của nước:
Nun = C(Gr.Pr)n
Do

Gr.Pr = (2.107÷1013). Nên theo bảng trong mục 8.1 [8], ta có:

C = 0,135; n = 1/3
=>

Nun = 0,135(2,36.1012)1/3 = 1634,573

+ Hệ số toả nhiệt từ vách cho nước :
αν =

λ.Nun
d2

=

0,68.1634,537
=1389,356 [w/m2k]
0,82

+ Nhiệt lượng mà vách cấp cho nước là:
qv = αv(tw2 − tf 2) = 1389,356(178,5 - 165) = 18756,31 [w/m]
+ Tính sai số εq :
- 59 -


Chương 3-Tính toán thiết bị trong công nghệ khí hóa than

εq = 1−

qα 2
18756,4
= 1−
= 0,028 hay εq ≈ 2,8% < ε = 5%
qα 1

19294,6

Người ta thường chọn sai số cho trước ε = 5%. Khi đó nhiệt lượng mà lò khí hóa cấp
cho nước là:
q=

1
1
(qα 1 + qα 2 ) = (19294,6 + 18756,4) = 19025,46 w/m.
2
2

Khi ta lấy chiều cao áo nước là l =1,2m thì ta có tổng lượng nhiệt nước nhận được là:
Q = q.l = 19025,45.1,2 = 22830,54 w
Từ đây ta sẽ xác định được lượng hơi sinh ra trong một giờ sẽ là:
G=

Q 22830,54.3600
=
= 39,8 [kg/h]
r
2066.103

Lượng hơi cần dùng để khí hóa 1kg than là 0,5kg/kgnl. Và công suất của lò hóa khí là
70kgnl/h, nên lượng hơi cần dùng trong một giờ sẽ là:
Gh = 0,5.70 = 35 kg/h
Như vây với diện tích trao đổi nhiệt của áo nước đã chọn:
F = 2 π .R.l = 2.3,14.0,41.1,2 = 3,1 [m2]
Thì sẽ đáp ứng được lượng hơi yêu cầu của việc hóa khí của chúng ta.
* Tính toán các thông số của áo nước :

Ta chọn chiều cao áo nước là l = 1,2m, chiều cao này ta lấy bằng chiều cao của vùng khí
hóa, vùng có nhiệt độ cao nhất của lò khí hóa. Và lượng hơi cần sinh ra trong một giờ là
G = 39,8 kg/h. Thì khi đó ta có thể tích áo nước sẽ là:
l.π ( R22 − R12 ) = Vhn =

G

ρ hn

=

39,8
= 0,0398 [m3/h]
1000

Với :
R1= 410 mm :bán kính ngoài của thiết bị hóa khí
R2 : Bán kính trong của áo nước
R2 = R12 +

0,0398
0,0398
= 0,412 +
= 0,422 m => chọn R2= 430mm
πl
3,14.1,2

Bán kính ngoài của áo nước (R3) :
R3 = R2 + δ = 430 + 10 = 440 mm
- 60 -

(3.11)


Chương 3-Tính toán thiết bị trong công nghệ khí hóa than

3.2.4 Tính cách nhiệt
3.2.4.1 Mục đích
Đảm bảo nhiệt độ bề mặt ngoài của thiết bị không quá cao, ảnh hưởng tới điều
kiện an toàn của người vận hành và giảm bớt nhiệt lượng ra môi trường xung quanh, cải
thiện điều kiện làm việc và giảm tổn thất nhiệt.
3.2.4.2 Cơ sở tính toán cách nhiệt
Trong kỹ thuật, để giảm mật độ dòng nhiệt hay như chúng ta thường nói là giảm
tổn thất nhiệt thì chúng ta phải tăng nhiệt trở toàn phần lên. Để tăng nhiệt trở toàn phần,
chúng ta có thể tăng nhiệt trở từng phân như nhiệt trở tỏa nhiệt, nhiệt trở dẫn nhiệt.
Thông thường, tăng nhiêt trở dẫn nhiệt là cách thích hợp nhất. Để tăng nhiệt trở dẫn
nhiệt, tức là để cách nhiệt, ta thêm vào các lớp có hệ số dẫn nhiệt bé. Các loại vật liệu có
λ <0,2w/m.k thường được dùng làm vật liệu cách nhiệt như stirofo, amiăng, bông thủy
tinh, bông xỉ, mùn cưa, trấu .... Các vật liệu cách nhiệt cũng cần đảm bảo một số yêu cầu
kỹ thuật nhất định như chịu nhiệt độ cao, chịu ẩm, đảm bảo các yêu cầu vệ sinh công
nghiệp ... Khi bọc cách nhiệt, chúng ta cũng cần lưu ý một điều: đối với với vách phẳng
khi tăng chiều dày cách nhiệt thì nhiệt trở toàn phần sẽ tăng nhưng đối với vách trụ, khi
tăng chiều dày lớp cách nhiệt thì có thể làm nhiệt trở toàn phần giảm mặc dù nhiệt trở
dẫn nhiệt tăng. Thực vậy, nếu ta bọc một lớp cách nhiệt có hệ số dẩn nhiệt λcn ngoài một
ống có đường kính d2, đường kính ngoài của ống có bọc cách nhiệt sẽ là dcn. Khi đó
nhiệt trở dẫn nhiệt

