Đồ án Thiết kế buồng đốt khí thiên nhiên của lò hơi nhà máy nhiệt điện

A- Phần lý thuyết Mở đầu Dầu mỏ đã được con người biết đến từ lâu, đến thế kỉ XVII, dầu mỏ được sử dụng làm nhiên liệu để đốt cháy, thắp sáng. Sang thế kỉ XIX, dầu được coi là nguồn nguyên liệu chính cho mọi phương tiện giao thông và cho nền kinh tế quốc dân. Hiện nay, dầu mỏ đã trở thành nguồn năng lượng quan trọng nhất của mọi quốc gia trên thế giới. Khoảng 65 đến 70% năng lượng sử dụng đi từ dầu mỏ, chỉ 20 đến 22% năng lượng nước và 8 đến 12% từ năng lượng hạt nhân. [V- 3]. Công nghệ chế biến dầu mỏ được xem như bắt đầu ra đời vào năm 1859 khi mà Edwin Drake (Mỹ) khai thác được dầu thô. Lúc bấy giờ lượng dầu thô khai thác được còn rất ít, chỉ một vài nghìn lít ngày và chỉ phục vụ cho mục đích thắp sáng. Nhưng chỉ một năm sau đó, không chỉ ở Mỹ mà còn cả các nước khác người ta cũng đã tìm thấy dầu. Từ đó sản lượng dầu khí khai thác ngày càng được tăng lên rất nhanh. Chúng ta có thể thấy rõ điều này từ các số liệu dưới đây [VI- 3]. Lượng dầu thô đã khai thác được trên thế giới Năm Sản lượng (Triệu tấn) 1860 0,1 1880 4,2 1900 19,9 1920 96,9 1930 296,5 1945 354,6 1950 524,8 1960 1051,5 1970 2336,2 1980 3067,1 1990 3700 1994 3003,4 1995 2982,5 1997 (riêng Việt Nam) 10,1 Cho đến nay, tổng trữ lượng dầu khí thế giới nhìn chung vẫn tăng đều đặn mặc dù tốc độ tăng không còn như trước và hiện tượng này xảy ra cũng không giống nhau ở các vùng khác nhau. Bảng: Sự thay đổi trữ lượng dầu khí thế giới từ 1/1/1994 đến1/1/2003 Năm Dầu (triệu tấn) Khí đốt (tỉ feet khối) 1994 142.732 5016231 1995 142.826 4980278 1996 143.925 4933742 1997 145550 4945362 1998 145649 5086469 1999 147752 5144752 2000 145149 5146207 2001 146922 5278484 2002 147300 5451332 2003 173268 5501424 Theo thông tin dữ liệu của HIS Energy, vào giữa 2002 cho biết tổng trữ lượng vùng nước sâu ở Đông á- Đông Nam á ước tính đạt 4598 triệu thùng dầu (tức là cả dầu thô và khí đốt), trong đó có 1040 triệu thùng dầu thô và 20 Tcf (nghìn tỷ feet khối) khí. Bảng: Trữ lượng và sản lượng dầu khí Đông á- úc. Nước Trữ lượng xác minh (dầu- triệu thùng; khí- tỷ feet) Sản lượng khai thác dầu (nghìn thùng/ ngày) 1/1/2003 1/1/2002 2002 2001 Brunei 1350 13800 1350 13800 185 108,5 Indonesia 5000 92500 5000 92500 1120 1214,4 Malaisia 3000 75000 3000 75000 760 744,2 Myanmar 50 10000 50 10000 10 8 Philipine 152 3772 178 3693 14 7,1 ThaiLan 583 13341 515,7 12705 130 118,1 VietNam 600 6800 600 6800 304 304,8 TrungQuoc 18250 53325 24000 48300 3400 3296 Ando 5367 26943 4840 22865 663 643,8 australia 3500 90000 3500 90000 633 632,6 PaquaN.G 240 12230 238 12230 46 57 Neuzealand 189,7 3086 89,5 2,03 34 34 Dầu Khí Dầu Khí Hiện nay ở Việt Nam có 3 mỏ dầu quan trọng được khai thác. + Mỏ Bạch Hổ: Bắt đầu khai thác từ năm 1986, tổng sản lượng thác đạt trên 3 triệu tấn. Sản lượng khai thác hiện nay khoảng 7á9 triệu tấn/năm + Mỏ Rồng: bắt đầu khai thác từ năm 1994, song sản lượng chưa nhiều, đạt 12000á18000 thùng/ngày. + Mỏ Đại Hùng: bắt đầu khai thác từ 10-1994, sản lượng 32000 thùng/ngày (5000 tấn/ ngày). Về khí hyđrôcacbon hiện nay có các nơi được khai thác như sau: + Mỏ Tiền Hải (Thái Bình): là mỏ khí thiên nhiên đây là mỏ nhỏ, hàng năm cung cấp 10á30 triệu m3 khí cho công nghiệp địa phương. + Mỏ Đại Hổ: là dạng khí đồng hành đi kèm khi khai thác dầu có thể thu được 180á200 m3 khí đồng hành. Sản lượng của mỏ là 1,5 triệu tấn/năm. + Riêng mỏ khí Lan Tây- Lan Đỏ với trữ lượng là 58 tỷ m3 sẽ dung cấp lâu dài ở mức 2,7 tỷ m3 khí/ năm. Theo dự kiến của PetroVietNam, trong thời gian từ 2003 đến 2010, cụm mỏ dầu khí ở vùng biển Cửu long và Nam Côn Sơn có thể cung cấp đến 6á8 tỷ m3 khí/năm. Từ dầu khí, bằng các quá trình chế biến hóa học có thể tạo ra hàng loạt các sản phẩm. + Sản phẩm năng lượng: những sản phẩm này được sử dụng để làm chất đốt và nhiên liệu động cơ như: dầu hoả dầu FO, xăng, dienzel… + Sản phẩm phi năng lượng: những sản phẩm này không được sử dụng như một dạng năng lượng mà được sử dụng vào mục đích khác như dầu nhờn, mỡ bôi trơn, nhựa đường (bitum). + Sản phẩm hoá học: kà những bán thành phẩm thuộc loại các hoá chất trung gian như: axit, rượu, anđêhit, xêtôn… Nói chung phần dầu khí dùng để sản xuất các sản phẩm năng lượng chiếm tỷ lệ cao: trệ 90% sản lượng dầu khai thác được trên thế giới. Với tầm quan trọng của năng lượng chủ yếu là điện năng phục vụ cho đời sống và cho nền kinh tế cuả mỗi nước. Vì thế, các nước trên thế giới đã tiến hành xây dựng các nhà máy điện gồm: nhà máy thuỷ điện hạt nhân. ở nước ta hiện nay có 2 loại nhà máy phát điện đó là: nhà máy nhiệt điện (Sông Đà, Taly, Trị An, Hoà Bình…) và nhà máy nhiệt điện (Phú Mỹ lấy nhiên liệu đốt là khí đồng hành, nhà máy Phả Lại, Uông Bí lấy nhiên liệu đốt là than…). ở nước ta, tiềm năng xây dựng thuỷ điện còn rất ít nếu có chỉ ở tiềm năng rất nhỏ khoảng vài trăm MW. Việc xây dựng các nhà máy nhiệt điện chạy băng khí tự nhiên hay khí đồng hành đã mở ra một bước phát triển mới cho nghành sản xuất điện năng, giảm thiểu ô nhiễm, đáp ứng đủ điện năng trong thời gian tới. Muốn phát triển được thì cần phải khai thác và vận dụng tối đa những nguồn năng lượng đã có trong nước bằng các phương pháp hiện đại hơn, hiệu quả hơn. Trong quá trình sản xuất điện năng của nhà máy nhiệt điện, lò hơi là khâu quan trọng đầu tiên, có nhiệm vụ biến đổi năng lượng tàng trữ của nhiên liệu thành điện năng của lò hơi. Lò hơi là thiết bị lớn, vận hành rất phức tạp, nó có khả năng sản xuất ra hơi quá nhiệt để cung cấp hơi nước tạo áp suất đẩy tua bin kéo theo trục quay máy phát điện nhằm tạo ra điện năng. Do thấy vai trò và tính chất quan trọng của lò hơi trong lò máy nhiệt điện như vậy, nên việc tính toán và thiết lò hơi sao cho phù hợp là việc làm rất cần thiết khi thi công nhà máy nhiệt điện. Nhằm tăng thêm kiến thức hiểu biết của mỗi sinh viên, em được giao đồ án tốt nghiệp với đề tài: " Thiết kế buồng đốt khí thiên nhiên của lò hơi nhà máy nhiệt điện năng suất 30 tấn hơi/ giờ". Phần I Khái niệm cơ bản của lò hơi nhà máy nhiệt điện Trong nhà máy nhiệt điện lò hơi là thiết bị lớn và quan trọng nhất, nó vận hành rất phức tạp và khả năng cơ khí hoá, tự động hoá cao. Nhiệm vụ của lò hơi là sản xuất ra hơi quá nhiệt để cung cấp hơi nước chạy máy tuabin làm quay trục máy phát điện nhằm biến đổi từ cơ năng sang điện năng. Ngoài ra trong các lĩnh vực khác, lò hơi còn cung cấp hơi nóng để phục vụ cho các nhu cầu như: sấy, hấp, luyện… nhưng trong các lĩnh vực này thì lò hơi của nó thường nhỏ hơn, khả năng tự động hoá thấp hơn sơ với nhà máy nhiệt điện. I. Cấu tạo của lò hơi (Hình 1) Lò hơi trong nhà máy nhiệt điện Bao hơi ống dẫn nước nóng vào bao hơi Phần nước trong bao hơi ống dẫn hơi bão hoà từ bao hơi tới bộ quá nhiệt Phần hơi của bao hơi Bộ quá nhiệt cấp I Buồng lửa Bộ giảm ôn để điều chỉnh Vòi phun khí tự nhiên Bộ qúa nhiệt cấp II Đường nhiên liệu tới vòi phun Bộ sấy khí cấp I Các dàn ống đặt xung quanh Bộ sấy khí cấp II ống pheston ống dẫn khí nóng ẩng nước xuống Quạt gió ống góp dưới của dàn ống Quạt hút khói lò Bộ hâm nóng nước cấp 1 ống dẫn khói Bộ hâm nóng nước cấp 2 II. Nguyên lý làm việc của nồi hơi Không khí nóng trong đường ống (20) cùng nhiên liệu khí tự nhiên (từ ống dẫn 6) được phun vào vòi phun (5) và vào buồng lửa (4). Dưới tác dụng của nhiệt độ cao trong buồng lửa, nhiên liệu kết hợp với O2 tạo ra hỗn hợp cháy, nhiệt toả ra do quá trình cháy sẽ cung cấp nhiệt cho dàn ống (7) rồi bốc hơi đẩy hỗn hợp hơi + nước lên bao hơi (1). Sự truyền nhiệt trong buồng lửa được thực hiện bàng bức xạ nhiệt giữa buồng lửa và dàn ống. Bao hơi được dùng để phân ly hỗn hợp hơi và nước. Phần nước trong bao hơi được đưa trở lại các dàn ống qua đường ống (9) đặt bên ngoài. Nước đi trong ống (9) không được đốt nóng nên có trọng lượng riêng lớn hơn hỗn hợp hơi nước ở các dàn ống (7), điều đó đã tạo nên sự chênh lệch trọng lượng cột nước làm cho môi chất chuyển động tuần hoàn tự nhiên kín mà không cần phải bơm. Lượng hơi nước trong bao hơi là lượng hơi nước bão hoà sẽ đi vào ống dẫn (14) đến bộ qúa nhiệt cấp I (15) và bộ quá nhiệt cấp II (17) để tạo thành hơi quá nhiệt có nhiệt độ cao, lượng hơi này được điều chỉnh ổn định bằng giảm ôn (16). Hơi quá nhiệt được đưa sang phân xưởng tuabin để chạy máy phát điện. Để có hơi quá nhiệt ở trên người ta phải cung cấp 1 lượng nước mềm, lượng nước này đã đi qua bộ hâm nóng nước cấp I (11) và bộ hâm nóng nước cấp II (12). Khi ra khỏi bộ hâm nóng nước cấp II thì nước đã có nhiệt độ khoảng 1500C và nó được đưa đến bao hơi. Lượng không khí nóng đưa vào buồng (4) được lấy từ không khí nhờ quạt gió (21) và được hâm nóng bằng bộ hâm nóng không khí cấp I (18) và bộ hâm nóng không khí cấp II (19). Phần ống ở cửa ra buồng lửa gọi là ống pheston (8) được chia thành nhiều dãy (ống được đặt thưa) để giảm bớt tro, bẩn bám trên ống. Pheston còn hấp thụ thêm 1 phần nhiệt lượng của khói trước khi đi vào bộ quá nhiệt. Khói lò ra khỏi bộ quá nhiệt có nhiệt độ cao, vì vậy người ta đặt thêm bộ hâm nóng nước (11), (12) và bộ hâm nóng không khí (18), (19) để tiết kiệm nhiệt thừa của khói thải. Nhiệt độ khói thải khoảng 110 - 1700C. Quạt hút khói (22) để hút khói từ buồng đốt (4) và đẩy ra môi trường bằng ống khói (23). II.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của bao hơi. Sơ đồ thiết bị phân ly để đưa hỗn hợp hơi và nước dưới mức nước trong bao hơi (hình 2). 7 3 5 4 9 1 2 6 Hình 2: Cấu tạo bao hơi ống sinh hơi ống đưa nước cấp Tấm không đục lỗ Tấm đục lỗ ở khoang hơi Tấm đục lỗ đặt chìm ống lấy hơi Cánh hướng của tấm đục lỗ ống nước xuống Mép gỗ của tấm đục lỗ Nguyên lý làm việc: Hỗn hợp hơi - nước từ ống sinh hơi (1) đi vào bao hơi và được hướng xuống dưới tấm chắn có đục lỗ (3) nhờ 1 tấm chắn không đục lỗ (2). Hơi đi lên chỉ có thể chui qua lỗi đặt chìm trong nước, cách mức nước thấp nhất ở trong bao hơi khoảng 50 - 150mm. Gờ ghép của tấm đục lỗ (3) có kích thước không nhỏ hơn 50mm để ngăn hơi không lọt ra phía ngoài tấm đục lỗ. Nước cấp vào theo ống đưa nước cấp (6) rồi chảy vào máng lớn đặt dọc theo bao hơi giữa tấm (3) và vách bao hơi, rồi chảy tràn lên tấm đục lỗ. Tiết diện máng chọn theo yêu cầu, tốc độ nước đi trong máng khoảng 0,2 - 0,3m/s. Hơi nước trong bao hơi đã phân li nước đi qua tấm đục lỗ ở khoang hơi (7) và vào ống lấy hơi (8). Nhờ tấm đục lỗ (7) này mà hơi nước đi vào ống lấy hơi (8) được phân bố đồng đều và ổn định hơn. Mặt khác tấm (7) có tác dụng tách ẩm cho hơi nước lần cuối. Nước trong bao hơi được tuần hoàn khi đi xuống ống (9) để đun nóng. Tác dụng của tấm đục lỗ (3) là: Đảm bảo phụ tải của mặt bốc hơi được đồng đều Tăng trở lực của dòng làm cho động năng của dòng hơi giảm đi do đó hơi không đủ khả năng mang theo những giọt nước lớn Sử dụng tốt hơn thể tích khoang hơi và diện tích của mặt bốc hơi. II.2. Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của lò hơi a. Thông số hơi. Trong nhà máy nhiệt điện, các trị số áp suất và nhiệt độ hơi quá nhiệt được chọn trên cơ sở kinh tế - kỹ thuật của chu trình nhiệt. Trong công nghiệp, lò hơi khi dùng để sản xuất hơi bão hoà thì có thể chỉ cần đặc trưng thông số hơi là áp suất (N/m3 = Pascal, 1 ATM = 105Pascal). b. Sản lượng hơi. Là số lượng hơi sản xuất ra của lò trong một đơn vị thời gian (đo bằng kg/s, kg/h, hoặc tấn/h). Người ta phân biệt các số lượng hơi sau đây: Sản lượng hơi định mức của lò hơi là sản lượng lớn nhất mà lò hơi có thể cho phép làm việc lâu dài ở thông số hơi quy định. Sản lượng hơi cực đại là sản lượng hơi lớn nhất mà lò có thể cho phép làm việc được. Thường Dkinh tế = (1,1 - 1,2)Dđm. Sản lượng hơi kinh tế là sản lượng hơi mà tại đó lò làm việc với hiệu suất cao nhất. Thường Dkinh tế = (0,8 - 0,9)Dđm. c. Nhiệt thế thể tích của buồng lửa Là lượng nhiệt sinh ra trong 1 đơn vị thể tích buồng lửa trong 1 đơn vị thời gian. Trong đó: Blv: Lượng nhiên liệu tiêu hao, m3/s Qt: Nhiệt trị của nguyên liệu, KJ/Kg Vbl: Thể tích buồng lửa, m3. d. Năng suất bốc hơi của lò hơi. Là khả năng bốc hơi của một đơn vị diện tích bề mặt đốt trong 1 đơn vị thời gian (kg/m2h), đặc tính này thường dùng cho các lò hơi nhỏ trong công nghiệp. e. Hiệu suất của lò hơi. Là tỉ số giữa lượng nhiệt mà môi chất hấp thụ được có ích so với lượng nhiệt sinh ra trong buồng lửa. Trường hợp đơn giản, hiệu suất có thể được xác định. Trong đó: D: Sản lượng của lò hơi, Kg/h Vì vậy tỉ số lượng nhiệt nước thêm vào trong 1 giờ và lượng nhiệt sinh ra trong 1 giờ bằng h và h < 1. Các đặc tính về thông số lò hơi được chọn tuỳ ý theo sản lượng, còn các đặc tính về nhiệt độ thế thể tích được chọn theo cấu tạo buồng lửa và loại nguyên liệu đốt. Bảng dưới đây trình bày các đặc tính của lò hơi đã được tiêu chuẩn hoá ở Liên Xô [I - 8]. Sản lượng định mức (tấn/h) áp suất hơi (MN/m2) Nhiệt độ hơi quá nhiệt (0C) Nhiệt độ hơi quá nhiệt trung gian (0C) Nhiệt độ nước cấp (0C) 10 1,4 250 20 2,4 425 6,5; 10; 15; 20; 25; 35; 50; 75 4 440 150 60; 90; 120; 160; 220 10 510 - 540 215 160; 210; 320; 420; 480 14 545 - 570 230 320; 500; 640 14 545 - 570 545 - 570 230 950 25,5 545 - 585 570 260 III. Bộ quá nhiệt Bộ quá nhiệt là 1 thiết bị dùng để gia nhiệt hơi từ trạng thái bão hoà ở áp suất trong bao hơi tới trạng thái quá nhiệt quy định. ở các lò hơi cũ, bộ quá nhiệt thường đặt sau dàn ống sinh hơi (pheston hay cụm ống đối lưu), nhiệt độ khói lò trước bộ quá nhiệt không quá 7000C, nhiệt độ hơi không quá 4000C. ở những lò hơi hiện đại thông số trung áp (3,28 NM/m2 và 4500C), cao áp (9,81 MN/m2 và 5100C), bộ quá nhiệt thường đặt ở vùng khói có nhiệt độ cao (>10000C) để đảm bảo thu được hơi có nhiệt độ yêu cầu. Song những bộ quá nhiệt này chỉ đặt sau cụm ống pheston, do đó gọi là bộ quá nhiệt đối lưu. ở những lò hơi có nhiệt độ hơi cao hơn (> 5300C) đòi hỏi phải đặt bộ quá nhiệt ở vùng khói có nhiệt độ cao hơn. Khi đó những bộ quá nhiệt đặt ở phần trên buồng lửa (trước cụm ống pheston) gọi là bộ quá nhiệt nửa bức xạ, còn khi đặt xen kẽ với dàn ống hấp thụ nhiệt xung quanh buồng lửa thì gọi là bộ quá nhiệt bức xạ. Bộ quá nhiệt gồm cả 3 phần: bức xạ, nửa bức xạ, đối lưu gọi là bộ quá nhiệt tổ hợp. Tuỳ theo thông số của lò hơi mà tỷ số giữa các phần bề mặt đối của chúng khác nhau. Bảng dưới đây trình bày tỷ lệ hấp thụ của bộ quá nhiệt so với tổng lượng hấp thụ của lò: [II - 275]. Loại lò hơi Sản lượng hơi D, (tấn/h) Thông số hơi (MN/m2/0C) Lượng nhiệt hấp thụ của bộ quá nhiệt Din (KJ/Kg) Tỷ lệ so với tổng lượng nhiệt hấp thụ của lò Diqn/Di (%) Chính Trung gian BW 10 1,3/320 - 293 11 OR - 32 32 1,96/350 - 335 12,4 Гк 375/ 39 фт 75 3,82/450 - 523 19,4 Тп - 42 230 9,81/510 - 692 27,9 Тп -10 220 9,1/54 - 769 30,1 Тп - 80 420 13,72/570 - 913 36,2 Пk-39 950 25/585 3,7/570 1680 61,7 Тпп-200 2400 25/585 5,/570 và 1,5/570 1895 64 II.1. Bộ quá nhiệt đối lưu Bộ quá nhiệt đối lưu gồm những ông xoắn có đường kính khoảng 28 - 42mm, có bề dày nhỏ nhất theo điều kiện công nghệ chế tạo ống là 3mm, và lớn nhất theo điều kiện bền là 7mm. Những ống xoắn này có thể đặt đứng hay nằm ngang. Việc đặt ngang hay đứng phụ thuộc vào phương của dòng khói, để đảm bảo sao cho dạng lưu động tương hỗ giữa dòng hơi và dòng khói ở từng đoạn ống xoắn là dạng lưu động cắt. Bộ quá nhiệt có ống xoắn nằm ngang chủ yếu được dùng cho lò hơi nhỏ kiểu ống nước sinh hơi, nằm nghiêng vì thế nó lợi dụng triệt để không gian đường khói của lò, và cho phép xả được nước đọng do hơi trong các ống xoắn ngưng đọng lại lúc ngừng lò, do đó khắc phục được hiện tượng ăn mòn lò khi nghỉ. Song bộ quá nhiệt đặt ngang có nhược điểm là hệ thống treo đỡ các ống xoắn khá phức tạp. Trong bộ quá nhiệt có ống xoắn đặt đứng, mỗi ỗng xoắn được đặt trong 1 mặt phẳng vuông góc với ngực lò và đảm bảo đường hơi cắt đường khói nhiều lần. Các ống xoắn do nằm trong mặt phẳng trùng với phương chuyển động của dòng khói nên cũng được đốt nóng đồng đều, mặc dù trường nhiệt độ khói giảm dần đi theo chiều chuyển động của dòng khói. Việc đặt các ống xoắn đứng còn khắc phục được ảnh hưởng của trường nhiệt độ không đồng đều theo chiều cao đường khói đến lượng nhiệt hấp thụ của từng ống, tuy rằng ở những lò lớn hiện đại có khi chiều cao đường khói từ 6 - 8m, phụ tải nhiệt giữa phần trên và phần dưới ống xoắn có thể khác nhau 20%. Nhưng việc đặt ống xoắn như vậy sẽ không khắc phục được hiện tượng đốt nóng không đồng đều các ống xoắn do trường nhiệt độ khói không giống nhau theo chiều rộng đường khói. Hình 3. Cấu tạo bộ quá nhiệt nằm ngang Dàn ống sinh hơi nằm nghiêng ống góp ống dẫn hỗn hợp hơi Bao hơi ống xoắn của bộ quá nhiệt ống góp bộ quá nhiệt ở những lò lớn có đường khói rộng tới 20m, phụ tải nhiệt trên mỗi ống xoắn có thể vượt quá 30% so với trị số trung bình. Vì các ống xoắn của bộ quá nhiệt luôn làm việc trong vùng khói có nhiệt độ cao, nên để giảm nguy hiểm do đóng xỉ trên ống khi đốt nguyên liệu nhiều tro, người ta thường lắp các ống xoắn theo dạng cụm ống song song. Những bộ quá nhiệt cấp I đặt sau bộ quá nhiệt cấp II (theo đường khói), do nhiệt độ khói đã giảm thấp nên có thể đặt so le được. Cũng vì lý do đóng xỉ lên ống, khoảng cách giữa các ống cần lớn hơn trị số giới hạn nào đó. Theo kinh nghiệm bước ngang tương đối và bước dọc tương đối . Thông thường mỗi cấp của bộ quá nhiệt hấp thụ vào khoảng 200 - 350 KJ/kg hoặc cao hơn một chút. Bộ quá nhiệt đặt đứng ưu điểm hơn so với bộ quá nhiệt nằm ngang nhất là về phần treo giữ. Nhưng có một nhược điểm rất lớn là không xả được nước đọng ra khỏi các ống xoắn. Nước đọng có trong các ống xoắn một mặt gây nên ăn mòn khi nghỉ, mặt khác ngăn cản không cho hơi thoát qua bộ quá nhiệt lúc khởi động lò (do áp xuất hơi còn thấp) tạo nên các túi hơi trong ống xoắn làm cho vách ống bị đốt nóng quá mức. III.2. Bộ quá nhiệt bức xạ và nửa bức xạ. ở những lò hơi có thông số cao và siêu cao trở lên, tỷ lệ lượng nhiệt dùng để quá nhiệt hơi khá lớn, nhất là ở những lò có quá nhiệt trung gian, khiến cho kích thước bộ quá nhiệt rất lớn. Vì vậy đòi hỏi phải đặt một bộ phận quá nhiệt trong buồng lửa nghĩa là hấp thụ nhiệt bằng bức xạ. Nộ quá nhiệt nửa bức xạ bao gồm những chùm ống xoắn hình chữ U hoặc dị hình đặt dọc phía trên buồng lửa. Bước ngang của ống (khoảng cách giữa các dàn ống) bằng từ 700 - 1000mm. Việc chọn bước ống lớn như vậy sẽ khắc phục được khả năng tạo nên những cầu xỉ giữa các dàn ống quá nhiệt. Bộ quá nhiệt nửa bức xạ được sử dụng rộng rãi cho những lò hơi có nhiệt độ hơi khoảng 530 - 5400C trở lên. Bộ quá nhiệt bức xạ thường có dạng dàn ống đặt trên tường hay trên trần buồng lửa. Phụ tải nhiệt của nó thường cao hơn bộ quá nhiệt đối lưu từ 3á5 lần nên nhiệt độ kim loại thường cao hơn nhiều so với nhiệt độ hơi (từ 100 - 1400C). Vì vậy yêu cầu cao về kim loại để chế tạo và vận hành. IV. Các công thức liên quan. Nước cung cấp vào lò đến khi thành hơi quá nhiệt đã trải qua giai đoạn hấp thụ nhiệt: đun nước đến sôi, bốc hơi thành hơi bão hoà và quá nhiệt. Các giai đoạn này có thể diễn đạt bằng các phương trình sau; [I - 6]. Trong đó ih’n, ih"n: Entapi của nước khi vào và ra khỏi bộ hâm nước, Kj/Kg is: Entapi của nước sôi trong bao hơi, KJ/Kg r: Nhiệt hoá hơi ở áp suất trong bao hơi X: Độ khô của hơi nước khi ra khỏi bao hơi. tbh, tqn: Nhiệt độ bão hoà và hơi quá nhiệt, 0C Cp: Tỷ nhiệt của hơi quá nhiệt, KJ/Kg. độ Sau khi biến đổi ta có công thức Vì: (is + r) là entanpi của hơi bão hoà khô và Cp(tqn - tbh) là độ quá nhiệt của hơi quá nhiệt, nên biểu thức: is + r + Cp (tqn - th) chính là entanpi của hơi quá nhiệt (tqn) Do đó lượng nhiệt cần để sinh hơi của 1 kg môi chất Qmc = iqn - ih’n Nếu kể cả lượng nhiệt hấp thụ của bộ sấy không khí Qkk thì phương trình cân bằng nhiệt củ lò hơi sẽ là : Trong đó: Qđv: Lượng nhiệt đưa vào ứng với 1 kg nguyên liệu, bao gồm nhiệt của nguyên liệu, nhiệt không khí, và của nguồn khác đưa vào buồng lửa. h: Hiệu suất của lò hơi. B: Lượng khí tiêu hao, m3/h D: Sản lượng hơi của lò, Kg/h * Mối quan hệ giữa Entanpi và áp suất hơi nước. Tỷ lệ phân bố hấp thụ giữa các phần đun nóng đến sôi, bốc hơi và đến quá nhiệt luôn phụ thuộc vào thông số của lò hơi. Ta có đồ thị (i-p) biểu diễn sự phụ thuộc này [I-7]. 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0 420 840 1260 1680 2100 2520 2940 3360 P, NM/m 2 KJ/Kg Entanpi của hơi bão hoà khô D ipn D ibh =R D is Entanpi của nước sôi is r=0 Dis: Lượng nhiệt dùng để đun nóng nước đến sôi Dibh: Lượng nhiệt dùng để bốc hơi nước Diqn: Lượng nhiệt dùng để quá nhiệt hơi đến nhiệt độ quy định r: ẩn nhiệt hoá hơi r = ồ nhiệt ở trạng thái hơi - tổng nhiệt ở trạng thái lỏng K: Biến đổi tới hạn (là điểm tại đó trạng thái hơi, lỏng không phân biệt nhau được). Từ đồ thị ta thấy đun nước tới áp suất càng lớn thì lượng nhiệt dùng để bốc hơi nứơc càng bé và lượng nhiệt để đun sôi càng lớn. ở áp suất tới hạn, lượng nhiệt dùng để bốc hơi bằng 0 (r = 0) khi đó lượng nhiệt hấp thụ của môi chất chỉ dùng để đun sôi nước và quá nhiệt hơi. Trong lò, hơi nước luôn ở trạng thái sôi nên không thể làm việc ở áp suất từ tới hạn trở lên được. V. Bộ hâm nóng nước Là bề mặt truyền nhiệt đặt ở phía sau lò hơi để tận dụng nhiệt của khói lò sau khi đi ra từ bộ quá nhiệt, có tác dụng là nâng cao hiệu suất của lò hơi. Vì thế mà bộ hâm nóng nước còn có tên gọi là bộ tiết kiệm nhiên liệu. ở đầu vào của bộ hâm nóng nước, nhiệt độ kim loại có trị số nhỏ nhất so với các bề mặt truyền nhiệt chịu áp suất của lò. Hầu hết ở các lò, do nhiệt độ không khí nóng không cao nên toàn bộ lượng nhiệt còn lại ở phần nhiệt được dùng để gia nhiệt cho bộ hâm nóng nước. Vì vậy bộ hâm nóng nước thường làm việc ở trạng thái sôi. Tỷ lệ bốc hơi nước (tỷ lệ sôi) có thể lên tới 30% hoặc cao hơn. ở những lò hiện đại việc phân loại sôi hay không sôi không thể hiện gì sự khác biệt về cấu tạo, mà chỉ thể hiện sự khác nhau về quá trình nhiệt của bộ hâm nước mà thôi. Cấu tạo bộ hâm nước được chia làm 3 loại sau: loại ống thép trơn, ống thép có cánh, loại bằng gang. Loại ống thép có cánh, cánh nằm dọc theo bên ngoài ống bằng cách hàn hoặc chế tạo liền một khối với ống. Cánh cũng có thể dạng hình đĩa (bằng gang) lắp khít với ống. Việc đặt thêm cánh làm tăng thêm bề mặt truyền nhiệt cho ống, hiện nay hầu như không sử dụng loại này do chế tạo phức tạp. V.1. Bộ hâm nước bằng ống thép trơn Bộ hâm nước bằng ống thép trơn được sử dụng chủ yếu cho các loại là hơi hiện đại. Cấu tạo của nó gồm những ống thép có đường kính ngoài thường là 28, 32, 38mm. Các ống xoắn được chế tạo dưới dạng những đoạn ống uốn đem hàn với nhau trong cùng một mặt phẳng. Để tiện việc sửa chữa, người ta thường đặt các mối hàn ở gần tường lò. Hiện nay, ngay tại nhà máy chế tạo người ta đã uốn và nối sẵn ống xoắn với ống góp thành từng cụm và lắp ghép sau này được tiến hành theo phương pháp lắp khối mà không dùng biện pháp núc để nối. Sơ đồ ống xoắn (hình 4) theo chiều cao của ống xoắn bộ hâm nước được chia thành nhiều cụm cách nhau khoảng 0,5m để dễ dàng cho việc sửa chữa và làm vệ sinh [II - 296]. Hình 4: ống xoắn bộ hâm nước Để hạn chế kích thước của lò, các ống xoắn được bố trí so le. Bán kính uốn không quá lớn nhưng cũng không quá nhỏ vì khi ấy tại chỗ uốn sẽ sinh ra những ứng suất cục bộ. Thường lấy bán kính bằng 1,5 - 2 lần đường kính ống. Để hạn chế bám bẩn, bước ngang giữa các ống lấy bằng 2 - 3 lần đường kính ống. Bề mặt cấu tạo, cơ cấu treo hay đỡ ống xoắn của bộ hâm nước không có gì khác với cơ cấu giữ ống xoắn của bộ quá nhiệt nằm ngang. Các cơ cấu treo hay đỡ ống xoắn được tựa lên hay treo vào các dầm đỡ. Dầm đỡ có dạng hình ống được gắn với khung lò. Vì dầm đặt trong vùng khói có nhiệt độ cao nên người ta thường cách nhiệt dầm đỡ và làm mát bằng dòng không khí lưu động tự nhiên qua dầm hoặc lưu động cưỡng bước bằng cách nối dầm với đầu hút hay đầu đẩy của quạt gió. Người ta thường đỡ và giữ ống xoắn bằng các đai thép bộc lấy ống xoắn hoặc treo trên những móc giữ. Để đảm bảo các ống xoắn khỏi bị mài mòn thường che ống xoắn bằng những lá chắn hay đưa vùng ống bị mài mòn nhất ra khỏi đường khói của lò. Về mặt truyền nhiệt cũng như về mặt cấu tạo thì mặt phẳng ống xoắn có thể đặt song song hay vuông góc với ngực lò. Tuỳ vào sự bố trí đó mà tốc độ nước đi trong ống xoắn sẽ lớn nhất hay nhỏ nhất. Song thực ra việc bố trí ống xoắn không phải dựa trên yêu cầu của tốc độ nước mà chủ yếu là để bảo vệ cụm ống khỏi bị mòn. Hiện nay, người ta thường bố trí ống xoắn nằm rong mặt phẳng song song với ngực lò vì nếu bố trí ống xoắn vuông góc tường sau lò thì khi ấy các ống xoắn đều đi qua vùng khói có nồng độ tro lớn nhất nên các ống xoắn đều bị mài mòn. ở những lò lớn do chiều rộng của lò rất lớn nên bộ hâm nước nóng thường chia làm 2 phần, có 2 đường nước đi riêng và khi đó đoạn ống uốn nằm gần nhau của 2 phần (giữa đường khói) cũng cần được bảo vệ khỏi mài mòn bởi tro bay [II - 297]. Một số là bé ở các nước, để đảm bảo tốc độ nước trong ống xoắn, người ta có thể bố trí ống xoắn theo dạng không gian chứ không phải trong một mặt phẳng. Khi đó toàn bộ bộ hâm nước chỉ có một ống xoắn. Việc này cho phép giảm được bước dọc