Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, nhu cầu nhiệt năng phục vụ các hoạt động sản xuất công nghiệp và đời sống xã hội liên tục gia tăng. Bên cạnh các nguồn năng lượng điện và năng lượng nguyên tử, nhiệt năng giữ vị trí thiết yếu trong nền kinh tế, đặc biệt là tại các quốc gia đang phát triển. Trong dây chuyền sản xuất nhiệt năng, lò hơi (nồi hơi) là thiết bị trung gian chuyển đổi năng lượng từ quá trình đốt cháy nhiên liệu thành nhiệt năng của hơi nước phục vụ các thiết bị trao đổi nhiệt, chạy tuabin hoặc gia nhiệt trực tiếp và gián tiếp cho các quy trình chế biến công nghệ.

Đối với các cơ sở kinh tế quy mô vừa và nhỏ như nhà máy chế biến thực phẩm, dệt may, dược phẩm, nước giải khát, hóa chất hoặc hệ thống dịch vụ khách sạn tại các đô thị, nhu cầu sử dụng nguồn hơi bão hòa ổn định với công suất vài tấn hơi mỗi giờ là rất lớn. Việc lựa chọn chủng loại lò và nhiên liệu đốt phải giải quyết đồng thời bài toán kinh tế, tính cơ động và yêu cầu nghiêm ngặt về bảo vệ môi trường không khí. Lò hơi đốt than truyền thống đòi hỏi diện tích kho bãi lớn, phát sinh tro xỉ và bụi bẩn phức tạp, trong khi lò đốt củi hoặc trấu bị giới hạn về tính tự động hóa và phát thải khói đen khi khởi động. Do đó, việc thiết kế lò hơi sử dụng nhiên liệu lỏng (dầu DO - Diesel Oil) với kết cấu ống lò - ống lửa nằm ngang là giải pháp công nghệ đáp ứng tính nhỏ gọn, mức độ tự động hóa cao và hạn chế tối đa ô nhiễm môi trường.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án tốt nghiệp được xác định cụ thể theo văn bản giao nhiệm vụ:

  1. Tên đề tài: Thiết kế lò hơi đốt dầu DO công suất 2 T/h.
  2. Các số liệu và tài liệu thiết kế ban đầu:
    • Chủng loại: Lò hơi ống lò - ống lửa nằm ngang, sản xuất hơi nước bão hòa.
    • Nhiên liệu sử dụng: Dầu DO (Diesel Oil).
    • Công suất sinh hơi thiết kế: $D = 2\text{ tấn/h}$ ($2000\text{ kg/h}$).
    • Áp suất làm việc thiết kế: $p = 10\text{ kG/cm}^2$ (tương đương $10\text{ bar}$).
    • Nhiệt độ bão hòa tương ứng với áp suất: $t_{bh} = 184^\circ\text{C}$ (trong các bước tính sức bền tham chiếu ở mức $179^\circ\text{C}$).
  3. Nội dung nghiên cứu chính gồm 6 chương:
    • Chương 1: Tổng quan về lò hơi
    • Chương 2: Tính cân bằng nhiệt lò hơi
    • Chương 3: Tính toán các kích thước
    • Chương 4: Tính toán khí động và thủy động lò hơi
    • Chương 5: Tính chọn các thiết bị phụ
    • Chương 6: Vận hành an toàn lò hơi
  4. Sản phẩm dự kiến hoàn thành: Bản thuyết minh tính toán đồ án và tập bản vẽ kỹ thuật thiết kế lò hơi.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống lò hơi liên hợp ống lò - ống lửa đốt dầu DO công suất 2 tấn hơi/giờ. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc tính toán nhiệt động quá trình cháy, lập bảng cân bằng nhiệt, xác định kích thước hình học, tính toán kiểm tra sức bền cơ khí các chi tiết áp lực, tính toán khí động đường khói thông gió tự nhiên, lựa chọn thiết bị phụ trợ và quy trình vận hành an toàn cho các cơ sở công nghiệp và dịch vụ không tái tuần hoàn nước ngưng tụ do nguy cơ nhiễm bẩn từ phụ tải.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán

