MỤC LỤC
Chương 1: NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA LÒ HƠI ............................................. 7
1.1 Vai trò của lò hơi và phân loại. ........................................................................... 7
1.1.1 Vai trò của lò hơi trong nền kinh tế............................................................... 7
1.1.2 Phân loại lò hơi. ........................................................................................... 7
1.2 Nguyên lý làm việc của lò hơi (trong nhà máy nhiệt điện). ................................. 7
1.3 Các đặc tính kỹ thuật của lò hơi. ....................................................................... 10
Chương 2: NHIÊN LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY .............................................. 12
2.1 Nhiên liệu ......................................................................................................... 12
2.1.1 Khái niệm về nhiên liệu .............................................................................. 12
2.1.2 Thành phần nhiên liệu. ............................................................................... 12
2.1.3 Đặc tính công nghệ của nhiên liệu. ............................................................. 15
2.1.4. Các loại nhiên liệu thường dùng trong lò hơi. ............................................ 19
2.2 Cơ sở lý thuyết cháy. ........................................................................................ 21
2.2.1 Khái niệm cơ bản. ...................................................................................... 21
2.2.2 Tính cháy nhiên liệu khí ............................................................................. 22
2.2.3 Tính cháy nhiên liệu rắn và lỏng ................................................................. 28
2.2.4 Công thức thống kê. ................................................................................... 31
Chương 3: CÂN BẰNG NHIỆT VÀ HIỆU SUẤT LÒ HƠI .................................. 32
3.1 Cân bằng nhiệt và tính hiệu suất của lò. ............................................................ 32
3.1.1 Phương trình cân bằng nhiệt tổng quát của lò. ............................................ 32
3.1.2. Xác định hiệu suất của lò hơi. .................................................................... 34
3.2. Tổn thất nhiệt trong lò hơi. .............................................................................. 35
3.2.1. Tổn thất nhiệt do khói thải mang ra ngoài lò hơi Q2 (q2). ........................... 35
3.2.2 Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về hóa học Q3, (q3). ...................... 37
3.2.3. Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt cơ học Q4, (q4). ................ 38
3.2.4. Tổn thất nhiệt do toả nhiệt ra môi trường xung quanh Q5, (q5). .................. 39
3.2.5. Tổn thất nhiệt do xỉ mang ra ngoài lò hơi Q6 , q6. ...................................... 40
CHƯƠNG 4: CÁC LOẠI LÒ HƠI CƠ BẢN VÀ BUỒNG LỬA LÒ HƠI ........... 42
4.1 Quá trình phát triển lò hơi ................................................................................. 42
4.1.1 Lò hơi kiểu bình ......................................................................................... 42
1
4.1.2 Lò hơi ống lò .............................................................................................. 42
4.1.3 Lò hơi ống lửa. ........................................................................................... 43
4.1.4 Lò hơi phối hợp ống lò và ống lửa. ............................................................. 44
4.1.5 Lò hơi ống nước có hộp góp và lò hơi nhiều bao hơi. ................................. 49
4.1.6 Lò hơi ống nước có hộp góp. ...................................................................... 50
4.1.7 Lò hơi ống nước có ống góp phân đoạn. ..................................................... 50
4.1.8 Lò hơi có nhiều bao hơi. ............................................................................. 51
4.1.9 Lò hơi có tuần hoàn tự nhiên. ..................................................................... 51
4.1.10 Lò hơi có tuần hoàn cưỡng bức. ................................................................ 52
4.1.11 Lò hơi trực lưu.......................................................................................... 52
4.1.12 Lò hơi thải xỉ khô và thải xỉ lỏng. ............................................................. 53
4.2 Những yêu cầu đối với buồng lửa lò hơi và các đặc tính công nghệ. ................. 53
4.2.1 Những yêu cầu đối với buồng lửa lò hơi. .................................................... 54
4.2.2 Các đặc tính công nghệ của buồng lửa. ....................................................... 54
4.3 Buồng lửa ghi (nhiên liệu cháy theo lớp). ......................................................... 55
4.3.1 Nguyên lí cấu tạo buồng lửa ghi. ................................................................ 55
4.3.2 Phân loại buồng lửa ghi. ............................................................................. 55
4.3.3 Những đặc tính chung của quá trình cháy nhiên liệu trên ghi (trong lớp). ... 57
4.3.4 Buồng lửa có ghi nghiêng và có lớp nhiên liệu chuyển động. ..................... 58
4.3.5 Buồng lửa ghi xích. .................................................................................... 58
4.4 Buồng lửa phun. ............................................................................................... 60
4.4.1 Khái niệm chung. ....................................................................................... 60
4.4.2 Buồng lửa đốt nhiên liệu khí. ...................................................................... 61
4.4.3 Buồng lửa đốt nhiên liệu lỏng. .................................................................... 62
4.4.4 Buồng lửa phun đốt bột than xỉ khô. ........................................................... 64
4.4.5 Buồng lửa đốt bột than phun thải xỉ lỏng. ................................................... 66
Chương 5: TRAO ĐỔI NHIỆT TRONG LÒ HƠI ................................................ 68
5.1 Khả năng bức xạ của ngọn lửa .......................................................................... 68
5.2 Tính trao đổi nhiệt bức xạ nhiệt trong buồng lửa ............................................... 70
5.3 Tính toán trao đổi nhiệt trong đường khói ......................................................... 73
5.3.1 Trao đổi nhiệt bức xạ trong đường khói của lò hơi ..................................... 73
5.3.2 Trao đổi nhiệt đối lưu ................................................................................. 74
2
5.4 Tính nhiệt thiết bị lò hơi ................................................................................... 79
5.4.1 Khái niệm ................................................................................................... 79
5.4.2 Những phương trình cơ bản ........................................................................ 80
5.4.3 Thứ tự tính toán .......................................................................................... 81
Chương 6: CHẾ ĐỘ NƯỚC CỦA LÒ HƠI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP THU
NHẬN HƠI SẠCH................................................................................................... 83
6.1 Các tạp chất trong thiên nhiên và những chỉ tiêu chất lượng của nước .............. 83
6.1.1 Các tạp chất trong nước thiên nhiên ............................................................ 83
6.1.2 Những chỉ tiêu chất lượng nước .................................................................. 83
6.1.3 Chất lượng nước thiên nhiên ....................................................................... 85
6.2 Nhiệm vụ chế độ nước của lò hơi ..................................................................... 85
6.3 Sự tạo thành cáu cặn trong lò hơi và đường nước cấp ....................................... 86
6.4 Quá trình ăn mòn kim loại bề mặt truyền nhiệt ................................................. 87
6.5 Chế độ nước của lò hơi ..................................................................................... 88
6.5.1 Chế độ nước của lò hơi có bao hơi (lò hơi tuần hoàn tự nhiên) ................... 89
6.5.2 Chế độ nước của lò hơi trực lưu .................................................................. 90
6.6 Các phương pháp xử lý nước cấp cho lò hơi ..................................................... 90
6.6.1 Xử lý nước bằng phương pháp lắng cặn ...................................................... 90
6.6.2 Xử lý nước bằng phương pháp trao đổi ion (cation và anion)...................... 91
6.6.3 Các phương pháp xử lý nước khác:............................................................. 94
6.7 Độ sạch của hơi ................................................................................................ 94
6.7.1 Yêu cầu về độ sạch của hơi......................................................................... 94
6.7.2 Nguyên nhân làm bẩn hơi bão hòa .............................................................. 95
6.8 Các phương pháp thu được hơi sạch ................................................................. 95
6.8.1 Phân ly ẩm ra khỏi hơi ................................................................................ 95
6.8.2 Rửa hơi ....................................................................................................... 96
6.8.3 Bốc hơi theo cấp ......................................................................................... 96
6.8.4 Xả liên tục và xả định kì của lò hơi ............................................................. 97
Chương 7: BỘ QUÁ NHIỆT, BỘ HÂM NƯỚC VÀ BỘ SẤY KHÔNG KHÍ ...... 98
