Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Lý do chọn đề tài và bối cảnh thực tiễn

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, ngành công nghệ năng lượng và kỹ thuật nhiệt giữ vai trò nòng cốt đối với sự phát triển của các ngành công nghiệp nặng. Theo các số liệu thống kê tại các quốc gia phát triển được tác giả trích dẫn, hệ thống lò công nghiệp tiêu thụ hơn 50% tổng lượng nhiên liệu đốt hàng năm và khoảng 25% tổng năng lượng điện. Lò công nghiệp hiện diện rộng rãi trong các quy trình nhiệt luyện, luyện kim, sản xuất gốm sứ và sấy công nghiệp.

Tại Việt Nam, ngành công nghiệp thép ghi nhận sự tăng trưởng mạnh mẽ với hầu hết các tỉnh thành đều có cơ sở sản xuất hoặc gia công cán thép. Theo số liệu năm 2022 của Hiệp hội Thép Việt Nam, sản lượng thép thành phẩm cả nước đạt 29,339 triệu tấn. Trong quy trình công nghệ cán thép nóng, phôi thép trước khi đưa vào dây chuyền cán định hình (thép hình, thép tròn) bắt buộc phải được nung nóng đồng đều đến dải nhiệt độ công nghệ từ $1150^\circ\text{C}$ đến $1245^\circ\text{C}$. Việc tính toán, thiết kế một hệ thống lò nung liên tục vừa đảm bảo các yêu cầu nhiệt luyện kim khắt khe vừa tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng là bài toán kỹ thuật có ý nghĩa thực tiễn lớn.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu cốt lõi của đồ án là áp dụng các phương pháp tính toán nhiệt kỹ thuật để thiết kế hoàn chỉnh hệ thống lò nung liên tục phục vụ nung phôi thép cán sử dụng nhiên liệu dầu FO, hướng tới tối ưu hóa tiêu hao năng lượng và đảm bảo chất lượng phôi nung ra lò. Đồ án xác định 5 nhiệm vụ tính toán và thiết kế cụ thể:

  1. Tính toán quá trình cháy của nhiên liệu dầu FO, xác định lượng không khí cần thiết, sản phẩm cháy và nhiệt độ cháy.
  2. Xác định chế độ nung hợp lý và tính toán thời gian nung kim loại qua các giai đoạn nhiệt độ.
  3. Lựa chọn cấu trúc, kích thước nội hình - ngoại hình lò, thiết lập bảng cân bằng nhiệt và xác định lượng tiêu hao dầu FO thực tế.
  4. Tính toán và thiết kế kết cấu cụm mỏ phun cao áp dùng khí nén đốt dầu FO.
  5. Tính toán khí động hệ thống cung cấp không khí nung và hệ thống thoát khói lò.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Lò nung liên tục nung phôi thép cán một dãy, nung một mặt, vận hành bằng nhiên liệu dầu FO.
  • Phạm vi thông số kỹ thuật đầu vào:
    • Năng suất thiết kế của lò: $P = 16.000\text{ kg/h}$ (tương đương 16 tấn/giờ).
    • Vật liệu nung: Phôi thép cán có thành phần hóa học gồm 0,24% – 0,26% C; 0,42% – 0,45% Mn; 0,23% – 0,28% Si.
    • Quy cách phôi thép: Kích thước hình học tiết diện $125 \times 125\text{ mm}$, chiều dài phôi $2.500\text{ mm}$.
    • Chế độ nhiệt phôi: Nhiệt độ đầu vào lò $t_{\text{vào}} = 25^\circ\text{C} \div 30^\circ\text{C}$, nhiệt độ phôi yêu cầu khi ra lò $t_{\text{ra}} = 1245^\circ\text{C} \div 1250^\circ\text{C}$.
    • Nhiên liệu sử dụng: Dầu nặng FO có thành phần phần trăm khối lượng: $C^{\text{lv}} = 83,2%$; $H^{\text{lv}} = 7,9%$; $S^{\text{lv}} = 1,2%$; $O^{\text{lv}} = 2,4%$; $N^{\text{lv}} = 1,5%$; $W^{\text{lv}} = 1,4%$; $A^{\text{lv}} = 2,4%$.
    • Thông số sấy sơ bộ: Không khí được sấy nóng trước đến $t_{\text{kk}} = 300^\circ\text{C}$, dầu FO được gia nhiệt trước đến $t_{\text{FO}} = 110^\circ\text{C}$.
  • Thời gian và đơn vị thực hiện: Đồ án được thực hiện từ ngày 18/8/2024 đến ngày 26/11/2024 tại Khoa Công nghệ Năng lượng, Trường Đại học Điện Lực Hà Nội.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán

Khung lý thuyết và mô hình tính toán nhiệt

Đồ án ứng dụng hệ thống lý thuyết nhiệt kỹ thuật chuyên sâu dùng trong thiết kế lò công nghiệp:

  • Lý thuyết nhiệt hóa học và quá trình cháy: Xác định phản ứng oxy hóa hoàn toàn của các nguyên tố $C, H, S$ trong dầu FO; tính toán nhiệt trị thấp ($Q_t$) theo công thức Mendeleev; cân bằng vật chất pha khí và xác định entanpy của hỗn hợp sản phẩm cháy theo nhiệt độ.
  • Lý thuyết truyền nhiệt phức hợp trong không gian lò: Bao gồm truyền nhiệt bức xạ thể tích từ sản phẩm cháy (với sự tham gia chủ yếu của các khí ba nguyên tử $\text{CO}_2, \text{H}_2\text{O}$ phụ thuộc áp suất riêng phần và chiều dày bức xạ có hiệu), bức xạ tương hỗ giữa tường lò - kim loại, truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức từ dòng khí lò, và dẫn nhiệt không ổn định bên trong vật nung.
  • Phương pháp tiêu chuẩn không thứ nguyên (Biot - Fourier): Ứng dụng các tiêu chuẩn dẫn nhiệt $\text{Bi}$ ($\text{Biot}$) và $\text{Fo}$ ($\text{Fourier}$) cùng giản đồ nhiệt nung kim loại để tính toán chính xác biến thiên trường nhiệt độ từ bề mặt vào tâm phôi thép, từ đó xác định thời gian nung cần thiết cho từng vùng.
  • Phương pháp cân bằng nhiệt thuận - nghịch: Lập phương trình cân bằng năng lượng tổng thể giữa các nguồn nhiệt thu vào (nhiệt cháy nhiên liệu, nhiệt mang vào của không khí nóng, nhiệt nung trước dầu, nhiệt tỏa do phản ứng oxy hóa sắt) và các khoản chi nhiệt (nung kim loại, tổn thất do cháy không hoàn toàn, dẫn nhiệt qua tường - nóc - đáy, bức xạ và lọt khí qua cửa lò, nhiệt mang đi của khói thải và nước làm mát).
          [Nhiên liệu FO + Không khí nóng]

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Tác giả sử dụng phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật công nghiệp kết hợp mô hình hóa bán thực nghiệm:

  • Phương pháp lập bảng cân bằng khối lượng cho $100\text{ kg}$ nhiên liệu nhằm kiểm soát sai số phản ứng cháy.
  • Phương pháp tra cứu giản đồ thực nghiệm kết hợp giải thuật nội suy toán học để xác định entanpy khói, hệ số dẫn nhiệt của thép ($\lambda$) theo nhiệt độ và hàm lượng carbon.
  • Phương pháp giải phương trình cân bằng nhiệt phi tuyến bằng phương pháp lặp xác định nhiệt độ mặt ngoài thể xây ($t_{w2}$) và lượng tiêu hao nhiên liệu một giờ ($B$).

Thiết kế kỹ thuật và giải pháp công nghệ

Kiến trúc hình học lò nung liên tục

Hệ thống lò được thiết kế dạng lò nung liên tục 3 đoạn nhiệt độ riêng biệt, vận hành theo cơ chế phôi trượt liên tục trên hai hàng gạch chịu lửa:

  • Vùng sấy (nung sơ bộ): Tận dụng nhiệt thừa của dòng khói đi ngược chiều để sấy nóng phôi từ $30^\circ\text{C}$ lên $600^\circ\text{C}$ ở bề mặt nhằm hạn chế tối đa ứng suất nhiệt gây nứt phôi.
  • Vùng nung: Cung cấp nhiệt lượng chính để nâng nhiệt độ bề mặt phôi lên nhiệt độ gia công $1250^\circ\text{C}$, nhiệt độ khí lò duy trì ổn định ở $1350^\circ\text{C}$.
  • Vùng đồng nhiệt: Giữ nhiệt độ bề mặt ổn định ở $1250^\circ\text{C}$ để truyền nhiệt sâu vào tâm phôi, giảm độ chênh lệch nhiệt độ mặt - tâm xuống dưới mức giới hạn cho phép trước khi ra lò.
Thông số kích thước Vùng sấy Vùng nung Vùng đồng nhiệt Toàn lò
Chiều dài nội hình hữu ích ($L_{\text{ch}}$) $8.533\text{ mm}$ $14.970\text{ mm}$ $1.234\text{ mm}$ $24.740\text{ mm}$
Chiều dài nội hình thực tế ($L_{\text{tt}}$) $9.003\text{ mm}$ $14.970\text{ mm}$ $2.134\text{ mm}$ $26.140\text{ mm}$
Chiều rộng nội hình ($B_{\text{trong}}$) $3.000\text{ mm}$ $3.000\text{ mm}$ $3.000\text{ mm}$ $3.000\text{ mm}$
Chiều cao có hiệu ($H_{\text{ch}}$) $768\text{ mm}$ $1.350\text{ mm}$ $994\text{ mm}$ —
Chiều cao nội hình thực tế ($H_{\text{tt}}$) $894\text{ mm}$ $1.475\text{ mm}$ $1.120\text{ mm}$ —
Chiều rộng ngoại hình ($B_{\text{ngoài}}$) $3.946\text{ mm}$ $3.946\text{ mm}$ $3.946\text{ mm}$ $3.946\text{ mm}$
Chiều cao ngoại hình ($H_{\text{ngoài}}$) $1.848\text{ mm}$ $2.429\text{ mm}$ $2.074\text{ mm}$ —
Chiều dài ngoại hình ($L_{\text{ngoài}}$) $9.471\text{ mm}$ $14.970\text{ mm}$ $2.607\text{ mm}$ $27.048\text{ mm}$

Giải pháp vật liệu thể xây và cách nhiệt

Kết cấu thể xây lò được tối ưu hóa cho từng bề mặt nhằm giảm thiểu thất thoát nhiệt dẫn qua vỏ lò:

  • Tường lò (Tổng dày $473\text{ mm}$ bao gồm vỏ thép $5\text{ mm}$): Lớp trong cùng tiếp xúc lửa là gạch cao nhôm dày $234\text{ mm}$; lớp cách nhiệt trung gian bằng gạch samốt nhẹ dày $117\text{ mm}$; lớp ngoài cùng là gạch điatômít dày $117\text{ mm}$.
  • Nóc lò (Kết cấu nóc treo phẳng, tổng dày $350\text{ mm}$): Lớp chịu lửa bằng gạch cao nhôm dày $234\text{ mm}$, lớp cách nhiệt bằng gạch điatômít dày $117\text{ mm}$ (không bọc vỏ thép ngoài).
  • Đáy lò (Tổng dày $604\text{ mm}$): Phân chia theo từng vùng làm việc:
    • Vùng sấy: Gạch Samốt A ($117\text{ mm}$) + Điatômít ($68\text{ mm}$) + Samốt A ($117\text{ mm}$) + Samốt C ($68\text{ mm}$) + Gạch đỏ ($234\text{ mm}$).
    • Vùng nung: Gạch Cao nhôm ($117\text{ mm}$) + Điatômít ($68\text{ mm}$) + Samốt A ($117\text{ mm}$) + Samốt C ($68\text{ mm}$) + Gạch đỏ ($234\text{ mm}$).
    • Vùng đồng nhiệt: Gạch Manhêzít kiềm tính ($117\text{ mm}$) + Điatômít ($68\text{ mm}$) + Samốt A ($117\text{ mm}$) + Samốt C ($68\text{ mm}$) + Gạch đỏ ($234\text{ mm}$).