1
2.πλcn

ln

d cn
1
tăng nhưng nhiệt trở tỏa nhiệt của bề mặt ngoài
α 2 .π .d cn
d2

sẽ giảm. Vì vậy, nhiệt trở toàn phần có thể giảm. Do đó cần phải xét mối quan hệ giữa
nhiệt trở toàn phần và đường kính cách nhiệt dcn. Nhiệt trở toàn phần có thể viết:
R=

d
1
1
ln cn +
2.π .λcn d 2 α 2 .π .d cn

(3.12)

Lấy đạo hàm nhiệt trở toàn phần theo dcn, và rút ra được điều kiện để có nhiệt trở
R nhỏ nhất khi:
1
2.π .λcn .d cn

−

1
=0
α 2 .π .d cn2

- 61 -


Chương 3-Tính toán thiết bị trong công nghệ khí hóa than

Đường kính ứng với R nhỏ nhất gọi là đường kính cách nhiệt tới hạn và được tính
theo công thức [7]
d th =

2.λcn

α2

(3.13)

Ứng với dth thì nhiệt trở toàn phần R nhỏ nhất và tổn thất nhiệt q sẽ lớn nhất.
Vậy muốn bọc cách nhiệt cho đường ống ta phải lưu ý tới điều kiện trên, tức là dcn > dth.
Với bài toán của chúng ta thì khi chọn vật liệu cách nhiệt là bông thủy tinh có hệ
số dẫn nhiệt λcn = 0,063w/m.k . Thiết bị hóa khí đặt trong nhà xưởng, ta sẽ có ([8]):
α2 = 9,3 + 0,058.tw3
Với tw3 là nhiệt độ ở bề mặt lớp cách nhiệt, chọn bằng 500C
α2= 9,3 + 0,058.50 = 12,2 [w/m2.k]
=>

d th =

2.0,036
= 0,0103 m
12,2

Như vậy, đường kính tới hạn sẽ là:
+ Với phần chuyển bị nhiên liệu: dth = d2 + dth = 820 + 10,3 = 830,3mm.
+ Với phần áo nước : dth = dn + dth = 880 + 10,3 = 890,3mm.
Ở đây với lò khí hoá ta tính cách nhiệt cho hai phần của lò đó là, phần áo nước và
phần không có áo nước (phần chuẩn bị nhiên liệu).
Khi bọc cách nhiệt, chúng ta phải tính toán chiều dày cách nhiệt cho hợp lý để
vừa đảm bảo giảm tổn thất nhiệt, nghĩa là tiết kiệm được năng lượng nhưng lại vừa đảm
bảo được vốn đầu tư xây dựng là ít nhất. Vì tổn thất nhiệt của các thiết bị hình trụ có bọc
cách nhiệt sẽ không giảm tỷ lệ thuận với bề dày của lớp cách nhiệt bởi vì khi tăng bề
dày lớp cách nhiệt thì nhiệt trở cách nhiệt sẽ tăng :
Rλ =

d
1
ln cn [6, tr 186]
2.π .λcn d 2

(3.14)

còn nhiệt trở cấp nhiệt vào môi trường sẽ giảm:
Rα =

1
[6, tr 186]
α .π .d cn

(3.15)

