Tài liệu Giáo trình lò luyện kim - chương 5 pdf

Chơng 5
Thiết bị đốt nhiên liệu
5.1. Thiết bị đốt nhiên liệu rắn
Để đốt cháy nhiên liệu, trong các lò luyện kim cũng nh trong các lò công nghiệp
nói chung, ngời ta sử dụng thiết bị gọi là thiết bị đốt. Thiết bị đốt cần đảm bảo đốt
cháy nhiên liệu một cách hiệu quả, mặt khác phải đơn giản về kết cấu, dễ sử dụng và
sửa chữa.
Để đốt nhiên liện rắn mà chủ yếu là than dạng cục ngời ta sử dụng thiết bị đốt
gọi là buồng đốt. Buồng đốt nhiên liệu rắn đợc chia thành:
+ Buồng đốt thủ công : thao tác cấp than bằng thủ công.
+ Buồng đốt cơ khí: thao tác cấp than cơ khí hóa.
5.1.1. Buồng đốt thủ công
Buồng đốt thủ công đợc chia thành hai loại: buồng đốt ghi phẳng và buồng đốt
ghi nghiêng.
Buồng đốt ghi phẳng: Cấu trúc của buồng đốt ghi phẳng trình bày trên hình 5.1a.

1
2
3
5
4
6
a)
b)
c)

Hình 5.1 Sơ đồ cấu trúc buồng đốt ghi phẳng
1) Cửa chất than 2) Than 3) Ghi lò 4) Cửa cấp gió
5
)
Cửa tháo xỉ 6
)
Buồn
g
chứa xỉ



Trong buồng đốt ghi phẳng, than đợc cấp vào lò qua cửa chất than (1), trải thành
lớp trên mặt ghi (3), gió đợc thổi vào mặt dới của ghi qua cửa cấp gió (4) và đi qua
ghi đốt cháy than (2) tạo thành khí lò đi sang buồng làm việc của lò. Xỉ tạo thành khi
đốt than rơi xuống ngăn chứa xỉ (6) và định kỳ đợc tháo ra ngoài qua cửa tháo xỉ (5).
-79-
Ghi lò đợc chế tạo từ gang hợp kim chịu nhiệt, dạng thanh ghép lại với nhau
(hình 5.1b) hoặc dạng tấm (hình 5.1c). Khi than có cỡ cục lớn ngời ta sử dụng ghi
thanh, u điểm của ghi thanh là dễ thay thế khi bị hỏng nhng khó khăn trong lắp đặt.
Khi than có cỡ cục bé, ngời ta sử dụng ghi tấm, u điểm của nó là dễ lắp đặt nhng
khi bị hỏng phải thay cả tấm.
Tỉ lệ giữa tổng diện tích lỗ mắt ghi và diện tích toàn bộ mặt ghi gọi là tỉ lệ mắt
ghi, tỉ lệ này đối với ghi phẳng thờng từ 15 - 30 %, trị số lớn dùng cho than cỡ nhỏ.
Buồng đốt thủ công ghi phẳng có cấu trúc đơn giản, thuận lợi cho thao tác nhng
có nhợc điểm:
+ Nhiệt độ trong buồng đốt không ổn định do chất than theo chu kỳ.
+ Hệ số d không khí lớn n = 1,3 - 1,7.

+ Hạn chế việc dùng gió nóng.
Buồng đốt ghi nghiêng: Đối với các buồng đốt có công suất nhiệt lớn, để thuận
tiện cho việc cấp than và đánh xỉ ngời ta dùng buồng đốt ghi nghiêng. Cấu trúc của
kiểu buồng đốt này đợc trình bày trên hình 5.2.


7
6
5
4
3
1
2








Hình 5.2 Sơ đồ buồng đốt ghi nghiêng
1) Bongke chứa than 2) Cơ cấu điều chỉnh 3) Ghi nghiêng
4) Ghi phẳng 5) Cửa gió trên 6) Cửa gió dới 7) Cửa tháo xỉ


Ghi lò gồm 2 phần: phần chủ yếu là ghi nghiêng (3) và một phần là ghi phẳng (4).
Ghi nghiêng đợc tạo bởi các thanh ghi bản rộng từ 200 - 250 mm ghép thành bậc 70 -
100 mm, tạo thành một mặt phẳng nghiêng so với mặt phẳng ngang một góc từ 35 -
40

o
.

-80-
Than đợc cấp từ bongke chứa (1) rơi xuống ghi nghiêng (3) và đợc đốt cháy
chủ yếu trên mặt ghi nghiêng, phần than cháy cha hết rơi xuống và tiếp tục cháy trên
phần ghi phẳng. Xỉ tạo thành chủ yếu tập trung trên phần ghi phẳng và rơi xuống
buồng chứa xỉ, định kỳ đợc tháo ra ngoài qua cửa tháo xỉ (7). Lợng than cấp vào lò
đợc điều chỉnh bằng cơ cấu quay đóng mở cửa bongke thông qua cần gạt (2). Gió
đợc cấp qua cửa gió trên (5) để đốt than trên ghi nghiêng và qua cửa gió (6) để đốt
than trên ghi phẳng.
Buồng đốt ghi nghiêng có u điểm:
+ Sự cháy của nhiên liêu xẩy ra liên tục và đều dặn nên nhiệt độ ít thay đổi.
+ Có thể dùng đốt than cở nhỏ.
+ Thao tác cấp than dễ dàng hơn.
Nhợc điểm của buồng đốt ghi nghiêng là kết cấu cồng kênh, lắp đặt khó khăn.
5.1.2. Buồng đốt cơ khí
Trong buồng đốt cơ khí, việc cấp than và tháo xỉ ra ngoài đợc cơ khí hóa hoàn
toàn. Trong các buồng đốt loại này, than đợc cấp từ dới lên nhờ cơ cấu xoắn tải hoặc
cấp từ trên xuống bằng khí nén, bằng cơ cấu quay kiểu cánh gạt.
Trên hình
5.3 trình bày sơ đồ buồng đốt cấp than từ dới lên bằng xoắn tải.

