Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình sản xuất tại các nhà máy chế biến đường mía, năng lượng nhiệt và điện năng đóng vai trò quyết định đến toàn bộ dây chuyền công nghệ. Tại Nhà máy đường An Khê – Gia Lai, nhu cầu sử dụng hơi bão hòa và hơi quá nhiệt cho các công đoạn gia nhiệt nước mía, nấu đường, cô đặc và chạy tuabin phát điện là rất lớn. Quá trình ép mía tạo ra một lượng phế phụ phẩm sinh khối khổng lồ là bã mía. Nếu không có phương án tiêu thụ phù hợp, lượng bã mía này sẽ chiếm diện tích lưu trữ lớn và gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Việc sử dụng bã mía làm nhiên liệu đốt trực tiếp trong lò hơi công nghiệp vừa giải quyết triệt để bài toán xử lý chất thải rắn nông nghiệp tại chỗ, vừa cung cấp nguồn năng lượng tái tạo ổn định, giúp giảm phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống.

Xuất phát từ thực tế đó, đề tài khóa luận tốt nghiệp tập trung giải quyết bài toán tính toán, thiết kế nhiệt cho hệ thống lò hơi đốt bã mía công suất lớn nhằm đáp ứng nhu cầu cung cấp nhiệt cho nhà máy. Các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được đặt ra bao gồm:

  1. Tra cứu và tổng hợp các cơ sở lý thuyết, tài liệu chuyên ngành về thiết bị cung cấp nhiệt và thiết kế lò hơi.
  2. Nghiên cứu đặc tính vật lý, hóa học và nhiệt trị của nguồn nhiên liệu sinh khối (cụ thể là bã mía).
  3. Nghiên cứu công nghệ lò hơi đốt ghi, lựa chọn kết cấu buồng lửa và các cụm bề mặt đốt phù hợp với đặc tính nhiên liệu sinh khối có độ ẩm cao.
  4. Tính toán cân bằng nhiệt toàn lò hơi, xác định các tổn thất nhiệt, hiệu suất và suất tiêu hao nhiên liệu.
  5. Tính toán thiết kế nhiệt chi tiết cho từng bộ phận trao đổi nhiệt: buồng lửa, dàn ống sinh hơi, cụm pheston, bộ quá nhiệt cấp I và cấp II, bộ hâm nước cấp, và bộ sấy không khí.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Lò hơi công nghiệp buồng lửa ghi đốt nhiên liệu sinh khối bã mía.
  • Phạm vi không gian: Ứng dụng cụ thể cho dây chuyền sản xuất của Nhà máy đường An Khê – Tỉnh Gia Lai.
  • Phạm vi kỹ thuật và thông số thiết kế: Lò hơi bố trí kiểu chữ $\Pi$, sản lượng hơi định mức $D = 70\text{ tấn/h}$, áp suất hơi quá nhiệt đầu ra $P_{qn} = 42\text{ bar}$, nhiệt độ hơi quá nhiệt $t_{qn} = 440^\circ\text{C}$, nhiệt độ nước cấp vào lò $t_{nc} = 230^\circ\text{C}$, sử dụng nhiên liệu bã mía có độ ẩm làm việc $W = 50%$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán

Đồ án được thực hiện dựa trên hệ thống lý thuyết kỹ thuật nhiệt, nhiệt động lực học và phương pháp tính toán nhiệt lò hơi tiêu chuẩn theo các tài liệu chuyên ngành kỹ thuật nhiệt của Việt Nam và quốc tế.

