Xây dựng chương trình tính toán thiết kế lò hơi công nghiệp đốt than

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

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN THIẾT KẾ
LỊ HƠI CƠNG NGHIỆP ĐỐT THAN
NGÀNH: CƠNG NGHỆ NHIỆT LẠNH
MÃ SỐ :

VƯƠNG TOÀN TÂN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TSKH NGUYỄN SĨ MÃO

HÀ NỘI - 2010


LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tôi xin trân trọng cảm ơn đến GS.TSKH Nguyễn Sĩ Mão người
đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, chỉ bảo giúp tơi hồn thành cuốn luận văn
này.
Tôi xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô giáo trong Viện KH&CN Nhiệt
Lạnh những người đã không quản khó khăn giảng dạy giúp đỡ nhiệt tình cá
nhân tơi nói riêng và các thành viên lớp cao học cơng nghệ Nhiệt Lạnh (20082010) nói chung.
Tơi xin được cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp những người ln
cổ vũ, đóng góp, động viên, giúp sức để tơi hồn thành tốt đề tài luận văn này.
Hà Nội, ngày....tháng....năm 2010

Vương Toàn Tân

MỤC LỤC
Tiêu đề

Trang

TRANG PHỤ BÌA
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG

1

1.1 CƠ SỞ ĐỀ TÀI

1

1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

2

1.3 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN

3

1.4 GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU

4

1.5 TRÌNH TỰ LUẬN VĂN

4

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ LỊ HƠI LỚP SƠI
2.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CƠNG NGHỆ LỊ HƠI LỚP SƠI
2.2 ƯU NHƯỢC ĐIỂM VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ LỊ
HƠI LỚP SƠI
2.2.1 Ưu điểm
2.2.2 Nhược điểm
2.2.3 Phạm vi ứng dụng
2.3 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ HIỆN TRẠNG ỨNG DỤNG CƠNG
NGHỆ LỊ HƠI LỚP SƠI TẠI VIỆT NAM

Chương 3: CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN TRONG TÍNH TỐN THIẾT
KẾ LỊ HƠI LỚP SƠI
3.1 TRÌNH TỰ THIẾT KẾ
3.1.1 Trình tự chung thiết kế lị hơi lớp sơi
3.1.2 Trình tự thiết kế lị hơi lớp sơi bọt
3.2 TÍNH CHỌN CÁC THƠNG SỐ KỸ THUẬT BUỒNG ĐỐT LỚP
BỌT
3.2.1 Diện tích ghi phân phối gió

5
5
6
6
8
9
9
12
12

12
13
15
15

3.2.2 Nhiệt đơ lớp sơi

15

3.2.3 Tốc độ lớp sôi

16


3.2.4 Chiều cao lớp sôi

16

3.2.5 Kết cấu buồng đốt

16

Chương 4: CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN LỊ HƠI CƠNG
NGHIỆP ĐỐT THAN

4.1 XÁC ĐỊNH SƠ ĐỒ CẤU TẠO VÀ CÁCH BỐ TRÍ CÁC PHẦN
TỬ CỦA LỊ HƠI
4.2 SƠ ĐỒ THUẬT TỐN CHUNG
4.3 LẬP TRÌNH VBA TRONG EXCEL VÀ CÁC MACRO ỨNG
DỤNG

4.3.1 Lập trình VBA trong Excel

17
17
19
20
20

4.3.2 Các Macro ứng dụng

20

4.4 CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU

26

4.4.1 Các thông số thay đổi

26

4.4.2 Các thông số cố định

27

4.5 CÁC THƠNG SỐ CỦA KHƠNG KHÍ VÀ SẢN PHẨM CHÁY

30

4.5.1 Thành phần thể tích của sản phẩm cháy

30

4.5.2 Xác định enthalpy của sản phẩm cháy

31

4.6 CÂN BẰNG NHIỆT LỊ HƠI

34

4.6.1 Phương trình cân bằng nhiệt

34

4.6.2 Tổn thất nhiệt do cháy không hết về mặt cơ học q4

34

4.6.3 Tổn thất nhiệt do cháy khơng hết về mặt hóa học q3

35

4.6.4 Tổn thất nhiệt do khói thải mang đi q2

35

4.6.5 Tổn thất nhiệt do thải xỉ q6
4.6.6 Tổn thất do tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh q5 và hiệu suất
lò hơi
4.6.7 Tiêu hao nhiên liệu của lò hơi