Đồ án xây dựng trên nền tảng lý thuyết nhiệt động lực học kỹ thuật, lý thuyết truyền nhiệt và tính toán thiết bị nhiệt - lò hơi công nghiệp. Phương trình cân bằng nhiệt tổng quát của lò hơi ứng với $1\text{ kg}$ nhiên liệu lỏng ở chế độ vận hành ổn định được thiết lập theo công thức:

$$Q_{đv} = Q_1 + Q_2 + Q_3 + Q_4 + Q_5 + Q_6\quad (\text{kJ/kg})$$

Trong đó: $Q_{đv}$ là nhiệt lượng đưa vào lò ứng với $1\text{ kg}$ nhiên liệu; $Q_1$ là nhiệt hữu ích sản xuất hơi; $Q_2$ là tổn thất nhiệt do khói thải; $Q_3$ là tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt hóa học; $Q_4$ là tổn thất do cháy không hoàn toàn về mặt cơ học; $Q_5$ là tổn thất tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh; $Q_6$ là tổn thất vật lý do tro xỉ mang ra ngoài.

Thành phần nhiên liệu dầu DO được tác giả sử dụng theo tỷ lệ khối lượng làm việc:

  • Carbon ($C^{lv}$): $86,3%$
  • Hydro ($H^{lv}$): $10,5%$
  • Oxy ($O^{lv}$): $0,3%$
  • Nitơ ($N^{lv}$): $0,3%$
  • Lưu huỳnh ($S^{lv}$): $0,5%$
  • Độ tro ($A^{lv}$): $0,3%$
  • Độ ẩm ($W^{lv}$): $1,8%$

Các chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu dầu DO được đối chiếu qua các tiêu chuẩn kỹ thuật:

  • Chỉ số cetan: $\ge 50$ (phương pháp thử ASTM D 976)
  • Thành phần cất: $50%$ cất ở $280^\circ\text{C}$, $90%$ cất ở $370^\circ\text{C}$ (TCVN 2693-95)
  • Độ nhớt động học ở $20^\circ\text{C}$: từ $1,8$ đến $5,0\text{ cSt}$ (ASTM D 445)
  • Hàm lượng lưu huỳnh: $\le 0,5%$ (ASTM D 2622)
  • Độ tro: $\le 0,01%\text{ khối lượng}$ (TCVN 2690-95)
  • Độ kết cốc: $\le 0,3%$ (TCVN 324-97)
  • Nước và tạp chất cơ học: $\le 0,05%\text{ thể tích}$ (TCVN 2693-95)
  • Ăn mòn mảnh đồng ở $50^\circ\text{C}$ trong 3 giờ: loại 1 (TCVN 2694-95)
  • Nhiệt độ đông đặc: $\le 5^\circ\text{C}$ (TCVN 3753-95)
  • Tỷ số không khí/nhiên liệu ($A/F$): $14,4$

Phương pháp nghiên cứu trong đồ án là phương pháp tính toán giải tích kỹ thuật kết hợp tra bảng thông số nhiệt động, tiêu chuẩn Việt Nam và quy chuẩn thiết bị áp lực:

  • Phương pháp tính toán thể tích không khí và sản phẩm cháy dựa trên các phản ứng cháy hóa học lý thuyết với hệ số không khí thừa $\alpha = 1,1$.
  • Phương pháp xác định diện tích truyền nhiệt qua hệ số năng suất bốc hơi của bề mặt đốt ($d = 40\text{ kg/m}^2\cdot\text{h}$).
  • Phương pháp tính toán sức bền các chi tiết chịu áp lực (thân lò, ống lò, ống lửa, mặt sàng, cửa người chui) căn cứ vào ứng suất cho phép của thép tấm $20\text{K}$ và thép ống đúc $C20$, có xét đến hệ số bền mối hàn dọc ($\phi = 0,75$) và hệ số bổ sung chiều dày ăn mòn ($c = 2\text{ mm}$).
  • Phương pháp tính toán khí động xác định lực tự hút của ống khói và tổng trở lực đường khói để kiểm tra điều kiện thông gió tự nhiên ($h_{th} \ge 1,2 \Delta H$).
  • Nguồn dữ liệu sử dụng: Bảng số liệu vật tính khói, bảng entanpi của không khí và khói theo nhiệt độ, bảng tính chất nhiệt động của nước và hơi nước bão hòa, các giáo trình chuyên ngành và tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế thiết bị nhiệt (tài liệu TL1, TL2).