Khung lý thuyết và mô hình tính toán:

  • Lý thuyết quá trình cháy nhiên liệu rắn và cân bằng vật chất: Xác định lượng không khí lý thuyết, lượng không khí thực tế, thành phần và thể tích các sản phẩm cháy ($V_{RO_2}, V_{N_2}^o, V_{H_2O}^o, V_k^o$) dựa trên thành phần nguyên tố của nhiên liệu làm việc.
  • Lý thuyết cân bằng nhiệt lò hơi: Xác định nhiệt trị thấp làm việc ($Q_t^{lv}$), phương trình cân bằng nhiệt đưa vào và nhiệt có ích, tính toán các dạng tổn thất nhiệt theo phương pháp giải tích ($q_2$ do khói thải, $q_3$ do cháy không hoàn toàn về hóa học, $q_4$ do cháy không hoàn toàn về cơ học, $q_5$ do tỏa nhiệt ra môi trường, $q_6$ do xỉ mang ra ngoài).
  • Lý thuyết trao đổi nhiệt phức hợp (bức xạ và đối lưu): Xác định hệ số trao đổi nhiệt bức xạ, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu, hệ số truyền nhiệt tổng quát ($K$), độ chênh nhiệt độ logarit trung bình ($\Delta t$) và diện tích bề mặt trao đổi nhiệt cần thiết của từng bộ phận.

Phương pháp nghiên cứu:

  • Phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật nhiệt truyền thống: Kết hợp các công thức giải tích chuẩn với việc tra cứu bảng nhiệt động học của nước, hơi nước bão hòa, hơi quá nhiệt và các toán đồ trao đổi nhiệt chuyên dụng cho nhiên liệu rắn.
  • Phương pháp lặp và quy tắc nội suy ba điểm: Được áp dụng để tính toán nhiệt độ khói và entanpi sau các cụm trao đổi nhiệt (như cụm pheston và bộ quá nhiệt cấp II) nhằm đảm bảo sự cân bằng giữa lượng nhiệt khói nhả ra và lượng nhiệt môi chất hấp thụ.

Nguồn dữ liệu đầu vào: Thành phần nhiên liệu bã mía làm việc được xác định theo số liệu phân tích kỹ thuật:

  • Carbon ($C$): $22,16%$
  • Hydro ($H$): $2,84%$
  • Oxy ($O$): $21,00%$
  • Nitơ ($N$): $0%$
  • Lưu huỳnh ($S$): $0%$
  • Độ tro ($A$): $4,00%$
  • Độ ẩm ($W$): $50,00%$
  • Nhiệt trị thấp làm việc tính toán: $Q_t^{lv} = 6885,38\text{ kJ/kg}$.

Thiết kế và thông số kỹ thuật hệ thống lò hơi

Hệ thống lò hơi được thiết kế theo dạng hình chữ $\Pi$, bao gồm buồng lửa đứng ở nhánh đi lên và đường khói đối lưu ở nhánh đi xuống. Buồng lửa sử dụng công nghệ đốt ghi cố định (ghi tấm ghép) với cơ chế thải xỉ khô, đáy buồng lửa được thiết kế dạng phễu lạnh nghiêng để gom tro xỉ.

Hạng mục / Thông số Giá trị thiết kế Đơn vị
Sản lượng hơi định mức ($D$) 70 tấn/h
Áp suất hơi quá nhiệt ($P_{qn}$) 42 bar
Nhiệt độ hơi quá nhiệt ($t_{qn}$) 440 $^\circ\text{C}$
Nhiệt độ nước cấp ($t_{nc}$) 230 $^\circ\text{C}$
Hệ số không khí thừa cửa ra buồng lửa ($\alpha_{bl}$) 1,35 -
Nhiệt thế thể tích buồng lửa ($q_V$) 300 $\text{kW/m}^3$
Thể tích buồng lửa ($V$) 166,92 $\text{m}^3$
Chiều cao buồng lửa ($H$) 13,0 m
Diện tích tiết diện ngang buồng lửa ($F_{ngang}$) 14,0 $\text{m}^2$
Tỷ lệ chiều rộng / chiều sâu ($a/b$) 0,68 -
Nhiệt độ khói ra khỏi buồng lửa ($\vartheta_{bl}$) 957,4 $^\circ\text{C}$
Nhiệt độ khói thải ra khỏi lò ($\vartheta_{th}$) 137,86 $^\circ\text{C}$
Nhiệt độ không khí nóng cấp vào lò ($t_{nk}$) 140 $^\circ\text{C}$
Suất tiêu hao nhiên liệu thực tế ($B$) 30,739 tấn/h
Suất tiêu hao nhiên liệu tính toán ($B_{tt}$) 28,790 tấn/h

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tổng quan về tiềm năng năng lượng sinh khối, tình hình khai thác sinh khối trên thế giới và tại Việt Nam, cùng nguyên lý cơ bản của thiết bị lò hơi công nghiệp.