36
36

4.6.8 Hệ số giữ nhiệt

39

4.7 TÍNH NHIỆT VÀ THIẾT KẾ BUỒNG LỬA

37

43

4.7.1 Tính nhiệt phần lớp sơi

43

4.7.2 Tính nhiệt phần trên lớp sôi

52


4.7.3 Sơ đồ thuật toán

54

4.7.4 Thiết kế buồng lửa cơ sở

55

4.7.5 Thiết kế buồng lửa tính tốn

57

4.7.6 Tính chọn ống buồng lửa

61

4.8 PHÂN PHỐI NHIỆT

68

4.8.1 Bộ sấy khơng khí

68

4.8.2 Bộ hâm nước

68

4.8.3 Buồng đối lưu 2

69

4.8.4 Buồng đối lưu 1

70

4.9 TÍNH NHIỆT VÀ THIẾT KẾ BUỒNG ĐỐI LƯU

75

4.9.1 Tính nhiệt buồng đối lưu 1

76

4.9.2 Tính nhiệt buồng đối lưu 2

83

4.9.3 Tính nhiệt các đường khói đối lưu

89

4.9.4 Sơ đồ thuật toán

97

4.9.5 Thiết kế buồng đối lưu cơ sở

98

4.9.6 Thiết kế buồng đối lưu tính tốn

104

4.9.7 Tính chọn ống buồng đối lưu 1

109

4.9.8 Tính chọn ống buồng đối lưu 2

114

4.9.9 Nội suy xác định vị trí vách ngăn trong buồng đối lưu 2

117

4.10 TÍNH NHIỆT VÀ THIẾT KẾ BỘ HÂM NƯỚC

126

4.10.1 Tính nhiệt bộ hâm nước

126

4.10.2 Sơ đồ thuật tốn

133

4.10.3 Tính chọn kết cấu ống bộ hâm nước

134

4.10.4 Thiết kế bộ hâm nước cơ sở

136

4.10.5 Thiết kế bộ hâm nước tính tốn

137

4.11 TÍNH NHIỆT VÀ THIẾT KẾ BỘ SẤY KHƠNG KHÍ
4.11.1 Tính nhiệt bộ sấy khơng khí

141
141


4.11.2 Sơ đồ thuật tốn

148

4.11.3 Thiết kế bộ sấy khơng khí

149

4.12 TỔNG HỢP KẾT QUẢ TÍNH TỐN VÀ XỬ LÝ SAI SỐ

151

4.12.1 Tổng hợp kết quả tính tốn

151

4.12.2 Xử lý sai số
4.12.3 So sánh sơ đồ thuật tốn chương trình với sơ đồ tính nhiệt lị
hơi tổng qt

156

Chương 5: KẾT LUẬN & ĐỀ XUẤT

157
159

5.1 KẾT LUẬN

159

5.2 ĐỀ XUẤT

159

TÀI LIỆU THAM KHẢO

161

PHỤ LỤC

163

PHỤ LỤC 1 DANH MỤC BẢNG BIỂU

164

PHỤ LỤC 2 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

166

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 CƠ SỞ ĐỀ TÀI
Để đảm bảo cho sự tăng trưởng nền kinh tế quốc dân, sự phát triển ngành năng
lượng nói chung và sự phát triển cơng nghiệp điện nói riêng cần phải đi trước một bước
với một tốc độ cao hơn. Định hướng chiến lược phát triển về chính sách phát triển năng
lượng Quốc gia đến năm 2020 đã nêu rõ:"Cần phải khai thác sử dụng tối đa các nguồn
năng lượng một cách có hiệu quả; Cần phải sử dụng công nghệ tiên tiến để nâng cao
hiệu suất thiết bị sản xuất và sử dụng năng lượng nhiệt, giảm thiểu chất phát thải bảo
đảm môi trường xã hội phát triển bền vững".
Để sử dụng nguồn năng lượng nói chung và nguồn năng lượng than nói riêng một
cách có hiệu quả và hạn chế được tối đa khả năng gây ơ nhiễm mơi trường thì cần phải
đổi mới cơng nghệ đốt than, điều đó địi hỏi chúng ta phải nhanh chóng tiếp cận, nắm
vững, làm chủ những công nghệ và thiết bị đốt than tiên tiến mới nhập, đồng thời phải
nhanh chóng từng bước cải tạo các thiết bị đốt than cũ. Mặt khác phải nâng cao tiềm
lực khoa học công nghệ nội sinh để có thể tự chế tạo được các thiết bị sản xuất, sử
dụng năng lượng nhiệt phù hợp với điều kiện Việt Nam, đạt tiêu chuẩn kỹ thuật cao và
có tính cạnh tranh.
Trong các cơ sở sản xuất và sử dụng năng lượng thì lị hơi là thiết bị quan trọng
nhất, ảnh hưởng đến toàn bộ toàn nhà máy sản xuất và sử dụng năng lượng nhiệt kể cả
về mặt cấu trúc và cả về mặt hiệu quả kinh tế của nhà máy.
Lị hơi có nhiều loại, tuỳ theo mục đích sử dụng mà cấu tạo lị hơi có thể rất khác
nhau. Việc phân loại chúng cũng rất khác nhau:
- Theo chế độ đốt nhiên liệu trong buồng lửa có các loại: lị ghi gồm lị ghi thủ
cơng (ghi cố định), lị ghi nửa cơ khí và lị ghi cơ khí; lị phun đối với nhiên liệu lỏng
hay khí, đốt bột than, thải xỉ lỏng hay thải xỉ khơ; lị có buồng đốt xoáy v.v…

-1-

- Theo chế độ tuần hoàn của nước gồm các loại: tuần hồn tự nhiên, tuần hồn
cưỡng bức có bội số tuần hồn lớn hoặc lị trực lưu.
- Theo lịch sử phát triển lị hơi có các lọai: kiểu bình, ống lị, ống lửa, ống nước.
- Theo thơng số hay cơng suất của lị có lị hơi cơng suất thấp, trung bình, cao,
siêu cao v.v…
- Theo cơng dụng có lị hơi tĩnh tại, lò hơi nửa di động và di động, lị hơi cơng
nghiệp, lị hơi cho phát điện v.v…
Việc lựa chọn, chế tạo được một loại lị hơi thích hợp và tối ưu phụ thuộc rất
nhiều yếu tố và vơ cùng phức tạp địi hỏi phải có nghiên cứu thật kỹ lưỡng và lâu dài.
Tính tốn nhiệt là cơng việc đầu tiên của việc thiết kế chế tạo một lị hơi. Đây là
khâu quan trọng bậc nhất có tính chất quyết định tồn bộ bản thiết kế. Để tính nhiệt
phải ứng dụng một cách tổng hợp các môn khoa học cơ bản, các mơn cơ khí kỹ thuật
và các môn chuyên môn của ngành nhiệt cả về mặt lý thuyết lẫn về mặt thực nghiệm
nữa. Phương pháp tính nhiệt lị hơi đã và đang được xây dựng, hồn thiện và phát triển.
Để góp phần xây dựng một mơ hình tính nhiệt lị hơi có thể ứng dụng tại Việt
Nam, tơi xây dựng một phương pháp tính nhiệt lị hơi gồm những phần lý thuyết cơ
bản nhất ứng dụng vào tính tốn nhiệt, phương pháp giải bài tốn tính nhiệt, các ví dụ
các tốn đồ thực nghiệm, các bảng biểu cần thiết cho q trình tính tốn.
Trong luận văn này tơi xây dựng bài tính nhiệt lị hơi cơng nghiệp và lấy phương
pháp cháy kiểu tầng sôi làm mẫu.
1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
Trên cơ sở nghiên cứu một cách kỹ lưỡng về công nghệ lớp sôi bao gồm: khái
niệm lớp sôi, phân loại lớp sôi, cách thức để tạo ra lớp sôi, ưu nhược điểm và phạm vi
ứng dụng của công nghệ cháy lớp sôi, lịch sử phát triển và thực trạng ứng dụng cơng
nghệ lị hơi lớp sơi tại Việt Nam.
Lý thuyết thiết kế và tính nhiệt lị hơi lớp sôi bọt công suất nhỏ
-2-