1
2
3
4
5
6
7

Hình 5.3 Sơ đồ buồng đốt cơ khí cấp than từ dới lên bằng xoắn tải
1) Bongke chứa than 2) Cơ cấu cấp than 3) Xoắn tải
4) Ghi lò hình phểu 5) Ghi chứa xỉ 6) Buồng gió 7) Buồng chứa xỉ









Than từ bongke chứa (1) đợc cơ cấu cấp đa vào xoắn tải (3) và đợc đẩy lên
cao hơn mặt ghi hình phểu (4), còn gió đợc cấp vào buồng gió (6) và qua các lỗ mắt
ghi đi lên đốt cháy than. Xỉ tạo thành trong quá trình cháy lăn xuống ghi chứa xỉ và rơi
xuống buồng chứa (7).
-81-
Trong buồng đốt cơ khí cấp than từ phía trên bằng cánh gạt, ngời ta dùng cơ cấu
quay kiểu cánh gạt, than từ bongke rơi vào buồng cấp đợc các cánh gạt tung lên mặt
ghi. Lợng than cấp đợc điều chỉnh bởi tốc độ quay cánh gạt.
Trong buồng đốt cơ khí cấp than từ phía trên bằng khí nén, ngời ta dùng khí nén
đẩy than tung lên mặt ghi, lợng than cấp đợc điều chỉnh bằng cách thay đổi áp suất
khí nén.
Buồng đốt cơ khí cải thiện điều kiện lao động cho ngời thao tác, nhng kết cấu
phức tạp, giá thành cao, chỉ thích hợp với lò có công suất nhiệt lớn.
5.1.3. Tính toán buồng đốt
a) Chọn kiểu buồng đốt
Khi thiết kế buồng đốt, cần căn cứ vào đặc điểm của nhiên liệu, công suất nhiệt
của lò để chọn kiểu buồng đốt thích hợp. Nguyên tắc chung để chọn kiểu buồng đốt:
+ Nếu buồng đốt có công suất nhiệt nhỏ thì nên dùng buồng đốt thủ công, đối với

lò công suất nhiệt lớn nên dùng buồng đốt cơ khí.
+ Nếu than có cở cục nhỏ hoặc dễ vở vụn dùng buồng đốt ghi tấm phẳng hoặc
dùng ghi nghiêng khi công suất nhiệt tơng đối lớn. Than có cỡ cục trung bình và lớn
sử dụng buồng đốt ghi thanh.
+ Nếu than có hàm lợng chất bốc lớn cần chọn chiều cao buồng đốt lớn.
+ Khi diện tích mặt ghi lớn nên chia buồng đốt thành một số buồng để thuận tiện
cho thao tác cấp than và đánh xỉ.
b) Tính các kích thớc cơ bản của buồng đốt
- Xác định diện tích mặt ghi:
Diện tích mặt ghi đợc xác định theo công thức sau:

R
B
F =
[m
2
] (5.1)
Hoặc:
r
Q.B.28,0
F
d
= [m
2
] (5.2)
Trong đó:
B - lợng nhiên liệu đốt trong một giờ [kg/h].
Q
d
- nhiệt trị thấp của nhiên liệu [j/kg].

R - cờng độ cháy của ghi lò [kg/m
2
.h].
r - cờng độ nhiệt của ghi lò [W/m
2
].
-82-
Giá trị của R, r chọn theo bảng (bảng
5.1).
Bảng
5.1 Cờng độ cháy và cờng độ nhiệt của ghi lò
r .10
-3
Dạng
nhiên liệu
Kiểu
buồng đốt
R
kg/m
2
.h
Kcal/m
2
.h W/m
2
Than củi Ghi thủ công 200 - 300 400 - 1 500 465 - 1 744
Than bùn Ghi thủ công 200 - 400 600 - 1 200 697 - 1 395
Than đá Ghi thủ công 70 - 120 300 - 1 500 349 - 1 744
Than antraxit Ghi thủ công 100 - 120 400 - 1 500 465 - 1 744

- Chọn tỉ lệ mắt ghi và các kích thớc cơ bản của ghi: Căn cứ vào loại than, cỡ hạt
của than chọn tỉ lệ mắt ghi, tính diện tích mắt ghi, xác định hình dạng và kích thớc
của mắt ghi.
Bảng
5.2 Quan hệ giữa loại than và tỉ lệ mắt ghi
Loại than Tỉ lệ mắt ghi f/F (%)
Than đá, than nâu 25 - 30
Than củi, than bùn 15 - 20
Than gầy, than antraxit 10 - 15

- Xác định thể tích buồng đốt: Thể tích buồng đốt phụ thuộc loại than và kiểu lò,
đợc xác định theo công thức sau:

q
B.Q
V
d
= [m
3
] (5.3)
Trong đó:
Q
d
- nhiệt trị thấp của nhiên liệu, [j/kg].
B - lợng than cần đốt trong một giờ, [kg/h].
q - mật độ nhiệt thể tích của buồng đốt, [W/m
3
], giá trị chọn theo bảng 5.3.
- Tính chiều cao của buồng đốt:
Chiều cao buồng đốt xác định theo công thức:

F
V
H =
[m] (5.4)
Trong đó: V- thể tích buồng đốt [m
3
].
F - diện tích mặt ghi [m
2
].
-83-
Bảng
5.3 Mật độ nhiệt thể tích của buồng đốt
Buồng đốt lò nung Buồng đốt lò sấy
Loại nhiên liệu
kcal/m
3
.h W/m
3
kcal/m
3
.h W/m
3
Than củi, than bùn 300 - 400 348 - 465 200 - 250 232 - 290
Than đá 230 - 450 290 - 523 250 - 300 290 - 348
Mazut 250 - 500 290 - 581 200 - 300 232 - 348
Nhiên liệu khí 200 - 350 230 - 407 200 - 250 232 - 290

