CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về công nghệ lò hơi sử dụng trong các ngành công nghiệp 1.1 Tổng quan về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của lò hơi Lò hơi là thiết bị được dùng rộng rãi trong mọi ngành sản xuất công nghiệp bởi nó có ưu điểm vượt trội so với các thiết bị cung cấp năng lượng khác, sản phẩm tạo ra một nguồn nhiệt, hơi không dễ gây cháy, nổ nên có thể vận hành cho những thiết bị sử dụng ở những khu vực có nhiều rủi ro cháy, nổ. Lò hơi được sử dụng để cung cấp nhiệt hơi nước cho loại máy móc cần hơi, nhiệt nhằm phục vụ cho những nhu cầu như đun nấu, nhuộm, sấy, để vận hành tuabin máy phát điện,…. Lò hơi được sử dụng trong các cơ sở sản xuất công nghiệp thường sản xuất hơi bão hòa, áp suất hơi không vượt quá 2,0Mpa, nhiệt độ 250oC; Lò hơi phục vụ cho sản xuất điện sản xuất hơi quá nhiệt, áp suất và nhiệt độ hơi cao, thường lớn hơn 2,0Mpa và trên 350oC.1 Cấu tạo lò hơi Về cơ bản, 1 lò hơi bao gồm các thiết bị chính như sau: (1) Cụm sinh hơi - có nhiều dạng khác nhau tùy vào kiểu đốt, nhiên liệu đốt để thiết kế khác nhau (dạng ống nước hai ba lông, dạng tổ hợp ống nước ống lửa, dạng ống lửa……). Hơi nước được dẫn qua một hệ thống đường ống đến điểm sử dụng.
Trong toàn hệ thống, áp suất hơi được điều chỉnh bằng van và được kiểm tra bằng đồng hồ đo áp suất hơi; (2) Buồng đốt – thân lò - là phần không thể tách rời của cụm sinh hơi, là nơi để đốt cháy nhiên liệu cung cấp nhiệt cho quá trình hóa hơi. Buồng đốt được thiết kế để đốt nhiên liệu cháy kiệt nhất có thể cho quá trình sinh hơi, bao gồm các thiết bị như buồng đốt, béc đốt, chùm ống hấp thụ bức xạ nhiệt, chùm ống sinh hơi; (3) Phần đuôi lò gồm các bộ phận chính: Bộ thu hồi nhiệt (bộ hâm nước, bộ sấy không khí) có vai trò tận dụng nhiệt lượng từ khói thải, tăng hiệu suất của lò hơi và giảm nhiệt độ khói thải ra môi trường; Hệ thống xử lý bụi, khí thải để xử lý tro bụi từ quá trình cháy nhiên liệu của lò hơi nhằm đảm bảo khói thải khi ra khỏi ra khỏi ống khói đạt 5 các quy định, quy chuẩn về môi trường. Một số hệ thống xử lý bụi, khí thải lò hơi được ứng dụng phổ biến như: lọc bụi túi vải, cyclone lọc bụi đa cấp, tháp lọc bụi ướt; Hệ thống cấp liệu được trang bị hoạt động một cách tự động hoặc bán tự động, bao gồm các thiết bị như: xe xúc lật, xe múc, phễu chứa liệu, gầu tải, băng tải, vít tải,… được bố trí điều khiển một cách liên tục, tự định lượng và tự cấp liệu cho lò hơi. Hệ thống cấp liệu còn được bố trí thêm cân khối lượng để xác định lượng nhiên liệu tiêu hao; Hệ thống cấp nước lò hơi: cung cấp nước cho nồi hơi và tự động điều chỉnh để đáp ứng nhu cầu hơi.
Các nguồn nước cấp cho lò hơi gồm hơi nước ngưng tụ được trả lại từ các quy trình sản xuất và nước bổ sung (nước thô phải đến từ nguồn bên ngoài hệ thống lò hơi và các quy trình sản xuất) [5].2 Nguyên lý hoạt động Hình 1.1 Sơ đồ hoạt động của lò hơi [6]. Nguyên lý hoạt động của lò hơi như sau [7]: Lò hơi dùng nhiệt lượng sinh ra của nhiên liệu, biến thành nhiệt năng của hơi nước. Quá trình sinh hơi là quá trình biến nước có nhiệt năng thấp thành hơi có năng lượng rất cao. Quá trình này được thực hiện bằng cách đun sôi nước để tạo thành hơi nước, sử dụng các vật liệu dễ cháy như gỗ, than, dầu diesel và khí tự nhiên.