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống lò hơi được thiết kế theo cấu trúc liên hợp ống lò - ống lửa đặt nằm ngang, không trang bị bộ hâm nước và bộ sấy không khí ở phần đuôi. Buồng lửa phun hình trụ nằm ngang (ống lò) được bố trí ở phần dưới thân lò; cụm ống lửa gồm 96 ống được chia thành các pass đối lưu bố trí ở hai bên và phía trên ống lò. Mặt sàng phẳng ở hai đầu ngăn cách không gian khói nóng với không gian chứa nước và hơi. Hộp khói phía sau được lắp đặt vách ngăn chuyển hướng dòng sản phẩm cháy từ ống lò quay ngược lại đi qua các cụm ống lửa.

Về mặt công nghệ chế tạo và kết cấu:

  • Thân lò và mặt sàng sử dụng thép cacbon chuyên dụng mác $20\text{K}$, phương pháp hàn tự động có lớp bảo vệ ngăn ngừa oxy hóa nhằm bảo đảm mối hàn liền suốt.
  • Ống lò chế tạo từ thép tấm $20\text{K}$ uốn tròn và hàn dọc thân.
  • Dàn ống lửa dùng thép ống đúc không mối hàn mác $C20$, liên kết với mặt sàng bằng phương pháp núc (đúc bo ép mép).
  • Mặt sàng và các lỗ khoét cửa người chui được gia cường bằng các thanh giằng, ống giằng kích thước $57 \times 4\text{ mm}$ và vành thép nhằm chống hiện tượng phồng do áp lực bên trong.

Quy trình kiểm thử kỹ thuật:

  • Mối liên kết núc giữa ống lửa và mặt sàng phải trải qua quy trình thử bền thủy lực bằng nước có nhiệt độ dưới $50^\circ\text{C}$ ở áp suất thử nghiệm đạt $15\text{ kG/cm}^2$ (vượt $1,5$ lần áp suất làm việc định mức $10\text{ kG/cm}^2$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về lò hơi ống lò - ống lửa

Chương này khảo sát vị trí, vai trò của thiết bị sinh hơi trong công nghiệp và đời sống. Tác giả phân loại lò hơi theo chế độ đốt (đốt theo lớp, đốt dạng ngọn lửa, tầng sôi, buồng đốt xoay), theo chế độ tuần hoàn của nước (tuần hoàn tự nhiên, tuần hoàn cưỡng bức, tuần hoàn có bơm hỗ trợ), theo áp suất/công suất (nhỏ dưới $12\text{ T/h}$, trung bình $12\text{--}110\text{ T/h}$, lớn trên $110\text{ T/h}$, cực lớn trên $600\text{ T/h}$) và theo công dụng (tĩnh tại, di động, phát điện). Chương 1 tiến hành so sánh ưu - nhược điểm của 9 loại lò hơi: lò ghi xích, lò đốt trấu, lò tổ hợp công nghiệp, lò đốt gas/dầu DO/biomass, lò dầu tải nhiệt, lò tầng sôi, lò tàu thủy, lò bao hơi nằm ngang và lò trực lưu. Trên cơ sở phân tích, tác giả lựa chọn phương án thiết kế lò hơi ống lò - ống lửa nằm ngang đốt dầu DO cho công suất $2\text{ T/h}$, áp suất $10\text{ kG/cm}^2$, sinh hơi bão hòa, đồng thời tổng hợp các thông số hóa lý của nhiên liệu dầu DO.