- Xác định kích thớc buồng đốt: kích thớc buồng đốt đợc chọn căn cứ các yếu tố

sau:
+ Diện tích mặt ghi và số buồng đốt.
+ Kiểu buồng đốt và điều kiện thao tác.
+ Tơng quan giữa buồng đốt và buồng lò, yêu cầu về bố trí thể xây.
Theo quy ớc kích thớc buồng đốt nằm dọc theo chiều chuyển động của khí lò
từ buồng đốt sang buồng lò là chiều dài (hoặc chiều sâu buồng đốt), kích thớc còn lại
gọi là chiều ngang.
Đối với buồng đốt thủ công, chiều dài buồng đốt không đợc chọn quá lớn gây
khó khăn cho thao tác chất than và đánh xỉ, còn chiều ngang chọn sao cho tỉ lệ giữa
chiều ngang và chiều dài nằm trong khoảng 1 - 1,3. Nếu tỉ lệ giữa chiều ngang và chiều
dài lớn hơn, tách buồng đốt thành hai buồng đốt kế tiếp nhau theo chiều ngang.
Đối với buồng đốt cơ khí thờng chọn kích thớc chiều ngang và chiều dài xấp
xỉ nhau. Trờng hợp không gây trở ngại cho việc bố trí các cơ cấu cơ khí và không ảnh
hởng đến điều kiện làm việc của lò có thể chọn chiều dài lớn hơn chiều ngang.
Đối với các lò có nhiệt độ cao, buồng đốt thờng bố trí cạnh buồng lò, khi chọn
kích thớc buồng đốt cần xem xét tơng quan với kích buồng lò sao cho bố trí các thể
xây và thi công thuận lợi.
- Tính tổn thất áp suất của không khí đi qua ghi và lớp than.
Do ma sát, thay đổi tốc độ, thay đổi hớng chuyển động và nhiều yếu tố khác, tổn
thất áp suất của không khí đi qua ghi và lớp than khá lớn. Tổn thất này đợc xác định
theo các công thức thực nghiệm.
Đối với buồng đốt ghi phẳng đốt than củi:
-84-

2
2
2
tt
CO%
12

.
F.400
B
3h














=
[mmH
2
O] (5.5)
Buồng đốt ghi phẳng đốt than bùn:

2
2
2
tt
CO%
10

.
F.350
B
.4h














=
[mmH
2
O] (5.6)
Buồng đốt ghi phẳng đốt than antraxit:

2
tt
F.150
B
mh

=
[mmH
2
O] (5.7)
Trong đó:
B - lợng nhiên liệu cần đốt trong một giờ [kg/h].
F - diện tích mặt ghi [m
2
].
%CO
2
- hàm lợng CO
2
trong khói lò [%].
m - hệ số phụ thuộc hàm lợng tro của than m = 25 - 50.
Trong thực tế tổn thất áp suất qua ghi vào khoảng 90 - 120 mmH
2
O, nếu tính cả
tổn thất do lớp than thì áp suất gió dới ghi cần khoảng 100 - 120 mmH
2
O. Đối với các
buồng đốt nhiệt độ cao, đốt than ít chất bốc, muốn cho than cháy hoàn toàn thì áp suất
gió dới ghi cần tăng lên, vào khoảng 120 - 140 mmH
2
O.

5.2. Thiết bị đốt nhiên liệu bụi
5.2.1. Khái niệm về đốt nhiên liệu bụi
Khi đốt nhiên liệu rắn, nếu cỡ hạt quá bé, sử dụng buồng đốt thông thờng, tổn
thất nhiên liệu lớn (do lọt qua mắt ghi), đồng thời quá trình đốt gặp nhiều khó khăn vì
trở lực không khí qua lớp than lớn. Để giải quyết vấn đề này, ngời ta chuyển sang đốt
dạng bụi.
Khi đốt than bụi, than đợc nghiền nhỏ thành hạt có kích thớc từ 0,05 - 0,07
mm, dùng không khí nén thổi vào buồng đốt tạo thành dòng hỗn hợp bụi than và không
khí. Do diện tích tiếp xúc của than và không khí lớn, các hạt than đợc xáo trộn mạnh
với không khí nên các phản ứng cháy xẩy ra với tốc độ lớn. Đồng thời, khi cháy do bị
nung nóng mạnh và chất bốc thoát ra nhanh, các hạt than bị cốc hoá vỡ vụn thành hạt
nhỏ nên nhiên liệu cháy càng nhanh và triệt để hơn, làm tăng hiệu quả đốt nhiên liệu.
Phơng pháp đốt nhiên liệu bụi càng có hiệu quả khi hàm lợng chất bốc trong than
càng lớn, do đó thờng ứng dụng với các loại than có hàm lợng chất bốc từ 20 - 30 %.
-85-
5.2.2. Các thiết bị đốt nhiên liệu bụi
Để đốt nhiên liệu bụi, ngời ta ngời ta sử dụng buồng đốt riêng kiểu xiclôn hoặc
đốt trực tiếp trong buồng lò.
a) Buồng đốt kiểu xiclôn
Sơ đồ cấu trúc của buồng đốt kiểu xiclôn trình bày trên hình
5.4.
Buồng đốt kiểu xiclôn có dạng ống hình trụ, đờng kính từ 1 - 2 m, thể tích từ 10
- 15 m
3
, vỏ lò làm bằng thép, bên trong đợc đầm một lớp hỗn hợp vật liệu chịu lửa
dày 30 - 50 mm.

2
3
1

Hình 5.4 Buồng đốt than bụi kiểu xiclôn
1) Cửa cấp không khí đợt 1 2)Cửa cấp than bụi 3) Cửa cấp không khí đợt 2


Khi đốt, than bụi đợc không khí nén phun vào buồng đốt theo hớng tiếp tuyến
với thành buồng đốt tạo thành dòng xoáy và bị đốt cháy. Lợng không khí đợt 1 dùng
để phun bụi than tạo thành hỗn hợp chiếm khoảng 20% lợng không khí cần thiết để
đốt nhiên liệu, tốc độ phun khoảng 20 - 25 m/s, không khí còn lại đợc nung nóng
trớc đến khoảng 400
o
C và phun vào lò với tốc độ khoảng 80 - 100 m/s.
b) Đốt than bụi trực tiếp trong buồng lò
Sơ đồ đốt thiết bị đốt nhiên liệu trực tiếp trong buồng lò trình bày trên hình
5.5.
Than bụi từ bong ke chứa (1) qua xoắn tải cấp (2) cùng với không khí đợt 1 đợc
cấp vào mỏ phun (3) phun vào buồng lò và đợc đốt cháy tạo thành ngọn lửa rõ rệt
ngay trong buồng lò. Tỉ lệ không khí đợt 1, tuỳ thuộc vào loại than, chiếm từ 20 - 50
%, tốc độ dòng hỗn hợp khi ra khỏi miệng phun khoảng 20 - 40 m/s. Tốc độ phun của
không khí đợt 2 chọn lớn hơn tốc độ dòng hỗn hợp không khí đợt một + bụi than.
Trong trờng hợp nung nóng trớc không khí, nhiệt độ nung không khí đợt 1 không
quá 150
o
C, nhiệt độ nung không khí đợt 2 không quá 300 - 400
o