6 Nồi hơi là một bồn kín hình trụ có khả năng chứa nước và hơi nước. Nước cấp được bơm hút tuần hoàn qua bể chứa nước và được bơm liên tục vào nồi hơi. Nước được làm nóng bằng ngọn lửa hoặc khí đốt được tạo thành bởi quá trình đốt cháy nhiên liệu tại đầu đốt. Hơi nước được tạo ra trong lò hơi ở áp suất khác nhau tùy thuộc thông số thiết kế của lò hơi.
Hơi nước được đưa đi sử dụng như cung cấp cho các thiết bị trao đổi nhiệt, sấy,… thông qua hệ thống đường ống. Sau quá trình trao đổi nhiệt hoặc gia nhiệt thì hơi nóng sẽ mất năng lượng và sẽ bị ngưng tụ thành dạng lỏng, Khi đó nước ngưng nóng sẽ được đưa quay trở lại bể cấp nước chứa nước cấp cho lò hơi.1 Các loại lò hơi chia theo nhiên liệu sử dụng a. Lò hơi đốt than: 2 loại lò hơi đốt than đang được ứng dụng phổ biến trong thực tế hiện nay gồm (1) Lò hơi đốt than ghi xích [8] thuộc nhóm lò hơi có công suất nhỏ hoặc trung bình (công suất dao động từ 6 - 50 tấn/giờ), phù hợp với nhiên liệu than cám và (2) Lò hơi ghi tĩnh [9] Công suất làm việc nhóm lò hơi này dao động từ 1 - 10 tấn/giờ, phù hợp với nhiều loại nhiên liệu như than đá, củi trấu, củi cây, củi ép, bã điều,…. Các bộ phận và thiết bị chính của lò hơi đốt than gồm: Phần buồng đốt, phần đối lưu (thân lò), bộ lọc bụi khô, bộ dập bụi, hệ thống điện và điều khiển lò hơi [10].
Lò hơi đốt than được ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp (sấy, nhuộm, dệt may, thực phẩm, nước giải khát, rượu bia, thủy sản,…) bởi những nhiều ưu điểm như cấp than và thải xỉ than hoàn toàn tự động, nhiệt độ và áp suất ổn định, sử dụng nhiều loại nhiên liệu khác nhau, vận hành đơn giản, bảo trì đơn giản. Tuy nhiên, nhược điểm chính của loại lò hơi này gồm: Chiếm diện tích lớn vì cần có không gian để cào, chứa xỉ than, tạo ra nhiều xỉ than nên khá tốn công và chi phí để vệ sinh, dọn dẹp; không tự động đốt nên phải có người vận hành, canh lò; khời gian khởi động lâu nên bị gia tăng chi phí ở khâu vận hành. Lò hơi đốt sinh khối (củi, mùn cưa và trấu): gồm 2 dạng cơ bản: kiểu ống (đứng) và kiểu tròn, được vận hành với công suất từ 0,1 – 50 tấn/giờ. Hiệu suất của lò hơi đốt củi có thể đạt đến 90%.
Loại lò hơi này thích hợp với nhiều loại nhiên liệu đa dạng như củi, củi khúc, củi ép, trấu, trấu ép, mùn cưa ép, vỏ hạt điều. Các thiết bị chính của lò hơi đốt sinh khối gồm: Buồng đốt, phần đối lưu, hệ thống xử lý bụi, hệ thống điện và điều khiển lò hơi đốt củi, hệ thống xử lý nước cấp [12]. Ưu điểm của lò hơi sinh khối là dễ tìm kiếm nguồn cung cấp, chi phí nhiên liệu thấp so với lò hơi sử dụng nhiên liệu than đá, dầu khoảng 20 đến 30%; vận hành đơn giản. Bên cạnh đó, loại lò hơi này cũng tồn tại một số nhược điểm như phải thường xuyên tiếp nhiên liệu, phát sinh nhiều tro và muội than, không phù hợp với những khu sản xuất lớn [13].