7.1 Vai trò của bộ quá nhiệt .................................................................................... 98
7.2 Sơ đồ cấu tạo bộ quá nhiệt ................................................................................ 99
7.2.1 Bộ quá nhiệt đối lưu ................................................................................... 99
3
7.2.2 Bộ quá nhiệt nửa bức xạ và bức xạ ........................................................... 101
7.3 Cách bố trí bộ quá nhiệt .................................................................................. 102
7.3.1 Bố trí bộ quá nhiệt hoàn toàn đối lưu ........................................................ 102
7.3.2 Bố trí theo kiểu thuận chiều ...................................................................... 103
7.3.3 Bố trí theo kiểu ngược chiều ..................................................................... 103
7.3.4 Bố trí theo kiểu hỗn hợp ........................................................................... 103
7.3.5 Bố trí bộ quá nhiệt tổ hợp ......................................................................... 104
7.4 Điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt .................................................................. 105
7.4.1 Các nguyên nhân làm thay đổi nhiệt độ hơi quá nhiệt ............................... 105
7.4.2 Tầm quan trọng của việc bảo đảm ổn định nhiệt độ hơi quá nhiệt ............. 106
7.4.3 Các phương pháp điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt .................................. 106
7.5 Bộ hâm nước .................................................................................................. 109
7.5.1 Công dụng và phân loại ............................................................................ 109
7.5.2 Bộ hâm nước ống thép trơn. ..................................................................... 110
7.5.3 Bộ hâm nước bằng gang ........................................................................... 111
7.6 Bộ sấy không khí ............................................................................................ 113
7.6.1 Công dụng và phân loại ............................................................................ 113
7.6.1 Bộ sấy không khí kiểu thu nhiệt. ............................................................... 113
7.6.3 Bộ sấy không khí kiểu hồi nhiệt................................................................ 115
7.7 Bố trí bộ hâm nước và bộ sấy không khí ......................................................... 116
7.8 Điều kiện làm việc của các bề mặt đốt phần đuôi và biện pháp bảo vệ. .......... 117
7.8.1 Bám bẩn bề mặt đốt .................................................................................. 118
7.8.2 Mài mòn bề mặt nhiệt đối lưu ................................................................... 118
7.8.3 Ăn mòn ở nhiệt độ thấp ............................................................................ 119
Chương 8: KẾT CẤU XÂY DỰNG VÀ TRANG BỊ PHỤ .................................. 121
8.1 Khung lò và tường lò ...................................................................................... 121
8.1.1 Khung lò .................................................................................................. 121
8.1.2 Tường lò ................................................................................................... 123
8.1.3 Dàn ống buồng lửa và bao hơi .................................................................. 126
8.2. Các loại van và bơm nước cấp ....................................................................... 128
8.2.1 Các loại van .............................................................................................. 128
8.3 Áp kế và ống thủy........................................................................................... 133
4
8.3.1 Áp kế ........................................................................................................ 133
8.3.2 Bơm nước cấp .......................................................................................... 133
8.3.3 Ống thủy .................................................................................................. 133
8.4. Hệ thống thông gió của lò hơi ........................................................................ 135
8.4.1 Nhiệm vụ của hệ thống thông gió ............................................................. 135
8.4.2. Trở lực của hệ thống thông gió ................................................................ 135
8.4.3 Tính toán trở lực của hệ thống thông gió .................................................. 140
8.4.4 Tính toán hệ thống thông gió .................................................................... 142
Tài liệu tham khảo. ........................................................................................................................145
5
LỜI NÓI ĐẦU
Giáo trình Lò hơi là giáo trình nội bộ, phục vụ giảng dạy cho hệ Cao đẳng và Đại
học chuyên nghành kỹ thuật Nhiệt lạnh của trường Đại học Công nghiệp – Hà Nội.
Nồi hơi được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp, mỗi ngành
công nghiệp đều có nhu cầu sử dụng nhiệt với mức độ và công suất khác nhau. Các
nhà máy như: Nhà máy sản xuất thức ăn gia súc, nhà máy bánh kẹo, sử dụng nồi hơi
để đun, sấy sản phẩm. Một số nhà máy sử dụng nồi hơi để đun nấu, thanh trùng như
nhà máy nước giải khát, nhà máy nước mắm, tương hay dầu thực vật...
Tóm lại, trong các nhà máy công nghiệp có sử dụng nhiệt thì người ta sử dụng
thiết bị lò hơi để làm nguồn cung cấp nhiệt và dẫn nguồn nhiệt (hơi) đến các máy móc
sử dụng nhiệt. Lò hơi (hay còn gọi là nồi hơi) công nghiệp là thiết bị sử dụng nhiên
liệu để đun sôi nước tạo thành hơi nước mang nhiệt để phục vụ cho các yêu cầu về
nhiệt trong các lĩnh vực công nghiệp như sấy, đun nấu, nhuộm, hơi để chạy tuabin máy
phát điện, vv...
Tùy theo nhu cầu sử dụng mà người ta tạo ra nguồn hơi có nhiệt độ và áp suất
phù hợp để đáp ứng cho các loại công nghệ khác nhau. Và điều đặc biệt của lò hơi mà
không thiết bị nào thay thế được là tạo ra nguồn năng lượng an toàn không gây cháy
để vận hành các thiết bị hoặc động cơ ở nơi cần cấm lửa và cấm nguồn điện (như các
kho xăng, dầu).
Môn học lò hơi là môn học không thể thiếu được trong chương trình đào tạo
chuyên nghành kỹ thuật Nhiệt Lạnh, trong khuôn khổ giáo trình tác giả sẽ cung cấp
các kiến thức cơ bản về khái niệm, cấu trúc và nguyên lý hoạt động các bộ phận của lò
hơi, các quá trình xảy ra trong lò hơi, quy trình vận hành và xu thế phát triển của lò
hơi...
Trong quá trình biên soạn giáo trình chắc chắn không tránh khỏi sai sót, kính
mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các đồng nghiệp và và người đọc để giáo
trình ngày càng hoàn thiện hơn nữa.
Thư từ góp ý xin gửi về địa chỉ: Bộ môn Kỹ thuật nhiệt – Khoa điện – Trường
ĐHCN – Hà Nội. Xin chân thành cám ơn!
TÁC GIẢ
6
Chương 1: NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA LÒ HƠI
1.1 Vai trò của lò hơi và phân loại.
1.1.1 Vai trò của lò hơi trong nền kinh tế.
Lò hơi là thiết bị trong đó xẩy ra quá trình đốt cháy nhiên liệu, nhiệt lượng tỏa ra
từ quá trình cháy sẽ truyền cho nước 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 các xí nghiệp, nhà máy. Trong các
nhà máy công nghiệp như: Nhà máy hóa chất, đường, rượu, bia, nước giải khát, thuốc
lá, dệt, chế biến thực phẩm…, hơi nước phục vụ cho các quá trình đun nấu, chưng cất
các dung dịch, cô đặc và sấy sản phẩm… 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 lò hơi công nghiệp, có áp suất hơi thấp, sản lượng nhỏ. Trong nhà máy
nhiệt điện, lò hơi sản xuất ra hơi để quay tuabin, phục vụ cho việc sản xuất điện năng,
đòi hỏi phải có công suất lớn, hơi là hơi quá nhiệt có áp suất và nhiệt độ cao. Loại này
được gọi là lò 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 nhiên liệu khí.
1.1.2 Phân loại lò hơi.
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 = 2500C). 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 20 Mpa và trên 3500C.
* Theo chế độ đốt nhiên liệu trong buồng lửa ta có: Lò ghi thủ công; lò ghi nửa
cơ khí; lò ghi cơ khí (ghi xích); lò phun nhiên liệu lỏng; lò phun nhiên liệu khí; lò
phun bột than thải xỉ khô hay thải xỉ lỏng; lò buồng đốt xoáy; lò buồng lửa tầng sôi.
* Theo chế độ tuần hoàn của nước trong lò ta có: Lò tuần hoàn tự nhiên; lò tuần
hoàn cưỡng bức; lò trực lưu.
Tuy nhiên cách phân loại này chỉ thể hiện một vài đặc tính nào đó của lò hơi nên
thực tế khi gọi tên lò hơi thường người ta kết hợp nhiều kiểu phân loại.
1.2 Nguyên lý làm việc của lò hơi (trong nhà máy nhiệt điện).
Trong các lò hơi nhà máy điện, hơi được sản xuất ra là hơi quá nhiệt. Hơi quá
nhiệt nhận được nhờ các quá trình: Đun nóng nước đến sôi, sôi để biến nước thành hơi
bão hòa và hơi quá nhiệt. Để biến hơi bão hòa thành hơi quá nhiệt cần có nhiệt độ cao
trong các bộ phận của lò. Công suất nhiệt của lò hơi phụ thuộc vào lưu lượng, nhiệt độ
và áp suất hơi. Các giá trị này càng cao thì công suất lò càng lớn.
7
Hiệu quả của quá trình trao đổi nhiệt giữa ngọn lửa và khói với môi chất trong lò
hơi phụ thuộc vào tính chất vật lý của sản phẩm cháy và môi chất tham gia quá trình
(nước hoặc hơi trong lò) và phụ thuộc vào hình dáng, đặc tính cấu tạo của các phần tử
lò hơi.
Trên hình 1.1 trình bày nguyên lý cấu tạo của lò hơi buồng lửa phun, tuần hoàn
tự nhiên hiện đại trong nhà máy điện.
Hình 1.1 Nguyên lý cấu tạo của lò hơi
1- Buồng đốt; 2- Dàn ống sinh hơi; 3- Vòi phun nhiên liệu + không khí;
4- Ống nước xuống; 5- Bao hơi; 6- Ống dẫn hơi trên trần;
7- Bộ quá nhiệt hơi; 8- Bộ quá nhiệt trung gian hơi; 9- Bộ hâm nước;
10- Khoảng trống để vệ sinh và sửa chữa;11- Bộ sấy không khí.
