NỒI HƠI VÀ CÁC THIẾT BỊ GIA NHIỆT

NỒI HƠI VÀ CÁC THIẾT BỊ GIA NHIỆT

1. Giới thiệu : 
– Lò hơi là một thiết bị giúp đưa nhiệt của quá trình đốt cháy cho nước cho đến khi nước được đun nóng hoặc thành hơi. Nước nóng hoặc hơi dưới tác động của áp suất sẽ truyền nhiệt sang một quy trình. Nước là tác nhân trung gian rẻ tiền và hữu dụng giúp truyền nhiệt sang một quy trình. Khi nước được chuyển thành hơi, thể tích sẽ tăng lên khoảng 1.600 lần, tạo ra một lực mạnh như là thuốc súng. Vì vậy lò hơi là thiết bị phải được vận hành với tinh thần cẩn trọng cao độ.

– Hệ thống lò hơi bao gồm: một hệ thống nước cấp, hệ thống hơi và hệ thống nhiên liệu. Hệ thống nước cấp cấp nước cho lò hơi và tự động điều chỉnh nhằm đáp ứng nhu cầu hơi. Sử dụng nhiều van nên cần bảo trì và sửa chữa. Hệ thống hơi thu gom và kiểm soát hơi do lò hơi sản xuất ra. Một hệ thống đường ống dẫn hơi tới vị trí cần sử dụng. Qua hệ thống này, áp suất hơi được điều chỉnh bằng các van và kiểm tra bằng máy đo áp suất hơi. Hệ thống nhiên liệu bao gồm tất cả các thiết bị được sử dụng để tạo ra nhiệt cần thiết. Các thiết bị cần dùng trong hệ thống nhiên liệu phụ thuộc vào loại nhiên liệu sử dụng trong hệ thống nhiên liệu.

– Nước đưa vào lò hơi được chuyển thành hơi được gọi là nước cấp. Nước cấp có hai nguồn chính là: (1) Nước ngưng hay hơi ngưng tuần hoàn từ các quy trình và (2) nước đã qua xử lý (nước thô đã qua xử lý) từ bên ngoài bộ phận lò hơi và các quy trình của nhà máy. Để nâng cao hiệu quả sử dụng lò hơi, một thiết bị trao đổi nhiệt đun nóng sơ bộ nước cấp sử dụng nhiệt thải từ khí lò.

Sơ đồ hệ thống lò hơi đơn giản 

2. Các loại lò hơi 
– Các loại lò hơi khác nhau: Lò hơi ống lửa, lò hơi ống nước, lò hơi trọn bộ, lò hơi buồng lửa tầng sôi, lò hơi buồng lửa tầng sôi không khí, lò hơi buồng lửa tầng sôi điều áp, lò hơi buồng lửa tầng sôi tuần hoàn, lò hơi đốt lò, lò hơi sử dụng nhiên liệu phun, lò hơi sử dụng nhiên liệu thải và thiết bị gia nhiệt.

2.1 Lò hơi ống lửa (Fire Tub Boiler) :
Với loại lò hơi này, khí nóng đi qua các ống và nước cấp cho lò hơi ở phía trên sẽ được chuyển thành hơi. Lò hơi ống lửa thường được sử dụng với công suất hơi tương đối thấp cho đến áp suất hơi trung bình. Do đó, sử dụng lò hơi dạng này là ưu thế với tỷ lệ hơi lên tới 12.000 kg/giờ và áp suất lên tới 18 kg/cm2 . Các lò hơi này có thể sử dụng với dầu, ga hoặc các nhiên liệu lỏng. Vì các lý do kinh tế, các lò hơi ống lửa nằm trong hạng mục lắp đặt “trọn gói” (tức là nhà sản xuất sẽ lắp đặt) đối với tất cả các loại nhiên liệu.