Hệ thống mỏ phun nhiên liệu cao áp

  • Lựa chọn giải pháp mỏ phun cao áp sử dụng không khí nén làm chất biến bụi nhằm hạ giá thành vận hành (không phụ thuộc lò hơi phụ trợ), tăng khả năng hòa trộn oxy và thuận tiện thông rửa đường ống khi tắc dầu.
  • Tổng số mỏ phun: 12 mỏ. Phân bổ: 8 mỏ tại vùng nung (chia đều 4 mỏ mỗi bên tường lò, bố trí so le vuông góc với tường để ngọn lửa phủ kín không gian lò mà không va đập trực tiếp vào nhau) và 4 mỏ tại vùng đồng nhiệt.
  • Áp suất không khí nén cấp vào mỏ: $800 \div 1000\text{ kN/m}^2$, nhiệt độ $50^\circ\text{C}$; suất tiêu hao khí nén biến bụi $\varphi = 1\text{ kg khí nén/kg dầu FO}$.
  • Áp suất dư dầu FO trước vòi phun: $P_{\text{dầu}} = 2\text{ bar}$, vận tốc phun dầu tại miệng vòi $\omega_{\text{dầu}} = 4,059\text{ m/s}$, công suất mỗi mỏ đạt $G_1 = 0,015\text{ kg/s}$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tính toán sự cháy của nhiên liệu

Chương này tập trung xác định toàn bộ các chỉ số hóa lý của quá trình cháy dầu FO với hệ số tiêu hao không khí $\alpha = 1,2$:

  • Nhiệt trị thấp của dầu FO tính toán đạt $Q_t = 36.539,4\text{ kJ/kg}$ ($3.441,49\text{ kJ/m}^3\text{tc}$).
  • Lượng không khí lý thuyết cần thiết: $L_0 = 9,605\text{ m}^3\text{tc/kg}$; lượng không khí thực tế cấp vào lò: $L_\alpha = 11,526\text{ m}^3\text{tc/kg}$.
  • Thể tích sản phẩm cháy lý thuyết: $V_0 = 10,009\text{ m}^3\text{tc/kg}$; thể tích sản phẩm cháy thực tế: $V_\alpha = 12,011\text{ m}^3\text{tc/kg}$.
  • Thành phần phần trăm thể tích của sản phẩm cháy: $\text{CO}_2 = 12,72%$; $\text{H}_2\text{O} = 8,1%$; $\text{O}_2 = 3,2%$; $\text{N}_2 = 75,91%$; $\text{SO}_2 = 0,12%$.
  • Khối lượng riêng của sản phẩm cháy ở điều kiện tiêu chuẩn: $\rho_0 = 1,312\text{ kg/m}^3\text{tc}$.
  • Nhiệt độ cháy lý thuyết của dầu FO đạt $t_{\text{lt}} = 2077,7^\circ\text{C}$; với hệ số nhiệt độ $\eta = 0,75$ đối với lò nung liên tục, nhiệt độ cháy thực tế đạt $t_{\text{tt}} = 1558^\circ\text{C}$.

Chương II: Chọn chế độ nung và tính thời gian nung kim loại

Chương II giải quyết bài toán động học truyền nhiệt để thiết lập thời gian lưu và chiều dài lò:

  • Xây dựng giản đồ nhiệt độ nung 3 vùng: Vùng sấy nâng nhiệt khí lò từ $700^\circ\text{C} \to 1350^\circ\text{C}$, bề mặt phôi đạt $600^\circ\text{C}$; Vùng nung giữ nhiệt khí lò $1350^\circ\text{C}$, bề mặt phôi đạt $1250^\circ\text{C}$; Vùng đồng nhiệt giảm nhiệt khí lò xuống $1300^\circ\text{C}$, giữ bề mặt phôi ở $1250^\circ\text{C}$ và nâng nhiệt độ tâm phôi.
  • Hệ số trao đổi nhiệt tổng cộng vùng sấy đạt $\alpha_\Sigma = 118,25\text{ W/m}^2\text{K}$; hệ số dẫn nhiệt sơ bộ của thép ở vùng sấy $\lambda_0 = 49,495\text{ W/mK}$ giảm dần về $35,428\text{ W/mK}$ ở vùng nhiệt độ cao.
  • Thời gian nung lý thuyết từng vùng xác định theo tiêu chuẩn Fourier ($\text{Fo}$) và Biot ($\text{Bi}$): Thời gian sấy $\tau_s = 1,3\text{ giờ}$; thời gian nung $\tau_n = 1,9\text{ giờ}$; thời gian đồng nhiệt $\tau_{\text{đn}} = 0,188\text{ giờ}$.
  • Do bề mặt kim loại bị tạo vảy oxit cản trở truyền nhiệt, thời gian nung thực tế được tăng thêm 20% đối với giai đoạn nung: $$\tau_\Sigma = \tau_s + 1,2 \times \tau_n + \tau_{\text{đn}} = 1,3 + 1,2 \times 1,9 + 0,188 = 3,7\text{ giờ}$$
  • Chiều dài lò hữu ích đạt $24,74\text{ m}$; chiều dài lò thực tế bao gồm kênh khói đầu lò ($0,5\text{ m}$) và cửa ra phôi ngang ($0,9\text{ m}$) là $26,14\text{ m}$.

