Chương 2: SƠ LƯỢC CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA LÒ HƠI (BOILER)

Tùy theo cách gia nhiệt cho nước mà người ta phân loại lò hơi thành: Fire-tube

boiler (loại ống lửa), water-tube boiler (loại ống nước).

Fire-tube boiler (xem hình 1.4-1) là loại lò hơi mà các khí sau khi cháy sẽ chạy

qua các đường ống và gia nhiệt cho nước bao quanh các ống.

Water-tube boiler (xem hình 1.4-2) bao gồm nhiều ống (dùng để chứa nước) nối

với bao hơi, nước sẽ tuần hoàn trong các ống này và được gia nhiệt bằng nhiệt lượng

sản sinh ra trong buồng lửa.



Hình 1.4-1: Fire-tube boiler



Hình 1.4-2: Water-tube boiler (loại D)



Tùy vào hình dạng của buồng lửa và hệ thống trao đổi nhiệt người ta phân water-tube

boiler thành các loại sau đây: loại A, loại O và loại D



Hình 1.4-3: Các loại Water-tube boiler



1.5.Các thành phần cơ bản của lò hơi

Như đã nêu ở phần trước, một lò hơi gồm các thành phần cơ bản sau đây: buồng

lửa, bao hơi (drum), các bộ trao đổi nhiệt (economiser, evaporator, super heater) , quạt

đẩy khói thải (ID Fan), quạt hút không khí (FD Fan).

Buồng lửa (furnace hay combustion chamber): là nơi đốt cháy nhiên liệu (dầu,

khí) để tạo nhiệt năng làm sôi nước bên trong các ống để tạo thành hơi bão hòa trong

bao hơi (drum).

Bộ economiser: là nơi dùng nhiệt lượng của khí thải để làm nóng lượng nước

(feed water) đi vào lò hơi để tận dụng nhiệt lượng của quá trình đốt.

Bao hơi (drum): là nơi chứa nước feed water và cũng là nơi chứa hơi bão hòa được

tạo ra từ lò hơi.

Bộ evaporator: bao gồm các ống thép chứa đầy nước và nằm trong buồng lửa,

nhận nhiệt lượng từ quá trình đốt cháy nhiên liệu để làm sôi và bốc hơi nước. Hơi

nước này sẽ đi vào bao hơi và thoát ra ngoài đi đến bộ Superheater.



Bộ Superheater: Sau khi được tạo ra, hơi bão hòa di chuyển từ bao hơi đến

superheater, tại đây nó nhận thêm nhiệt lượng và chuyển thành hơi quá nhiệt. Hơi quá

nhiệt này trở thành nguồn năng lượng truyền động chủ yếu trong quá trình sản xuất.

Force Draught Fan (FD Fan): quạt này dùng để hút không khí vào buồng lửa nhằm

cung cấp đủ ôxy cho quá trình đốt cháy nhiên liệu.

Induced Draught Fan (ID Fan): dùng để hút khí thải (từ buồng lửa) và đẩy ra ống

khói để duy trì sự cháy bên trong buồng lửa.



Hình 1.5-4: Sơ lược các thành phần của một lò hơi



Nước sạch (nước khử khoáng, demineralized water) được bơm vào bao hơi

(drum), vì nó là nguyên liệu để tạo hơi nước nên được gọi là feed water. Trước khi vào

bao hơi, feed water thực hiện trao đổi nhiệt với khí thải ra khỏi buồng lửa của lò hơi

thông qua bộ Economiser để tận dụng nhiệt lượng của quá trình đốt. Từ bao hơi, nước

được đưa xuống các ống của Evaporator trong buồng lửa, nhận nhiệt lượng và thăng

hoa thành hơi nước bốc lên trên bao hơi.



Từ đỉnh của bao hơi, hơi nước bão hòa thoát ra được đưa vào bộ superheater, tại

đây chúng nhận thêm nhiệt lượng và trở thành hơi nước quá nhiệt và được đưa lên

mạng hơi để sử dụng.



1.6. Mô tả toán học các quá trình công nghệ bên trong lò hơi

Mô hình lý thuyết của quá trình là một hệ các phương trình mô tả đặc tính của quá

trình. Các phương trình này thường là phương trình vi phân hoặc phương trình đại số.

Các phương trình vi phân mô tả đặc tính động học của quá trình, còn các phương trình

đại số mô tả mối quan hệ giữa các đại lượng của quá trình. Mô hình lý thuyết được

thiết lập dựa vào các định luật vật lý, hóa học và các thông tin về thiết bị. Từ việc phân

tích quá trình, ta nhận biết các phần tử cơ bản trong hệ thống, sau đấy viết các phương

trình cân bằng và các phương trình đại số khác dựa trên các định luật bảo toàn, nhiệt

động học,…Dựa trên các thông số của thiết bị, nguyên/nhiên liệu, điều khiển vận hành

mà ta tính ra các tham số cần thiết và triển khai thành mô hình toán học cụ thể.