Mặt cắt của một lò hơi ống lửa 

2.2 Lò hơi ống nước (Water Tube Boiler)

– Ở lò hơi ống nước, nước cấp qua các ống đi vào tang lò hơi. Nước được đun nóng bằng khí cháy và chuyển thành hơi ở khu vực đọng hơi trên tang lò hơi. Lò hơi dạng này được lựa chọn khi nhu cầu hơi cao đối với nhà máy phát điện. Phần lớn các thiết kế lò hơi ống nước hiện đại có công suất nằm trong khoảng 4.500 – 120.000 kg/giờ hơi, ở áp suất rất cao. Rất nhiều lò hơi dạng này nằm trong hạng mục lắp đặt “trọn gói” nếu nhà máy sử dụng dầu và/hoặc ga làm nhiên liệu. Hiện cũng có loại thiết kế lò hơi ống nước sử dụng nhiên liệu rắn nhưng với loại này, thiết kế trọn gói không thông dụng bằng.

Lò hơi ống nước có các đặc điểm sau:

– Sự thông gió cưỡng bức, cảm ứng, và cân bằng sẽ giúp nâng cao hiệu suất cháy.

– Yêu cầu chất lượng nước cao và cần phải có hệ thống xử lý nước.

– Phù hợp với công suất nhiệt cao.

2.3 Lò hơi trọn bộ (Package Boiler)

Loại lò hơi này có tên gọi như vậy vì nó là một hệ thống trọn bộ. Khi được lắp đặt tại nhà máy, hệ thống này chỉ cần hơi, ống nước, cung cấp nhiên liệu và nối điện để có thể đi vào hoạt động. Lò hơi trọn bộ thường có dạng vỏ sò với các ống lửa được thiết kế sao cho đạt được tốc độ truyền nhiệt bức xạ và đối lưu cao nhất

Lò hơi trọn bộ đốt dầu cấp 3 điển hình

Lò hơi trọn bộ có , tốc độ truyền nhiệt cao dẫn đến quá trình hoá hơi nhanh hơn. truyền nhiệt có đường kính nhỏ giúp truyền nhiệt đối lưu tốt.  những đặc điểm sau:

– Buồng đốt nhỏ

– Quá trình truyền nhiệt do đối lưu tốt hơn do được lắp mộ

– Hiệu suất cháy cao do có sử dụng hệ thống thông gió cưỡng bức

– Quá trình truyền nhiệt tốt hơn nhờ số lần khí đi qua lò hơi

Những lò hơi này được phân loại dựa trên số lần số lần khí đốt nóng đi qua lò hơi. Buồng đốt sẽ là lần đi qua thức thứ nhất, sau đó có thể là hai hoặc ba bộ ống lửa. Loài lò hơi phổ biến nhất của loại này là lò hơi bậc 3 ( 3 lần khí đi qua lò hơi ) với hai bộ ống đốt và với khí thải đi qua bộ phận phía sau lò hơi.

2.4 Lò hơi buồng lửa tầng sôi ( FBC ) 

Lò hơi buồng lửa tầng sôi  ( FBC ) gần đây nổi lên như là một sự lựa chọn khả thi và có nhiều ưu điểm so với hệ thống đốt truyền thống, nó mang lại rất nhiều lợi ích thiết kế lò hơi gọn nhẹ, nhiên liệu linh hoạt, hiệu suất máy cao hơn và giảm thải các chất o nhiễm độc hại như SOx và NOx. Nhiên liệu đốt của những lò hơi loại này có : than, vỏ trấu, bã mía và các chất thải công nghiệp khác. Lò hơi buồng lửa tầng sôi có các mức công suất rất khác nhau từ 0,5T cho tới hơn 100T/H .

Khi không khí hoặc ga được phân bố đều , đi qua lớp hạt rắn minh, những hạt này sẽ không bị ảnh hưởng tới vận tốc thấp. khi vận tốc không khí tăng dần , dẫn đến trạng thái các hạt đơn bị treo lơ lửng trong không khí này gọi là “tầng sôi”.

Khi vận tốc không khí tăng thêm sẽ tạo ra bong bóng, chuyển động mạnh, pha trộn nhanh và tạo ra bề mặt nhiên liệu đặc. Lớp vật liệu với những hạt rắn này được xem như là dung dịch đun sôi sẽ tạo lớp chất lỏng ” tầng sôi “.

