Chương II LÒ HƠI SINH KHỐI

DỰ ÁN LCEE

2 CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG LÒ HƠI ĐỐT NHIÊN LIỆU SINH KHỐI

MỞ ĐẦU

Một trong các nguồn năng lượng chính được sử dụng trong các Doanh nghiệp vừa và nhỏ (DNVVN) là năng lượng hơi nước được sinh ra từ các lò hơi công nghiệp. Hiện nay, lò hơi trong các DNVVN phần lớn thường sử dụng nhiên liệu là: than, dầu DO, dầu FO, khí LPG, khí thiên nhiên, khí CNG, khí LNG (các nhiên liệu hóa thạch). Một số doanh nghiệp đã chuyển sang sử dụng các nhiên liệu khác như: củi, bã mía, trấu, mùn cưa, rơm, vỏ hạt điều,… hoặc các loại viên nén và củi ép từ các nguyên liệu nêu trên (các nhiên liệu sinh khối).

Việc đốt nhiên liệu hóa thạch tạo ra lượng khí thải CO2 rất lớn, một trong những khí nhà kính góp phần làm cho nhiệt độ trung bình của trái đất tăng. Đốt nhiên liệu hóa thạch cũng tạo ra các chất ô nhiễm không khí khác như NOx, SO2, các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi và các kim loại nặng. Ngoài vấn đề liên quan đến ô nhiễm môi trường, sử dụng nhiên liệu hóa thạch còn làm cho chi phí sản xuất của các doanh nghiệp cao hơn.

Nhiên liệu sinh khối được coi là nhiên liệu sạch (gần như không chứa lưu huỳnh, giảm đáng kể phát thải CO2 nếu coi nhiên liệu sinh khối có phát thải trung tính, giá thành thấp, nguồn cung cấp dồi dào, thuận tiện trong việc vận chuyển và lưu trữ.

Số lượng lò hơi sử dụng trong các DNVVN là rất lớn và rất đa dạng, từ công suất cỡ một vài trăm kg hơi/h đến vài chục tấn hơi/h, với áp suất làm việc từ dưới 1 bar đến vài chục bar. Việc chuyển đổi các lò hơi đốt nhiên liệu hóa thạch sang đốt nhiên liệu sinh khối trong các DNVVN là cần thiết và được khuyến khích.

Ban quản lý Dự án “Chuyển hóa Carbon thấp trong lĩnh vực tiết kiệm năng lượng” - LCEE trân trọng giới thiệu tài liệu “CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG LÒ HƠI ĐỐT

NHIÊN LIỆU SINH KHỐI”. Tài liệu được phát hành phục vụ hỗ trợ chuyên gia trong nghiên cứu, tư vấn, tham khảo. Mọi sao chép dưới bất kỳ hình thức phải được sự đồng ý của Tổng cục năng lượng - Bộ Công Thương.

Mục đích của tài liệu nhằm cung cấp cho những người vận hành và quản lý trực tiếp nồi hơi các kiến thức cơ bản liên quan đến việc chuyển đổi lò hơi đốt nhiên liệu hóa thạch sang đốt sinh khối, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu, an toàn trong vận hành và nâng cao hiệu quả TKNL trong hệ thống sản xuất, phân phối và sử dụng hơi.

Tài liệu bao gồm những nội dung chính sau: Chương 1- Hệ thống cung cấp và sử dụng hơi; Chương 2- Lò hơi sinh khối; Chương 3- Hiệu quả kinh tế và TKNL khi sử dụng lò hơi sinh khối. Tài liệu được biên soạn đơn giản, dễ hiểu, không mang nặng tính hàn lâm. Tài liệu chỉ sử

dụng tối thiểu các công thức cần có, một số tính toán cần thiết được hỗ trợ bởi các bảng Exel kèm theo trong Phụ lục giúp người sử dụng có thể thao tác nhanh. Hy vọng tài liệu này sẽ phù hợp và thiết thực đối với những người vận hành và quản lý trực tiếp lò hơi.

Mọi góp ý, thắc mắc vui lòng liên hệ: Ban Quản lý dự án LCEE Địa chỉ: 21 Ngô Quyền, Hoàn Kiếm, Hà Nội Email: [email protected] Website: www.lcee.vn

mailto:[email protected]

http://www.lcee.vn/

DỰ ÁN LCEE


MỤC LỤC

Mở đầu Trang

Chương I - Hệ thống cung cấp và sử dụng hơi 4

1.1 Lò hơi công nghiệp 4

1.2 Nhiên liệu sử dụng trong các lò hơi công nghiệp 11

1.3 Nước cấp dùng cho các lò hơi công nghiệp 20

1.4 Đánh giá hiệu quả làm việc của lò hơi 25

1.5 TKNL trong hệ thống phân phối và sử dụng hơi 34

1.6 Câu hỏi ôn tập 36

Chương II - Lò hơi sinh khối 38

2.1 Nhiên liệu sinh khối 38

2.2 Công nghệ đốt nhiên liệu sinh khối 42

2.3 Chuyển đổi lò hơi đốt nhiên liệu hóa thạch sang đốt nhiên liệu sinh khối 54

2.4 Một số đặc thù liên quan đến kỹ thuật vận hành và an toàn của lò hơi sinh khối 56

2.5 Câu hỏi ôn tập 58

Chương III - Hiệu quả kinh tế và TKNL khi sử dụng lò hơi sinh khối 59

3.1 Các giải pháp TKNL 59

3.2 Đánh giá hiệu quả kinh tế, TKNL và giảm phát thải ra môi trường 66

3.3 Hướng dẫn thu thập số liệu tính toán 69

3.4 Một số bài tập 71

Phụ lục 73

Tài liệu tham khảo 85

DỰ ÁN LCEE


Chương I

HỆ THỐNG CUNG CẤP VÀ SỬ DỤNG HƠI

Hơi nước là môi chất trao đổi nhiệt phổ biến nhất do nó có các đặc tính vượt trội so với các môi chất khác như: tính sẵn sàng, giá thành thấp, khả năng chuyển tải nhiệt cao và tính an toàn. Hệ thống sản xuất hơi nước bao gồm: Lò hơi, hệ thống nhiên liệu và hệ thống nước cấp.

1.1 Lò hơi công nghiệp

Lò hơi là thiết bị sử dụng nhiệt năng để đun nước thành hơi (cũng có một số trường hợp chỉ cần để đun nước nóng) có áp suất và nhiệt độ cao phục vụ cho các quá trình công nghệ. Thông thường nhiệt năng được cung cấp từ việc đốt nhiên liệu. Tuy nhiên, các nguồn năng lượng khác bao gồm điện, nhiệt thải từ quá trình công nghệ và trong một số trường hợp là năng lượng mặt trời cũng được sử dụng. Trong tài liệu này, tác giả chỉ giới hạn ở nguồn nhiệt được cấp từ việc đốt nhiên liệu. Tùy thuộc vào nhiệm vụ của lò hơi trong sản xuất, ta có thể phân thành hai nhóm sau: Trong các nhà máy công nghiệp như nhà máy hóa chất, đường, rượu, bia, nước giải khát, thuốc lá, dệt, giấy, chế biến thực phẩm,… hơi nước phục vụ cho các quá trình công nghệ như đun nấu, chưng cất các dung dịch, cô đặc và sấy sản phẩm,…thường là hơi bão hòa (cá biệt mới sử dụng hơi quá nhiệt). Áp suất hơi tương ứng với nhiệt độ bão hòa cần thiết cho quá trình công nghệ, thường từ 1100C đến 2500C. Loại lò hơi này gọi là lò hơi công nghiệp. Trong các nhà máy nhiệt điện, lò hơi sản xuất ra hơi để làm quay tuốc bin và máy phát, phục vụ cho việc sản xuất điện năng đòi hỏi phải có công suất lớn, hơi là hơi quá nhiệt có áp suất và nhiệt độ cao. Loại này được gọi là lò hơi nhà máy điện. Trong tài liệu chúng ta chỉ giới hạn xem xét một số vấn đề liên quan đến các lò hơi công nghiệp.

1.1.1 Nguyên lý làm việc Lò hơi là thiết bị trong đó xảy ra quá trình đốt cháy nhiên liệu, nhiệt lượng tỏa ra sẽ truyền cho nước và biến nước thành hơi, tức là biến năng lượng của nhiên liệu thành nhiệt năng của hơi nước. Nguyên lý làm việc của lò hơi được thể hiện rất rõ trên Hình 1.1. Hơi nước sử dụng trong các công nghệ của DNVVN thường là hơi nước bão hòa. Nhiệt độ nước sôi và bốc hơi gọi là nhiệt độ bão hòa (tbh). Ở một áp suất nhất định thì nước sôi ở một nhiệt độ tbh tương ứng. Áp suất này gọi là áp suất bão hòa (Pbh). Lượng nhiệt cần cấp cho 1 kg nước sôi để chuyển thành hơi bão hòa khô gọi là nhiệt ẩn hóa hơi (r). Lượng nhiệt chứa trong 1 kg hơi nước gọi là nhiệt hàm (Entanpy) của hơi. Khi hơi nước truyền nhiệt cho đối tượng công nghệ, nó được làm lạnh và ngưng tụ. Ở áp suất không đổi thì nhiệt độ nước ngưng tụ cũng không đổi và bằng tbh. Khi 1 kg hơi nước ngưng tụ hoàn toàn thì nó nhả ra một lượng nhiệt chính bằng r. Quan hệ giữa các đại lượng nêu trên trong khoảng áp suất từ 0 đến 10 bar được cho trong Bảng 1.1 và thể hiện trên Hình 1.2. (Chúng ta cũng có thể tìm thấy quan hệ nêu trên dưới dạng bảng số ở Phụ lục 2 hoặc trong các sổ tay Kỹ thuật nhiệt đối với nhiều dải áp suất khác nhau.)

DỰ ÁN LCEE


Hình 1.1. Nguyên lý làm việc của lò hơi

Bảng 1.1. Quan hệ giữa áp suất, nhiệt độ

và năng lượng của hơi nước bão hòa

Áp suất (dư), bar 0 1 2 3 4 6 8 10

Nhiệt độ, 0C 100 120,4 133,7 143,6 152 165 175,4 184,1

Entanpy hơi bh khô, kJ/kg 2.675 2.707 2.725 2.738 2.749 2.764 2.774 2.781

Nhiệt ẩn hóa hơi, kJ/kg 2.258 2.201 2.163 2.133 2.108 2.066 2.030 2.000

Hiện nay, do thói quen nên trong nhiều tài liệu vẫn sử dụng một số đơn vị đo không thuộc hệ SI. Việc chuyển đổi giữa các đơn vị như sau:

1 bar = 1,0197 kG/cm2 (at) hoặc 1 kG/cm2 (at) = 0,981 bar

1 kJ = 0,2387 kcal hoặc 1 kcal = 4,19 kJ

Các thông số kỹ thuật chính của lò hơi thường được nhà chế tạo cung cấp là: Loại lò hơi; Áp suất làm việc: P (bar hoặc kG/cm2); Nhiệt độ hơi bão hòa: tbh (0 C) hoặc quá nhiệt (nếu có): tqn (0 C); Công suất định mức (Năng suất sinh hơi): D (t/h hoặc kg/h); Hiệu suất lò: η (%); Loại nhiên liệu sử dụng.

DỰ ÁN LCEE


Hình 1.2. Quan hệ giữa nhiệt độ, áp suất và năng lượng của nước và hơi nước bão hòa.

1.1.2 Phân loại và cấu tạo Số lượng lò hơi sử dụng trong các DNVVN là rất lớn và rất đa dạng, từ công suất cỡ một vài trăm kg hơi/h đến vài chục tấn hơi/h, với áp suất làm việc từ dưới 1 bar đến vài chục bar. Có nhiều cách để phân loại lò hơi công nghiệp.

1. Xét theo góc độ chuyển động của nước và của khói trong lò, ta có loại lò hơi ống nước (khói đi phía bên ngoài, còn nước và hơi sinh ra đi trong các ống nhỏ), lò hơi ống lò (khói đi trong ống lớn) và lò hơi ống lửa (khói đi trong các ống nhỏ), còn nước và hơi sinh ra bao ở phía bên ngoài các ống) và lò hơi kết hợp giữa ống lò - ống lửa, giữa ống nước - ống lửa. Xét theo hành trình của khói trước khi ra khỏi lò, lò hơi ống lửa hoặc ống lò - ống lửa lại chia ra loại 2-pass và loại 3-pass.

Hình 1.3. Lò hơi ống lửa, lò hơi ống nước

DỰ ÁN LCEE


Hình 1.4. Lò hơi ống nước đứng đốt dầu / khí

Hình 1.5. Lò hơi ống lò - ống lửa loại 3-pass đốt dầu / khí

DỰ ÁN LCEE


2. Xét theo góc độ chuyển động của nước trong lò, ta có lò hơi đối lưu tự nhiên (lò có bao hơi) và lò hơi đối lưu cưỡng bức (lò hơi trực lưu).

Hình 1.6. Lò hơi ống nước có bao hơi

3. Xét theo góc độ nguồn gốc nhiên liệu sử dụng để sinh ra nhiệt trong lò, ta có:

+ Lò hơi đốt khí (LPG, NG, LNG, CNG, khí có được từ các lò khí hóa than, khí sinh học - biogas có được từ các hầm sinh khối hoặc từ các lò khí hóa các vật liệu sinh khối ví dụ như trấu);

+ Lò hơi đốt dầu (DO, FO, dầu sinh học); + Lò hơi đốt than (than đá, than cám, than bùn, than sinh học); + Lò hơi đốt nhiên liệu sinh khối: gỗ (củi, mùn cưa, dăm gỗ), bã mía, rơm, trấu, vỏ hạt điều, than

sinh khối hoặc các viên nén và củi thanh được nghiền và ép từ các vật liệu trên; + Lò hơi đốt các loại phế thải: bùn cặn, rác thải công nghiệp, rác thải sinh hoạt, rác thải y tế, ….

Hình 1.7. Lò hơi đốt dầu / khí

DỰ ÁN LCEE


Hình 1.8. Lò hơi đốt nhiên liệu sinh khối

4. Xét theo góc độ phương pháp đốt nhiên liệu rắn, ta có: lò hơi với buồng đốt có ghi và lò hơi với buồng đốt không có ghi.

+ Lò hơi với buồng đốt có ghi (hoặc lò hơi đốt kiểu tầng cố định), gồm có: buồng đốt với ghi tĩnh, buồng đốt với ghi động, buồng đốt với ghi lắc, buồng đốt với ghi xích (ghi di động);

Hình 1.9. Lò hơi với buồng đốt có ghi

Hình 1.10. Lò hơi đốt than/sinh khối với buồng đốt có 3 tầng ghi nghiêng cố định

+ Lò hơi với buồng đốt không có ghi, gồm có: lò hơi đốt kiểu phun nhiên liệu, lò hơi đốt kiểu tầng sôi (kiểu sôi bọt, kiểu sôi tái tuần hoàn).

DỰ ÁN LCEE


Hình 1.11. Lò hơi với buồng đốt kiểu tầng sôi

Các loại lò hơi hiện nay thường phổ biến sử dụng trong công nghiệp Việt Nam là: lò hơi ống nước, lò hơi ống lò - ống lửa, lò hơi kiểu ghi tĩnh, lò hơi kiểu ghi xích và lò hơi kiểu tầng sôi. Dưới đây là Bảng so sánh đặc tính của các loại lò hơi này.

Bảng 1.2. So sánh đặc tính của các loại lò hơi thường dùng trong công nghiệp

Loại lò hơi Đặc tính

Ống lò-ống lửa - Công suất nhỏ và vừa; - Áp suất làm việc bị hạn chế dưới 16 bar.

Ống nước

- Loại ống nước đứng: đáp ứng hơi nhanh nhưng giới hạn ở công suất nhỏ (dưới 2t/h) và áp suất thấp (dưới 10 bar);

- Loại ống nước cong, có bao hơi: công suất trung bình và lớn, áp suất làm việc trong dải rất rộng (từ dưới 1 bar đến vài chục bar).

Kiểu ghi tĩnh

- Kết cấu đơn giản, giá thành thấp; - Thông số hơi bị dao động do cấp nhiên liệu không liên tục. Công suất bị

hạn chế dưới 2 t/h; - Hiệu suất khó nâng cao do nhiên liệu cháy không hết và nhiệt độ khói

thải lớn. Vận hành khá nặng nhọc đối với công nhân.

Kiểu ghi xích

- Công suất từ 4 t/h đến (40-50) t/h, có thể điều chỉnh trong dải rộng; - Hiệu suất cao do tách riêng được các giai đoạn cháy và phân bố không

khí hợp lý cho từng giai đoạn; - Cấp hơi ổn định do cấp nhiên liệu liên tục, quán tính nhiệt lớn, ít bị tắt lò; - Đốt được các loại nhiên liệu khác nhau;

DỰ ÁN LCEE


Loại lò hơi Đặc tính

- Mức độ tự động hóa cao, chi phí vận hành thấp, tuổi thọ cao; - Ghi có cấu tạo phức tạp, có nhiều chi tiết chuyển động nên giá thành đắt

hơn so với kiểu ghi tĩnh; - Yêu cầu độ ẩm nhiên liệu không được quá cao (< 20%).

Kiểu tầng sôi

- Thiết kế gọn nhẹ, hiệu suất cao (> 85%). - Đốt được các loại nhiên liệu khác nhau, nhưng yêu cầu kích thước nhiên

liệu < 10 mm; - Giảm thải các chất ô nhiễm độc hại như CO, NOx và dioxin; - Dải công suất rộng (từ 1 t/h đến hơn 100 t/h); - Chi phí bảo trì và thời gian dừng lò ít; - Chi phí đầu tư cao hơn so với các lò truyền thống.

1.2 Nhiên liệu sử dụng trong các lò hơi công nghiệp

Trong các lò hơi công nghiệp thường sử dụng một số loại nhiên liệu sau: Nhiên liệu hóa thạch, gồm có: than (than cám, than đá), dầu (dầu DO, dầu FO), khí (khí

LPG, khí thiên nhiên, khí CNG, khí LNG); Nhiên liệu sinh khối, gồm có: trấu (vỏ trấu rời, viên nén, thanh củi), mùn cưa (dưới dạng

hạt nhỏ hoặc bột, viên nén, củi thanh), dăm bào, gỗ vụn, bã mía, vỏ hạt điều,…. Mụch đích của tài liệu là cung cấp các thông tin giúp doanh nghiệp thuận lợi khi chuyển đổi các lò hơi đốt than sang đốt sinh khối. Do đó mục này cũng chủ yếu tập trung vào nhiên liệu rắn.

1.2.1 Một số đặc tính cơ bản của nhiên liệu rắn 1. Thành phần công nghệ (Phân tích tương đối)

Thành phần công nghệ của nhiên liệu thường chỉ được sử dụng với nhiên liệu rắn, nó giúp nhà quản lý năng lượng có một sự hình dung tốt về nhiên liệu được sử dụng trong buồng đốt. Thành phần công nghệ của nhiên liệu cho ta biết thành phần % khối lượng của: độ ẩm, chất bốc, độ tro, hàm lượng cốc.

Độ ẩm (% W)

Độ ẩm vốn sẵn có trong nhiên liệu gốc, nó tăng hay giảm tùy theo cách bảo quản và vận chuyển nhiên liệu. Độ ẩm của nhiên liệu làm tăng tổn thất nhiệt do bốc hơi và hơi quá nhiệt, giảm lượng nhiệt trên mỗi kg nhiên liệu. Về một khía cạnh nào đó, nó giúp giải quyết các hạt nhiên liệu mịn dính với nhau và giúp truyền nhiệt bức xạ.

Chất bốc (% V)

Chất bốc là những chất khí thoát ra khi nhiên liệu bị phân hủy nhiệt, thành phần chủ yếu của nó là H2, CO, CH4, CxHy và các khí không cháy như CO2 và N2. Chất bốc càng nhiều

DỰ ÁN LCEE


thì chiều dài ngọn lửa càng dài và nhiên liệu càng dễ bắt lửa và cháy ổn định. Chất bốc thiết lập giới hạn tối thiểu độ cao và thể tích của lò, ảnh hưởng đến yêu cầu gió cấp 2 và các vấn đề về phân phối gió.

Độ tro (% A)

Tro là phần tạp chất còn lại không cháy được trong nhiên liệu khi quá trình cháy đã kết thúc. Hàm lượng tro cao ảnh hưởng đến hiệu suất của lò hơi, làm tăng chi phí xử lý. Nếu tro bụi quá nhiều trong khói sẽ gây mài mòn các bề mặt nhận nhiệt, nhất là bụng lò, sườn lò và các đầu ống lửa ra khỏi mặt sàng, gây tắc các ống lửa, mương khói, bộ hâm nước. Hàm lượng tro cũng rất quan trọng đối với thiết kế của ghi lò, thể tích đốt, thiết bị xử lý tro và kiểm soát ô nhiễm của lò hơi.

Hàm lượng cốc

Cốc là thành phần còn lại sau khi các chất bốc và độ ẩm trong nhiên liệu đã thoát ra. Cốc có thể ở dạng thiêu kết (dạng cứng và xốp) hoặc không thiêu kết (dạng bột mềm). Hàm lượng cốc phản ánh lượng carbon cố định có trong nhiên liệu, yếu tố tạo nhiệt chính trong quá trình cháy.

2. Thành phần hóa học (Phân tích tuyệt đối)

Thành phần hóa học của nhiên liệu cho ta biết tất cả các thành phần hóa học có trong nhiên liệu, không quan tâm đến hình dạng vật lý mà các thành phần thể hiện. Thành phần hóa học trong nhiên liệu thường cho theo % khối lượng và bao gồm một số thành phần chính như: % C, % H, % O, % S, % N, % A (tro), % W (độ ẩm). Thành phần hóa học của nhiên liệu giúp ta xác định lượng không khí cần thiết cho quá trình cháy và thể tích, thành phần của sản phẩm cháy. Thông tin này cần thiết cho tính toán nhiệt độ ngọn lửa và thiết kế ống khói,....

3. Nhiệt trị ( Q )

Nhiệt trị (Năng suất tỏa nhiệt) của nhiên liệu là lượng nhiệt sinh ra khi đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu rắn, lỏng (kJ/kg hoặc kcal/kg) hoặc 1 m3 khí ở điều kiện tiêu chuẩn (kJ/m3tc hoặc kcal/m3tc). Điều kiện tiêu chuẩn là P = 760 mmHg và t = 00C. Nhiệt trị của nhiên liệu có thể xác định trực tiếp bằng thực nghiệm trên nhiệt lượng kế hoặc dùng các công thức thực nghiệm theo các thành phần của nhiên liệu. Người ta phân biệt Nhiệt trị thấp, Qt (NCV- Net Calorific Value hoặc LHV- Lower Heating Value) và Nhiệt trị cao, Qc (GCV- Gross Calorific Value hoặc HHV- Higher Heating Value). Nhiệt trị thấp, Qt là nhiệt trị ứng với trường hợp khi hơi nước có trong sản phẩm cháy tồn tại ở dạng hơi. Trong kỹ thuật và trong tính toán ta hay sử dụng giá trị này do trong thực tế khi đốt nhiên liệu, hơi nước đều đi theo khói thải ra ngoài môi trường. (Lý do: không muốn hơi nước ngưng tụ trên bề mặt thiết bị để chống ăn mòn.) Nhiệt trị cao, Qc là nhiệt trị ứng với trường hợp khi hơi nước có trong sản phẩm cháy đều được ngưng tụ (đã tính đến lượng nhiệt do hơi nước giải phóng ra khi bị ngưng tụ). Nhiệt trị thấp được tính bằng cách dùng nhiệt trị cao trừ đi lượng nhiệt hóa hơi này.