Trong chương trình tính tốn thiết kế, nếu đưa một cặp thơng số đầu vào (D, p0)
thì phải tự động tính tốn và đưa ra kết quả:
- Thơng số kết cấu buồng lửa, thông số ống buồng lửa tại các mặt bên, mặt trước,
mặt sau của các vùng đặt ống khác nhau, chiều cao lớp sôi khi làm việc.
- Thông số kết cấu của buồng đối lưu, thông số chùm ống đối lưu trong các buồng
đối lưu thành phần, đường kính của các bao hơi và bao nước, vị trí các vách ngăn.
- Thông số kết cấu bộ hâm nước, kích thước đường khói đối lưu.
- Thơng số ống bộ sấy khơng khí.
- Biểu diễn các kết quả chính ra phần giao diện chương trình.
1.3 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN
- Tìm hiểu và nghiên cứu công nghệ lớp sôi qua các tài liệu chun mơn, các giáo
trình, trang web của các tác giả trong nước và nước ngoài.
- Thiết kế một lò hơi cơ sở (D=6T/h, p0=13 bar). Tham khảo[13].
- Áp dụng các lý thuyết đồng dạng vào công tác thiết kế lị hơi tính tốn.
- Việc tính nhiệt buồng lửa được thực hiện dựa theo các phương pháp tiêu chuẩn.
Trong luận văn này tôi sử dụng tiêu chuẩn của Liên Xô (trước đây) và của Trung Quốc.
Đối với buồng đối lưu, bộ hâm nước và bộ sấy khơng khí việc tính nhiệt được thực
hiện hồn tồn theo các phương pháp truyền thống thơng thường.
- Q trình tính tốn được thực hiện một cách tự động trên cơ sở của phần mềm
Microsolf Excel dưới sự hỗ trợ của các hàm có sẵn và các Macro được viết bằng ngơn
ngữ lập trình VBA (Visual Basic for Application) tích hợp sẵn trong Excel.
- Chương trình được phân thành các mơdun nhỏ, mỗi mơdun thực hiện một phần
tính tốn riêng biệt.
- Trong mỗi mơdun của thiết bị bao giờ cũng bao gồm hai phần thiết kế và tính
nhiệt được thực hiện song song với nhau với phương trâm sử dụng kết quả của phần
này để thực hiện việc tính tốn ở phần kia và ngược lại.

-3-

- Việc tra bảng và tra đồ thị được thực hiện bằng các hàm nội suy, với mỗi giá trị
tra sẽ biểu diễn bằng một điểm tra trên đồ thị.
- Sau khi thực hiện tính tốn, các kết quả chính cuối cùng được đưa ra ngồi giao
diện của chương trình.
1.4 GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU
Xây dựng chương trình tự động tính tốn thiết kế lị hơi cơng nghiệp với đặc điểm
sau:
- Lị hơi đốt theo kiểu lớp sơi bọt BFB
- Nhiên liệu sử dụng là than Anthracite
- Cơng suất lị hơi được chọn trong dải: 4.5-10T/h
- Hơi sản xuất ra là hơi bão hòa, với áp suất hơi mới là 13 bar
1.5 TRÌNH TỰ LUẬN VĂN
Luận văn gồm 5 chương:
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 2: Tổng quan về cơng nghệ lị hơi lớp sôi
Chương 3: Các vấn đề cơ bản trong tính tốn thiết kế lị hơi lớp sơi
Chương 4: Chương trình tính tốn thiết kế lị hơi cơng nghiệp đốt than
Chương 5: Kết luận & đề xuất

-4-


CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ LỊ HƠI LỚP SƠI
2.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CƠNG NGHỆ LỊ HƠI LỚP SƠI
Cơng nghệ cháy lớp sơi được phát triển từ cơng nghệ đốt nhiên liệu rắn trên ghi
cố định. Gió cấp một được thổi từ dưới ghi lên. Khi tốc độ gió đủ lớn sẽ tạo ra một lực
cuốn thắng được trọng lực của hạt và khi đó, các hạt sẽ bắt đầu dịch chuyển lên trên tạo
ra một lớp hạt lơ lửng giống như một lớp chất lỏng. Các chế độ tương tác giữa khí và
hạt phụ thuộc vào tốc độ gió cấp vào bao gồm : lớp cố định, giả lỏng đồng đều, sôi bọt,
sôi dạng pittông ( slugging), sơi rối, sơi chèn (choking) và sơi tuần hồn. (Hình2.1)

Hình2.1 Các chế độ khí động của lớp hạt[11]
Đối với các lị hơi lớp sơi (FB) thơng thường hoạt động theo phương thức sôi bọt,
chiều cao lớp sôi được giữ cố định trong một khoảng cho phép nào đó. Khơng gian