Chương III: Chọn thể xây và tính cân bằng nhiệt

Chương III thiết lập các phương trình cân bằng năng lượng chi tiết để tìm ẩn số tiêu hao nhiên liệu $B$:

  • Các khoản nhiệt thu ($Q_{\text{thu}}$):
    • Nhiệt cháy dầu FO: $Q_c = 10.231 \times B\text{ [W]}$
    • Nhiệt do không khí nóng mang vào ($300^\circ\text{C}$): $Q_{\text{kk}} = 1.276 \times B\text{ [W]}$
    • Nhiệt do sấy dầu trước ($110^\circ\text{C}$): $Q_{\text{dầu}} = 67 \times B\text{ [W]}$
    • Nhiệt tỏa ra do phản ứng oxy hóa cháy sắt ($0,5%$ hao hụt, $q = 5.650\text{ kJ/kg}$): $Q_{\text{tỏa}} = 126.560\text{ W}$
  • Các khoản nhiệt chi ($Q_{\text{chi}}$):
    • Nhiệt hữu ích nung thép ($30^\circ\text{C} \to 1240^\circ\text{C}$): $Q_1 = 3.784.256\text{ W}$
    • Tổn thất do cháy không hoàn toàn hóa học (tạo $\text{CO}, \text{H}_2$): $Q_2 = 204,3 \times B\text{ [W]}$
    • Tổn thất do cháy không hoàn toàn cơ học ($K = 0,005$): $Q_3 = 51,16 \times B\text{ [W]}$
    • Tổn thất dẫn nhiệt qua thể xây (tường: $101.134,49\text{ W}$, nóc: $178.930,06\text{ W}$, đáy: $15.170,17\text{ W}$): $Q_4 = 295.234,72\text{ W}$
    • Tổn thất bức xạ qua cửa mở: $Q_5 = 13.775,09\text{ W}$
    • Tổn thất do lọt sản phẩm cháy qua cửa mở: $Q_6 = 171.191,69\text{ W}$
    • Tổn thất do khói thải mang ra kênh khói ($700^\circ\text{C}$): $Q_7 = 3.449,55 \times B - 160.544,1\text{ [W]}$
    • Tổn thất do nước làm mát khung cửa vào/ra liệu ($5% Q_{\text{thu}}$): $Q_8 = 578,7 \times B + 6.328\text{ [W]}$
  • Kết quả giải phương trình cân bằng: Lượng dầu FO tiêu hao thực tế $B = 510\text{ kg/h}$.
Hạng mục nhiệt lượng Ký hiệu Giá trị tính toán (W) Tỷ trọng phần trăm (%)
Nhiệt thu:
- Nhiệt cháy của dầu FO $Q_c$ $5.217.810$ $86,54%$
- Nhiệt mang vào từ không khí nóng $Q_{\text{kk}}$ $650.760$ $10,79%$
- Nhiệt mang vào từ dầu gia nhiệt $Q_{\text{dầu}}$ $34.170$ $0,57%$
- Nhiệt tỏa do oxy hóa bề mặt thép $Q_{\text{tỏa}}$ $126.560$ $2,10%$
Tổng nhiệt thu ($\sum Q_{\text{thu}}$) $6.029.300$ $100,00%$
Nhiệt chi:
- Nhiệt hữu ích nung kim loại $Q_1$ $3.784.256$ $60,11%$
- Mất do cháy không hoàn toàn hóa học $Q_2$ $104.193$ $1,66%$
- Mất do cháy không hoàn toàn cơ học $Q_3$ $26.091,6$ $0,41%$
- Mất do dẫn nhiệt qua kết cấu lò $Q_4$ $295.234,72$ $4,69%$
- Mất do bức xạ qua cửa lò khi mở $Q_5$ $13.775,09$ $0,22%$
- Mất do lọt sản phẩm cháy qua cửa $Q_6$ $171.191,69$ $2,72%$
- Mất theo khói thải vào kênh khói $Q_7$ $1.598.726,4$ $25,40%$
- Mất qua nước làm mát cửa lò $Q_8$ $301.465$ $4,79%$
Tổng nhiệt chi ($\sum Q_{\text{chi}}$) $6.294.933,5$ $100,00%$