  • Nhiên liệu sinh khối và môi trường: Tác giả phân tích tiềm năng chuyển đổi "chất thải thành của cải" từ phụ phẩm nông nghiệp. Sinh khối hấp thụ $\text{CO}_2$ trong quá trình quang hợp và phát thải lượng lưu huỳnh gần như bằng không ($S = 0%$), do đó không tạo ra các khí độc hại như $\text{SO}_x$, góp phần giảm thiểu hiệu ứng nhà kính so với nhiên liệu hóa thạch. So sánh thành phần và giá trị gia nhiệt cho thấy bã mía đạt nhiệt trị khô khoảng $21,2\text{ MJ/kg}$, cao hơn rơm rạ ($15,2\text{ MJ/kg}$) và rác thô ($16,4\text{ MJ/kg}$).
  • Tình hình nghiên cứu: Nêu bật bức tranh phát triển sinh khối tại Malaysia (tiềm năng hàng năm đạt $96,54\text{ triệu tấn}$) và Việt Nam (tiềm năng phụ phẩm nông - lâm nghiệp trên $160\text{ triệu tấn/năm}$, dự báo tiềm năng kỹ thuật điện sinh khối đạt $75,5\text{ triệu MWh}$ vào năm 2030).
  • Phân loại và nguyên lý lò hơi ghi đốt bã mía: Phân tích ưu và nhược điểm của công nghệ lò hơi ghi tĩnh. Lò ghi tĩnh có ưu thế về kết cấu cơ khí đơn giản, vận hành dễ dàng, đốt được nhiên liệu có kích thước không đồng đều và độ ẩm cao như bã mía, nhưng có nhược điểm là hiệu suất nhiệt thấp hơn lò tầng sôi và cần nhiều nhân công thao tác.

Chương 2: Tính toán, cân bằng nhiệt lò hơi

Nội dung chương này thực hiện các bước tính toán thể tích không khí, sản phẩm cháy và lập bảng cân bằng nhiệt để xác định hiệu suất của lò hơi.

  • Tính toán thể tích sản phẩm cháy: Dựa trên thành phần nhiên liệu, tính được thể tích không khí lý thuyết $V^o = 2,045\text{ m}^3\text{tc/kg}$, thể tích khí ba nguyên tử lý thuyết $V_{RO_2} = 0,422\text{ m}^3\text{tc/kg}$, thể tích nitơ $V_{N_2}^o = 1,616\text{ m}^3\text{tc/kg}$, thể tích hơi nước lý thuyết $V_{H_2O}^o = 0,967\text{ m}^3\text{tc/kg}$, và tổng thể tích khói lý thuyết $V_k^o = 3,843\text{ m}^3\text{tc/kg}$. Thể tích hơi nước thực tế ở hệ số không khí thừa buồng lửa $\alpha = 1,35$ là $0,978\text{ m}^3\text{tc/kg}$.
  • Hệ số không khí thừa dọc đường khói: Xác định hệ số không khí thừa tăng dần qua các cụm trao đổi nhiệt do hiện tượng lọt gió: buồng lửa ($\alpha = 1,25 \to 1,35$), cụm pheston ($\alpha = 1,35$), bộ quá nhiệt cấp II ($\alpha = 1,35$), bộ quá nhiệt cấp I ($\alpha = 1,35 \to 1,40$), bộ hâm nước ($\alpha = 1,40 \to 1,42$), bộ sấy không khí ($\alpha = 1,42 \to 1,47$).
  • Cân bằng nhiệt và tổn thất nhiệt:
    • Tổn thất do khói thải mang ra: $q_2$ (tính với entanpi khói thải ở $140^\circ\text{C}$ là $374,27\text{ kJ/kg}$ và không khí lạnh $30^\circ\text{C}$ là $118,70\text{ kJ/kg}$).
    • Tổn thất do cháy không hoàn toàn về hóa học: $q_3 = 0%$.
    • Tổn thất do cháy không hoàn toàn về cơ học: $q_4 = 6,34%$.
    • Tổn thất do tỏa nhiệt ra môi trường: $q_5 = 1,26%$.
    • Tổn thất do tro xỉ mang ra ngoài: $q_6 = 1,26%$.
  • Lượng nhiệt sử dụng có ích và tiêu hao nhiên liệu: Lượng nhiệt có ích $Q_{ci} = 167.521.816\text{ kJ/h}$ (với entanpi hơi quá nhiệt $i_{qn} = 3383,57\text{ kJ/kg}$, entanpi nước cấp $i_{nc} = 990,4\text{ kJ/kg}$). Suất tiêu hao nhiên liệu thực tế đạt $B = 30,739\text{ tấn/h}$, tiêu hao nhiên liệu tính toán $B_{tt} = 28,790\text{ tấn/h}$.