-5-


cháy chỉ chiếm một phần trong toàn bộ buồng đốt. Gió cấp vào từ quạt giải quyết hai
nhiệm vụ chính:
- Cung cấp khơng khí cho q trình cháy của nhiên liệu
- Tạo và duy trì lớp sơi
Khi tốc độ gió cấp vượt quá tốc độ gió tới hạn, chất rắn sẽ bị thổi bay ra khỏi lớp.
Nếu hạt tương đối thơ có thể sẽ quay trở lại mặt ghi do ảnh hưởng của trọng lực. Nếu
tiếp tục tăng tốc độ gió thì có thể một bộ phận hoặc tồn bộ chất rắn trên mặt ghi rơi
vào trạng thái chuyển động hai hướng : một hướng đi lên do lực nâng, một hướng đi
xuống trở lại mặt ghi do trọng lực. Trạng thái này giống như trạng thái sôi của chất
lỏng, tốc độ gió tại đó là umf (tốc độ giả lỏng tối thiểu). Lúc đó, lớp chất rắn chuyển
động từ trạng thái lớp cố định sang trạng thái sôi hay lớp sơi. Khi tốc độ gió tiếp tục
tăng, tồn bộ lớp sôi sẽ bị phá huỷ, các chất rắn trong lớp sơi đều bị bay ra ngồi,
tương tự nếu tốc độ gió q nhỏ khơng đủ để nâng khối lượng các hạt lên thì lớp sơi lại
trở thành lớp cố định. Tóm lại, trong vận hành lị hơi lớp sơi (FB), tốc độ gió cấp vào
lị phải nằm trong khoảng giới hạn sau : umf < u < ugiới hạn. Với dải tốc độ gió này, lị hơi
lớp sơi có thể là một trong hai dạng:
- Lị hơi lớp sơi bọt BFB ( Bubbling Fluidized Bed Boiler)
- Lò hơi lớp sơi tuần hồn CFB ( Circulating Fluidized Bed Boiler)
2.2 ƯU NHƯỢC ĐIỂM VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ LỊ HƠI
LỚP SƠI
2.2.1 Ưu điểm[3,11]:
Có độ linh hoạt trong sử dụng nhiên liệu :

Đây là một đặc tính ưu việt chính của lị hơi FB. Với một điều kiện khí động đặc
biệt, các lị hơi lớp sơi tạo ra một sự hỗn hợp khí-rắn và rắn-rắn rất hồn hảo. Do vậy,
các hạt nhiên liệu cấp vào buồng lửa sẽ nhanh chóng được phân tán vào trong khối hạt
và cũng nhanh chóng được gia nhiệt đến nhiệt độ bắt cháy mà không dẫn đến một sự
-6-


suy giảm đáng kể nào ở nhiệt độ tầng hạt. Đặc tính này cho phép lị hơi lớp sơi đốt bất
cứ một dạng nhiên liệu nào mà không cần cấp nhiên liệu mồi để cấp nhiệt cho khơng
khí và chính nhiên liệu nâng nhiệt độ của chúng đến điểm bắt cháy của nó. Do vậy, có
thể đốt thay nhau nhiều loại nhiên liệu trong một lị FB mà khơng cần một sự thay đổi
nào về cấu trúc lò. Hơn thế nữa thời gian dừng lại của khói và chất rắn trong lị lớp sơi
là rất dài nên cơng nghệ này có thể đem lại hiệu suất cao đặc biệt đối với nhiên liệu
khó cháy ít chất bốc như than Anthracite.
Sử dụng được các nhiên liệu phẩm cấp thấp:
Các lò hơi lớp sôi không đưa ra giới hạn về chất lượng nhiên liệu. Nó có thể đốt
được các loại than có hàm lượng tro xỉ lên tới 62%, nhiệt trị thấp tới mức 2500 kcal/kg,
thậm chí với hàm lượng cacbon chỉ chiếm 1% khối lượng cũng đủ để duy trì lớp sơi.
Hiệu suất cao:
Hiệu suất cháy trong lị hơi FB có thể lên tới trên 95%, hiệu suất tổng thể có thể
đạt tới 84%, khơng tính đến hàm lượng tro xỉ có trong nhiên liệu là bao nhiêu.
Hiệu quả khử lưu huỳnh:
Các lị hơi FB có thể khử lưu huỳnh bằng cách bổ sung đá vôi hay quặng
donomit. So với các lò hơi truyền thống, hiệu quả khử lưu huỳnh là cao hơn do thời
gian lưu lại của khí lớn và các hạt hấp thụ rất mịn trải đều trên bề mặt phản ứng rộng,
thúc đẩy quá trình phản ứng khử lưu huỳnh. Người ta ước tính rằng cứ 3% đá vơi có
thể khử được 1% lưu huỳnh có trong than cấp.
Giảm phát thải NOx:
Giảm phát thải NOx là một đặc tính hấp dẫn chủ yếu của lị hơi FB. Thực nghiệm
cho thấy các lò hơi CFB đưa ra giá trị phát thải NOx chỉ nằm trong khoảng 50-150 ppm

hay là 20-150 mg/MJ. Khơng khí cấp hai (chứa trên 20% lượng khơng khí thừa) được
cấp vào bên trên buồng đốt. Khi đó, Nitơ trong nhiên liệu đã tách ra thành nitơ phân tử
vẫn có rất ít cơ hội để hình thành NO2 trên vùng này. Nitơ trong khơng khí bình thường
khơng thể tạo thành NO2 ở nhiệt độ thấp (800-9000C) trong lò hơi FB.
-7-


Đốt được các hạt than có kích thước lớn:
Các hạt than có kích thước nhỏ hơn 6mm đã đốt cháy hiệu quả trong các lị hơi
lớp sơi, trong khi điều này lại rất khó thực hiện trong các lị hơi phun than truyền
thống.
Kích thước được giảm thiểu:
Với khả năng truyền nhiệt cao trong các khu vực trao đổi nhiệt nhỏ được ngâm
nhúng trong lớp sơi làm cho kích thước tổng thể của một lị hơi lớp sơi được giảm đi
đáng kể.
Số lượng điểm cấp nhiên liệu ít hơn:
Hệ thống cấp nhiên liệu trong lị hơi FB được đơn giản hố do số lượng điểm cấp
ít. Nó u cầu diện tích ghi nhỏ và do vậy diện tích buồng đốt sẽ nhỏ hơn diện tích
buồng đốt than phun có cùng cơng suất.
Sự thay đổi tải theo công suất rất tốt:
Vận tốc giả lỏng cao cộng với việc điều chỉnh dễ dàng lượng nhiệt hấp thụ cho
phép, các lị hơi FB có thể phản ứng nhanh nhạy với việc thay đổi tải.
Tiết kiệm không gian và bảo dưỡng dễ dàng:
Không gian FB là nhỏ gọn vì nó khơng có bộ khử lưu huỳnh, bộ khử Nitơ, hay
một hệ thống nghiền than lớn.
2.2.2 Nhược điểm:
Tốn chi phí đầu tư và vận hành cho hệ thống quạt:
Có rất nhiều quạt để vận hành một lị lớp sơi tuần hồn như quạt gió cấp, quạt áp
lực tại L-valve, quạt gió hút dành cho ống khói, hơn thế nữa quạt gió dùng trong lị lớp
sơi phải có áp lực cao đủ để nâng lớp hạt do vậy chi phi đầu tư và vận hành cho quạt

tăng lên.
Bề mặt trao đổi nhiệt dễ bị mài mòn:
Do trong q trình sơi, các hạt rắn chuyển động hỗn loạn trong buồng lửa có thể
gây mài mịn bề mặt của thiết bị trao đổi nhiệt đặt nhúng trong đó.
-8-