Chương IV: Tính toán mỏ phun dầu FO

Chương này thực hiện thiết kế chi tiết cụm đầu đốt công nghiệp:

  • Xác định lưu lượng dầu FO danh định toàn lò có tính đến hệ số dự phòng $B^* = 550\text{ kg/h}$ ($0,153\text{ kg/s}$).
  • Thiết kế 12 mỏ phun làm việc song song, công suất mỗi mỏ đạt $G_1 = 0,015\text{ kg/s}$.
  • Tính toán khối lượng riêng dầu ở nhiệt độ gia nhiệt $110^\circ\text{C}$ đạt $\rho_{\text{dầu}} = 981\text{ kg/m}^3$ (với hệ số giãn nở thể tích $\alpha_{\text{dầu}} = 72 \times 10^{-5}\text{ 1/}^\circ\text{C}$, $\rho_{20} = 1044\text{ kg/m}^3$).
  • Xác định tiết diện miệng phun dầu $F_1$, đường kính lỗ phun $d_{\text{dầu}}$ và lưu lượng thể tích $V_{\text{dầu}} = 1,53 \times 10^{-5}\text{ m}^3\text{s}$ trên mỗi mỏ phun.

Chương V: Tính toán hệ thống cấp gió và thoát khói của lò

Chương V tính toán khí động lực học toàn hệ thống đường ống:

  • Tính toán đường kính và trở lực đường ống dẫn không khí cấp từ quạt gió đến bộ sấy không khí và mỏ phun.
  • Xác định tổn thất áp suất ma sát, tổn thất cục bộ và tổn thất áp suất hình học dọc theo kênh dẫn khói thải.
  • Lựa chọn quạt cấp gió ly tâm đáp ứng đủ lưu lượng thể tích $L_\alpha$ và cột áp vượt qua toàn bộ trở lực hệ thống.
  • Xác định kích thước đường kính và chiều cao ống khói đảm bảo sức hút tự nhiên kết hợp lực đẩy cưỡng bức, phát tán khí thải đạt yêu cầu môi trường.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

Bảng tổng hợp các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của lò

Các kết quả tính toán nhiệt động học chính của hệ thống lò nung liên tục được tổng hợp trong bảng chuẩn kỹ thuật sau:

Chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật Ký hiệu Giá trị tính toán Đơn vị đo
Năng suất nung thép của lò $P$ $16.000$ $\text{kg/h}$
Lượng tiêu hao dầu FO thực tế $B$ $510$ $\text{kg/h}$
Suất tiêu hao nhiên liệu tiêu chuẩn $b_1$ $0,0397$ $\text{kg/kg thép}$
Suất tiêu hao dầu FO thực tế $b_2$ $0,032$ $\text{kg/kg thép}$
Hệ số sử dụng nhiên liệu có ích $\eta_{\text{nl}}$ $70,10$ $%$
Hệ số sử dụng nhiệt có ích $\eta_{\text{ci}}$ $61,19$ $%$
Hệ số sử dụng nhiệt toàn lò $\eta_t$ $73,00$ $%$
Tổng thời gian nung kim loại $\tau_\Sigma$ $3,7$ $\text{giờ}$
Tổng chiều dài thực tế của lò $L_{\text{lò}}$ $26,14$ $\text{m}$

Giải pháp kỹ thuật do tác giả đề xuất

  1. Tận dụng nhiệt tuần hoàn: Nung sơ bộ không khí cháy lên $300^\circ\text{C}$ và dầu FO lên $110^\circ\text{C}$ giúp đưa ngược $684.930\text{ W}$ nhiệt lượng vào buồng đốt, trực tiếp nâng hiệu số nhiệt hữu ích $\eta_t$ lên $73%$.
  2. Cấu hình bố trí mỏ đốt so le: Việc chia 8 mỏ nung thành hai hàng so le hai bên thành lò loại bỏ điểm tập trung nhiệt cục bộ, giúp trường nhiệt độ phân bố phẳng trên chiều rộng $3\text{ m}$ của mặt phôi.
  3. Phân tầng thể xây đa lớp tối ưu: Phối hợp các lớp gạch chịu nhiệt cao (Cao nhôm, Manhêzít) và gạch cách nhiệt xốp (Điatômít, Samốt nhẹ) giúp khống chế tổn thất dẫn nhiệt qua vỏ chỉ còn $4,69%$ tổng chi nhiệt.