Chương 2: Tính toán cân bằng nhiệt lò hơi

Chương 2 trình bày toàn bộ quá trình tính toán thể tích không khí, thể tích và entanpi của sản phẩm cháy cùng các thành phần tổn thất nhiệt:

  • Lượng không khí lý thuyết: $V^0_{kk} = 10,4613\text{ m}^3\text{tc/kg}$.
  • Hệ số không khí thừa chọn: $\alpha = 1,1$; thể tích không khí thực tế: $V_{kk} = 11,507\text{ m}^3\text{tc/kg}$.
  • Thể tích sản phẩm cháy: $V_{RO_2} = 1,613\text{ m}^3\text{tc/kg}$; $V_{N_2} = 9,08\text{ m}^3\text{tc/kg}$; $V_{H_2O} = 1,21\text{ m}^3\text{tc/kg}$; thể tích khói ướt $V_k = 12,12\text{ m}^3\text{tc/kg}$; thể tích khói khô $V_{kkhô} = 10,09\text{ m}^3\text{tc/kg}$.
  • Nhiệt lượng đưa vào lò: $Q_{đv} = Q_{tlv} + Q_{nl} = 29246,15 + 176,85 = 29423\text{ kJ/kg}$ (với nhiệt sấy dầu ở $90^\circ\text{C}$).
  • Các thành phần tổn thất nhiệt: tổn thất do khói thải mang đi $q_2 = 10,28%$; tổn thất do cháy không hoàn toàn về hóa học $q_3 = 1,5%$; tổn thất do cháy không hoàn toàn về cơ học $q_4 = 0%$; tổn thất tỏa nhiệt ra môi trường $q_5 = 1,0%$; tổn thất do tro xỉ $q_6 = 0%$.
  • Tổng tổn thất nhiệt: $q = 12,78%$. Hiệu suất nhiệt của lò hơi đạt $\eta = 87,22%$.
  • Nhiệt có ích sản xuất hơi: $Q_1 = 1.214.800\text{ kcal/h}$ (với $D = 2000\text{ kg/h}$, entanpi hơi bão hòa $i_{bh} = 726,7\text{ kcal/kg}$ tại $10\text{ bar}$, nước cấp $t_{nc} = 30^\circ\text{C}$ có $i_{nc} = 119,3\text{ kcal/kg}$).
  • Suất tiêu hao nhiên liệu tính toán: $B = 47,33\text{ kg/h}$ (trong tính toán khí động đường khói, tác giả sử dụng giá trị $B = 23,17\text{ kg/h}$).

Chương 3: Tính toán kích thước của lò hơi

Xác định diện tích bề mặt truyền nhiệt dựa vào hệ số năng suất bốc hơi $d = 40\text{ kg/m}^2\cdot\text{h}$: $$F = \frac{D}{d} = \frac{2000}{40} = 50\text{ m}^2$$ Trong đó diện tích ống lò chiếm $F_1 = 6\text{ m}^2$, diện tích dàn ống lửa chiếm $F_2 = 44\text{ m}^2$.

Tính toán kích thước hình học và sức bền cơ khí các bộ phận:

  • Ống lò: thép $20\text{K}$, đường kính ngoài $D_n = 800\text{ mm}$, đường kính trong $D_t = 764\text{ mm}$, chiều dài $L = 2500\text{ mm}$, chiều dày tính toán kiểm tra bền tối thiểu là $10\text{ mm}$, chiều dày thiết kế chọn an toàn $S = 18\text{ mm}$.
  • Dàn ống lửa: thép đúc $C20$, đường kính ngoài $D_n = 80\text{ mm}$, đường kính trong $D_t = 73\text{ mm}$, chiều dài $L = 2010\text{ mm}$, chiều dày thành ống $S = 3,5\text{ mm}$ (chiều dày tính bền an toàn là $5\text{ mm}$), số lượng tính toán $95,5$ ống, chọn thực tế $n = 96\text{ ống}$. Bố trí ống theo hình tam giác đều với bước ngang $s_1 = 116\text{ mm}$ ($1,45d$) và bước dọc $s_2 = 100\text{ mm}$ ($1,25d$).
  • Thân lò: thép $20\text{K}$, đường kính trong $D_t = 2140\text{ mm}$, đường kính ngoài $D_n = 2176\text{ mm}$, chiều dài $L = 3000\text{ mm}$, chiều dày tính bền an toàn chọn $S = 18\text{ mm}$. Chiều cao khoang chứa hơi phía trên là $550\text{ mm}$, khoảng cách an toàn từ mép nước đến hàng ống lửa trên cùng là $100\text{ mm}$.
  • Mặt sàng: thép tấm $20\text{K}$, đường kính $D = 2140\text{ mm}$, chiều dày tính toán gia cường nhiệt là $13,783\text{ mm}$, chọn thực tế $S = 16\text{ mm}$ (trong bảng tổng hợp kích thước lấy $18\text{ mm}$).
  • Cửa người chui: hình elip, kích thước lỗ $345 \times 445\text{ mm}$ (hoặc $345 \times 345\text{ mm}$), thân lỗ $340 \times 440\text{ mm}$, nắp đậy $380 \times 480\text{ mm}$, chiều dày nắp chọn $S_n = 15\text{--}18\text{ mm}$ (tính toán đạt $12,81\text{ mm}$), chiều cao thân lỗ gia cường $h_t = 140\text{ mm}$ với độ sâu hàn vào thân lò $100\text{ mm}$.