Tiêu hao kim loại lớn:
Nhiệt độ cháy trong lớp sôi chỉ duy trì trong dải khá thấp cỡ khoảng (800-9000C)
cho nên khả năng trao đổi nhiệt bằng bức xạ bị suy giảm ( do lượng nhiệt bức xạ thì tỷ
lệ bậc 4 đối với nhiệt độ ) dẫn tới diện tích bề mặt trao đổi nhiệt phải tăng lên và suất
tiêu hao kim loại lớn.
2.2.3 Phạm vi ứng dụng:
Các lò hơi lớp sôi bọt BFB được ứng dụng trên dải thơng số nhỏ và trung bình,
được áp dụng rộng rãi trong các ngành cơng nghiệp.
Các lị CFB có thể áp dụng trên các dải thơng số trung bình và lớn, được áp dụng
rộng rãi cả trong công nghiệp và phát điện.
2.3 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ HIỆN TRẠNG ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ LỊ
HƠI LỚP SƠI TẠI VIỆT NAM
Trước sức ép rất lớn từ cuộc khủng hoảng năng lượng thế kỷ 17, những nghiên
cứu và phát triển công nghệ cháy lớp sôi (FBC) đã được tiến hành. Tuy nhiên, sự ra đời
của công nghệ lớp sôi ban đầu lại được sử dụng để phục vụ cho các q trình cơng
nghệ khác nhau của vật lý và hóa học. Người ta đã áp dụng lớp sôi nhằm nâng cao hiệu
quả trao đổi nhiệt, trao đổi chất trong các hệ thống sấy, chưng cất dầu mỏ, làm sạch
quặng (LURGI), khí hóa v.v...Với sự tích lũy ban đầu trong q trình các q trình hóa
học và vật lý như vậy, cộng thêm vào đó là sự hiểu biết về kỹ thuật nổ công nghiệp,
công nghệ cháy lớp sơi ngày càng được nghiên cứu hồn thiện và phát triển. Vào
những năm 50 đầu những năm 60 của thế kỷ trước, công ty than quốc gia Anh quốc đã
tiến hành nghiên cứu kỹ thuật cháy lớp sôi đầu tiên nhằm giảm thiểu lượng than tiêu
thụ và tăng cường sức cạnh tranh với các loại nhiên liệu lỏng khác. Đến năm 1970, tại

Houston, Texas (Hoa Kỳ), cuộc hội thảo quốc tế lần thứ hai về công nghệ cháy lớp sôi
đã được tổ chức nhằm khẳng định những ưu điểm và tính ưu việt của cơng nghệ cháy
lớp sôi và những tiềm năng lớn để ứng dụng của nó trong cơng nghiệp và phát

-9-


điện[11]. Ngày nay, công nghệ lớp sôi (BFB) và lớp sơi tuần hồn (CFB), hai dạng
điển hình của cơng nghệ FB với ưu điểm là sử dụng được cả những loại than xấu,
nhiên liệu sinh khối, giảm phát thải NOx và SOx, nên đã được nhiều công ty hàng đầu
trên thế giới như: Foster Wheeler, Alstom, Babcock & Wilcox, Misubishi Heavy
Industry v.v...nghiên cứu ứng dụng và triển khai rộng rãi trên toàn thế giới.
Tại Việt Nam, chúng ta đang sở hữu những bể than lớn với chất lượng cao như bể
than Quảng Ninh, bể than sông Hồng. Tuy nhiên, cho dù than có nhiều thế nào đi
chăng nữa thì một ngày nào đó chúng cũng sẽ cạn kiệt. Do vậy, trong một tương lai
khơng xa rất có thể chúng ta phải sử dụng cả những nguồn nhiên liệu xấu có độ tro và
hàm lượng lưu huỳnh cao, các phế phẩm nơng nghiệp (trấu, bã mía) và các nguồn
nhiên liệu rắn khác (gỗ vụn, củi, rác thải công nghiệp v.v...) nhằm thay thế cho nguồn
nhiên liệu chất lượng cao và nhập khẩu đắt tiền (như xăng, dầu và khí đốt). Như vậy
xét trên khía cạnh nào cũng vậy, vấn đề nghiên cứu và phát triển cơng nghệ lị hơi lớp
sơi tại Việt Nam là vô cùng cần thiết. Sự phát triển công nghệ này không chỉ giúp
chúng ta thay thế các lò hơi truyền thống đang làm việc kém hiệu quả, gây ơ nhiễm
trong các nhà máy nhiệt điện mà cịn mở ra một hướng đi đầy tiềm năng dành cho các
lị hơi cơng suất nhỏ và trung bình được áp dụng trên thang đo công nghiệp.
Công nghệ FB đã được các nhà khoa học Việt Nam quan tâm từ rất lâu những
năm 1985-1990, song các hoạt động nghiên cứu cũng chỉ dừng lại ở kết quả lý thuyết
thuần túy, chưa có những nghiên cứu chế tạo thực nghiệm và do vậy chúng ta vẫn chưa
tạo ra được một sản phẩm cụ thể nào để có thể được ứng dụng, triển khai trong thực
tiễn.
Trên thực tế chúng ta cũng đã có những lị hơi lớp sơi, song hồn tồn theo

phương thức chìa khóa trao tay giữa nhà cung cấp thiết bị và chủ đầu tư như lò hơi đốt
than kiểu IGNIFLUID tại công ty giấy và bột giấy Bãi bằng (Phú thọ) vận hành năm
1983, tại nhà máy dệt Nam định vận hành năm 1986. Cơng nghệ lị hơi lớp sơi tuần
hoàn (CFB) lần đầu tiên được ứng dụng ở Việt Nam là tại nhà máy nhiệt điện Na
- 10 -