Quá trình tạo hơi quá nhiệt trong lò hơi là một quá trình phức tạp, bao gồm nhiều

công đoạn, đầu tiên là quá trình đốt cháy nhiên liệu, tiếp đến là quá trình trao đổi nhiệt

tại Evaporator, rồi kế tiếp là quá trình thăng hoa của nước thành hơi bão hòa, sau đấy

là quá trình trao đổi nhiệt tại superheater thành hơi quá nhiệt rồi đến quá trình kiểm

soát nhiệt độ hơi quá nhiệt bằng nước làm mát (quench water) thông qua bộ

desuperheater. Việc mô tả các quá trình của lò hơi bằng các phương trình cân bằng vật

chất, năng lượng chỉ nhằm mục đích tham khảo để hình dung mức độ phi tuyến của hệ

và ảnh hưởng của các đại lượng đầu vào với đầu ra của lò hơi. Việc mô tả chính xác

các quá trình của lò hơi bằng toán học rất khó đạt như mong đợi bởi sự phức tạp của

các quá trình bên trong lò hơi.



1.6.1. Buồng lửa

Mục đích của việc đốt cháy nhiên liệu chính là để truyền nhiệt tạo ra từ quá trình

cháy vào nước để tạo hơi nước. Do đó, yêu cầu quan trọng là phải đạt được hiệu quả

truyền nhiệt cao nhất. Quá trình truyền nhiệt trong buồng lửa thông thường là một quá

trình phức tạp bởi vì sự truyền nhiệt thông qua ba cơ chế: trao đổi nhiệt trực tiếp, đối

lưu và bức xạ (chủ yếu là đối lưu và bức xạ); và sự ổn định của quá trình trao đổi nhiệt



chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn trong các dòng lưu chất, thành phần của không khí và

nhiên liệu, sự trao đổi nhiệt với môi trường.



1.6.1.1.



Khả năng bức xạ của ngọn lửa



Dựa theo cường độ bức xạ trong phổ thấy được của ánh sáng mà người ta phân

chia thành dạng ngọn lửa sáng, nửa sáng và không sáng. Thông thường các ngọn lửa

sáng và nửa sáng là do nhiên liệu dạng rắn, và còn khi đốt nhiên liệu khí ngọn lửa thu

được có thể là loại nửa sáng hoặc không sáng.

Hệ số bức xạ nhiệt của môi trường khí được biểu thị qua định luật Bu-ghe

(Bouguer):



ag = 1 − e



−kg p ps



(2-1)



Trong đó:

k g là hệ số làm yếu tia bức xạ bởi môi trường khí

p p là tổng phân áp suất của các chất khí tạo thành sau quá trình cháy [Mpa]

s là chiều dày hiệu quả của lớp bức xạ [m]



Hệ số bức xạ nhiệt của ngọn lửa (ngọn lửa sáng) được xác định theo (2-2):



al = 1 − e − kl ps



(2-2)



Trong đó:

k l là hệ số làm yếu bức xạ bởi môi trường buồng lửa

p là áp suất của các chất khí trong buồng lửa [MPa]



Chiều dày hiệu quả của lớp bức xạ trong buồng lửa s được tính theo công thức:

s = 3,6 ×



Vbl

Fv



[m]



(2-3)



Trong đó:

Vbl là thể tích buồng lửa



[m3]



Fv là diện tích các tường buồng lửa



[m2]



Đối với lò hơi sử dụng nhiên liệu khí, ta xem như ngọn lửa gồm hai phần: phần sáng

và phần không sáng, lúc này hệ số bức xạ nhiệt của ngọn lửa được xác định như sau:



al = mas + (1 − m)aks



(2-4)



Trong đó:

a s là hệ số bức xạ nhiệt của phần ngọn lửa sáng được xác định theo công thức



(2-2)

a ks là hệ số bức xạ nhiệt của phần ngọn lửa không sáng được xác định theo (2-



1).

m là hệ số xác định phần thể tích buồng lửa bị tâm ngọn lửa choán đầy. Đối với



khí đốt thiên nhiên m = 0.1

Hệ số bức xạ nhiệt của buồng lửa abl được xác định qua hệ số bức xạ nhiệt của ngọn

lửa al và hệ số hiệu quả nhiệt của dàn ống trên tường, cụ thể là:



abl =



1

1



1 +  − 1ψ d

a



 l





(2-5)



Dòng nhiệt bức xạ trung bình được các dàn ống sinh hơi (Evaporator) hấp thu là:

4



 T 

qbx = c0 ablψ d  l  × 10 −3

 100 



[kW/m2]



(2-6)



Trong đấy:

Tl là nhiệt độ hiệu quả trung bình của môi trường khí trong buồng lửa [K]



ψ d là hệ số hiệu quả nhiệt của dàn ống, được xác định như sau:

ψ d = x ×ξ



(2-7)



Với x là hệ số góc và ξ là hệ số bám bẩn quy ước.