của ống khá nhiều, do đó kích thước không gian của bộ hâm nước giảm đi nhiều nhưng chế tạo và sửa chữa tương đối phức tạp. V.2. Bộ hâm nước bằng gang Bộ hâm nước bằng gang gồm những ống bằng gang đúc. Đường kính trong khoảng từ 76 - 120mm, dài từ 1,5 - 3m. Những ống này thường đặt nối tiếp với nhau bằng những cút nối bằng gang. Thực chất bộ hâm nước bằng gang cũng chỉ gồm một ống xoắn bố trí theo dạng không gian. Do gang có hệ số dẫn nhiệt kém nên để tăng cường hệ số truyền nhiệt người ta đúc thêm cánh cho các ống và gọi là ống bằng gang có cánh. Vì các ống và cút nối được gắn với nhau nhờ mặt bích và bulông nên việc lắp bộ hâm nước này tương đối dễ dàng. Số ống được nối trong mỗi dãy ngang thường 2 - 10 ống, còn theo dãy dọc từ 4 - 14 ống. Trở lực trung bình qua mỗi dãy ống khoảng 15 - 20N/m2. Do các ống có cánh nên tro bám lên ống rất nhiều, vì vậy ở đây người ta lắp thêm thiết bị thổi bụi. Bộ hâm nước bằng gang được sử dụng khá rộng rãi cho các lò công nghiệp và lò nhỏ không có những phương pháp xử lý nước hoàn thiện (như không có biện pháp khử khi nước cấp) do gang chịu ăn mòn tốt hơn thép. Mặt khác, do gang ít bền hơn thép, dòn không chịu được tác dụng va đập nên người ta không dùng gang để chế tạo cho những bộ hâm nước có áp suất lớn. ở Liên bang Nga hiện nay bộ hâm nước bằng gang chỉ chế tạo để làm việc với áp suất 2,75MN/m2, ở một số nước khác thì áp suất khoảng 6MN/m2. Vì gang không chịu được tác dụng va đập nên để tránh hiện tượng thuỷ kích trong ống của bộ hâm nước thì nước phải không được sôi và sinh hơi. Theo phạm vi cấu tạo để vận hành an toàn lò hơi, nước ra khỏi bộ hâm nước bằng gang có nhiệt độ nhỏ hơn 400C so với nhiệt độ của nước trong lò. Mặt khác, trong giai đoạn nhóm lò do nước không đi qua bộ hâm nước để cung cấp vào lò nên để tránh việc khói đốt nóng ống và làm bốc hơi nước cần bố trí đường khói tắt không cho qua bộ hâm nước. VI. Cấu tạo bộ hâm nóng không khí. Theo nguyên tắc truyền nhiệt bộ hâm nóng không khí được chia làm 2 loại: loại thu nhiệt và loại hồi nhiệt. ở loại thu nhiệt, nhiệt truyền trực tiếp từ khói tới không khí qua vách kim loại. ở loại hồi nhiệt, khói đầu tiên đốt nóng kim loại rồi nhiệt tích tụ lại ở đây sau đó truyền cho không khí. Như vậy mỗi phần từ của bộ hâm nóng không khí sẽ làm việc ở trạng thái tiếp xúc với khói, khi thì với không khí. Bộ hâm nóng không khí kiểu thu nhiệt là loại được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay, về mặt cấu tạo nó có thể gồm các kiểu sau: kiểu bằng tấm thép, kiểu bằng ống gang và ống thép. Nhưng kiểu tấm thép hiện nay không được sử dụng, còn bộ hâm nóng không khí kiểu ống thép thì đang được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Nó gồm một hệ thống những ống đứng so le và được giữ với nhau bởi 2 mặt sàng, trong đó khói đi trong ống còn không khí đi ngoài ống. Thông thường người ta chế tạo bộ hâm nóng không khí thành từng cụm (khối), khi lắp lò chúng được nối với nhau tạo thành bộ hâm nóng không khí . Kích thước của khối này được chọn theo kích thước của đường khói đối lưu, thường một cạnh của khối lấy bằng chiều sâu của đường khói, còn cạnh kia được chọn trên cơ sở kích thước chiều rộng và số khối (ước số theo bề rộng của lò). Việc chia thành khối như vậy cho phép vận chuyển và lắp ráp dễ dàng. Sơ đồ bộ hâm nóng không khí thành các khối và cách nối các khối với nhau được trình bày (hình 5) [II - 302]. 1 2 3 a) b) Hình 5: Sơ đồ chia bộ hâm nóng không khí thành khối và cách nối các khối. a. Các khối b. Chi tiết nối giữa 2 khối 1. Mặt sàng; 2. ống; 3. Vành bù dãn nở nhiệt và làm kín Khi nối các khối là để ngăn không khí lọt vào trong đường khói qua các kẽ hở, giữa các mặt sàn người ta đặt các vành bù, giữa các khối của bộ hâm nóng với khung lò cũng đặt vành bù. Vành bù là những tấm tôn mỏng nối giữa mặt sàng với khung lò. Vì bộ hâm nóng làm việc ở trạng thái không có áp suất nên chế tạo lá tôn dày khoảng 1,25 - 1,5mm, uốn lại và hàn mí. Các ống thép có đường kính nằm trong phạm vi 25 - 51mm, và hiện nay có xu hướng sử dụng hai loại đường kính 40mm và 51mm, vành bù là dày 1,5mm. Mặt sàng được tính theo điều kiện bền, thường đối với mặt trên và dưới lấy bằng 15 - 25mm. Để tăng cường độ cứng của bộ hâm nóng, giữa 2 mặt sàng trên và dưới còn đặt thêm mặt sàng trung gian, mặt này có bề dày nhỏ từ 5 - 10mm. Nó có tác dụng để phân chia đường không khí thành nhiều đường cắt đường khói nhiều lần. Mỗi khối của bộ hâm nóng không khí có thể chia từ 1 đến 2 mặt sàng trung gian. Khi thiết kế bộ hâm nóng không khí thì bề mặt truyền nhiệt yêu cầu đã biết trước, còn tiết diện khói qua cũng được xác định bằng cách lựa chọn tốc độ khói trên cơ sở tốc độ khói giới hạn theo được mài mòn bởi tro bay. Bộ hâm nóng không khí kiểu ống có những ưu điểm sau: Đơn giản trong chế tạo, làm việc và lắp ráp dễ dàng ống dễ dàng được làm sạch vì tro bám trong ống không nhiều, lợi về kinh tế Khắc phục được hiện tượng lọt khí vào trong khói Tiêu hao kim loại tương đối bé, khoảng 24kg cho 1m2 bề mặt truyền nhiệt. Khuyết điểm chủ yếu của bộ hâm nóng không khí kiểu ống là: Các ống thép không bền vững dưới tác dụng ăn mòn của khói ở nhiệt độ cao và tác dụng mài mòn bởi tro bay. Vì vậy bộ hâm nóng không khí kiểu ống thép được dùng để gia nhiệt không khí tới 4000C, nhiệt độ khói trước nó không quá 5500C. Khi nhiệt độ khói và không khí cao hơn người ta thường dùng bộ hâm nóng không khí kiểu ống bằng gang, do gang bền vững hơn dưới tác dụng ăn mòn và mài mòn. Để tăng hệ số truyền nhiệt, ống gang thường có cánh ở ngoài và có răng ở trong ống. Mặt khác, số lượng ống theo chiều rộng đường khói được xác định theo điều kiện đảm bảo tốc độ khói, còn chiều dài ống được xác định theo điều kiện bảo đảm bề mặt đốt. Khuyết điểm chủ yếu của bộ hâm nóng không khí bằng ống gang là kích thước cồng kềnh, suất tiêu hao kim loại rất lớn, độ lọt không khí nhiều và dễ bám tro. Nhưng do có khả năng chống ăn mòn và mài mòn cao nên được sử dụng để chế tạo bộ hâm nóng không khí cấp I khi đốt nguyên liệu nhiều lưu huỳnh, nguyên liệu rất ẩm và nhiệt độ khói thải thấp, hay để chế tạo bộ hâm nóng không khí cấp II khi cần dùng không khí có nhiệt độ quá cao. Trong các thiết bị lò đốt (lò luyện kim, lò cốc…) nhiệt độ khói thải ra khỏi lò còn rất cao (> 10000C) nên người ta dùng khói này để gia nhiệt không khí. Nhưng vì nhiệt độ khói rất cao nên đòi hỏi kim loại chế tạo phải là thép hợp kim chống gỉ, và cấu tạo của bộ hâm nóng không khí khá đơn giản thường chỉ gồm 1 ống có hai ngăn, một ngăn để không khí và một ngăn để khói đi. VIII. Quạt gió (quạt đẩy) [VII-112]. Quạt gió dùng để vận chuyển không khí hoặc không khí có áp suất chung không vượt quá 1500mmHg. Quạt gió tạo ra hiệu số áp suất để thắng áp lực vận tốc và trở lực. Hiệu số áp suất này rất nhỏ cỡ mm cột nước. Căn cứ vào áp suất làm việc người ta phân làm 3 loại: Quạt áp suất thấp từ 6 đến 100mmHg Quạt áp suất trung bình từ 100 - 200 mmHg Quạt áp suất cao từ 200 - 1500 mmHg Cấu tạo quạt đẩy gồm 1 vỏ hình xoắn ốc làm bằng thép tấm. Bên trong thân có guồng gồm rất nhiều cánh ngắn uốn cong. Không khí hay khí được hút qua cửa ở tâm của guồng, rồi bị cánh guồng cuốn theo, nhờ lực ly tâm văng ra thành vỏ và được đẩy ra khỏi quạt với áp suất lớn hơn áp suất hút một chút. Vì quạt có tiếp xúc với khí nên các bộ phận bên trong phải được bảo vệ bằng cách phủ 1 lớp vật liệu chống ăn mòn hoặc làm bằng vật liệu không ăn mòn. VII. Quạt hút (Quạt hướng trục) [VII-114] Dùng để vận chuyển khí hay không khí có áp suất nhỏ (không quá 25mmH2O). Cấu tạo quạt gồm có cánh guồng đặt trong vỏ, guồng có nhiều cánh bố trí theo hướng tâm. Khi guồng quay, không khí đập vào cánh guồng với một góc nào đó và tạo nên 1 luồng không khí chuyển động song song với trục của quạt. Đối với quạt hút, khi mở máy phải mở các van hay lá chắn trước, vì khi đóng lá chắn công suất của quạt sẽ tăng đến cực đại. Hiệu suất của quạt khoảng 0,5 - 0,85. IX. ống hút ống khói dùng để đưa không khí hay khói lò từ các thiết bị ra môi trường. Cấu tạo ống khói gồm các ống hình nón bằng thép được lắp ghép với nhau, hoặc xây bằng gạch. Chiều cao của ống khói tuỳ thuộc vào yêu cầu, thường từ 15 - 20m. Thông thường đường kính ống ở đáy lớn hơn đường kính ống ở trên đỉnh, do đó tăng tốc độ của khói khi ra khỏi ống và làm cho khói lò không còn đọng lại trong ống khói. Với nhà máy nhiệt điện lượng sản phẩm cháy rất lớn, trong khói có nồng độ lớn của CO2, ngoài ra còn có SO2, do đó ống khói thường có chiều cao rất lớn, có khi tới 100 - 250m. ống khói còn có tác dụng bảo vệ môi trường xung quanh nhà máy nhiệt điện. Phần II: Nước trong nhà máy nhiệt điện Cấp nước trong nhà máy nhiệt điện phục vụ cho các mục đích: - Để làm nước sinh hoạt, nước cứu hoả - Để vệ sinh phân xưởng và các thiết bị - Quan trọng nhất là dùng để sản xuất hơi trong nồi hơi và dùng cho các thiết bị khác (chất tải nhiệt trong thiết bị truyền nhiệt, trong máy lọc chân không thùng quay và dùng để làm nguội các trục chuyển động…) Nước được lấy từ các nguồn sau như: sông, ao, hồ hay giếng khoan. Dù lấy từ nguồn nào thì trong nước luôn có lẫn tạp chất, tạp chất gồm: tạp chất cơ học tồn tại ở dạng lơ lửng, tan (ion Ca2+, Mg2+, Na+, Cl-, SO42-…). Hàm lượng các anion và cation phụ thuộc vào nguồn nước của từng vùng. Ví dụ trong nguồn nước thông dụng: tổng hàm lượng các ion (cation và anion) cũng chính là hàm lượng muối trong nước là 735mg/l, trong đó: - Hàm lượng cation: Ca2+ là 80 mg/l Mg2+ là 20,5 mg/l Na+ là 13,5 mg/l - Hàm lượng anion: SO4 2- là 165,4 mg/l Cl- là 182 mg/l Trong nhà máy nhiệt điện, nước được coi là nguyên liệu chính để sản xuất ra hơi nước. Năng suất của bộ phận chuẩn bị nước phụ thuộc vào năng suất của lò hơi và các nhu cầu khác phụ trợ cho nhà máy để làm việc. Trong lò hơi diện tích truyền nhiệt của các ống dẫn nước có thể dẫn từ vài trăm mét vuông đến vài ngàn mét vuông tùy theo công suất hơi cần sản xuất, các ống dẫn nước bố trí dọc theo tường buồng đốt, dọc theo đường chuyển động của khói lò. Do đó các bề mặt sinh hơi bằng bức xạ, bằng đối lưu, bề mặt truyền nhiệt của các ống truyền nhiệt rất dễ tạo ra cáu bẩn bám vào bề mặt ống. Vấn đề làm sạch cáu bẩn của các ống dẫn nước là rất khó khăn so với làm sạch bề mặt truyền nhiệt của nồi hơi trong các ngành công nghiệp khác. Nguyên nhân tạo ra sự cáu bẩn trong lò hơi và trong các đường ống là do trong quá trình vận hành các ion Ca2+, Mg2+, SO42- có trong nước sẽ kết hợp lại với nhau tạo thành muối không tan (CaSO4, Mg(OH)2, MgSO4, CaSO3…) bám lên bề mặt ống làm giảm hệ số truyền nhiệt của ống, ảnh hưởng tới công suất của lò hơi. ở những chỗ có cáu bẩn bám thì ống lại bị nung nóng đến nhiệt độ quá quy định, dẫn tới ống bị phá hỏng, sự cố kỹ thuật xảy ra nên phải ngừng vận hành để sửa chữa. Hệ số dẫn nhiệt của cáu bẩn bé hơn hàng trăm lần so với hệ số dẫn nhiệt của thép, nên khi có cáu bẩn bám thì nhiệt độ và sự hấp thụ nhiệt của lò giảm đi, lượng tiêu hao nhiên liệu tăng lên. Ngoài ra, cáu bẩn còn làm tăng nhanh quá trình ăn mòn bề mặt đốt, thường thể hiện dưới dạng ăn mòn cục bộ, gây nên những hố sâu, khe nứt. Để đảm bảo lò hơi hoạt động tốt, có hiệu quả cao thì nước cấp cho lò phải đạt các chỉ tiêu chất lượng sau: Độ cứng Ho của nước được quy định theo sản lượng của lò + Lò hơi ống nước, áp suất dưới 1,6MN/m2: H0 Ê 0,3 mgdl/l + Lò hơi ống nước, áp suất từ 1,6-3,15 MN/m2: H0 Ê 0,02 mgdl/l áp suất từ 3,15-10 MN/m2: H0 Ê 0,01 mgdl/l áp suất từ 10 MN/m2 trở lên: H0 Ê 0,005 mgdl/l + Lò hơi ống lò và ống lửa từ 10MN/m2 H0 Ê 0,5 mgdl/l Lượng oxy thì khi áp suất dưới 3,15MN/m2 thì không quá 0,03mg/l, khi áp suất trên 3,15MN/m2 thì không quá 0,02 mg/l Hàm lượng các vật chất khác trong nước cũng nằm trong phạm vi trong bảng sau: Bảng hàm lượng cho phép của các vật chất trong nước. áp suất trong bao hơi MN/m2 Hàm lượng cho phép cực đại (mg/l) SiO32- Fe2+ CO2- Dầu < 4 - 70 - 3 4 - 10 0,1 35 20 1 > 10 0,05 20 10 0,5 Tóm lại: Độ cứng của nước là tổng nồng độ các ion Ca2+ và Mg2+ có trong nước và được đo bằng miligam (hay microgam) đương lượng trong một lít Độ kiềm của nước là tổng hàm lượng các ion cacbonat, hydrat và những gốc muối củ các axit yếu khác. Độ khô kết là tổng hàm lượng của các vật chất còn lại sau khi chưng cất nước, đo bằng mg/l Chỉ tiêu nồng độ ion hydro còn trong nước (độ pH) là chỉ tiêu quan trọng của nước: pH < 5,5 là nước có tính axit mạnh pH = 5,5 - 6,5 là nước có tính axit yếu pH = 6,5 - 7,5 là nước trung tính pH = 7,5 - 8,5 là nước có tính kiềm yếu pH = 7,5 - 8,5 là nước có tính kiềm mạnh Nước có hàm lượng ion Ca2+ và Mg2+ < 0,005 mgdl/l được gọi là nứơc mềm, ngược lại là nước cứng. I. Các phương pháp chống cáu trong lò hơi. Để ngăn ngừa việc sinh cáu trong lò hơi, người ta dùng 2 phương pháp xử lý chủ yếu sau: Hạn chế tới mức tối thiểu số lượng những vật chất có trong nước có khả năng tạo cáu trong lò trước khi đưa vào lò Biến những vật chất có khả năng sinh cáu (do nước cấp chưa được xử lý hay xử lý chưa hết) thành những vật chất tách ra ở pha cứng thành những dạng bùn, rồi dùng phương pháp xả lò để loại chúng ra khỏi lò. Phương pháp này gọi là phương pháp xử lý nước trong lò. Các phương pháp xử lý nước bên trong lò dựa trên nguyên tắc. Dùng những chất hoá học đưa vào trong lò sánh để tạo ra kết tủa, những chất đó là những hóa chất như: NaOH, Na2CO3, Na3PO4.12H2O…, trong đó Na3PO4 là hoá chất được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Dùng phương pháp nhiệt để phân huỷ đối với một số chất hoà tan, tạo nên những chất khó tan và tách ra ở pha rắn dạng bùn. Phương pháp này được dùng nhờ thiết bị làm mềm nước bằng nhiệt đặt trong lò, ở thiết bị này nước bị đốt nóng đến nhiệt độ bão hoà nhờ nguồn nhiệt của khói lò. Tại nhiệt độ này những muối của canxi và magiê hoà tan trong nước là các loại bicacbonat bị phân huỷ theo phương trình sau: Ca(HCO3)2 đ CaCO3 ¯ + CO2 + H2O Mg(HCO3)2 đ MgCO3 + CO2 + H2). Và sau đó MgCO3 bị thuỷ phân: MgCO3 + H2O đ Mg(OH)2¯ + CO2 Do đó CaCO3 và Mg(OH)2 được tách ra ở dạng bùn, đồng thời ở nhiệt độ này độ hoà tan của CaSO4 cũng bị giảm, nó tách ra ở thể rắn trong thiết bị làm mềm. Như vậy khi đi ra khỏi thiết bị này nước đã được làm mềm đi rất nhiều. II. Các phương pháp xử lý nước trước khi vào lò. Việc xử lý nước là đảm bảo đến mức tối thiểu những chất tan và không tan có trong nước có khả năng sinh thành cáu ở trong lò trước khi đưa vào lò. Tuỳ theo lò hơi và yêu cầu của nước cấp mà người ta chọn biện pháp và mức xử lý khác nhau: II.1. Xử lý nước bằng phương pháp lắng cặn. Nguyên tắc của phương pháp này giống như khi chống cáu bên trong lò bằng hoá chất. Tuỳ theo hóa chất được dùng mà ta có các phương pháp sau: Vôi hoá: Ca(OH)2 Vôi hóa - xôđa: (CaO + Na2CO3) Xút: NaOH Xút - xôđa: (NaOH + Na2CO3) Xút - vôi: (NaOH + CaO) Ví dụ: khi dùng xút (NaOH) thì quá trình phản ứng xảy ra. Ca(HCO3)2 + 2NaOH đ CaCO3¯ + Na2CO3 + 2H2O Mg(HCO3)2 + 2NaOH đ MgCO3 + Na2CO3 + 2H2O MgCO3 + 2NaOH đ Mg(OH)2¯ + Na2CO3 MgCl2 + 2NaOH đ Mg(OH)2¯ + 2NaCl CO2 + 2NaOH đ Na2CO3 + H2O CaCl2 + Na2CO3 đ CaCO3¯ + 2NaCl CaSO4 + Na2CO3 đ CaCO3¯ + Na2SO4 II.2. Xử lý nước bằng phương pháp trao đổi cation Quá trình làm mềm nước bằng trao đổi giữa các cation dễ đóng cáu canxi (Ca2+), magiê (Mg2+) với cation của nhựa trao đổi ion. Nhựa trao đổi ion không tan trong nước - những chất này gọi là cationit. Trong kỹ thuật chủ yếu sử dụng các loại như sau: Natri, hydro, amôn (NaR, HR, NH4R). Trong đó R là gốc của cationit không hoà tan trong nước, đóng vai trò của một anion. Do đó, các cation dễ đóng cáu cặn sẽ được giữ lại, còn các cation dễ hoà tan thì đi theo nước cấp vào lò hơi. Cationit có tác dụng loại bỏ ion dương trong nước được thể hiện như sau: + Khi dùng cationit natri, phản ứng xảy ra. Ca(HCO3)2 + 2NaR đ CaR2 + 2NaHCO3 Mg(HCO3)2 + 2NaR đ MgR2 + 2NaHCO3 MgCl2 + 2NaR đ MgR2 + 2NaCl CO2 + 2NaOH đ Na2CO3 + H2O CaSO4 + Na2R đ CaR2 + Na2SO4 MgSO4 + 2NaR đ MgR2 + Na2SO4 + Khi dùng cationit hydro thì Mg(HCO3)2 và Ca(HCO3)2 được phản ứng như trên nhưng CaCl2, MgSO4 lại tạo ra axit. CaCl2 + 2HR đ CaR2 + 2HCl MgSO4 + 2HR đ MgR2 + H2SO4 + Khi dùng NH4R thì tạo ra các muối amon CaCl2 + 2NH4R đ CaR2 + 2NH4Cl Mg(HCO3)2 + 2NH4R đ MgR2 + 2NH4HCO3 NaSO4 + 2NH4R đ 2NaR + (NH4)2SO4 Ta thấy khi sử dụng cationit natri toàn bộ ion Ca2+ và Mg2+ đều được khử, độ cứng còn lại rất nhỏ khoảng 0,01 - 0,015, nhưng độ kiềm và các ion khác trong nước thì không thay đổi. Khi dùng cationit hydro thì độ cứng và độ kiềm được khử nhưng khi ấy các anion của các muối lại tạo thành axit, không thuận lợi cho việc cung cấp cho lò hơi. Vì vậy, người ta thường dùng phối hợp cả 2 phương pháp trao đổi cationit natri và hydro. Còn khi dùng cationit NH4R thì độ cứng cũng giảm đi còn rất nhỏ nhưng lại tạo các muối amon, khi đưa vào lò sẽ phân huỷ nhiệt tạo thành NH3 và H2SO4 theo phản ứng sau. NH4Cl đ NH3 HCl (NH4)SO4 đ 2NH3 + H2SO4 Do đó, axit sẽ ăn mòn các hợp kim đồng, vì vậy phương pháp này cũng sử dụng phối hợp với phương pháp trao đổi cationit natri. Trong quá trình làm việc cationit dần dần bị kiệt hết vai trò cationit, vì vậy để khôi phục khả năng làm việc của nó người ta cho chúng trao đổi với những chất có khả năng cung cấp cation. Để hoàn nguyên cationit natri người ta dùng dung dịch NaCl có nồng độ 6 - 8%; cationit hydro dùng dung dịch HCl hay H2SO4 1 - 1,5%; cationit amon dùng bằng các muối amôn. Ví dụ: CaR2 + 2NaCl đ 2NaR + CaCl2 CaR2 + H2SO4 đ 2HR + CaSO4 Sơ đồ nối tiếp phối hợp bình cationit hydro và Nari được trình bày ở hình 6. Hình 6. Sơ đồ nối tiếp phối hợp bình cationit hydro và natri. Bình cationit natri Thùng chứa nước rửa ngược bình cationit hydro Bình cationit hydro Bình khử khí Dung dịch muối hoàn nguyên Quạt gió Dung dịch axi hoàn nguyên Thùng trung gian Bình chứa nước rửa ngược bình caionit natri Bơm II.3. Xử lý nước bằng phương pháp trao đổi anion Nguyên tắc của phương pháp này cũng giống như phương pháp trao đổi cation. ở đây các anion của muối và axit trao đổi với anion của anionit theo phản ứng: 2RaOH + H2SO4 à Ra2SO4 + 2H2O RaOH + HCl à RaCl + H2O Anionit ở trên cung cấp ion hydroxyl OH-, cũng có thể dùng các anionit cacboxyl Ra2CO3 hay RaHCO3. Bằng phương pháp này đã khử được triệt để các axit có trong nước. Vì vậy muốn khử muối đầu tiên biến nó thành axit bằng cách cho đi qua bình trao đổi cationit hydro, sau đó cho qua bình trao đổi anion. Sơ đồ sử dụng phối hợp các bình trao đổi, hình 7 Hình 7. Sơ đồ sử dụng phối hợp các bình trao đổi H1, A1, Na: Bình trao đổi cation hydro, anion, natri T: Thùng đựng nước K: Bình khử khí Như vậy khi nước đi qua bình anionit thì hàm lượng các ion SO42-, Cl-, NO3-… có trong nước sẽ giảm Để tái sinh anionit bằng cách ngâm chúng vào dung dịch kiềm (NaOH) 10%. Khi đó sẽ xảy ra phản ứng. Ra2SO4 + 2NaOH đ 2RaOH + Na2SO4 Ưu điểm của phương pháp này là thiết bị đơn giản và cho hiệu suất cao. Ngày nay, ngoài các phương pháp kể trên người ta còn sử dụng rộng rãi các phương pháp xử lý nước bằng điện trường, từ trường, siêu âm cho các lò hơi công nghiệp. Phần iii: Nguồn gốc - thành phần - tính chất của khí tự nhiên I. Nguồn gốc Dầu mỏ và khí là nguồn hydrocacbon rất phong phú trong tự nhiên, nó được phát hiện rất nhiều và nằm rải rác ở khắp nơi trên thế giới. Thành phần những cấu tử trong khí thay đổi trong một phạm vi khá rộng tuỳ thuộc theo mỏ dầu hay mỏ khí khai thác. Vấn đề tìm ra nguồn gốc của dầu mỏ và khí có nhiều cách khác nhau, nhưng có một quan điểm tương đối được các nhà khoa học công nhận là chúng được xuất phát từ những vật liệu hữu cơ ban đầu, những vi sinh vật sống ở biển chủ yếu như: phù du, rong rêu, tảo và một phần xác động vật ở các dòng sông hội tụ qua, chúng bị chìm xuống đáy biển và lún sâu trong lòng đất, được biến đổi qua nhiều giai đoạn để tạo thành dầu mỏ và khí. Đối với khí thì có 3 loại chính sau: - Khí thiên nhiên (khí tự nhiên) - Khí ngưng tụ - Khí đồng hành Khí thiên nhiên là loại khí xuất hiện từ trong các mỏ dầu khí tự nhiên. Thường thì khí được tạo ra từ những mỏ dầu đã tồn tại lâu năm (mỏ tồn tại sâu trong lòng đất lớn hơn 5km, tại đây nhiệt độ và áp suất cao nên dầu sẽ bị cracking để trở thành những phần tử nhỏ rồi trở thành khí). Mỏ dầu càng nhiều tuổi thì thành phần nhẹ càng nhiều đồng thời cũng nhiều khí. Từ những vật liệu hữu cơ ban đầu đó, để tạo nên dầu khí như ngày nay thì đã trải qua quá trình tích tụ và biến đổi, xảy ra trong khoảng thời gian ít nhất là hàng triệu năm với nhiều điều kiện khác nhau của môi trường. Song quá trình này có thể phân chia thành 4 giai đoạn chính sau: 1. Giai đoạn 1: Tích đọng các vật liệu hữu cơ có ban đầu Những vật liệu hữu cơ ban đầu, dù là xác động vật ở biển hay trên đất liền sau khi chết dễ bị lắng xuống đáy biển, sẽ bị các vi khuẩn phá huỷ, chúng tạo nên khí và các sản phẩm hoà tan trong nước. Phần bền vững nhất là của xác động thực vật chưa bị phá huỷ hoặc chưa kịp phá huỷ sẽ dần dần lắng động tạo nên các lớp trầm tích ở đáy biển. Sự lắng đọng này trải qua hàng triệu năm, các lớp trầm tích sẽ chồng lên nhau làm cho lớp trầm tích đầu tiên càng bị lún chìm và chịu những áp suất lớn. Do đó lượng nước trong các lớp trầm tích này ngày càng bị ép đẩy ra noài đến khi chỉ còn khoảng 10%. Sự lắng tụ này trong thiên nhiên xảy ra rất chậm chạp chỉ đạt 1 - 2mm, vài chục mm trong hàng nghìn năm. 2. Giai đoạn 2: Biến đổi các chất hữu cơ bền vững thành các hydrocacbon ban đầu của dầu khí. Trong thành phần hữu cơ các xác động thực vật, các chất lipit là bền vững nhất, nó không bị vi khuẩn phá huỷ và được bảo vệ tương đối nguyên vẹn khi lắng đọng và do đó nó đóng vai trò quan trọng trong việc biến đổi để tạo nên dầu khí. Lipit là tên chung của một nhóm chất mà đặc trưng của chúng là các phần tử có các mạch hydrocacbon thẳng hoặc vòng như: axit béo, các este của các axit béo, các rượu cao, các chất sáp, nhựa, các chất mang mầu (picmen), licnhin…, các chất này khi nằm trong các lớp trầm tích ngày càng bị ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất. Càng xuống sâu thì nhiệt độ và áp suất càng tăng lên (nhiệt độ từ 100 - 2000C, P = 200 - 1000atm). Với điều kiện nhiệt độ, áp suất và xúc tác cùng với thời gian lâu như vậy, các chất lipit bền vững và vi khuẩn đều bị biến đổi do các phản ứng hoá học để tạo nên các hydrocacbon ban đầu của dầu khí. 3. Giai đoạn 3. Di cư của dầu khí đến các bồn chứa thiên nhiên. Các hydrocacbon ban đầu của dầu khí thường nằm dưới dạng phân bố rải rác trong các lớp trầm tích chứa dầu gọi là “đá mẹ”, vì áp suất ban đầu trong các lớp trầm tích rất cao và vì những biến động của địa chất nên các hydrocacbon ban đầu này được tạo ra trong đá mẹ liền bị đẩy ra ngoài và buộc chúng phải tìm đường di cư đến nơi ở mới. Quá trình di cư đó diễn ra trong các lớp sa thạch đá vôi hoặc các loại nham thạch có độ rỗng, xốp được gọi là “đá chứa” và nó sẽ ở lại đó nếu cấu trúc địa chất có khả năng giữ được nó, bảo vệ nó nghĩa là tạo được bể chứa tự nhiên. Những bể chứa này là những cái “bẫy” chỉ có vào mà không có ra, với cấu trúc bao giờ cũng có một tầng đá chắn ở trên thường là lớp đá bùn, mịn hoặc nút muối có tác dụng giữ dầu khí ở lại. Trong suốt quá trình di cư, các hydrocacbon dầu khí ban đầu sẽ chịu nhiều biến đổi hoá học làm cho thành phần và tính chất của nó thay đổi, kết quả là chúng sẽ nhẹ hơn ban đầu. 4. Giai đoạn 4. Biến đổi tiếp tục trong bể chứa tự nhiên. ở giai đoạn này, tính chất của dầu khí biến đổi rất ít không đáng kể. Tuy nhiên vẫn có sự biến đổi theo hướng làm tăng độ biến chất. Nếu các “bẫy” dầu nằm không sâu lắm, tầng đá chắn không đủ khả năng bảo vệ tốt thì một bộ phận dầu khí có thể bay hơi, nước sẽ lẫn vào và gây oxi hóa làm cho dầu xấu đi…. kết quả là làm dầu nặng đi nhiều và có mặt thêm nhựa và asphanten. Dầu và khí trong thiên nhiên đều có cùng một nguồn gốc. Chính vì vậy, nơi nào có dầu thì nơi ấy có khí và ngược lại. Tuy nhiên, do quá trình di cư có thể khác nhau mặc dù chúng sinh ra ở một nơi vì thế chúng vẫn có thể cư trú ở những nơi khác xa nhau. Vì vậy, có thể gặp những “bẫy” chứa khí nằm xa những “bẫy” chứa dầu. II. Phân loại, thành phần và đặc tính của khí tự nhiên. Khí tự nhiên có thành phần khí chủ yếu là CH4 chiếm tỷ lệ từ 80 - 98% thể tích khí. Phần còn lại bao gồm các khí khác như etan (C2H6), propan (C3H8) và butan (C4H10) ngoài ra còn có một số khí như: N2, CO2, H2S, CO, H2, O2 chiếm tỷ lệ rất nhỏ trong khí thiên nhiên. Trong các loại khí không thuộc hydrocacbon kể trên thì N2 chiếm phần lớn. 1. Khí mỏ khí. Là loại khí thu được từ các mỏ khí tự nhiên, các mỏ này là các túi khí nằm sâu dưới mặt đất, mỏ này không có dầu ở dạng lỏng. Thành phần mỏ khí chủ yếu là các loại khí nhẹ từ C1 đến C5, mà trong đó chủ yếu là CH4 (90%) và các đồng đẳng của metan (các hydrocacbon no), khí này còn gọi là khí nghèo vì ít các khí nặng từ C2 - C5 do đó chúng không có ích nhiều cho hoá dầu. 2. Khí ngưng tụ. Là khí sau khi đã tách hết các sản phẩm lỏng ngưng tụ (giống như xăng nhẹ). Khí mỏ ngưng tụ cũng tồn tại thành một mỏ riêng và không có dầu mỏ ở dạng lỏng. Thường thì các mỏ này nằm sâu trong lòng đất, nhiệt độ và áp suất có thể thay đổi, nhưng khí thoát lên khỏi mặt đất do giảm nhiệt độ và áp suất, các khí ở dạng C5 - C6 sẽ bị ngưng tụ lại. Trong thành phần khí lúc này chỉ còn phần nhẹ C1 -C4, hàm lượng khí metan là chủ yếu chiếm tới 90% thể tích, còn lại rất ít đồng đẳng của metan và C2 - C4, lượng C5 - C6 còn lại rất ít (nhỏ hơn 0,7%). 