DỰ ÁN LCEE


Nếu biết thành phần hóa học của nhiên liệu, ta có thể tính nhiệt trị theo các công thức thực nghiệm sau: (Tài liệu tham khảo - 4)

Qc = 8100 C + 3400 (H – O/8) + 2500 S (kcal/kg) (1.1) Qt = Qc – 600 (9H + W) (kcal/kg) (1.2) hoặc: Qc = 33,9 C + 571,2 (H – O/8) + 10,47 S (MJ/kg) (1.3) Qt = Qc – 600 (9H + W) (MJ/kg) (1.4)

tong đó: C, H, O, H, W là thành phần hóa học có trong nhiên liệu tính theo % khối lượng. Trong nhiều tài liệu đôi khi chúng ta còn gặp một khái niệm nữa là Nhiệt trị cao bom nhiệt lượng kế Qc

b. Đây là lượng nhiệt thu được khi đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu trong “bom nhiệt lượng kế”. Tại đây phản ứng cháy tiến hành dưới điều kiện giàu oxy, áp suất và nhiệt độ cao nên lưu huỳnh và nitơ có trong nhiên liệu sẽ cháy thành SO3 và NO2 rồi kết hợp với nước tạo thành axit sulfuric và axit nitric, đây là những phản ứng tỏa nhiệt. Trong các bài tính nhiệt thông thường của lò hơi, ta hay dùng khái niệm Nhiệt trị thấp làm việc của nhiên liệu Qt

lv. Đây là nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy hoàn toàn 1 kg mẫu nhiên liệu rắn (lỏng) hoặc 1 m3tc mẫu nhiên liệu khí ở điều kiện làm việc bình thường mà H2O trong sản phẩm cháy ở dạng hơi. Nếu H2O ở dạng nước ngưng, ta được Nhiệt trị cao làm việc Qc

lv. Bảng 1.3 và 1.4 dưới đây cho chúng ta sự so sánh các đặc tính cơ bản của một số loại nhiên liệu sử dụng trong các lò hơi công nghiệp Việt Nam (mang tính tham khảo).

Bảng 1.3. So sánh thành phần hóa học của một số nhiên liệu rắn sử dụng trong lò hơi công nghiệp

Loại nhiên liệu Qtlv

kcal / kg % C % H % O % S % N % A % W

Trấu 3.250 37,13 4,12 31,6 0,05 0,36 17,75 9

Mùn cưa 3.470 39,6 5,2 34,4 0 0,3 0,48 15

Than cám 5 Hòn Gai 5.200 58,06 2,4 2,24 0,43 0,84 27,37 8,63

Than bitum (Úc) 6.350 65,63 4,49 7,40 0,41 1,46 12,09 8,75

Than á bitum (Indonesia)

4.900 51,02 3,71 14,21 0,4 0,82 5,04 24,21

DỰ ÁN LCEE


Bảng 1.4. So sánh 2 đặc tính cơ bản của một số nhiên liệu thường dùng trong lò hơi công nghiệp

Loại nhiên liệu Nhiệt trị (kcal/kg)

Độ ẩm (%)

Than cục 5.300-5.500 8-13

Than cám 4.000-5.000 8-10

Than bitum (Úc) 6.300 8,75

Than Á bitum (Indonexia) 5.000-5.800 30-32

Dầu DO 10.800 0,25

Dầu FO 9.800-10.300 max 1

Khí LPG 11.800 -

Khí CNG 10.080/m3tc (= 0,854 kg LPG)

-

Vỏ trấu 3.246 10-15

Củi ép trấu 3.500-4.200 < 12

Viên ép trấu 3.800-4.200 < 12

Mùn cưa 3.500-3800 20-40

Củi ép mùn cưa 4.300-4.800 < 12

Viên nén mùn cưa 4.200-4.800 < 12

Bã mía (sau khi ép) 2.000-2.100 48-50 (sau khi ép)

Củi khô 2.100-2.300 > 15

Chuyển đổi đơn vị: 1 kcal = 4,186 kJ 1 kwh = 860 kcal = 3.600 kJ 1 BTU = 252 cal = 0,252 kcal 1 TOE = 1.000 kg dầu FO

DỰ ÁN LCEE


1.2.2 Quá trình đốt cháy nhiên liệu rắn Quá trình cháy là sự oxy hóa nhanh nhiên liệu để tạo ra nhiệt hoặc nhiệt và ánh sáng. Quá trình cháy nhiên liệu rắn có thể phân đoạn ra như sau:

Truyền nhiệt từ ngoài vào nhiên liệu để sấy khô và làm bay hơi nước trong đó; Phân hủy phần chất bốc trong nhiên liệu; Khuếch tán chất bốc ra ngoài; Khuếch tán oxy vào và xảy ra phản ứng cháy; Truyền nhiệt của phản ứng cháy ra xung quanh; Cháy khuếch tán lõi cacbon rắn còn lại (cốc).

Quá trình đốt cháy nhiên liệu chỉ hoàn tất khi được cấp một lượng oxy thích hợp. Không khí chứa 21 % oxy (O2) theo thể tích và phần còn lại 79 % chủ yếu là nitơ (N2) cùng với một ít các thành phần khác. Nitơ là khí không cháy được, nó làm giảm hiệu suất cháy do hấp thụ nhiệt từ nhiên liệu được đốt cháy và pha loãng khí lò. Điều này làm giảm lượng nhiệt truyền cho các bề mặt trao đổi nhiệt và làm tăng các sản phẩm phụ của quá trình cháy. Ở nhiệt độ cao, nitơ còn có thể kết hợp với oxy để tạo ra NOx là chất gây ô nhiễm rất độc. Nhìn chung trong các nhiên liệu đều có các thành phần C, H, O, N và W. Oxy là chất phản ứng có trong không khí và trong nhiên liệu, kết hợp với các chất có thể cháy được trong nhiên liệu để sinh ra nhiệt theo các phản ứng sau: (Tài liệu tham khảo - 6)

C + O2 = CO2 + 8.084 kcal / kg cacbon (1.5)

2C + O2 = 2CO + 2.430 kcal / kg cacbon (1.6)

2H2 + O2 = 2 H2O + 28.922 kcal / kg hydro (1.7)

S + O2 = SO2 + 2.224 kcal / kg lưu huỳnh (1.8)

Mục đích của một quá trình đốt cháy hiệu quả là giải phóng toàn bộ nhiệt trong nhiên liệu. Có thể đạt được điều này thông qua việc kiểm soát “3 T” của quá trình cháy, đó là (1) Nhiệt độ (Temperature) đủ cao để bắt cháy và duy trì việc bắt cháy nhiên liệu, (2) Khuấy trộn (Turbulence) nhiên liệu với oxy và (3) là Thời gian (Time) phải đủ để hoàn tất quá trình đốt cháy. Khi nhiên liệu quá nhiều hoặc lượng không khí quá ít sẽ dẫn tới khả năng nhiên liệu cháy không hết hoặc sinh ra khí CO. Mỗi kg CO được tạo ra, đồng nghĩa với việc gây tổn thất 5.654 kcal nhiệt (8.084 – 2.430). Ngoài ra CO còn là một chất khí cực độc. Để có được quá trình đốt cháy hoàn hảo cần thêm một lượng O2 dư nhất định hay nói cách khác là lượng không khí cháy thực tế phải cao hơn mức yêu cầu trên lý thuyết. Duy trì được lượng không khí thừa tối ưu sẽ giảm thiểu được tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn và do khói thải mang đi, hiệu suất của lò hơi sẽ là cao nhất. Lượng không khí thừa tối ưu có thể dao động tùy thuộc vào loại lò hơi, phương pháp đốt, loại nhiên liệu và các thông số khác của quá trình. Hình 1.12 chỉ rõ ảnh hưởng của hệ số không khí thừa lên hiệu suất, tổng các tổn thất nhiệt và một số thành phần khí khác trong khói thải của lò hơi.

DỰ ÁN LCEE


Hình 1.12. Ảnh hưởng của hệ số không khí thừa lên hiệu suất của lò hơi

1.2.3 Tính toán lượng không khí cần thiết cho quá trình cháy Tính toán lượng không khí cần thiết cho quá trình cháy có thể thực hiện theo 2 phương pháp:

a- Tính theo phương pháp kinh điển: dựa vào các phản ứng cháy cơ bản của các thành phần trong nhiên liệu với oxy tính ra lượng oxy cần thiết và từ đó suy ra lượng không khí cần thiết. Phương pháp này đòi hỏi phải có kiến thức và thời gian.

b- Tính theo các công thức thực nghiệm: dựa vào các công thức thực nghiệm liên quan đến các thành phần của nhiên liệu tính nhanh ra lượng không khí cần thiết. Qua so sánh thực tế, kết quả của 2 phương pháp có sai lệch không đáng kể và chấp nhận được. Phương pháp này tốn ít thời gian và không đòi hỏi người tính toán phải biết nhiều kiến thức. Phương pháp này phù hợp cho người vận hành lò hơi ở các doanh nghiệp cho nên sẽ được ưu tiên giới thiệu trong mục này.

1. Tính toán lượng không khí lý thuyết ( LtKKV )

Bước đầu tiên là xác định thành phần hóa học của nhiên liệu từ kết quả phân tích của phòng thí nghiệm hoặc từ các sổ tay kỹ thuật. Giả sử lò hơi của chúng ta sử dụng nhiên liệu là trấu rời có các thông số như trong Bảng 1.5.

Bảng 1.5. Các thông số của nhiên liệu trấu rời

% C % H % O % S % N % W %A Qtlv , kcal/ kg

37,13 4,12 31,6 0,05 0,36 9 17,75 3250

DỰ ÁN LCEE


Bước tiếp theo là điền các thành phần nhiên liệu cần thiết vào các công thức thực nghiệm và tính kết quả. Có nhiều công thức thực nghiệm được công bố trong các tài liệu khác nhau, tác giả khuyến cáo nên sử dụng các công thức sau: (Tài liệu tham khảo - 4)

Lượng oxy ( LtOV 2 ) và tương ứng với nó là lượng không khí ( Lt

KKV ) cần thiết cho quá trình cháy lý thuyết tính theo thể tích (cho 100 kg nhiên liệu):

SOHCV Lt

O 375,08

387,12 m3tc O2 (1.9)

21,0

2Lt

OLtKK

VV m3tc không khí (1.10)

Điền các thông số của trấu cho trong Bảng 1.5 vào các công thức trên, ta có:

42,7005,0375,08

6,3112,4313,3787,12

xV Lt

O m3tc O2

33,33521,042,70

LtKKV m3tc không khí

Nếu tính cho 1 kg trấu thì lượng không khí lý thuyết cần thiết sẽ là:

LtKKV / 100 = 3,353 m3tc không khí / kg trấu

Như vậy đối với mẫu nhiên liệu của chúng ta, về mặt lý thuyết để đốt cháy 1 kg trấu thì sẽ cần 3,353 m3 không khí ở điều kiện tiêu chuẩn.

Lượng oxy ( LtOV 2 ) và tương ứng với nó là lượng không khí ( Lt

KKV ) cần thiết cho quá trình cháy lý thuyết tính theo trọng lượng (cho 100 kg nhiên liệu):

SOHCV LtO

8867,22 kg O2 (1.11)

23,0

2Lt

OLtKK

VV kg không khí (1.12)

(không khí chứa 23% O2 theo trong lượng)

Điền các thông số của trấu cho trong Bảng 1.5 vào các công thức trên, ta có:

55,10005,08

6,3112,4813,3767,22

xV Lt

O kg O2

DỰ ÁN LCEE


17,43723,055,100

LtKKV kg không khí

Nếu tính cho 1 kg trấu thì lượng không khí lý thuyết cần thiết sẽ là:

LtKKV / 100 = 4,37 kg không khí / kg trấu

Như vậy đối với mẫu nhiên liệu của chúng ta, về mặt lý thuyết để đốt cháy 1 kg trấu thì sẽ cần 4,37 kg không khí.

2. Tính toán lượng không khí thực tế ( TtKKV )

Như ta đã trình bày, để có được quá trình đốt cháy hoàn hảo cần thêm một lượng O2 dư nhất định hay nói cách khác là lượng không khí cháy thực tế phải cao hơn mức yêu cầu trên lý thuyết. Tương quan giữa lượng không khí thực tế cần thiết và lượng không khí tính theo lý thuyết được thể hiện thông qua Hệ số không khí thừa α (hoặc λ) và nó được xác định như sau:

22

max2

%2121

%%

)(OCO

COVV

LtKK

TtKK

(1.13)

trong đó: α ( λ) - hệ số không khí thừa (α > 1); Lt

KKV - lượng không khí yêu cầu theo lý thuyết;

TtKKV - lượng không khí thực tế cần thiết;

max2%CO - lượng khí CO2 cực đại thoát ra khi đốt cháy nhiên liệu (phụ thuộc vào loại

nhiên liệu và có thể tra trong các sổ tay kỹ thuật), % thể tích; 2%CO - lượng khí CO2 thực tế có trong khói thải, % thể tích; %O2 - lượng khí O2 thực tế có trong khói thải, % thể tích; 21 - lượng khí O2 có trong không khí, % thể tích.

Bằng cách sử dụng các thiết bị phân tích khí (loại xách tay hoặc đo liên tục) ta có thể xác định được %O2 hoặc %CO2 có trong khói thải của lò, từ công thức (1.13) xác định được lượng không khí thực tế đã cấp vào lò ( Lt

KKTt

KK VV . ) và thông qua đó có thể kiểm soát được quá trình cháy. Một phương pháp khác nhanh hơn, trước tiên ta xác định lượng không khí dư cấp vào lò ( KKV ) bằng cách sử dụng các đồ thị trong Hình 1.13 hoặc Hình 1.14, từ đó suy ra lượng không khí thực tế đã cấp vào lò ( KK

LtKK

TtKK VVV ). (Tài liệu tham khảo - 6)

DỰ ÁN LCEE


Hình 1.13. Quan hệ giữa lượng không khí thừa và % O2 trong khói

Hình 1.14. Quan hệ giữa lượng không khí thừa và % CO2 trong khói

1.2.4 Tính toán lượng khói tạo thành sau khi cháy (Tài liệu tham khảo - 8) Lượng khói lý thuyết (thể tích tiêu chuẩn) tạo thành sau khi 1 kg nhiên liệu cháy hết:

LtOH

LtRO

LtN

Ltkh VVVV 222 m3tc/ kg nhiên liệu (1.14)

trong đó:

- Thể tích ni tơ có trong khói (lý thuyết):

100/8,079,02 NVV LtKK

LtN m3tc/ kg nhiên liệu (1.15)

- Thể tích các loại khí 3 nguyên tử (lý thuyết) gồm CO2 và SO2: (1.16)

100/375,0866,12 SCV LtRO m3tc/ kg nhiên liệu

- Thể tích hơi nước (lý thuyết):

DỰ ÁN LCEE


LtKK

LtOH VWHV 0161,00124,0111,02 m3tc/ kg nhiên liệu (1.17)

Lượng khói thực tế với hệ số α cho trước:

LtKK

LtOH

LtRO

LtN

Ttkh VVVVV .1222 m3tc/ kg nhiên liệu (1.18)

1.3 Nước cấp dùng cho các lò hơi công nghiệp

Chất lượng của hơi, sự làm việc hiệu quả và ổn định của lò hơi phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng nước cấp cho lò.

1.3.1 Yêu cầu chất lượng nước cấp cho lò hơi

Trong nước thiên nhiên có hòa tan những tạp chất, đặc biệt là các loại muối canxi, magiê và một số các loại muối cứng khác. Trong quá trình làm việc của lò, khi nước sôi và bốc hơi, các muối này sẽ tách ra ở pha cứng dưới dạng bùn hoặc cáu tinh thể bám vào vách ống sinh hơi của lò. Các cáu và bùn này có hệ số dẫn nhiệt rất thấp, thấp hơn so với kim loại hàng trăm lần. Do đó, khi chúng bám vào vách ống sẽ làm giảm khả năng truyền nhiệt từ khói đến môi chất ở trong ống, làm cho môi chất nhận nhiệt ít hơn và tổn thất nhiệt theo khói thải tăng lên, làm cho lượng tiêu hao nhiên liệu tăng và hiệu suất của lò giảm. Khi cáu bám trên bề mặt bên trong của các ống sinh hơi hoặc các ống của bộ quá nhiệt sẽ làm tăng nhiệt độ của vách ống, làm giảm tuổi thọ của ống và khi nhiệt độ này vượt quá mức cho phép có thể làm nổ ống. Ngoài ra, khi cáu bám lên vách ống sẽ làm tăng tốc độ ăn mòn kim loại ống, gây ra hiện tượng ăn mòn cục bộ. Ngoài những chất sinh cáu, trong nước còn có những chất khí hòa tan như Oxy và Cacbonic. Các loại khí này gây gây ăn mòn mạnh mẽ các bề mặt ống kim loại của lò, nhất là bộ hâm nước. Vì những nguyên nhân trên, nước thiên nhiên không thể dùng trực tiếp để cung cấp cho lò hơi mà cần phải được cho qua Hệ thống xử lý nước để loại bỏ các chất có thể sinh ra cáu cặn và ăn mòn. Biện pháp này gọi là Phương pháp xử lý nước ngoài lò. Đây là phương pháp phổ biến nhất được áp dụng đối với các lò hơi công nghiệp. Trong quá trình vận hành, mặc dù nước cấp vào lò đã qua xử lý nhưng do nước bốc hơi liên tục nên các chất có thể sinh ra cáu cặn sẽ được tích cóp lại trong nước lò. Đến một lúc nào đó nồng độ của chúng vượt quá giới hạn cho phép của nước lò cũng sẽ gây ra hiện tượng đóng cáu cặn trong lò. Để giảm nồng độ này người ta phải tiến hành xả nước từ đáy lò. Sơ đồ hệ thống nước của lò hơi được chỉ rõ trên Hình 1.15. Ngoài phương pháp xử lý nước ngoài lò, chúng ta còn gặp một biện pháp khác để chống đóng cáu cặn cũng được áp dụng cho các lò hơi công nghiệp. Đó là Phương pháp xử lý nước trong lò. Theo phương pháp này, người ta cho thêm hóa chất vào trong nước lò để biến những vật chất có khả năng sinh ra cáu cặn thành những vật chất tách ra ở pha cứng dưới dạng bùn rồi thải ra ngoài qua đường xả đáy.

DỰ ÁN LCEE


Hình 1.15. Sơ đồ hệ thống nước của lò hơi

Chỉ tiêu chất lượng nước cấp cho nồi hơi được qui định rất cụ thể và chi tiết trong TCVN 7704 - 2007 (Tài liệu tham khảo - 2). Các chỉ tiêu này khác nhau đối với các loại lò khác nhau, các loại nhiên liệu khác nhau và các dải áp suất vận hành khác nhau (thông số càng cao thì yêu cầu chất lượng nước càng cao). Thông thường, để đánh giá nhanh chất lượng nước cấp cho các lò hơi công nghiệp người ta qui về một số chỉ tiêu cơ bản sau:

1- Độ cứng: là tổng nồng độ các ion Ca, Mg, Si và đôi khi kể cả Fe và Mn có trong nước. Đây là nhân tố chính gây nên đóng cáu cặn trong lò. Chỉ tiêu này thường áp dụng đối với nước cấp vào lò;

2- Tổng hàm lượng chất rắn hòa tan (TDS- Total dissolved solids): là tổ hợp của tất cả các chất vô cơ và hữu cơ chứa trong nước dạng lơ lửng của các phân tử, ion hóa hay vi hạt. TDS có thể được ước tính theo độ dẫn điện của nước vì theo qui luật khi TDS tăng thì độ dẫn điện cũng tăng. Chỉ tiêu này thường áp dụng cho nước lò;

3- Độ pH: là chỉ số đo hoạt độ của các ion hydro (H+) trong nước và vì vậy nó là chỉ số đo độ axit hay bazơ của nước. Độ pH cao hay thấp quá đều gây ăn mòn cho lò hơi.

Dưới đây là một số chỉ số khuyến nghị áp dụng cho các lò hơi công nghiệp:

Bảng 1.6. Các chỉ số khuyến nghị đối với các lò hơi công nghiệp

Chỉ tiêu Nước cấp Nước lò

Độ cứng 0,5 – 1 ppm -

Độ pH ở 250C 8,5 – 9 10 – 11,5

Tổng nồng độ chất rắn hòa tan, TDS - ≤ 3500 ppm

DỰ ÁN LCEE


1.3.2 Các phương pháp xử lý nước cho lò hơi

1. Phương pháp xử lý nước ngoài lò

Xử lý nước trước khi đưa vào lò hơi gồm hai bước cơ bản là xử lý cơ học và xử lý độ cứng. Đây là các bước không thể thiếu được đối với các lò hơi công nghiệp. Ngoài ra, trong nước còn có những chất khí hòa tan như ô-xi và cácbonic. Các loại khí này gây ăn mòn mạnh mẽ các bề mặt ống kim loại của lò, nhất là bộ hâm nước. Do đó, cũng cần loại bỏ các khí này trước khi cấp nước vào lò hơi. Tuy nhiên, đối với các lò hơi công nghiệp không phải lò nào cũng được trang bị hệ thống khử khí. Một phần là do ảnh hưởng của yếu tố này không mạnh như ảnh hưởng của yếu tố độ cứng, phần khác là do giá thành của toàn hệ thống sẽ tăng.

a. Xử lý cơ học: Xử lý cơ học là dùng các bể lắng và các bình lọc cơ khí để tách các tạp chất lơ lửng trong nước

ra khỏi nước. Tuy nhiên xử lý cơ học chỉ loại bỏ được các tạp chất cơ khí ra khỏi nước.

b. Xử lý độ cứng: Xử lý độ cứng là làm giảm đến mức nhỏ nhất nồng độ các tạp chất có thể tạo thành cáu hòa tan

trong nước. Nước chưa qua xử lý độ cứng gọi là nước cứng, nước đã qua xử lý độ cứng gọi là nước mềm. Độ cứng chỉ có thể được khử bằng hóa chất hoặc bằng trao đổi ion.

Xử lý bằng hóa chất: Phương pháp này thường được dùng cho các lò hơi nhỏ, yêu cầu chất lượng nước không cao,

gồm các biện pháp sau đây:

Phương pháp xử lý Hóa chất dùng

Vôi hóa CaO Vôi- xôđa CaO + Na2CO3 Xút NaOH Xút-xôđa NaOH + Na2CO3 Vôi-xút CaO + NaOH

Tùy theo chất lượng nước nguồn và yêu cầu chất lượng nước của lò, ta lựa chọn biện pháp nào đó hoặc kết hợp nhiều biện pháp khác nhau.