Nhiên liệu và không khí được phun qua vòi phun số 3 vào buồng lửa số 1 tạo
thành hỗn hợp cháy và được đốt cháy trong buồng lửa, nhiệt độ ngọn lửa có thể đạt tới
19000C. Nhiệt lượng tỏa ra khi nhiên liệu cháy trong buồng lửa truyền cho nước trong
các ống của dàn ống sinh hơi 2 làm cho nước tăng dần nhiệt độ đến sôi, trong ống sẽ là
hỗn hợp hơi nước. Hỗn hợp hơi nước trong ống sinh hơi 2 sẽ chuyển động đi lên, tập
trung vào bao hơi số 5. Trong bao hơi số 5, hơi bão hòa sẽ tách ra khỏi nước, nước tiếp
8
tục đi xuống theo ống xuống 4 đặt ngoài tường lò. ống xuống được nối với ống lên
bằng ống góp dưới, nên nước lại tiếp tục sang ống sinh hơi 2 để tiếp tục nhận nhiệt.
hơi bão hòa từ bao hơi số 5 sẽ đi theo các ống dẫn hơi 6 vào các ống xoắn của bộ quá
nhiệt số 7. ở bộ quá nhiệt hơi bão hòa chuyển động trong các ống xoắn sẽ nhận nhiệt
từ khói nóng chuyển động phía ngoài ống để biến thành hơi quá nhiệt có nhiệt độ cao
hơn và đi vào ống góp để sang tuabin hơi. ở sơ đồ có quá nhiệt trung gian, hơi từ tuốc
bin về bộ quá nhiệt trung gian 8 để quá nhiệt rồi quay trở lại tuốc bin.
Ở đây, ống sinh hơi số 2 đặt phía trong tường lò nên môi chất trong ống nhận
nhiệt và sinh hơi liên tục do đó trong ống sinh hơi 2 là hỗn hợp hơi và nước, còn ống
xuống 4 được đặt ngoài tường lò nên môi chất trong ống 4 không nhận nhiệt do đó
trong ống 4 là nước. Khối lượng riêng của hỗn hợp hơi và nước trong ống 2 nhỏ hơn
khối lượng riêng của nước trong ống xuống 4 nên hỗn hợp trong ống 2 đi lên, còn
nước trong ống 4 đi xuống liên tục tạo nên quá trình tuần hoàn tự nhiên, bởi vậy lò hơi
loại này được gọi là lò hơi tuần hoàn tự nhiên.
Buồng lửa trình bày trên hình 1.1 là buồng lửa phun, nhiên liệu được phun vào và
cháy lơ lửng trong buồng lửa. Quá trình cháy nhiên liệu xẩy ra trong buồng lửa và đạt
được nhiệt độ rất cao, từ 13000C đến 19000C, chính vì vậy hiệu quả trao đổi nhiệt bức
xạ giữa ngọn lửa và dàn ống sinh hơi rất cao và lượng nhiệt dàn ống sinh hơi thu được
từ ngọn lửa chủ yếu là do trao đổi nhiệt bức xạ. Để hấp thu có hiệu quả nhiệt lượng
bức xạ của ngọn lửa đồng thời bảo vệ tường lò khỏi tác dụng của nhiệt lượng cao và
những ảnh hưởng xấu của tro nóng chảy, người ta bố trí các dàn ống sinh hơi 2 xung
quanh tường buồng lửa.
Khói ra khỏi buồng lửa, trước khi vào bộ quá nhiệt đã đi qua cụm feston, thực
chất cụm feston chính là dãy ống tường sau (đoạn đi qua cửa ra của buồng lửa) được
chia thành nhiều dãy (từ 3 đến 5 dãy) để khói đi qua dễ dàng và giảm bớt hiện tượng
mài mòn mặt ngoài ống. Ở đây khói chuyển động ngoài ống truyền nhiệt cho hỗn hợp
hơi nước chuyển động trong ống. Khói ra khỏi bộ quá nhiệt có nhiệt độ còn cao, để tận
dụng phần nhiệt thừa của khói khi ra khỏi bộ quá nhiệt, ở phần sau nó người ta đặt
thêm bộ hâm nước 9 và bộ sấy không khí 11.
Bộ hâm nước có nhiệm vụ gia nhiệt cho nước, để nâng nhiệt độ của nước từ nhiệt
độ ra khỏi bình gia nhiệt lên đến nhiệt độ sôi và cấp vào bao hơi 5. Đây là giai đoạn
đầu tiên của quá trình cấp nhiệt cho nước để thực hiện quá trình hóa hơi đẳng áp nước
trong lò. Sự có mặt của bộ hâm nước sẽ làm giảm tổng diện tích bề mặt đốt của lò hơi
và sử dụng triệt để hơn nhiệt lượng tỏa ra khi cháy nhiên liệu, làm cho nhiệt độ khói
thoát khỏi lò giảm xuống, làm tăng hiệu suất của lò.
Không khí lạnh từ ngoài trời được quạt gió hút vào và thổi qua bộ sấy không khí
11. Ở bộ sấy, không khí nhận nhiệt của khói, nhiệt độ được nâng từ nhiệt độ môi
trường đến nhiệt độ yêu cầu và được đưa vào vòi phun số 1 để cung cấp cho quá trình
đốt cháy nhiên liệu. Khói sẽ được quạt khói hút ra khỏi lò trước khi đi qua khử bụi để
thải ra ngoài qua ống khói.
Như vậy bộ hâm nước và bộ sấy không khí đã hoàn trả lại buồng lửa một lượng
nhiệt đáng lẽ bị thải ra ngoài. Chính vì vậy người ta còn gọi bộ hâm nước và bộ sấy
không khí là bộ tiết kiệm nhiệt.
9
Như vậy, từ khi vào bộ hâm nước đến khi ra khỏi bộ quá nhiệt của lò hơi, môi
chất (nước và hơi) trải qua các giai đoạn hấp thụ nhiệt trong các bộ phận sau: Nhận
nhiệt trong bộ hâm nước đến sôi, sôi trong dàn ống sinh hơi, quá nhiệt trong bộ quá
nhiệt.
1.3 Các đặc tính kỹ thuật của lò hơi.
Để xác định một lò hơi, người ta thường dùng các đặc tính kỹ thuật chính của lò
như sau:
1 - Thông số hơi của lò:
Đối với lò hơi của nhà máy điện, hơi sản xuất ra là hơi quá nhiệt nên thông số hơi
của lò được hiển thị bằng áp suất và nhiệt độ hơi quá nhiệt: Pqn (Mpa), tqn (0C).
Áp suất và nhiệt độ hơi quá nhiệt được chọn trên cơ sở so sánh kinh tế kỹ thuật
của chu trình nhiệt.
Đối với lò hơi công nghiệp trong các nhà máy công nghiệp, hơi nước ở đây
thường là hơi bão hòa, áp suất hơi tương ứng với nhiệt độ bão hòa cần thiết cho quá
trình công nghệ, do đó thông số của loại lò hơi ở đây là áp suất p (Mpa).
2 - Sản lượng hơi của lò:
Sản lượng của lò là lượng hơi mà lò sản xuất ra được trong một đơn vị thời gian
(kg/h hoặc kg/s ). Thường dùng 3 khái niệm sản lượng.
- Sản lượng định mức ( đ ): Là sản lượng hơi lớn nhất của lò có thể đạt được,
đảm bảo vận hành trong một thời gian lâu dài, ổn định với các thông số hơi đã cho mà
không phá hủy hoặc gây ảnh hưởng xấu đến chế độ làm việc của lò.
- Sản lượng cực đại (
): Là sản lượng lớn nhất mà lò có thể đạt được, nhưng
chỉ trong thời gian ngắn, nghĩa là lò không thể làm việc lâu dài với sản lượng hơi cực
đại được. Sản lượng hơi cực đại bằng:
D
= (1,1 − 1,2)Dđ
(1.1)
- Sản lượng hơi kinh tế là sản lượng hơi mà ở đó lò làm việc với hiệu quả kinh tế
cao nhất. Sản lượng hơi kinh tế bằng:
D
= (0,8 − 0,9)Dđ
(1.2)
3 - Hiệu suất của lò:
Hiệu suất của lò là tỉ số giữa lượng nhiệt mà môi chất hấp thụ được (hay còn gọi
là lượng nhiệt có ích) với lượng nhiệt cung cấp vào cho lò (sinh ra trong buồng lửa).
Hiệu suất của lò được kí hiệu bằng , được xác định:
η=
(
"
)
(1.3)
Trong đó:
D: là sản lượng hơi, (kg/h)
i : là entanpi của hơi quá nhiệt, (kJ/kg);
i′′ : là entanpi của nước đi vào bộ hâm nước, (kJ/kg);
10
B: là lượng nhiên liệu tiêu hao trong một giờ, (kg/h);
Q : nhiệt trị thấp làm việc của nhiên liệu (kJ/kg).