Chương 3: Thiết kế buồng lửa

Chương 3 xác định kích thước hình học, đặc tính bức xạ và kết cấu dàn ống sinh hơi của buồng lửa.

  • Kích thước hình học buồng lửa: Chọn nhiệt thế thể tích $q_V = 300\text{ kW/m}^3$, xác định thể tích buồng lửa $V = 166,92\text{ m}^3$. Chiều dài ngọn lửa chọn $l_{nl} = 12\text{ m}$, chiều cao buồng lửa $H = 13\text{ m}$. Diện tích tiết diện ngang đạt $14\text{ m}^2$, chiều rộng $a = 3,1\text{ m}$, tỷ lệ $a/b = 0,68$. Bố trí một vòi cấp bã mía ở tường trước, cách mép phễu tro xỉ $2\text{ m}$ và cách mép tường $1\text{ m}$.
  • Hệ số bức xạ và độ đen buồng lửa: Tính toán độ đen của ngọn lửa ($a_{nl}$) và buồng lửa ($a_{bl}$) dựa trên hệ số làm yếu bức xạ của khí ba nguyên tử, hạt tro bay ($k_{tr}$ với đường kính hạt $20,\mu\text{m}$, khối lượng riêng khói $1,3\text{ kg/m}^3$) và hạt cốc đang cháy.
  • Dàn ống sinh hơi: Sử dụng ống thép đường kính ngoài $d = 76\text{ mm}$, bước ống $s = 90\text{ mm}$ (tỷ lệ $s/d = 1,18$), khoảng cách từ tâm ống đến tường $e = 32\text{ mm}$ và $e' = 37\text{ mm}$. Hệ số góc bức xạ đạt $x = 0,964$. Số ống bố trí ở tường trước và sau là 34 ống mỗi tường, tường bên là 98 ống. Tổng diện tích bề mặt bức xạ hữu hiệu của dàn ống sinh hơi đạt $147,7\text{ m}^2$.

Chương 4: Thiết kế dãy Pheston

Chương 4 tính toán kết cấu và trao đổi nhiệt của cụm pheston – cụm ống bảo vệ ở lối ra buồng lửa trước khi khói đi vào bộ quá nhiệt.