Xử lý bằng trao đổi ion: Phương pháp này gồm trao đổi cation và anion. (Ion là một nguyên tử mang điện tích. Nguyên

tử mang điện tích dương (thường là kim loại) được gọi là cation, nguyên tử mang điện tích âm được gọi là anion). Trong các lò hơi công nghiệp chủ yếu sử dụng phương pháp trao đổi cation. + Phương pháp trao đổi cation: Nguyên lý của phương pháp này là thực hiện quá trình trao đổi giữa các cation của tạp chất hòa tan trong nước, có khả năng sinh cáu trong lò hơi với các cation của hạt cationit, để tạo nên những vật chất mới tan ở trong nước nhưng không tạo thành cáu ở trong lò. Cationit là những hạt nhựa tổng hợp có gốc R ngậm các cation, không tan trong nước. Trong các lò hơi công nghiệp thường sử dụng loại hạt cationit Natri (NaR). Khi nước cứng đi qua bình xử lý có chứa các hạt nhựa NaR, sẽ xảy ra các phản ứng sau với các tạp chất có trong nước:

DỰ ÁN LCEE


Ca(HCO3)2 + 2 NaR = CaR2 + 2NaHCO3 (1.19)

Mg(HCO3)2 + 2NaR = MgR2 + 2NaHCO3 (1.20)

CaCl2 + 2NaR = CaR2 + 2NaCl (1.21)

MgCl2 + 2NaR = MgR2 + 2NaCl (1.22)

CaSO4 + 2NaR = CaR2 + Na2SO4 (1.24)

MgSO4 + 2NaR = MgR2 + Na2SO4 (1.25)

Khi xảy ra các phản ứng trên, nước ra khỏi bình xử lý đã là nước mềm, sẽ không mang theo độ cứng nên đủ điều kiện cấp cho lò hơi. Khi sử dụng hạt cationit NaR, toàn bộ độ cứng đều được khử, song độ kiềm và các thành phần anion khác trong nước không thay đổi.

Hình 1.16. Hệ thống làm mềm nước bằng phương pháp trao đổi cation

Sau một thời gian làm việc, các hạt cationit sẽ mất dần các cation, nghĩa là chúng mất dần khả năng trao đổi. Vì vậy, để phục hồi khả năng làm việc của các hạt cationit cần phải cho chúng trao đổi với những chất có khả năng cung cấp lại các cation ban đầu. Quá trình đó được gọi là quá trình hoàn nguyên cationit.

Quá trình hoàn nguyên Để hoàn nguyên cationit Natri, người ta dùng dung dịch muối ăn (NaCl) có nồng độ (6-8)%. Trong quá trình hoàn nguyên sẽ xảy ra các phản ứng sau:

CaR2 + 2NaCl = 2NaR + CaCl2 (1.26)

MgR2 + 2NaCl = 2NaR + MgCl2 (1.27)

Quá trình hoàn nguyên cũng thực hiện gần giống quá trình xử lý, nghĩa là dung dịch hoàn nguyên (dung dịch muối ăn) được đưa vào bình xử lý theo đường ống dẫn từ trên xuống, chảy qua lớp hạt cationit, thực hiện các phản ứng phục hồi lại các cation ban đầu. Các chất tách ra sau khi

DỰ ÁN LCEE


hoàn nguyên là các liên kết tan trong nước, được xả ra khỏi lớp cationit bằng biện pháp rửa, đi theo ống xả ra ngoài. Chu kỳ tái sinh hạt nhựa và lượng muối phụ thuộc vào chất lượng nước nguồn ban đầu và công suất của lò hơi, nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng nước mềm cấp cho lò hơi.

c. Khử khí hòa tan trong nước cấp:

Nước tự nhiên đều chứa một số khí hòa tan như O2 và CO2. Khi nước được đun nóng trong lò hơi, các khí này sẽ được giải phóng và kết hợp với H2O tạo thành axit H2CO3 làm ăn mòn kim loại, giảm tuổi thọ của các ống và lò hơi nói chung. Ngoài ra nó cũng làm tan sắt (Fe), chất này sẽ kết tủa, tạo cặn bám vào vách ống và lò hơi làm tăng tiêu hao năng lượng và giảm tuổi thọ của lò.

Hình 1.17. Nguyên lý và cấu tạo bình khử khí

Thông thường trong các lò hơi công nghiệp, để loại bỏ các khí hòa tan này người ta cho nước cấp đi qua một bình có cấu tạo đặc biệt gọi là bình khử khí, trước khi đi vào lò hơi. Trong bình này nước cấp được gia nhiệt bằng hơi tới nhiệt độ sôi (tương ứng với áp suất hơi cấp vào). Ở nhiệt độ bão hòa các khí hòa tan (O2 và CO2) sẽ thoát ra nhiều nhất và được xả ra bên ngoài. Hình 1.17 chỉ rõ nguyên lý và cấu tạo của bình khử khí.

2. Phương pháp xử lý nước trong lò

Phương pháp xử lý nước bên trong lò là biện pháp dùng bơm định lượng đưa thêm hóa chất vào bên trong lò hơi để ngăn ngừa việc đóng cáu cặn. Các chất có thể tạo thành cáu cặn sẽ phản ứng với hóa chất được bơm thêm vào để tạo thành sản phẩm dưới dạng váng hoặc dạng bùn và được thải ra ngoài qua đường xả váng hoặc xả đáy. Phương pháp này chỉ dùng với lò hơi sử dụng nước cấp có độ cứng thấp, nồng độ TDS trong nước vừa phải và khối lượng xử lý nước ít. Ngược lại, sẽ phải xả đáy lò ở mức cao để có thể xả hết bùn. Như vậy, sẽ không kinh tế do tổn thất nước và tổn thất nhiệt lớn. Do đó, không khuyến cáo chỉ áp dụng phương pháp này mà nên kết hợp với cả phương pháp xử lý nước ngoài lò. Tuy nhiên, trong trường hợp này giá thành của hệ thống sẽ tăng lên.

DỰ ÁN LCEE


Tùy thuộc vào chất lượng nước nguồn ban đầu để chọn loại hóa chất nào phù hợp nhất. Các hóa chất thường dùng là: natri cacbonat, natri aluminat, natri phosphat, natri sunfit và các hợp chất có nguồn gốc thực vật hoặc vô cơ.

Hình 1.18. Bơm định lượng hóa chất cho vào lò

1.4 Đánh gíá hiệu quả làm việc của lò hơi

1.4.1 Các tổn thất nhiệt trong lò hơi và nguyên nhân

Hình 1.19. Sơ đồ cân bằng năng lượng của lò hơi

Để đánh giá hiệu quả làm việc của lò hơi, chúng ta phải xác định được những tổn thất nhiệt có thể và không thể tránh khỏi trong lò hơi. Mục tiêu của tiết kiệm năng lượng là nhằm giảm những tổn thất có thể tránh khỏi, tức là nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng. Muốn vậy, chúng ta phải hiểu được cân bằng năng lượng của lò hơi (Hình 1.19). Từ sơ đồ cân bằng năng lượng của lò hơi chúng ta thấy ngay những tổn thất nhiệt chính trong lò hơi bao gồm:

DỰ ÁN LCEE


1. Tổn thất nhiệt do khói thải của lò mang đi (tổn thất qua ống khói) Đây là tổn thất lớn nhất trong số các tổn thất của lò hơi. Tổn thất này có thể xác định từ việc phân tích thành phần nhiên liệu (để xác định nhu cầu lượng không khí cần thiết theo lý thuyết, tổn thất nhiệt do độ ẩm trong nhiên liệu bay hơi, tổn thất nhiệt do nước tạo thành từ H2 có trong nhiên liệu và bay hơi); đo nhiệt độ khói thải qua ống khói, phân tích thành phần khói thải (để xác định hệ số không khí thừa α hoặc λ, lượng khí chưa cháy hết có trong khói thải ví dụ như khí CO, lượng nhiệt do khói thải khô mang đi, tổn thất nhiệt do độ ẩm có trong không khí). Nguyên nhân làm tăng tổn thất nhiệt do khói thải của lò mang đi là:

Thiết kế lò chưa hợp lý do đó lượng nhiệt sinh ra trong lò không được hấp thụ triệt để bởi các bề mặt nhận nhiệt, làm cho nhiệt độ khói thải tăng cao;

Thiết kế buồng đốt và phương pháp đốt không phù hợp, điều chỉnh hệ số không khí thừa quá thấp khiến cho quá trình cháy kém, nhiên liệu cháy không hết còn lại dưới dạng khí CO đi theo khói thải (tổn thất về mặt hóa học);

Điều chỉnh áp suất buồng lửa quá lớn làm làm tăng tăng tổn thất về mặt hóa học cũng như vật lý;

Nước cấp cho lò chưa được xử lý tốt dẫn đến đóng cáu cặn phía bên trong các bề mặt nhận nhiệt, phía bên ngoài các bề mặt nhận nhiệt không được làm vệ sinh định kỳ dẫn đến bị bao phủ lớp muội. Cả 2 điều này đều làm cho lượng nhiệt sinh ra trong lò không truyền được triệt để cho nước để sinh hơi;

Điều chỉnh hệ số không khí thừa quá lớn, làm tăng tổn thất nhiệt do phải làm nóng lượng không khí thừa này, đồng thời làm giảm nhiệt độ buồng lửa và dẫn đến làm tăng tổn thất về

mặt hóa học; Nhiên liệu không hợp lý dẫn đến quá trình cháy khó khăn, ví dụ độ ẩm quá cao; Đối với lò hơi đốt kiểu ghi tĩnh, việc cấp nhiên liệu mang tính thủ công - nhiên liệu được cấp

theo từng mẻ. Mỗi lần cấp một lượng nhiên liệu lớn, ngoài ra phải mở cửa lò to nên gió lạnh vào trong lò khá nhiều dẫn đến nhiệt độ buồng đốt giảm, làm cho quá trình cháy lúc này không tốt;

Đối với lò hơi chuyển đổi từ đốt than sang đốt nhiên liệu sinh khối, đặc biệt đối với lò hơi đốt kiểu ghi, nếu không phối gió hợp lý thì cũng dẫn đến làm tăng tổn thất theo khói thải. Đối với lò hơi kiểu này, nhiên liệu được cháy theo lớp do đó để có cùng một lượng nhiệt sinh ra thì độ dày của lớp nhiên liệu cũng phải khác nhau vì nhiệt trị của than và của nhiên liệu sinh khối là khác nhau. Ngoài ra, nhiên liệu sinh khối có hàm lượng chất bốc cao, thành phần cốc thấp (đối với than thì ngược lại), do đó gió cấp 2 ảnh hưởng rất lớn.

2. Tổn thất nhiệt do tro xỉ mang đi, trong đó có cả phần nhiên liệu chưa cháy hết (đối với nhiên liệu rắn)

Tổn thất này có thể xác định thông qua việc xác định số lượng của xỉ thải, tro bay và phân tích thành phần của chúng. Nguyên nhân làm tăng tổn thất này là:

Thiết kế buồng đốt và phương pháp đốt không phù hợp, điều chỉnh hệ số không khí thừa quá thấp khiến cho quá trình cháy kém, nhiên liệu cháy không hết còn lại dưới dạng carbon đi theo tro, xỉ;

DỰ ÁN LCEE


Điều chỉnh áp suất buồng lửa quá lớn làm tăng tổn thất do tro bay mang đi; Đối với lò hơi chuyển từ đốt than sang đốt nhiên liệu sinh khối, đặc biệt lò hơi đốt kiểu ghi

tĩnh khi sử dụng thanh củi trấu (hoặc củi mùn cưa): Do kích thước nhiên liệu khá lớn, quá trình cháy diễn ra tương đối lâu nên những chất cháy bên trong có thể chưa gặp được điều kiện cháy, người vận hành phải liên tục cào lò để thông lò dẫn đến có một lượng nhiên liệu chưa cháy bị cào ra trong lúc này;

Chất lượng nhiên liệu kém (độ ẩm và độ tro cao, nhiệt trị thấp) khiến cho lượng nhiệt sinh ra khó duy trì cho quá trình cháy;

Lò hoạt động non tải khiến cho không duy trì được nhiệt độ trong lò đủ cao để quá trình cháy được tốt nhất.

3. Tổn thất nhiệt do nước xả lò mang đi

Tổn thất này có thể xác định được nếu biết lượng nước xả từ lò và nhiệt độ của nó (thông qua áp suất hơi bão hòa). Nguyên nhân làm tăng tổn thất này là:

Chế độ xả lò chưa hợp lý; Chất lượng nước cấp chưa được xử lý tốt dẫn đến phải xả lò thường xuyên hơn; Chưa áp dụng các giải pháp thu hồi nhiệt từ nước xả lò.

4. Tổn thất nhiệt do bức xạ và đối lưu nhiệt qua vách lò

Tổn thất này có thể xác định được nếu biết diện tích bề mặt ngoài của lò hơi và độ chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và môi trường xung quanh. Tổn thất này giảm khi công suất của lò hơi tăng. Tuy nhiên, rất khó đánh giá tổn thất này do bức xạ của các bề mặt là khác nhau, tốc độ và kiểu chuyển động của dòng khí ở các bề mặt cũng khác nhau,… . Do đó, thường gộp tổn thất này với các tổn thất không tính được và có thể ước tính mức tổn thất này tùy theo điều kiện bề mặt. Với lò hơi tương đối nhỏ, công suất nhiệt khoảng 10 MW, tổn thất này và các tổn thất không tính được sẽ vào khoảng 1% đến 2%, trong khi với lò hơi công suất nhiệt khoảng 500 MW giá trị này thường từ 0,2% đến 1%. Nguyên nhân làm tăng tổn thất này là do lớp bảo ôn cách nhiệt kém, chưa đủ độ dày hoặc bị bong tróc lâu ngày không được sửa chữa và bảo dưỡng. Ngoài ra, đối với các lò đốt thủ công kiểu ghi tĩnh do định kỳ phải mở cửa lò để cho nhiên liệu vào nên cũng làm tăng nhiệt bức xạ ra môi trường bên ngoài.

1.4.2 Hiệu suất của lò hơi ( ƞ )

Hiệu quả sử dụng năng lượng trong lò hơi thể hiện thông qua hiệu suất của nó. Hiệu suất của lò hơi được định nghĩa là % năng lượng đầu vào (nhiệt) được sử dụng hiệu quả để tạo ra hơi. Có 2 phương pháp đánh giá hiệu suất lò hơi: phương pháp trực tiếp và phương pháp gián tiếp.

1. Phương pháp trực tiếp xác định hiệu suất lò hơi (Tài liệu tham khảo - 3)

(còn gọi là Phương pháp đầu vào - đầu ra hay phương pháp cân bằng thuận)

DỰ ÁN LCEE


Hiệu suất lò hơi (η) %100xvaocapNhietichhuuNhiet

(1.28)

Hiệu suất lò hơi (η) %100.

)(.x

QBIID

lvt

cnh

(1.29)

Trong đó: D - Khối lượng hơi của lò sinh ra trong mỗi giờ tại áp suất làm việc (kg hơi/h); Ih - Nhiệt hàm (Entanpy) của hơi bão hòa khô tại áp suất làm việc (kcal/kg hơi); Inc - Nhiệt hàm (Entanpy) của nước cấp tại nhiệt độ làm việc (kcal/ kg nước); B - Khối lượng nhiên liệu tiêu hao trong mỗi giờ (kg nhiên liệu/h); Qt

lv - Nhiệt trị làm việc thấp của nhiên liệu (kcal/kg nhiên liệu).

Ưu điểm của phương pháp trực tiếp

Cách tính toán sử dụng ít thông số; Cần ít thiết bị quan trắc; Công nhân vận hành của nhà máy có thể đánh giá nhanh hiệu suất của lò hơi; Dễ dàng so sánh tỷ lệ hóa hơi (số kg hơi tạo ra từ 1 đơn vị nhiên liệu) với số liệu nền (ví dụ

điển hình: Đối với lò hơi đốt than tỷ lệ này là 6 và đối với lò hơi đốt dầu là 13).

Nhược điểm của phương pháp trực tiếp

Không giúp người vận hành xác định được tại sao hiệu suất của hệ thống lại thấp hơn; Không tính toán được các tổn thất khác nhau theo các mức hiệu suất khác nhau.

Ví dụ Hãy tính hiệu suất lò hơi bằng phương pháp trực tiếp với những số liệu cho dưới đây:

Loại lò hơi: Đốt than Khối lượng hơi bão hòa tạo ra: 10 t/h Áp suất hơi theo đồng hồ (áp suất dư): 10 kG/cm2 Khối lượng than sử dụng: 2,25 t/h Nhiệt trị làm việc thấp của than: 3.200 kcal/kg Nhiệt độ nước cấp: 850C

Quá trình tính toán như sau:

Tra Đồ thị (Hình 1.2) hoặc Bảng ở Phụ lục 2 của tài liệu để xác định nhiệt hàm (Entanpy) của hơi nước bão hòa khô ở áp suất 10 kG/cm2, ta được: Ih = 665 kcal/kg

Xác định nhiệt hàm (Entanpy) của nước cấp ở nhiệt độ 850C: Ta biết rằng để nâng nhiệt độ của 1 kg nước lên 10C ở điều kiện bình thường thì cần 1 kcal, vậy 1kg nước cấp ở ở 850C sẽ chứa một lượng nhiệt là: Inc = 85 kcal/kg

DỰ ÁN LCEE


Điền các số liệu đã có vào công thức (1.29), ta tính được:

Hiệu suất lò hơi (η) %56,80%100.1000.3200.25,21000.)85665(.10

2. Phương pháp gián tiếp xác định hiệu suất lò hơi

(còn gọi là phương pháp tổn thất nhiệt hay phương pháp cân bằng nghịch)

Hiệu suất lò hơi (η) = 100 % - ∑ tổn thất nhiệt (1.30)

Tổng các tổn thất nhiệt trong lò bao gồm: Tổn thất do khói lò khô mang đi; Tổn thất do nước bay hơi được tạo thành do có hydro trong nhiên liệu; Tổn thất do nước bay hơi từ nhiên liệu có độ ẩm; Tổn thất do nước bay hơi từ không khí ẩm cung cấp cho lò; Tổn thất do nhiên liệu chưa cháy hếtt trong tro, xỉ; Tổn thất do bức xạ từ lò và các tổn thất khác chưa tính được.

Các tổn thất nhiệt (qi) được tính theo % so với nhiệt trị thấp làm việc của nhiên liệu (Tiêu chuẩn của Mỹ sử dụng nhiệt trị cao):

%100.lvt

ii Q

Qq (1.31)

Để tính toán các tổn thất nhiệt trong lò hơi có thể tham khảo các tiêu chuẩn: DIN: 1942 ( Đức ), BS 845:1987 ( Anh ) và ASME PTC-4-1 ( Mỹ ). Muốn tính toán chi tiết các tổn thất nhiệt trong lò cần phải có các số liệu sau: - Thành phần nhiên liệu (H2 , O2, S, C, N2, độ ẩm, độ tro); - Thành phần khói thải: % O2 , % CO2 , % CO và tro bay; - Nhiệt độ khói thải; - Nhiệt độ môi trường xung quanh và độ ẩm không khí theo kg/kg không khí khô; - Nhiệt trị làm việc thấp của nhiên liệu; - % C chưa cháy hết trong tro, xỉ (đối với nhiên liệu rắn); - Nhiệt trị của tro, xỉ (đối với nhiên liệu rắn).

Ưu điểm của phương pháp gián tiếp

Có thể xác định được cân bằng năng lượng và khối lượng hoàn tất cho lò hơi giúp đưa ra các giải pháp cải thiện hiệu suất lò hơi dễ dàng hơn.

Nhược điểm của phương pháp gián tiếp

Tốn thời gian tính toán; Cần sử dụng các thiết bị trong phòng thí nghiệm để phân tích.

DỰ ÁN LCEE


Thực tế cho thấy, trong các xí nghiệp công nghiệp cùng lắm thường chỉ có đồng hồ đo % O2 trong khói thải. Hiệu suất lò hơi theo phương pháp gián tiếp có thể tính nhanh theo qui trình đơn giản sau đây (giả thiết rằng quá trình cháy là hoàn toàn): (Tài liệu tham khảo - 4 và 6).

Bước 1: Tính lượng không khí lý thuyết cần thiết cho quá trình cháy (tính cho 1 kg nhiên liệu).

SOHCV Lt

KK 8867,2

100.23,01

kg kk/ kg nhiên liệu (1.32)

Trong đó: C, H, O, S là thành phần hóa học của nhiên liệu tính theo % khối lượng.

Bước 2: Tính hệ số không khí thừa.

2%21

21O

(1.33)

Trong đó: %O2 - lượng khí oxy có trong khói thải (lấy từ kết quả đo), %.

Bước 3: Tính lượng không khí thực tế cần thiết cho quá trình cháy.

LtKK

TtKK VV . (1.34)

Bước 4: Ước tính tất cả các tổn thất nhiệt.

1. Tổn thất nhiệt do khói thải khô mang đi (qkh). Để đơn giản ta sử dụng công thức thực nghiệm của Siegert (công thức này chỉ có thể

được áp dụng cho quá trình cháy hoàn toàn):

B

COAttq mtkhkh

2

1

%.)((%) (1.35)

Trong đó: A1 và B - các hệ số Siegert. Đối với biomass A1 = 0,65 và B = 0; tkh - nhiệt độ khói thải, 0C; tmt - nhiệt độ môi trường xung quanh, 0C; % CO2 - lượng khí CO2 có trong khói thải (lấy từ kết quả đo hoặc tra từ đồ thị Hình 1.14 khi biết lượng không khí thừa), %;

2. Tổn thất nhiệt do nước bay hơi từ phản ứng cháy của H có trong nhiên liệu (qH).

lvt

mtkhPH Q

ttCHq

)(5849(%)

(1.36)

Trong đó: H - % hydro có trong 1kg nhiên liệu; CP - nhiệt dung riêng đẳng áp của hơi quá nhiệt (= 0,45 kcal/ kg); lv

tQ - nhiệt trị làm việc thấp của nhiên liệu, kcal/ kg.

3. Tổn thất nhiệt độ ẩm trong nhiên liệu bay hơi ( nlWq ).

DỰ ÁN LCEE


lvt

mtkhPnlW Q

ttCWq

)(584.(%)

(1.37)

Trong đó: W - % độ ẩm có trong 1kg nhiên liệu; CP - nhiệt dung riêng đẳng áp của hơi quá nhiệt (= 0,45 kcal / kg).

4. Tổn thất nhiệt do độ ẩm có trong không khí lấy đi ( KKWq ).

100.)(..

(%) lvt

mtkhPTt

KKKKW Q

ttCdVq

(1.38)

Trong đó: d - độ ẩm có trong không khí, kg/ kg không khí khô; CP - nhiệt dung riêng đẳng áp của hơi quá nhiệt (= 0,45 kcal/ kg); Tt

KKV - lượng không khí thực tế đưa vào lò, k / kg nhiên liệu.