4 - Nhiệt thế thể tích của buồng lửa:
Nhiệt thế thể tích của buồng lửa là lượng nhiệt sinh ra trong một đơn vị thời gian
trên một đơn vị thể tích của buồng lửa.
q =
, (W/m3)
(1.4)
Trong đó:
V : Thể tích buồng lửa, (m3);
B, (kg/s).
Đối với các lò hơi nhỏ, người ta còn chú ý đến các đặc tính sau đây.
5 - Nhiệt thế diện tích trên ghi:
Nhiệt thế diện tích trên ghi là nhiệt lượng sinh ra trong một đơn vị thời gian trên
một đơn vị diện tích bề mặt của ghi:
q =
, (W/m2)
(1.5)
R: diện tích mặt ghi, (m2).
6 - Năng suất bốc hơi của bề mặt sinh hơi:
Năng suất bốc hơi của bề mặt sinh hơi là khả năng bốc hơi của một đơn vị diện
tích bề mặt đốt (bề mặt sinh hơi) trong đó một đơn vị thời gian, kí hiệu là S, thường
dùng cho các lò hơi công nghiệp công suất nhỏ.
S = , (kg/m2h)
(1.6)
D: Sản lượng hơi của lò, (kg/h);
H: Diện tích bề mặt sinh hơi (bề mặt đốt), m2;
11
Chương 2: NHIÊN LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY
2.1 Nhiên liệu
2.1.1 Khái niệm về nhiên liệu
Nhiên liệu là những vật chất khi cháy phát ra ánh sáng và nhiệt năng. Trong công
nghiệp thì nhiên liệu phải đạt các yêu cầu: Có sẵn trong tự nhiên với trữ lượng lớn, dễ
khai thác, giá thành rẻ, khi cháy không sinh ra các chất nguy hiểm.
Nhiên liệu có thể phân thành hai nhóm chính: Nhiên liệu vô cơ và nhiên liệu hữu
cơ.
1. Nhiên liệu hữu cơ
Nhiên liệu hữu cơ là nhiên liệu có sẵn trong thiên nhiên do quá trình phân hủy
hữu cơ thường dùng trong lò hơi công nghiệp và năng lượng có 3 loại;
+ Khí thiên nhiên.
+ Nhiên liệu lỏng: Dầu nhẹ (Diezen DO), dầu nặng (dầu đen FO).
+ Nhiên liệu rắn: Theo tuổi hình thành nhiên liệu ta có gỗ, than bùn, than nâu,
than mỡ, than đá, nửa antraxit và antraxit (cám).
2. Nhiên liệu vô cơ
Nhiên liệu vô cơ là nhiên liệu hạt nhân, được dùng trong các lò hơi cả nhà máy
điện nguyên tử. Nó sinh ra nhiệt do phản ứng phân hủy hạt nhân của một số đồng vị
các nguyên tố nặng như: Đồng vị của urani U235, đồng vị của uran U238 tạo ra proton
P238.
Khả năng tỏa nhiệt của nhiên liệu hạt nhân rất lớn, có thể đạt 8.1010 kJ/kg.
Trong giáo trình này chúng ta chỉ nghiên cứu nhiên liệu hữu cơ.
2.1.2 Thành phần nhiên liệu.
Nhiên liệu bao gồm các chất có khả năng bị oxy hóa gọi là chất cháy và những
chất không thể bị oxy hóa gọi là chất trơ.
Nhiên liệu thường được phân tích theo thành phần các chất tạo nên chúng.
Thành phần của một chất nào đó trong nhiên liệu là tỷ số giữa khối lượng hoặc
thể tích của chất đó với tổng khối lượng hoặc thể tích nhiên liệu ta đang khảo sát.
Thành phần chung của tất cả các loại nhiên liệu bao gồm: Cacbon (C), Hydro
(H2), Lưu huỳnh (S), Hydro cacbua (CmHn), Nitơ (N2), Oxy (O2), Độ tro A, Độ ẩm
(W).
Tùy thuộc vào loại nhiên liệu và tuổi hình thành mà tỷ lệ các thành phần của
nhiên liệu sẽ khác nhau.
1. Thành phần của nhiên liệu khí
Nhiên liệu khí là hỗn hợp các khí cháy và không cháy. Thành phần chủ yếu của
nhiên liệu kí bao gồm: Hydro H2, Metan CH4, Hydrocacbua CmHn, Sunphua hydro
H2S, Oxitcacbon CO, … Nhiên liệu khí có nhiều ưu điểm như: Dễ vận chuyển, dễ đốt,
12
dễ điều chỉnh quá trình cháy, gần như không có tro nên sạch, không mài mòn, không
bám bẩn v.v…
Khí hay hỗn hợp khí có thể sử dụng để đốt với mức độ lớn trong công nghiệp
được gọi là khí đốt (không kể các khí sinh nhiệt cho mục đích đặc biệt như để hàn
axetylen, hydro,...). Tùy theo hàm lượng tương đối của các thành phần khí mà các khí
có nhiệt trị và những tính chất khác nhau.
Hydrocacbua là thành phần chủ yếu của khí dầu mỏ có công thức tổng quát là
CnH2n+2, với n là số nguyên tử có trong mạch. Các hydrocacbua này là loại
hydrocacbon no và tên gọi tận cùng bằng - an: Metan CH4, Etan C2H6, Propan C3H8,
Butan C4H10, Hexan C6H14, Heptan C7H16,… Các hydrocacbua paraffin ở thể khí.
* Cách biểu thị thành phần nhiên liệu khí:
Thành phần nhiên liệu khí được xác định theo phần trăm thể tích của từng chất
khí thành phần (nếu khí được xem là khí lý tưởng thì thành phần thể tích cũng chính
bằng thành phần mol), thành phần của nhiên liệu khí được ký hiệu như sau:
[CO] + [H2] + [CmHn] + [CO2] + [O2] + [N2] = 100%
(2.1)
Cần chú ý rằng, hàm lượng hơi nước trong khí đốt không được đưa ra dưới
dạng thành phần thể tích mà được biểu thị qua độ ẩm tương đối với không khí ẩm.
p
φ=
p .
2. Thành phần của nhiên liệu lỏng:
Thành phần chủ yếu của dầu là: Các bon (C = 82 ÷ 87%), Hydro (H2 = 11 ÷
14%).
Ngoài ra còn có các nguyên tố khác như: S = 1 ÷ 4%; N2 = 0,001 ÷ 1,8%; O2 =
0,05 ÷ 1,0%; Và một lượng rất nhỏ tính bằng ppm các nguyên tố halogen (Clo, Iod),
các kim loại (Vanadi, Niken, Volfram,…).
2. Thành phần của nhiên liệu rắn:
Trong nhiên liệu rắn có: Các bon (c), Hydro (h), Oxy (o), Nitơ (n), Lưu huỳnh
(s), độ tro (a) và độ ẩm (w). Các nguyên tố hóa học trong nhiên liệu đều ở dạng liên
kết các phân tử hữu cơ rất phức tạp nên khó cháy.
* Các bon: Các bon là thành phần cháy chủ yếu trong nhiên liệu rắn, có thể
chiếm tới 95% khối lượng nhiên liệu. Khi cháy 1kg Các bon tỏa ra một nhiệt lượng
khá lớn, chiếm khoảng 34150 kJ/kg, do vậy nhiên liệu càng nhiều thì Các bon thì nhiệt
trị càng cao, tuổi hình than than càng cao thì lượng Các bon chứa ở than càng nhiều.
* Hydro: Hydro là thành phần cháy quan trọng của nhiên liệu rắn. Tuy lượng
Hydro trong nhiên liệu rất ít, tối đa chỉ đến 10% khối lượng nhiên liệu, nhưng nhiệt trị
của Hydro là rất lớn. Khi cháy 1kg Hydro tỏa ra một lượng nhiệt khoảng 144500
kJ/kg.
* Lưu huỳnh: Tuy là một thành phần cháy, nhưng Lưu huỳnh là một chất có hại
trong nhiên liệu vì khi cháy tạo ra SO2 thải ra môi trường rất độc và SO3 gây ăn mòn
kim loại rất mạnh, đặc biệt SO2 tác dụng với nước tạo thành axit H2SO4. Đồng thời sự
có mặt của chất này sẽ làm tăng đáng kể nhiệt độ đọng sương của khói. Ví dụ khi đốt
13
dầu với hệ số không khí thừa 1,25 nếu không có Lưu huỳnh thì nhiệt độ đọng sương
khoảng 500C, nếu có 1% Lưu huỳnh thì nhiệt độ đọng sương tăng lên đến 1300C sẽ
làm tăng nguy cơ ăn mòn ở nhiệt độ thấp bộ sấy không khí. Muốn tránh nó thì buộc
phải tăng nhiệt độ khói thoát, làm tăng tổn thất nhiệt do khói thải và làm giảm hiệu
suất lò. Tỷ lệ lưu huỳnh trong nhiên liệu rắn khoảng 7÷8%, trong nhiên liệu lỏng
khoảng 1÷3%, trong nhiên liệu khí gần như không có Lưu huỳnh.