3. Khí đồng hành. Khí đồng hành được khai thác từ các mỏ dầu đồng thời với các quá trình khai thác dầu mỏ ở thể lỏng. Trong khí này không có C5 và C6 nên không có hiện tượng ngưng tụ thành lỏng. Song loại khí này có khá nhiều C2, C3 và n-C4, izo-C4, là nguyên liệu rất quan trọng cho công nghiệp hoá dầu, do vậy nó còn có tên là khí giàu. Hàm lượng khí metan trong khí này khoảng 30% đến 40%. Như vậy so với mỏ khí tự nhiên thì hàm lượng metan của khí đồng hành là ít hơn và hàm lượng C2 - C4 là nhiều hơn. Ngoài ra trong khí đồng hành còn có các khí như: H2S, CO2, N2 và H2O. Bảng: Thành phần khí tự nhiên và khí đồng hành khai thác từ một mỏ của CHLB Nga (% thể tích) [IV-14]. Các cấu tử Khí tự nhiên Khí đồng hành Tây Siberi Uzbekistann Quibisep Volgagrad CH4 99 87,2 39,91 76,25 C2H6 0,05 1,99 23,32 8,13 C3H8 0,01 0,32 17,72 8,96 C4H10 (n và izo) 0,003 0,13 5,78 3,54 C4H12 và cao hơn 0,001 0,15 1,1 3,33 CO2 0,05 3,6 0,46 0,83 H2S - 5,5 0,35 - N2 và khí trơ 0,4 1,11 11,36 1,25 Bảng: Thành phần hoá học trung bình của khí tự nhiên và khí đồng hành ơ Việt Nam (% thể tích). Các cấu tử Khí đồng hành Khí tự nhiên Bạch Hổ Đại Hùng Rồng Tiền Hải Rồng tự nhiên CH4 73 77 78 87,6 84 C2H6 13 10 3,0 3,1 6,0 C3H8 7,0 5,0 2,0 1,2 4,0 C4H10 2,9 3,3 1,0 1,0 2,0 C5H12 2,5 1,2 1,0 0,8 2,0 N2 0,5 0,5 13,0 3,3 10,0 CO2 0,7 3,0 2,0 3,0 4,0 Bảng: Hằng số vật lý của hydrocacbon C1 - C4 Cấu tử Khối lượng phân tử Nhiệt độ tới hạn (0C) áp suất tới hạn (Mpa) Nhiệt độ hoá lỏng ở áp suất khí quyển (0C) C1 16,043 -82 4,60 -161,49 C2 30,07 32 4,88 -88,63 C3 44,097 97 4,25 -42,07 Izo-C4 58,124 135 3,65 -11,73 n-C4 58,124 152 3,80 -0,6 Phần IV Các phương pháp xử lý khí trước khi đốt Khí sau khi khai thác nên chưa được tinh khiết, chúng còn chứa các tạp chất cơ học, hơi nước, khí trơ và các chất H2S, CO2… vì thế khi phun nhiên liệu vào buồng đốt, các tạp chất cơ học bám trên thành buồng đốt làm giảm hệ số truyền nhiệt nên lượng nhiệt mà nước trong dàn ống nhận được sẽ giảm xuống, do đó hiệu suất sinh hơi sẽ kém. Mặt khác, các hợp chất H2S, CO2 trong khí tự nhiên sẽ làm tăng thể tích, làm giảm nhiệt cháy của khí, đồng thời H2S khi cháy còn tạo ra SO2 (khí) làm ô nhiễm môi trường và ăn mòn thiết bị kim loại (ăn mòn axit). Qua đó khí tự nhiên trước khi đưa vào sử dụng cần phải qua các công đoạn loại các tạp chất kể trên bằng các quá trình tách bụi, tách hơi nước và các khí axit. I. Làm sạch khí khỏi các tạp chất cơ học Đối với quá trình lấy nhiên liệu khí để sử dụng cho nhà máy nhiệt điện thì công đoạn làm sạch tạp chất cơ học còn để tránh các hiện tượng tạo muội khói nhiều, hoặc làm tắc nghẽn đường ống, vòi phun và gây hiện tượng phun nhiên liệu không đồng đều. Làm sạch khí tự nhiên khỏi tạp chất cơ học được thực hiện chủ yếu nhờ các thiết bị cơ học. Người ta phân thành hai nhóm các phương pháp làm sạch khô và ướt. 1. Phương pháp làm sạch khô. Sử dụng các thiết bị giữ bụi: xyclon, lắng bụi và lọc điện. 1.1. Thiết bị xyclon Nguyên lý làm việc là sử dụng lực li tâm, xuất hiện khi dòng khí có chứa bụi được thổi vào với tốc độ cao theo phương tiếp tuyến với thành thiết bị và sau đó theo đường xoáy trôn ốc. Bụi này văng ra khỏi dòng khí do lực ly tâm rơi xuống thùng chứa bụi, còn các dòng khí đã sạch bụi được dẫn ra theo ống dẫn ở giữa của xyclon. 1. Thùng xyclon 2. Thùng chứa bụi 3. Van tháo bụi I. Khí vào có chứa bụi II. Khí sạch đi ra Hình 8. Sơ đồ xyclon [IV-101]. Ưu điểm của phương pháp này là hiệu suất tương đối cao, có thể làm sạch bụi có đường kính nhỏ, thiết bị đơn giản. Để tăng cường người ta có thể sử dụng 1 hệ các xyclon nối tiếp nhau. 1.2. Thiết bị lắng bụi. Dựa vào khối lượng của hạt bụi lớn nên chúng bị lắng xuống. Phương pháp này chỉ dùng đối với khí chứa những hạt bụi có đường kính lớn. Cơ sở của phương pháp này là do dòng khí lẫn bụi đi qua một phòng, do khí giảm tốc độ khi vào phòng nên dưới tác dụng của trọng lực các hạt lơ lửng lắng xuống đáy phòng. Để hạt bụi có đủ thời gian lắng xuống đáy người ta phải thiết kế phòng có chiều dài sao cho thời gian dòng khí đi qua phòng phải bằng thời gian của hạt bụi có kích thước nhỏ nhất. Mặt khác tốc độ khí sẽ không được quá lớn nếu không dòng khí sẽ kéo theo các hạt bụi đã lắng (do xoáy lốc). 1.3. Thiết bị lọc điện Nguyên lý làm việc dựa trên cơ sở quá trình ion hoá khí, tức là phân li các nguyên tử khí thành các ion tích điện âm và dương chuyển động đến các điện cực trái dấu. Các hạt bụi trong điện trường có tích điện âm, chúng chuyển động về cực dương, tại đó trung hoà điện và do trọng lượng nên bị rơi xuống thùng chứa. Thiết bị lọc điện chỉ làm việc với dòng điện 1 chiều điện thế cao 40 - 70 KV, để tăng khả năng dẫn điện của bụi và do đó làm cho bụi lắng xuống tốt hơn người ta làm ẩm khí. Có 2 loại thiết bị lọc điện: loại ống và loại bản. Mức độ làm sạch khí của phương pháp lọc này cao, từ 90 - 98%. Đặc điểm của phương pháp này là tách bụi với hiệu suất cao, kể cả những hạt bụi có kích thước nhỏ. Nhưng phương pháp này tốn kém do sử dụng dòng điện 1 chiều với hiệu điện thế rất cao. Do đó, phương pháp này chỉ dùng khi dòng khí làm nguyên liệu cho tổng hợp hoá học, nếu dùng khí để đốt thì không phải dùng phương pháp này hay ít khi dùng. 2. Phương pháp làm sạch ướt. Sử dụng các thiết bị lọc: scrullen, xyclon, máy rửa quay… Tốc độ dòng khí có thể đạt từ 0,5 - 1,5m/sec. Những thiết bị lọc khí kiểu này có độ làm sạch từ 80 - 90%. Nguyên tắc của phương pháp này làm cho dòng khí lẫn bụi đi qua lớp chất lỏng, hoặc phun chất lỏng thành những hạt nhỏ vào dòng khí, chất lỏng sẽ làm ẩm bụi và làm cho kích thước, trọng lượng của hạt bụi tăng lên rồi bị cuốn theo chất lỏng, do đó khí được làm sạch. Trong quá trình thiết bị làm việc tạo thành một thể tích bọt khá lớn, do đó những thiết bị này còn có tên là thiết bị bọt. I. Khí có chứa bụi II. Khí sạch đi ra III. Dầu sạch IV. Dầu có chứa bụi 1. Vỏ thiết bị. 2.Lưới phân phối 3. Thùng chứa 4. Phễu thu khí 5. Phễu rót lỏng Hình 9. Sơ đồ thiết bị bọt [IV-104]. Các thiết bị loại này đạt được 98 - 99% bụi bị loại có đường khính lơn hơn 5mm và đạt được 75- 80% với hạt bụi có đường kính nhỏ hơn 5mm. II. Sấy khí (là tách hơi nước ra khỏi khí) Hơi nước có khả năng tạo hợp chất hydrat với hydrocacbon. Các hydrat này là các tinh thể trắng, chúng có thể bịt kín đường ống dẫn hoặc vòi phun gây khó khăn cho việc vận chuyển khí và làm việc của vòi phun. Để ngăn sự tạo hydrat trong khí người ta phải làm giảm lượng ẩm trong khí sao cho áp suất riêng phần của hơi nước nhỏ hơn áp suất bão hoà của hydrat. Một trong những chất hấp thụ đầu tiên được dùng để sấy khí nhiên liệu là glyxerin, sau đó người ta còn dùng dietylen glycol và trietylenglycol. Các phương pháp hất thụ để sấy khí được sử dụng rộng rãi vì sơ đồ thiết bị đơn giản, dễ tính toán thiết kế, dễ vận hành, quá trình liên tục nên có thể tự động hoá, giá thành thiết bị thấp, ít tiêu hao tác nhân sấy khí, các chất hấp thụ dễ chế tạo. Dưới đây là các sơ đồ nguyên lý công nghệ sấy bằng phương pháp hấp thụ [IV-109, 111, 117, 118]. a. Sơ đồ nguyên lý công nghệ sấy bằng etylen glycol. Thùng chứa Thiết bị đun sôi đáy tháp Tháp hấp thụ Thiết bị làm lạnh Tháp nhả hấp thụ Tháp tách Thiết bị trao đổi nhiệt I. Khí đưa vào sấy III. Dung dịch etylen glycol II. Khí sau khi sấy IV. Etylen glycol bão hoà nước V. Nước đi tưới b. Sơ đồ nguyên lý công nghệ hấp thụ làm sạch khí khỏi H2S và CO2 bằng etanol amin được mô tả hình sau: Hình 11: Sơ đồ nguyên lý công nghệ hấp thụ bằng etanol amin. 1. Tháp hấp thụ 2,3,4: Thiết bị phân ly 5,6. Thiết bị làm nguội bằng không khí. 7,8. Thiết bị làm lạnh bằng nước. 9. Thiết bị trao đổi nhiệt 10. Tháp nhả hấp thụ 11. Bộ phận đun nóng I. Khí nguyên liệu II. Khí sạch (khí ngọt) III. Dung môi bão hoà IV. Khí phân ly V. Dung môi đã nhả hấp thụ một phần VI. Khí axit VII. Dung môi đã tái sinh tuần hoàn trở lại tháp hấp thụ. c. Sơ đồ sấy khí bằng phương pháp hấp thụ đơn giản gồm 2 tháp được mô tả hình sau: Hình 12: Sơ đồ nguyên lý công nghệ sấy khí bằng phương pháp hấp thụ. 1. Thùng chứa 2,3.Tháp hấp thụ 4. Bơm 5. Thiết bị làm nguội 6. Tháp tách nước ngưng tụ 7. Thiết bị gia nhiệt 8. Điều khiển lưu lượng dòng I. Khí đưa vào sấy II. Khí sau khi sấy III. Khí đưa qua gia nhiệt để tái sinh IV. Khí ẩm sau tái sinh chất hấp thụ. d. Sơ đồ công nghệ làm sạch khí bằng dung dịch etanolamin và etylen glycol được mô tả hình vẽ dưới đây. Hình 13: Sơ đồ làm sạch khí bằng dung dịch etanolamin và etylen glycol. 1. Tháp hấp thụ 2. Tháp nhả hấp thụ 3,4. Thiết bị đun sôi đáy tháp I. Khí vào II. Khí sạch III. Dung dịch etanolamin IV. Dung dịch etylenglycol V. Nước VI. Khí axit (H2S, CO2). Bản chất của quá trình sáy khí xảy ra như sau: trong tháp hấp thụ, khí đi từ dưới lên, lỏng đi từ trên xuống. Hơi nước trong khí bị chất lỏng hấp thụ, bên trong của tháp hấp thụ có chứa các đĩa để tăng diện tích tiếp xúc giữa pha khí và pha lỏng. Quá trình này tiến hành ở nhiệt độ khoảng 200C và áp suất từ 2 - 6mPa. Tiếp đó là quá trình hấp thụ bằng các chất rắn như silicegen, oxit nhôm hoạt tính, bôxit hoạt tính, zeolit 4A và 5A. Các chất rắn được chứa đầy trong tháp hấp thụ, sau đó cho khí đi qua thì các chất rắn sẽ hút ẩm trong khí vào các lỗ mao quản. Phương pháp này được sử dụng rộng rãi hơn cả vì sơ đồ thiết bị đơn giản, dễ tính toán thiết kế, dễ vận hành, quá trình liên tục nên có thể tự động hoá và ít tiêu hao tác nhân sấy khí. II. Làm sạch khỉ khỏi H2S và CO2 (làm ngọt khí). Khí tự nhiên và khí đồng hành còn có các tạp chất có tính axit như H2S và CO2. H2S là khí độc và có hại đối với quá trình chế biến và sản xuất công nghiệp. Mà trong công nghiệp tổng hợp hoá dầu thì H2S làm ngộ độc xúc tác, tạo ra những sản phẩm không mong muốn, giảm hiệu suất…., gây độc hại cho con người và làm ô nhiễm môi trường. Có nhiều phương pháp công nghiệp làm sạch khí khỏi H2S và CO2. Nhưng được sử dụng rộng rãi nhất là phương pháp etanolamin (1930 cho đến nay). Người ta dùng dung dịch monoetanol amin có nồng độ 15 - 40% trong nước vì nhiệt độ sôi của monoetanol amin là 1700C nên nó hoà tan vô hạn trong nước. Cơ sở của phương pháp này là xác định ra các sản phẩm sau: 2HOCH2CH2NH2 + CO2 + H2O = (HOCHCH2NH3)2CO3 2HOCH2CH2NH2 + H2S = (HOCH2CH2NH3)2S Quá trình hấp thụ trên xảy ra ở áp suất cao và nhiệt độ từ 25 - 400C. Nguyên lý làm việc là khí đi từ dưới lên, lỏng tưới từ trên xuống, ở đó quá trình hấp thụ xảy ra. Khí sạch được dẫn lên đỉnh tháp rồi ra ngoài, còn dung dịch đã hấp thụ H2S, CO2 được tháo ra ở đáy tháp. Dung dịch này được dẫn qua bộ trao đổi nhiệt và đưa vào giữa tháp nhả hấp thụ, H2S và CO2 giải phóng ra ở phía đỉnh tháp, còn dung dịch hấp thụ đã tái sinh được lấy ở phía dưới. Do đó khả năng phản ứng được ổn định. Ngoài ra, người ta còn ứng dụng hỗn hợp etanol amin và etylen glycol để làm sạch khí khỏi H2S, CO2 và nước. Việc làm sạch tổ hợp như vậy đồng thời làm khan hoá nguyên liệu và giảm lượng hơi nước cần thiết để tái sinh dung môi. Vì thế, khi nồng độ các tạp chất H2S và CO2 cao hơn từ 2 - 2,5% mol thì trước khi dùng etanol amin hấp thụ thì người ta dùng các chất hấp thụ rẻ tiền như dung dịch Na2CO3, K2CO3 làm sạch sơ bộ trước, sau đó mới dùng etanol amin làm sạch tiếp tới độ sạch yêu cầu nhỏ hơn 0,5%. Ưu điểm của phương pháp này là khả năng phản ứng cao, ổn định và dễ tái sinh. Phần V: Cấu tạo và nguyên lý làm việc của vòi phun I. Yêu cấu kỹ thuật của vòi phun khí. Khí tự nhiên là loại khí có nhiệt trị cao vì nhiệt trị của CH4, C2H6, C3H8, C4H10 đều rất lớn so với phần cháy được của khí nhân tạo (CO, H2 và một phần khí CH4, C2H6…). Các thành phần không cháy của khí tự nhiên như CO2, N2 thường nhỏ nên trong buồng đốt khí tự nhiên cháy với không khí chỉ tạo ra ngọn lửa ngắn. Vì ngọn lửa ngắn nên sự trộn lẫn khí thiên nhiên với không khí cũng như quá trình cháy được tiến hành ở không gian của buồng lửa gần vòi phun khí. Vòi phun khí thiên nhiên thường sử dụng cho lò hơi có sản lượng lớn vì nhiệt trị khí cao. Vì vậy, cấu tạo miệng vòi phun và vị trí đặt của nó phải đảm bảo các yêu cầu sau: - Có khả năng cho dòng hỗn hợp nhiên liệu bốc cháy nhanh và