  • Đặc tính cấu tạo cụm pheston: Cụm pheston được tạo thành từ các ống của dàn sinh hơi tường sau uốn cong, gồm 4 cụm đặt so le, mỗi cụm gồm 9 ống đường kính ngoài $\Phi 76\text{ mm}$, chiều dài mỗi ống $l = 7,7\text{ m}$. Bước ống ngang $S_1 = 200\text{ mm}$ ($S_1/d = 2,63$), bước ống dọc $S_2 = 150\text{ mm}$ ($S_2/d = 1,97$). Tổng diện tích bề mặt pheston là $62,2\text{ m}^2$, diện tích chịu nhiệt bức xạ là $46,65\text{ m}^2$, diện tích chịu nhiệt đối lưu là $15,55\text{ m}^2$.
  • Tính toán truyền nhiệt: Nhiệt độ khói vào pheston bằng nhiệt độ ra khỏi buồng lửa $\vartheta_{bl} = 957,4^\circ\text{C}$. Áp dụng phương pháp lặp và quy tắc ba điểm, xác định được nhiệt độ khói sau pheston là $\vartheta_{pheston} = 910^\circ\text{C}$, tương ứng với entanpi khói $I_{kh} = 5260,11\text{ kJ/kg}$. Tốc độ trung bình của dòng khói qua pheston đạt $11,46 - 11,50\text{ m/s}$, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu đạt $78,54 - 78,98\text{ W/m}^2\text{K}$, hệ số trao đổi nhiệt bức xạ đạt $115,02 - 118,18\text{ W/m}^2\text{K}$, lượng nhiệt bề mặt pheston hấp thụ đạt $295,31 - 299,12\text{ kJ/kg}$.

Chương 5: Thiết kế bộ quá nhiệt

Bộ quá nhiệt có nhiệm vụ nâng nhiệt độ hơi bão hòa từ bao hơi ($253,22^\circ\text{C}$ ở $42\text{ bar}$) lên nhiệt độ quá nhiệt yêu cầu $440^\circ\text{C}$. Thiết bị được chia làm hai cấp có đặt bộ giảm ôn ở giữa.

  • Bộ quá nhiệt cấp II (BQN II): Làm việc ở vùng nhiệt độ khói cao ($910^\circ\text{C} \to 890^\circ\text{C}$), bố trí ống song song để chống bám xỉ. Ống làm bằng thép carbon, đường kính ngoài $d = 51\text{ mm}$, đường kính trong $46\text{ mm}$. Bước ống ngang $S_1 = 136\text{ mm}$ ($S_1/d = 2,6$), bước ống dọc $S_2 = 110\text{ mm}$ ($S_2/d = 2,2$). Cụm gồm 8 dãy dọc, mỗi dãy ngang 16 ống, tổng cộng 128 ống. Tốc độ khói qua BQN II đạt $12,85 - 12,90\text{ m/s}$, tốc độ hơi trong ống đạt $18,4 - 38,2\text{ m/s}$. Tổng diện tích trao đổi nhiệt thiết kế là $38,2\text{ m}^2$.
  • Bộ quá nhiệt cấp I (BQN I): Đặt ở vùng nhiệt độ khói thấp hơn ($890^\circ\text{C} \to 671,20^\circ\text{C}$), bố trí ống so le để tăng cường đối lưu. Ống thép carbon đường kính ngoài $d = 51\text{ mm}$, bước ngang $S_1 = 160\text{ mm}$ ($S_1/d = 3,14$), bước dọc $S_2 = 140\text{ mm}$ ($S_2/d = 2,2$). Bố trí 23 ống trong một dãy ngang, gồm 13 dãy dọc (tổng 299 ống), chiều dài mỗi ống xoắn $5\text{ m}$. Hơi đi vào BQN I ở nhiệt độ bão hòa $253,22^\circ\text{C}$ và đi ra ở $412,74^\circ\text{C}$. Diện tích bề mặt tính toán là $166,95\text{ m}^2$, diện tích thiết kế thực tế đạt $168,34\text{ m}^2$ (độ sai lệch $0,83%$).

Chương 6: Thiết kế bộ hâm nước cấp

Bộ hâm nước tận dụng nhiệt khói sau bộ quá nhiệt để gia nhiệt nước cấp trước khi vào bao hơi.

