I. Tổng quan về thiết kế lò hơi đốt than công nghiệp
Lò hơi đốt than là thiết bị nhiệt quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp, có chức năng chuyển hóa nhiệt năng từ quá trình đốt cháy than thành hơi nước bão hòa hoặc hơi quá nhiệt. Thiết kế lò hơi đốt than đòi hỏi sự am hiểu sâu về cấu trúc buồng đốt, hệ thống bề mặt hấp thụ nhiệt và cân bằng nhiệt toàn hệ thống. Một lò hơi công nghiệp điển hình có công suất lớn, ví dụ lò hơi 163 t/h với áp suất bao hơi 5,4 MPa, áp suất đầu ra bộ quá nhiệt 5,0 MPa và nhiệt độ hơi quá nhiệt 420°C. Nhiên liệu than sử dụng trong lò hơi có thành phần làm việc bao gồm các chất C, H, O, N, S, độ ẩm và tro. Đặc biệt, nhiệt trị thấp của than khoảng 14.797 kJ/kg là yếu tố quyết định đến kích thước buồng đốt và hiệu suất truyền nhiệt. Thiết kế lò hơi đốt than cần đảm bảo các yêu cầu về an toàn vận hành, hiệu suất nhiệt cao và tuổi thọ thiết bị dài hạn.
1.1. Các thông số kỹ thuật chính của lò hơi đốt than
Thiết kế lò hơi đốt than bắt đầu từ việc xác định các thông số kỹ thuật chủ chốt. Sản lượng hơi định mức thường đạt 163 t/h với áp suất bao hơi 5,4 MPa. Nhiệt độ hơi quá nhiệt đạt 420°C tại áp suất 5,0 MPa. Nhiệt độ nước cấp vào lò là 145°C, hệ số xả lọt dưới 2%. Nhiệt độ khói thải sau bộ sấy không khí được thiết kế ở mức 166°C. Không khí nóng sau khi đốt đạt 297°C, không khí lạnh đầu vào là 20°C với độ chứa hơi 10 g/m³ tiêu chuẩn. Các thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến tính toán cân bằng nhiệt và thiết kế các bề mặt đốt trong lò hơi.
1.2. Đặc tính nhiên liệu than trong thiết kế lò hơi
Nhiên liệu than là yếu tố trung tâm trong thiết kế lò hơi đốt than. Thành phần làm việc của than bao gồm carbon (41,9%), hydro (2,9%), oxy (13,2%), nitơ (0,4%), lưu huỳnh (0,2%), độ ẩm (37,0%) và tro (4,4%). Hàm lượng chất bay hơi đạt 23,9% cho thấy than có khả năng bắt cháy tốt. Nhiệt trị thấp của than là 3.540 kcal/kg (14.797,2 kJ/kg). Đặc biệt, nhiệt độ đặc tính của tro than dao động từ 1.000°C đến 1.450°C, ảnh hưởng đến nguy cơ xỉ hóa bề mặt ống. Việc hiểu rõ đặc tính nhiên liệu giúp kỹ sư lựa chọn phương pháp đốt phù hợp và tính toán kích thước buồng đốt chính xác.
II. Cấu trúc lò hơi đốt than và bố trí bề mặt đốt
Cấu trúc lò hơi đốt than được thiết kế theo nguyên tắc tối ưu hóa quá trình truyền nhiệt và thuận lợi cho vận hành. Lò hơi đốt than phun với thải xỉ khô thường sử dụng bố trí một bao hơi với đường khói đi theo hình chữ P. Hệ thống bao gồm buồng lửa, dàn ống sinh hơi, bộ quá nhiệt cấp I và cấp II, bộ giảm ồn, bộ hâm nước và bộ sấy không khí. Buồng lửa là nơi xảy ra quá trình đốt cháy nhiên liệu, được bố trí toàn bộ bằng dàn ống sinh hơi. Dây pheston do các ống của dàn ống sinh hơi phía sau tạo thành, đảm bảo kín khói và bảo vệ tường lò. Bộ quá nhiệt được chia làm hai cấp dựa theo đường hơi đi, giữa hai cấp đặt bộ giảm ồn kiểu bề mặt. Bộ hâm nước dạng ống thép kiểu ống, còn bộ sấy không khí được bố trí thành một cấp do nhiệt độ không khí nóng đầu vào chỉ đạt 297°C, thấp hơn ngưỡng 300°C. Cấu trúc hợp lý giúp tăng hiệu suất truyền nhiệt và giảm tổn thất nhiệt ra môi trường.