Chương 4: Tính khí động và thủy động lò hơi

Chương 4 thực hiện tính toán khí động nhằm kiểm tra khả năng thải khói tự nhiên của hệ thống:

  • Nhiệt độ khói vào ống khói: $220^\circ\text{C}$, nhiệt độ trung bình khói trong ống $t = 210^\circ\text{C}$.
  • Ống khói: chiều cao lựa chọn $H = 10\text{ m}$, đường kính trong tính toán $d = 150\text{ mm}$, vận tốc khói thoát ra $\omega = 8\text{ m/s}$.
  • Lực tự hút do chênh lệch khối lượng riêng tạo ra: $h_{th} = 5,3\text{ mmH}_2\text{O}$.
  • Tổng trở lực đường khói tính toán:
    • Trở lực ma sát ống lò: $h_m = 0,07\text{ mmH}_2\text{O}$ (vận tốc khói $5\text{ m/s}$, hệ số ma sát $a = 0,02$).
    • Trở lực cụm ống lửa: $\Delta h = 1,03\text{ mmH}_2\text{O}$ (vận tốc khói $10\text{ m/s}$, số dãy ống ngang $z = 16$).
    • Trở lực hộp khói trước và sau: $\Delta h_{hk} = 1,45\text{ mmH}_2\text{O}$ (chiều rộng mỗi hộp khói $b_1 = b_2 = 500\text{ mm}$, vận tốc $5\text{ m/s}$).
    • Tổng trở lực: $\Delta H = 0,07 + 1,03 + 1,45 = 2,55\text{ mmH}_2\text{O}$.
  • Kiểm tra điều kiện tự hút: $h_{th} = 5,3\text{ mmH}_2\text{O} \ge 1,2 \times \Delta H = 1,2 \times 2,55 = 3,06\text{ mmH}_2\text{O}$. Điều kiện hút tự nhiên được thỏa mãn hoàn toàn.

Chương 5: Tính chọn các thiết bị phụ

Trình bày cấu tạo và nguyên lý của các thiết bị phụ trợ phục vụ an toàn và vận hành:

  • Thiết bị an toàn: tính chọn van an toàn xả áp chống nổ cho bao hơi khi vượt áp suất giới hạn; trang bị nắp chống nổ trên đường khói và buồng đốt nhằm giải tỏa áp suất khi có hiện tượng nổ hỗn hợp khí/dầu chưa cháy hết.
  • Van hơi chính lắp đặt tại đỉnh khoang hơi để điều tiết và đóng mở cấp hơi ra mạng nhiệt ngoài.
  • Hệ thống cấp nhiên liệu gồm bể chứa dầu, bơm cấp dầu, đường ống và béc phun dầu DO.
  • Hệ thống bảo ôn cách nhiệt bao bọc thân lò nhằm hạn chế tỏa nhiệt ra môi trường ($q_5 \le 1%$).