5. Tổn thất nhiệt do bức xạ và các tổn thất khác chưa tính được (qbx).

Tổn thất nhiệt do bức xạ tỷ lệ với diện tích bề mặt ngoài của lò và nếu lò được bảo ôn tốt, nhiệt độ bề mặt ngoài thấp hơn 55 0C thì tổn thất này thường trong khoảng (200 ÷ 300) W/ m2.K. Với lò hơi công suất nhỏ tổn thất này và các tổn thất khác chưa tính được ước tính khoảng 2 %.

Bước 5: Tính hiệu suất và tỷ lệ hóa hơi của lò.

Hiệu suất lò hơi )(%100)( bxKKW

nlWHkh qqqqq (1.39)

Tỷ lệ hóa hơi = Nhiệt sử dụng để tạo ra hơi / Nhiệt do hơi lấy đi

Nhiệt sử dụng để tạo ra hơi (tính cho 1 kg nhiên liệu) = lvtQ.

Nhiệt do hơi lấy đi (tính cho 1 kg hơi) = Entanpy của hơi bão hòa - Entanpy của nước cấp

Tỷ lệ hóa hơi phụ thuộc vào nhiệt trị của nhiên liệu, loại lò hơi và hiệu suất của nó. Lò hơi đốt sinh khối có tỷ lệ hóa hơi trung bình khoảng từ 4 đến 5 (tức là 1 kg sinh khối có thể tạo ra được từ 4 kg đến 5 kg hơi).

Ví dụ: Hãy tính hiệu suất của lò hơi bằng phương pháp gián tiếp với những số liệu cho dưới đây:

Loại lò hơi: Đốt trấu Công suất: 10 t/h Áp suất hơi theo đồng hồ (áp suất dư): 10 kG/cm2 Nhiệt độ nước cấp: 850C Thành phần nhiên liệu của trấu:

C: 37,13 % H: 4,12 % O: 31,6 % S: 0,05 % W: 9 %

DỰ ÁN LCEE


Nhiệt trị làm việc thấp của trấu: 3.250 kcal/kg % O2 trong khói thải: 7 % % CO2 trong khói thải: 10,5 % Nhiệt độ khói thải: 2200C Nhiệt độ không khí xung quanh: 300C Độ ẩm không khí: 0.022 kg/ kg khí khô

Bước 1: Tính lượng không khí lý thuyết cần thiết cho quá trình cháy (tính cho 1 kg nhiên liệu).

SOHCV Lt

KK 8867,2

100.23,01

kg kk/ kg nhiên liệu

05,0

86,3112,4813,73.67,2

100.23,01Lt

KKV kg kk/ kg nhiên liệu

= 4,37 kg kk/ kg nhiên liệu

Bước 2: Tính hệ số không khí thừa.

2%2121

O

5,1721

21

Bước 3: Tính lượng không khí thực tế cần thiết cho quá trình cháy.

LtKK

TtKK VV . kg kk/ kg nhiên liệu

56,637,4.5,1 TtKKV kg kk/ kg nhiên liệu

Bước 4: Ước tính tất cả các tổn thất nhiệt.

1. Tổn thất nhiệt do khói thải khô mang đi (qkh) Để đơn giản ta sử dụng công thức thực nghiệm của Siegert:

B

COAttq mtkhkh

2

1

%.)((%)

%76,11

5,1065,0.)30220((%)

khq

2. Tổn thất nhiệt do nước bay hơi từ phản ứng cháy của H có trong nhiên liệu (qH)

lvt

mtkhPH Q

ttCHq

)(.5849(%)

DỰ ÁN LCEE


%64,73250

)30220(.45,058412,4.9(%)

Hq

3. Tổn thất nhiệt độ ẩm trong nhiên liệu bay hơi ( nlWq )

lvt

mtkhPnlW Q

ttCWq

)(584.(%)

%85,13250

)30220(.45,0584.9(%)

nl

Wq

4. Tổn thất nhiệt do độ ẩm có trong không khí lấy đi ( KKWq )

100.)(..

(%) lvt

mtkhPTt

KKKKW Q

ttCdVq

%37,0

100.3250

)30220(.45,0.022,0.56,6(%)

KK

Wq

5. Tổn thất nhiệt do bức xạ và các tổn thất khác chưa tính được (qbx)

Với lò hơi công suất nhỏ tổn thất này ta lấy ước tính khoảng 2 %.

Bước 5: Tính toán hiệu suất và tỷ lệ hóa hơi của lò.

Hiệu suất lò hơi )(100%),( bxKKW

nlWHkh qqqqq

%38,76

)237,085,164,776,11(100%,

Nhận xét: Hiệu suất của lò hơi thấp, chủ yếu do hai nguyên nhân chính là hệ số không khí thừa cao (α = 1,5) và nhiệt độ khói thải cao (tkh = 2200C).

Nếu giảm α xuống còn 1,3 thì hiệu suất của lò tăng thêm khoảng 1,5 %; Nếu giảm nhiệt độ khói thải xuống còn 1300C thì hiệu suất của lò tăng thêm

khoảng 4 %.

Tỷ lệ hóa hơi = Nhiệt sử dụng để tạo ra hơi / Nhiệt do hơi lấy đi

Tra Đồ thị (Hình 1.2) hoặc Bảng ở Phụ lục 2 của tài liệu, ta có: Nhiệt hàm (Entanpy) của hơi ở áp suất 10 kG/cm2: 665 kcal/kg Nhiệt hàm (Entanpy) của nước cấp ở nhiệt độ 85 0C: 85 kcal/kg

Tỷ lệ hóa hơi = 3250 x 0,7638 / (665 – 85)

DỰ ÁN LCEE


= 4,6

Tức là 1 kg trấu có thể tạo ra được 4,6 kg hơi (so với từ 4 đến 5 đối với lò hơi điển hình).

1.5 Tiết kiệm năng lượng trong hệ thống phân phối và sử dụng hơi

Hơi nước sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp nhưng nhiều hệ thống bị lãng phí nhiên liệu rất lớn do hơi nước được sử dụng không đúng. Khảo sát trong các ngành công nghiệp như: dệt may, thực phẩm, chế biến gỗ, sản xuất giấy, hóa chất và luyện kim chỉ ra rằng chi phí cho tổn thất chiếm khoảng 10% đến 24% chi phí nhiên liệu. Việc điều chỉnh hệ thống là đơn giản và chi phí thấp cho khả năng thu hồi vốn cao, hầu như trong khoảng thời gian dưới 6 tháng. Hình 1.20 giới thiệu sơ đồ đơn giản của hệ thống cung cấp và sử dụng hơi trong công nghiệp. Qua thực tế cho thấy những tổn thất chính trong hệ thống hơi bao gồm:

Do không thu hồi nước ngưng: đến 20%; Hỏng bẫy hơi: đến 15%; Tổn thất đường ống: đến 10%; Rò rỉ hơi trên hệ thống: đến 5%.

Dưới đây là các cơ hội tiết kiệm năng lượng cho hệ thống hơi:

1. Các cơ hội chung

Xem lại sự hoạt động của các tuyến hơi dài đi đến những hộ sử dụng hơi đơn lẻ ở xa. Xem xét khả năng chuyển vị trí của hộ sử dụng hơi về gần hơn hoặc thay thế phương thức gia nhiệt bằng hơi bằng các phương án khác (ví dụ như trường hợp gia nhiệt cho bể chứa);

Xem xét lại chế độ vận hành hệ thống hơi được sử dụng cho các dịch vụ không thường xuyên. Xem xét khả năng ứng dụng tự động hóa, ví dụ như trang bị van điều khiển nhiệt độ để đảm bảo hệ thống chỉ được sử dụng khi cần thiết;

DỰ ÁN LCEE


Hinh 1.20. Sơ đồ đơn giản của hệ thống cung cấp và sử dụng hơi trong công nghiệp

Thực hiện việc kiểm tra những rò rỉ hơi một cách thường xuyên và lên chương trình sửa chữa;

Xem xét các yêu cầu về áp suất làm việc của thiết bị sử dụng hơi để đánh giá khả năng vận hành ở áp suất thấp hơn;

Xem xét lại yêu cầu về nhiệt độ của các bình chứa được gia nhiệt và giảm nhiệt độ đến mức thấp nhất có thể.

2. Bẫy hơi

Kiểm tra kích cỡ của tất cả các bẫy hơi để đảm bảo chúng thích hợp với lượng nước ngưng được xả ra. Lựa chọn kiểu bẫy hơi phù hợp (bẫy cơ học, bẫy nhiệt động, bẫy nhiệt tĩnh,…) sao cho bẫy hơi hiệu quả nhất trong từng ứng dụng cụ thể;

Duy trì chương trình bảo dưỡng và thu thập số liệu thường xuyên cho bẫy hơi.

DỰ ÁN LCEE


3. Thu hồi nước ngưng

Thu thập số liệu nguồn nước ngưng hiện đang xả bỏ để xem xét tính khả thi của việc thu hồi nước ngưng;

Xem xét các cơ hội sử dụng hơi thứ cấp bốc ra từ các công nghệ nhiệt độ thấp mà đang sử dụng hơi sinh ra ban đầu (hơi sơ cấp);

Xem xét việc sử dụng hệ thống thu hồi nước ngưng có áp suất để giảm thiểu tổn thất do hơi bốc ra từ nước ngưng (Ví dụ: nước có nhiệt độ 800C bay hơi từ 1 m2 bề mặt là 0,8 kg/h).

4. Cách nhiệt

Khảo sát thu thập số liệu về nhiệt độ bề mặt của thiết bị được cách nhiệt và đường ống để xác định khu vực cách nhiệt bị hỏng. Bảo dưỡng cách nhiệt thường xuyên;

Đánh giá khả năng cách nhiệt cho tất cả các đường ống không được cách nhiệt và các phần lắp đặt vốn trước đây nghĩ rằng không kinh tế. Việc cách nhiệt cho các van, mặt bích, đường ống nhỏ là nên làm mà trước đây là không hấp dẫn;

Khảo sát đánh giá kinh tế của việc lắp đặt thêm cách nhiệt cho những đường ống hiện đã được cách nhiệt và cải thiện sự cách nhiệt nếu khả thi về mặt tài chính.

1.6 Câu hỏi ôn tập

1- Đặc tính nào của nhiên liệu liên quan đến năng lượng được giải phóng trong quá trình cháy?

2- Nhiệt trị thấp, nhiệt trị cao và nhiệt trị của bom nhiệt lượng kế khác nhau ở điểm nào? Nhiệt trị của nhiên liệu do yếu tố nào quyết định?

3- Thông số nào của quá trình đốt liên quan đến thời gian của phản ứng cháy (đây là yếu tố quan trọng cho việc thiết kế buồng đốt)?

4- Những sản phẩm nào của quá trình cháy là chất thải có hại (chất gây ô nhiễm)?

5- Những yếu tố nào của quá trình cháy liên quan đến việc đáp ứng các yêu cầu giảm thiểu phát thải ra các chất có hại?

6- Những thành phần nào trong nước là nguyên nhân gây ra đóng cáu cặn trong lò hơi? 7- Thế nào là xử lý nước ngoài lò và xử lý nước trong lò? 8- Xử lý nước bằng phương pháp trao đổi cation là thế nào? 9- Quá trình hoàn nguyên là gì? Tại sao phải thực hiện quá trình này? 10- Nguyên lý làm việc của bình khử khí? 11- Tại sao phải xả đáy lò? Xả bao nhiêu là hợp lý? 12- Những nguyên nhân chính gây nên tổn thất trong hệ thống phân phối và sử dụng hơi? 13- Những tổn thất nhiệt chính trong lò hơi và nguyên nhân?

DỰ ÁN LCEE


14- So sánh ưu, nhược điểm của 2 phương pháp tính hiệu suất của lò hơi? 15- Có những biện pháp nào để nâng cao hiệu suất của lò hơi đang vận hành?

DỰ ÁN LCEE


Chương II

LÒ HƠI SINH KHỐI

2.1 Nhiên liệu sinh khối

2.1.1 Khái niệm Sinh khối (Biomass) là một thuật ngữ có ý nghĩa bao hàm rất rộng dùng để mô tả các vật chất hữu cơ có nguồn gốc từ sinh vật vốn có thể sử dụng như một nguồn năng lượng. Sinh khối còn có thể được xem như một dạng tích trữ năng lượng Mặt Trời. Năng lượng từ Mặt Trời được "giữ" lại bởi cây cối qua quá trình quang hợp trong giai đoạn phát triển của chúng. Năng lượng sinh khối được xem là tái tạo vì nó được bổ sung nhanh hơn rất nhiều so với tốc độ bổ sung của năng lượng hóa thạch vốn đòi hỏi hàng triệu năm.

Ngoài ra, việc sử dụng sinh khối để tạo năng lượng có tác động tích cực đến môi trường. Hiển nhiên việc đốt sinh khối không thể giải quyết ngay vấn đề mất cân bằng vể tỷ lệ CO2 hiện nay. Tuy nhiên, sinh khối vẫn góp phần quan trọng trong việc sản xuất năng lượng và bảo vệ cân bằng môi trường, vì nó tạo ra ít CO2

hơn năng lượng hóa thạch. Một cách khái quát, CO2 tạo ra bởi việc đốt

sinh khối sẽ được "cô lập" tạm thời trong cây cối được trồng mới để thay thế nhiên liệu hay là một chu kỳ tuần hoàn kín với tác động hết sức nhỏ lên môi trường.

Tóm lại, sinh khối là một nguồn năng lượng hấp dẫn bởi các lý do sau: Đây là một nguồn năng lượng tái tạo, nếu chúng ta có thể bảo đảm được tốc độ trồng cây

thay thế; Sinh khối là nguồn năng lượng sạch: gần như không chứa lưu huỳnh, giảm phát thải CO2

nếu coi nhiên liệu sinh khối có phát thải trung tính (sinh khối lấy CO2 từ không khí khi chúng phát triển và trả lại không khí khi nó bị đốt cháy, chu trình này diễn ra ngắn);

Sinh khối được phân bố đồng đều hơn trên bề mặt Trái Đất so với các nguồn năng lượng nhất định khác (ví dụ, nhiên liệu hóa thạch), và có thể được khai thác mà không cần đòi hỏi đến các kỹ thuật hiện đại phức tạp và tốn kém;

Nó tạo ra cơ hội cho các địa phương và các khu vực trên toàn quốc tự bảo đảm cho mình nguồn cung cấp năng lượng một cách độc lập;

Giá thành thấp hơn so với nhiên liệu hóa thạch. Đây là một giải pháp thay thế cho năng lượng hóa thạch, giúp giảm thiểu biến đổi khí hậu đang đe dọa Trái Đất;

Nó có thể giúp nông dân địa phương trong lúc gặp khó khăn về vụ mùa thu hoạch và tạo việc làm tại các vùng nông thôn.

Các nguồn sinh khối được chuyển thành các dạng năng lượng khác như điện năng, nhiệt năng, hơi nước và nhiên liệu qua các phương pháp chuyển hóa như đốt trực tiếp, chuyển đổi nhiệt hóa học (khí hóa, cracking nhiệt, hóa lỏng), chuyển đổi nhiệt sinh hóa (phân hủy yếm khí, lên men) hoặc các phương pháp khác (sơ chế thành dạng có thể tích nhỏ và năng suất nhiệt cao, cacbon hóa, dầu sinh học).

DỰ ÁN LCEE


Sinh khối sử dụng làm nhiên liệu đốt trực tiếp trong các lò hơi công nghiệp thường là chất thải sinh khối từ các ngành lâm nghiệp, nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt như: phế thải rừng, vỏ cây, gỗ dăm, mùn cưa, bã mía, trấu, rơm, vỏ hạt điều, thân cây ngô, lõi bắp ngô,… . Không sử dụng các loại nhiên liệu sinh khối có độ đa dạng sinh học cao hoặc độ phát thải cacbon cao như các loại cây gỗ lớn khai thác từ các khu rừng đặc dụng, tại các khu rừng quốc gia, các khu bảo tồn thiên nhiên, các khu rừng ngập mặn,… .

Trong Chương này chúng ta giới hạn chỉ đề cập đến việc đốt trực tiếp nhiên liệu sinh khối (dưới dạng nguyên thủy hoặc đã qua sơ chế như nén lại dưới dạng viên, củi thanh hoặc dạng bánh) trong các lò hơi công nghiệp để tạo ra hơi nước cung cấp cho dây chuyền công nghệ của doanh nghiệp.

2.1.2 Các dạng nhiên liệu sinh khối phổ biến trên thị trường 1. Dạng hạt nhỏ (mùn cưa, dăm bào và vỏ trấu rời hoặc mịn hơn nữa dưới dạng bột cám nếu

được nghiền thêm)

Hinh 2.1. Nhiên liệu sinh khối dạng hạt nhỏ

Dạng nhiên liệu này rất phù hợp cho các lò hơi đốt kiểu tầng sôi. Ưu điểm của loại lò này là quán tính nhiệt không lớn quá cho nên có thể linh hoạt điều chỉnh nhiên liệu theo phụ tải hơi, cách phối gió của lò hầu như rất đều trong không gian chính của lò vì vậy hiệu suất cháy của nhiên liệu tương đối cao. Có thể đốt được với những nhiên liệu có độ ẩm tương đối lớn, nhiệt độ vận hành thường vào khoảng từ 8500C đến 9000C nên vấn đề tạo muội than và nóng chảy tro rất ít xảy ra. Đây là kiểu lò hơi được phát triển mạnh trong những năm gần đây.

2. Dạng nhiên liệu được nén thành viên

Loại này thông thường được nghiền từ trấu, mùn cưa, bã mía, gỗ,… hoặc hỗn hợp của chúng, sau đó được nén lại dưới dạng các viên nhiên liệu có đường kính (5-12) mm và chiều dài (10-40) mm.

DỰ ÁN LCEE


Hinh 2.2. Nhiên liệu sinh khối được nghiền, ép thành dạng viên Hiện nay dạng nhiên liệu này được sử dụng khá phổ biến trong các lò hơi mà trước đây sử dụng nhiên liệu than đá, kiểu lò thông thường là kiểu ghi xích và nếu với kích thước hợp lý cũng có thể sử dụng trong lò tầng sôi.

3. Dạng nhiên liệu được ép thành khối hoặc thành thanh

Hinh 2.3. Nhiên liệu sinh khối được nghiền, ép thành dạng củi thanh Loại này thông thường được ép từ vỏ trấu hoặc mùn cưa hoặc hỗn hợp của chúng thành khối dưới dạng củi thanh có đường kính từ từ (50-100) mm và chiều dài (100-1000) mm, gọi là củi trấu hoặc củi mùn cưa (đôi lúc còn được ép dưới dạng bánh cho tiện vận chuyển). Dạng nhiên liệu này thường được sử dụng trong các lò hơi với buồng đốt kiểu ghi tĩnh hoặc ghi xích, khi đốt có thể để nguyên thanh hoặc đập (băm) ra thành miếng (Hình 2.4).

DỰ ÁN LCEE


Hinh 2.4. Nhiên liệu sinh khối dạng củi đập (băm) 4. Dạng củi cành, củi thanh truyền thống hoặc gỗ được băm thành miếng

Hinh 2.5. Nhiên liệu sinh khối dạng củi truyền thống hoặc được băm thành miếng

Dạng nhiên liệu này thường được sử dụng trong các lò hơi loại ghi tĩnh hoặc ghi xích.

DỰ ÁN LCEE


5. Một số các phế thải khác của nông nghiệp

Dạng nhiên liệu này thường được sử dụng trong các lò hơi loại ghi xích.

Hinh 2.6. Nhiên liệu sinh khối tự nhiên từ phế thải nông nghiệp

2.2 Công nghệ đốt nhiên liệu sinh khối

2.2.1 Các đặc tính của nhiên liệu sinh khối 1. Xét theo góc độ sinh học (thành phần hữu cơ)

Cũng giống như động vật, cơ thể thực vật (sinh khối) cũng được xây dựng từ các tế bào. Do không được bảo vệ bằng cơ chế phản xạ và miễn dịch, tế bào thực vật được bảo vệ kỹ trong lớp vỏ rắn chắc. Về cấu trúc, các tế bào thực vật được sắp xếp đặc khít và liên kết với nhau rất bền vững. Khi tế bào thực vật chết đi, khối lượng khô của tế bào chủ yếu tập trung ở thành tế bào. Thành tế bào là hệ lignocellulose bao gồm ba thành phần chính là cellulose, hemicellulose và lignin. Cellulose (38-50%) là polyme của đường 6-gluco (bao gồm nhiều phân tử của đường 6 carbon). Hemicellulose (23-32%) là polymer của hỗn hợp các loại đường 5 carbon và đường 6 carbon như xylose, mannose, glucose, arabinose, galactose, và axit uronic. Lignin (15-25%) là polyme của các hợp chất chứa vòng thơm, rất bền vững với các hệ enzyme, hóa chất và vi sinh vật. Do các tính chất hóa học và vật lý, lignin dễ dàng chia nhỏ hơn cellulose. Ngoài ba thành phần chính như đã nêu trên (cellulose, hemicelluloses và lignin được gọi chung là lignocelluloses), tế bào thực vật còn chứa các chất hữu cơ như lipid, protein. Bên cạnh đó còn có các muối vô cơ như canxi, magiê, kali, lưu huỳnh, phốt pho, silic,… Những muối kim loại không bay hơi khi đốt sẽ còn lại trong thành phần của tro.

2. Xét theo góc độ hóa học (thành phần hóa học)

Khi đốt trực tiếp nhiên liệu sinh khối, điều quan trọng hơn đối với chúng ta không phải là cấu trúc sinh học mà là thành phần hóa học của sinh khối. Nhiên liệu sinh khối cấu tạo từ ba nguyên tố hóa học chính có ảnh hưởng lớn tới quá trình cháy đó là C, H và O. Ngoài ra trong sinh khối còn có một lượng không đáng kể các nguyên tố như: S, N và một số nguyên tố vô cơ khác dưới dạng oxit hoặc muối của K, Na, Ca, Si, Mg, P,….

DỰ ÁN LCEE


Các đặc tính cơ bản của một số loại nhiên liệu sinh khối điển hình có thể tham khảo trong Phụ lục 1 của tài liệu này.

2.2.2 Quá trình cháy nhiên liệu sinh khối

Đốt trực tiếp là phương pháp đơn giản và phổ biến nhất để chuyển đổi sinh khối thành năng lượng (cung cấp hơn 90% năng lượng tạo ra từ sinh khối). Các bước đốt cháy nhiên liệu sinh khối giống như đối với nhiên liệu rắn, có thể mô tả một cách đơn giản như sau:

1- Gia nhiệt và làm khô nhiên liệu (bức xạ bề mặt và dẫn vào phần bên trong của nhiên liệu). Trong giai đoạn này hơi nước từ bề mặt và từ bên trong sinh khối sẽ bay hơi, nhiên liệu được làm khô;

2- Phân ly nhiệt (nhiệt phân) của nhiên liệu. Trong giai đoạn này các chất khí dễ bay hơi (chất bốc) như: CxHy, CO, H2,… sẽ thoát ra từ nhiên liệu và khuếch tán ra các vùng xung quanh;

3- Bắt cháy và đốt cháy các khí dễ bay hơi (phản ứng đồng nhất, xảy ra nhanh);

4- Tiếp tục cháy chất bốc, thành phần còn lại của sinh khối (cốc) cháy dần dần trên bề mặt cho đến khi kết thúc (phản ứng hỗn hợp, xảy ra chậm).