Trong đó:
- 62 -

Chương 3-Tính toán thiết bị trong công nghệ khí hóa than

d2: là dường kính ngoài của thiết bị;
dcn đường kính ngoài lớp cách nhệt;
α : là hệ số cấp nhiệt từ bề mặt lớp cách nhiệt ra môi trường.
Do đó ta phải chọn chiều dày lớp cách nhiệt trước, từ chiều dày cách nhiệt ta tính
được nhiệt độ bề mặt của lớp cách nhiệt theo phương trình cân bằng nhiệt. Nếu nhiệt độ
này nằm trong khoảng 40÷550C là được, rồi so sánh với đường kính tới hạn dth. Vì ở
nhiệt độ này sẽ không gây bỏng cho người vận hành, và vì khi nhiệt độ bề mặt lớp cách
nhiệt mà giảm xuống thấp hơn thì chiều dày lớp cách nhiệt tăng lên mà tổn thất nhiệt sẽ
không giảm tỉ lệ thuận với chiều dày này nên sẽ tốn kém về kinh tế.
3.2.4.3 Tính cách nhiệt vùng chuyển bị nhiên liệu (vùng không có áo nước)
- Chọn chiều dày lớp cách nhiệt

σ2 = 45mm

- Đường kính bọc cách nhiệt

dc2= 910mm

- Đường kính ngoài của thiết bị chưa kể lớp cách nhiệt d2 = 820mm
- Vật liệu bọc cách nhiệt là bông thủy tinh có hệ số dẫn nhiệt
λc = 0,0372 w/m. độ
+ Nhiệt trở của lớp cách nhiệt Rc2:
Rc 2 =

d
1

1
910
ln c 2 =
ln
= 0,45 [m.độ/w]
2.π .λc
d 2 2.3,14.0,0372 820

+ Nhiệt trở cấp nhiệt ra môi trường: Rα2
Rα2=

1

π .d c 2 .α 2

(3.16)

Trong đó:
dc2 : Đường kính lớp cách nhiệt, m.
ω : Tốc độ không khí chuyển động bên ngoài,m/s. Chọn ω = 2m/s
Rα2=

1
= 0,0029 [m.độ/w]
3,14.0,91.12,2

Ta có phương trình cân bằng nhiệt cho lớp vật liệu cách nhiệt là:
q1=

t1 − tc 2 tc 2 − t0

=
Rc
Rα 2

(3.17)
- 63 -


Chương 3-Tính toán thiết bị trong công nghệ khí hóa than

Trong đó:
t1: nhiệt độ bề mặt của ống kim loại, 0C.
tc2: nhiệt độ tại bề mặt lớp cách nhiệt, 0C.
t0: nhiệt độ không khí ngoài trời, 0C.

tc2

t
t1
440
25
+ 0
+
R
Rα 2
0,45 0,029
= 50,13 [0C]
= c2
=
1

1
1
1
+
+
Rc 2 Rα 2
0,45 0,029

Nhiệt độ này nằm trong khoảng nhiệt độ 40÷550C, như vậy ta lấy chiều dày cách nhiệt
cho vùng chuyển bị nhiên liệu là σ2 = 45mm. Khi đó đường kính cách nhiệt thỏa mản dcn
>dth.
3.2.4.4 Tính cách nhiệt phần áo nước
- Nhiệt độ nước sôi trong áo nước là t = 1650C.
- Chọn chiều dày bọc cách nhiệt σ1 = 45mm.
- Đường kính ngoài của áo nước chưa kể lớp cách nhiệt là dn = 880 mm
- Nhiệt độ bề mặt ngoài của áo nước t1: Coi nhiệt độ ở bề mặt ngoài áo nước bằng nhiệt
độ nước trong bao nước thì t1 = 1650C.
- Vật liệu cách nhiệt là bông thủy tinh, có hệ số dẫn nhiệt:
λc =0,0372w/m.độ
+ Nhiệt trở lớp cách nhiệt.
Rc1 =

d
970
1
1
= 0,42 [m.độ/w]
ln
ln c1 =
2.π .λ c d n 2.3,14.0,0372 880

+ Nhiệt trở cấp nhiệt ra môi trường ngoài:
Rα 1 =

1

π .d c1 .α 2

=

1
= 0,027 [m.độ/w]
3,14.0,97.12,2

Ta có nhiệt độ bề mặt lớp cách nhiệt tc1:
t
t1
165
30
+ 0
+
Rc1 Rα 1
0,4168 0,027
= 41,37 [0C]
=
t c1 =
1
1
1
1