Dương (Lạng Sơn) do Tập đồn Than khống sản Việt nam (VINACOMIN) là chủ đầu
tư với phía đối tác là Tập đoàn Foster Wheeler. Hệ thống nhà máy được khai thác vận
hành từ tháng 11/2006. Tiếp đó các lị hơi CFB khác của hãng Alstom cũng được vận
hành tại nhà máy nhiệt điện Cao Ngạn (Thái nguyên) với công suất điện 2 x 55 MW.
Tuy nhiên thực tế cho thấy, chính vì các máy móc thiết bị được nhập khẩu hoàn
toàn từ nước ngoài, việc thiết kế chế tạo bị phụ thuộc hoàn toàn vào đối tác do vậy
chúng ta đang rất bị động trong các khâu vận hành, bảo dưỡng, thay thế và sửa chữa
thiết bị. Kết quả chạy thử nghiệm gần đây của các lò hơi CFB tại nhà máy nhiệt điện
Na Dượng, Cao Ngạn đều cho kết quả thấp về tính ổn định, chưa phù hợp với chất
lượng nguồn nhiên liệu địa phương, công nghệ xử lý phát thải SOx trong các buồng đốt
chưa phù hợp, năng lực làm chủ cơng nghệ của các cơ sở cịn nhiều yếu kém. Do vậy,
những nghiên cứu tổng thể bao gồm cả lý thuyết, thiết kế, chế tạo, lắp đặt vận hành bảo
dưỡng sửa chữa nhằm xây dựng những chiếc lị hơi lớp sơi mang thương hiệu Việt là
cơng việc vô cùng cần thiết của các kỹ sư và các nhà khoa học tại Việt Nam.

- 11 -


CHƯƠNG 3: CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN TRONG TÍNH TỐN THIẾT
KẾ LỊ HƠI LỚP SƠI
3.1 TRÌNH TỰ THIẾT KẾ
3.1.1 Trình tự chung thiết kế lị hơi lớp sơi:
Việc thiết kế một lị hơi đốt than theo phương pháp lớp sơi FB là một cơng việc

mới, tương đối phức tạp, địi hỏi những người thiết kế phải nắm vững nhiều vấn đề về
kỹ thuật nói chung , các vấn đề về kỹ thuật nhiệt và bản chất các quá trình xảy ra trong
thiết bị nói riêng. Cần tiến hành các tính tốn cần thiết để có thể dự báo chính xác các
hiện tượng cơ nhiệt xảy ra trong thiết bị. Cũng như việc thiết kế các lị hơi thơng
thường, việc thiết kế một lị hơi lớp sơi cũng phải thực hiện qua các bước chính sau:
- Lựa chọn phương pháp đốt (đốt theo lớp sơi bọt, lớp sơi tuần hồn hay theo
phương pháp trung gian).
- Lựa chọn các phương pháp cấp than , cấp gió ,thải tro xỉ.
- Lựa chọn hình dạng của tồn bộ lị hơi và các phần tử chính.
- Lựa chọn các thơng số làm việc cơ bản của các phần tử của lò.
- Thực hiện các bài tốn tính nhiệt và thiết kế nhằm đưa ra các kích thước, các
thơng số cơ bản của lị và thiết bị để từ đó có thể tiến hành thiết kế thi cơng chi tiết .
Bài tốn tính nhiệt lị hơi là bài toán đầu tiên phải thực hiện và là bài toán quan
trọng, xác định ra các số liệu nhiệt quan trọng nhất để thực hiện các tính tốn khác
hoặc lựa chọn thiết bị.
Việc tính nhiệt lị hơi FB cũng thực hiện theo các bước tương tự như tính nhiệt
các lị hơi PC, gồm tính nhiệt buồng đốt, tiếp đó tính nhiệt các bề mặt đốt phần đi.
Việc tính nhiệt các bề mặt đốt phần đi lị FB thực hiện hồn tồn giống như tính
nhiệt các bề mặt đốt phần đi lị PC. Nhưng việc tính nhiệt buồng đốt lị FB thực hiện
hồn tồn khác.
Do có hai loại buồng đốt lớp sôi là buồng đốt lớp sôi bọt -BFB và lớp sơi tuần
hồn - CFB, về ngun lí làm việc của hai loại buồng đốt này, cũng như các phần tử
- 12 -


buồng đốt đi kèm, có khác nhau, nên việc tính nhiệt buồng đốt lớp sơi bọt và lớp sơi
tuần hồn cũng thực hiện khác nhau.
Các số liệu về kỹ thuật lớp sơi rất nhiều, đa dạng và có tính thực nghiệm nhưng
chưa thống nhất và chưa được tiêu chuẩn hóa. Vì vậy, các nước, các hãng chế tạo lị
hơi, các tác giả v.v... đưa ra các phương pháp tính nhiệt buồng đốt khác nhau.