Quá trình đốt cháy nhiên liệu sinh khối được thể hiện trên Hình 2.7.

Hình 2.7. Quá trình đốt cháy nhiên liệu sinh khối

Gỗ là ví dụ điển hình của nhiên liệu sinh khối. Thành phần cấu tạo chính của gỗ là cellulose, lignin và Hemi-cellulose (90%). Ngoài ra có thêm thành phần khác như dầu, hợp chất nitơ và một số chất vô cơ. Lignin chiếm khoảng 25-30%. Cellulose chiếm khoảng 35-40%.

DỰ ÁN LCEE


Bảng 2.1. Thành phần cấu tạo nhiên liệu gỗ (Tài liệu tham khảo - 5)

Hàm lượng (%) Cây lá kim Cây tán lá rộng Đặc điểm

Lignin 30 25 Kết cấu (cứng) Khó phân hủy

Xellulose 35 40 Vật chất (mềm)

Hemi-xellulose 25 Dễ phân hủy

Dầu, nitơ, các chất vô cơ - 10 -

Thành phần hóa học của gỗ thay đổi từ loài này sang loài khác, nhưng trung bình khoảng 50% C (cacbon), 42% O (oxy), 6% H (hydro), 1% N (nitơ) và 1% các nguyên tố khác theo trọng lượng (chủ yếu là Ca, K, Na, Mg, Fe và Mn). Gỗ cũng có chứa lưu huỳnh (S), clo (Cl), silic (Si), phốt pho (P) và các yếu tố khác với số lượng rất nhỏ. Quá trình đốt cháy nhiên liệu gỗ được thể hiện trên đồ thị Hình 2.8. (Tài liệu tham khảo - 5).

Hình 2.8. Quá trình đốt cháy nhiên liệu sinh khối gỗ

Nhiệm vụ quan trọng nhất của công nghệ đốt là chuyển hóa năng lượng của nhiên liệu thành nhiệt năng có thể sử dụng được. Yêu cầu:

Thu được năng lượng tối đa (hiệu quả cao). Muốn thế, tất cả C và H có thể đốt đều được ôxy hóa hoàn toàn (không còn CO trong khói, không còn C trong tro):

DỰ ÁN LCEE


C + O2 → CO2 + Nhiệt (Phản ứng hoàn toàn) (2.1)

C + O2 → CO + Nhiệt (Phản ứng không hoàn toàn) (2.2)

CO + O2 → CO2 + Nhiệt (2.3)

H + O2 → H2O + Nhiệt (2.4)

Vận hành thân thiện với môi trường, giảm thiểu phát thải ra các chất có hại (Ví dụ như: SOx, NOx, CxHy, …).

Để đáp ứng các yêu cầu trên phải lựa chọn được công nghệ đốt hợp lý cho lò hơi. Việc lựa chọn công nghệ đốt biomass phù hợp, phụ thuộc vào:

Đặc điểm của nhiên liệu (chủng loại, hình dạng, kích thước); Công suất mong muốn của hệ thống; Mô hình vận hành dự kiến (điều khiển bằng tay hay tự động).

2.2.3 Công nghệ đốt nhiên liệu sinh khối Hiện nay các lò hơi đốt trực tiếp nhiên liệu sinh khối ở Việt Nam thường ứng dụng 2 công nghệ

chính đó là đốt theo tầng cố định (buồng đốt có ghi) và đốt theo tầng sôi.

1. Buồng đốt có ghi (buồng đốt theo tầng cố định)

Buồng đốt có ghi còn được gọi là buồng đốt theo tầng cố định. Nhiên liệu được xếp theo tầng, thường là ở trên ghi để đốt. Ghi lò có nhiệm vụ đỡ nhiên liệu không bị lọt, không bị rơi; để cho không khí (gió cấp 1) thổi qua ghi và lớp nhiên liệu xếp trên ghi. Buồng đốt có ghi được phân ra thành các loại: buồng đốt với ghi tĩnh, buồng đốt với ghi động, buồng đốt với ghi rung lắc và buồng đốt với ghi xích (ghi chuyển động).

A. Buồng đốt với ghi cố định (ghi tĩnh)

Buồng đốt với ghi cố định được sử dụng trong các lò hơi công suất nhỏ, phổ biến nhất là với công suất dưới 2 t/h. Trong buồng đốt loại này ghi đặt cố định, nhiên liệu được cấp không liên tục (theo chu kỳ), lớp nhiên liệu mới được xếp lên trên lớp nhiên liệu đang cháy trên ghi. Không khí được cấp từ dưới ghi lên (Hình 2.9). Nhiên liệu biomass có nhiều chất bốc nên chủ yếu cháy trong buồng lửa, phần cốc thì cháy trên ghi. Ghi của buồng đốt loại này có cấu tạo đơn giản, không có các chi tiết chuyển động, dễ chế tạo nên chi phí thấp. Ngoài ra, lò hơi kiểu này vận hành dễ dàng, đơn giản, luôn có lớp tro trên mặt ghi ngăn cách lớp nguyên liệu cháy nên ghi lò ít bị hư hỏng. Nhược điểm của buồng đốt kiểu này là công suất bị hạn chế do diện tích ghi bị hạn chế. Hiệu suất lò khó nâng cao do nhiên liệu cháy không hết (q2) và nhiệt độ khói thải lớn (q4). Việc vận hành khá nặng nhọc với công nhân, nhất là trong khâu cấp nhiên liệu và thải tro. Việc cấp nhiên liệu theo chu kỳ khó đáp ứng được yêu cầu của quá trình cháy, làm cho sản lượng và thông số hơi dễ dao động. Hơn nữa mỗi lần mở cửa cấp nhiên liệu, gió lạnh tràn vào làm giảm nhiệt độ buồng lửa, ảnh hưởng quá trình cháy.

DỰ ÁN LCEE


Hình 2.9. Lò hơi với buồng đốt kiểu ghi cố định

Dựa vào các ưu nhược điểm, người ta đã thử nghiệm, cải tiến buồng lửa với ghi cố định theo các hướng: cải tiến cấu tạo của ghi, cách bố trí ghi, cách cấp nhiên liệu, thải tro và cả cách đốt. Do đó ra đời các loại buồng đốt với ghi nghiêng, ghi bậc thang, ghi động, ghi rung lắc và ghi xích.

Hình 2.10. Buồng đốt với ghi bậc thang Việc sử dụng ghi nghiêng và ghi bậc thang có các ưu điểm sau:

Quá trình cháy trải dài theo ghi nên có thể cung cấp không khí theo từng vùng phù hợp hơn với nhu cầu của quá trình cháy;

Việc cấp nhiên liệu tương đối liên tục và nhẹ nhàng hơn.

DỰ ÁN LCEE


Nhược điểm của buồng đốt kiểu này là: cấu tạo và vận hành hơi phức tạp, khó điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp vào để phù hợp với nhu cầu sử dụng hơi. Loại ghi nghiêng hay ghi bậc thang thường dùng đốt gỗ, bã mía và nhiên liệu có độ ẩm cao.

B. Buồng đốt với ghi động

Ghi bao gồm các bộ phận tĩnh và động. Nhiên liệu được đưa vào buồng đốt bằng một cơ cấu đẩy thủy lực, sau đó nó được vận chuyển qua buồng đốt bằng các bộ phận động của ghi. Tất cả các giai đoạn đốt (sấy khô, nhiệt phân, cháy cốc) đều diễn ra trên ghi. Quá trình cháy chất bốc xảy ra phía trên của ghi, sử dụng gió cấp 2. Bộ phận thải tro nằm đối diện với phía nạp nhiên liệu.

Hình 2.11. Buồng đốt với ghi động

Thường ghi động được thiết kế cải tiến với góc nghiêng 80- 150 để dễ dàng vận chuyển nhiên liệu qua buồng đốt. Nhờ có kết cấu kiểu này quá trình cháy đã được cải thiện tốt hơn nhiều do nhiên liệu được đưa liên tục vào buồng đốt và có thể điều chỉnh gió theo từng vùng phù hợp với từng giai đoạn cháy của nhiên liệu. Ngoài ra buồng đốt kiểu này giúp giảm nhẹ sức lao động của người vận hành trong khâu cung cấp nhiên liệu và thải tro xỉ. Hình 2.12 chỉ rõ kết cấu của buồng đốt kiểu này.

DỰ ÁN LCEE


Hình 2.12. Buồng đốt với ghi động nghiêng góc 80- 150

C. Buồng đốt với ghi rung lắc

Nhiên liệu được nạp vào một phía của ghi và sau đó được rung lắc đều trên toàn bộ ghi nhờ động cơ và cơ cấu rung. Mục đích của cải tiến này là để thải một phần hoặc toàn bộ tro xỉ khi đã cháy xong nhờ đó giảm nhẹ được lao động. Ngoài ra, cũng cải thiện được phần nào quá trình cháy vì đã đánh tơi được lớp tro xỉ bám xung quanh nhiên liệu.

Hình 2.13. Buồng đốt với ghi rung lắc

Loại buồng đốt này có hiệu suất cháy tốt hơn và trong trường hợp ghi được làm mát bằng nước, có thể tăng lượng không khí mà vẫn không tạo ra nhiều NOx. Loại ghi này có ít bộ phận chuyển động hơn so với ghi di động (ghi xích) nên ít phải bảo dưỡng hơn. Nó phù hợp cho việc đốt nhiên liệu chưa qua xử lý như dăm gỗ, rơm đóng kiện, phụ phẩm từ ngô,….

DỰ ÁN LCEE


D. Buồng đốt với ghi xích

Buồng đốt với ghi xích có đặc điểm là ghi chạy trên hai quả lô trong cùng một mạch (giống với băng tải dây đai). Nhiên liệu với một chiều dày được điều chỉnh sẵn, được vận chuyển từ phía nạp vào sang phía thải tro thông qua quá trình chuyển động của ghi. Nhiệt bức xạ từ ngọn lửa, vách tường và cuốn lò sấy nóng nhiên liệu làm nó khô dần và chất bốc thoát ra. Chất bốc và cốc cháy tạo thành tro và được thải ra ngoài. Không khí cấp vào buồng lửa thường được chia thành gió cấp 1 cấp từ phía dưới ghi lên và gió cấp 2 cấp ở phía trên nhiên liệu. Lò hơi với loại buồng đốt kiểu này dùng phổ biến nhất trong các doanh nghiệp sử dụng hơi với công suất từ 4 t/h đến (40 ÷ 50) t/h để phục vụ cho công nghệ.

Hình 2.14. Buồng đốt với ghi xích

Loại lò hơi với buồng đốt kiểu này có các ưu điểm nổi trội sau: Hiệu suất cao do có thể tổ chức tốt quá trình cháy (tách riêng được khu vực sấy khô, nhiệt

phân, cháy chất bốc và cháy cốc từ đó phân bố không khí phù hợp với nhu cầu của từng giai đoạn cháy);

Cấp hơi ổn định (do cấp nhiên liệu liên tục, cháy theo dạng lớp nên chế độ cháy ổn định, quán tính nhiệt lớn nên ít bị tắt lò);

Công suất có thể điều chỉnh trong dải rộng thông qua việc điều khiển vận tốc chuyển động của ghi, tuy nhiên do quán tính nhiệt lớn nên độ nhạy điều chỉnh không cao;

Đốt được các loại nhiên liệu biomass khác nhau (có thể đốt riêng từng loại hoặc đốt kèm) như: củi gỗ, củi thanh ép, bã mía, trấu và rơm rạ, vỏ dừa, vỏ lạc, vỏ cọ, rác thải nông nghiệp, viên nén và gỗ vụn;

Tuổi thọ của lò cao (do đốt sinh khối có nhiệt trị < 5.000 kcal/h và ghi lò được làm mát khi nó ở vị trí dưới nên bộ ghi rất bền, chế độ cháy theo lớp nên khói không mang theo nhiều tro bụi làm mòn ống sinh hơi);

Mức độ tự động hóa cao;

DỰ ÁN LCEE


Chi phí vận hành thấp (chi phí điện thấp hơn so với lò tầng sôi do không cần tốc độ và áp suất không khí cao để tạo sôi trong buồng đốt, công nhân vận hành cũng không cần nhiều do hầu hết các khâu đều được cơ khí hóa và tự động hóa).

Hình 2.15. Một số kết cấu của lò hơi đốt trấu kiểu ghi xích

Nhược điểm của buồng đốt kiểu ghi xích là ghi có cấu tạo phức tạp hơn do có nhiều bộ phận chuyển động, giá thành của hệ thống đắt hơn so với các kết cấu trước. Thường yêu cầu nhiên liệu có độ ẩm không quá lớn (< 20%) vì nếu độ ẩm lớn giai đoạn sấy bị kéo dài, đẩy ranh giới các giai đoạn cháy khác về phía sau, nhiên liệu có thể bị thải ra trước khi cháy kiệt.

DỰ ÁN LCEE


Hình 2.16. Hình dáng bên ngoài của một lò hơi đốt trấu kiểu ghi xích

2. Buồng đốt kiểu tầng sôi

Đây là loại buồng đốt phổ biến nhất, khuyến cáo nên sử dụng để đốt nhiên liệu biomass. Lò hơi với buồng đốt kiểu này có rất nhiều ưu điểm so với các kiểu buồng đốt truyền thống, như:

Thiết kế gọn nhẹ; Nhiên liệu linh hoạt (vỏ trấu, bã mía, mùn cưa và các chất thải nông nghiệp khác); Hiệu suất cháy cao hơn ( > 85 %); Giảm thải các chất ô nhiễm độc hại như CO, NOx và dioxin; Dải công suất rộng (từ 0,5 t/h đến hơn 100 t/h); Không có các bộ phận chuyển động nên giảm chi phí bảo trì và thời gian dừng lò

(mức độ sẵn sàng vận hành trên 90 %). Nhược điểm của lò hơi với buồng đốt kiểu tầng sôi là chi phí đầu tư cao hơn so với các lò hơi truyền thống khác. Nguyên lý làm việc của buồng đốt kiểu tầng sôi được thể hiện trên Hình 2.17. Buồng đốt kiểu tầng sôi có 2 dạng là tầng sôi tĩnh (BFB) và tầng sôi tái tuần hoàn (CFB). Mặc dầu cả 2 loại BFB và CFB đều đốt sinh khối có hiệu quả nhưng lò hơi loại CFB thường dùng cho các dải công suất lớn hơn. Trong cả hai dạng buồng đốt kiểu tầng sôi, không khí được thổi từ dưới ghi lên qua tầng hạt rắn gọi là vật liệu trợ đốt (thường là vật liệu trơ như cát thạch anh, có kích thước trung bình từ 0,7 mm đến 1 mm) với tốc độ đủ để chúng ở trạng thái treo lơ lửng gọi là “tầng sôi”. Các hạt trợ đốt được gia nhiệt trước bởi bộ phận khởi động và nhiên liệu được nạp vào ngay khi nhiệt độ đủ cao (nhiệt độ nhiên liệu có thể bắt cháy). Các hạt nhiên liệu nhanh chóng được trộn lẫn với vật liệu trợ đốt và gần như ngay lập tức được làm nóng bằng nhiệt độ lớp sôi, được nhiệt phân rất nhanh và bắt cháy. Việc cọ xát vật liệu trợ đốt lên các hạt nhiên liệu làm tăng quá trình đốt bằng cách loại bỏ lớp carbon dioxide và lớp char thường được hình thành xung quanh các hạt nhiên liệu, điều này cho phép vật liệu dễ cháy hơn, dễ dàng nhận oxy hơn và làm tăng hiệu quả của quá trình cháy. Quá trình

DỰ ÁN LCEE


cháy trong tầng sôi diễn ra ở nhiệt độ từ 8500C đến 9500C. Nhiệt độ này thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của xỉ rất nhiều nên có thể tránh được vấn đề xỉ nóng chảy và các vấn khác có liên quan. Nhiệt độ cháy thấp hơn đạt được là do hệ số truyền nhiệt cao nhờ sự cọ xát mãnh liệt ở tầng sôi và sự thoát nhiệt hiệu quả từ lớp nhiên liệu. Vận tốc không khí được duy trì ở giữa khoảng vận tốc sôi tối thiểu và vận tốc các hạt nhiên liệu bị cuốn theo. Điều này giúp đảm bảo sự vận hành ổn định của lớp nhiên liệu và tránh việc các hạt bị cuốn theo dòng khí thải.

Hình 2.17. Buồng đốt kiểu tầng sôi

A. Buồng đốt kiểu tầng sôi tĩnh (BFB)

Lò hơi với buồng đốt kiểu tầng sôi tĩnh (BFB) được vận hành với vận tốc gió cấp 1 từ 1,5 m/s đến 2,5 m/s và chứa vật liệu trợ đốt (cát thạch anh) có đường kính trung bình khoảng từ 0,7mm đến 1 mm. Chúng được sử dụng cho nhiên liệu có kích thước hạt lên đến khoảng 10 mm. Công suất nhiệt nằm trong khoảng từ 5 MW đến 50 MW. Chiều cao tầng sôi thường từ 1m đến 1,5 m. Tỷ lệ vật liệu trơ (cát hoặc xỉ) so với nhiên liệu khoảng 96%. Quá trình cháy xảy ra gần như trong toàn bộ tầng sôi. Để quá trình cháy xảy ra hoàn toàn, gió cấp 2 được cấp ở phía trên tầng sôi. Nhiệt độ trong buồng lửa không cao, nằm trong khoảng từ 8500C đến 9500C (công nghệ đốt với NOx thấp). Hầu hết tro xỉ không ở trên tầng sôi, nó được lưu lại ở trên ghi và được thải ra từ đó. So với tầng sôi tuần hoàn, cấu trúc của lò hơi với buồng đốt kiểu tầng sôi tĩnh ít phức tạp hơn và có chi phí đầu tư thấp hơn.

B. Buồng đốt kiểu tầng sôi tuần hoàn (CFB)

Trong lò hơi với buồng đốt kiểu tầng sôi tuần hoàn (CFB) tốc độ gió cấp 1 cao hơn so với trong lò hơi với buồng đốt kiểu BFB (vận tốc không khí từ 4 m/s đến 8 m/s), quá trình cháy diễn ra ở cả vùng trên của buồng đốt và mãnh liệt hơn nên hiệu suất cao hơn. Do tốc độ gió cấp 1 cao nên một

DỰ ÁN LCEE


số các hạt nhiên liệu nhỏ chưa kịp cháy hết đã bị cuốn theo khói thải ra ngoài. Nhờ có xyclon được bố trí ở đầu ra của buồng đốt nên các hạt này sẽ được tách ra khỏi dòng khói thải và tái tuần hoàn trở về buồng đốt.

Hình 2.18. Hình dáng bên ngoài của một lò hơi tầng sôi tuần hoàn đốt sinh khối.

3. Buồng đốt kiểu xoáy

Loại buồng đốt kiểu này ở các nước Tây Âu như Đức, Mỹ vẫn được sử dụng để đốt cám nghiền từ trấu. Ở nước ta vẫn chưa sử dụng buồng đốt kiểu xoáy. Buồng đốt có dạng hình trụ nằm ngang (Hình 2.19), gió cấp 1 đưa theo chiều tiếp tuyến với tốc độ khoảng (20÷30) m/s, gió cấp 2 cũng đưa vào theo chiều tiếp tuyến với vận tốc khoảng 120 m/s, nên tạo thành xoáy khá mạnh, hòa trộn rất tốt không khí với nhiên liệu và tiến hành tất cả các giai đoạn của quá trình cháy trong buồng đốt. Sản phẩm cháy được đưa vào buồng chính, tại đây được cấp thêm gió cấp 3 để phản ứng cháy xảy ra hoàn toàn và truyền nhiệt cho các bề mặt nhận nhiệt. Buồng lửa xoáy có các ưu điểm:

Nhiệt thế buồng lửa cao nên cháy ổn định, cháy kiệt với tổn thất q3 , q4 tương đối nhỏ; Có thể cháy tốt với hệ số không khí thừa nhỏ (1,05 ÷ 1,15), do đó tổn thất q2 giảm; Khói có tốc độ cao, hệ số truyền nhiệt lớn, giảm được bề mặt truyền nhiệt.

DỰ ÁN LCEE


Hình 2.19. Hệ thống buồng đốt kiểu xoáy (đốt cám nghiền từ trấu)

Buồng lửa xoáy cũng có những nhược điểm: Cấu tạo buồng lửa phức tạp, giá thành cao; Tốn điện năng cho nghiền cám và quạt gió cấp 2; Đốt cháy nhiên liệu ở nhiệt độ cao nên lượng NOx trong khói tăng, gây ô nhiễm môi trường.

2.3 Chuyển đổi lò hơi đốt nhiên liệu hóa thạch sang đốt nhiên liệu sinh khối

Việc chuyển đổi lò hơi đốt nhiên liệu hóa thạch sang đốt nhiên liệu sinh khối bản thân nó không làm giảm tiêu thụ năng lượng. Thậm chí, các lò hơi đốt sinh khối có thể có hiệu suất nhỏ hơn một chút so với lò đốt than và nhỏ hơn nữa so với lò đốt dầu và đốt khí. Tuy nhiên, do nhiên liệu sinh

DỰ ÁN LCEE


khối được coi là có phát thải CO2 trung tính, nên việc chuyển sang sử dụng nó sẽ góp phần làm giảm đáng kể phát thải CO2. Ngoài ra, nhiên liệu sinh khối có giá thành thấp, nguồn cung cấp dồi dào, thuận tiện trong việc vận chuyển và lưu trữ. Để chuyển đổi lò hơi đốt nhiên liệu hóa thạch sang đốt nhiên liệu sinh khối có thể xem xét 2 phương án:

Cải tạo lò hơi cũ để đốt trực tiếp nhiên liệu sinh khối ; Thay thế lò hơi cũ bằng lò hơi sinh khối mới (đốt trực tiếp nhiên liệu sinh khối hoặc đốt

gián tiếp sau khi đã khí hóa) hoặc lò hơi đốt đa nhiên liệu. (Trong trường hợp doanh nghiệp đang trong quá trình sản xuất ổn định, không muốn làm gián đoạn sản xuất và đầu tư thêm tiền thì có thể chọn giải pháp sử dụng nhiên liệu sinh khối để đốt kèm với than theo một tỷ lệ hợp lý mà mang lại hiệu quả đốt cao nhất, vẫn đảm bảo giảm được chi phí và giảm phát thải CO2 ra môi trường.)

2.3.1 Cải tạo lò hơi cũ

Để có được lợi thế về giá cả, có thể nghiên cứu phương án cải tạo lò hơi cũ để sử dụng nhiên liệu sinh khối thay cho các nhiên liệu hiện nay như than, dầu và gas.