C. Hệ số d không khí
n =1,15 - 1,25
-86-

3
2
1








Hình 5.5 Đốt than bụi trực tiếp trong lò
1) Bongke chứa than bụi 2) Xoắn tải cấp liệu 3) Mỏ phun

Bảng
5.4 Lợng không khí đợt 1 và tốc độ bắt lửa của hỗn hợp bụi than
Lợng không khí đợt 1 Tốc độ bắt lửa
Loại than
% m/s
Chất bốc 30%, tro 5% 50 0 - 12
Chất bốc 30%, tro 15% 40 10 - 11
Chất bốc 20%, tro 5% 30 6 - 7
Chất bốc 15%, tro 5% 25 3 - 4
Chất bốc 15%, tro 15% 20 2 - 3

Đốt nhiên liệu bụi có u điểm: than cháy tốt, ổn định, hệ số d không khí nhỏ, sử

dụng đợc than vụn nhng có nhợc điểm sản vật cháy chứa nhiều bụi.
5.3. Thiết bị đốt nhiên liệu lỏng
Để đốt nhiên liệu lỏng ngời ta dùng thiết bị đốt gọi là mỏ phun. Theo áp suất
làm việc, các mỏ phun đợc chia ra:
+ Mỏ phun áp suất thấp: áp suất chất biến bụi nhỏ hơn áp suất tới hạn.
+ Mỏ phun áp suất cao: áp suất chất biến bụi lớn hơn áp suất tới hạn.
5.3.1. Mỏ phun áp suất thấp
Trong mỏ phun áp suất thấp, chất biến bụi là không khí có áp suất từ 300 - 800
mmH
2
O, tốc độ chất biến bụi khi ra khỏi miệng phun từ 50 - 80 m/s.
Trên hình 5.6 trình bày sơ đồ cấu tạo của một số loại mỏ phun áp suất thấp.
Trong mỏ phun hình 5.6a, dầu phun ra từ ống (1) gặp dòng không khí trong ống (2) bị
biến thành bụi dầu cùng với không khí phun ra khỏi miệng phun (4) và đợc đốt cháy.
-87-
Không khí vào mỏ phun có áp suất khoảng 500mmH
2
O, tốc độ từ 70 - 80 m/s. Kiểu mỏ
phun này có kết cấu đơn giản nhng luôn luôn phải giữ cho mỏ phun làm việc đủ công
suất.


1
2
3
4
4
2
1

a) b)

Hình 5.6 Sơ đồ mỏ phun áp suất thấp
1) Đờng dẫn dầu 2) Đờng dẫn không khí
3
)
Vít chỉnh dầu 4
)
Mi
ệ
n
g
mỏ
p
hun


Trong mỏ phun hình 5.6b, dầu chuyển động trong ống (1), không khí chuyển
động trong ống dẫn (2). Khi dầu phun ra khỏi miệng ống phun bị không khí đánh tơi
thành bụi dầu tạo thành hỗn hợp đi ra khỏi miệng ống phun. Lu lợng dầu đợc điều
chỉnh bởi vít điều chỉnh (3), còn lợng không khí đợc điều chỉnh nhờ thay đổi khe hở
giữa ống phun dầu và miệng mỏ phun, áp suất dầu từ 500 - 1.000 mmH
2
O, áp suất
không khí từ 300 - 700 mmH
2

O. Nhờ cơ cấu điều chỉnh, loại mỏ đốt này có thể làm
việc với công suất giảm tới 40 - 50%.
5.3.2. Mỏ phun áp suất cao
Trong mỏ phun áp suất cao, chất biến bụi là không khí nén có áp suất từ 4 - 6 at
hoặc hơi nớc có áp suất từ 5 - 15 at , tốc độ hỗn hợp ra khỏi miệng mỏ phun đạt tới
330 m/s hoặc lớn hơn.


3
1
2





Hình 5.7 Mỏ phun áp suất cao
1) Đờng dẫn dầu 2) Đờng dẫn chất biến bụi 3) Đờng dẫn không khí

-88-
Trong mỏ đốt hình
5.7, dầu đợc dẫn vào ống (1), chất biến bụi đợc dẫn và ống
(2), còn không khí đốt nhiên liệu đợc dẫn vào qua ống (3). Khi ở nhiệt độ thờng, tốc
độ của không khí biến bụi ra khỏi miệng ống phun đạt từ 300 - 320 m/s, nếu nung
nóng trớc đến 200 - 300
o
C, tốc độ có thể đạt tới 500 - 530 m/s. Lợng chất biến bụi
nếu là không khí nén cần 0,6 - 0,8 m
3
/kg, nếu là hơi nớc cần 0,4 - 0,6 kg hơi/kg.

Với loại mỏ đốt này, nếu kích thớc nhỏ thì chiều dài ngọn lửa khoản 2,5 - 4 m,
nếu kích thớc lớn có thể tới 6 - 7 m.

3
5






2
4
1
3




Hình 5.8 Sơ đồ cấu tạo mỏ phun áp suất cao
1) Đờng dẫn dầu 2) Đờng dẫn chất biến bụi
3) ống loe La- van 4) Buồng hỗn hợp 5) Đờng dẫn không khí


Với mỏ phun hình
5.8, trên phần đầu của ống phun có lắp thêm ống loe La-van
(3), nhờ ống loe này tốc độ chất biến bụi đạt tới 750 m/s hoặc cao hơn. Nhờ vậy chất
lợng biến bụi tốt hơn và chiều dài ngọn lửa có thể đạt tới 8 - 10 m. Loại mỏ phun này
có công suất từ 250 - 2.500 kg/h, lợng chất biến bụi 180 - 1.900 kg/h đối với không
khí nén và 25 - 1250 kg/h đối với hơi nớc.