Đóng góp kỹ thuật của đồ án

Đồ án đã cung cấp một quy trình tính toán nhiệt và cơ khí hoàn chỉnh, liền mạch từ khâu hóa lý phản ứng cháy đến thiết kế cấu tạo hình học, cụm đầu đốt và hệ thống phụ trợ khói gió cho lò nung công nghiệp công suất trung bình lớn ($16\text{ tấn/h}$). Các thuật toán tính truyền nhiệt không ổn định theo tiêu chuẩn Biot - Fourier được giải chi tiết, làm tài liệu tham khảo có độ tin cậy cao cho việc thiết kế các thiết bị nhiệt tương tự.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế kỹ thuật

  • Giả thiết tính toán tổn thất đáy: Do độ phức tạp của truyền nhiệt qua nền móng tiếp xúc đất, tổn thất nhiệt qua đáy lò đang được ước tính theo công thức thực nghiệm bằng $15%$ tổn thất tường ($Q_{\text{đáy}} = 0,15 \times Q_{\text{tường}}$) thay vì giải phương trình vi phân truyền nhiệt 2 chiều.
  • Giới hạn cơ chế nung: Đồ án thiết kế theo phương án nung một mặt (nung trên mặt), làm tăng tổng chiều dài lò ($26,14\text{ m}$) và kéo dài thời gian nung ($3,7\text{ h}$) so với phương án nung hai mặt trên - dưới.
  • Giả thiết chế độ mở cửa cố định: Tính toán tổn thất bức xạ và lọt khí qua cửa lò dựa trên giả định thời gian mở cửa cố định $20\text{ giây/lần}$ với tần suất vào phôi theo chu kỳ đơn giản, chưa tính đến các chế độ dừng lò khẩn cấp hoặc nghẽn phôi.

Hướng mở rộng nghiên cứu

  • Nghiên cứu chuyển đổi hoặc nâng cấp kết cấu lò sang phương án nung hai mặt (bố trí dàn ống trượt làm mát bằng nước) để rút ngắn thời gian nung và giảm kích thước chiều dài lò.
  • Thiết kế tích hợp bộ trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt khói thải dạng kim loại hoặc gốm sứ để nâng nhiệt độ sấy không khí cháy lên trên $400^\circ\text{C}$, giảm nhiệt độ khói thải xuống dưới $400^\circ\text{C}$.
  • Ứng dụng công cụ mô phỏng số khí động lực học (CFD) để khảo sát chi tiết trường vận tốc ngọn lửa và phân bố nồng độ phát thải khí $\text{SO}_2, \text{NO}_x$.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng thụ hưởng:
    • Sinh viên và học viên cao học thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Nhiệt, Công nghệ Năng lượng, Điện Lạnh, Luyện kim và Vật liệu xây dựng.
    • Kỹ sư thiết kế, cán bộ kỹ thuật vận hành hệ thống lò nung phôi tại các nhà máy cán thép công nghiệp.
  • Các phần nội dung có giá trị tham khảo cao nhất:
    • Quy trình từng bước xác định các tiêu chuẩn $\text{Bi}$ và $\text{Fo}$ để tính thời gian nung phôi kim loại có xét đến lớp vảy oxit cách nhiệt (Chương II).
    • Phương pháp thiết lập và giải hệ phương trình cân bằng nhiệt thuận - nghịch xác định chính xác lượng tiêu hao nhiên liệu $B$ và các hệ số sử dụng nhiệt (Chương III).
    • Chuỗi công thức khí động tính chọn kích thước vòi phun áp lực cao dùng chất khí nén biến bụi cho nhiên liệu dầu nặng FO (Chương IV).

Câu hỏi thường gặp

1. Năng suất và kích thước phôi thép đầu vào của lò được thiết kế là bao nhiêu?

Lò được thiết kế với năng suất nung định mức $P = 16.000\text{ kg/h}$ (16 tấn/giờ). Phôi thép nung là thép carbon thấp (0,24% - 0,26% C) có kích thước tiết diện vuông $125 \times 125\text{ mm}$, chiều dài phôi $2.500\text{ mm}$, khối lượng mỗi phôi đạt $304,7\text{ kg}$. Phôi vào lò ở nhiệt độ $25^\circ\text{C} \div 30^\circ\text{C}$ và ra lò đạt $1245^\circ\text{C} \div 1250^\circ\text{C}$.