Nếu các hạt cát ở trạng thái sôi được đun tới nhiệt độ than có thể bốc cháy, và than được cấp liên tục vào, cho đến lớp nhiên liệu, than sẽ bốc cháy tức thì, và lớp nhiên liệu đạt được nhiệt độ đồng đều. Quá trình đốt cháy tầng sôi ( FBC) diễn ra ở mức nhiệt độ 840°C và đến 950°C. Vì nhiệt độ này thấp hơn nhiệt độ tan chảy của xi rất nhiều, nên có thể tránh được các vấn đề xi nóng chảy và các vấn đề khác có liên quan.

Nhiệt độ cháy thấp hơn đạt được là do hệ số truyền nhiệt cao nhờ sự pha trộn nhanh ở tầng sôi và sự thoát nhiệt hiệu quả từ lớp nhiên liệu qua những ống truyền nhiệt trong lớp nhiên liệu và thành của tầng nhiên liệu. Vận tốc khí được duy trì ở giữa khoảng vận tốc sôi tối thiệu và vận tốc các hạt nhiên liệu bị cuốn theo. Điều này giúp đảm bảo sự vận hành ổn định của lớp nhiên liệu và tránh việc các hạt bị cuốn theo vào dòng khí.

2.5 Lò hơi buồng lửa tầng sôi không khí (AFBC)

Phần lớn các lò hơi vận hành dạng này là theo Quá trình Cháy tầng sôi không khí (AFBC). Quá trình này phức tạp hơn là bổ sung một buồng đốt tầng sôi vào lò hơi vỏ sò truyền thống. Những hệ thống như thế này được lắp đặt tương tự như lò hơi ống nước.

Than được đập theo cỡ 1 – 10 mm phụ thuộc vào loại than, loại nhiên liệu cấp cho buồng đốt. Không khí khí quyển, đóng vai trò là cả khí đốt và khí tầng sôi, được cấp vào ở một mức áp suất, sau khi được đun nóng sơ bộ bằng khí thải. Những ống trong tầng nhiên liệu mang nước đóng vai trò là thiết bị bay hơi. Những sản phẩm khí của quá trình đốt đi qua bộ phận quá nhiệt của lò hơi, qua bộ phận tiết kiệm, thiết bị thu hồi bụi và thiết bị đun nóng khí sơ bộ trước khi ra không khí.

2.6 Lò hơi buồng lửa tầng sôi điều áp (PFBC)

Ở loại lò hơi này, một máy nén khí sẽ cung cấp khí sơ cấp cưỡng bức (FD) và buồng đốt là một nồi áp suất. Tốc độ thoát nhiệt trong tầng sôi tỷ lệ với áp suất của tầng sôi và do dó, tầng sâu sẽ giúp thoát nhiệt nhiều. Nhờ vậy, hiệu suất cháy và sự hấp thụ S2 trong tầng nhiên liệu Hơi được tạo ra trong hai ống, một nằm trong tầng sôi và một nằm trên. Khí lò nóng có thể chạy tua bin sử dụng gas phát điện. Hệ thống PFBC có thể được sử dụng trong đồng phát (hơi và điện) hoặc phát điện chu trình kết hợp. Việc vận hành chu trình kết hợp (tua bin dùng gas và tua bin chạy bằng hơi nước) sẽ cải tiện hiệu suất chuyển đổi toàn phần từ 5 đến 8 %.