Lò hơi đốt dầu (DO, FO) [14]: Lò hơi đốt dầu thường có cấu trúc nhỏ gọn hơn lò hơi đốt than và lò hơi đốt nhiên liệu hữu cơ, gồm 2 loại: Lò hơi đốt dầu dạng nằm và lò hơi đốt dầu dạng đứng. Công suất vận hành của lò hơi đốt dầu dao động trong khoảng 2 – 15 tấn hơi/giờ, áp suất làm việc lên đến 15 bar. Lò hơi đốt dầu thường bao gồm 4 phần chính: ống lò, ống lửa, bộ 3 pass, khoang ướt, vật liệu vỏ lò và ống trao đổi nhiệt được làm từ thép chịu nhiệt và các bộ phận đi kèm (như hệ thống cấp nhiên liệu, hệ thống xử lý chất thải). Lò hơi đốt dầu có kết cấu toàn khối gọn nhẹ, quá trình khởi động và ngưng lò nhanh, điều chỉnh lưu lượng và áp suất hơn nhanh và đơn giản, lắp đặt nhanh gọn; hiệu suất lên đến 90%, vận hành đơn giản, sạch sẽ, khả năng tự động hóa cao.
Tuy nhiên có nhược điểm là chi phí vẫn hành cao và sử dụng nguồn nhiên liệu có giá thành biến động lớn.2 Phân theo đặc điểm cấu tạo Dựa theo đặc điểm cấu tạo, có thể phân chia lò hơi thành nhiều loại như lò hơi ống lửa, lò hơi ống nước, lò hơi tầng sôi, lò hơi tận dụng nhiệt thải, lò hơi đốt ghi, lò hơi sử dụng nhiên liệu phun, lò hơi làm mát, lò hơi sôi lại, lò hơi đi qua một lần,…. Trong đó, các loại lò hơi được sử dụng thông dụng bao gồm [6]: a. Lò hơi ống lửa (lò hơi dạng vỏ): Được tạo thành từ những hệ thống ống thẳng bao bọc bởi một buồng chứa đầy nước bên ngoài. Dòng khí nóng chạy bên trong hệ thống gia nhiệt cho nước xung quanh ống.
Để tránh việc sử dụng vỏ lò hơi quá dày, lò hơi ống lửa thông thường được sử dụng ở chế độ công suất hơi nhỏ và áp suất hơi từ thấp đến trung bình. Thông thường, lò hơi ống lửa khá thích hợp đối với dòng hơi không lớn hơn 12 tấn/giờ và áp suất hơi không lớn hơn 18 kg/cm2. Lò hơi ống nước: Được thiết kế để có thể tuần hoàn dòng khí nóng bên ngoài hệ thống các ống chứa đầy nước. Dòng nước bên trong các ống được gia nhiệt bằng dòng khí nóng bên ngoài và chuyển thành hơi.
Do áp suất tạo ra bị giới hạn bên trong hệ thống ống nên lò hơi ống nước có thể được sản xuất với kích cỡ lớn và có thể sử dụng ở chế độ áp suất cao. Hầu hết những lò hơi ống nước hiện đại được thiết kế với công suất khoảng 4,5 tấn – 120 tấn hơi/giờ, dưới điều kiện áp suất rất cao. Lò hơi tầng sôi tuần hoàn: Nồi hơi có thiết kế dạng nén, nhiên liệu đa dạng, hiệu suất cháy cao, làm giảm sự phát tán của chất thải độc hại như SOx và NOx. Nồi hơi tầng sôi có khoảng công suất khá rộng từ 0,5 tấn/giờ đến trên 100 tấn/giờ.
Lò hơi tận dụng nhiệt thải công nghiệp: Lò hơi này có thể là kiểu nồi hơi ống nước hoặc nồi hơi ống lửa. Nồi hơi ống lửa có thiết kế đặc biệt và phần lớn là thiết bị làm mát khí sản phẩm, với khí sản phẩm đi trong ống còn nước bao quanh ống. áp suất vận hành lên tới 140 bar nhưng sản lượng hơi thường không vượt quá 200tấn/h. Đôi khi bao hơi được nối với một số bộ trao đổi nhiệt và hơi quá nhiệt được sinh ra tại các bộ phận riêng biệt.2 Tổng quan về khí thải lò hơi và công nghệ xử lý 1.1 Tổng quan về các loại nhiên liệu sử dụng cho lò hơi 1.