Phương pháp tính toán thiết kế lò hơi tầng sôi đốt trấu công suất 6 tấn/giờ

Trên cơ sở tìm hiểu về tiềm năng sử dụng lò hơi tầng sôi ở Việt Nam và phương pháp tính toán thiết kế lò hơi tầng sôi. Trong bài này, chúng tôi sẽ trình bày nội dung tính toán và thiết kế sơ bộ lò hơi tầng sôi (BFB) công suất 6 tấn hơi/giờ, sử dụng trấu ép làm nhiên liệu đốt. Việc tính toán và thiết kế dựa trên tài liệu tham khảo có liên quan, nhưng chưa có phương pháp tính nhiệt chuẩn nào cho công nghệ lò. Vì vậy, bài tính này chỉ mang tính tham khảo cho việc xây dựng mô hình thực nghiệm có độ thực tế. Từ đó, sẽ hoàn thiện cơ sở lý thuyết để phục vụ công việc tính toán thiết kế lò đốt theo công nghệ lớp sôi.

Xem thêm video giới thiệu về nguyên lý và các quá trình hoạt động của lò hơi tầng sôi: tại đây.

Các thông số thiết kế

• Năng suất hơi định mức: D = 10 tấn/h
• Áp suất hơi bão hòa: P_bh = 12kG/cm²=11,76bar
• Nhiệt độ nước cấp lò: t_nc = 125^oC
• Nhiệt độ khói thoát ra môi trường: θ_th = 150^oC

Nguồn nhiên liệu sử dụng trong lò đốt tầng sôi đang thiết kế là trấu, có thành phần và đặc tính như sau:

Bảng 1: Bảng thành phần nhiên liệu trấu

Nhiệt trị nhiên liệu được tính theo công thức Menđeleep:

• Thành phần cháy của nhiên liệu:

C^c = (100.C^lv)/(100- A^lv- W^lv)                                                       (3.1)

S^c = (100.S^lv)/( 100- A^lv- W^lv)                                                       (3.2)

O^c = (100.O^lv)/(100- A^lv- W^lv)                                                           (3.3)

H^c = (100.H^lv)/ (100- A^lv- W^lv)                                                            (3.4)

• Nhiệt trị cao của nhiên liệu cháy: Q^c_c = 340.C^c + 1250.H^c – 110.(O^c – S^c)                        (3.5)
• Nhiệt trị làm việc cao: Q_c^lv = (Q_c^c.(100- A^lv- W^lv)/100) - 25.W^lv                       (3.6)
• Nhiệt trị làm việc thấp: Q^lv_t = Q^lv_c – 25.(9.H^lv + W^lv)                                        (3.7)

Ta có bảng kết quả tính toán:

Bảng 2: Giá trị nhiệt trị của trấu theo công thức Menđêleep

Tính cân bằng vật chất của quá trình cháy

Tính thể tích lý thuyết và thể tích thực tế của sản phẩm cháy

Trước hết ta phải chọn hệ số không khí thừa, hệ số không khí thừa phụ thuộc tuỳ loại nhiên liệu đốt, loại thiết bị buồng lửa và điều kiện vận hành. Ta chọn hệ số không khí thừa trong lớp sôi là 1,3; trên lớp sôi là 1,4 [4]:

Dựa vào bảng 1 ta sẽ tính được thành phần thể tích của nhiên liệu [4]:

• Thể tích không khí cháy lý thuyết: V^o_kk = 0,0889.(C^lv+ 0,375.S^lv) + 0,265.H^lv – 0,0333.O^lv;  m³_tc/kg                         (3.8)
• Thể tích khí 3 nguyên tử: V_RO2 = 0,01866.(C^lv + 0,375.S^lv);  m³_tc/kg                              (3.9)
• Thể tích khí Nitơ lý thuyết: V^o_N2 = 0,79.V^o_kk + 0,008.N^lv;  m³_tc/kg                                  (3.10)
• Thể tích hơi nước lý thuyết: V^o_H2O = 0,112.H^lv + 0,0124.W^lv + 0,0161.V^o_kk;  m³_tc/kg    (3.11)
• Thể tích khói khô lý thuyết: V^o_kh = V_RO2 + V^o_N2;  m³_tc/kg                                               (3.12)
• Thể tích hơi nước thực tế: V_H2O = V^o_H2O + 0,0161(a - 1).V^o_kk ;  m³_tc/kg                       (3.13)
• Thể tích khói khô thực tế: Vkh = Vokh + VH2O;  m3tc/kg                                                (3.14)
• Phân thể tích khí RO2: rRO2 = VRO2/Vk                                                                        (3.15)
• Phân thể tích hơi nước: rH2O = VH2O/Vk                                                                       (3.16)
• Phân thể tích khí 3 nguyên tử: rp = rRO2 + rH2O                                                           (3.17)