  • Đặc tính kết cấu: Chọn kiểu bộ hâm nước chưa sôi (nước ra chưa đạt trạng thái bão hòa để đảm bảo an toàn lưu động), chế tạo bằng ống thép trơn đường kính ngoài $d = 51\text{ mm}$, bố trí kiểu so le. Bước ngang $S_1 = 144\text{ mm}$ ($S_1/d = 2,8$), bước dọc $S_2 = 76\text{ mm}$ ($S_2/d = 1,5$). Hai môi chất chuyển động ngược chiều (khói đi từ trên xuống, nước đi từ dưới lên).
  • Thông số nhiệt: Khói đi vào ở $671,20^\circ\text{C}$ và ra khỏi bộ hâm nước ở $236,12^\circ\text{C}$. Nước cấp đi vào ở $230^\circ\text{C}$ ($i_{vào} = 990,4\text{ kJ/kg}$) và được nâng lên $238,73^\circ\text{C}$ ($i_{ra} = 2034,76\text{ kJ/kg}$). Lượng nhiệt hấp thụ đạt $20.307,09\text{ kJ/kg}$. Diện tích bề mặt tính toán là $354,81\text{ m}^2$, diện tích thiết kế thực tế là $353,61\text{ m}^2$ (sai số thiết kế $0,338%$).

Chương 7: Thiết kế bộ sấy không khí

Bộ sấy không khí đặt ở đuôi lò nhằm tận dụng nhiệt lượng cuối cùng của khói thải để sấy không khí cấp vào buồng lửa.

  • Đặc tính kết cấu: Chế tạo bằng ống thép carbon đường kính ngoài $d = 51\text{ mm}$, đường kính trong $48\text{ mm}$, bước ngang $S_1 = 110\text{ mm}$, bước dọc $S_2 = 60\text{ mm}$. Để giải quyết hiện tượng ăn mòn điểm sương ở vùng nhiệt độ thấp, bộ sấy không khí được chia làm 3 đoạn theo chiều khói đi, trong đó đoạn dưới cùng cao $100\text{ mm}$ được thiết kế tách rời để dễ dàng thay thế định kỳ khi bị ăn mòn. Toàn bộ cụm gồm 4 cụm theo chiều rộng đường khói, 15 dãy ngang, 26 dãy dọc, trung bình 383 ống mỗi cụm.
  • Thông số truyền nhiệt: Khói thải hạ nhiệt độ từ $236,12^\circ\text{C}$ xuống $137,86^\circ\text{C}$ (gần sát với nhiệt độ chọn sơ bộ $140^\circ\text{C}$). Không khí lạnh từ môi trường ($30^\circ\text{C}$) được nâng lên nhiệt độ không khí nóng định mức ($140^\circ\text{C}$). Lượng nhiệt trao đổi tính toán đạt $1901,44\text{ kW}$, tổng diện tích bề mặt chịu nhiệt của 3 đoạn là $2079,18\text{ m}^2$.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán kỹ thuật chính

Quá trình tính toán nhiệt đã xác định đầy đủ các thông số nhiệt động học, kích thước hình học và diện tích trao đổi nhiệt của toàn bộ các cụm thiết bị trong lò hơi đốt bã mía 70 tấn/h:

Cụm thiết bị Quy cách ống ($d\times s$) [mm] Bố trí ống Nhiệt độ khói vào / ra [$^\circ\text{C}$] Nhiệt độ môi chất vào / ra [$^\circ\text{C}$] Diện tích trao đổi nhiệt [$\text{m}^2$] Sai lệch tính toán [$%$]
Buồng lửa $\Phi 76 \times 90$ Dàn vách phẳng - / 957,4 - $147,70$ (bức xạ) Nhỏ
Cụm Pheston $\Phi 76$, $S_1=200, S_2=150$ 4 cụm so le 957,4 / 910,0 $253,22$ (bão hòa) $62,20$ Phù hợp
Bộ quá nhiệt II $\Phi 51$, $S_1=136, S_2=110$ Song song (8 dãy dọc) 910,0 / 890,0 $412,74 \to 440,00$ $38,20$ Phù hợp
Bộ quá nhiệt I $\Phi 51$, $S_1=160, S_2=140$ So le (13 dãy dọc) 890,0 / 671,2 $253,22 \to 412,74$ $168,34$ $0,83%$
Bộ hâm nước $\Phi 51$, $S_1=144, S_2=76$ So le ngược chiều 671,2 / 236,12 $230,00 \to 238,73$ $353,61$ $0,338%$
Bộ sấy không khí $\Phi 51$, $S_1=110, S_2=60$ 3 đoạn nối tiếp 236,12 / 137,86 $30,00 \to 140,00$ $2079,18$ Phù hợp