ổn định. - Đảm bảo hiệu suất của quá trình cháy cao. - Buồng lửa vận hành ổn định và chắc chắn. Để đảm bảo cho hỗn hợp khí thiên nhiên và không khí cháy được nhanh và ổn định cần: Tạo ra vùng xoáy mạnh của dòng sản phẩm cháy trước miệng vòi phun, đưa được dòng khói nóng tới dòng nhiên liệu. Hướng được dòng khói nóng vào tâm ngọn lửa Giới hạn lượng không khí cấp I và đốt nóng nhanh tới nhiệt độ cao Tăng cường độ khuếch tán tới dòng nhiên liệu để tăng sự truyền nhiệt giữa các lớp của ngọn lửa. Muốn có hiệu suất của quá trình cao thì: Phân bố ngọn lửa đồng đều trong buồng lửa và đảm bảo cháy hết khí thiên nhiên đưa vào lò Đảm bảo hỗn hợp khí có thành phần đúng quy định. Yêu cầu buồng lửa vận hành ổn định và chắc chắn thì: Vòi phun phải có cấu tạo đơn giản, dễ dàng điều chỉnh sản lượng của vòi phun trong phạm vi rộng. Không tạo nên bồ hóng tại mặt trong buồng đốt. II. Cấu tạo của vòi phun Sơ đồ cấu tạo vòi phun khí gồm Rãnh vành khăn của khí thiên nhiên Rãnh thoát khí thiên nhiên Đầu vòi phun bằng gang chịu nhiệt Rãnh vành khăn của không khí. Bộ phận tạo chuyển động xoáy cho không khí. ống dẫn mazut Không gian thoát khí thiên nhiên và không khí. ống nhóm lửa Đặc điểm cơ bản của loại vòi phun này là có thể dùng nhiên liệu là khí thiên nhiên hoặc dầu mazut, do đó rất tiện lợi cho cơ sở sản xuất, tuỳ thuộc và điều kiện có sẵn loại nhiên liệu nào mà có thể sử dụng nhiên liệu khí hoặc nhiên liệu lỏng. Công suất vòi phun là 1500 - 2000m3khí/giờ. III. Nguyên lý làm việc. Trong vòi phun, khí thiên nhiên chuyển động trong rãnh vành khăn (1) nằm giữa ống dẫn dầu mazut và ống dẫn khí. Tốc độ của khí trong rãnh là 15 - 20 m/s. Trước khi qua buồng lửa, khí được đi qua lỗ thoát khí (2) ở đầu vòi phun và khi đó tốc độ dòng khí tăng lên 20 - 60m/s. Không khí vào vòi phun theo phương tiếp tuyến, do đó nó chuyển động xoáy trong vòi phun. Không khí chuyển động trong rãnh vành khăn (4) nằm ở giữa tường buồng lửa và ống dẫn khí thiên nhiên. Ra khỏi vòi phun, khí thiên nhiên gặp không khí chuyển động xoáy nên thực hiện sự trộn lẫn triệt để giữa khí và không khí. Mặt khác, do hỗn hợp khí với không khí có chuyển động xoáy ở đầu vòi phun tạo điều kiện thuận lợi cho khói lò đi vào gốc ngọn lửa, vì vậy hỗn hợp khí thiên nhiên với không khí được nung nóng rất nhanh tới nhiệt độ tự bốc cháy. Tốc độ chuyển động của không khí trong rãnh (4) là 15 - 20m/s. Còn tốc độ hỗn hợp khí và không khí lúc thoát ra khỏi vòi phun đi vào buồng lửa là 20 - 30 m/s. ống dẫn dầu mazut (6) nằm chính giữa tâm vòi phun, dầu này có chức năng thay thế khí thiên nhiên làm nhiên liệu đốt trong buồng lửa. Còn ống nhóm lửa (8) chỉ được dùng khi khởi động buồng đốt. IV. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phun. ở nhiệt độ 1200 - 18000C thì tốc độ phản ứng hoá học giữa khí thiên nhiên và không khí rất cao, dẫn đến thời gian tiến hành phản ứng rút ngắn. Trong khi đó giai đoạn phun, hâm nóng hỗn hợp có tốc độ chậm hơn nhiều, vì vậy vùng phản ứng là vùng khuếch tán, cho nên vai trò của vòi phun tác dụng rất lớn. Muốn tăng nhanh quá trình oxy hoá rút ngắn thời gian cháy cần phải tăng tốc độ hình thành hỗn hợp, do đó các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình là: Phải tạo được chuyển động xoáy của hỗn hợp khí, nhằm trộn lẫn đến mức phân tử giữa không khí và khí thiên nhiên. Phải tạo được sự va đập giữa dòng không khí và khí thiên nhiên. Ngoài ra, đưa hỗn hợp khí nhanh chóng đạt tới nhiệt độ tự bốc cháy thì sự hâm nóng không khí (khoảng 3000C) trước khi đưa vào vòi phun cùng với độ sạch của khí thiên nhiên cũng có ảnh hưởng tới quá trình phun. Việc tạo ra được tốc độ chuyển động của không khí, khí thiên nhiên và tốc độ của hỗn hợp khí ra khỏi vòi phun sao cho phù hợp, cộng với việc đảm bảo thành phần hỗn hợp khí đúng quy định cũng là những yếu tố ảnh hưởng tới quá trình phun. Phần VI: Đặc điểm quá trình cháy nhiên liệu trong buồng lửa I. Khái niệm chung Quá trình cháy trong buồng lửa là sự tổng hợp của các hiện tượng của các quá trình phóng thích năng lượng, truyền nhiệt và chuyển hóa năng lượng. Trong quá trình cháy phản ứng hoá học xảy ra mãnh liệt, phát ra ánh sáng và nhiệt lượng rất cao, đồng thời kéo theo một loạt sự biến hoá vật chất khác. Nghiên cứu quá trình cháy tức là tìm hiểu kỹ lưỡng bản chất các hiện tượng trên, tìm ra được các mối liên hệ và các yếu tố ảnh hưởng tới nó, mà trung tâm là nghiên cứu quá trình động học của phản ứng cháy. II. Quá trình cháy của nhiên liệu. 1. Quá tình tự cháy theo cơ cấu nhiệt. Bắt đầu quá trình cháy của nhiên liệu nào cũng có thể chia làm 2 giai đoạn: giai đoạn bốc cháy và giai đoạn cháy mãnh liệt. Nhiệt lượng sinh ra trong quá trình cháy một phần dùng để nâng cao nhiệt độ của khói lò, còn một phần bị bề mặt buồng lửa hấp thụ. Bởi vậy sự phát triển của quá trình cháy phụ thuộc vào tỉ lệ nhiệt phát ra và lượng nhiệt mất đi. Đối với mỗi loại nhiên liệu cho trước thì tỷ lệ đó phụ thuộc vào chế độ nhiệt độ của quá trình cháy. Trong giai đoạn đầu của quá trình cháy có một bộ phận nào đó mà ở đó lượng nhiệt phát ra vượt quá lượng nhiệt mất đi thì quá trình cháy sẽ dẫn đến sự nâng cao nhiệt độ lên, tốc độ phản ứng oxy hoá sẽ tăng nhanh, quá trình tiếp tục cho đến lúc lượng nhiệt đưa vào và lượng mất đi tự cân bằng nhau. Từ đó quá trình cháy tiếp theo dẫn đến sự tự bốc cháy nhiên liệu. Khi phản ứng xảy ra trong một thể tích V, với tốc độ w thì lượng nhiệt phát ra trong toàn bộ thể tích là: Trong đó: Q’: nhiệt lượng thoát ra của một phần tử chất tham gia phản ứng. Q: hiệu ứng nhiệt của phản ứng N: số Avôgađrô bằng 6,02.1023 Trong giai đoạn đầu của quá trình cháy, tốc độ phản ứng hoá học: [I-67] Trong đó: a: số phân tử vật chất ban đầu n: bậc của phản ứng. K0: hằng số tốc độ phản ứng khi T = w E: năng lượng hoạt động của phản ứng T: nhiệt độ phản ứng Từ 2 công thức trên ta có: (*) Lượng nhiệt truyền từ hỗn hợp khí đến thành thiết bị. (**) Trong đó: a: hệ số cấp nhiệt giữa khí và thành thiết bị. S: bề mặt thiết bị. T0: nhiệt độ thành thiết bị. 2 T q tr pr q q tr q 1 pr q 2 pr pr 3 q B 1 To Tb 0 Biểu đồ biểu diễn quan hệ qpr = f(T) và qtr = f(T) khi thay đổi điều kiện trao đổi nhiệt. Trên hình vẽ biểu diễn hai phương trình (*) và (**) khi thay đỏi áp suất của hỗn hợp mà nhiệt độ nung nóng ban đầu không thay đổi, ta có các đường cong qpr khác nhau. Trên đồ thị a.S và nhiệt độ không đổi nên qtr là đường thẳng. Đường cong ứng với áp suất lớn nhất, đường còn ứng với áp suất nhỏ nhất, và đường sinh nhiệt không cắt qtr. Trong trường hợp này ứng với bất kì một nhiệt độ nào thì lượng nhiệt sinh ra cũng lớn hơn lượng nhiệt toả ra môi trường xung quanh, phản ứng luôn nâng cao nhiệt độ và dẫn tới sự bốc cháy. Nếu quá trình sinh nhiệt xảy ra theo đường cong ngoài tiếp điểm tại B ra ứng với bất kỳ một nhiệt độ nào nhiệt lượng sinh ra cũng lớn hơn nhiệt toả ra cho thành thiết bị, còn tại tiếp điểm thì qtr = qpr và TB là nhiệt độ tự bốc cháy. Nếu quá trình sinh nhiệt theo đường cong thì ban đầu lượng nhiệt sinh ra lớn hơn lượng nhiệt tỏa ra cho thành thiết bị, nhiệt độ của hỗn hợp được nâng cao dần tới T1, tại T1 lượng nhiệt sinh ra bằng lượng nhiệt toả ra và sau đó hỗn hợp khí không được gia nhiệt nữa vì lúc đó lượng nhiệt toả ra lớn hơn lượng nhiệt sinh ra. Chỉ đến lúc ta gia nhiệt cho khí tới nhiệt độ T2 thì lượng nhiệt sinh ra mới thật ổn định và lớn hơn lượng nhiệt toả ra cho thành thiết bị, khi đo phản ứng không ngừng nâng cao nhiệt độ, dẫn đến sự bốc cháy. 2. Quá trình tự bốc cháy theo cơ cấu chuỗi. Khi nghiên cứu quá trình cháy chúng ta thấy có rất nhiều trường hợp tốc độ phản ứng xảy ra rất mãnh liệt, hoặc rất chậm so với mức bình thường. Đồng thời không thể dựa vào định luật khối lượng tác dụng và năng lượng hoạt động để giải thích một cách cặn kẽ, vì rằng những phản ứng đó không chỉ xảy ra trực tiếp từ chất tham gia phản ứng ban đầu đến sản phẩm cuối cùng ngay, mà tiến hành qua phản ứng trung gian để tạo thành sản phẩm trung gian sau đó mới tiếp tục để tạo thành sản phẩm cuối cùng. Xét quá trình cháy của hỗn hợp khí thiên nhiên. - Đầu tiên là quá trình sinh mạch: có thể do phân tử hydrocacbon bị phân huỷ dưới tác dụng của nhiệt độ hay phản ứng với phân tử oxy. (RH là các hydrocacbon như CH4, C2H6…) Vì năng lượng liên kết -O-O- trong phân tử khá nhỏ, chỉ khoảng 40kcal/mol, nên ROOH sẽ tự phân huỷ dưới tác dụng của nhiệt độ tạo nên những tâm hoạt động mới. Trong cơ cấu chuỗi, nguyên nhân gây ra sự tự bốc cháy của hỗn hợp khí là phản ứng giữa các tâm hoạt động với các phân tử bão hoà hoá trị của hỗn hợp khí ban đầu. Các tâm hoạt động có thể là các gốc tự do mang hoá trị như OH ã, COOH ã, CH3 ã, C2H5O ã… hay là các nguyên tử ở trạng thái tự do mang hoá trị như H ã, O ã ã, S ã ã… - Nhờ các tâm hoạt động mang hoá trị đó nên chúng rất dễ phản ứng với các phân tử bão hoà hoá trị của hỗn hợp khí ban đầu. Do đó tốc độ phản ứng nhanh chóng đạt tới giá trị lớn và khi đó quá trình bốc cháy xảy ra. Như vậy, trong cơ cấu chuỗi, nhiệt lượng toả ra do phản ứng hoá học chỉ là hệ quả mà không phải là nguyên nhân của quá trình tự bốc cháy. Trong lò đốt của nồi hơi nhà máy nhiệt điện thường nhiệt độ rất cao từ 1200 - 16000C, do đó quá trình cháy càng dễ dàng hơn nhiều do hỗn hợp khí liên tục được năng lượng bức xạ của ngọn lửa và tường buồng đốt. III. Sự lan truyền ngọn lửa Nếu hỗn hợp khí cháy (khí thiên nhiên và không khí)đã được trộn lẫn đồng đều trước và chuyển động trong một ống bất kỳ, thì khi cháy bề mặt bắt lửa sẽ phân dòng khí thành 2 phần: phần sau bề mặt lửa là phần sản phẩm cháy, còn phần trước là vật chất chưa tham gia phản ứng cháy. Lượng nhiệt sinh ra trong quá trình phản ứng cho hỗn hợp khí chưa cháy làm cho nó bắt lửa, đồng thời làm cho bề mặt bắt lửa lan truyền vào hỗn hợp khí cháy. Tốc độ lan truyền bề mặt bắt lửa theo phương pháp tuyến của nó được gọi là tốc độ lan truyền ngọn lửa bình thường. Hình 15. Trình bày mô hình bề mặt ngọn lửa đốt khí. Bề mặt bắt lửa có 3 đặc điểm sau; Không phải là một bề mặt hình học mà có một chiều dày nhất định Trường nhiệt độ trong chiều dày không đồng đều nhau mà chia làm 2 khu vực: khu vực gia nhiệt và khu vực phản ứng Trong khu vực phản ứng thì trường nhiệt độ cũng không đồng đều Tốc độ lan truyền ngọn lửa phụ thuộc rất nhiều vào nồng độ vật chất tham gia phản ứng, vào nhiệt độ và tạp chất nằm trong hỗn hợp khí, còn áp suất thì ảnh hưởng rất ít đến tốc độ lan truyền mặt bắt lửa. Bảng trị số lan truyền tốc độ ngọn lửa bình thường của mộ tố chất khí [I-71]. Khí Tốc độ làn truyền, m/s Hỗn hợp với không khí Hỗn hợp với oxy Hydro 2,5 9,0 Metan 0,37 4,5 Cacbonoxit với các khí phụ: hơi nước, hydro 0,42 1,1 IV. Các quá trình vật lý cơ bản xảy ra trong quá trình cháy. Quá trình cháy phụ thuộc rất nhiều vào mức độ trao đổi khối và trao đổi nhiệt. ở trong buồng lửa, với điều kiện nhiệt độ cao, nồng độ cũng cao thì tốc độ phản ứng hoá học sẽ rất lớn, nên các quá trình vật lý (trao đổi nhiệt, trao đổi khối) cũng tiến hành với tốc độ như vậy. Sự trao đổi nhiệt và trao đổi khối trong môi trường tĩnh xảy ra là nhờ có sự chuyển động nhiệt của phân tử đặc trưng bởi định luật dẫn nhiệt và khuếch tán phân tử. - Định luật dẫn nhiệt và Furie. [I-72] - Định luạt khuếch tán phân tử Fick: [I-72] Trong đó: l: hệ số dẫn nhiệt, W/m0C : gradien nhiệt độ, 0C/m D: hệ số khuếch tán, m3/s : gradien nồng độ, l/m Quá trình cháy vật lý trong môi trường tĩnh tại chỉ nhờ vào dẫn nhiệt và khuếch tán phân tử nên rất bé. Song trong dòng chảy rối thì trao đổi nhiệt gồm: dẫn nhiệt và đối lưu được biểu diễn bằng định luật Furie và Niutơn; còn trao đổi khối gồm: khuếch tán phân tử và chuyển động vật chất cưỡng bức. Do đó ta có: [I-72] Trong đó: Cp: tỉ nhiệt của dòng khí cháy, KJ/kg độ r: mật độ chất khí wx: tốc độ dòng theo phương X, m/s Các số hạng thứ hai ở vế phải của 2 phương trình trên làm cho quá trình vật lý mạnh lên hẳn. Dòng khí được gọi là tự do nếu như nó không bị hạn chế bởi các vách cứng và phân bố trong không gian có cùng tính chất vật lý với vật chất của dòng. Dòng nguyên liệu khí trong buồng lửa là những dòng ở chế độ chảy rối tự do. Do chảy rối mà một bộ phận chất khí vượt ra khỏi dòng đem năng lượng của mình truyền cho các phân tử khí trong môi trường xung quanh. Trong quá trình chuyển động, dòng không ngưng cuốn vào mình vật chất của môi trường xung quanh làm cho bề rộng của dòng này càng tăng, còn tốc độ lớp trên bị giảm đi. V. Buồng lửa phun. Có thể nói buồng lửa phun là loại buồng lửa hoàn thiện nhất. Trong