2. Nhiệt độ cháy lý thuyết và nhiệt độ cháy thực tế của dầu FO đạt bao nhiêu?

Nhiệt trị thấp của dầu FO đạt $Q_t = 36.539,4\text{ kJ/kg}$. Khi đốt cháy với hệ số tiêu hao không khí $\alpha = 1,2$, nhiệt độ nung trước không khí $300^\circ\text{C}$ và dầu $110^\circ\text{C}$, nhiệt độ cháy lý thuyết của nhiên liệu là $t_{\text{lt}} = 2077,7^\circ\text{C}$. Nhiệt độ cháy thực tế trong không gian buồng nung đạt $t_{\text{tt}} = 1558^\circ\text{C}$ (ứng với hệ số giữ nhiệt $\eta = 0,75$).

3. Cấu trúc nội hình của lò được phân chia thành những vùng nào và kích thước ra sao?

Nội hình lò có chiều rộng đồng nhất $B = 3.000\text{ mm}$, được chia làm 3 vùng nhiệt độ:

  • Vùng sấy: Chiều dài thực tế $9.003\text{ mm}$, chiều cao thực tế $894\text{ mm}$.
  • Vùng nung: Chiều dài thực tế $14.970\text{ mm}$, chiều cao thực tế $1.475\text{ mm}$.
  • Vùng đồng nhiệt: Chiều dài thực tế $2.134\text{ mm}$, chiều cao thực tế $1.120\text{ mm}$. Tổng chiều dài thực tế của lò là $26,14\text{ m}$.

4. Lượng tiêu hao dầu FO và các chỉ số hiệu suất nhiệt của lò đạt giá trị nào?

Kết quả giải phương trình cân bằng nhiệt cho thấy lượng dầu FO tiêu hao ở chế độ làm việc ổn định là $B = 510\text{ kg/h}$. Suất tiêu hao dầu FO thực tế là $0,032\text{ kg dầu/kg thép}$ (tương đương $0,0397\text{ kg nhiên liệu tiêu chuẩn/kg thép}$). Hệ số sử dụng nhiên liệu có ích đạt $70,1%$, hệ số sử dụng nhiệt có ích đạt $61,19%$ và hệ số sử dụng nhiệt toàn lò đạt $73%$.

5. Số lượng và nguyên lý làm việc của mỏ phun nhiên liệu được lựa chọn như thế nào?

Hệ thống sử dụng 12 mỏ phun cao áp dùng không khí nén làm chất biến bụi dầu FO (áp suất khí nén $800 \div 1000\text{ kN/m}^2$, suất tiêu hao $1\text{ kg khí nén/kg dầu}$). Vùng nung bố trí 8 mỏ chia đều hai bên tường theo phương so le vuông góc; vùng đồng nhiệt bố trí 4 mỏ. Công suất định mức của mỗi mỏ phun là $G_1 = 0,015\text{ kg/s}$, tốc độ phun dầu tại miệng vòi đạt $4,059\text{ m/s}$ ở áp suất dư dầu $2\text{ bar}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Tính toán thiết kế lò nung liên tục, nung thép cán" của nhóm tác giả Khoa Công nghệ Năng lượng, Trường Đại học Điện Lực đã hoàn thành toàn diện nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật nhiệt cho hệ thống lò nung công nghiệp năng suất 16 tấn/giờ. Công trình giải quyết chuẩn xác chuỗi bài toán từ tính toán quá trình cháy, động học truyền nhiệt nung kim loại đến cân bằng nhiệt, thiết kế kết cấu thể xây và cụm mỏ đốt dầu FO cao áp. Kết quả nghiên cứu đạt được các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật khả thi với suất tiêu hao nhiên liệu $0,032\text{ kg FO/kg thép}$ và hiệu suất nhiệt đạt $73%$. Đây là tài liệu thuyết minh kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho công tác đào tạo chuyên ngành Kỹ thuật Nhiệt và ứng dụng thực tế trong công nghiệp luyện kim cán thép.