2.7 Lò hơi buồng lửa tầng sôi tuần hoàn khí (CFBC)

Với hệ thống tuần hoàn, các thông số của tầng nhiên liệu được duy trì để thúc đẩy việc loại sạch những hạt rắn trong tầng nhiên liệu. Chúng nâng lên, pha trộn trong dàn ống lên và hạ xuống theo cyclon phân li và quay trở lại. Trong tầng nhiên liệu, không có ống sinh hơi. Việc sinh hơi và làm quá nhiệt hơi diễn ra ở bộ phận đối lưu, thành ống nước và ở đầu ra của dàn ống nâng lên. Các lò hơi buồng lửa tầng sôi tuần hoàn khí thường kinh tế hơn so với lò hơi buồng lửa tầng sôi không khí khi áp dụng trong các doanh nghiệp công nghiệp cần sử dụng lượng hơi lớn hơn 75 – 100 T/h. Với các nhà máy có nhu cầu lớn hơn, nhờ đặc điểm lò đốt cao của hệ thống lò hơi buồng lửa tầng sôi tuần hoàn khí sẽ cung cấp khoảng trống lớn hơn để sử dụng,

Lò hơi CFBC (Thermax Babcock & Wilcox Ltd, 2001)

các hạt nhiên liệu lớn hơn, và thời gian lưu hấp thụ để đạt hiệu suất cháy và mức SO2 cao hơn, việc áp dụng các công nghệ để kiểm soát mức NOx cũng dễ dàng hơn so với lò hơi buồng lửa tầng sôi không khí .

2.8 Lò hơi đốt ghi

Buồng lửa được chia tuỳ theo phương pháp cấp nhiên liệu cho lò và kiểu ghi lò. Các loại chính bao gồm buồng lửa ghi cố định và buồng lửa ghi xích hoặc ghi di động.

2.8.1 Buồng lửa ghi cố định

Buồng lửa ghi cố định sử dụng kết hợp cháy trên ghi lò và cháy trong khi rơi. Than được đưa liên tục vào lò trên lớp than đang cháy. Than nhận được nhiệt và tiến hành các giai đoạn của quá trình cháy. Những hạt than to hơn (phần cốc) rơi trên ghi, cháy với một lớp than mỏng, cháy nhanh. Phương pháp đốt này rất linh hoạt với những dao động mức tải, vì việc đốt cháy tạo ra tức thời khi tốc độ cháy tăng. Vì vậy, buồng lửa ghi cố định được ưa chuộng hơn những loại buồng lửa khác trong các ứng dụng công nghiệp

2.8.2 Buồng lửa ghi xích hoặc buồng lửa ghi di động

Than được cấp vào phần cuối của ghi lò đang chuyển động. Khi ghi chuyển động dọc theo chiều dài của buồng lửa, than cháy, còn xỉ rơi xuống phía dưới. Sử dụng loại lò này, cần phải có một số kỹ năng, nhất là khi thiết lập ghi, van điều tiết, và các vách ngăn để đảm bảo quá trình đốt sạch, không còn cacbon chưa cháy trong xỉ. Hình 7. Buồng lửa ghi di động (Đại học Missouri, 2004) Phễu cấp than chuyển động dọc theo phần cấp than của lò. Thiết bị chắn than được sử dụng để điều chỉnh tỷ lệ than cấp vào lò thông qua kiểm soát độ dày của lớp than. Kích cỡ than phải đều vì những viên to sẽ không cháy hết tại thời điểm chúng đến cuối ghi

Hầu hết các nhà máy nhiệt điện (than) đều sử dụng lò hơi dùng nhiên liệu phun, và rất nhiều lò hơi ống nước công nghiệp cũng sử dụng loại nhiên liệu phun này. Công nghệ này được nhân rộng rất nhanh và hiện có hàng nghìn nhà máy áp dụng, chiếm hơn 90% công suất đốt than.
2.9 Lò hơi sử dụng nhiên liệu phun

Than được nghiền (pulverized) thành bột mịn sao cho dưới 2% có đường kính +300 micrometer (μm) và 70-75 % nhỏ hơn 75 microns, đối với than bitum. Cũng cần lưu ý rằng, bột quá mịn sẽ gây lãng phí điện sử dụng cho máy nghiền. Mặt khác, bột to quá sẽ không cháy hết trong buồng đốt và dẫn tới tổn thất do chưa cháy hết.