+
+
Rc1 Rα 1
0,4168 0,027

- 64 -


Chương 3-Tính toán thiết bị trong công nghệ khí hóa than
Nhiệt độ này nằm trong khoảng nhiệt độ 40÷550C, như vậy ta lấy chiều dày cách
nhiệt cho vùng chuyển bị nhiên liệu là σ1 = 45mm. Khi đó đường kính cách nhiệt thỏa
mãn dcn >dth.
3.2.5 Tính trở lực của lớp than trong lò khí hóa
3.2.5.1 Mục đích
Khi cho dòng không khí, hơi hay chất lỏng đi từ giới lên qua lớp vật liệu hạt đổ
lộn xộn thì xảy ra các hiện tượng sau:
- Khi tốc độ dòng còn bé lớp hạt không chuyển động. Hiện tượng này giống như hiện
tượng lọc khí hay lỏng qua lớp bả (vách ngăn). Các đặc trưng của lớp (khối lượng
riêng, độ xốp) không thay đổi theo tốc độ khí (hơi hay lỏng).
- Khi tốc độ dòng lớn hơn tốc độ tới hạn nào đó ωth thì hạt rắn trở nên linh động và bắt
đầu chuyển động, lớp hạt có tính chất “chảy” - xuất hiện lớp lơ lửng (ta thường gọi là
tầng sôi hay lỏng giả). Trạng thái này tồn tại trong khoảng tốc độ từ ωth đến ωp (ωp là tốc
độ phụt, là tốc độ nhỏ nhất của dòng mà khí hay lỏng bắt đầu mang hạt rắn ra khỏi thiết
bị).
* Mục đích : mục đích chính của việc tính trở lực lớp than là xác định trở lực lớp than
từ đó chọn được loại quạt phù hợp để cung cấp đủ lưu lượng không khí cho quá trình khí
hóa.
3.2.5.2 Độ xốp của vật liệu
Độ xốp của lớp vật liệu phụ thuộc vào phương pháp đổ vật liệu, độ nhám, hình
dáng vật liệu, tỉ lệ giữa đường kính hạt và đường kính lớp hạt và độ đồng đều của hạt.

Độ xốp của lớp hạt không đồng đều (đa phân tán) bé hơn độ xốp của lớp hạt đồng
đều.Trường hợp đổ lộn xộn thì độ xốp sẽ bé nhất nếu hạt là hình cầu. Độ xốp ở gần
thành thiết bị thường lớn hơn ở giữa. Giá trị chính xác của độ xốp chỉ có thể xác định
bằng thực nghiệm chứ không phải xác định bằng tính toán.
Độ xốp của lớp vật liệu đổ lộn xộn, đứng yên bằng thể tích tự do và có thể xác
định theo công thức sau:
ε=

V0 − Vh
V0

([8])

(3.18)
- 65 -


Chương 3-Tính toán thiết bị trong công nghệ khí hóa than

Trong đó:
V0 - Thể tích của lớp vật liệu xốp, m3.
Vh - Thể tích do lớp vật liệu chiếm, m3.
Người ta thường chấp nhận độ xốp của lớp hạt hình cầu đổ lộn, không chuyển
động có kích thước đồng đều trong khoảng 0,35÷0,42. Với nhiên liệu than trong lò khí
hóa có đường kính trung bình nằm trong khoảng 13÷25 mm thì ta có thể chọn độ xốp
của lớp vật liệu là ε = 0,4 .
3.2.5.3 Trở lực của lớp hạt
Trở lực của lớp than trong lò khí hoá được tính: ([2])
H ω
⎛ 273 + t b ⎞

= ζ cuc × × 0 ρ 0 × ⎜
⎟ [m H2O]
d b 2g
⎝ 273 ⎠
2

hcuc

(3.19)

Trong đó:
hcuc - Tổn thất áp suất qua lớp hạt [m H2O]
ξcuc - Hệ số trở lực cục bộ của lớp hạt. Phụ thuộc vào hệ số reynol
H- Chiều cao lớp hạt [m]
db- Đường kính trung bình của hạt than [m]
ωo - Tốc độ khí trong lò rỗng [m/s]
ρo - Khối lượng riêng của không khí [kg/m3]
Hệ số trở lực cục bộ ξcuc phụ thuộc vào giá trị chuẩn số Râynôn tính theo đường kính
hạt:
Re h =

ω k .d h .ρ 0
µ0

(3.20)
0

Với µ0 , ρ0: Là độ nhớt và khối lượng riêng của chất khí ở nhiệt độ 300 C:
µ0 = 29,7.10-6N.S/m2; ρ0 = 0,615kg/m3.
dh Đường kính trung bình của hạt than ; dh = 40mm; ω0 = 0.09 m/s.