Chương 6: Vận hành an toàn lò hơi

Chương 6 đưa ra các quy định kỹ thuật nghiêm ngặt về quản lý vận hành:

  • Quy trình xử lý nước cấp nhằm loại bỏ độ cứng, hạn chế đóng cặn bám vách kim loại và ngăn ngừa ăn mòn thân lò, ống lửa.
  • Quy trình chuẩn bị trước vận hành, các bước nhóm lò (khởi động) và dừng lò theo đúng trình tự kỹ thuật.
  • Phương pháp xử lý 5 sự cố khẩn cấp:
    1. Xử lý sự cố tắt lò khi đang cháy.
    2. Xử lý sự cố phụ tải tăng đột ngột.
    3. Xử lý sự cố phụ tải giảm đột ngột.
    4. Xử lý sự cố mất nước cấp vào lò.
    5. Xử lý sự cố cạn nước lò (nghiêm cấm cấp nước ngay khi cạn nước nghiêm trọng để tránh nổ lò do vách kim loại quá nhiệt).
  • Công tác vệ sinh định kỳ, cạo cáu cặn mặt trong và bảo dưỡng lò hơi.

Kết quả và đóng góp

Đồ án hoàn thành trọn vẹn tập hồ sơ thiết kế kỹ thuật cho lò hơi ống lò - ống lửa nằm ngang đốt dầu DO công suất $2\text{ T/h}$. Các kết quả tính toán chính được tổng hợp chi tiết trong bảng sau:

STT Hạng mục / Thông số kỹ thuật Ký hiệu Giá trị tính toán Đơn vị
1 Công suất sinh hơi định mức $D$ $2$ ($2000$) Tấn/h (kg/h)
2 Áp suất hơi bão hòa làm việc $p$ $10$ kG/cm$^2$ (bar)
3 Thể tích không khí lý thuyết $V^0_{kk}$ $10,4613$ m$^3$tc/kg
4 Thể tích sản phẩm cháy $V_k$ $12,12$ m$^3$tc/kg
5 Tổn thất nhiệt do khói thải mang đi $q_2$ $10,28$ %
6 Tổn thất nhiệt do cháy hóa học không hoàn toàn $q_3$ $1,50$ %
7 Tổn thất nhiệt tỏa ra môi trường xung quanh $q_5$ $1,00$ %
8 Tổng các tổn thất nhiệt $q$ $12,78$ %
9 Hiệu suất nhiệt của lò hơi $\eta$ $87,22$ %
10 Tổng diện tích bề mặt truyền nhiệt $F$ $50$ m$^2$
11 Đường kính ngoài x Chiều dài thân lò $D_n \times L$ $2176 \times 3000$ mm
12 Chiều dày thân lò (thép 20K) $S$ $18$ mm
13 Đường kính ngoài x Chiều dài ống lò $D_n \times L$ $800 \times 2500$ mm
14 Chiều dày ống lò (thép 20K) $S$ $18$ mm
15 Kích thước ống lửa (thép C20) $D_n \times S \times L$ $80 \times 3,5 \times 2010$ mm
16 Tổng số lượng ống lửa $n$ $96$ Ống
17 Chiều cao x Đường kính trong ống khói $H \times d$ $10 \times 0,15$ m
18 Lực tự hút của ống khói $h_{th}$ $5,30$ mmH$_2$O
19 Tổng trở lực đường khói $\Delta H$ $2,55$ mmH$_2$O

Giải pháp và đóng góp kỹ thuật:

  • Đưa ra giải pháp thiết kế hợp lý hóa kết cấu buồng đốt và dàn ống lửa 3 dãy dạng tam giác đều, giúp truyền nhiệt đồng đều và tạo khoang chứa nước dung tích lớn, đáp ứng khả năng trữ nhiệt khi phụ tải công nghiệp dao động.
  • Tính toán kích thước ống khói ($H = 10\text{ m}$, $d = 150\text{ mm}$) bảo đảm lực tự hút ($5,3\text{ mmH}_2\text{O}$) vượt $1,73$ lần tổng trở lực đường khói ($2,55\text{ mmH}_2\text{O}$), giúp lò vận hành ổn định hoàn toàn bằng thông gió tự nhiên, tiết kiệm năng lượng điện do không phải sử dụng quạt hút khói cưỡng bức.
  • Xây dựng giải pháp gia cường kết cấu tại mặt sàng và cửa người chui, cùng quy trình kiểm định thử áp lực thủy lực nghiêm ngặt ở $15\text{ kG/cm}^2$, nâng cao độ an toàn cơ khí cho thiết bị áp lực.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Hệ thống thiết kế không trang bị bề mặt trao đổi nhiệt đuôi lò (bộ hâm nước cấp hoặc bộ sấy không khí), dẫn đến nhiệt độ khói thải còn ở mức cao ($210\text{--}220^\circ\text{C}$), khiến tổn thất nhiệt do khói thải chiếm tỷ trọng lớn nhất ($q_2 = 10,28%$).
  • Thiết kế giả định nước ngưng tụ từ phụ tải bị nhiễm bẩn và xả bỏ hoàn toàn ra ngoài, chưa có phương án xử lý để tái thu hồi nguồn nhiệt của nước ngưng.
  • Số liệu tính toán thủy động phân bố nước bên trong thân lò chưa được triển khai chi tiết bằng mô hình số liệu cụ thể trong thuyết minh.
  • Nhiên liệu sử dụng là dầu DO có giá thành vận hành tương đối cao so với các loại nhiên liệu sinh khối hoặc khí đốt tự nhiên.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Nghiên cứu thiết kế bổ sung bộ hâm nước cấp tận dụng nhiệt khói thải nhằm hạ nhiệt độ khói xuống dưới $150^\circ\text{C}$, nâng cao hiệu suất nhiệt của lò lên trên $90%$.
  • Nghiên cứu tích hợp hệ thống xử lý và lọc nước ngưng để tái tuần hoàn vào lò, giảm thiểu tiêu hao nước mềm và tiết kiệm năng lượng gia nhiệt sơ bộ.
  • Mở rộng nghiên cứu cải tiến đầu đốt để có khả năng vận hành linh hoạt đa nhiên liệu (kết hợp dầu DO và khí gas/biogas) và tích hợp hệ thống điều khiển tự động tỷ lệ gió - dầu theo tín hiệu áp suất hơi.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên môn phù hợp cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt, Kỹ thuật Cơ khí, Năng lượng tại các trường đại học kỹ thuật làm tài liệu mẫu để thực hiện đồ án môn học Thiết bị nhiệt, đồ án môn học Lò hơi hoặc đồ án tốt nghiệp đại học.
  • Kỹ sư thiết kế thiết bị áp lực và mạng nhiệt công nghiệp cần tra cứu phương pháp tính toán cân bằng nhiệt, tính toán khí động học đường khói thông gió tự nhiên và phương pháp tính kiểm tra sức bền cơ khí theo tiêu chuẩn thiết kế lò hơi ống lò - ống lửa.
  • Cán bộ kỹ thuật và công nhân vận hành hệ thống lò hơi tại các cơ sở sản xuất, khách sạn, nhà máy thực phẩm cần tài liệu tham khảo về quy chuẩn an toàn, các bước khởi động/dừng lò và quy trình xử lý 5 sự cố áp lực điển hình.

Các phần có giá trị thực tiễn cao nhất trong đồ án gồm: bảng tính toán các sản phẩm cháy và tổn thất nhiệt (Chương 2); công thức và trình tự tính bền thân lò, ống lò, ống lửa và chi tiết gia cường cửa người chui (Chương 3); cùng quy trình vận hành và ứng phó sự cố an toàn thiết bị áp lực (Chương 6).

Câu hỏi thường gặp

1. Hiệu suất nhiệt của lò hơi được tính toán đạt bao nhiêu phần trăm và thành phần nào gây tổn thất nhiệt lớn nhất? Theo tính toán cân bằng nhiệt ở Chương 2, hiệu suất nhiệt của lò hơi đạt $\eta = 87,22%$. Tổng các tổn thất nhiệt là $q = 12,78%$, trong đó tổn thất nhiệt do khói thải mang ra ngoài là thành phần lớn nhất với $q_2 = 10,28%$ (entanpi khói thải đạt $3471,72\text{ kJ/kg}$). Các tổn thất khác chiếm tỷ lệ nhỏ: tổn thất do cháy hóa học không hoàn toàn $q_3 = 1,5%$, tổn thất tỏa nhiệt ra môi trường $q_5 = 1,0%$, trong khi tổn thất do cháy cơ học $q_4 = 0%$ và tổn thất do tro xỉ $q_6 = 0%$.