buồng này có thể đốt được bất kỳ loại nhiên liệu nào từ nhiên liệu rắn đến các nhiên liệu lỏng và khí. Đặc điểm của buồng lửa phun là không có ghi và cần thiết phải chuẩn bị sơ bộ nhiên liệu trước khi vào buồng lửa. Do trong buồng lửa phun quá trình cháy xảy ra theo dạng ngọn lửa nên quá trình đốt nhiên liệu khí thiên nhiên trong buồng lửa là hoàn toàn hợp lý. Sản lượng hơi sản xuất ra không có giới hạn thường lớn hơn 20 tấn/h. Nhiên liệu sử dụng để đốt là khí thiên nhiên có rất ít khoáng chất nên buồng lửa có cấu tạo rất đơn giản và không có thiết bị tháo tro, xỉ. Trên thế giới, việc khai thác khí thiên nhiên ngày càng phát triển mạnh mẽ, tỷ lệ lò hơi sử dụng dạng khí thiên nhiên ngày càng tăng lên nhiều. Cũng như các thiết bị buồng lửa khác, buồng lửa phun phải đảm bảo cháy được hoàn toàn nhiên liệu ở hệ số không khí thừa nhỏ nhất. Khói sinh ra trong buồng lửa cần phải được tận dụng nhiệt của nó một cách tối đa. Tất cả các yếu tố kể trên chịu ảnh hưởng trực tiếp của thể tích buồng lửa, thể hiện ở nhiệt thế thể tích. W/m3 [I-139]. Khi bề mặt hấp thụ bằng bức xạ trong buồng lửa quá bé, nhiệt độ khói thải ra trong buồng lửa sẽ lớn, gây ra mất mát nhiệt theo khói lò lớn. Vì vậy, tỷ lệ hấp thụ nhiệt của buồng lửa hay nói cách khác bề mặt hấp thụ nhiệt của buồng lửa phải chọn cho thoả đáng. Kích thước buồng lửa càng lớn thì vốn đầu tư cho buồng lửa tăng vì tăng chi phí cho việc bảo ôn, khung lò…Do đó, để giảm giá thành cho buồng lửa cần phải chọn thể tích buồng lửa tới giá trị tối thiểu, nghĩa là phải chọn nhiệt thế thể tích của buồng lửa tới giá trị lớn nhất cho phép có thể được. Đồng thời tổ chức tốt chế độ khí động trong buồng lửa để sử dụng thể tích không gian của buồng lửa vì chế độ khí trong buồng lửa đảm bảo cho nhiên liệu và không khí được hỗn hợp với nhau và phân bố đồng đều trong buồng lửa. VI. Đặc điểm quá trình cháy nhiên liệu khí trong buồng lửa. Theo quan điểm hiện đại, quá trình cháy chọn là một quá trình hoá lý phức tạp, trong đó những phản ứng hoá học bao giờ cũng xảy ra trong các điều kiện vật lý nhất định. Do đó tốc độ chung của quá trình cháy sẽ phụ thuộc vào tốc độ phản ứng hoá học, và tốc độ của quá trình vật lý. Trong đó quá trình nào xảy ra chậm hơn sẽ quyết định tốc độ chung của quá trình cháy. Khí thiên nhiên là loại khí được sử dụng nhiều nhất trong lò hơi. Thành phần chủ yếu làm nên khí thiên nhiên là: metan (CH4) sau đó là những cacbon hydro ổn định. Khi nhiệt độ vượt quá 8000C thì khí thiên nhiên tạo thành một số hạt “mồ hóng”. Những hạt này rất khó cháy, nên có thể bay theo khói hoặc bám trên các mặt đốt. Quá trình cháy nhiên liệu khí có thể tiến hành trong vùng động học hoặc trong vùng khuếch tán. Đối với quá trình cháy trong vùng động học thì không khí và nhiên liệu khí đã được hỗn hợp trước. Nếu như hỗn hợp chất cháy được đốt nóng nhanh chóng đạt tới và vượt qua nhiệt độ bốc cháy thì quá trình oxy hoá này được tăng nhanh và hầu như loại trừ được sự phân huỷ nhiệt của các cacbua hydro. Trong trường hợp này ngọn lửa không có các hạt than nghĩa là “không sáng”. Trong quá trình cháy khuếch tán dòng nhiên liệu và dòng không khí đưa vào buồng lửa riêng lẻ, hoặc có một phần nhỏ hỗn hợp trước khi toàn bộ thời gian cháy lớn hơn toàn bộ thời gian cháy trong vùng động học rất nhiều, số lượng các hạt cacbua hydro bị phân huỷ cũng tăng lên, ngọn lửa lúc này là ngọn lửa “sáng”. Trong trường hợp tổng quát, tổng thời gian cháy của hỗn hợp khí gồm 2 phần: thời gian cần thiết để thực hiện các quá trình vật lý tv và thời gian chi cho việc xảy ra bản thân phản ứng hỗn hợp th, ta có tc = tv + th [I-75] ở giai đoạn đầu của phản ứng khi nhiệt độ còn thấp tốc độ của phản ứng nhỏ, trong phản ứng không sử dụng hết oxy mang tới. Do đó, quá trình phản ứng bị kìm hãm bởi yếu tố động học là nhiệt độ. Thời gian cháy chủ yếu là thời gian thực hiện các phản ứng hoá học, trong khi đó thời gian thực hiện quá trình vật lý quá nhỏ, ta có: th ³ tv đ tc ằ th Trong trường hợp này quá trình cháy xảy ra trong vùng động học. Lúc này nếu tăng tốc độ thổi oxy thì tốc độ phản ứng vẫn hầu như không thay đổi mà nó chỉ phụ thuộc vào những yếu tố động học hoá học như năng lượng hoạt động, áp suất trong không gian phản ứng, nồng độ hydrocacbon khí và nhất là nhiệt độ. Như vậy trong vùng động học quá trình phản ứng không bị kìm hãm bởi các yếu tố vật lý. Khi nhiệt độ trong lò đốt đủ lớn thì tốc độ phản ứng hoá học rất lớn, nghĩa là thời gian phản ứng khá nhỏ, ngược lại tốc độ cao quá trình vật lý chậm so với tốc độ phản ứng hoá học. Quá trình cháy xảy ra trong điều kiện như trên gọi là cháy trong vùng khuếch tán. Trong vùng này tốc độ các quá trình phản ứng được xảy ra và xác định bởi các yếu tố thuỷ động và khuếch tán mà ít phụ thuộc vào yếu tố động học. Lúc này dù nhiệt độ có tăng lên rất cao thì tốc độ phản ứng cũng tăng lên rất ít. Thời gian cháy chủ yếu là để chi cho việc xảy ra phản ứng hoá học nghĩa là: tv ³ th đ tc ằ tv ở nhiệt độ xác định khi tốc độ các quá trình vật lý bằng tốc độ phản ứng hoá học hay thời gian thực hiện 2 quá trình đó bằng nhau, ta có tv = th và tc = th B. Phần tính toán công nghệ Phần I. Tính cân bằng vật chất với lò đốt. I- Các phương trình của phản ứng cháy. Quá trình cháy nhiên liệu là quá trình phản ứng hoá học giữa các nguyên tố hoá học với oxy và phát ra một lượng nhiệt lớn. Trong quá trình cháy xảy ra những biến đổi hoá học rất phức tạp nên không thể mô tả bằng những phương trình hoá học đơn giản được. Những phương trình hoá học thông thường của riêng từng thành phần cháy nhiên liệu chỉ thể hiện cân bằng vật chất của phản ứng chứ không thể hiện cơ cấu xảy ra của quá trình phản ứng cháy. Có rất nhiều chất có thể oxy hoá nhiên liệu. Song trong thực tế các quá trình cháy nhiên liệu người ta đều dùng oxy của không khí. Các chất khí sinh ra trong quá trình phản ứng gọi là sản phẩm cháy hay khói. Quá trình cháy có thể xảy ra hoàn toàn hay không hoàn toàn. Trong quá trình hoàn toàn các chất cháy được của nhiên liệu đều được oxy hoá hoàn. Còn trong quá trình cháy không hoàn toàn có một số chất cháy của nhiên liệu chưa được oxy hoá hoàn. Trong sản phẩm hoàn toàn có các chất khí CO2, SO2, H2O và N2O2. Trong sản phẩm cháy không hoàn toàn ngoài những khí trên còn có các chất khí khác như CO, CH4, CmHn…. Khi tính nhiệt độ cần phải tiến hành xác định thể tích lượng không khí lý thuyết cần thiết cho quá trình cháy, thành phần và số lượng sản phẩm cháy trong nhiên liệu cũng tiến hành oxy hoá theo các phản ứng hoá học sau, với đơn vị đo lường là m3 tiêu chuẩn. Các phản ứng xảy ra: Cháy metan: CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O 1m3tc CH4 + 2m3tc O2 = m3tc CO2 + 2m3tc H2O Cháy etan: C2H6 + 3,5 O2 = 2CO2 + 3H2O 1m3tc C2H6 + 3,5m3tc O2 = 2m3tc CO2 + 3m3tc H2O Cháy propan: C3H8 + 5 O2 = 3CO2 + 4H2O 1m3tc C2H6 + 5m3tc O2 = 3m3tc CO2 + 4m3tc H2O Cháy butan: C2H6 + 6,5O2= 4CO2 +5H2O 1m3tc C2H6 + 6,5m3tc O2 = 4m3tc CO2 + 5m3tc H2O Cháy hidrosunfua: H2S + 1,5 O2 = SO2 + H2O 1m3tc H2S+ 1,5m3tc O2 = 13tcSO2 +1m3tc H2O Các số liệu ban đầu: Khí thiên nhiên có thành phần sau: CH4 = 92,12%; C2H4 = 1,9%; C3H8=0,8% ; C4H10 = 0,2%; CO2 = 3%; N2 = 1,8%; H2S = 0,18%. Hơi quá nhiệt có: P= 40 atm, ở t= 4400C . Nhiệt độ không khí vào lò: tKK = 400C. Nhiệt độ nước cấp: tnc = 250C. Nhiệt độ khói thải: t = 1700C. Nhiệt độ khói lò: tK = 11500C. Hệ số chỉ không khí: a = 1,05. Nhiệt thế thể tích buồng đốt: qV = 290.10 w/m3. Vòi phun khí thiên nhiên năng suất: 1500á2000m3/h. II. Tính thể tích không khí lý thuết cần cho quá trình cháy: Lượng không khí ứng với lượng lý thuyết cần cho quá trình cháy hoàn cần cho 1m2 tiêu chuẩn nhiên liệu khí xác định theo phương trình phản ứng hoá học ở trên gọi là lượng không khí lý thuyết cần thiết cho quá trình cháy. Vì trong không khí oxy chiếm 21% thể tích nên thể tích không khí lý thuyết để cháy 1m3tiêu chuẩn nhiên liệu khí. [I- 20]. VKK 0 = [2.CH4 + 3,5.C2H6 +5.C3H8 +6,5.C4H10 + 1,5.H2S - O2], (m3tc /m3tc ktn). Thay số liệu ban đầu vào ta được: = [2.0,9212 + 3,5.0,019 +5.0,008 +6,5.0,002 + 1,5.0,0018 - 0], đ = 9,355, m3tc /m3tc ktn. Trong thực tế, vì giữa không khí và nhiên liệu không thể tiếp xúc với nhau một cách lý tưởng nên bắt buộc thể tích không khí thực cung cấp cho lò hơi phải lớn hơn thể tích xác định được theo công thức trên. Giữa thể tích không khí thực tế cung cấp cho quá trình cháy (VKK) và thể tích không khí lý thuyết () liên hệ với nhau qua hệ số không khí thừa (a) như sau: VKK = a. [I- 20]. Với a = 1, 05 thay vào ta được: VKK = 1,05. 9,255 = 9.823, m3tc KK/ m3 Ktn. III. Thể tích và thành phần của sản phẩm cháy: Đối với khí tự nhiên thành phần của sản phẩm cháy gồm: CO2, H2O hơi, SO2, N2, O2 trong đó: CO2- tổng lượng CO2 của các phản ứng cháy và lượng CO2 có trong nguyên liệu ban đầu. H2O hơi- được tạo ra trong phản ứng cháy và lượng ẩm của không khí mang vào lò đốt. SO2- sản phẩm sinh ra trong các phản ứng cháy H2S . N2 - tổng lượng N2 có trong nguyên liệu đầu, không khí dư, không khí lý thuyết. O2- lượng O2 dư có trong không khí dư. Tuy nhiên thực tế tuỳ thuộc vào điều kiện cháy hoàn toàn hay không các hay không hoàn toàn các nguyên tố cháy của nhiên liệu mà tỷ lệ thành phần các sản phẩm cháy luôn luôn có cả những sản phẩm cháy hoàn toàn và không hoàn toàn. Khi đốt nhiên liệu, giả sử rằng quá trình cháy xảy ra hoàn toàn (a = 1), thể tích lý thuyết các sản phẩm cháy trong khói thải ở nhiệt độ 1700C được tính theo công thức sau: Với a =1 thì trong khói gồm có SO2, CO2, N2, H2O, [I- 21]. 1. Thể tích của CO2 và SO2. Thể tích của CO2 và SO2 phụ thuộc vào hàm lượng cacbon và lưu huỳnh có trong nguyên liệu nên thể tích chính bằng thể tích lý thuyết. V CO 2 = CH4 + 2.C2H6 + 3C3H8 + 4. C4H10 + CO2. = 0,9212 + 2.0,019 + 3.0,008 + 4.0,002 + 0,03. = 1,0212, m3tc /m3tc ktn. V SO2 = V H2S = 0,0018, m3tc /m3tc ktn. 2. Thể tích N2. Nitơ có trong nhiên liệu khi cháy đã chuyển vào khói lưới dạng tự do, nó không tham gia quá trình cháy. Đồng thời khi không khí đi vào lò hơi thì nó cũng mang vào một lượng nitơ nhất định gồm thể tích của nitơ ứng với lượng không khí lý thuyết đưa vào bằng 0,79 VKKO và nitơ có trong thành phần khí tự nhiên. [I- 21]. = 0,018 +0,79. 9,355 = 7,4085, m3tc /m3tc ktn Vậy thể tích nitơ thực tế: = 7,4085 + 0,79. (1,05- 1).9,355 đ m3tc /m3tc ktn. 3. Thể tích hơi nước. Lượng hơi nước có trong khói lò là do các nguồn sau: - Do oxy hoá các khí CH4, C2H6, C3H8, C4H10, H2S. = 2.0,9212+ 3.0,019+ 4.0,008+ 5.0,002+ 0,0018 =1,9432, m3H2O /m3 ktn - Do độ ẩm của không khí đưa vào. [I- 22]. Trong đó: d- độ chứa hơi của không khí, g/kg. d thường lấy 10 kg không khí rKK- khối lượng riêng của không khí, kg/m3tc rKK = 1,293 kg/m3. khối lượng riêng của không khí, kg/m3tc. Thay số ta được: Thể tích lý thuyết hơi nước là: = 1,9432+ 0,15=2,0932, m3H2O/ m3tc ktn. Thể tích hơi nước thực tế là: = 2,0932+ 0,0161(1,05-1).9,355 = 2,094. m3H2O/ m3tc ktn. 4. Thể tích oxy dư: = 0,21. (1,25-1).9,355 = 0,0982, m3tc O2/ m3tcktn. 5. Thể tích thực của khói lò: , [I- 25]. Thay số: VK= 1,0212+ 0,0018+7,778+ 0,0982+ 2,094 = 10,9932, m3tc/ m3ktn Vậy thành phần phần trăm của khói lò là: %CO2= Vậy ồ = 100%. Phần II: Cân bằng nhiệt lượng và hiệu suất của lò hơi I. Phương trình cân bằng nhiệt tổng quát. Lượng nhiệt sinh ra trong quá trình cháy nhiên liệu được chia thành hai phần: một phần dùng để cung cấp cho nước sinh thành hơi với thông số đã cho gọi là nhiệt hữu ích. Còn một phần nhiệt mất đi trong quá trình làm việc của lò gọi là tổn thất nhiệt. ứng với 1 m3 khí tự nhiên khi cháy trong lò hơi ở điều kiện vận hành ổn định có phương trình cân bằng nhiệt tổng quát sau: Qđv= Q1+ Q2+ Q3+ Q4+ Q5+ Q6, kJ/m3ktn. [I- 29] Trong đó: Qđv: lượng nhiệt đưa vào lò ứng với 1 m3 khí tự nhiên. Q1: lượng nhiệt hữu ích được dùng để sản xuất hơi. Q2: tổn thất nhiệt do khói thải mang ra ngoài. Q3: tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt hoá học. Q4: tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt cơ học. Q5: tổn thất do xỉ mang ra ngoài. Nếu biểu diễn dưới dạng phần trăm ta có: Hay 100= q1+ q2+ q3+ q4+ q5+ q6. Trong đó: Trường hợp tổng quát thì lượng nhiệt đưa vào gồm: kJ/m3ktn [I- 29]. Với: nhiệt trị thấp của nhiên liệu. Qln: Nhiệt vật lý của nhiên liệu QKK: Nhiệt đo không khí mang vào. Qp: Lượng nhiệt do hơi phun vào lò. (vì là khí tự nhiên nên Qp). 