2.1. Bố trí buồng lửa và dàn ống sinh hơi
2.2. Hệ thống quá nhiệt hâm nước và sấy không khí
III. Cân bằng nhiệt và phương pháp tính toán hiệu suất lò hơi
Cân bằng nhiệt là phần cốt lõi trong thiết kế lò hơi đốt than, giúp xác định phân phối nhiệt lượng giữa các bề mặt đốt. Quá trình tính toán bắt đầu từ việc xác định tổng lượng nhiệt hấp thụ hữu ích của lò, bao gồm nhiệt bức xạ từ buồng lửa và nhiệt đối lưu qua các bề mặt. Hệ số không khí dư đầu ra buồng lửa được chọn theo tiêu chuẩn PH-5-2, với giá trị αbl = 1,2 khi hàm lượng chất bay hơi Vc = 23,9% nhỏ hơn 25%. Hệ số không khí lọt tại các bề mặt được xác định: buồng lửa Δα = 0,1, dây pheston Δα = 0, bộ quá nhiệt cấp I và II mỗi nơi Δα = 0,025, bộ hâm nước Δα = 0,03, bộ sấy không khí Δα = 0,05. Entanpi của sản phẩm cháy được tính toán tại mỗi vị trí bề mặt đốt. Nhiệt độ khói sau bộ quá nhiệt đạt khoảng 730,62°C, sau bộ hâm nước là 357,16°C và sau bộ sấy không khí khoảng 171°C. Kiểm tra sai số cân bằng nhiệt cho thấy thiết kế hợp lý khi ΔQ = 45,45 kJ/kg, tương ứng sai số Δq = 0,3%, nằm trong giới hạn cho phép.
3.1. Xác định hệ số không khí dư và entanpi sản phẩm cháy
3.2. Tính toán nhiệt lượng hấp thụ của các bề mặt đốt
IV. Kết luận và ứng dụng thiết kế lò hơi đốt than hiện đại
Thiết kế lò hơi đốt than là một quy trình kỹ thuật phức tạp, đòi hỏi sự kết hợp hài hòa giữa lý thuyết truyền nhiệt, cơ học chất lưu và kỹ thuật vật liệu. Qua quá trình tính toán cân bằng nhiệt, các thông số quan trọng như nhiệt độ khói tại từng vị trí, lượng nhiệt hấp thụ của mỗi bề mặt đốt và hiệu suất tổng thể của lò hơi được xác định chính xác. Với lò hơi công suất 163 t/h, việc bố trí đúng cấu trúc hình chữ P, chia bộ quá nhiệt thành hai cấp và đặt bộ giảm ồn trung gian giúp tối ưu hóa quá trình trao đổi nhiệt. Bộ sấy không khí đặt cuối chuỗi tận dụng tối đa nhiệt khói thải, giảm tổn thất nhiệt ra môi trường. Sai số cân bằng nhiệt chỉ 0,3% chứng tỏ thiết kế đạt độ chính xác cao. Các nguyên tắc thiết kế này có thể áp dụng cho nhiều loại lò hơi đốt than khác nhau trong các nhà máy nhiệt điện, nhà máy giấy, nhà máy đường và các ngành công nghiệp sử dụng hơi nước quy mô lớn.