5.3.3. Tính toán mỏ phun
Việc tính toán mỏ phun nhằm xác định kích thớc các đờng ống dẫn và kích
thớc miệng ra của dầu, của không khí từ đó tính toán các thông số khác hoặc chọn mỏ
đốt có sẵn.
a) Tính toán mỏ phun áp suất thấp
Thông số ban đầu:
+ Loại nhiên liệu.
-89-
+ Lợng tiêu hao nhiên liệu G
1
[kg/s].
+ áp suất không khí trong ống dẫn trớc mỏ phun p
0
[N/m
2
].
+ Nhiệt độ không khí t
2

[
o
C].
+ Lợng không khí cần để đốt cháy hoàn toàn dầu G
2
[kg/kg].
+ áp suất môi trờng lò p
mt
[N/m
2
].

d
1
d
2
Hình 5.9 Sơ đồ tính toán mỏ
p
hun á
p
suất thấ
p
- Tính áp suất cần thiết của không khí:
p
đ
= p
mt
+ p
t
Trong đó p
t
áp suất tĩnh tại miệng ra, xác định theo công thức:
p
t
= k.p

0
Với k là hệ số tổn thất trong đờng dẫn thờng lấy k =0,9.
- Tốc độ không khí khi ra khỏi miệng phun:









=
d
mt
22
p
p
1T.R.2
[m/s] (5.8)
Trong đó:
R - hằng số khí, R = 288 [Nm/kg.
o
K].
T
2
- nhiệt độ ban đầu của không khí, [
o
K].
- Tiết diện miệng ra của không khí:

22
2
2
.
G
F

=
[m
2
]
Trong đó
2
là khối lợng riêng của không khí [kg/m
3
] đợc xác định theo công:

2
d
2
T.R
p
=
[kg/m
3
]
- Tiết diện miệng ra của ống phun dầu:
-90-

11
1
1
.
G
F

=
[m
2
]
Trong đó:

1
- tốc độ của dầu, đối với mỏ phun áp suất thấp chọn
1
= 1m/s.

1
- khối lợng riêng của dầu [kg/m
3
].
- Đờng kính miệng ra của ống dẫn dầu:


=
1
1
F.4
d

[m] (5.9)
- Tiết diện ngoài của miệng ống phun dầu: Khi chiều dày thành ống là , tiết diện
ngoài của ống dẫn dầu:

()
4
2d.
F
2
1
n1
+
=
[m
2
]
- Đờng kính miệng ra của ống dẫn không khí:

()

+
=
n12
2
FF.4
d
[m] (5.10)
- Tốc độ của hỗn hợp bụi dầu và không khí đợc xác định theo công thức:

()

+
+
+
=
1
E1.
u21
hh

Trong đó
22
mt2
u
.
pp
E


=
, tiêu chuẩn ơ-le, với p
2
là áp suất tĩnh trong dòng chảy của chất
biến bụi.
- suất tiêu hao chất biến bụi [kg/kg].
- Kiểm tra kích thớc hạt dầu:

()


+

=
1
.
.
.12
d
2
2

Trong đó:
+
.
()
1u2
E1 +=
+ - sức căng bề mặt của dầu [N/m
2
], thờng = 0,032 N/m
2
.
-91-
Sau khi tính đợc các kích thớc chủ yếu của mỏ phun, dựa vào tốc độ cho phép
của không khí
kk
(
kk
= 10 - 15 m/s) và tốc độ cho phép của dầu
d

(
d
= 0,2 - 0,8
m/s) trong đờng dẫn để tính tiết diện và đờng kính của đờng dẫn.
b) Tính toán mỏ phun áp suất cao
Thông số ban đầu:
+ Loại nhiên liệu.
+ Lợng tiêu hao nhiên liệu G
1
[kg/s].
+ áp suất không khí trong ống dẫn trớc mỏ phun p
đ
[N/m
2
].
+ Nhiệt độ không khí t
2

[
o
C].
+ Lợng tiêu hao không khí nén

[kg/kg].
+ áp suất môi trờng lò p
mt
[N/m
2
].
+ Chỉ số đoạn nhiệt của không khí k = c

p
/c
v
.
Sơ đồ tính toán trình bày trên hình
5.10.

1 2
0

D
1
0
1
2
d
1
D
2





Hình 5.10 Sơ đồ tính toán mỏ
p
hun cao á
p
có lắ
p

ốn
g
loe La-van

- Tính các thông số tại tiết diện tới hạn (0-0):
Xác định áp suất tĩnh ở tiết diện tới hạn của ống phun La-van:

1k
k
d
th
1k
21
p
p







+
=

=

Trong đó là hệ số phụ thuộc k có thể tra theo giản đồ (hình
5.11).
+ Nhiệt độ tới hạn của không khí xác định theo công thức:

1k
2
TT
dth
+
=
[
o
C]
+ Khối lợng riêng của không khí tại tiết diện tới hạn:
-92-

th
th
th
T.R
p
=
[kg/m
3
]

1,65
1,7
1,75
1,8
1,85
1,9
1,95

2
1,05 1,15 1,25 1,35 1,45 1,
5






k


Hình 5.11 Sự phụ thuộc của hệ số

vào k

Tốc độ không khí tại tiết diện tới hạn:

dth
T.R.
1k
k
.2
+
= [m/s] (5.11)
+ Tiết diện tới hạn của ống phun La-van:

thth
th
th

3600
G
F

=
(5.12)
Trong đó: G
th
= G
2
=
1
G.

[kg/s].
- Tính các thông số của phần cuối ống phun La-van (1-1):
Xác định tiêu chuẩn tốc độ:

+
=










=

k
1k
d
t
2
th
d
2

p
p
1.
1k
1k

Trong đó:

đ
- tốc độ ban đầu của không khí, [m/s].
p
t
- áp suất tĩnh của không khí ở miệng ra của ống [N/m
2
], có thể lấy p
t
= 1,1.p
mt
.
Tính tốc độ của không khí ở miệng ra của ống:

th1.2
.
=
[m/s]
Tính khối lợng riêng của không khí ở cuối ống La-van:

1.2
t
1.2

T.R
p
=
[kg/m
3
]
-93-
Tiết diện cuối của ống La-van:

1.2
thth
1
.
F
F



= (5.13)
Tính kích thớc ống dẫn dầu:
+ Tiết diện miệng ra ống phun dầu:

11
1
1
G
f

=
[m

2
] (5.14)
Trong đó
1
- tốc độ dầu trong đờng dẫn, thờng chọn
1
= 5 - 10 m/s.
+ Đờng kính trong của ống dẫn dầu tại miệng ra:


=
1
1
f.4
d
(5.15)
+ Đờng kính ngoài của ống dẫn dầu tại miệng ra:

+
=
2dd
11n
(5.16)
+ Tiết diện ngoài của ống dẫn dầu tại miệng ra:

4
d.
f
2
1n

1n

=

Tính đờng kính trong của ống phun La-van:

()

+
=
1n1
1
fF.4
D
[m] (5.17)
Tính đờng kính ống dẫn dầu tại tiết diện tới hạn:


=
th
2
10n
F.4
Dd
[m] (5.18)
Chiều dài ồng phun La-van:

2
tg.2
dd

L
1n0n


=
(5.19)
Trong đó = 5 - 10
o
là góc mở của ống phun La-van.
- Tính các thông số của ống hỗn hợp:
Xác định tiêu chuẩn Ơ-le đối với không khí tại phần cuối ống phun La-van (1-1):

2
1.21.2
dt
u
.
pp
E


=

Tốc độ chuyển động của hỗn hợp:
-94-

(
)
+
+

+
=
1
E1.
u1.21
hh
(5.20)
Xác định nhiệt độ của hỗn hợp:

21
1
0
1.2211
hh
c.c
G
U
t.ct.c
t
+

+
=

Trong đó:
t
1
- nhiệt độ nung nóng trớc dầu [
o
C].

t
2.1
- nhiệt độ không khí cuối ống La-van [
o
C].
c
1
, c
2
- nhiệt dung trung bình của dầu và không khí [j/kg.độ].
U
0
- độ giảm động năng của chất biến bụi, xác định theo công thức:

(
)
[]
2
E1
.
1
.GU
1u1.2
10


+

+

=
[N.m/s]
Khối lợng riêng không khí khi ra khỏi miệng phun:

hh
mt
kk
T.R
p
=
[kg/m
3
] (5.21)
- Tiết diện ra của ống hỗn hợp (tiết diện 2-2):
Coi lu lợng thể tích của dầu không đáng kể, có thể tính tiết diện miệng ra của
ống hỗn hợp:

hh
kk
2
V
F

=
[m
2
]
Trong đó V
kk
là lu lợng thể tích của không khí tại miệng ra,

kk
2
kk
G
V

=
.
Đờng kính miệng ra của ống hỗn hợp:


=
2
2
F.4
D
[m] (5.22)
Chiều dài ống hỗn hợp:
Khi chọn góc mở của ống hỗn hợp cùng góc mở của ống phun La-van, chiều dài
ống hỗn hợp xác định theo công thức:

2
tg.2
DD
L
12
hh


= (5.23)

-95-
Đờng kính hạt bụi dầu:

()


+


=
1
.
.
.12
d
2
2

5.4. Thiết bị đốt nhiên liệu khí
Để đốt nhiên liệu khí ngời ta sử dụng thiết bị gọi là mỏ đốt.
Theo đặc điểm hoà trộn khí đốt và không khí, ngời ta chia mỏ đốt thành:
+ Mỏ đốt có sự hòa trộn trớc (mỏ đốt tự hút).
+ Mỏ đốt không có sự hòa trộn trớc (mỏ đốt lồng ống).
Trong mỏ đốt có sự hòa trộn trớc, khí đốt và không khí đợc hòa trộn trớc
trong mỏ đốt và phun vào buồng lò để thực hiện quá trình cháy. Trong mỏ đốt không
có sự hòa trộn trớc, khí đốt và không khí đợc phun vào buồng lò cha đợc hòa trộn,
sự hòa trộn chủ yếu xẩy ra trong buồng lò.
5.4.1. Mỏ đốt tự hút
Mỏ đốt tự hút đợc dùng nhiều trong các lò công suất nhỏ và trung bình, đốt các
loại khí đốt nhiệt trị không cao. Ưu điểm của loại mỏ đốt này là:

+ Hoà trộn khí đốt và không khí tốt, tạo điều kiện đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu
với hệ số d không khí nhỏ.
+ Không khí ít bị rò rỉ, có thể dùng thiết bị trao đổi nhiệt gốm.
Tuy nhiên loại mỏ đốt này có nhợc điểm:
+ Phạm vi điều chỉnh công suất hẹp.
+ Khí đốt phải có áp suất lớn, nhiệt độ nung không khí có giới hạn.
+ Kích thớc mỏ đốt lớn.
Theo cấu tạo, mỏ đốt tự hút đợc chia thành hai loại:
+ Mỏ đốt tự hút một ống dẫn.
+ Mỏ đốt tự hút hai ống dẫn.
a) Mỏ đốt tự hút một ống dẫn
Sơ đồ cấu tạo mỏ đốt tự hút một ống dẫn trình bày trên hình 5.12.
Trong mỏ đốt một ống dẫn, khí đốt có áp suất cao qua đờng dẫn (1) phun ra đầu
miệng phun với tốc độ lớn, tạo nên vùng chân không xung quanh miệng ống phun, hút
không khí từ bên ngoài vào qua khe hở (3). Khí đốt và không khí tiếp tục đợc hòa trộn
trong ống (4), qua ống khuếch tán (5) và miệng mỏ đốt vào buồng lò để thực hiện quá
-96-
trình cháy. Lợng không khí đợc điều chỉnh nhờ thay đổi khe hở (3) khi dịch chuyển
cơ cấu (2). Tốc độ hỗn hợp ở miệng ra mỏ đốt từ 20 - 30 m/s.


6
1
2
4 5
3

Hình 5.12 Mỏ đốt tự hút một ống dẫn
1) Đờng dẫn khí đốt 2) Cơ cấu điều chỉnh 3) Đờng dẫn không khí
4) ống hỗn hợp 5) ống loe 6) Miệng mỏ đốt

Mỏ đốt tự hút một ống dẫn có cấu tạo đơn giản, dễ lắp đặt nhng công suất nhiệt
không lớn, thờng dùng cho lò cỡ nhỏ.
b) Mỏ đốt tự hút hai ống dẫn
Sơ đồ cấu tạo mỏ đốt tự hút hai ống dẫn trình bày trên hình 5.13.