2. Tổng diện tích bề mặt truyền nhiệt của lò hơi được phân bổ như thế nào giữa các bộ phận? Căn cứ vào công suất thiết kế $D = 2000\text{ kg/h}$ và hệ số năng suất bốc hơi lựa chọn $d = 40\text{ kg/m}^2\cdot\text{h}$, tổng diện tích bề mặt truyền nhiệt thiết kế sơ bộ là $F = 50\text{ m}^2$. Diện tích này được phân bổ cụ thể: bề mặt truyền nhiệt của ống lò tiếp xúc trực tiếp bức xạ nhiệt là $F_1 = 6\text{ m}^2$; bề mặt truyền nhiệt đối lưu của cụm 96 ống lửa là $F_2 = 44\text{ m}^2$.

3. Thân lò, ống lò và ống lửa được chế tạo từ vật liệu gì và kích thước chiều dày an toàn là bao nhiêu? Thân lò và ống lò được chế tạo từ thép tấm cacbon chuyên dụng mác $20\text{K}$. Thân lò có đường kính trong $2140\text{ mm}$, chiều dài $3000\text{ mm}$, chiều dày thiết kế an toàn $18\text{ mm}$. Ống lò có đường kính trong $764\text{ mm}$, đường kính ngoài $800\text{ mm}$, chiều dài $2500\text{ mm}$, chiều dày chọn $18\text{ mm}$ (dù tính bền tối thiểu là $10\text{ mm}$). Dàn ống lửa gồm 96 ống chế tạo từ thép đúc không mối hàn mác $C20$, đường kính ngoài $80\text{ mm}$, đường kính trong $73\text{ mm}$, chiều dày $3,5\text{ mm}$ (tính toán kiểm tra bền an toàn ở mức $5\text{ mm}$), chiều dài $2010\text{ mm}$.

4. Tại sao hệ thống đường khói của lò hơi chỉ sử dụng phương pháp thông gió tự nhiên mà không cần quạt hút? Tổng trở lực đường khói tính toán ở Chương 4 chỉ là $\Delta H = 2,55\text{ mmH}_2\text{O}$ (gồm trở lực ống lò $0,07\text{ mmH}_2\text{O}$, dàn ống lửa $1,03\text{ mmH}_2\text{O}$ và hộp khói $1,45\text{ mmH}2\text{O}$). Với chiều cao ống khói $H = 10\text{ m}$ và nhiệt độ khói trung bình $210^\circ\text{C}$, lực tự hút do chênh lệch mật độ dòng khói tạo ra đạt $h{th} = 5,3\text{ mmH}_2\text{O}$. Trị số này lớn hơn điều kiện an toàn $1,2 \times \Delta H = 3,06\text{ mmH}_2\text{O}$, bảo đảm thải kịp thời toàn bộ sản phẩm cháy mà không cần trang bị quạt hút cưỡng bức.

5. Đồ án xây dựng quy trình ứng phó kỹ thuật cho những sự cố vận hành nguy hiểm nào? Tại Chương 6, đồ án xây dựng quy trình ứng phó chi tiết cho 5 sự cố vận hành điển hình gồm: sự cố tắt lò đột ngột khi đang cháy; phụ tải lò tăng đột ngột; phụ tải lò giảm đột ngột; mất nguồn nước cấp vào lò; và sự cố cạn nước nghiêm trọng trong lò hơi.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống lò hơi đốt dầu DO, công suất 2 T/h" của sinh viên Phan Văn Quốc Nhật và Ngô Xuân Thuần (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng) đã hoàn thành đầy đủ các nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật cho thiết bị nhiệt công nghiệp loại ống lò - ống lửa nằm ngang sản xuất hơi bão hòa $10\text{ bar}$. Các kết quả tính toán nhiệt động khẳng định tính khả thi của hệ thống với hiệu suất nhiệt đạt $87,22%$ và khả năng tự hút khí động hoàn toàn qua ống khói cao $10\text{ m}$. Đồ án cung cấp một tài liệu kỹ thuật có tính hệ thống cao từ lý thuyết cân bằng nhiệt, tính bền cơ khí đến quy chuẩn an toàn vận hành lò hơi công nghiệp.