Lưu huỳnh tồn tại dưới 3 dạng: Liên kết hữu cơ Shc, khoáng chất Sk và liên kết
Sunfat Ssp.
S = Shc + Sk + Ssp
Lưu huỳnh hữu cơ và khoáng chất có thể tham gia quá trình cháy gọi là lưu
huỳnh cháy, còn lưu huỳnh Sunfat thường nằm dưới dạng CaSO4, MgSO4… không
tham gia quá trình cháy mà tạo thành tro của nhiên liệu.
* Nitơ: Nitơ là thành phần vô ích trong nhiên liệu vì sự có mặt của nó trong nhiên
liệu sẽ làm giảm các thành phần cháy được của nhiên liệu, do đó làm giảm nhiệt trị
chung của nhiên liệu, nhiệt độ thấp hơn 10000C thì Nitơ không tham gia phản ứng mà
giải phóng ra ở dạng tự do, khi nhiệt độ trên 10000C thì Nitơ cháy được tạo thành Oxit
Nitơ NOx gây nguy hại cho môi trường. Trong nhiên liệu Nitơ chiếm khoảng
0,5÷2,5%.
* Oxy: Tuy là thành phần cháy, nhưng có rất nhiều trong không khí, nên sự có
mặt của nó trong nhiên liệu sẽ làm giảm các thành phần cháy được của nhiên liệu, làm
giảm nhiệt trị chung của nhiên liệu, vì vậy sự có mặt của Oxy trong nhiên liệu là
không có lợi. Nhiên liệu càng non thì lượng Oxy trong nhiên liệu càng nhiều.
3. Cách biểu thị thành phần nhiên liệu rắn và lỏng:
Trong thực tế, người ta thường phân tích nhiên liệu theo thành phần khối lượng ở
các dạng mẫu khác nhau như: mẫu làm việc, mẫu khô, mẫu cháy, dựa vào đó có thể
đánh giá ảnh hưởng của quá trình khai thác, vận chuyển và bảo quản đến thành phần
nhiên liệu.
Đối với nhiên liệu rắn hoặc lỏng, thành phần nhiên liệu được xác định theo phần
trăm khối lượng, có thể biểu thị theo các mẫu nhiên liệu sau:
Mẫu làm việc: Là mẫu ở trạng thái thực tế, lấy tại bãi chứa nhiên liệu trước khi
cấp vào lò, ở mẫu này có tất cả thành phần của nhiên liệu:
clv + hlv + slv + nlv + olv + alv+ wlv = 100%
(2.2)
Mẫu khô: sấy mẫu làm việc ở 1050C, thành phần ẩm sẽ tách khỏi nhiên liệu (w =
0), khi đó ta có mẫu nhiên liệu khô:
ck + hk + sk + nk + ok + ak = 100%
(2.3)
Mẫu cháy: Là mẫu trong đó chỉ có thành phần cháy được của nhiên liệu:
cch + hch + scch + nch + och = 100%
(2.4)
Có thể tính đổi từ mẫu nhiên liệu này sang mẫu khác theo các công thức từ (2.2)
đến (2.4), được biểu thị trên bảng 2.1.
14
k
k
k
100
ch 100 a
hc 100 a sk
= c
.
= c
.
100
100
100 w lv
Bảng 2.1. Tính đổi giữa các thành phần của mẫu nhiên liệu.
Ví dụ: ck = clv.
Mẫu đã biết
Làm việc
Mẫu cần tìm
Làm việc
Khô
100
100 −
1
Khô
100 −
100
Cháy
100 − a −
100
Cháy
100
100 − a −
Hữu cơ
100
100 − s − a −
1
100
100 − a
100
100 − a − s
100 − a
100
1
100
100 − s
2.1.3 Đặc tính công nghệ của nhiên liệu.
Việc lựa chọn phương pháp đốt và sử dụng nhiệt lượng giải phóng từ quá trình
cháy nhiên liệu phụ thuộc nhiều vào các đặc tính công nghệ của nhiên liệu: Độ ẩm,
chất bốc, cốc, tro và nhiệt trị.
1. Độ ẩm
Độ ẩm kí hiệu là w, là lượng nước chứa trong nhiên liệu, vì lượng nước này nên
nhiệt trị của nhiên liệu giảm xuống. Mặt khác khi nhiên liệu cháy cần cung cấp một
nhiệt lượng để bốc ẩm thành hơi nước.
Độ ẩm của nhiên liệu được chia ra 2 loại: Độ ẩm trong và độ ẩm ngoài.
Độ ẩm trong có sẵn trong quá trình hình thành nhiên liệu, thường ở dạng tinh thể
ngậm nước và chỉ tách ra khỏi nhiên liệu khi nung nhiên liệu ở nhiệt độ khoảng 8000C.
Độ ẩm ngoài xuất hiện trong quá trình khai thác, vận chuyển và bảo quản nhiên
liệu. Độ ẩm ngoài tách ra khỏi nhiên liệu khi sấy ở nhiệt độ khoảng 1050C.
2. Chất bốc và cốc
Khi đốt nóng nhiên liệu trong điều kiện không có Ôxy ở nhiệt độ từ 3000C trở lên
thì có chất khí thoát ra do sự phân hủy nhiệt các liên kết hữu cơ của nhiên liệu. Nó là
thành phần ở thể khí gồm: Hydro, Cacbuahydro, Cacbon, Oxitcacbon, Ôxy và Ni tơ….
Được gọi là chất bốc, ký hiệu là vc. Nhiên liệu càng già thì lượng chất bốc càng ít,
nhưng nhiệt trị của chất bốc càng cao, lượng chất bốc của nhiên liệu thay đổi trong
phạm vi: Than antraxit 2 ÷ 8%, than đá 10 ÷ 45%, than bùn 70%, gỗ 80%. Nhiên liệu
càng nhiều chất bốc càng dễ cháy.
Sau khi chất bốc ra, phần rắn còn lại của nhiên liệu có thể tham gia quá trình
cháy gọi là cốc. Nhiên liệu càng nhiều chất bốc thì cốc càng xốp, nhiên liệu càng có
khả năng phản ứng cao. Khi đốt nhiên liệu ít chất bốc như antraxit, cần thiết phải duy
trì nhiệt độ ở vùng bốc cháy cao. Đồng thời phải tăng chiều dài buồng lửa để đảm bảo
cho cốc cháy hết trước khi ra khỏi buồng lửa.
3. Độ tro
Độ tro ký hiệu là a, tro của nhiên liệu là phần rắn ở dạng chất khoáng còn lại sau
khi nhiên liệu cháy. Thành phần của nó gồm một số hỗn hợp khoáng như đất sét, cát,
15
pyrit sắt, oxit sắt… Sự có mặt của nó làm giảm thành phần cháy được của nhiên liệu,
do đó giảm nhiệt trị của nhiên liệu. Trong quá trình cháy, dưới tác dụng của nhiệt độ
cao một phần bị biến đổi cấu trúc, một phần bị phân hủy nhiệt, bị Ôxy hóa nhưng chủ
yếu biến thành tro.
Độ tro của một số nhiên liệu trong khoảng: Than 15 ÷ 30%, gỗ 0,5 ÷ 1,0%,
mazut 0,2 ÷ 0,3%, khí 0%, được xác định bằng cách đốt nhiên liệu ở nhiệt độ 8500C
với nhiên liệu rắn, ở 5000C với nhiên liệu lỏng cho đến khi khối lượng còn lại hoàn
toàn không đổi.
Tác hại của tro: Sự có mặt của tro trong nhiên liệu làm giảm nhiệt trị của nhiên
liệu, cản trở quá trình cháy. Khi bay theo khói qua các bề mặt đốt tro mài mòn các bề
mặt đốt của lò hơi. Một trong những đặc tính quan trọng của tro ảnh hưởng đến điều
kiện làm việc của lò là nhiệt độ nóng chảy của tro. Ở nhiệt độ này tro chảy lỏng nên rất
dễ bám lên vách ống, ngăn cản sự trao đổi nhiệt giữa khói với môi chất trong ống và
làm tăng nhiệt độ vách ống gây nguy hiểm cho ống. Nhiệt độ nóng chảy của tro trong
khoảng từ 12000C đến 14250C. Tro có nhiệt độ chảy càng thấp thì càng có nhiều có
khả năng tạo xỉ bám lên các bề mặt ống của lò.
Hình 2.1. Đặc tính chảy của tro
1. Bắt đầu biến dạng; 2. Bắt đầu mềm; 3. Bắt đầu chảy.
Nhiệt độ nóng chảy của tro được xác định trong phòng thí nghiệm bằng cách
nung mẫu tro được ép thành hình tháp cao 20mm, có đáy vuông mỗi cạnh đáy bằng
7mm. Nhiệt độ mà tháp bắt đầu biến dạng gọi là nhiệt độ bắt đầu biến dạng t1. Khi
tháp tro bắt đầu mềm gọi là nhiệt độ bắt đầu mềm t2. Khi tháp tro bắt đầu chảy biến
thành lỏng gọi là nhiệt độ bắt đầu chảy t3.