1. Nhiệt trị thấp của nhiên liệu - Nhiệt trị thấp của nhiên liệu là nhiệt lượng sinh ra khi cháy hoàn toàn 1 m3 tính chất nhiên liệu khí. Khi đốt trong lò hơi ta dùng khái niệm nhiệt trị thấp vì hơi nước tồn tại ở trạng thái hơi trong lò hơi. Đối với nhiên liệu khí nhiệt trị thấp được tính theo công thức. Trong đó: CH4, C2H6, C3H8, C4H10, H2S= hàm lượng các thành phần khí trong nhiên liệu, %. nhiệt trị cháy của các thành phần khí tương ứng, kJ/m3ktn Nhiệt trị cháy các thành phần khí: Thay số vào ta có: = 35202,08 kJ/m3ktn 2-Nhiệt vật lý của nhiên liệu, Qnl: Qnl=Cnl.tnl, kJ/m3ktn.0C [I-29] Trong đó: Cnl: Tỷ nhiệt của nhiên liệu, kJ/m3ktn. 0C. tnl: Nhiệt độ của nhiên liệu, 0C. Vì nhiên liệu là khí tự nhiên nên: Với: CH4, C2H6, C3H8,C4H10, H2S, CO2, N2 là hàm lượng các thành phần khí trong nhiên liệu, %. tỷ nhiệt của các thành phần khí, kJ/m3ktn.0C Ta có: CH4= 8,552 calo/mol độ = Tương tự: =12,65 calo/mol độ= 2,3688, kJ/m3 độ calo/mol độ = 3,17767, kJ/m3 độ = 23,4 calo/mol độ= 4,37445, kJ/m3 độ = 34,3 calo/mol độ= 6,647, kJ/m3độ = 14,388 calo/ mol độ= 2,689 kJ/m3độ = 8,5932 calo/mol độ =1,603 kJ/m3 độ Thay số liệu vào công thức ta được: Cnl= 1,598. 0,9212+ 2,3688.0,019+3,17767. 0,008+ 4,37445. 0,002 + + 6,467.0,0018+ 2,689.0,03+1,603.0,018 = 1,6769, kJ/ m3độ. Vậy: Qnl= 1,6769.25= 41,9925, kJ/m3ktn. 3- Nhiệt lượng do không khí mang vào, QKK: , kJ/m3 Trong đó: a= 1,05- hệ số thừa của không khí - tỷ nhiệt của không khí = 1,298, kJ/m3. 0C tKK: nhiệt độ không khí đưa vào lò đốt, 0C Thay số vào ta có: QKK= 1,05.9,355.1,298.40= 509,9972,kJ/m3ktn Vậy lượng nhiệt đưa vào lò: = 41,9225+509,9972+35202.08 = 35.753,9997, kJ/m3 ktn 4- Tổng thất nhiệt do khói toả mang đi: Không khí đưa vào lò hơi ở 400C, trong khi đó nhiệt độ khói thải và sau lò là 1700C. Như vậy cần phải chi phí một lượng nhiệt để đốt nóng không khí từ nhiệt độ đầu đến nhiệt độ khí thải. Tổn thất đó gọi là tổn thất nhiệt do khí thải mang ra ngoài: Q2= VK. CK.tK, kJ/m3ktn [II-31] Trong đó: VK: thể tích khói thải, VK= 10,9932, kJ/m3ktn tK : nhiệt độ khói thải, tK = 1700C CK : tỷ nhiệt trung bình của khói thải. Ta có: = 2,689.0,0929+ 2,39.0,0002+ 1,603.0,775+ 1,64.0,1905+ 1,92.0,0089 = 1,7878, kJ/m3ktn Vậy: Q2= 10,9932.1,7878.170 = 3341,1193, kJ/m3ktn hay 5- Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về hoá học. Khi nhiên liệu cháy không hoàn toàn trong đó còn có các chất khí không hoàn toàn như: CO, H2, CH4. Những khí này còn có thể cháy và sinh ra nhiệt được nhưng do chúng chưa cháy gây nên tổn thất nhiệt. Muốn kiểm tra cháy hoàn toàn hay không hoàn toàn thì phải phân tích khói lò về hàm lượng các loại khí. Theo kinh nghiệm người ta thường chọn số liệu thực tế với nhiên liệu là khí thiên nhiên thì: q3= 1,5% [I- 197]. 6. Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về cơ học: Nhiên liệu đưa vào lò có một phần chưa tham gia vào sự cháy đã bị thải ra gây nên tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về cơ học. Với nhiên liệu là khí tự nhiên thì Q4= vì hầu như không có tro, nên q4= 0. 7. Tổn thất do toả nhiệt ra môi trường: Bề mặt xung quanh lò luôn luôn có nhiệt độ cao hơn môi trường xung quanh, gây nên sự toả nhiệt từ lò hơi đến không khí lạnh, nghĩa là gây nên tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh (Q5). Tổn thất nhiệt Q5 phụ thuộc vào nhiệt độ và diện tích xung quanh của lò. Nhiệt độ càng cao thì Q5 càng lớn do vậy cần phải bảo ôn lò hơi để nhiêtu độ mặt ngoài thấp xuống. Diện tích tiếp xúc của lò càng lớn thì Q5 càng lớn. Người ta xác định Q5 theo sản lượng D của lò hơi. Theo đồ án yêu cầu D =30 tấn hơi/giờ, tra bảng đồ thị (4-1) [I - 34] ta được: q5 = 1,1%. 8. Tổn thất nhiệt do xỉ mang ra ngoài. Vì nhiên liệu được sử dụng để đốt cháy là khí tự nhiên nên trong quá trình cháy không tạo ra xỉ. Do đó ta có: q6 = 0. II. Tính hiệu suất lò hơi: Hiệu suất lò hơi là tỷ số giữa nhiệt lượng hữu ích và lượng nhiệt đưa vào. % [I-30] Hay h= q1= 100- (q2+ q3 +q4+ q5) đ q1= 100- (9,344+ 1,5+ 0+ 1,1)= 88,056%. III- Tính lượng nhiên liệu tiêu tốn (B) Theo công thức về hiệu suất lò hơi: Trong đó: D: Sản lượng hơi của lò, kg/giờ. B: Lượng nhiên liệu tiêu hao, m3ktn/h iqn, i'hn: entanpi của hơi quá nhiệt, nước cấp. Ta có: - Entanpi: của nước cấp i'hn i'hn= Cp. tnn Với Cp- tỷ nhiệt độ của nước cấp, CP = 4,18 kg/ kg độ tnc - nhiệt độ nước cấp, tnc = 250C Do đó: i'n = 4,18 . 25 = 104,5 KJ/kg. - Entanpi của hơi quá nhiệt iqn. Hơi quá nhiệt có P = 40 áptômát ằ 4 MPa. t = 4400C. Từ đó ta tìm được: [I - 7]. iqn = 3360, KJ/kg hơi nước. Ta có: Với : h = 88,056% Thay số vào ta được Từ số liệu đầu vào, vòi phun khí thiên nhiên có năng suất 1500á2000 m3/h, ta có số vòi phun là n với: Vậy số vòi phun khí với năng suất vòi là 1500á200 m3/giờ ta chọn là 2 vòi phun. IV- Thể tích buồng lửa Từ công thức tính nhiệt thế thể tích buồng lửa Trong đó: Vbl- thể tích buồng lửa, m3 QV- nhiệt thể tích buồng lửa, qv = 290.103 w/m3. Suy ra * Chọn kích thước lò hơi: Lấy diện tích mặt cắt ngang của lò hơi là hình vuông cạnh là a= 4m ta có: Vbl= a2.h Với h: chiều cao của lò, m Do đó: Vậy chiều cao của lò là 6,639m. Vì lò có hai vòi phun nếu ta bố trí ở mặt trước của lò một vòi phun và một vòi phun ở mặt đối diện. Khi bố trí vòi phun cho lò đốt cần chú ý không cho ngọn lửa tiếp xúc với tường buồng lò làm hỏng tường và ống dẫn nước dưới tác dụng của nhiệt độ cao. Phần III Tính toán bức xạ nhiệt trong buồng lửa I. Những định luật cơ bản về truyền nhiệt Trong công nghiệp đặc biệt là công nghiệp hoá học, nhiều quá trình cần được tiến hành ở điều kiện nhiệt độ xác định thì tốc độ của quá trình và chất lượng của sản phẩm mới được đảm bảo. Để thực hiện điều kiện đó, người tat phải cấp nhiệt hoặc bớt nhiệt của quá trình ra. Nhiệt lượng bao giờ cũng truyền từ vật có nhiệt độ cao đến vật có nhiệt độ thấp. Nhiệt được truyền từ vật này đến vật khác theo các phương thức sau: [VII -178]. - Dẫn nhiệt: là quá trình truyền nhiệt từ phần từ này đến phần tử khác của vật chất khi chúng tiếp xúc trực tiếp với nhau thường thì quá trình này chỉ xảy ra trong vật thể rắn. Dẫn nhiệt cũng xảy ra trong môi trường khí và lỏng nếu chất khí và lỏng ở trạng thái đứng yên hay chuyển động dòng. - Nhiệt đối lưu: là hiện tượng truyền nhiệt do các phân tử chất lỏng hoặc khí đổi chỗ cho nhau. Hiện tượng này xảy ra là do chúng có nhiệt độ khác nhau gây nên khối lượng riêng khác nhau hoặc do tác dụng cơ học như bơm, khuấy... - Nhiệt bức xạ: là quá trình truyền nhiệt bằng dạng sóng điện từ, nghĩa là nhiệt năng biến thành tia bức xạ rồi truyền đi, khi gặp một vật thể nào đó thì một phần năng lượng bức xạ đó bị hấp thụ sẽ biến thành nhiệt năng, một phần phản chiếu lại và một phần đi xuyên qua vật thể. 1. Dẫn nhiệt. Gradien nhiệt độ là mức độ biến thiên nhiệt độ ở một điểm cho trước của vật thể, về trị số bằng độ biến thiên nhiệt độ trên một đơn vị chiều dài theo phương pháp tuyến của mặt đẳng nhiệt. Công thức: = gradt [VII - 179] Định luật dẫn nhệit Phuriê: Một nguyên tố nhiệt lượng dQ dẫn qua một đơn vị bề mặt dF trong 1 đơn vị thời gian dt thì tỉ lệ với gradt, với bề mặt dF và thời gian dt. J [VII - 179] Trong đó: Q: nhiệt lượng dẫn đi vào trong vật thể, J l: hệ số tỉ lệ còn gọi là hệ số dẫn nhiệt, W/m độ. n: Khoảng cách, m F: bề mặt vuông góc với phương dẫn nhiệt, m2. t: thời gian, giây. Dấu "-" của phương trình chứng tỏ dòng nhiệt biến đổi theo chiều giảm nhiệt độ. Biến đổi phương trình trên ta được thứ nguyên của độ dẫn nhiệt. Vậy độ dẫn nhiệt là lượng nhệit (J) dẫn qua 1m2 bề mặt vuông góc với phương dẫn nhiệt trong đơn vị thời gian là 1 giây khi chênh lệch nhiệt độ trên một đơn vị 1m chiều dài theo phương pháp tuyến với bề mặt đẳng nhiệt là 10C. Độ dẫn nhiệt biểu thị khả năng dẫn nhiệt nên nó đặc trưng cho tính chất vật lý của vật chất. 2. Nhiệt đối lưu. Nhiệt đối lưu chỉ xảy ra trong môi trường lỏng hay khí. Còn quá trình trao đổi nhiệt giữa các bề mặt vật thể rắn với môi trường xung quanh (lỏng, khí, hơi) là quá trình cấp nhiệt. Để đơn giản hơn cho việc tính toán người ta dựa vào định luật cấp nhiệt Niutơn. Lượng nhiệt độ dQ do một nguyên tố bề mặt dF của vật thể có nhiệt độ tvt cấp cho môi trường xung quanh trong khoảng thời gian dt, tỷ lệ với hiệu số nhiệt độ giữa vật thể và môi trường với diện tích bề mặt trao đổi nhiệt dF , thời gian dt. dQ = a (tVT - tmt).dF. dt, J[VII-188] Trong đó: tVT: nhiệt độ của vật thể, 0C tmt: nhiệt độ của môi trường, 0C a: hệ số tỷ lệ, gọi là hệ số cấp nhiệt Nếu quá trình ổn định thì phương trình trên có thể viết dưới dạng Q =a(tVT - tmt). F, W Khi F = 1m2; t = 1s; (tVT - tmt) = 10C thì Q = a Vậy hệ số cấp nhiệt a là lượng nhiệt do một đơn vị bề mặt của từng cấp cho môi trường xung quanh (hay ngược lại, nhận từ môi trường xung quanh) trong khoảng thời gian 1 giây khi hiệu số nhiệt độ giữa tường và môi trường (hay ngược lại) là 1 độ. Từ đây ta có thứ nguyên của a là: Hệ số cấp nhiệt a phụ thuộc vào + Loại chất tải nhiệt (khí, lỏng, hơi) + Chế độ chuyển đổi và tốc độ của chất tải nhiệt (dòng hay xoáy) + Tính chất vật lý của chất tải nhiệt (độ nhớt, độ dẫn nhiệt, khối lượng riêng, áp suất…) + Kích thước hình dạng, vị trí và trạng thái của bề mạt trao đổi nhiệt… Bởi vậy, hệ số cấp nhiệt a được xác định bằng thực nghiệm thông qua các phương trình chuẩn số đồng dạng 3. Nhiệt bức xạ Trao đổi nhiệt bằng bức xạ là một dạng trao đổi cơ bản mà không cần có sự tiếp xúc trực tiếp (như đối lưu, dẫn nhiệt) giữa các vật tham gia trao đổi nhiệt và có ý nghĩa rất lớn trong kỹ thuật, đặc biệt trong kỹ thuật nhiệt độ cao. Tất cả các vật thể có nhiệt độ cao hơn 00C đều có thể phát ra tia năng lượng dưới dạng tia bức xạ và lan truyền ra không gian xung quanh vật thể. Các tia bức xạ này phát ra môi trường xung quanh gặp một vật thể khác nó có thể hấp thụ hoàn toàn hay một phần để biến trở lại thành nhiệt năng. Đó là quá trình chuyển nhiệt lượng bằng bức xạ. Tổng quát ta xét một dòng nhiệt bức xạ năng lượng Q đập vào bề mặt một vật thể thì năng lượng sẽ chia làm 3 phần. + Một phần năng lượng QA được vật thể hấp thụ biến đổi thành nhiệt năng. + Một phần năng lượng QR bị phản xạ lại + Một phần năng lượng QD xuyên qua vật thể Theo định luật bảo toàn năng lượng ta có: Q = QA + QR + QD [VII-212] Hay Ta kí hiệu: = A- hệ số (khả năng) hấp thụ của vật thể. = R- hệ số (khả năng) phản xạ của vật thể. = D- khả năng khúc xạ (xuyên qua của vật thể). Nếu vật có A=1 (R= D= 0): tức là bức xạ được hấp thụ hoàn toàn, gọi là vật thể đen tuyệt đối. Nếu vật có D= 1 (R = A = 0): tia bức xạ được phản xạ hoàn toàn, gọi là vật trắng tuyệt đối Trong thực tế, vật không có tính tuyệt đối mà chỉ có thể hấp thụ một phần tia nhiệt với bước sóng bất kỳ được gọi là vật thể xám a. Định luật Stephan-Bolzmana Phát biểu định luật: khả năng bức xạ của vật đen tuyệt đối tỷ lệ bậc 4 với nhiệt độ tuyệt đối của bề mặt vật thể W/m2 [VII-214] Trong đó K0: hằng số bức xạ của vật đen tuyệt đối K0 = 5,76.10-8, (W/m2.0K) Trong tính toán kỹ thuật công thức trên viết dưới dạng: Với C: hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối. C0= K0. 108=5,67.10-8.108 = 5,67, w/m2 0K4 Bằng thực nghiệm các nhà nghiên cứu đưa ra định luật bức xạ cho vật xám như sau: Với C: hệ số bức xạ xám. Khả năng bức xạ tương đối hay gọi là độ đen của vật thể: b. Định luật Kiêchoff Phát biểu định luật: tỷ số giữa khả năng bức xạ và khả năng hấp thụ năng lượng của vật xám chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và luôn bằng khả năng bức xạ của vật đen tuyệt đối ở cùng một nhiệt độ. . Khả năng bức xạ của vật thể bất kỳ: Trong đó: C= A.C0: là hệ số bức xạ của chất xám phụ thuộc vào tính chất vật thể và được xác định bằng thực nghiệm: Mặt khác ta có: Mà: C= C0. A, nên: A= e: nghĩa là đối với 1 vật thể khả năng hấp thụ chính bằng độ đen. c. Bức xạ giữa hai vật phẳng đặt song song nhau: Trong đó: T1, T2: nhiệt độ tuyệt đối của mặt phẳng 1 và mặt phẳng 2, 0K. Q1-2: lượng nhiệt truyền bức xạ của 1 m2 bề mặt vật 1 cho vật 2. C1, C2, C0: hệ số bức xạ của mặt phẳng 1,2 và đen tuyệt đối, w/m2. (0K)4 d. Bức xạ giữa 2 vật thể bao trùm nhau: Trong đó: F1: là bề mặt bị bao bọc, m2 F2: bề mặt vật bao bọc, m2 e. Bức xạ giữa 2 vật thể bất kỳ trong không gian: Trong đó: j1-2 hệ số góc trung bình được xác định theo công thức Với: F1, F2: bề mặt bức xạ của vật thể, m2 j1, j2: góc tạo bởi hướng của tia bức xạ và pháp tuyến của bề mặt bức xạ. r: khoảng cách giữa các vật thể f. Bức xạ của các chất khí Khác hẳn với vật thể rắn và lỏng, phần lớn các chất khí là chất trong suốt đối với các tia nhiệt (các chất khí một nguyên tử, hai nguyên tử), còn các chất khí khác như CO2, H2O, NH3,… có tính chất bức xạ và