1.6.1.2.



Trao đổi nhiệt bức xạ trong buồng lửa



Sự truyền nhiệt từ ngọn lửa đến các dàn ống sinh hơi (evaporator) trong buồng lửa

là quá trình rất phức tạp. Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra đồng thời với quá trình cháy

nhiên liệu, và sự cháy nhiên liệu là nguồn nhiệt cho quá trình bức xạ.



Quá trình trao đổi nhiệt trong buồng lửa được mô tả bằng công thức bán thực

nghiệm của A. M. Gurvich như dưới đây:

Bo 0.6

θ = 0.6

0

Bo + M × abl.6

''

bl



(2-8)



Công thức này thể hiện sự liên hệ giữa nhiệt độ không thứ nguyên của khói ở cửa

''

ra buồng lửa θ bl và tiêu chuẩn Boltzmann ( Bo ). Tiêu chuẩn Boltzmann đặc trưng cho



tỷ lệ giữa lượng nhiệt sinh ra khi cháy nhiên liệu so với cường độ tỏa nhiệt tối đa đến

các bề mặt dàn ống đặt trên tường. Đặc tính của trường nhiệt độ trong thể tích buồng

lửa cũng được kể đến qua hệ số M .

Hệ số Bo được xác định như sau:

Bo =



Btt Qbx

1

×

4

''

c0ψ d FvTa 1 − θ bl



(2-9)



''

θ bl đặc trưng cho mức độ giảm nhiệt độ của khói trong thể tích buồng lửa do có



trao đổi nhiệt.

Đặc tính nhiệt chủ yếu của buồng lửa là lượng nhiệt sinh ra hữu ích trong buồng

''

lửa Qbl và entanpi của khói ở cửa ra của buồng lửa I bl .



Nhiệt lượng sinh ra hữu ích trong buồng lửa Qbl được xác định theo công thức

sau:

lv

Qbl = Qtr ×



(100 − q3 − q4 − q6 )

+ Qkk − Qkkng + Qtth

100 − q4



(2-10)



Trong đó:

lv

Qtr là nhiệt lượng tàng trữ trong nhiên liệu dùng để đốt



Qkk là nhiệt lượng do không khí nóng và không khí lạnh mang vào buồng lửa

Qkkng



là nhiệt lượng không khí thu được do nó được sấy sơ bộ ở phía trước bộ



sấy không khí của chính lò hơi (bộ Economiser)

Qtth là nhiệt lượng do khói được tái tuần hoàn từ “đuôi lò” về buồng lửa



q3 =



Q3

Q

Q

× 100% ; q4 = 4 × 100% ; q6 = 6 × 100%

Qdv

Qdv

Qdv



với:

Qdv là nhiệt lượng sản sinh ra khi cháy

Q3 là lượng tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt hóa học

Q4 là lượng tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt cơ học

Q6 là lượng tổn thất nhiệt do xỉ nóng mang ra ngoài



Việc tính toán trao đổi nhiệt trong buồng lửa dựa trên hai phương trình chủ yếu sau:

Phương trình cân bằng nhiệt:



(



)



(



''

''

Qbx = ϕ Qbl − I bl = ϕ (Vc ) g θ a − θ bl



)



(2-11)



Phương trình trao đổi nhiệt bức xạ:



(



)



Btt Qbx = c0 abl xFv Tl 4 − Ttr4 × 10 −11



với:



(2-12)



ϕ là hệ số giữ nhiệt



(Vc ) g là nhiệt dung trung bình của các chất khí trong khoảng nhiệt

'

độ ( θ a ÷ θ bl' )



[kJ/kgoK]



Phương trình (2-11) có thể được viết dưới dạng khác:

 T4 

Btt Qbx = c0 abl xFvTl 4 1 − tr4  × 10 −11

 T 

l 





Thay ξ = 1 −



(2-13)



Ttr4

và ψ d = xξ ta được:

Tl 4

Btt Qbx = c0 ablψ d FvTl 4 × 10 −11



(2-13)



Nhiệt độ khói ở cửa ra buồng lửa được xác định như sau:

''

θ bl =



Ta

 5.67ψ dtb Fv abl Ta3 −11 

M

10 

 ϕB (Vc )



tt

tb







Trong đó:



− 273



0.6



+1



[oC]



(2-14)



ψ dtb là hệ số hiệu quả nhiệt trung bình của dàn ống đặt trên tường



(Evaporator)



(Vc ) tb là tổng nhiệt dung trung bình của sản phẩm cháy

1.6.2.