Giải pháp kỹ thuật được đề xuất

  • Giải pháp bố trí chống bám xỉ: Bố trí chùm ống pheston bước thưa ở lối ra buồng lửa và sắp xếp các ống của bộ quá nhiệt cấp II theo hàng song song để hạn chế tối đa nguy cơ đóng xỉ tro bã mía ở nhiệt độ cao.
  • Giải pháp bảo vệ chống ăn mòn điểm sương: Chia bộ sấy không khí thành 3 đoạn độc lập, tách riêng đoạn nhiệt độ thấp phía dưới giúp việc tháo lắp, bảo dưỡng và thay thế mô-đun bị ăn mòn cục bộ diễn ra thuận tiện, không làm gián đoạn toàn bộ hệ thống.
  • Tối ưu hóa quá trình cháy nhiên liệu ẩm: Thiết kế phễu lạnh góc nghiêng kết hợp thổi gió nóng $140^\circ\text{C}$ từ gầm ghi lên giúp sấy sơ bộ lớp bã mía ẩm ($W=50%$) trên bề mặt ghi, tăng cường hiệu quả cháy kiệt cốc và giảm tổn thất cơ học ($q_4 = 6,34%$).

Đóng góp của đề tài

Đồ án đã xây dựng một bộ hồ sơ tính toán nhiệt hoàn chỉnh, chi tiết từ khâu phân tích nhiên liệu sinh khối bã mía đặc trưng vùng Tây Nguyên đến tính toán kích thước thực tế cho từng cụm trao đổi nhiệt của lò hơi sản lượng $70\text{ tấn/h}$. Kết quả tính toán có độ sai lệch diện tích giữa thiết kế và lý thuyết rất nhỏ ($< 1%$), khẳng định tính khả thi về mặt nhiệt kỹ thuật của phương án thiết kế cho Nhà máy đường An Khê.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Đề tài chỉ tập trung vào phần tính toán cân bằng nhiệt và thiết kế nhiệt kích thước các bề mặt trao đổi nhiệt; chưa thực hiện tính toán thủy lực tuần hoàn tự nhiên trong dàn ống sinh hơi, tính toán trở lực khí động đường khói gió, và tính toán độ bền cơ học chi tiết (chiều dày thân bao hơi, ứng suất ống chịu áp lực).
    • Chưa ứng dụng mô phỏng động lực học dòng chảy (CFD) để khảo sát trường vận tốc, nhiệt độ và nồng độ tro bay trong không gian buồng lửa.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Hoàn thiện tính toán sức bền các chi tiết chịu áp lực cao theo Tiêu chuẩn Quốc gia về an toàn nồi hơi (TCVN).
    • Tính toán lựa chọn quạt khói, quạt gió và thiết kế hệ thống xử lý bụi khói thải (cyclone chùm, lọc bụi túi hoặc tháp hấp phụ ướt) nhằm đảm bảo tiêu chuẩn xả thải môi trường.
    • Xây dựng sơ đồ điều khiển tự động quá trình cấp nhiên liệu, lưu lượng gió và mức nước bao hơi.

Giá trị tham khảo

Tài liệu này là nguồn tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên và học viên: Chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt, Kỹ thuật Năng lượng, Năng lượng Tái tạo đang thực hiện đồ án môn học Lò hơi - Mạng nhiệt, Đồ án Cung cấp nhiệt hoặc Khóa luận tốt nghiệp về thiết bị sinh hơi công nghiệp.
  • Kỹ sư và cán bộ kỹ thuật: Làm việc tại các nhà máy chế biến đường, nhà máy nhiệt điện sinh khối, các đơn vị tư vấn thiết kế và chế tạo nồi hơi công nghiệp đốt nhiên liệu sinh khối (bã mía, trấu, dăm gỗ).
  • Phần nội dung có giá trị tham khảo cao nhất: Bảng tính toán entanpi sản phẩm cháy của bã mía, các bước áp dụng quy tắc nội suy ba điểm để giải bài toán truyền nhiệt lặp tại cụm pheston và bộ quá nhiệt, cũng như quy cách bố trí hình học chống ăn mòn cho bộ sấy không khí.

