Các phương pháp thu nhiệt lò hơi

CÁC PHƯƠNG PHÁP THU HỒI NHIỆT THẢI LÒ HƠI
I. Nguyên lý làm việc của lò hơi
Lò hơi dùng nhiệt lượng sinh ra của nhiên liệu, biến thành nhiệt năng của hơi nước. Hơi này
được cung cấp cho các quá tr
ình công nghiệp như gia nhiệt cho không khí để sấy, rửa thiết bị, cung cấp
nhiệt trong các nhà máy dệt, đường, hóa chất, rượu bia, nước giải khát… trong trường hợp này hơi sử
dụng là hơi bão hòa. Ngoài ra, các nhà máy nhiệt điện dùng tuabin hơi để chạy máy phát điện thì hơi
được sử dụng là hơi quá nhiệt.
II. Các loại nhiệt thải
Trong quá trình hoạt động, ở lò hơi có các nguồn nhiệt lượng như sau: nhiệt lượng của ngọn
lửa khi đốt cháy nhiên liệu, nhiệt lượng của khói, nhiệt lượng của nước và hơi nước và ngoài ra còn có
nhi
ệt lượng do xỉ nóng chảy.
Ngọn lửa của nhiên liệu nằm hoàn toàn trong lò hơi, hơi nước sẽ được đưa đến các quá trình
công ngh
ệ hoặc tuabin; như vậy nhìn chung ngọn lửa và hơi nước không mang nhiệt lượng ra môi
trường b
ên ngoài (dĩ nhiên là vẫn có một phần tổn thất ra bên ngoài, nhưng đó là chỉ là tổn thấy chứ
không phải một nguồn nhiệt thải). Do đó, ở lò hơi có các nguồn nhiệt thải sau:
- Khói
- N
ước tuy nằm trong bao hơi không thải nhiệt ra ngoài nhưng do trong quá trình hoạt
động, để xả bỏ cáu cặn tích tụ lại người ta vẫn phải xả một lượng nước nhất định ra
ngoài
-
Ở những lò thải xỉ lỏng thì cũng có nhiệt xỉ thải ra ngoài.
Các ngu
ồn nhiệt thải này đều có nhiệt độ cao, nếu không được tận dụng lại sẽ gây sự lãng phí
r
ất lớn. Sau đây ta sẽ đi vào phân tích nhiệt thải của từng loại.
1- Khói thải:

Từ nguyên lý làm việc, ta thấy nhiệm vụ chủ yếu của lò hơi là sinh hơi (có thể là hơi bão hòa
ho
ặc hơi quá nhiệt). Như vậy, sau khi cháy, nhiệt lượng của nhiên liệu được dùng để sinh hơi, nhiệt độ
khói tại trung tâm buồng lửa có thể đạt 1600-2200
0
C (tùy thuộc vào từng loại lò), khói sau khi đi qua
vài pass gia nhiệt cho nước để sinh hơi thì nhiệt độ sau khi ra khỏi buồng lửa đạt khoảng 900-1300
0
C.
Theo lý thuy
ết, nhiệm vụ của khói đến đây là hết và có thể thải ra ngoài.
Tuy nhiên, do nhiệt độ của khói đang còn rất cao, nếu thải đi mà kô tận dụng thì sẽ rất lãng phí.
M
ặt khác, hơi nước sau khi đi qua các thiết bị công nghệ sẽ được ngưng tụ thành lỏng và được bơm trở
lại lò hơi để tiếp tục nhận nhiệt để sinh hơi. Nước được cấp trở lại lò hơi lại có nhiệt độ khá thấp.
Ví d
ụ: hơi sau sinh ra qua thiết bị trao đổi nhiệt (LOAD) đưa lại bể chứa (ở đây nước bổ sung
(make-up water), có nhiệt độ thấp dẫn đến nước cấp (feedwater) cũng bị hạ thấp nhiệt độ.
Hoặc ở các nhà máy nhiệt điện hơi nước sau khi giãn nở ở tuabin rồi được ngưng tụ ở bình
ngưng có áp suất khoảng 0,05 bar với nhiệt độ khoảng 32
0
C), rõ ràng là ta sẽ phải tốn thêm một nhiệt
lượng để gia nhiệt cho nước cấp từ nhiệt độ thấp đến nhiệt độ sôi ứng với áp suất tương ứng.
Ví dụ sau cho thấy hiệu quả của việc gia nhiệt nước cấp trước khi đưa vào lò hơi:
Cho lò h
ơi hoạt động với hơi bão hòa ở áp suất p = 10 bar, sản lượng hơi D = 10
tấn/giờ. Nhiệt độ nước cấp là 30
0
C. Dùng dầu mazút có thành phần làm việc như sau:
Nhiệt lượng cần thiết để gia nhiệt nước thành hơi bão hòa ở áp suất 10 bar:

Với i
1
: entanpi của hơi bão hòa ở áp suất 10 bar
i
2
: entanpi của nước ở áp suất 10 bar ứng với nhiệt độ 30
0
C
Nhiệt trị thấp của nhiên liệu là:
Giả sử hiệu suất nhiệt là 100%, ta thấy lượng tiêu hao nhiên liệu là:
Nếu như nước cấp được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi, thì nhiệt lượng để sinh hơi bão hòa
là:
Với : entanpi của nước ở áp suất 10 bar ứng với nhiệt độ sôi
Lượng tiêu hao nhiên liệu ở trường hợp này là:
Như vậy ta đã tiết kiệm được một lượng nhiên liệu
Từ đồ thị ta thấy, khi nước được hâm nóng, thì nhiệt lượng cần thiết để cung cấp cho
quá trình sinh hơi sẽ giảm và lượng tiêu hao nhiên liệu cũng giảm, trong trường hợp này ta đã tiết kiệm
được 24,34% nhi
ên liệu.
Một phần tử khác cần được gia nhiệt trong lò hơi là không khí. Như ta đã biết, không khí đưa
vào buồng lửa để cung cấp oxi cho quá trình cháy. Không khí thường được lấy ở môi trường bên ngoài
có nhi
ệt độ khoảng 30
0
C, nếu đưa không khí này vào buồng lửa thì sẽ hấp thu một phần nhiệt lượng do
nhiên liệu cháy sinh ra. Do đó việc sấy không khí để tăng thêm nhiệt lượng đưa vào buồng lửa sẽ làm
tăng thêm nhiệt lượng hữu ích để sinh hơi. Giả sử ta dùng dầu để gia nhiệt không khí:
Ở l
ò phun, nhiệt độ không khí đưa vào buồng lửa khoảng 250
0

C, nhiệt lượng cần thiết để gia
nhiệt cho không khí là:
Với : thể tích không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hết nhiên liệu
i
1
: entanpi của không khí ở 250
0
C
i
2
: entanpi của không khí ở 30
0
C
Nếu dùng dầu để gia nhiệt thì ta phải tốn thêm một lượng nhiên liệu:
Ngoài ra, đối với các lò đốt bằng nhiên liệu lỏng mà chủ yếu là dầu nặng (FO) thì việc hâm
nóng dầu trước khi đưa vào buồng lửa là cần thiết vì độ nhớt của dầu ở nhiệt độ thường rất cao gây
khó khăn cho việc dẫn dầu trong các ống
cũng như việc phun dầu vào buồng lửa. Thông thường người
ta thường gia nhiệt dầu lên đến khoảng 90
0
C. Trước đây người ta thường dùng bộ gia nhiệt dầu bằng
điện kết hợp với hơi nước.
Ví dụ sau cho thấy nhiệt lượng cần thiết để gia nhiệt cho dầu
Nhiệt lượng cần thiết để gia nhiệt dầu:
Với B: lương tiêu hao nhiên liệu (lấy ở ví dụ trên B = 0,189 kg/s)
C
nl
: tỷ nhiệt của nhiên liệu
Trong đó:
Từ đó, ta tính được

Từ các ví dụ trên ta thấy nhiệt lượng của khói thải nếu được tận dụng để hâm nước cấp, sấy
không khí, hâm dầu… thì sẽ tiết kiệm được một chi phí rất lớn. Vì lý do đó mà ngày nay người ta
thường lắp đặt các bộ trao đổi nhiệt phía sau l
ò, ở đường khói thải để gia nhiệt cho nước, không khí
cũng như dầu (thường gọi là bộ hâm nước, bộ sấy không khí và bộ hâm dầu). Tùy thuộc vào từng loại
lò mà có thể có hoặc không có 1 trong 3 phần tử kể trên. Ngoài ra, đối với những lò có công suất lớn
thì nhiệt thải khói có thể lên đến rất cao, tuy đã tận dụng nhưng vẫn còn một nguồn nhiệt lượng khá
lớn, do đó người ta sẽ tìm cách để tận dụng nguồn nhiệt lượng này để đun nước sinh hoạt cho các xí
nghiệp hoặc hộ tiêu dùng hay trong vấn đề về tiết kiệm năng lượng thì dùng nhiệt do khói thải này dể
chạy các máy lạnh hấp thụ.
Theo sơ đồ ta thấy, khi cấp nhiệt cho bình phát sinh thì NH
3
trong hỗn hợp dung dịch gồm NH
3
– H
2
O sẽ bốc hơi (do ở cùng điều kiện áp suất thì NH3 có nhiệt độ bay hơi thấp hơn H
2
O). NH
3
bay
lên còn n
ước sẽ đi xuống dưới. Hơi NH
3
tiếp tục đi vào bình ngưng và được ngưng tụ thành lỏng nhờ
nước làm mát, sau đó NH
3
lỏng đi qua van tiết lưu để giảm áp suất và đi vào bình bốc hơi. Ở đây nó sẽ
nhận nhiệt từ chất cần làm lạnh (ở đây ví dụ là nước) và bốc hơi rồi đi qua bình hấp thụ. Tại bình hấp
thụ, NH