2


3
4
1
5

Hình 5.13 Mỏ đốt tự hút hai ống dẫn
1) Đờng dẫn khí đốt 2) Đờng dẫn không khí
3) ống hỗn hợp 4) ống loe 5) Nớc làm nguội



Trong mỏ đốt tự hút hai ống dẫn, khí đốt có áp suất cao qua đờng dẫn (1) phun
ra đầu miệng phun với tốc độ lớn, tạo nên vùng chân không xung quanh miệng ống
phun, hút không khí có áp suất d từ ống dẫn (2) vào dòng khí đốt. Khí đốt và không
khí tiếp tục đợc hòa trộn trong ống (3), qua ống khuếch tán (4) và miệng mỏ đốt vào
buồng lò để thực hiện quá trình cháy.
Mỏ đốt tự hút hai ống dẫn có công suất nhiệt lớn nhng kết cấu phức tạp, thờng
dùng cho lò cỡ lớn.
-97-
5.4.2. Mỏ đốt lồng ống

Mỏ đốt lồng ống đợc dùng nhiều trong các lò đốt khí có nhiệt trị cao, nhất là các
lò cần tập trung nhiệt để thực hiện một quá trình công nghệ với số mỏ đốt không nhiều.
Mỏ đốt loại này có u điểm:
+ Phạm vi điều chỉnh công suất rộng.
+ Kích thớc nhỏ gọn.
+ Có thể làm việc với khí đốt và không khí nung nóng trớc có nhiệt độ cao.
+ Ngọn lửa kéo dài và vùng nhiệt độ cao cách xa miệng mỏ đốt và tờng lò.
Nhợc điểm:
+ Hệ số tiêu hao không khí lớn, làm giảm nhiệt độ cháy của nhiên liệu và tăng
hàm lợng ni tơ trong sản vật cháy.
+ Phải có cơ cấu điều chỉnh tỉ lệ khí đốt và không khí.
+ Tổn hao không khí trên đờng dẫn lớn.
Theo cấu tạo, mỏ đốt lòng ống đợc chia ra:
+ Mỏ đốt lòng ống thông thờng.
+ Mỏ đốt lồng ống có dòng xoáy.
a) Mỏ đốt lòng ống thông thờng
Các mỏ đốt lồng ống thông thờng (hình 5.14) có hai ống dẫn, ống (1) dẫn khí
đốt, ống (2) dẫn không khí. Sự hoà trộn khí đốt và không khí xẩy ra nhờ sự va đập của
dòng không khí với khí đốt. Sự hòa trộn của mỏ đốt loại này không tốt nên ngọn lửa
kéo dài. Tốc độ khí đốt ra khỏi miệng phun khoảng 80 - 100 m/s, tỉ lệ giữa tốc độ
không khí và khí đốt khoảng 1:3 đến 1:2. Khi công suất mỏ đốt nhỏ, kết cấu mỏ đốt có
dạng hình 5.14a, còn khi công suất lớn có dạng hình 5.14b.



2 2
1
3
1
a)

b)

Hình 5.14 Mỏ đốt lồng ống không có tạo xoáy
1) Đờng dẫn khí 2) Đờng dẫn không khí 3) Cửa quan sát


-98-
b) Mỏ đốt lồng ống có dòng xoáy
Để tăng hiệu quả hòa trộn, ngời ta sử dụng mỏ đốt lồng ống có cấu tạo đặc biệt
(hình 5.15). Trong mỏ đốt, trên đờng dẫn không khí có lắp các cánh tạo xoáy (3) nhờ
đó dòng không khí ra khỏi mỏ phun không chuyển động thẳng mà chuyển động xoáy.
Do không khí chuyển động xoáy, sự hòa trộn của khí đốt và không khí xẩy ra tốt hơn,
nhiên liệu cháy nhanh hơn và ngọn lửa ngắn hơn.



2
1
3

Hình 5.15 Mỏ đốt lồng ống có tạo xoáy
1) Đờng dẫn khí 2) Đờng dẫn không khí 3) Cánh tạo xoáy


5.4.3. Tính toán mỏ đốt
Việc tính toán mỏ đốt nhằm xác định hai thông số chủ yếu là miệng phun khí đốt
và kích thớc đờng dẫn không khí. Trên cơ sở hai thông số trên có thể xác định các
kích thớc khác của mỏ đốt hoặc chọn mỏ đốt có kích thớc tơng tự.
a) Tính mỏ đốt tự hút
Sơ đồ tính toán mỏ đốt tự hút trình bày trên hình 5.16.

'
1
F
F
3
F
2
F
1
3
3
2
2
1
1
0
0






Hình 5.16 Sơ đồ tính toán mỏ đốt tự hút

- Cơ sở tính toán:
Dựa trên phơng trình xác định độ chân không cần thiết ở đầu ống hỗn hợp:
-99-

2
11
2
11
f.Af
.
p
=



(5.24)
Trong đó:

là độ chân không có ích, xác định theo công thức:

p

()
0
0
2hhhhtt0k
1
.f
2
1
ppPp
+

++=

(5.25)
p
k
- áp suất môi trờng nơi dòng phun phun vào [N/m
2
].
p
0
- áp suất môi trờng nơi dòng phun xuất phát [N/m
2
].
tt
p

- tổng tổn thất áp suất trong ống dẫn không khí đến tiết diện 0-0 và tổn
thất trong ống hỗn hợp [N/m
2
].

hh
- khối lợng riêng hỗn hợp ở cuối ống hỗn hợp [kg/m
3
].

hh
- tốc độ hỗn hợp ở cuối ống hỗn hợp [m/s].
2
1
1

F
F
f =
- tỉ số giữa tiết diện miệng ra ống phun khí đốt và tiết diện ống hỗn hợp.
2
'
1
2
F
F
f
= - tỉ số giữa tiết diện miệng ra ống phun không khí và tiết diện ống hỗn
hợp.
3
2
3
F
F
f =
- tỉ số giữa tiết diện đầu và cuối ống loe.

0
- bội số thể tích phun ở điều kiện tiêu chuẩn:

02
01
0
.n

=
Với n hệ số d không khí [kg/kg],
01
,
02
khối lợng riêng khí đốt và không khí
ở điều kiện tiêu chuẩn [kg/m
3
].
+ A hệ số xác định theo công thức:
()















+

+++=

01
hh0
2
2
c
2
2
hh
2
01
02
2
3
01

hh0
01
02
2
0
1
hh
.f.
2
k1
fk.
T
T
2k.f 211
T
T
1A
(5.26)
Trong đó:

0
0
1
k
+

=

.
- 100 -

T
hh
, T
1
, T
2
là nhiệt độ của hỗn hợp, khí đốt và không khí [
o
K].
k
c
hệ số trở lực trên đờng dẫn không khí từ tiết diện 0-0 đến tiết diện 1-1.
- hệ số phục hồi trong ống loe:

(
)
2
3
2
3
f1f1 =
- hệ số trở lực của ống loe.