Khi nghiên cứu cải tạo lò hơi cần lưu ý một số điểm chính sau:

1. Lò sẽ ngừng hoạt động trong thời gian cải tạo; 2. Nhiệt trị của nhiên liệu sinh khối thấp hơn nhiệt trị của các nhiên liệu hóa thạch, nếu không có

sự thay đổi bề mặt truyền nhiệt trong lò hơi thì công suất của nó sẽ bị giảm nghiêm trọng. Theo kinh nghiệm của Công ty Thai K boiler Co. Ltd., Bangkok, công suất của lò hơi có thể giảm tới gần 50 %. (Tài liệu tham khảo - 5)

3. Nhiên liệu sinh khối có hàm lượng cốc thấp, chất bốc khá cao (có thể lên tới trên 70 %) nên khi cháy cho ngọn lửa tương đối lớn và dài, nhiệt sinh ra chủ yếu là nhiệt bức xạ từ ngọn lửa;

4. Các bộ phận của lò hơi sẽ được cải tạo phụ thuộc vào từng trường hợp cụ thể và loại nhiên liệu đang sử dụng trước đó, ví dụ:

+ Lò hơi đang đốt dầu hoặc đốt gas: khi cải tạo cần thay thế hoặc chỉnh sửa các quạt hút và quạt đẩy; lắp đặt thêm các thiết bị mới như buồng đốt, hệ thống cấp nhiên liệu và xử lý tro;

+ Lò hơi đang đốt than: các thiết bị hiện có có thể được tận dụng hoàn toàn.

2.3.2 Thay thế lò hơi sinh khối mới Khi cải tạo lò hơi cũ thường tận dụng tối đa các thiết bị hiện có và giảm thiểu tối đa việc thay đổi, dẫn tới giảm công suất của lò hơi. Nếu cần phải giữ nguyên công suất trước và sau khi chuyển đổi nhiên liệu thì không nên cải tạo lò hơi hiện có. Trong trường hợp này, việc lắp đặt lò hơi sinh

DỰ ÁN LCEE


khối mới được khuyến khích cao vì liên quan đến vấn đề hiệu suất, tính kinh tế và các khía cạnh về môi trường. Tiềm năng tiết kiệm nhờ thay thế lò hơi mới phụ thuộc vào thay đổi của hiệu suất toàn phần dự kiến. Về mặt tài chính, giải pháp thay thế lò hơi mới sẽ rất hấp dẫn nếu lò hơi đang sử dụng có những yếu tố sau:

Cũ và không hiệu quả; Không thể sử dụng nhiên liệu thay thế rẻ tiền hơn; Công suất quá lớn hoặc quá bé so với các yêu cầu hiện tại; Được thiết kế không phù hợp với các điều kiện phụ tải lý tưởng.

Nghiên cứu tính khả thi cần xem xét tất cả các khả năng có sẵn nhiên liệu lâu dài và kế hoạch phát triển của công ty. Cần tính đến các yếu tố tài chính và kỹ thuật. Vì những dây chuyền lò hơi truyền thống có tuổi thọ khoảng 25 năm, nên cần nghiên cứu kỹ trước khi thay thế. Theo kinh nghiệm, để tăng tính mềm dẻo trong việc sử dụng nhiên liệu nên chọn lò hơi mới là loại đốt được đa nhiên liệu. Tóm lại, để lựa chọn loại lò hơi mới, đốt sinh khối, phù hợp với doanh nghiệp, cần xem xét một số yếu tố cơ bản sau:

Công suất hơi của lò và các thông số khác của hơi (sử dụng hơi bão hòa hay hơi quá nhiệt, áp suất cực đại,…), sao cho đáp ứng được nhu cầu của dây chuyền công nghệ;

Loại nhiên liệu có sẵn lâu dài, khả năng của nhà cung cấp và khoảng cách vận chuyển; Đặc điểm của nhiên liệu (chủng loại, hình dạng, kích thước); Mô hình vận hành dự kiến (điều khiển bằng tay hay tự động).

2.4 Một số đặc thù liên quan đến kỹ thuật vận hành và an toàn của lò hơi sinh khối

1. Nguyên liệu sinh khối như trấu, bã mía, củi, gỗ vụn, mùn cưa, viên nhiên liệu nén, thanh củi nén, cọ dừa, than cây, lõi bắp ngô,… phụ thuộc vào mùa vụ tự nhiên và theo đặc thù của vùng miền. Chúng ảnh hưởng lớn đến hoạt động ổn định của lò hơi sinh khối, do đó việc chọn lựa sử dụng loại nhiên liệu nào và nhà cung cấp nào là rất quan trọng và phải được xác định bằng hợp đồng lâu dài;

2. Phần lớn nguyên liệu sinh khối đều cồng kềnh nên cần lưu ý đến vấn đề lưu trữ và vận chuyển. Kích cỡ của nhiên liệu sinh khối (mùn cưa, vỏ trấu, vỏ cà phê, xơ dừa,…) có thể sử dụng quá trình ép đặc để định dạng dưới dạng viên nhiên liệu nén hoặc thanh củi nén, nhờ đó cải thiện được khả năng xử lý và đặc tính cháy của chúng. Trong trường hợp cần thiết, chất thải gỗ và bã mía cần phải được cắt nhỏ;

3. Phải có kho bãi được che chắn để chứa nguyên liệu, đảm bảo giữ được độ ẩm của nhiên liệu trong giới hạn qui định và đảm bảo các điều kiện về phòng cháy, chữa cháy;

4. Nhiệt trị của nhiên liệu sinh khối thấp hơn nhiệt trị của nhiên liệu hóa thạch cho nên các lò hơi sinh khối sẽ có kích thước lớn hơn với cùng công suất;

DỰ ÁN LCEE


5. Chất bốc của nhiên liệu sinh khối rất cao khoảng từ 60% đến 80% (lớn hơn khoảng hơn 10 lần so với nhiên liệu hóa thạch). Do đó, khi cháy ngọn lửa sẽ dài và lớn hơn, truyền nhiệt bức xạ sẽ ảnh hưởng rất lớn. Việc phân bố tỷ lệ gió cấp 1 và cấp 2 cũng như bố trí vị trí cấp gió (đặc biệt là gió cấp 2) sẽ ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất của quá trình cháy. Cũng chính do nhiên liệu sinh khối có chất bốc lớn nên khi lò bị tắt lửa, trước khi khởi động lại phải tiến hành thông gió thật kỹ nếu không dễ xảy ra nguy cơ cháy nổ do tích tụ các chất bốc từ trước đó;

6. Các nguyên tắc chung (theo kinh nghiệm), những điều cần làm và không nên làm khi vận hành lò hơi để đảm bảo an toàn và có hiệu quả cao được nêu trong Bảng 2.2.

Bảng 2.2. Một số nguyên tắc chung khi vận hành lò hơi

Những việc cần và không nên làm ở lò hơi

Làm Không làm

1. Xả đáy mỗi ca theo yêu cầu 1. Không châm lửa mồi ngay sau khi lò tắt lửa

2. Thông ống thủy mỗi ca một lần 2. Không xả nước khi không cần thiết

3. Đóng kín các cửa lò khi vận hành 3. Không mở các cửa lò khi không cần thiết

4. Làm sạch, xả phễu đựng tro xỉ mỗi ca 4. Không để phễu chứa tro xỉ quá tải

5. Theo dõi khói lò và kiểm soát lửa cháy 5. Không tăng tốc độ cháy lên quá giới hạn

6. Mở các van xả khí trước khi khởi động và sau khi dừng lò

6. Không cấp nước thô cho lò (nước chưa qua xử lý)

7. Giữ vệ sinh các bảng cầu dao và thiết bị điều khiển

7. Không để mức nước trong lò quá cao hoặc quá thấp (đối với lò cấp nước bằng tay)

8. Định kỳ tra dầu mỡ cho tất cả các thiết bị cơ khí để chúng làm việc tốt

8. Không đổi chiều quay quạt hút khi đang vận hành

9. Định kỳ kiểm tra các rò rỉ, kiểm tra các bẫy hơi

9. Không quan sát trực tiếp ngọn lửa trong lò bằng mắt thường (phải sử dụng kính bảo hộ)

10. Định kỳ kiểm tra hoặc hiệu chỉnh thiết bị đo O2 hoặc CO2

10. Tránh để lớp nhiên liệu quá dày hoặc quá mỏng

11. Định kỳ kiểm tra hoạt động của van an toàn

11. Không để ghi lò bị trống (phải rải nhiên liệu đều trên mặt ghi)

12. Đổi chiều quay quạt đẩy nếu quạt hút đổi chiều quay

12. Không vận hành lò hơi với ống nước bị rò rỉ

13. Giữ sạch khu vực làm việc, không có bụi. Đặt các phương tiện chữa cháy ở

13. Không xem thường các dấu hiệu bất thường (âm thanh thay đổi, hoạt động thay

DỰ ÁN LCEE


Những việc cần và không nên làm ở lò hơi

Làm Không làm

đúng nơi qui định, vị trí luôn sẵn sàng đổi, khó điều khiển), phải tìm nguyên nhân

14. Kiểm tra hoạt động các van, van điều tiết, v.v... mỗi tuần một lần

14. Không để các nhân viên chưa qua đào tạo vận hành lò hơi

15. Điền đầy đủ sổ nhật ký vận hành 15. Không bỏ qua bảo trì hàng năm

2.5 Câu hỏi ôn tập

1- Tại sao nhiên liệu sinh khối được coi là chất phát thải trung tính?

2- Đặc tính của nhiên liệu sinh khối có gì đặc trưng?

3- Tại sao nhiên liệu sinh khối khi cháy có ngọn lửa dài và lớn?

4- Giữa vỏ trấu rời, viên nén trấu và thanh củi trấu có gì giống và khác nhau?

5- Lượng không khí thực tế cần thiết khi đốt than và đốt nhiên liệu sinh khối trong cùng một kiểu buồng đốt có giống nhau không? Tại sao?

6- Khi lựa chọn công nghệ đốt nhiên liệu sinh khối cần lưu ý những điểm gì?

7- Lò hơi với buồng đốt kiểu ghi cố định nên đốt nhiên liệu sinh khối nào là hợp lý? Tại sao hiệu suất của loại lò này thường thấp?

8- Lò hơi với buồng đốt kiểu ghi xích có những ưu, nhược điểm gì? Nó có thể đốt được những loại nhiên liệu sinh khối nào?

9- Thế nào là gió cấp 1 và gió cấp 2, chức năng của chúng?

10- Nguyên lý làm việc của lò hơi tầng sôi? Ưu, nhược điểm của loại lò hơi này?

11- Tại sao khi đốt nhiên liệu trong lò tầng sôi lại có thể giảm thiểu các chất thải độc hại gây ô nhiễm?

12- Nhiên liệu nào phù hợp cho lò hơi kiểu tầng sôi?

13- Trong trường hợp nào thì nên cải tạo lò hơi cũ đốt than sang đốt nhiên liệu sinh khối? Khi cải tạo cần thay đổi những gì?

14- Những đặc thù liên quan đến vận hành an toàn lò hơi sinh khối?

DỰ ÁN LCEE


Chương III

HIỆU QUẢ KINH TẾ VÀ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG KHI SỬ DỤNG LÒ HƠI SINH KHỐI

3.1 Các giải pháp tiết kiệm năng lượng

Có nhiều biện pháp nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng của lò hơi liên quan đến quá trình cháy, truyền nhiệt, tổn thất nhiệt, mức tiêu thụ điện của các thiết bị phụ trợ (bơm nước cấp, quạt đẩy, quạt hút, băng tải vận chuyển nhiên liệu vào lò), trong đó chế độ vận hành lò hơi và hiểu biết của người vận hành có ảnh hưởng rất lớn. Dưới đây là một số biện pháp chính:

1. Kiểm soát nhiệt độ khói thải của lò

Nên lắp thêm một đồng hồ đo nhiệt độ để giám sát nhiệt độ khói thải của lò trước khi ra ống khói. Nhiệt độ này càng thấp càng tốt, nhưng không được thấp hơn 1300C để tránh hiện tượng đọng sương trên đường khói, gây ăn mòn thiết bị. Khi giảm được nhiệt độ khói thải 220C sẽ tăng hiệu suất lò hơi lên khoảng 1%. Khi nhiệt độ khói thải cao hơn 2000C phải nghĩ tới phương án thu hồi nhiệt từ khói thải. Nhiệt độ khói thải tăng lên cũng là dấu hiệu cho thấy các bề mặt trao đổi nhiệt của lò bị bẩn, tương ứng với việc giảm hiệu suất của lò. Vì vậy cần tiến hành thổi bụi hoặc xả đáy lò để làm sạch nước.

2. Sử dụng bộ hâm nước (Economizer) để gia nhiệt cho nước cấp

Hình 3.1. Ảnh hưởng của gia nhiệt cho nước cấp lên hiệu suất của lò hơi

Bộ hâm nước là thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp, được lắp đặt trên đường khói của lò để tận dụng nhiệt của khói thải làm nóng nước cấp trước khi đưa vào lò. Khi tăng thêm nhiệt độ nước cấp

DỰ ÁN LCEE


lên thêm 150C, hiệu suất của lò tăng khoảng 3%. Nếu nhiệt độ khói thải của lò cao hơn 2000C thì nên nghĩ ngay tới phương án này.

3. Sử dụng bộ sấy để gia nhiệt cho không khí cấp cho lò

Bộ sấy không khí là thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp, được lắp đặt trên đường khói của lò để tận dụng nhiệt của khói thải làm nóng sơ bộ không khí trước khi đưa vào lò. Khi tăng nhiệt độ không khí lên thêm 400C, hiệu suất của lò tăng khoảng 2%. Đặc điểm của bộ sấy không khí là yêu cầu không gian lắp đặt lớn nên chủ yếu áp dụng cho các lò hơi lớn. Phần lớn các lò hơi đốt dầu và đốt khí có thiết kế ban đầu không phù hợp với nhiệt độ sấy không khí sơ bộ cao. Các lò hơi đốt nhiên liệu khác có thể chịu được nhiệt độ này cao hơn. Khi không gian phía đuôi lò đủ lớn, nhiệt độ nước cấp cao (nhờ thu hồi nước ngưng ở nhiệt độ cao) đáp ứng được yêu cầu thì có thể sử dụng bộ sấy không khí như là giải pháp thay thế cho bộ hâm nước.

Hình 3.2. Ảnh hưởng của gia nhiệt cho không khí lên hiệu suất của lò hơi

4. Kiểm soát tỷ lệ không khí/ nhiên liệu

Để đảm bảo cho nhiên liệu cháy kiệt, trong mọi trường hợp chúng ta đều phải cấp vào lò một lượng không khí thực tế lớn hơn so với tính toán lý thuyết (hệ số không khí thừa > 1). Duy trì được lượng không khí thừa tối ưu sẽ giảm thiểu được tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn và do khói thải mang đi, hiệu suất của lò hơi sẽ là cao nhất. Cứ giảm 1% lượng không khí thừa sẽ giúp tăng hiệu suất của lò khoảng 0,6 %. Lượng không khí thừa được xác định thông qua việc đo % O2 hoặc % CO2 trong khói thải. Thông thường khi đốt nhiên liệu sinh khối không cho phép % O2 vượt quá 12 %. Nếu giảm được 1 % O2 trong khói thải sẽ tăng hiệu suất lò hơi lên khoảng 1 %.

Lượng không khí thừa tối ưu có thể dao động tùy thuộc vào loại lò hơi, phương pháp đốt, loại nhiên liệu và các thông số khác của quá trình. Nó có thể được xác định thông qua việc hiệu chỉnh lò hơi hoặc đơn giản từ kinh nghiệm thực tế công bố trong các sổ tay kỹ thuật. Ví dụ, đối với lò hơi đốt nhiên liệu chất thải sinh khối: (Tài liệu tham khảo - 5).

DỰ ÁN LCEE


Hình 3.3. Hệ số không khí thừa tối ưu đối với lò hơi đốt chất thải sinh khối

Có các phương pháp khác nhau để kiểm soát lượng không khí thừa:

Sử dụng thiết bị đo %O2 trong khói thải loại cầm tay (có loại có thể đo được cả %O2, %CO, %CO2, % SO2 và nồng độ bụi), định kỳ ghi lại thông số, giúp người vận hành điều chỉnh lưu lượng không khí nhằm đạt chế độ vận hành tối ưu. Nhờ thiết bị này có thể giảm lượng không khí dư lên tới 20 %;

Sử dụng thiết bị đo %O2 liên tục với đồng hồ đo lưu lượng không khí được gắn bên trong để đọc thông số, từ đó người vận hành có thể điều chỉnh lưu lượng không khí. So với hệ thống trước, thiết bị này có thể giúp giảm được thêm 10% - 15 %;

Sử dụng thiết bị đo %O2 liên tục tương tự như trên nhưng có thêm van điều tiết không khí được điều khiển từ xa, từ trong buồng điều khiển người vận hành có thể giám sát và điều khiển từ xa cùng lúc nhiều lò hơi;

Thiết bị phức tạp nhất là hệ thống điều khiển van điều tiết tự động, có chi phí rất cao, chỉ phù hợp với những lò hơi lớn;

Trong trường hợp bất đắc dĩ, nếu người vận hành có nhiều kinh nghiệm thì cũng có thể quan sát màu ngọn lửa hoặc màu khói thải để điều chỉnh lượng không khí dư cho phù hợp.

5. Giảm thiểu tổn thất nhiệt do bức xạ và đối lưu

Bề mặt bên ngoài của lò hơi nóng hơn môi trường xung quanh. Do đó, sẽ có một lượng nhiệt bị tổn thất ra xung quanh dưới dạng bức xạ và đối lưu. Tổn thất này phụ thuộc vào diện tích bề mặt của lò hơi và sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và môi trường xung quanh. Đối với các lò hơi thiết kế hiện nay, mức tổn thất này khoảng 1% - 2 % so với năng suất tỏa nhiệt, nhưng sẽ tăng cao hơn nếu lò hơi vận hành ở công suất quá thấp.

DỰ ÁN LCEE


Cần kiểm tra thường xuyên lớp bảo ôn và phải tiến hành bổ sung, sửa chữa kịp thời sẽ giúp giảm tổn thất nhiệt này. Tuy nhiên, cần lưu ý trong việc xác định chiều dày tối ưu của lớp cách nhiệt, việc hấp thụ ẩm vào sẽ làm giảm hiệu quả cách nhiệt. Đối với lò hơi đốt thủ công kiểu ghi tĩnh, nếu điều chỉnh chế độ cấp nhiên liệu hợp lý thì cũng sẽ giảm tổn thất này do giảm số lần và thời gian mở cửa lò để cấp nhiên liệu.

6. Giảm thiểu tổn thất nhiệt do xả đáy lò

Khi nước được đun sôi và tạo ra hơi, các chất rắn hòa tan trong nước sẽ đọng lại trong lò. Theo thời gian chúng được cô đặc lại gây ra hiện tượng sủi bọt làm hạn chế quá trình sinh hơi, hình thành lớp cáu cặn bên trong bề mặt truyền nhiệt làm giảm hiệu suất của lò. Vì thế, cần phải kiểm soát nồng độ chất rắn hòa tan trong nước lò để đảm bảo nồng độ này ở dưới mức qui định bằng cách xả đáy lò.

Mức xả đáy lò (%) %100.hoilo

xa

DD

(3.1)

Kiểm soát tốt lượng nước xả đáy của lò sẽ giúp giảm thiểu tổn thất nhiệt do nước xả mang đi, ngoài ra còn giảm đáng kể chi phí vận hành và xử lý, bao gồm:

- Giảm chi phí xử lý nước bên ngoài lò; - Giảm tiêu thụ nước cấp đã qua xử lý; - Rút ngắn thời gian dừng lò hoạt động để bảo trì; - Tăng tuổi thọ của lò hơi; - Giảm tiêu thụ hóa chất xử lý bên trong lò.

Cần xác định mức xả đáy thích hợp (nếu xả ít sẽ không loại được cáu cặn, nếu xả nhiều sẽ gây tổn thất nhiên liệu và lãng phí nước): (Tài liệu tham khảo - 4).

%100.(%)ab

aDxa

(3.2)

Trong đó: Dxa (%) - Mức xả đáy thích hợp tính theo % công suất hơi của lò; a - Tổng lượng chất rắn hòa tan trong nước cấp (ppm); b - Tổng lượng chất rắn hòa tan cho phép trong nước lò (ppm). Đối với các lò hơi công nghiệp có Plv < 20 kG/cm2 , b = 3.500 ppm.

Quan hệ giữa sự hao tổn hiệu suất và mức xả đáy lò chỉ rõ trên Hình 3.4.

DỰ ÁN LCEE


Hình 3.4. Quan hệ giữa sự hao tổn hiệu suất và mức xả đáy lò

Ví dụ: Hãy xác định mức xả đáy thích hợp và lượng xả đáy tương ứng đối với một lò hơi có

công suất 2 t/h và với các thông số cho trước như sau: - Tổng lượng chất rắn hòa tan (TDS) trong nước cấp vào lò là: 150 ppm; - Tổng lượng chất rắn hòa tan (TDS) cho phép trong nước lò là: 3.500 ppm.

+ Mức xả đáy thích hợp sẽ là:

%5,4%100.1503500

150(%)

xaD

+ Nếu công suất của lò hơi là 2 tấn/h thì khối lượng xả đáy sẽ là:

hkgDxa /90100

5,4.2000

Lắp đặt hệ thống xả đáy tự động

Có 2 phương pháp xả đáy trong lò hơi: gián đoạn và liên tục. Xả đáy gián đoạn do người vận hành thực hiện bằng tay, thường từ 1 đến 2 lần trong ca vận hành. Phương pháp này phụ thuộc vào chủ quan của người vận hành (số lần và thời gian cho mỗi lần) nên nhiều khi gây tổn thất lớn, thậm chí làm mức nước trong lò dao động mạnh dẫn đến ảnh hưởng đến chế độ cấp hơi của lò. Nói chung, với cùng một lượng xả nên xả nhiều lần với thời gian ngắn thì tốt hơn.

Xả đáy liên tục do hệ thống tự động thực hiện, căn cứ vào tổng lượng chất hòa tan TDS trong nước lò mà thông tin gián tiếp là độ dẫn điện của nó (µS/cm). Phương pháp này không phụ thuộc vào chủ quan của người vận hành, không gây những biến động lớn về chế độ cấp nước và cấp hơi của lò nhưng chí phí đầu tư cao, phù hợp với các lò hơi có công suất lớn và áp suất làm việc cao.

DỰ ÁN LCEE


Trang bị hệ thống xử lý nước cấp bên ngoài lò hợp lý sẽ làm giảm số lượng và số lần xả lò. Trang bị thiết bị thu hồi nhiệt từ nước xả của lò để gia nhiệt cho nước cấp.

7. Giảm thiểu tổn thất do đóng cáu cặn bên trong và bám muội, bụi bên ngoài các bề mặt truyền nhiệt của lò hơi

Việc đóng cáu cặn ở bên trong bề mặt trao đổi nhiệt của lò hơi làm cho hiệu quả truyền nhiệt kém, giảm hiệu suất của lò và nhiệt độ khói thải tăng cao. Trang bị hệ thống xử lý nước cấp bên ngoài lò hơi và qui trình xử lý phù hợp góp phần giảm tổn thất này. Ngoài ra, phải định kỳ xả đáy lò theo qui định và định kỳ phá cáu cặn bằng hóa chất hoặc các phương pháp khác (siêu âm, điện từ trường,…) khi dừng lò để bảo dưỡng. Quan hệ giữa tổn thất nhiên liệu và độ dày lớp cáu cặn được cho trong Bảng 3.1.