Khi nhiệt độ bắt đầu chảy
t3 < 12000C là tro dễ chảy,
12000C < t3 < 14250C là tro có độ chảy trung bình,
t3 > 14250C là tro khó chảy.
4. Nhiệt trị của nhiên liệu
Nhiệt trị của nhiên liệu là lượng nhiệt tỏa ra khi cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu
rắn hoặc lỏng hay 1m3 tiêu chuẩn nhiên liệu khí (kJ/kg, kJ/m3).
Tùy thuộc vào cách đốt và làm nguội sản phẩm cháy, người ta phân biệt nhiệt trị
của nhiên liệu thành nhiệt trị cao và nhiệt trị thấp.
Để so sánh các loại nhiên liệu với nhau, người ta thường dùng khái niệm nhiên
liệu tiêu chuẩn, là nhiên liệu có nhiệt trị Qt = 7000 kcal/kg (29330 kJ/kg).
* Nhiệt trị cao Qc [ kJ/kg hay kJ/m3]
16
Nhiệt trị cao là nhiệt trị của nhiên liệu khi có kể đến nhiệt lượng tỏa ra do ngưng
tụ hơi nước trong sản phẩm cháy khi sản phẩm cháy được làm nguội tới nhiệt độ gốc
(hay còn là nhiệt độ cân bằng, là nhiệt độ môi trường thường lấy bằng 250C).
Thông thường trong sản phẩm cháy có hơi nước, nếu hơi nước đó ngưng tụ thành
nước sẽ tỏa ra một lượng nhiệt. Khi xác định nhiệt trị cao, người ta đã tính đến nhiệt
lượng ngưng tụ của toàn bộ lượng hơi nước có nguồn gốc từ nhiên liệu có trong sản
phẩm cháy, vì ở nhiệt độ gốc, phần lớn trọng lượng nước này đã ngưng tụ.
Nhiệt trị thấp khác nhiệt trị cao ở chỗ là khi xác định nó, người ta không tính đến
nhiệt ngưng tụ của hơi nước trong sản phẩm cháy, mặc dù có thể được làm nguội tới
nhiệt độ gốc nhưng vẫn giả thiết là trong sản phẩm cháy không xảy ra quá trình ngưng
tụ hơi nước.
Nhiệt trị cao được dùng khi tính toán trong điều kiện phòng thí nghiệm.
Nếu gọi lượng nước được hình thành khi cháy một đơn vị nhiên liệu là m và
nhiệt ẩn hóa hơi của nước ở 250C là r = 2442,5 kJ/kg, thì quan hệ giữa Qt và Qc có
dạng:
Qc = Qt + 2442,5. m
, kJ/kg.
(2.5a)
Hoặc:
Qc = Qt + 2442,5.(w/100 + 9h/100) , kJ/kg.
(2.5b)
* Nhiệt trị thấp Qt [ kJ/kg hay kJ/m3]
Nhiệt trị thấp là nhiệt trị không kể đến lượng nhiệt do hơi nước trong sản phẩm
cháy ngưng tụ tỏa ra.
Trong các buồng lửa thực tế thông thường nhiệt độ của khói ra khỏi lò cao hơn
nhiệt độ ngưng tụ hơi nước, vì không cho phép làm nguội sản phẩm cháy xuống nhiệt
độ thấp hơn nhiệt độ đọng sương. Để tránh hiện tượng ăn mòn thiết bị ở nhiệt độ thấp,
tức là trong các thiết bị công nghiệp không có quá trình ngưng tụ hơi nước trong khói.
Nghĩa là nhiệt trị của nhiên liệu khi cháy trong thiết bị thực tế là nhiệt trị thấp.
* Xác định nhiệt trị của nhiên liệu:
Có thể xác định nhiệt trị theo 2 cách: Thực nghiệm và tính toán.
Khi xác định bằng thực nghiệm, người ta đo trực tiếp lượng nhiệt tỏa ra khi cháy
nhiên liệu trong bom nhiệt lượng kế (Calorimet).
17
Hình 2.2. Trình bày cấu tạo bom nhiệt lượng kế. Một lượng nhiên liệu xác định hay một
dòng nhiên liệu có lưu lượng ổn định.
Được đốt cháy hoàn toàn bằng O2 ở áp suất từ 2,5 đến 3,0Mpa trong bình bằng
thép gọi là “bom nhiệt lượng kế”. Bom được đăt trong thùng nhiệt lượng kế chứa đầy
nước (ngập bom). Để giảm khả năng tỏa nhiệt ra bên môi trường xung quanh, thùng
nhiệt lượng kế được đặt trong một bình cách nhiệt 2 vỏ. Sản phẩm cháy được làm
nguội tới nhiệt độ gốc nên lượng hơi nước trong sản phẩm cháy cũng ngưng tụ và tỏa
nhiệt. Nhiệt lượng tỏa ra khi nhiên liệu cháy bằng nhiệt lượng nung nóng thiết bị và
nước trong đó. Nếu xác định lượng nước làm mát và độ chênh lệch nhiệt độ của nước
khi vào và ra khỏi áo nước, ta dễ dàng xác định được trị cao Qc. Nhiệt trị thấp Qt được
tính theo (2.5a) khi đo lượng nước ngưng tụ từ sản phẩm cháy hoặc (2.5b) khi tính
theo thành phần nhiên liệu.
Do nhiệt trị cao không có ý nghĩa trong các thiết bị kỹ thuật nên để đơn giản,
trong giáo trình này ta nói nhiệt trị nghĩa là nhiệt trị thấp.
Chúng ta biết quá trình cháy nhiên liệu là cháy các thành phần có thể cháy được
nhiên liệu, nghĩa là nhiệt lượng tỏa ra sẽ phụ thuộc vào nhiệt trị nhiên liệu. Hay nói
cách khác, nhiệt trị nhiên liệu phụ thuộc vào nhiệt trị và tỉ lệ thành phần các chất cấu
thành nhiên liệu. Bởi vậy trong trường hợp không có điều kiện xác định bằng thực
nghiệm các loại nhiệt trị của nhiên liệu, có thể sử dụng các công thức kinh nghiệm sau
đây để tính toán:
+ Nhiên liệu rắn và lỏng, [kJ/kg]
Qc = 418,6.[81,3c + 293h + 15n + 45,6s – 23,5o]
(2.6a)
Qt = 418,6.[81,3c + 293h + 15n + 45,6s – 23,5o – 6w]
(2.6b)
18
+ Nhiên liệu khí, [kJ/m3]
Qc = 418,6.{30,2[CO] + 30,5[H2] + 95[CH4] + 166[C2H6] + 237[C3H8] +
307[C4H10] + 377[C5H12] + 150[C2H4] + 220[C3H6] + 290[C4H8] + 360[C5H10] +
350[C6H6] + 61[H2S]}
(2.7a)
Qt = 418,6.{30,2[CO] + 25,8[H2] + 85,5[CH4] + 155[C2H6] + 218[C3H8] +
283[C4H10] + 349[C5H12] + 141[C2H4] + 205[C3H6] + 271[C4H8] + 337[C5H10] +
335[C6H6] + 56[H2S]}.
(2.7b)
2.1.4. Các loại nhiên liệu thường dùng trong lò hơi.
1. Nhiên liệu khí
Có thể phân loại nhiên liệu khí theo những cách khác nhau: theo nguồn gốc, theo
nhiệt trị, theo mục đích sử dụng… Thực tế trong lò hơi thường sử dụng khí thiên
nhiên, khí dầu mỏ.
a) Khí thiên nhiên: Khí thiên nhiên tạo thành từng mỏ ở trong lòng đất, thành
phần chủ yếu của khí thiên nhiên là khí metan CH4 (93 ÷ 99%), còn lại là các khí khác
như etan (C2H6) propan (C3H8), butan (C4H10 ); Qt = 35 ÷ 45 MJ/m3.
b) Khí dầu mỏ: Gồm khí đồng hành và khí ngưng tụ:
Khí đồng hành còn gọi là khí lọc dầu: Là khí lẫn trong dầu mỏ, được hình
thành cùng với dầu, thành phần chủ yếu là các khí nặng như propan (C3H8), butan
(C4H10), pentan (C5H12),... Còn được gọi là khí dầu mỏ.
Khí ngưng tụ (condensate): Thực chất là dạng trung gian giữa dầu mỏ và khí
(phần cuối của khí và phần đầu của dầu), bao gồm các hydrocacbon như propan, butan
và một số hydrocacbon lỏng như oentan, hexam, thậm chí hydrocacbon naphtenic và
aromic đơn giản, theo điều kiện sử dụng thông thường khí ngưng tụ ở dạng lỏng. Khí
ngưng tụ là nguyên liệu để sản xuất LPG và sử dụng trong tổng hợp hóa dầu. Khi hóa
lỏng thể tích các hydrocacbon giảm ví dụ 2 lít propan lỏng cho 270 lít hơi ở 1at.