3.1.2 Trình tự thiết kế lị hơi lớp sơi bọt:
Như đã nói ở trên, các bước thiết kế và tính tốn một lị hơi lớp sơi vẫn chưa được
chuẩn hoá, chủ yếu là ở phần thiết kế và tính tốn buồng đốt. Các bước cịn lại, thực
hiện tương tự như khi thiết kế một lò hơi đốt than thơng thường. Như vậy việc thiết kế
một lị hơi BFB cũng cần qua các bước chính sau:
- Xác định các thông số kinh tế - kỹ thuật của bài tốn đưa ra : Đặc tính than đốt
trong lị hơi ; các điều kiện mơi trường bên ngồi tại khu vực bố trí lị ; các thơng số kỹ
thuật như thông số hơi D, phơi , t hơi v.v...và các yêu cầu khác.
- Dựa trên cơ sở các tài liệu thiết kế, các số liệu kinh nghiệm v.v... người thiết kế
phải đưa ra được cấu hình cơ bản của tồn bộ lị hơi, cũng như của các phần tử chính
của lị. Phải quyết định được các giải pháp chính của toàn bộ hệ thống như phương
pháp cấp nhiên liệu và thải tro xỉ, cấp nước, giải pháp bảo ôn và chịu lửa, chống mài
mòn, cấu trúc các bề mặt đốt, mức độ tự động hoá v.v....
- Thực hiện các bản vẽ bản thể lị hơi và các bài tính nhiệt lực lị, khí động, thuỷ
động, sức bền các phần tử lò hơi, lần lượt từ buồng lửa đến các bề mặt đốt cuối cùng
dọc theo đường lưu động khói.
Kết quả tính tốn phải thỗ mãn các u cầu đặt ra, thoả mãn các tiêu chuẩn về kỹ
thuật, an toàn và môi trường mới nhất của kỹ thuật và của người đặt hàng, thoả mãn
các tiêu chuẩn về kinh tế như giá thành, khả năng chế tạo. Với các lò hơi FB, thiết kế
phải đạt được các ưu việt của phương pháp đốt FB như các vấn đề về môi trường,
nhiên liệu v.v...

- 13 -


Trước khi thiết kế, tính chọn một lị hơi đốt than theo lớp sơi, cần có lưu ý là
các lị hơi lớp sơi BFB có các đặc điểm sau:
- Thường áp dụng cho các lị hơi cơng nghiệp, có cơng suất nhỏ và trung bình
(cơng suất nhiệt từ 5 đến 100MW nhiệt, thông số hơi tất nhiên tùy theo yêu cầu sử
dụng, nhưng có thể đạt tới các thơng số của các lị hơi năng lượng cơng suất trung bình

- PQN= 10-70 bar, tQN = 200-5000C [11]).
- Thường áp dụng khi cần đốt các loại than xấu (độ tro cao: ALV>30%, độ ẩm cao:
WLV>15% ), được cung cấp từ nhiều nguồn than nên chất lượng nhiên liệu giao động
(đó là ưu điểm nổi trội của phương pháp đốt theo FB).
- Áp dụng phương pháp đốt BFB khi cải tạo, nâng cấp các lò hơi đốt than cũ, cần
nâng cao năng suất, hiệu suất hoặc khi cần cơ giới hoá vận hành lò. Bảng dưới đây cho
thấy giải các loại nhiên liệu có thể đốt tốt trong lớp sơi:
Tính chất

Than nâu

nhiên liệu
Nam

Quốc

Tư

Độ ẩm W, %

33-56

Độ tro A, %

Vdaf%
Nhiệt trị,
MJ/kg

Than nhiều tro

thải gỗ
Trung

Chất bốc,

Phế

Than

Than

Anthracite

Cite

USA

Ấn Độ

USA

Brazin

Ireland

40-46

30-60

5,7

7,0

11-16

10-20

0.5-0.6

57,4

55,0

67-69

67

50

50

16,9

-

-

-

18.7

14

4-9

10

12.3

11

7-11.5

9.9

0,85

Bảng 3.1 Các loại nhiên liệu đã đốt tốt trong lớp sơi [3]
Việc thiết kế tính tốn buồng đốt BFB thường thực hiện qua các bước chính sau:
1-Tính chọn các thông số kĩ thuật buồng đốt :
- Xác định hình dáng và kích thước chính của buồng đốt.
- 14 -


- Xác định kết cấu dàn ống buồng lửa và bề mặt đốt đặt trong lớp sôi.
- Xác định kết cấu ghi và các đặc tính ghi liên quan đến chế độ làm việc khí
động của buồng đốt.
2-Tính nhiệt buồng đốt, xác định lượng nhiệt truyền trong buồng đốt và nhiệt độ
khói ra khỏi buồng lửa.
3.2 TÍNH CHỌN CÁC THƠNG SỐ KỸ THUẬT BUỒNG ĐỐT LỚP SƠI BỌT

3.2.1 Diện tích ghi phân phối gió:
Dựa trên cơ sở lí thuyết và thực nghiệm, có thể có các cách xác định diện tích ghi
phân phối gió, theo tiêu chuẩn tính nhiệt của Liên Xơ thì:
Fghi=Btt.Vkhoi(θLS +273)/273.ω, m2

(3.1)

Trong đó:
Btt - Tiêu hao nhiên liệu tính tốn, kg/s
Vkhoi - Thể tích khói, m3TC/kgnl
θLS - Nhiệt độ lớp sơi, 0C
ω - Tốc độ khơng khí hoặc khói đi qua lớp sơi ở nhiệt độ tính tốn, m/s
Có thể chọn sơ bộ diện tích ghi theo cường độ toả nhiệt của một đơn vị diện tích
ghi - qGHI = 1-2 (MW/m2)- đối với lị tầng sơi bọt [11].
Hoặc xác định theo công thức thực nghiệm sau [3]:
qGHI = 3,8.ω.273/[αBL(273+θLS)], MW/m2

(3.2)

αBL - Hệ số khơng khí thừa buồng lửa.
Ví dụ , khi αBL =1.2, t=9000C, ω = 2 m/s. Ta có qGHI = 1.5MW/m2.
Cũng có thể dựa theo công thức [3]:
Fghi = (0,3-0,35)D , m2.