Re h =

0,09.40.10 −3.0,615
=74,5
29,7.10 −6

Ta có [2]:
- 66 -


Chương 3-Tính toán thiết bị trong công nghệ khí hóa than

+ ξcuc = 4.
+ H = 2.2m, {tính trên}.
+ db = 40 mm =0,04 [m]
+ tb = 1000 [oC]
+ g =9,81[m/s2] gia tốc trọng trường
Thay tất cả các thông số vào ta có:
hcuc= 4 ×

2,2 0,09 2
⎛ 273 + 1000 ⎞
×
× 0,615 × ⎜
⎟ = 0,26 [mH2O] = 260 [mmH2O]
0,04 2.9,81
273
⎝
⎠

3.2.5.4 Tính chọn quạt
+ Tính lượng gió yêu cầu ở điều kiện chuẩn V0
V0 = k.Vckkk [m3/h]

(3.21)

Trong đó: k- hệ số dự trữ. Thường k = 1,1÷1,25, chọn k = 1,2. [2]
Vchkk- lượng không khí chung cần cung cấp cho lò, m3/h
Vchkk = 2,3.70 = 161 [m3/h]
=>

V0 = 1,2.161 = 193,2 [m3/h]

+ Lượng gió yêu cầu ở điều kiện thực tế Vt
Vt=

760 (t + 273)
760(300 + 273)
.
.V0 =
.193,2 = 330,3 [m3/h]
pa
273
1,3.760.273

Với : Pa : áp suất không khí tại nơi đặt quạt; Pa = 1,3at
t: nhiệt độ không khí nơi đặt quạt [0C], t = 3000C
+ Áp suất thực tế yêu cầu Ht:
Ht=

760(300 + 273)
760 (t + 273)
.
.hcuc =
.2600 = 4198 [N/m2]
pa
273
1,3.760.273

* Sau khi đã tính được hai thông số Vt, Ht, dựa vào các giản đồ tiêu chuẩn của quạt ly
tâm để chọn quạt yêu cầu. Cần chọn quạt bảo đảm được các giá trị của Vt, Ht. Hiệu suất
có ích của quạt cần nằm trong vùng lớn hơn 0,5 để quạt tiêu thụ công suất ít nhất. Ở đây
ta chọn quạt ly tâm kiểu BT-1, có số vòng quay n=1500v/ph.Công suất động cơ : N=4,5
kW. Lưu lượng 200m3/h. Cột Áp 450mm H2O.

- 67 -


Chương 3-Tính toán thiết bị trong công nghệ khí hóa than

3.2.6 Bảng kết quả tính toán các bộ phận của lò khí hóa

TT

Đại lượng

Công thức

Kết quả

Đơn vị

1

Chiều cao lò (H)

Ht + Htrống+ Hvòm

3500

mm

2

Đường kính trong lò (d1)

B
ρ t .H t .3,14

800

mm

3

Đường kính ngoài lò (d2)

d1 + 2 δ

820

mm

4

Chiều cao áo nước (l)

l = Hkhí hóa

1200

mm

5

Đường kính trong áo nước (d3)

0,0398
⎛ d2 ⎞
⎜ ⎟ +
π .l
⎝ 2 ⎠

860

mm

6

Đường kính ngoài áo nước

d3 + 2 δ

880

mm

7

Chiều dày lớp cách nhiệt (δcn)

45

mm

8

Công suất quạt (N)

4,5

kW

2

Bảng 3.6: Bảng kết quả tính toán các bộ phận của lò khí hóa
3.3. Thiết kế các bộ phận khác của hệ thống khí hóa
3.3.1. Thiết kế ghi lò
Đối với lò sinh khí có hai loại ghi: ghi quay và ghi cố định. Trong thiết kế này sử
dụng ghi quay.