2. Nhiên liệu lỏng
Dầu có thể khai thác từ 3 nguồn sau đây: Dầu khoáng chất (chế từ nguyên liệu
dầu mỏ); Dầu tổng hợp (chế biến từ than đá hoặc than nâu); Dầu đá (khai thác từ các
vỉa đá dầu).
Dầu thường dùng để đốt lò trong lò hơi thuộc nhóm dầu khoáng. Dầu khoáng
được chia làm 5 loại: Dầu đặc biệt nhẹ (EL), còn gọi là dầu DO, dầu nhẹ (L), dầu nhẹ
trung bình (M), dầu nặng (S) còn gọi là dầu FO và dầu đặc biệt nặng (ES).
Thường dùng để đốt trong lò hơi là 2 loại: Dầu đặc biệt nhẹ (EL) còn gọi là dầu
DO, và dầu nặng (S) hay còn gọi là dầu FO.
Bảng 2.2 trình bày tính chất của 2 loại dầu khoáng quan trọng nhất. Các giá trị ở
đây là yêu cầu tối thiểu, trong thực tế chúng thường có tính chất tốt hơn.
Bảng 2.2. Tính chất của hai loại dầu quan trọng nhất.
Tính chất
Khối lượng riêng ở 150C [kg/m3]
Dầu EL (DO)
Dầu S (FO)
860
~ 940
19
Điểm lửa, [0C]
55
65
Độ Nhớt động học, max [mm2/s] ở:
200C
6
-
500C
-
450
1000C
-
40
Hàm lượng lưu huỳnh, max [%]
0,8
Hàm lượng nước max, [%]
0,1
2,8
0,5
Chất không hòa tan max, [%]
0,05
0,5
≥ 41,868
≥ 39,775
0,01
0,15
Nhiệt trị thấp, Q1 [MJ/kg]
Độ tro, [%]
3. Các loại nhiên liệu rắn
Theo tuổi hình thành từ thấp lên cao ta có các loại nhiên liệu rắn theo thứ tự sau:
Gỗ, than bùn, than nâu, than đá, than nửa antraxit và antraxit.
Nhiệt liệu càng non thì càng nhiều chất bốc, có khả năng phản ứng cao, càng dễ
cháy, cốc càng xốp, nhưng lượng các bon ít nên nhiệt trị thấp.
Nhiên liệu càng già (tuổi hình thành than càng cao) thì lượng chất bốc càng ít,
càng khó cháy, nhưng lượng cacbon chứa than càng nhiều nghĩa là nhiệt trị càng cao.
Khi đốt nhiên liệu ít chất bốc như than antraxit, cần thiết phải duy trì nhiệt độ ở
vùng bốc cháy cao, đồng thời phải tăng chiều dài buồng lửa để đảm bảo cho các cốc
cháy hết trước khi ra khỏi buồng lửa.
Gỗ và các phụ phẩm của nông lâm sản: Đây là loại nhiên liệu có tuổi ít nhất.
Lượng chất bốc cao, khoảng 80 đến 85% nên dễ cháy. Thành phần khá ổn định gồm
50% cch , 43% och , 6% hch, khoảng 0,5 đến 1% nch trong gỗ gần như không có S, độ tro
rất nhỏ, thường a chiếm khoảng 0,5 - 2%, còn độ ẩm đối với gỗ khô khoảng 20 - 30%,
đối với gỗ tươi thì khoảng 50 - 60%. Nhiệt trị thấp đối với gỗ khô khoảng 19000kJ/kg,
đối với gỗ tươi không quá 12000 kJ/kg. Bã mía được đốt trong nhà máy đường cũng
có thành phần tương tự.
Than bùn: Than bùn có độ ẩm rất cao, wlv có thể tới 90%, độ tro alv khoảng 7 -
15%, là loại dễ cháy.
Vì chất bốc Vc tới 70%, nhưng nhiệt trị không cao, thường Qt khoảng từ 8500
đến 12000kJ/kg nên ít được dùng trong công nghiệp.
Than nâu: Than nâu có độ ẩm wlv từ khoảng 18 đến 60%, độ tro alv khoảng 10
- 50%, chất bốc Vc khoảng 30 - 50%, cũng là loại nhiên liệu dễ cháy nhưng nhiệt trị
không cao vì lượng cacbon thấp thường Qt khoảng 8500 đến 12000 kJ/kg nên ít được
xếp vào loại nhiên liệu địa phương.
20
Than đá: Có tuổi hình thành tương đối cao, lượng cacbon tương đối lớn, độ ẩm
thấp, còn lượng chất bốc thì thay đổi trong phạm vi rộng từ 9 đến 50%, nhiệt trị Qt
thay đổi trong phạm vi 33000 đến 38000 kJ/kg. Có thể chia thành 4 loại như sau:
- Than có lượng chất bốc Vc trên 42% với ngọn lửa dài và xanh.
- Than khí (ga) có lượng chất bốc Vc từ 35 đến 42% dễ cháy và cháy nhanh.
- Than mỡ (luyện cốc ) có lượng chất bốc Vc từ 18 đến 28 % có ngọn lửa ngắn và
sáng, thường dùng để luyện cốc.
- Than gầy có lượng chất bốc Vc dưới 17% có ngọn lửa ngắn và vàng.
Than antraxit: Là than có tuổi hình thành cao nhất, nhiều cacbon nhất clv có thể
tới 95% và chất bốc ít nhất Vc khoảng 7 đến 8%. Tuy chứa lượng cacbon cao nhưng
lượng hydro trong nó thấp hơn than đá nên nhiệt trị thấp hơn than đá. Vì lượng chất
bốc ít nên nhiệt độ bắt lửa cao và khó cháy. Khi cháy có ngọn lửa màu xanh và không
khói nên nên gọi là than không khói. Than của Việt Nam chủ yếu là loại này.
2.2 Cơ sở lý thuyết cháy.
2.2.1 Khái niệm cơ bản.
Quá trình cháy là quá trình phản ứng hóa học xảy ra mãnh liệt, phát ra ánh sáng
và tỏa ra nhiệt lượng rất lớn, đồng thời kèm theo một loạt các biến hóa vật chất khác,
đó là tổng hợp của quá trình giải phóng năng lượng, truyền nhiệt và chuyển hóa năng
lượng.
Nghiên cứu quá trình cháy tức là nghiên cứu bản chất các hiện tượng trên, tìm ra
được các mối liên hệ và các yếu tố ảnh hưởng đến nó, mà trung tâm là nghiên cứu quá
trình động học của phản ứng cháy.
Quá trình cháy nhiên liệu là quá trình phản ứng hóa học giữa các nguyên tố hóa
học của nhiên liệu với oxy và sinh ra nhiệt, quá trình cháy còn là quá trình oxy hóa.
Chất oxy hóa chính là oxy của không khí cấp vào cho quá trình cháy, chất bị oxy
hóa là các nguyên tố cháy được của nhiên liệu. Sản phẩm tạo thành sau quá trình cháy
gọi là sản phẩm cháy (khói).
Quá trình cháy có thể xảy ra hoàn toàn hoặc không hoàn toàn.
Quá trình cháy hoàn toàn: Quá trình cháy hoàn toàn là quá trình cháy trong đó
các thành phần cháy được của nhiên liệu đều được oxy hoàn toàn và sản phẩm cháy
của nó gồm các khí CO2 , SO2 , H2O , N2 , và O2 .
Quá trình cháy không hoàn toàn: Quá trình cháy không hoàn toàn là quá trình
cháy trong đó còn những chất có thế cháy được oxy hóa không hoàn toàn. Khi cháy
không hoàn toàn, ngoài những sản phẩm của quá trình cháy hoàn toàn trong khói còn
có những sản phẩm khác CO, H2 ,CH4…
Nguyên nhân của quá trình cháy không hoàn toàn có thể là do:
- Không đủ không khí.
- Đủ nhưng phân bố không khí không đều.
- Thành phần chưa cháy bị giảm nhiệt độ xuống nhiệt độ bắt lửa.
21
Trong các thiết bị gia nhiệt thì khi cháy không hoàn toàn sẽ làm giảm năng suất
tỏa nhiệt và do đó làm giảm hiệu suất thiết bị.
2.2.2 Tính cháy nhiên liệu khí
1. Nội dung và giả thiết tính toán
a. Mục đích và nội dung tính toán:
Tính toán 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:
Tiêu tốn không khí lí thuyết và thực tế cho 1 đơn vị nhiên liệu (1kg hay 1m3),
Lượng sản phẩm cháy (khô, ẩm, lý thuyết, thực tế) sinh ra khi đốt cháy 1 đơn
vị nhiên liệu,
Thành phần sản phẩm cháy (khô, ẩm),
Khối lượng riêng của sản phẩm cháy,
...