Bảng 3.1. Quan hệ giữa tổn thất nhiên liệu và độ dày lớp cáu cặn

Độ dày lớp cáu cặn, mm 0,5 1 2 3 4 5 6

Tổn thất nhiên liệu, % 1,2 2,2 4,0 4,7 6,3 6,8 8,2

(Nguồn: Korea Energy Management Corporation)

Việc bám muội hoặc bụi ở bên ngoài bề mặt trao đổi nhiệt của lò, đặc biệt là ở phía đuôi lò, cũng dẫn đến hiệu quả tương tự. Lớp muội có độ dày 1 mm sẽ làm tăng nhiệt độ của khói thải lên khoảng 550C. Ước tính, một lớp muội dày 3 mm sẽ làm tăng mức tiêu thụ nhiên liệu lên khoảng 2,5 %. Định kỳ phải làm sạch các bề mặt này.

8. Trang bị hệ thống điều khiển tốc độ vô cấp cho quạt đẩy, quạt hút, bơm cấp và hệ thống cấp nhiên liệu

Việc trang bị hệ thống điều khiển tốc độ vô cấp giúp thay đổi năng suất của quạt đẩy, quạt hút, bơm cấp nước và hệ thống cấp nhiên liệu của lò hơi có ý nghĩa quan trọng giúp tiết kiệm năng lượng. Thông thường việc điều khiển lượng không khí và khói thải được hỗ trợ bởi cơ cấu tiết lưu kiểu cánh hướng hoặc tấm chắn. Tuy chúng là thiết bị điều chỉnh đơn giản nhưng lại thiếu chính xác, đặc biệt tại các vị trí đầu và cuối. Trong trường hợp công suất của lò hơi thay đổi theo phụ tải, nên trang bị hệ thống điều khiển tốc độ vô cấp cho các động cơ thông qua việc sử dụng các biến tần.

9. Thu hồi nhiệt từ phía nước ngưng

Nước ngưng có nhiệt độ cao nếu được thu hồi để bổ sung cho nước cấp sẽ giúp tiết kiệm năng lượng có hiệu quả nhờ việc làm tăng nhiệt độ nước cấp và giảm bớt lượng nước phải qua xử lý. Nước ngưng có thể được thu hồi từ 2 nguồn chính: từ quá trình công nghệ sau khi hơi đã trao đổi nhiệt với các đối tượng trong dây chuyền và sau các bẫy hơi trên đường ống phân phối. Nước ngưng thu hồi được nếu muốn đưa ngược lại để bổ sung cho nước cấp của lò hơi thì yêu cầu phải sạch, không có lẫn các tạp chất như cáu cặn bẩn, hóa chất và chất thải của quá trình công nghệ. Trong trường hợp hơi trao đổi nhiệt gián tiếp với các đối tượng trong dây chuyền công nghệ thông qua các bộ trao đổi nhiệt (ví dụ như: các dàn calorifer, nồi nấu 2 vỏ,…) thì chất lượng nước ngưng về cơ bản sẽ đảm bảo.

DỰ ÁN LCEE


Trong trường hợp hơi trao đổi nhiệt trực tiếp với các đối tượng trong dây chuyền công nghệ (điều này cũng thường gặp trong các ngành dệt may, ngành giấy, ngành hóa chất, ngành chế biến thực phẩm,…) thì chất lượng nước ngưng phụ thuộc rất lớn vào từng quá trình công nghệ cụ thể. Có những trường hợp nước ngưng hoàn toàn không thể sử dụng được, nếu có thì chỉ có thể tận dụng nhiệt của nó thông qua một thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp khác (trong nhiều trường hợp chi phí tăng thêm do đầu tư không đủ bù phần tiết kiệm năng lượng). Hiệu quả tiết kiệm năng lượng từ thu hồi nước ngưng được chỉ rõ trong Hình 3.5. Nói chung, nếu thu hồi được 50 % nước ngưng ở nhiệt độ 800C thì tiết kiệm được khoảng 5 % nhiên liệu.

Hình 3.5. Hiệu quả tiết kiệm năng lượng từ thu hồi nước ngưng

10. Xây dựng qui trình và chế độ vận hành hợp lý cho lò hơi

Việc xây dựng một qui trình và chế độ vận hành hợp lý cho lò hơi không những giúp nâng cao tuổi thọ của lò, mà trong nhiều trường hợp còn là 1 giải pháp tiết kiệm năng lượng có hiệu quả.

Qui trình và chế độ vận hành của lò hơi liên quan đến nhiều yếu tố: công suất, áp suất làm việc, chân không buồng lửa, chế độ cấp nhiên liệu, chế độ cấp nước, chế độ xả đáy lò, chế độ hoàn nguyên cho hệ thống xử lý nước,….

Ví dụ: Hiệu suất của lò hơi cao nhất ở công suất gần với định mức (khoảng 80% - 90 % công suất định mức), dưới công suất này hiệu suất sẽ giảm mạnh. Do đó, không nên vận hành lò hơi ở công suất quá thấp (< 25 %) hoặc tránh vận hành dưới mức này càng ít càng tốt. Trong trường hợp có nhiều lò hơi thì nên vận hành 1 lò ở công suất cao, hơn là nhiều lò ở công suất thấp.

11. Tuân thủ qui trình bảo dưỡng định kỳ

Việc tuân thủ qui trình bảo dưỡng định kỳ cho lò hơi cũng giúp nâng cao hiệu suất và tuổi thọ của lò. Trong quá trình bảo dưỡng, các bề mặt truyền nhiệt bên trong và bên ngoài lò hơi được làm sạch, kiểm tra các hệ thống điều chỉnh và bảo vệ, kiểm tra các van, mối nối, bảo ôn,… và sửa chữa hoặc thay thế các thiết bị nếu cần.

Chi tiết qui trình sửa chữa, bảo dưỡng định kỳ có thể tham khảo từ nhà chế tạo và phải tuân thủ các yêu cầu về an toàn theo các Qui chuẩn hoặc Tiêu chuẩn do Nhà nước ban hành, ví dụ như QCVN : 01- 2008 / BLĐTBXH và TCVN 7707- 2007. (Tài liệu tham khảo - 1,2).

DỰ ÁN LCEE


12. Nâng cao kiến thức và ý thức của người vận hành

Dù thiết bị có hoàn hảo, dù qui trình và chế độ vận hành đã được xây dựng hợp lý nhưng tuổi thọ của thiết bị và hiệu quả TKNL còn phụ thuộc rất nhiều vào kiến thức và ý thức của người vận hành. Ngoài việc phải được đào tạo qua các lớp cơ bản do cơ quan chức năng tổ chức để cấp Chứng chỉ hành nghề, người vận hành cần phải được nhà quản lý cập nhật thêm kiến thức chuyên môn dưới các hình thức như: cung cấp tài liệu, tổ chức các lớp bồi dưỡng nâng cao, tổ chức các cuộc thi sáng kiến hoặc thi nâng bậc,…. Các chế độ vận hành và qui trình vận hành quan trọng (ví dụ như xử lý sự cố khi cạn nước, khởi động hoặc dừng lò,…) phải được viết rõ ràng và treo ở những nơi dễ quan sát để luôn nhắc nhở người vận hành.

3.2 Đánh giá hiệu quả kinh tế, tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải ra môi trường

3.2.1 Đánh giá hiệu quả kinh tế

Bài toán đánh giá hiệu quả kinh tế khi thay thế lò hơi cũ đốt nhiên liệu hóa thạch bằng lò hơi mới đốt nhiên liệu sinh khối nếu thực hiện một cách bài bản thì tương đối phức tạp. Để giúp cho doanh nghiệp định hình nhanh về hiệu quả kinh tế mà việc thay thế này đem lại, dưới đây giới thiệu một phương pháp tính toán nhanh và đơn giản dựa trên một ví dụ cụ thể.

Ví dụ:

Công suất lò hơi( D ): 6 tấn/giờ Áp suất hơi bão hòa (áp suất dư), Plv : 10 kG/cm2

Nhiệt độ nước cấp vào lò, tnc: 300C

Nhiên liệu đang sử dụng: than cám 4a Hòn Gai

Nhiệt trị làm việc thấp của nhiên liệu, lvtQ : 5.200 kcal/kg

Hiệu suất của lò hơi cũ, η: 70 % Số giờ hoạt động: 6.000 giờ/năm

Nhiên liệu thay thế: vỏ trấu rời

Nhiệt trị làm việc thấp của vỏ trấu, lvtQ 3.250 kcal/kg

Hiệu suất của lò mới sẽ thay thế, η: 85 %

Tính hiệu quả kinh tế thu được từ việc thay thế lò hơi đốt nhiên liệu than cám 4a Hòn Gai bằng lò hơi mới đốt trấu rời ?

Bước 1:

Tra đồ thị hình 1.2 hoặc bảng trong Phụ lục 2 của tài liệu này, tương ứng với P = 10 kG/cm2 có tbh = 1800C. Cũng từ Đồ thị hoặc Bảng trên, xác định Entanpy (nhiệt hàm) của hơi nước bão hòa khô ở 1800C: Ih = 665 kcal/kg.

DỰ ÁN LCEE


Bước 2:

Xác định Entanpy (nhiệt hàm) của nước cấp ở 300C: Inc = 30 kcal/kg Tính năng lượng cần thiết để đun 1 tấn nước trong thời gian 1 h từ 300C lên đến nhiệt độ hơi

bão hòa khô 1800C: (665 kcal/kg – 30 kcal/kg) x 1.000 kg/h = 635.000 kcal/h

Bước 3:

Tính nhiên liệu cần thiết cho lò hơi công suất 1 tấn hơi/h (có tính đến hiệu suất của lò):

Lò hơi đốt than cám: 635.000/ (0,70 x 5.200) = 174,45 kg/h

Lò hơi đốt vỏ trấu: 635.000/ (0,85 x 3.250) = 229,86 kg/h

Bước 4:

Tính lợi ích thu được từ việc thay nhiên liệu than cám sang vỏ trấu đối với lò hơi 6 t/h:

Giá của than cám 4a: 2.100 VNĐ/1kg

Giá của vỏ trấu: 900 VNĐ/1kg

Chi phí than cám: 174,45 x 2.100 x 6 = 2.198.070 VNĐ/giờ

Chi phí vỏ trấu: 229,86 x 900 x 6 = 1.241.244 VNĐ/giờ

Lợi ích hàng năm thu được (số giờ hoạt động của lò hơi là 6.000 h/ 1 năm):

(2.198.070 – 1.241.244) x 6.000 = 5.740.956.000 VNĐ

Nhận xét: Lò hơi cũ có hiệu suất thấp và đốt than cám 4a Hòn Gai có giá chi phí nhiên liệu cao. Việc thay thế lò hơi cũ bằng lò hơi mới đốt trấu có cùng thông số làm việc (D = 6 t/h và Plv = 10 kG/cm2) nhưng hiệu suất cao hơn, riêng tiền nhiên liệu chúng ta đã tiết kiệm được khoảng hơn 5,7 tỷ VNĐ cho mỗi năm. Trong khi đó, giá một lò hơi loại tầng sôi đốt trấu hiện nay với thông số như trên do doanh nghiệp Việt Nam chế tạo chỉ khoảng 4 tỷ VNĐ.

3.2.2 Đánh giá hiệu quả tiết kiệm năng lượng

Để đánh giá hiệu quả tiết kiệm năng lượng của việc thay thế lò hơi đốt nhiên liệu hóa thạch bằng lò hơi đốt nhiên liệu sinh khối ta dựa trên cơ sở so sánh năng lượng để tiêu hao cho 1 tấn hơi trong 1h (kcal/ tấn hơi trong 1 h) hay còn gọi là suất tiêu hao năng lượng của hệ thống cũ so với hệ thống mới. (Hiệu quả tiết kiệm năng lượng được tính theo giá trị % tương đối nên so sánh cho 1 h cũng như so sánh cho 1 năm vì giả thiết số giờ 2 lò hoạt động là như nhau). Để tính hiệu quả tiết kiệm năng lượng ta sử dụng công thức sau:

% Năng lượng tiết kiệm = 100 % .(Suất tiêu hao cũ – Suất tiêu hao mới) / Suất tiêu hao cũ

Viết gọn lại, ta có:

% NLTK = 100 % x ( STHc – STHm ) / STHc (3.3)

DỰ ÁN LCEE


Ví dụ: Tính hiệu quả tiết kiệm năng lượng của ví dụ đã nêu trong mục 3.2.1

STHc = lvtQ của than x Số kg than cho một tấn hơi trong 1 h

= 5.200 kcal/ kg x 174,45 kg than/ tấn hơi = 907.140 kcal/ tấn hơi

STHm = lvtQ thấp của trấu x Số kg trấu cho 1 tấn hơi trong 1 h

= 3.250 kcal/ kg x 229,86 kg trấu/ tấn hơi = 747.045 kcal/ tấn hơi

% NLTK = 100 % x ( 907.140 - 747.045 ) / 907.140 = 18 %

Nhận xét: Như vậy, bằng việc thay thế lò hơi cũ đốt than cám 4a Hòn Gai bằng lò hơi mới đốt trấu có cùng thông số làm việc (D = 6 t/h và Plv = 10 kG/cm2) ta đã thu được hiệu quả tiết kiệm năng lượng là 18 %. Hiệu quả tiết kiệm năng lượng có được chủ yếu là do hiệu suất của lò hơi mới cao hơn so với lò hơi cũ. Việc chuyển đổi nhiên liệu bản thân nó không làm giảm tiêu thụ năng lượng, nó chỉ làm tăng hiệu quả kinh tế do giảm giá chi phí nhiên liệu. Muốn tăng hiệu quả tiết kiệm năng lượng không chỉ tập trung vào lò hơi mà phải áp dụng những giải pháp tổng thể liên quan đến toàn bộ hệ thống sản xuất, phân phối và sử dụng hơi (ví dụ như: thu hồi nước ngưng, tránh rò rỉ thất thoát hơi, nâng cao hiệu suất của thiết bị sử dụng hơi,… hoặc thậm chí phải đổi mới cả công nghệ).

3.2.3 Đánh giá hiệu quả giảm phát thải

Nhiên liệu sinh khối khi cháy cũng sinh ra khí CO2 và phát thải ra môi trường giống như các nhiên liệu hóa thạch khác. Nhưng đốt nhiên liệu sinh khối vẫn được coi là giảm 100% phát thải CO2 ra môi trường so với nhiên liệu hóa thạch. Sở dĩ như vậy là vì sinh khối lấy cacbon ra khỏi không khí khi chúng phát triển và trả lại không khí khi nó bị đốt cháy. Chu trình này giữ lại sự tuần hoàn khép kín của cacbon mà không làm tăng mật độ cacbon trong không khí. Do đó, người ta coi nhiên liệu sinh khối có phát thải trung tính với CO2.

Hàm lượng lưu huỳnh (S) có trong sinh khối rất nhỏ, gần như không có nên có thể coi sinh khối là nhiên liệu sạch. Do đó, khi đốt nhiên liệu sinh khối gần như không phát thải khí SO2 ra môi trường.

Nhiên liệu sinh khối có độ tro bé, chất bốc rất lớn (khoảng hơn 10 lần so với nhiên liệu hóa thạch) nên rất dễ bắt cháy và cháy kiệt. Nếu biết tổ chức hợp lý thì quá trình cháy dễ xảy ra hoàn toàn, giảm thiểu khả năng phát thải khí độc hại CO.

Khi đốt nhiên liệu sinh khối có thể áp dụng công nghệ buồng đốt kiểu tầng sôi. Công nghệ này có ưu điểm là hiệu suất cháy cao, quá trình cháy xảy ra ở nhiệt độ thấp (từ 8500C đến 9500C) nên giảm thiểu khả năng phát thải các khí độc hại như CO, NOx và dioxin.

DỰ ÁN LCEE


3.3 Hướng dẫn thu thập số liệu tính toán

Để đánh giá hiệu quả làm việc của lò hơi, từ đó đưa ra những giải pháp tối ưu trong vận hành nhằm nâng cao hiệu quả TKNL và giảm phát thải ra môi trường chúng ta phải tính được hiệu suất của lò hơi. Hiệu suất của lò hơi có thể được tính bằng phương pháp trực tiếp hoặc gián tiếp tùy theo mục đích và các dữ liệu mà chúng ta có.

Để thuyết phục cho việc thay thế lò hơi đốt than bằng đốt nhiên liệu sinh khối chúng ta phải tính được hiệu quả kinh tế và hiệu quả tiết kiệm năng lượng mà nó đem lại.

Muốn giải quyết được các bài toán nêu trên chúng ta phải thu thập được các số liệu liên quan đến thành phần hóa học của nhiên liệu và các thông số vận hành của lò hơi, sau đó điền vào các Bảng 3.2 và Bảng 3.3. Phương pháp giải các bài toán nêu trên đã được đưa ra trong các ví dụ ở các mục trước. Công việc tính toán sẽ được hỗ trợ bởi các file Exel trong Phụ lục 3.

Bảng 3.2. Kết quả phân tích thành phần hóa học của nhiên liệu

STT Thành phần Đơn vị Giá trị

1 Carbon (C) %

2 Hydro (H) %

3 Oxy (O) %

3 Lưu huỳnh (S) %

4 Nitơ (N) %

5 Độ ẩm (W) %

6 Chất bốc (V) %

7 Tro (A) %

9 Nhiệt trị Qtlv (hoặc Qc

lv) kJ/ kg (kcal/ kg)

B

DỰ ÁN LCEE


Bảng 3.3. Thông số vận hành của lò hơi

STT Thông số Đơn vị Giá trị

1 Loại lò hơi -

2 Công suất (Năng suất sinh hơi) t / h

2 Áp suất làm việc (dư) bar

(kG/cm2)

3 Nhiệt độ hơi (nếu là hơi quá nhiệt) 0C

4 Loại nhiên liệu sử dụng (viên nén gỗ, trấu, củi trấu, củi cành, dăm bào,…) -

5 Nhiệt trị của nhiên liệu Qt lv (hoặc Qc

lv) kJ / kg

(kcal / kg)

6 Lượng nhiên liệu sử dụng t / h

7 Nhiệt độ nước cấp vào lò 0C

8 Nhiệt độ khói thải 0C

9 % O2 (hoặc %CO2) trong khói thải %

10 Nhiệt độ môi trường xung quanh 0C

11 Độ ẩm không khí %

12 Nhiệt độ nước ngưng thu hồi (nếu có) 0C

13 Lượng nước ngưng thu hồi (nếu có) t/h

12 Lượng cacbon còn lại trong tro xỉ %

13 Nhiệt trị của tro xỉ kJ / kg (kcal / kg)

DỰ ÁN LCEE


3.4 Một số bài tập

1- Một lò hơi có công suất 6 t/h và áp suất làm việc 8 kG/cm2 sử dụng nước cấp có nồng độ chất rắn hòa tan TDS là 180 mg/l. Để duy trì nồng độ TDS trong nước lò không vượt quá qui định, người vận hành đã tiến hành xả đáy lò định kỳ với lượng xả trung bình là 400 kg/h. Lượng xả đáy như vậy đã hợp lý hay chưa? Tại sao?

2- Kiểm tra lò hơi của một Công ty sản xuất giấy bao bì, cho thấy: - Lò hơi đang sử dụng là loại có buồng đốt kiểu ghi tĩnh, đốt củi gỗ; - Nhiệt độ khói thải đo được là 2750C; - Nhiệt độ môi trường xung quanh là 350C; - Thành phần O2 trong khói thải đo được là 9 %.

Hãy ước tính % năng lượng tổn thất theo khói thải và đề xuất các giải pháp khắc phục.

3- Một lò hơi có công suất 10 t/h và áp suất làm việc 10 kG/ cm2, sử dụng nhiên liệu là thanh củi ép (từ nguyên liệu mùn cưa, dăm bào và bã mía). Hiệu suất của lò hơi là 78%. Để TKNL người ta cho lắp đặt thêm một hệ thống thu hồi nước ngưng và tuần hoàn trở lại bình nước cấp của lò. Lượng nước ngưng thu hồi được là 30% so với công suất của lò. Tính hiệu quả TKNL và hiệu quả kinh tế mang lại từ việc lắp đặt hệ thống thu hồi nước ngưng này? Cho biết:

- Nhiệt trị làm việc thấp của thanh củi ép Qtlv là 4.200 kcal/ kg;

- Lò hơi hoạt động 5.000 h/năm. Giá thị trường của thanh củi ép là 2.100 đ / kg; - Nhiệt độ nước ngưng thu hồi được là 700C; - Nhiệt độ nước sau hệ thống xử lý là 300C.

4- Một Doanh nghiệp sản xuất mỳ và cháo ăn liền, hiện đang sử dụng 2 lò hơi kiểu ghi xích đốt than cám 4a Hòn Gai, công suất của mỗi lò là 4 t/h và áp suất làm việc là 8 kG/cm2. Qua khảo sát cho thấy hiệu suất của các lò thấp (~ 60 %), đốt than gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm, thiết bị đã quá cũ nên thời gian dừng lò để sửa chữa tăng làm ảnh hưởng tới sản lượng của xí nghiệp. Lãnh đạo doanh nghiệp dự kiến sẽ thay thế 2 lò hơi cũ bằng 1 lò hơi mới kiểu tầng sôi có công suất 8 t/h và áp suất làm việc 8 kG/cm2. Lò hơi mới sử dụng nhiên liệu biomass là viên nén mùn cưa, hiệu suất của lò do nhà chế tạo cung cấp là 85 %. a/ Tính hiệu quả kinh tế và hiệu quả TKNL mang lại từ việc thay thế lò hơi mới và việc chuyển đổi nhiên liệu. b/ Theo nhà chế tạo cho biết thì lò hơi mới khi chào hàng là chưa có bộ hâm nước, nếu trang bị bộ phận này thì có thể tăng thêm nhiệt độ nước cấp lên khoảng 250C. Tính hiệu quả kinh tế và hiệu quả TKNL mang lại thêm từ việc lắp đặt bộ hâm nước cho lò hơi. Cho biết:

- Nhiệt độ nước cấp trước khi vào lò: 300C (chưa có bộ hâm nước); - Số giờ làm việc của các lò coi là như nhau: 6.000 h/năm; - Nhiệt trị của than cám 4a Hòn Gai: Qt

lv = 6.000 kcal/kg;

DỰ ÁN LCEE


- Giá của than cám 4a Hòn Gai: 2.200 VNĐ /kg; - Nhiệt trị của viên nén mùn cưa: Qt

lv = 4.300 kcal/kg; - Giá của viên nén mùn cưa: 2.100 VNĐ /kg;

DỰ ÁN LCEE


PHỤ LỤC

Phụ lục 1 - Đặc tính của một số nhiên liệu sinh khối

Bảng 1- Đặc tính hóa học của một số nhiên liệu sinh khối điển hình

Loại nhiên liệu

% C % H % O % S % N % A % W % V Nhiệt trị

Q kcal/kg

Trấu 37-42 4-5 32-37 0,05-0,1 0,4-0,6 16-20 8-9 65 3.300 - 3.400

Rơm rạ 38-39 5-5,2 36-38 0,1-0,2 0,6-0,9 19-20 10-15 65-70 3.800 -3.900

Gỗ 40-50 6-7 40-45 - 0,5 2 18-20 80-85 4.000 -4.500 (khô)

Bã mía (sau khi ép) 45-50 5-6 40-43 0,04 0,1-0,2 2-3 40-50 85-86

2.000 -2.100 (ướt)

Bảng 2- Nhiệt trị của một số nhiên liệu sinh khối thường dùng


Nhiệt trị , Q kcal/kg

Trấu 3.300 - 3.400

Củi trấu 3.500 – 4.200

Viên nén trấu 3.600 - 4.200

Rơm rạ 3.800 - 3.900

Củi rơm 4.000 - 4.100

Gỗ 4.000 - 4.500

Mùn cưa 3.800

Viên nén mùn cưa 4.300

DỰ ÁN LCEE



Nhiệt trị , Q kcal/kg

Củi mùn cưa 4.200 - 4.700

Củi thường 2.100 - 2.300

Bã mía 2.000 - 2.100 (ướt)

4.530 (khô)

Lưu ý:

Thành phần hóa học của trấu và rơm rạ thay đổi theo loại thóc, mùa vụ canh tác, thổ nhưỡng của từng vùng miền. Thành phần hóa học của gỗ thay đổi theo loại cây và thổ nhưỡng của từng vùng miền.