Sử dụng ghi quay cho phép ta cơ khí hóa hoàn toàn việc thải xỉ ra ngoài. Vì vậy,
ở những lò khí hóa có công suất lớn đều sử dụng ghi quay để thải xỉ đồng thời phân bố
gió đồng đều hơn, có khả năng đập nhỏ xỉ kết khối.
Ghi quay thường gồm mũ gió, mũ gió này gắn liền với mâm quay chứa nước. Mũ
gió có thể nằm chính tâm lò hoặc lệch một ít. Mũ gió lệch sẽ tăng khả năng đập nát xỉ
khi nghi quay. Dưới mũ gió có hộp gió để đưa gió (tác nhân khí hóa) vào lò. Toàn bộ
mâm lò tạo với thành lò thành một van thủy lực nhằm không cho không khí thoát ra
khỏi lò qua chổ tháo xỉ.
- 68 -


Chương 3-Tính toán thiết bị trong công nghệ khí hóa than

Mặc dù là bộ phận quan trọng tuy nhiên ghi lò cấu tạo tương đối đơn giản
3.3.1.1. Mũ gió
+ Đường kính mũ gió:
dmũ = dlò – 2.100 = 800-200 = 600mm
Trong đó dlò: Đường kính thân trong của lò khí hoá
+ Chiều cao mũ gió:
hmũ = 100÷300 mm {kinh nghiệm}, chọn hmũ = 200mm
3.3.1.2. Mâm quay
+ Đường kính mâm quay :
- Phần miệng: dmmâm = dáo nước + 2.400 = 1000 + 800 = 1800mm = 1,8m
Trong đó : dáo nước : đường kính ngoài áo nước đã bọc cách nhiệt
- Phần đáy : ddmâm = dmmâm – 400 = 1800 – 400 = 1400mm = 1,4m
+ Chiều cao mâm quay: Chiều cao mâm quay chon phù hợp với áp suất đáy lò, để nó
có thể bịt kín lò được khi áp suất trong lò cao nhất . Ở đây ta chọn chiều cao mâm quay
hmâm= 600mm

- 69 -

Chương 3-Tính toán thiết bị trong công nghệ khí hóa than

520

200

1800

1400

Ø150

Hình 3.3: Cấu tạo ghi lò [13]
3.3.2. Thiết kế cơ cấu cấp than
Trong thiết kế này, sử dụng cơ cấu cấp than thủ công.
Than được đưa vào gàu tải, gàu tải được máy tời kéo di động trên hành trình
định sẵn và lên đến đỉnh hành trình gàu sẽ tự động đổ than vào cơ cấu cấp than .Sau
đó than được đổ vào khoang trên của cơ cấu cấp than. Người vận hành nâng đối
trọng và than được đưa vào khoang dưới của cơ câú. Từ đây, than được đưa vào lò
bằng việc nâng đối trọng của khoang dưới. Với kết cấu này sẽ đảm bảo khí không
lọt ra ngoài, gây độc hại cho người vận hành. Thông số hệ thống cấp than như sau:
+ Kết cấu gàu tải: dài *rộng*cao = 700*450*350 mm.
+ Công suất động cơ kéo gàu: 1,5 kW

- 70 -


Chương 3-Tính toán thiết bị trong công nghệ khí hóa than

Ròng rọc

Cấp than

Gàu tải

Hình 3.4: Hệ thống gàu tải
+ Thông số kết cấu cấp than như hình 3.5

Khoang trên

Đối trọng
Khoang dưới

Hình 3.5: Cơ cấu cấp than

- 71 -


Chương 3-Tính toán thiết bị trong công nghệ khí hóa than

3.3.3. Thiết kế bộ sấy không khí
3.3.3.1. Mục đích
Bộ sấy không khí được sử dụng để gia nhiệt cho không khí trước khi vào lò
khí hoá làm tăng hiệu suất của quá trình. Ở đây theo yêu cầu của việc khí hoá thì
không khí được gia nhiệt lên tới nhiệt độ 3000C .
3.3.3.2. Chọn kiểu bộ sấy không khí
Vì hệ số tỏa nhiệt đối lưu của khí hóa và không khí gần bằng nhau (khi nhiệt
độ và tốc độ của khí và không khí không sai khác nhau nhiều) nên thiết bị sấy

không khí thường làm bằng các ống trơn, vì nếu làm thì phải làm cả hai phía trong
lẫn ngoài mới có hiệu quả (làm cách mặt trong ống khó và phức tạp).
Thiết bị sấy không khí bằng khí hóa này là kiểu hai bước, khí cho đi bên
trong các ống (vì khí chứa bụi bẩn và việc làm sạch bề mặt bên trong ống dễ hơn,
còn không khí cắt ngang qua bên ngoài chùm ống (không khí sạch nên không bám
bẩn trên bề mặt ngoài các ống). Chùm ống được bố trí so le. Các ống được đặt đứng
trong đó khí đi trong ống từ trên xuống. Hình 3-6 trình bày bộ sấy không khí được
sử dụng ở lò hóa khí này.