Than nghiền được phun cùng với một phần khí đốt vào dây chuyền lò hơi thông qua một số vòi đốt. Có thể bổ sung khí cấp 2 và 3. Quá trình cháy diễn ra ở nhiệt độ từ 1300-1700 °C, phụ thuộc nhiều vào loại than. Thời gian lưu của các than trong lò điển hình từ khoảng 2 đến 5 giây, và kích thước hạt phải nhỏ vừa để hoàn tất quá trình đốt, diễn ra trong khoảng thời gian này.

Hệ thống kiểu này có rất nhiều ưu điểm như khả năng cháy với các loại than chất lượng khác nhau, phản ứng nhanh với các thay đổi mức tải, sử dụng nhiệt độ khí đun nóng sơ bộ cao, vv… Một trong những hệ thống phổ biến nhất để đốt than nghiền là đốt theo phương tiếp tuyến sử dụng 4 góc để tạo ra quả bóng lửa ở giữa lò.

2.10 Lò hơi sử dụng nhiệt thải

Bất cứ nơi nào có sẵn nhiệt thải ở nhiệt độ cao hoặc trung bình đều có thể lắp đặt lò hơi sử dụng nhiệt thải một cách kinh tế. Khi nhu cầu hơi cao hơn lượng hơi tạo ra từ nhiệt thải, có thể sử dụng lò đốt nhiên liệu phụ trợ. Nếu không cần sử dụng hơi trực tiếp có thể sử dụng hơi cho máy phát tua bin chạy bằng hơi để phát điện. Lò hơi loại này được sử dụng rộng rãi với nhiệt thu hồi từ khí thải của tua bin chạy bằng gas hoặc các động cơ diezen.

Giản đồ lò hơi sử dụng nhiệt thải ( Nông nghiệp và thực phẩm nông nghiệp canada 2001 ) 

2.11 Thiết bị gia nhiệt 

Trong thời gian gần đây, thiết bị gia nhiệt được ứng dụng rộng rãi để gia nhiệt quy trình gián tiếp. Sử dụng dầu mỏ-nhiên liệu lỏng cơ bản làm trung gian truyền nhiệt, những bộ sấy này cung cấp nhiệt độ có thể duy trì liên tục cho thiết bị sử dụng. Hệ thống cháy bao gồm ghi cố định với các thiết bị thông khí cơ học. Thiết bị gia nhiệt đốt dầu bao gồm một ống đôi, cấu trúc bậc ba và được lắp với một hệ thống vòi phun áp suất. Chất lưu, hoạt động như là chất mang nhiệt, được gia nhiệt trong bộ sấy và tuần hoàn trong thiết bị sử dụng. Tại đó, chất lưu truyền nhiệt cho quy trình thông qua bộ trao đổi nhiệt và chất lưu quay trở lại bộ sấy. Lưu lượng của chất lưu tại điểm sử dụng cuối được điều chỉnh bằng van điều chỉnh vận hành bằng khí, dựa trên nhiệt độ vận hành. Bộ sấy hoạt động ở mức lửa nhỏ hay to phụ thuộc vào nhiệt độ dầu, thay đổi tỷ lệ với tải của hệ thống

Cấu tạo thiết bị gia nhiệt điển hình

Ưu điểm của loại thiết bị này:

– Vận hành theo chu trình khép kín với tổn thất tối thiểu so với lò hơi sử dụng hơi.

– Vận hành hệ thống không điều áp ngay cả khi nhiệt độ ở mức 250°C so với hệ thống hơi tương tự có áp suất 40 kg/cm2 .

– Thiết lập kiểm soát tự động, giúp vận hành linh hoạt.

– Hiệu suất nhiệt tốt vì hệ thống thiết bị này không bị tổn thất do xả đáy, thải nước ngưng, và hơi giãn áp

Tính kinh tế của thiết bị gia nhiệt phụ thuộc vào các ứng dụng cụ thể và nền tảng tham khảo. Thiết bị gia nhiệt đốt than có hiệu suất trong dải 55-65 % có thể so sánh được với hầu hết các lò hơi. Kết hợp với các thiết bị thu hồi nhiệt trong khí lò sẽ tăng hiệu suất nhiệt.