Các bộ trao đổi nhiệt



Không giống như quá trình trao đổi nhiệt trong buồng lửa, nhiệt lượng mà bộ

Evaporator nhận được chủ yếu từ bức xạ. Đối với các bộ trao đổi nhiệt như

Economiser, Superheater nhiệt lượng nhận được thông qua cả trao đổi nhiệt bức xạ

vào trao đổi nhiệt đối lưu.



1.6.2.1.



Trao đổi nhiệt bức xạ trong đường khói của lò hơi



Lượng nhiệt hấp thu do trao đổi nhiệt bức xạ của một đơn vị bề mặt truyền nhiệt

đối lưu ở phần đuôi lò (ngõ ra, ống khói) được xác định bởi phương trình sau:

qbx = σ 0 a



atr + 1 4

T − Ttr4

2



(



)



[W/m2]



(2-15)



Với:

a là độ đen của khói có kể đến các hạt tro chứa trong khói

atr là độ đen của bề mặt hấp thu nhiệt bằng bức xạ

T là nhiệt độ tính toán của dòng khói (thường tính bằng trung bình cộng của nhiệt



độ khói vào và ra khỏi bề mặt truyền nhiệt



[K]



Ttr là nhiệt độ vách ngoài của bề mặt hấp thu nhiệt bằng bức xạ có kể đến bám bẩn



[K]

Ta có thể biểu diễn (2-15) dưới dạng khác:



(



qbx = α bx θ − t tr



)



[W/m2]



(2-16)



Và hệ số tỏa nhiệt bức xạ của sản phẩm cháy α bx được tính theo công thức:

3



α bx = (5.67 × 10 −11 )



T 

1 −  tr 

( a + 1) 3

 T  , [W/m2K]

× a × tr

×T ×

T

2

1 − tr

T



(2-17)



ttr là nhiệt độ vách ống (có tính đến ảnh hưởng của tro bụi) được xác định như sau:





1 

q

t tr = t +  ε +



α2 







[oC]



(2-18)



Trong đó:

t



là nhiệt độ trung bình của môi trường lưu động bên trong ống, bằng trung

bình cộng của nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối.



ε là hệ số bám bẩn bề mặt truyền nhiệt đối lưu [m2K/W]

α 2 là hệ số tỏa nhiệt từ vách ống đến môi chất lưu động trong ống [W/m 2K]

q là suất nhiệt lượng hấp thu bề mặt truyền nhiệt được tính toán [kW/m 2]



1.6.2.2.



Trao đổi nhiệt đối lưu trong đường khói của lò hơi



Phương trình truyền nhiệt cho phép xác định nhiệt lượng hấp thu của bề mặt

truyền nhiệt:

Q=



kH∆t

Btt



[kJ/kg]



(2-19)



trong đó:

Q là nhiệt lượng do bề mặt truyền nhiệt tính toán hấp thu bằng đối lưu và



bức xạ [kJ/kg]

k là hệ số truyền nhiệt [W/m2K]



[m2]



H là bề mặt truyền nhiệt tính toán



∆t là chênh lệch nhiệt độ giữa môi trường nóng (khói) và môi chất được đốt



nóng (hơi nước, nước, khí)



[K]



Btt là lượng nhiên liệu tiêu hao tính toán



[kg/s]



Phương trình cân bằng nhiệt dùng để tính nhiệt lượng do khói truyền đi bằng

nhiệt lượng do hơi nước, nước hay không khí hấp thu:



(



'

'

0

Q = ϕ I g − I g' + ∆αI kkl



)



[kJ/kg]



(2-20)



với:

'

'

I g và I g' là entanpi của khói vào và ra khỏi bề mặt truyền nhiệt tính toán



[kJ/kg]



0

∆αI kkl



là lượng nhiệt do không khí lạnh (lọt vào lò hơi) mang vào



Nhiệt lượng môi chất (hơi nước, nước, khí) hấp thu tại superheater được tính

bởi công thức dưới đây:

Q=



(



)



D '' '

qx

i − i + ∆i g .o − Qbx

Btt



[kJ/kg]



(2-21)



Nhiệt lượng môi chất (nước) hấp thu tại bộ Economiser được tính bởi công thức

dưới đây:

Q=



(



D '' '

i −i

Btt



)



[kJ/kg]



(2-21)



Trong đó:

D



là lưu lượng hơi nước đi qua bề mặt truyền nhiệt tính toán [kg/s]



i ' và i ''



là entanpi của môi chất (hơi nước, nước, khí) ở chỗ vào và chỗ ra

bề mặt tính toán



∆ig .o



[kJ/kg]



là lượng nhiệt do 1 kg hơi truyền cho nước làm lạnh (ở bộ giảm ôn

kiểu bề mặt)



[kJ/kg]