Câu hỏi thường gặp

1. Nhiên liệu bã mía dùng trong đề tài có đặc tính kỹ thuật gì nổi bật và nhiệt trị bằng bao nhiêu? Bã mía làm việc có độ ẩm rất cao $W = 50%$, hàm lượng tro $A = 4%$, thành phần cháy gồm $C = 22,16%$, $H = 2,84%$, $O = 21,00%$, hoàn toàn không chứa lưu huỳnh ($S = 0%$) và nitơ ($N = 0%$). Nhiệt trị thấp làm việc tính toán của nhiên liệu là $Q_t^{lv} = 6885,38\text{ kJ/kg}$.

2. Tại sao cụm ống pheston và bộ quá nhiệt cấp II lại được ưu tiên bố trí bước ống song song và bước thưa? Vì cụm pheston và bộ quá nhiệt cấp II đặt trực tiếp tại lối ra buồng lửa, nơi khói có nhiệt độ rất cao ($910 - 957,4^\circ\text{C}$). Việc bố trí ống bước thưa (pheston có bước ngang $200\text{ mm}$, bước dọc $150\text{ mm}$) và lắp song song (BQN II) giúp giảm vận tốc va đập tro xỉ nóng chảy, chống hiện tượng đóng xỉ và bám bẩn bề mặt truyền nhiệt.

3. Nhiệt độ khói thải và không khí nóng cấp vào lò được chọn là bao nhiêu? Kết quả tính toán kiểm tra có phù hợp không? Nhiệt độ khói thải được chọn sơ bộ là $140^\circ\text{C}$ và nhiệt độ không khí nóng là $140^\circ\text{C}$. Kết quả tính toán nhiệt chi tiết tại bộ sấy không khí cho ra nhiệt độ khói thải thực tế là $137,86^\circ\text{C}$, nhiệt độ không khí nóng ra khỏi bộ sấy đạt $140^\circ\text{C}$, sai lệch so với nhiệm vụ thiết kế ban đầu không đáng kể ($< 2%$).

4. Giải pháp nào được tác giả đưa ra để khắc phục hiện tượng ăn mòn điểm sương ở bộ sấy không khí? Tác giả chia bộ sấy không khí làm 3 đoạn riêng biệt theo chiều đường khói đi. Phần dưới cùng nơi có nhiệt độ khói thấp nhất và dễ bị đọng sương acid/nước được tách riêng thành một đoạn cao khoảng $100\text{ mm}$ bằng thép carbon độc lập, cho phép thay thế nhanh chóng khi bị ăn mòn mà không cần thay toàn bộ cụm ống.

5. Lượng bã mía tiêu hao tính toán cho lò hơi công suất 70 tấn hơi/giờ là bao nhiêu? Suất tiêu hao nhiên liệu thực tế của lò hơi là $B = 30,739\text{ tấn/h}$. Suất tiêu hao nhiên liệu tính toán (dùng để xác định thể tích khói, gió và nhiệt lượng di chuyển qua các bề mặt truyền nhiệt) là $B_{tt} = 28,790\text{ tấn/h}$.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ tính toán thiết kế nhiệt cho lò hơi công nghiệp đốt bã mía công suất $70\text{ tấn/h}$, thông số hơi quá nhiệt $42\text{ bar}$ và $440^\circ\text{C}$ phục vụ Nhà máy đường An Khê – Gia Lai. Các kết quả tính toán nhiệt buồng lửa, cụm pheston, bộ quá nhiệt 2 cấp, bộ hâm nước và bộ sấy không khí đều đạt độ chính xác cao với sai số thiết kế dưới $1%$. Đề tài đã đề xuất được các giải pháp kết cấu hợp lý nhằm nâng cao hiệu quả đốt cháy nhiên liệu sinh khối độ ẩm cao và hạn chế ăn mòn, đóng xỉ, đóng góp nguồn tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cho ngành kỹ thuật nhiệt - năng lượng.