Các kết quả tính toán thể tích sản phẩm cháy lý thuyết và thể tích sản phẩm cháy thực tế được thể hiện trong bảng 3:

Bảng 3: Cân bằng không khí

Xác định entanpi của sản phẩm cháy

Theo công thức 3-57, entanpi của khói được xác định:

                               I_k = I^o_k + (a - 1).I^o_kk + I^a_H2O + I_tr; kJ/kg                             (3.18)

Trong đó:     I^o_k: entanpi của khói lý thuyết, kJ/kg.

                     I^o_k = V_RO2.(Cq)_RO2 + V^o_H2O.(Cq)_H2O + V^o_N2.(Cq)_N2; kJ/kg            (3.19)

                     I^o_kk: entanpi của không khí lý thuyết, kJ/kg.

                     I^o­_kk = V^o_kk.(Cq)_kk; kJ/kg                                                                 (3.20)

                     I^a_H2O: entanpi của phần hơi ẩm do không khí đư­a vào, kJ/kg.

I^a_H2O = 0,0161.(a - 1).V^o_kk.C_H2O.q; kJ/kg. Do rất nhỏ so với I^o_k nên ta bỏ qua.

                     I_tr: entanpi của tro bay theo khói, kJ/kg.

Chọn hàm lư­ợng tro bay theo khói là a_­b = 0,30 nên ta có:

u = (100.a_b.A^lv)/Q_t^lv  = (100.0,8.16,88)/13092 = 0,1 < 1,5 , nên ta bỏ qua I_t.

Với (Cq)_RO2; (Cq)_N2; (Cq)_H2O; (Cq)_kk là tỷ nhiệt của khí RO₂; khí Nitơ, hơi nước, không khí ở nhiệt độ t cho trước. Từ đó, ta tính được entanpi của khói ở các hệ số không khí thừa khác nhau như trong bảng 4.

Bảng 4: Entanpi của sản phẩm cháy

Tính cân bằng nhiệt và lượng tiêu hao nhiên liệu

Tính cân bằng nhiệt và hiệu suất lò hơi

Ứng với 1kg nhiên liệu rắn, lỏng hay 1m³_tc nhiên liệu khí cháy trong lò hơi ở điều kiện vận hành ổn định ta có phương trình cân bằng tổng quát,theo công thức 4-1 [4]:

          Q_đv = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅ + Q₆; kJ/kg                                        (3.21)

Trong đó:     Q_đv - Lượng nhiệt đưa vào lò ứng với 1kg nhiên liệu, kJ/kg

                     Q₁ - Lượng nhiệt hữu ích dùng để sản xuất hơi, kJ/kg

                     Q₂ - Tổn thất nhiệt do khói thải mang đi, kJ/kg

                     Q₃ - Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt hóa học, kJ/kg

                     Q₄ - Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt cơ học, kJ/kg

                     Q₅ - Tổn thất nhiệt do tỏa nhiệt ra môi trường, kJ/kg

                     Q₆ - Tổn thất nhiệt do tro xỉ mang ra ngoài, kJ/kg.

Q_đv = Q^lv_t + Q_nl + Qⁿ_kk + Q_p, kJ/kg. Do Q_nl, Qⁿ_kk, Q_p quá nhỏ hoặc không có nên ta coi Q_dv = Q^lv_t.

Hay theo công thức (4-2) [4] có: 100 = q₁ + q₂ + q₃ + q₄ + q₅ + q₆.

Với nhiệt độ khói thải và không khí lạnh chọn lần l­ượt là 165^oC và 30^oC, tra bảng entanpi của sản phẩm cháy đư­ợc entanpi của khói thải I_th và không khí lạnh I_kkl.