Các số liệu liên quan đến nhiên liệu sinh khối được công bố trong các tài liệu nhiều khi không nhất quán, chúng chỉ mang tính tương đối để tham khảo. Sở dĩ như vậy vì khi công bố các tác giả chưa nêu rõ:

Thành phần hóa học của nhiên liệu là cho mẫu nào (khô, cháy hay làm việc)? Nhiệt trị của nhiên liệu là nhiệt trị loại nào (cao hay thấp)? Nhiệt trị của nhiên

liệu cho mẫu nào (mẫu làm việc, mẫu khô hay mẫu cháy)?

DỰ ÁN LCEE


Phụ lục 2 - Đặc tính của nước và hơi nước ở trạng thái bão hòa (theo áp suất dư - áp suất đồng hồ chỉ)

Áp suất dư kG/cm2 (at)

Nhiệt độ bão hòa 0C

Entanpy, kcal/kg

Hơi bão hòa khô h”

Nhiệt hóa hơi r

Nước bão hòa

h’

0 100 640 539 100

1 120,34 647,01 526,25 120,76

2 133,47 651,34 517,20 134,14

3 143,45 654,41 510,04 144,38

4 151,60 656,77 503,99 152,78

5 158,54 658,65 498,69 159,95

6 164,62 660,20 493,92 166,29

7 170,04 661,51 489,55 171,96

8 174,95 662,63 485,51 177,11

9 179,46 663,59 481,73 181,86

10 183,62 664,43 478,17 186,26

11 187,49 665,16 474,79 190,37

12 191,12 665,81 471,57 194,24

13 194,53 666,38 468,48 197,9

14 197,77 666,88 565,51 201,36

15 200,83 667,33 462,66 204,67

16 203,76 667,72 459,89 207,83

17 206,55 668,07 457,21 210,86

18 209,22 668,38 454,61 213,76

19 211,79 668,65 452,08 216,57

DỰ ÁN LCEE


Áp suất dư kG/cm2 (at)

Nhiệt độ bão hòa 0C

Entanpy, kcal/kg

Hơi bão hòa khô h”

Nhiệt hóa hơi r

Nước bão hòa

h’

20 214,26 668,89 449,62 219,27

21 216,64 669,10 447,21 221,89

22 218,93 669,28 444,86 224,42

23 221,16 669,43 442,55 226,88

24 223,31 669,56 440,30 229,26

25 225,39 669,67 438,08 231,59

Lưu ý: * Áp suất trong Bảng trên là áp suất dư ( áp suất do áp kế trên lò hơi chỉ ) * Áp suất dư = Áp suất tuyệt đối – Áp suất khí quyển (1 at) * Các công thức chuyển đổi hệ đơn vị đo:

1 kG/cm2 = 1 at = 0,981 bar = 0,1 MPa (0,0981)

1 kcal = 4,19 kJ

DỰ ÁN LCEE


Phụ lục 3 - Một số file Exel hỗ trợ tính toán

1. Tính hiệu suất của lò hơi theo phương pháp trực tiếp

2. Tính hiệu suất của lò hơi theo phương pháp gián tiếp

3. Tính hiệu quả kinh tế và tiết kiệm năng lượng của việc thay thế lò hơi đốt nhiên liệu hóa thạch bằng lò hơi đốt sinh khối

STT Thông số Đơn vị Giá trịSố liệu đầu vào

1 Công suất của lò, D t / h 10.00 2 Áp suất làm việc (áp suất dư), Plv bar (kg / cm2) 10.00 3 Loại nhiên liệu sử dụng (củi, viên nén, trấu,…) Đốt than

5 Khối lượng nhiên liệu sử dụng, B t / h 2.25 6 Nhiệt độ nước cấp, tnc

0C 85.00 7 Nhiệt hàm (Entanpy) của hơi ở Plv, ( Ih ) kcal / kg 665.00 9 Nhiệt hàm (Entanpy) của nước ở tnc, ( Inc ) kcal / kg 85.00

Giá trị tính toán

10

Hiệu suất của lò hơi

% 80.56

Tính hiệu suất lò hơi theo phương pháp trực tiếp

4 Nhiệt trị làm việc thấp, kcal / kg 3,200.00 lvtQ

%100..

)(.lvt

cnh

QBIID

DỰ ÁN LCEE


STT Thông số Đơn vị Giá trị

Số liệu đầu vào

1 Thành phần hóa học của nhiên liệuCarbon, C % 37.13 Hydro, H % 4.12 Oxy, O % 31.60 Lưu huỳnh, S % 0.05 Nitơ, N %Độ ẩm, W % 9.00

3 Lượng oxy có trong khói thải, % O2 % 7.00

4Lượng cacbonic có trong khói thải, %CO2

% 10.50

5 Nhiệt độ khói thải, tkh0C 220

6Nhiệt độ không khí môi trường xungquanh, tmt

0C 30

7 Độ ẩm không khí, d kg/ kg kk khô 0.022 Giá trị tính toán

4.37

3,250 2 Nhiệt trị làm việc thấp, kcal / kg

1

Lượng không khí lý thuyết cần thiết,

kg/ kg nhiên liệu

1.50

3

Lượng không khí thực tế cần thiết,

kg/ kg nhiên liệu 6.56

Tính hiệu suất lò hơi theo phương pháp gián tiếp

4

Tổn thất nhiệt do khói lò khô mang đi, qkh

% 11.76

2Hệ số không khí thừa, α

-

lvtQ

LtKKV

SOHCV Lt

KK 8867,2

100.23,01

2%2121

O

TtKKV

LtKK

TtKK VV .

2%)(.65,0

(%)CO

ttq mtkh

kh

DỰ ÁN LCEE


8Tổn thất nhiệt do bức xạ và các tổn thấtkhác chưa tính được, qbx

2% 2.00

10Hiệu suất của lò hơi, η

% 76.36

6

Tổn thất nhiệt do độ ẩm trong nhiên liệubay hơi,

% 1.85

7

Tổn thất nhiệt do độ ẩm có trong khôngkhí lấy đi,

% 0.39

9Tổng các tổn thất:

% 23.64

5

Tổn thất nhiệt do nước bay hơi từ phảnứng cháy của H có trong nhiên liệu, q H

% 7.64 lvt

mtkhH Q

ttHq

)(.45,05849(%)

nlWq

lvt

mtkhnlW Q

ttWq

)(.45,0584.(%)

KKWq

100.)(.45,0..

(%) lvt

mtkhTt

KKKKW Q

ttdVq

bxKKW

nlWHkhi qqqqqq

iq100

DỰ ÁN LCEE


STT Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị Số liệu đầu vào

1 Giá nhiên liệu 1 G1 VNĐ/kg 2,100 2 Giá nhiên liệu 2 G2 VNĐ/kg 900 3 Công suất lò hơi D tấn/giờ 6 4 Áp suất hơi bão hòa (áp suất dư) Plv kG/cm2 10.00 5 Nhiệt độ nước cấp vào lò tnc 0C 30.0 6 Nhiệt trị làm việc thấp của nhiên liệu cũ (1) kcal/kg 5,200 7 Hiệu suất của lò hơi cũ (1) η1 % 70.0 8 Số giờ hoạt động trong năm T giờ/năm 6,000 9 Nhiệt trị làm việc thấp của nhiên liệu thay thế (2) kcal/kg 3,250

10 Hiệu suất của lò hơi mới (2) η2 % 85.0 11 Nhiệt độ hơi bão hòa (Tra bảng) tbh 0C 180.0

12Nhiệt hàm (Entanpy) của hơi ở Plv, (Tra bảng)

Ihkcal / kg

665

13Nhiệt hàm (Entanpy) của nước ở tnc (Tra bảng)

Inc kcal / kg

30 Tính toán hiệu quả kinh tế

1 Nhiệt cần thiết để hóa hơi 1 tấn nước/h Qnc kcal/h 635,000 2 Nhiên liệu 1 cần thiết Qnc1 kg/h 174.45 3 Nhiên liệu 2 cần thiết Qnc1 kg/h 229.86 4 Chi phí nhiên liệu 1 C1 VNĐ/h 2,198,077 5 Chi phí nhiên liệu 2 C2 VNĐ/h 1,241,267 6 Lợi ích hàng năm thu được L VNĐ/năm 5,740,859,729

Tính toán hiệu quả tiết kiệm năng lượng1 Suất tiêu hao 1 STH1 kcal/tấn hơi 907,143 2 Suất tiêu hao 2 STH2 kcal/tấn hơi 747,059 3 % Năng lượng tiết kiệm %NLTK % 17.65

Tính hiệu quả kinh tế và tiết kiệm năng lượng của việc thay thế lò hơi đốt nhiên liệu hóa thạch bằng lò hơi đốt sinh khối

1lvtQ

2lvtQ

DỰ ÁN LCEE


Phụ lục 4 - Đáp án cho các bài tập trong mục 3.4

Bài tập 1-

+ Dựa vào công thức (3.2) tính mức xả đáy thích hợp cho lò hơi:

%100.(%)

abaDxa

trong đó: a - Tổng lượng chất rắn hòa tan trong nước cấp (ppm), a = 180 mg/l = 180 ppm;

b - Tổng lượng chất rắn hòa tan cho phép trong nước lò (ppm), b = 3.500 ppm (tra từ Bảng 1.6).

%04,5%100.180500.3

180(%)

xaD

+ Dựa vào công thức (3.1) tính lượng xả đáy thích hợp cho lò hơi:

hkgxDxD

D hoiloxaxa /4,302

100000.604,5

100(%)

Kết luận: Lượng xả đáy như người vận hành đang áp dụng (400 kg/h) là chưa hợp lý vì quá lớn so với lượng xả thích hợp đã được tính toán (302,4 kg/h). Điều này đã làm giảm hiệu suất của lò khoảng 0,3% do lãng phí nước và tổn hao nhiên liệu.

Bài tập 2-

+ Dựa vào công thức (1.35)- công thức Seigert, tính tổn thất nhiệt do khói thải khô mang đi:

B

COAttq mtkhkh

2

1

%.)((%)

trong đó: A1 và B - các hệ số Siegert. Đối với biomass A1 = 0,65 và B = 0; tkh - nhiệt độ khói thải: 275 0C; tmt - nhiệt độ môi trường xung quanh: 35 0C; % CO2 - lượng khí CO2 có trong khói thải: 8,8 % (cách xác định: biết thành phần O2 trong khói thải là 9 %, tra đồ thị Hình 1.13 tìm được lượng không khí dư là 75%, tra ngược lại từ đồ thị Hình 1.14 tìm được % CO2 là 8,8 %).

%7,1708,865,0.)35275((%)

khq

+ Qua tính toán cho thấy ước tính tổn thất nhiệt do khói thải khô mang đi qkh ≈ 17,7% là quá lớn.

+ Đề xuất một số giải pháp cơ bản để khắc phục: - Hệ số không khí thừa hiện tại α = 1,75 là quá cao (α tính từ công thức 1.13 theo

%O2 đo được trong khói thải). Đối với trường hợp đốt củi gỗ nên giảm xuống còn 1,4 đến 1,5 là hợp lý.

DỰ ÁN LCEE


- Nhiệt độ khói thải 2750C là quá cao, phải nghĩ tới phương án trang bị thêm bộ hâm nước để gia nhiệt cho nước cấp.

- Trong trường hợp đã có bộ hâm nước rồi thì phải nghĩ ngay tới các nguyên nhân khác, ví dụ như: phía bên trong các bề mặt trao đổi nhiệt của lò bị đóng cáu cặn quá mức, phía bên ngoài các bề mặt trao đổi nhiệt của lò bị bám bụi quá nhiều, tốc độ của quạt hút quá lớn, cấp nhiên liệu vào lò quá nhiều,.… Từ đây đưa ra các giải pháp hợp lý kèm theo, ví dụ như kiểm tra chất lượng làm việc của hệ thống xử lý nước, chế độ hoàn nguyên, chế độ xả đáy lò, chế độ thổi bụi bên ngoài các bề mặt truyền nhiệt,… Thậm chí phải dừng lò để phá cáu cặn bên trong, làm vệ sinh các bề mặt bên ngoài,…

Bài tập 3-

+ Tính năng lượng cần thiết trong 1 h để có được 10 tấn hơi bão hòa ở áp suất 10 kG/ cm2 khi chưa có hệ thống thu hồi nước ngưng (nước cấp có nhiệt độ 300 C):

- Tra đồ thị Hình 1.2 hoặc Bảng trong Phụ lục 2 của tài liệu này, tương ứng với P = 10 kG/cm2 có tbh = 180 0C và nhiệt hàm của hơi nước bão hòa khô ở nhiệt độ này: Ih = 665 kcal/kg;

- Nhiệt hàm của nước cấp ở 30 0C: Inc = 30 kcal/kg - Lượng nhiệt cần thiết để đun nóng 10 tấn nước trong thời gian 1 h từ 30 0C thành

hơi bão hòa khô có nhiệt độ 180 0C: (665 kcal/kg – 30 kcal/kg) x 10.000 kg/h = 6.350.000 kcal/h

+ Tính năng lượng cần thiết trong 1 h để có được 10 tấn hơi bão hòa ở áp suất 10 kG/ cm2 khi lắp đặt thêm hệ thống thu hồi nước ngưng có nhiệt độ 700 C:

- Lượng nước ngưng thu hồi được trong 1 h: 30 % x 10.000 = 3.000 kg/h

- Lượng nhiệt tiết kiệm được từ nước ngưng trong 1 h: 70 x 3.000 = 210.000 kcal/h

- Lượng nhiệt cần thiết để đun nóng 10 tấn nước trong thời gian 1 h thành hơi bão hòa khô có nhiệt độ 1800C khi có thêm hệ thống thu hồi nước ngưng:

6.350.000 – 210.000 = 6.140.000 kcal/kg

+ Tính hiệu quả TKNL thu được khi lắp đặt thêm hệ thống thu hồi nước ngưng:

%3,3%100.000.350.6

000.140.6000.350.6%

kiemtietNL

(Hiệu quả TKNL được tính theo đơn vị tương đối % nên tính cho 1 h cũng như cho 1 năm)

+ Tính hiệu quả kinh tế thu được từ việc lắp đặt thêm hệ thống thu hồi nước ngưng:

- Lượng nhiên liệu tiết kiệm được trong 1 h: 210.000 / (0,78 x 4.200) = 64 kg/h

- Lượng nhiên liệu tiết kiệm trong 1 năm (lò hoạt động 5.000 h/năm): 64 x 5.000 = 256.000 kg/năm

- Số tiền tiết kiệm trong 1 năm:

DỰ ÁN LCEE


256.000 x 2.100 = 537.600.000 VNĐ/năm

Bài tập 4-

a/ Tính hiệu quả kinh tế và hiệu quả TKNL mang lại từ việc thay thế lò hơi mới và chuyển đổi nhiên liệu:

+ Tính năng lượng cần thiết trong 1 h để cấp cho 1 tấn nước có nhiệt độ 300 C thành 1 tấn hơi bão hòa ở áp suất 8 kG/cm2.

- Tra đồ thị Hình 1.2 hoặc Bảng trong Phụ lục 2 của tài liệu này, tương ứng với P = 8 kG/cm2 có tbh = 1750C và nhiệt hàm của hơi nước bão hòa khô ở nhiệt độ này: Ih = 662,63 kcal/kg;

- Nhiệt hàm của nước cấp ở 30 0C: Inc = 30 kcal/kg - Lượng nhiệt cần thiết để đun nóng 1 tấn nước trong thời gian 1 h từ 300C thành

hơi bão hòa khô có nhiệt độ 1750C: (662,63 kcal/kg – 30 kcal/kg) x 1.000 kg/h = 632.630 kcal/h

+ Tính nhiên liệu cần thiết để có được 1 tấn hơi trong 1 h, ở áp suất 8 kG/cm2: - Đối với lò hơi cũ kiểu ghi xích đốt than cám 4a Hòn Gai:

632.630 / (0,6 x 6.000) = 175,7 kg/h

- Đối với lò hơi mới kiểu tầng sôi, đốt viên nén mùn cưa: 632.630 / (0,85 x 4.300) = 173,1 kg/h

+ Tính chi phí than cám 4a Hòn Gai cho 2 lò ghi xích công suất 4 t/h: 175,7 x 2.200 x 2 x 4 = 3.092.320 VNĐ/ h

+ Tính chi phí viên nén mùn cưa cho 1 lò hơi tầng sôi công suất 8 t/h: 173,1 x 2.100 x 8 = 2.908.080 VNĐ / h

+ Tính hiệu quả kinh tế hàng năm thu được (coi các lò hoạt động như nhau: 6.000 h/năm):

(3.092.320 – 2.908.080) x 6.000 = 1.105.440.000 VNĐ

+ Tính hiệu quả TKNL của việc thay thế 2 lò hơi ghi xích đốt than cám 4a Hòn Gai bằng lò hơi tầng sôi đốt viên nén mùn cưa.

% NL tiết kiệm = 100 % .(Suất tiêu hao cũ – Suất tiêu hao mới)/ Suất tiêu hao cũ

Viết gọn lại, ta có:

% NLTK = 100 % x ( STHc – STHm ) / STHc

(Hiệu quả tiết kiệm năng lượng được tính theo giá trị % tương đối nên so sánh cho 1 h cũng như so sánh cho 1 năm vì giả thiết số giờ các lò hoạt động là như nhau)

- Tính suất tiêu hao của lò hơi cũ kiểu ghi xích (coi 2 lò là như nhau): STHc = lv

tQ của than cám 4a x Số kg than cho một tấn hơi trong 1 h = 6.000 x 175,7

DỰ ÁN LCEE


= 1.054.200 kcal/ tấn hơi

- Tính suất tiêu hao của 1 lò hơi mới kiểu tầng sôi: STHm = lv

tQ của viên nén mùn cưa x Số kg viên nén cho 1 tấn hơi trong 1 h = 4.300 x 173,1 = 744.330 kcal/ tấn hơi

- Tính hiệu quả TKNL :

% NLTK = 100 % x (1.054.200 – 744.330) / 1.054.200

= 29 %

b/ Tính hiệu quả kinh tế và hiệu quả TKNL mang lại từ việc lắp đặt thêm bộ hâm nước

+ Theo nhà chế tạo cho biết nếu lắp thêm bộ hâm nước cho lò hơi mới thì có thể tăng thêm nhiệt độ nước cấp lên 250C nữa, có nghĩa là nhiệt độ nước cấp vào lò bây giờ sẽ là 550C.

+ Tính hiệu quả kinh tế hàng năm thu được do lắp đặt thêm bộ hâm nước cho lò hơi mới: - Lượng nhiệt cần thiết để đun nóng 1 tấn nước trong thời gian 1 h từ 55 0C thành

hơi bão hòa khô có nhiệt độ 1750C: (662,63 kcal/kg – 55 kcal/kg) x 1.000 kg/h = 607.630 kcal/h

- Lượng nhiệt tiết kiệm được trong 1 h đối với 1 tấn hơi do nâng được nhiệt độ nước cấp thêm 250C: 632.630 - 607.630 = 25.000 kcal/h

- Lượng viên nén tiết kiệm được trong 1 h đối với 1 tấn hơi do nâng được nhiệt độ nước cấp thêm 250C: 25.000 / (4.200 x 0,85) = 7 kg/h

- Chi phí tiết kiệm được trong 1 năm (6.000 h hoạt động) đối với lò hơi mới 8 t/h do nâng nhiệt độ nước cấp thêm 250C với giá của viên nén là 2.100 VNĐ/kg: 7 x 2.100 x 6.000 x 8 = 705.600.000 VNĐ

+ Tính hiệu quả TKNL thu được do lắp đặt thêm bộ hâm nước cho lò hơi mới:

% NLTK = 100 % x ( STHc – STHm ) / STHc

% NLTK = 100% x (632.630 – 607.630) / 632.630 = 4 %

DỰ ÁN LCEE


TÀI LIỆU THAM KHẢO

1- QCVN : 01 – 2008 /BLĐTBXH QUI CHUẨN KỸ THUẬT QUỐC GIA VỀ AN TOÀN LAO ĐỘNG NỒI HƠI VÀ BÌNH CHỊU ÁP LỰC

2- TIÊU CHUẨN QUỐC GIA TCVN 7704 : 2007 NỒI HƠI - Yêu cầu kỹ thuật về thiết kế, kết cấu chế tạo, lắp đặt, sử dụng và sửa chữa.

3- TIÊU CHUẨN QUỐC GIA TCVN 6820 : 2000 NỒI HƠI - Hiệu suất năng lượng và phương pháp thử.

4- Hướng dẫn kiểm toán năng lượng Tập I,Tập II (TKNL trong lĩnh vực nhiệt) - Dự án “Nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong các doanh nghiệp vừa và nhỏ”, 2010 (ECSME).

5- Tái sử dụng chất thải sinh khối cho lò hơi công nghiệp để thu hồi năng lượng - Dự án “Hiệu quả năng lượng và thu hồi năng lượng cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ tiểu vùng sông Mê Kông thuộc Hiệp hội các Quốc gia Đông Nam Á”, 2006 (do quỹ ASEAN tài trợ).

6- Hướng dẫn sử dụng năng lượng hiệu quả trong ngành công nghiệp Châu Á - Dự án “Giảm phát thải nhà kính của ngành công nghiệp các nước khu vực Châu Á - Thái Bình Dương”, 2006 (GERIAP).

7- Công nghệ lò hơi và mạng nhiệt - TS. Phạm Lê Dần, TS. Nguyễn Công Hân - NXB KH & KT, 2005.

8- Lý thuyết cháy và công nghệ đốt nhiên liệu - TS Bùi Tuyên - NXB ĐHBK HCM, 2015.

Documents

Chương II LÒ HƠI SINH KHỐI