(3.3)

D- công suất hơi, T/h.
3.2.2 Nhiệt độ lớp sôi:

- 15 -

Nhiệt độ lớp sôi θ LS phụ thuộc chủ yếu vào loại nhiên liệu. Với các loại than khó
cháy như than Anthracite, để ổn định quá trình cháy nhiệt độ làm việc lớp sôi nên lấy
bằng 900-950 0C, và phải nhỏ hơn nhiệt độ bắt đầu mềm của tro T1 hơn 500C[3]. Với
nhiệt độ này q trình tối ưu hóa để giảm thiểu phát thải SOx và NOx được đảm bảo.
3.2.3 Tốc độ lớp sôi:
Tốc độ sôi của buồng đốt tầng sôi bọt chọn trong khoảng 1 - 3.5 - 4 m/s [11] hoặc
có thể chọn theo lượng khơng khí thổi qua 1 m2 diện tích ghi, theo [3] lượng khơng khí
vận hành tối ưu, cỡ 2000-2800 m3TC/m2ghi (tức bằng khoảng 3÷4 lần lượng gió tối thiểu
để lớp hạt bắt đầu sôi). Tốc độ sôi không nên lớn hơn 0.5ωBAY.
3.2.4 Chiều cao lớp sôi:
Chiều cao lớp sôi bị giới hạn bởi thể tích của các phần ống trao đổi nhiệt ngâm
nhúng trong lớp sôi, thời gian lưu trú của không khí dành cho q trình cháy hay thời
gian để khử lưu huỳnh. Thông thường chiều cao lớp sôi được chọn trong khoảng 0.41.5m[12]. Chiều cao lớp sôi không nên chọn quá cao, việc chọn quá cao có thể gây tổn
thất trở lực lớn, tốn năng lượng quạt gió để duy trì lớp sơi, tổn thất nhiệt tại đầu ra cũng
rất lớn.
3.2.5 Kết cấu buồng đốt:
Buồng đốt lớp sơi nên có hình dạng phía dưới nên nhỏ hơn phía trên , tức là tường
buồng đốt đoạn dưới có góc loe, mở ra lên phía trên, với góc loe cỡ 400-450. Thể tích
buồng đốt được tính tốn để đảm bảo làm mát khói ra khỏi buồng đốt tới nhiệt độ nhỏ
hơn nhiệt độ trung bình lớp sơi 1500C-3000C, tốc độ khói nóng ở vùng trên buồng lửa,
phía ra khỏi buồng lửa càng nhỏ càng tốt, cỡ trên dưới 1m/s[3].

- 16 -


CHƯƠNG 4: CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN LỊ HƠI CƠNG NGHIỆP ĐỐT THAN
4.1 XÁC ĐỊNH SƠ ĐỒ CẤU TẠO VÀ CÁCH BỐ TRÍ CÁC PHẦN TỬ CỦA LỊ HƠI
+7204

+6866

+6966
+6712

bao h¬i

+6470

4
x1
d BH

+6450

390x390

4

Ø273x10

Bé hâm nước
bằng gang

+5735
buồng

đối lưu 1

đối lưu 2

+4967

vách ngăn 2

1

ống 51x3.5

cửa kiểm
tra

ống ỉ60x3

2

+3023
+2961

Buồng đối lưu

+3216

4
x1
d BN

390x390

+4467

vách ngăn 1

390x390

Vùng đặt ống 1

+4757

+4690

+3510
bao nước

bệ đỡ
+2772

ống ỉ40x1.5

bộ sấy không khí

+5518

Buồng lửa
2839

buồng

+6435

260x330

3

64

Vùng đặt ống 2

không khí
vào

+1961
cửa cấp
nhiên liệu

+1720

ống ỉ60x3
+1523

375x250

+1680

cửa gió cấp 2

2920

2100

900

ỉ260

+769

+600

đường khói
đối lưu

hộp gió

khói ra

+0.0

600x600

600x600

600x600

Hình4.1 Sơ đồ cấu tạo và cách bố trí các phần tử lò hơi cơ sở (D=6T/h, p0=13bar)
- 17 -

600x600


Trước khi thực hiện việc tính tốn nhiệt, ta cần phải lựa chọn được hình dạng tổng

thể của tồn bộ lị hơi và các phần tử chính, bao gồm:
- Hình dáng của buồng lửa và đường khói đi
- Phương pháp bố trí các bề mặt đốt
- Phương pháp cấp than, cấp gió và thải tro xỉ
Trong bản thiết kế này, ta chọn:
- Lò hơi đốt than Anthracite. Thành phần cụ thể được trình bày tại bảng 4.1
- Phương pháp đốt là lớp sôi bọt BFB
- Cấp than trên lớp sôi
- Thải xỉ khơ
- Gió cấp một được cấp từ phía dưới ghi
- Gió cấp hai được cấp vào buồng lửa tại một chiều cao nhất định trên ghi
- Buồng lửa được chia thành hai vùng có cách đặt ống khác nhau:
+ Vùng đặt ống 1
+ Vùng đặt ống 2
- Sau buồng lửa khói đi vào buồng đối lưu bao gồm:
+ Buồng đối lưu 1
+ Buồng đối lưu 2
+ Chùm ống đối lưu của cả hai buồng được nối với bao hơi và bao nước
+ Nhằm tăng cường chiều dài đường đi của khói ta làm các vách ngăn 1&2
- Trong đường khói đối lưu, ta bố trí:
+ Bộ hâm nước bằng gang
+ Bộ sấy khơng khí kiểu ống thép
- Lớp bảo ôn buồng lửa chọn loại tương đối nhẹ và trọng lượng của bảo ơn truyền
hết cho khung lị.
- 18 -


4.2 SƠ ĐỒ THUẬT TỐN CHUNG
CÁC THƠNG SỐ BAN ĐẦU

CÁC THƠNG SỐ CỦA KHƠNG KHÍ
VÀ SẢN PHẨM CHÁY
CÂN BẰNG NHIỆT LỊ HƠI TÍNH
TỐN VÀ LỊ HƠI CƠ SỞ
TÍNH NHIỆT VÀ THIẾT KẾ
BUỒNG LỬA

TÍNH NHIỆT VÀ THIẾT KẾ
BUỒNG ĐỐI LƯU
TÍNH NHIỆT VÀ THIẾT KẾ BỘ
HÂM NƯỚC

Gán t"hn=t*"hn

IN RA KẾT QUẢ

PHÂN PHỐI NHIỆT

t*"hn-t"hn=0
S
Đ
TÍNH NHIỆT VÀ THIẾT KẾ BỘ
SẤY KHƠNG KHÍ

Hình4.2 Sơ đồ thuật tốn chung của tồn chương trình

- 19 -