Tổn thất do khói thải mang ra ngoài lò hơi:

                                         q₂ = (I_th – α.I_kkl).(100 – q₄)/Q_t^lv                                  (3.22)

Theo [4] chọn q₃ và q₅.

Xác định q₄ theo công thức (2.14)

Theo công thức (4-31) [4], có tổn thất nhiệt do tro xỉ mang ra ngoài:

            q₆ = (a_tro.A^lv.C_tro.t_tro)/Q_t^lv                    ; nhiệt độ tro chọn là 600⁰C.                    (3.23)

Tổng tổn thất nhiệt: Σq = q₂ + q₃ + q₄ + q₅ + q₆            ; %                                    (3.24)

Theo công thức (4-9) [4], hiệu suất lò được xác định như sau:

η = 100 – Σq; %                                                          (3.25)

Tính lượng tiêu hao nhiên liệu

Với nhiệt độ nước cấp chọn bằng nhiệt độ nước ra khỏi bộ hâm theo tính toán là 56^oC, tra bảng 3 [3] được entanpi nước cấp. Áp suất bao hơi thiết kế là 6 bar, tra bảng 4 [3] được entanpi hơi bão hòa.

Lượng tiêu hao nhiên liệu xác định theo công thức (4-13) [4]:

                               B = D.(i_bh – i_nc ) /η.Q_t^lv, kg/s                                                    (3.26)

L­ượng tiêu hao nhiên liệu tính toán:

                               B_tt = B.(1 - q₄/100), kg/s                                              (3.27)

Hiệu suất lò hơi và lư­ợng tiêu hao nhiên liệu đư­ợc thể hiện trong bảng 5:

Bảng 5: Cân bằng nhiệt lò hơi

Tính tốc độ gió tới hạn

Cho một lớp hạt nhiên liệu đặt trên ghi, thổi gió từ d­ưới lên, đo và vẽ thành đồ thị quan hệ giữa tốc độ gió với trở lực lớp nhiên liệu trên ghi. Ta có đồ thị:

Đồ thị quan hệ giữa tốc độ gió và trở lực trên ghi

Ta thấy, ban đầu tốc độ gió tăng thì trở lực tăng, đến một tốc độ w = w_th thì Dp không tăng nữa, hạt bắt đầu rời khỏi mặt ghi, dao động trong một phạm vi nhất định, chiều dày lớp hạt tăng dần nếu tiếp tục tăng tốc độ dòng, tốc độ w_th này gọi là tốc độ sôi tới hạn nhỏ nhất. Khi tốc độ tăng đến w = w_bay thì Dp giảm đột ngột và hạt bị cuốn và bay theo dòng khí, w_bay là tốc độ bay của hạt.

• Từ công thức (2.8) và (2.9) xác định được tốc độ sôi tới hạn nhỏ nhất w_th.
• Từ công thức (2.10) và (2.11) xác định được tốc độ bay của hạt w_bay.

Chọn tốc độ không khí qua lớp sôi w phải nằm trong khoảng w_thbay­.

Kết quả tính toán tốc độ gió được cho trong bảng 6:

Bảng 6: Tính toán tốc độ gió tới hạn

Xác định hình dạng lò hơi

Sơ đồ khối và kích thước sơ bộ lò hơi

Chọn dạng lò hơi kiểu ống nước ống lửa kết hợp. Trong đó buồng đốt được cấu tạo từ các ống sinh hơi, giữa các ống có hàn các kim loại làm vách kín. Bao hơi là bộ trao đổi nhiệt dạng lồng ống. Vỏ bao hơi là ống ngoài cùng chứa nước, khói đi trong các ống nhỏ bên trong.

Nhiên liệu được cấp vào từ phía trên của ghi, gió cấp 1 thổi từ dưới ghi lên. Khói ra khỏi buồng lửa đi vào bao hơi, truyền nhiệt cho nước rồi ra ngoài. Khói đi trong bao hơi ngoặt 2 lần. Vật liệu chế tạo buồng lửa và bao hơi là thép C20.

Bảng 7: Thiết kế phần lớp sôi

Bảng 8: Thiết kế phần trên lớp sôi

Các thông số chế tạo bao hơi

Từ các thông số đã xác định của bao hơi, ta vẽ được hình dáng, kích thước chi tiết bao hơi như hình sau:

Kích thước bao hơi