Cơ sở của các tính toán cháy là định luật bảo toàn năng lượng và khối lượng. Tức
là, khi biết thành phần của nhiên liệu, bằng cách thiết lập các phương trình cân bằng
nhiệt và cân bằng chất có thể xác định không mấy khó khăn giá trị của các đại lượng
kể trên. Tính toán cháy vì thế còn được gọi là cân bằng nhiệt và cân bằng chất của quá
trình cháy.
b. Điều kiện tính toán:
Mọi tính toán trình bày dưới đây đều xuất phát từ các giả thiết:
Cháy đẳng áp.
Cháy hoàn toàn, nghĩa là sản phẩm cháy và tro không chứa các thành phần còn
cháy được như các hạt nhiên liệu chưa cháy hết (đối với nhiên liệu rắn), muội than,
H2, CO, v.v… Không phụ thuộc vào loại nhiên liệu, thành phần sản phẩm cháy chỉ bao
gồm: CO2, SO2, N2, H2O, O2 (nếu α > 1).
Chất ô xy hóa là không khí có thành phần thể tích: 21%O2 và 79%N2. Phân tử
lượng tương của không khí là 29 kg/kmol.
Các chất khí và hơi tham gia và xuất hiện trong quá trình cháy đều được xem
là khí lý tưởng. Ở điều kiện tiêu chuẩn thể tích của 1 kmol của chúng bằng 22,4 m3.
c. Tiêu hao không khí lý thuyết và thực tế, hệ số không khí:
Tiêu hao không khí lí thuyết V0kk là lượng không khí tối thiểu cần thiết cho việc
đốt cháy hoàn toàn 1 đơn vị nhiên liệu.
Trong thực tế, trừ những trường hợp yêu cầu của quá trình công nghệ cần tạo một
môi trường khử, còn không lượng không khí cung cấp cho quá trình cháy bao giờ cũng
lớn hơn tiêu tốn lý thuyết nhằm:
Tăng nhanh quá trình cháy.
22
Đề phòng trường hợp thiếu không khí do biến động dòng và tính chất của
nhiên liệu (nhiệt trị, khối lượng riêng), của không khí (khối lượng riêng, độ ẩm).
Tránh thiếu không khí cục bộ và tức thời trong các buồng lửa ghi, và trở lực
dòng và lẫn thành phần hóa học của lớp nhiên liệu thay đổi theo vị trí và thời gian.
Tuy nhiên khi cháy với lượng không khí dư quá lớn thì nhiệt độ buồng lửa giảm,
lưu lượng không khí và sản phảm cháy tăng dẫn đến giảm hiệu suất buồng lửa và tăng
tiêu hao năng lượng của các loại quạt.
Tỉ lệ giữa tiêu hao không khí thực tế Vttkk và lí thuyết V0kk được gọi là hệ số
không khí α (hay còn gọi là hệ số không khí thừa):
=
≥ 1
(2.8)
Bảng 2.2. Các giá trị phổ biến của hệ số không khí α
Nhiên liệu
α
Khí thiên nhiên, khí lò cốc
1,05 – 1,1
Dầu
1,1 – 1,2
Bụi than
1,1 – 1,2
Than, ghi cơ giới
1,3 – 1,5
Than, ghi thủ công
1,4 – 2,0
Lò hơi không thể kín tuyệt đối được vì có các chỗ ghép nối tường lò, trên tường
lò phải có cửa vệ sinh, cửa quan sát, của phòng nổ. Khi lò làm việc, áp suất đường
khói luôn thấp hơn áp suất khí quyển và áp suất khói giảm dần theo chiều khói đi, do
đó không khí lạnh từ ngoài sẽ lọt vào đường khói làm tăng dần hệ số không khí thừa
trong đường khói theo chiều đi của khói.
Tuy nhiên khi cháy với lượng không khí thừa α quá lớn thì nhiệt độ buồng lửa
giảm xuống tức là quá trình truyền nhiệt giảm xuống, nhiệt thừa của khói tăng lên tức
là lượng nhiệt do khói mang ra khỏi lò (q2) tăng lên, hiệu suất lò giảm xuống và tăng
tiêu hao năng lượng của các loại quạt. Vì vậy, khi vận hành cần phải điều chỉnh hợp lý
để giữ cho α ở giá trị tối thiểu.
2. Tính cháy nhiên liệu
Tính cháy nhiên liệu của khí đơn giản hơn so với tính cháy nhiên liệu rắn và lỏng
do tất cả các thành phần tham gia phản ứng đều ở pha khí.
Các phương trình phản ứng cháy gồm:
2CO + O2 = 2CO2
2H2 + O2 = 2H2O
CmHn + (m + n/4)O2 = mCO2 +(n/2)H2O
Dựa vào các phương trình phản ứng có thể tính các thể tích oxy, sản phẩm cháy
lý thuyết và thực tế khi đốt cháy hoàn toàn 1 m3 khí.
23
* Tiêu hao oxy lý thuyết
Tổng tất cả oxy của các phản ứng cháy trừ đi lượng oxy có sẵn trong nhiên liệu
chính là lượng oxy cần cung cấp cho quá trình cháy lí thuyết:
= 0,5[CO] + 0,5[H2] + (m + n/4) [CmHn] - [O2], [m3/m3]
(2.9)
Trong đó: [CO], [H2], [CmHn] và [O2] là nồng độ các khí có trong nhiên liệu khí,
đo bằng % thể tích.
2. Tiêu hao không khí lí thuyết
a. Không khí khô:
= (100/21).
= 4,762.
, [m3/m3]
b. Không khí ẩm:
(2.10)
Khối lượng hơi nước ứng với 1 kg không khí khô chính là độ chứa hơi d:
= (1 + 1,61.d).
, [m3/m3]
3. Thành phần và thể tích sản phẩm cháy ở điều kiện tiêu chuẩn
,
(2.11)
Thể tích của từng thành phần của sản phẩm cháy được đưa ra trong bảng 2.3
Bảng 2.3. Thành phần của sản phẩm cháy khi α ≥ 1
Vi ; [m3/m3]
Thành phần
CO2
[CO]
[CO2]
∑ [
Nguồn gốc từ
Cháy CO
Nhiên liệu
Cháy hydrocacbon
]
H2O
[H2O]
∑(n/2)[CmHn]
1,611.d.α.
Cháy hydro
Cháy hydrocacbon
Không khí
SO2
[SO2]
Nhiên liệu
N2
[N2]
0,79.α.
Nhiên liệu
Không khí
O2
0,21.(α-1).
Không khí thừa
4. Khối lượng riêng của sản phẩm cháy
=
= ∑ r μ , [kg/m3]
,
(2.12)
Ví dụ 2-1: Gas LPG có thành phần làm việc như sau:
Chất
C2H6
C3H8
C4H10
C5H12
Thành phần thể tích [%]
0,34
54,68
43,92
1,06
- Tính nhiệt trị thấp,
- Tiêu tốn không khí lí thuyết và thực tế cho 1 m3 nhiên liệu,
24
- Thành phẩm sản phẩm cháy (khô, ẩm),
- Lượng sản phẩm cháy sinh ra khi đốt cháy 1 đơn vị nhiên liệu,
- Khối lượng riêng của sản phẩm cháy,
Bài giải:
- Tính nhiệt trị thấp của LPG
3
Nhiệt trị thấp của gas Qt (kJ/m tc) theo công thức (2.7b) được tính như sau:
Qt = 418,6.{155[C2H6] + 218[C3H8] + 283[C4H10] + 349[C5H12]}
Qt = 418,6.{155 . 0,0034 + 218 . 0,5468 + 283 . 0,4392 + 349 . 0,0106}
Qt = 103696 (kJ/m3)
Khối lượng riêng của gas (0gas):
gas
0
0gas
C H .%C 2 H 6 C H .%C 3 H 8 C H .%C 4 H 10 C H .%C 5 H 12
2
6
3
8
4
10
5
12
100.22,4
30.0,34 44.54,68 58.43,92 72.1,06
2,2499 (kg / m 3 )
100.22,4
Nhiệt trị thấp của gas Qt với đơn vị đo (kJ/kg)
Qt
Qt
gas
0
103696
46089(kJ / kg )
2, 2499
Phản ứng đốt cháy của LPG:
C2H6 + 3,5O2 = 2CO2 + 3H2O
C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O
C4H10 + 6,5O2 = 4CO2 + 5H2O
C5H12 + 8O2 = 5CO2 + 6H2O
Từ phương trình phản ứng cho thấy, để đốt cháy hoàn toàn 1 m3 LPG với thành
phần như trên cần lượng O2 là:
= 0,0034.3,5 + 0,5468.5 + 0,4392.6,5 + 0,0106.8 = 5,6855 (m3/m3)
Thể tích không khí khô tương ứng
là:
= 5,6855.(100/21) = 27,07 (m3/m3)
Lượng không khí ẩm lý thuyết cần thiết cho phản ứng cháy là:
,
=
.(1 + 1,61.d), (m3/m3)
Trong đó d là độ chứa hơi, ở điều kiện thông thường lấy d = 23 (g/kg không khí
khô) = 0,023 (kg/kg).
,
= 27,07.(1 + 1,611.0,023) = 28,07 (m3/m3)
25