- 72 -


Chương 3-Tính toán thiết bị trong công nghệ khí hóa than

khói vào

không khí ra

Không khí vào

Khói ra

Hình 3.6: Bộ sấy không khí.
3.3.3.3. Tính toán bộ sấy không khí
* Thông số làm việc của bộ sấy không khí :
+ Không khí chuyển động cắt ngang qua ống với lưu lượng : G2 =0,045 [kg/s]
+ Nhiệt độ không khí vào bộ sấy là: t2’=30[0C]
+ Nhiệt độ không khí ra khỏi bộ sấy là: t2”= 300 [0C]
+ Tốc độ không khí tại khe hẹp là : ω = 6 [m/s]
+ Khí chuyển động trong ống có thành phần thể tích :

[CO]=28% ; [H2] =12% ; [CO2] = 5% ; [N2] =54,5% ; [CH4]=0,5%
+ Lưu lượng khí chuyển động trong ống là: G1=0,0413 [kg/s]
+ Nhiệt độ khí vào bộ sấy là :

t1’= 400[0C]

+ Tốc độ khí đi trong ống : ω = 10 [m/s]
+ Ống thép có đường kính: d2/d1=34/32 [mm]
+ Hệ số dẫn nhiệt của ống thép : λ = 46 [w/mđộ]
+ Ống xếp so le với : S1 =S2 = 1,3.d2 = 45 [mm]
* Tính toán bộ sấy

- 73 -


Chương 3-Tính toán thiết bị trong công nghệ khí hóa than

Nhiệt độ trung bình của không khí:
t2 = 0,5 .(t2’+ t2”) = 0,5.(30 + 300) = 1650C
Với nhiệt độ này không khí tra bảng 2.4/trang 329 [7] sẽ có các thông số sau:
ρ2 = 0,806kg/m3 ; Cp2 = 1,02kJ/kgđộ ; λ2 = 3,675.10-2 w/mđộ ;
γ2 = 30,69.10-6 m2/s ; Pr2 = 0,682 .
Lượng nhiệt không khí nhận Q2:
Q2 = G2.Cp2.(t2”-t2’) = 0,045.1,02.(300 - 30) = 12,4 [k w]
Khi bỏ qua tổn thất nhiệt ra môi trường thì nhiệt lượng không khí nhận được Q2
bằng nhiệt lượng khí truyền Q1 và bằng nhiệt lượng truyền qua vách ống.
Q = Q1 = Q2
* Tính nhiệt độ khói ra t1”
Từ phương trình cân bằng nhiệt của khí: Q1 = G1Cp1(t1’- t1”)
=>

t1" = t1' −

Q1
G1 .Cp1

(3.22)

Với: Cp1 : nhiệt dung riêng của khí.
Để tính được Cp1 ta phải biết được nhiệt độ trung bình t1 của khói.
+ Ta nhận thấy giá trị W=G.Cp của khí và không khí tương đương nhau nên hiệu
nhiệt
độ của khí cũng gần bằng của không khí ,vậy ta chọn:
t1’- t1” = t2” - t2’= 300-30 = 270 [0C]
=>

t1” = t1’- 270 = 400 - 270 = 130 [0C]
t1 = 0,5.(t1’ + t1”) = 0,5.(400 + 130) = 265 [0C]

Ta xác định nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí theo phương pháp sau ([7]):
C = ∑ gi .Ci

(3.23)

Hay : Cphh = Cpa . ga + Cpb . gb + Cpc . gc + … [J/kgđộ]
Với :
Cpa; Cpb; Cpc: là nhiệt dung riêng của cấu tử trong hỗn hợp khí ở nhiệt độ
đã cho.
ga; gb; gc: là phần trăm khối lượng của các cấu tử trong hỗn hợp.
- 74 -

Chương 3-Tính toán thiết bị trong công nghệ khí hóa than

+ Để tính được Cphh ta phải đổi thành phần thể tích của hỗn hợp khí ra thành phần
khối lượng ([7]):
gi =