0hh
- khối lợng riêng hỗn hợp ở điều kiện tiêu chuẩn:

0
01
02
0

hh0
1
.1
+


+
=
[kg/m
3
]
Nhiệt độ hỗn hợp T
hh
xác định theo công thức:

0
1
2
1
2
0
1
hh
1
T
T
.
c
c
.1

T
T
+
+
=

c
1
, c
2
- nhiệt dung khí đốt và không khí [kj/kg.độ].
Trên cơ sở công thức (5.26), trờng hợp cho trớc bội số thể tích phun
0
và các
thông số vật lý của khí đốt, không khí, ta tính đợc động năng yêu cầu của khí đốt.
Trờng hợp cho trớc kích thớc ống phun có thể kiểm tra đợc điều kiện làm việc của
mỏ đốt.
- Thiết kế mỏ đốt làm việc ở chế độ tối u:
Thiết kế mỏ đốt làm việc ở chế độ tối u nhằm xác định kích thớc của ống hỗn
hợp và tiết diện hút vào của khí phun sao cho đảm bảo bội số phun cho trớc với lợng
tiêu hao động năng của khí phun là cực tiểu.
Giải phơng trình (5.26) khi sự tiêu hao động năng của khí phun cực tiểu, ta nhận
đợc tỉ số các tiết diện:

=






+=








0
utối
2
c
utối
'
1
A
1F
F
k1
2F
F

(5.27)
Trong đó:
()









+















+++=

01
hh0
c
2
1
2
01
02
2
3
01
hh0
01
02
2
0
1
hh
0
.
k1
1
.k.
T
T
.k.f 211
T
T
1A
(5.28)

- 101 -
Khi không có ống loe f
3
= 1 và = 0:

()
.
k1
1
.k.
T
T
.k 211
T
T
1A
c
2
1
2
01
02
01
hh0
01
02
2
0
1
hh

0






+















+++=

(5.29)
Tiêu hao động năng cực tiểu xác định theo công thức:

0
utối

1
2
utối
2
1.1
A.2
F
F
2
p
=








=

(5.30)
Từ các công thức (5.27) đến (5.30) ta có thể xác định đợc các thông số của mỏ
đốt làm việc với chế độ tối u.
- Thiết kế mỏ đốt làm việc ở chế độ bình thờng
Khi thiết kế theo chế độ làm việc tối u, kích thớc mỏ đốt nhận đợc thờng lớn.
Trong trờng hợp áp suất d dự trữ của khí đốt có thể điều chỉnh đợc ngời ta thiết kế
mỏ đốt làm việc ở chế độ bình thờng.
Để mỏ đốt làm việc bình thờng theo bội số thể tích phun cho trớc, tỉ lệ các tiết
diện mỏ phun phải thỏa mãn điều kiện:






+
=








=

u
1
2

1
u
E.B211
B
F
F
f
1
1E.B2
(5.31)
Trong đó:

là diều kiện để có hiện tợng tự hút xẩy ra. 1E.B2
u


()

+






+++=

01
hh0
2
2
c
2
2
hh
2
01
02
01
02
2
0
1
hh
.f
2

k1
f.k.
T
T
.2k 211
T
T
1B
(5.32)

(
)
2
11
tt0k
2
11
c
u
.
ppp
.
p
E

+
=


=

(5.33)
Từ phơng trình (5.32) ta nhận thấy khi không có ống loe = 0 thì B đạt cực đại.
Khi lắp thêm ống loe, thì với ống loe có càng lớn thì B càng nhỏ, điều kiện tự hút
càng dễ dàng thỏa mãn. Tuy nhiên việc lắp thêm ống loe thờng làm cho kết cấu mỏ
đốt thêm phức tạp nên chỉ sử dụng khi thực sự cần thiết.
b) Tính mỏ đốt lồng ống
Đối với mỏ đốt lồng ống, khi tính toán thiết kế ngời ta chia ra ba trờng hợp:
- 102 -
+ Mỏ đốt áp suất thấp: áp suất khí đốt trớc mỏ đốt nhỏ, có thể bỏ qua sự thay
đổi khối lợng riêng của khí.
+ Mỏ đốt áp suất trung bình: làm việc với áp suất trung bình, khối lợng riêng
khí thay đổi đáng kể.
+ Mỏ đốt áp suất cao: làm việc với áp suất cao, khối lợng riêng khí thay đổi
lớn.
Trên thực tế, ngời ta thừa nhận mỏ đốt làm việc với áp suất thấp khi tốc độ phun
của khí
k
nhỏ hơn 40% tốc độ tới hạn
th
(
k
<0,4
th
), trung bình khi
k
= (0,4 -
1,0)
th
và cao khi

k
>
th
. Trong đó
th
xác định theo công thức sau:

kth
T.R.
1k
k
.2
+
= (5.34)
Trong đó:
k - chỉ số đoạn nhiệt, k =c
p
/c
v
.
T
k
- nhiệt độ của khí, [
o
K].
R - hằng số khí, R=8319/M [N.m/kg.độ].
M - khối lợng mol của khí.
Việc tính toán chủ yếu xác định đầu phun khí của mỏ đốt, trên cơ sở chọn tiếp
các kích thớc khác theo quan hệ với kích thớc đầu phun hoặc chọn các mỏ đốt có
sẵn.

- Tính đầu ống phun khí áp suất thấp
Sơ đồ tính toán đầu phun khí áp suất thấp trình bày trên hình 5.17.

0
1

d
0
d
1
1
l
0




Hình 5.17 Sơ đồ tính đầu
p
hun khí á
p
suất thấ
p

Xét hai tiết diện 1-1 và 0-0, ta có phơng trình Becnuly đối với khí không bị nén:


+

=

+
tt
2
kk
2
1k
u
h
2
.
2
.
p (5.35)
Trong đó:
- 103 -