3
sẽ được H
2
O từ bình phát sinh hấp thụ trở lại và hỗn hợp này được bơm về bình phát sinh để
tiếp tục chu trình của nó. Ta thấy về mặt năng lượng (nếu không kể nguồn nhiệt từ khói đã có sẵn) thì
máy l
ạnh hấp thụ tiêu tốn ít năng lượng hơn nhiều so với máy lạnh có máy nén, vì công cần thiết cho
máy nén để nén 1kg hơi từ áp suất po l
ên áp suất pk sẽ cao hơn nhiều công để bơm hỗn hợp lỏng từ áp
suất po đến áp suất pk. Do đó, tận dụng nhiệt thải của khói cho máy lạnh hấp thụ không những giúp
giảm tổn thất do khói thải ra ngoài mà còn giúp ta tiết kiệm một phần năng lượng mà lẽ ra phải dùng
khi s
ử dụng máy lạnh có máy nén hơi.
Cấu tạo
a. Bộ hâm nước:
Bộ hâm nước cũng như một thiết bị trao đổi nhiệt, dùng nhiệt của khói nóng đi bên ngoài
để gia nhiệt cho nước lạnh đi bên trong ống.
Để tăng cường diện tích trao đổi nhiệt, người ta bố trí thêm nhiều ống nối với nhau: “dạng
phẳng” hoặc “không gian”
Để tăng cường hệ số trao đổi nhiệt, người ta làm thêm cánh về phía khói, do khói có hệ số
tỏa nhiệt đối lưu α bé hơn nước
Tuỳ theo mức độ gia nhiệt trong bộ hâm nước mà bộ hâm nước có thể làm việc ở trạng thái
sôi hoặc không sôi. Ở các lò ghi do nhiệt độ không khí nóng không cao nên toàn bộ lượng nhiệt còn lại
thường dùng để gia nhiệt cho bộ hâm nước. V
ì vậy bộ hâm nước thường làm việc ở trạng thái sôi.
Cấu tạo của bộ hâm nước thường chia làm 3 loại: ống thép trơn, ống thép có cánh và ống
gang. Do tính chất của gang là chịu va đập kém nên thường dung gang cho những bộ hâm nước không
sôi.
Ở các bộ hâm nước bằng gang, người ta
thường l

àm thêm cánh ở bên ngoài (vì khói có hệ số tỏa nhiệt
đối lưu α bé hơn nước) để tăng cường hệ số trao đổi nhiệt
.
Do gang có tính đúc cao hơn thép nên việc làm cánh đối với
gang dễ hơn thép nhiều. Tuy nhiên, ngày nay do công nghệ
chế tạo đã phát triển nên việc làm cánh đối với thép không
còn khó khăn như trước nữa.
b. Bộ sấy không khí:
Cũng là một thiết bị trao đổi nhiệt. Theo nguyên tắc truyền nhiệt, bộ sấy không khí được
chia làm hai loại: loại thu nhiệt và loại hồi nhiệt.
Nước vào
Nước ra
Thu nhiệt: nhiệt truyền trực tiếp từ khói tới không khí qua vách kim loại (ở đây là các ống
dẫn). Bộ sấy không khí kiểu thu nhiệt được dùng rộng rãi nhất
hiện nay. Nó cũng có dạng của một bộ trao đổi nhiệt loại chùm
ống trong đó khói đi trong ống còn không khí đi bên ngoài ống.
Người chế tạo hệ thống ống đứng đặt so le và được giữ với nhau
bởi hai mặt sàng thành một cụm. Khi lắp lò, các cụm này được
lắp với nhau thành bộ sấy không khí.
Một cụm của bộ sấy không khí
Có nhiều cách để bố trí đường đi của khói và không khí:
Bộ sấy không khí kiểu ống có những ưu điểm sau:
- Đơn giản trong chế tạo, lắp ráp và làm việc chắc chắn
- Tro bám trong ống không nhiều, dễ dàng thổi sạch
- Khắc phục hiện tượng lọt không khí vào trong đường khói
- Xuất tiêu hao kim loại tương đối bé
Khuyết điểm: chủ yếu là ống thép không bền vững dưới tác dụng ăn mòn của khói ở nhiệt độ
cao và mài mòn bởi tro bay. Bộ sấy không khí bằng ống thép được dùng để gia nhiệt không khí tới
khoảng 400
0

C.
Khi mu
ốn nhiệt độ không khí cao hơn, người ta dùng bộ sấy không khí bằng gang. Để tăng hệ
số truyền nhiệt, ống gang thường có cánh ở ngoài và có răng ở trong.
Khuyết điểm của bộ sấy không khí bằng gang là kích thước cồng kềnh và nặng nề.
Bộ sấy không khí kiểu hồi nhiệt: khói đầu tiên đốt nóng kim loại rồi sau đó nhiệt tích tụ ở
kim loại sẽ truyền lại cho không khí. Bộ phận chính là một rôto qua với tốc độ 2 ÷ 5 vòng/phút xung
quanh tr
ục đứng. Trên rôto có gắn các lá thép, những lá thép này trong quá trình rôto quay sẽ lần lượt
khi thì tiếp xúc với khói nóng, khi thì tiếp xúc với không khí lạnh và qua đó “chuyển” nhiệt lượng từ
khói sang không khí. Đường khói v
à không khí được bố trí ở hai phía cố định và được ngăn bởi vách
ngăn.