µ i .R i
∑ µ i Ri

(3.24)

Với : µi : Là kilomol của khí lý tưởng (có trị số bằng phân tử lượng)
Ri : là thành phần thể tích của khí thành phần
Từ đó ta có:
gH =

2.0,12
= 0,00972 ≈ 0,972%
2.0,12 + 28.0,28 + 44.0,05 + 28.0,545

gCO =

28.0,28
= 0,317 ≈ 31,7%
24,7

gCO2=

44.0,05
= 0,0891 ≈ 8,91%
24,7

gN=

28.0,545
= 0,6178 ≈ 61,78%
24,7

+ Ở nhiệt độ 2650C ta có nhiệt dung riêng của các cấu tử trong hỗn hợp khí là [8]:
CpH = 14,437 kJ/kg.độ ;

CpCO = 1,061 kJ/kg.độ

CpCO2 = 0,93 kJ/kg.độ ;

CpN = 1,0475 kJ/kg.độ

=> Nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí ở nhiệt độ 2650C là:
Cphh1 = 14,437 .0.00972 + 1,061.0,317 + 0,93.0,0891 + 1,0475.0,6178 =1,207
kJ/kg.độ.
=>

t1” = t1’ -

Q1
12,4
= 400 ≈ 1430C.
G1 .Cp hh

0,04.1.207

=> Nhiệt độ trung bình của khí là :
t1 = 0,5.(t1’ + t1”) = 0,5.(400 + 143) = 271,50C.
Với giá trị nhiệt độ này nhiệt dung riêng của khí vẫn gần như cũ , nó chênh lệch
không đáng kể vậy ta không cần phải tính lại nữa. Và ta lấy nhiệt độ ra của khói là
t” = 1430C, nhiệt độ trung bình của khí là t1= 271,50C và các thông số của khí ứng
với nhiệt độ trung bình này là:
+ Nhiệt dung riêng : Cp1 = 1,207 kJ/kgđộ ;
- 75 -


Chương 3-Tính toán thiết bị trong công nghệ khí hóa than

+ Khối lượng riêng : ρ1
Khối lượng riêng của hỗn hợp khí được xác định theo công thức sau:
ρhh = r1 ρ1 + r2 ρ2 + …
Trong đó :
r1 , r2 … là nồng độ phần trăm thể tích của các cấu tử trong hỗn hợp đã biết.
ρ1 , ρ2 … là khối lượng riêng của các cấu tử, kg/m3. [8]
ρH = 0,0454kg/m3; ρCO = 0,633kg/m3; ρCO2 = 1,002kg/m3; ρN = 0,633kg/m3
Khối lượng riêng của hỗn hợp sẽ là:
ρ1 = 0,0454.0,12 + 0,28.0,633 + 0,545.0,633 + 0,05.1,002 = 0,578 [kg/m3]
+ Hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp khí : λ1
Hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp khí có thể được tính theo công thức sau.
λhh = λ1.y1 + λ2.y2 + … ([8])
λ1 = λH.yH + λN.yN + λCO.yCO + λCO.2yCO2
Trong đó:

λ1 ; λ2 … : là hệ số dẫn nhiệt của các cấu tử trong hỗn hợp

y1 ; y2 … : là nồng độ phần mol của các cấu tử trong hỗn hợp khí, nó

cũng chính bằng nồng độ phần thể tích của các cấu tử trong hỗn hợp ta đã
biết.
- Ta có :
λN = 0,0459 w/mđộ; λH = 0,295 w/mđộ; λCO = 0,04 w/mđộ; λCO2 = 0,0367
w/mđộ; ([8])
Vậy hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp khí sẽ là:
λ1 = 0,295.0,12 + 0,0459.0,545 + 0,04.0,28 + 0.0367.0,05 = 0,0735[w/mđộ]
+ Độ nhớt động học của hỗn hợp khí ν1 :
Để xác định độ nhớt động lực học ν1 ta cần xác định được độ nhớt của hỗn hợp khí
µ1, theo công thức thưc nghiệm .
µ hh =

Trong đó:

m1µ1 M 1Tth1 + m2 µ2 M 2Tth 2 + ...
m1 M 1Tth1 + m2 M 2Tth 2 + ...

([8])

µhh : độ nhớt của hỗn hợp khí ở nhiệt độ t
µ1; µ2 ... : độ nhớt của các cấu tử ở nhiệt độ t
- 76 -

(3.25)