Buồng đốt tầng sôi: Hoạt động và thiết kế để tối ưu hiệu suất.

Buồng đốt tầng sôi là bộ phận quan trọng nhất giúp cho hệ thống lò hơi tầng sôi trở thành thiết bị có chế độ làm việc với công nghệ tiên tiến nhất và mang lại nhiều hiệu quả trong hoạt động nhất trong các loại lò hơi. Vậy buồng đốt tầng sôi có đặc điểm nổi bật nào? Hoạt động ra sao? Và cách thiết kế thế nào để tối ưu hoá hiệu suất đốt cháy? Tất cả sẽ được Lò hơi Bách Khoa thông tin chi tiết qua bài viết này.

Giới thiệu buồng đốt tầng sôi

Buồng đốt tầng sôi là nơi diễn ra quá trình cháy của nhiên liệu, tại đây nhiên liệu được đốt cháy trong một lớp hoặc một thể sôi với các hạt rắn không cháy. Buồng đốt tầng sôi có đặc điểm khác biệt với buồng đốt của các loại lò hơi khác như:

Buồng đốt của lò BFB thường bao gồm một lớp nền sôi thấp và một khu vực trống bên trên. Năng lượng giải phóng từ quá trình đốt cháy nhiên liệu được phân chia giữa khu vực bên dưới và khu vực bên trên của buồng đốt theo tỷ lệ 88:12; điều này có  nghĩa là năng lượng tập trung chủ yếu ở khu vực lớp sôi. Nhiệt độ lớp sôi đối với lò BFB đốt than được duy trì trong khoảng 800 – 900^oC bằng cách trích xuất lượng nhiệt phù hợp. Tuy nhiên, đối với lò hơi tầng sôi đốt biomass, nhiệt độ lớp sôi phải được giữ ở dưới 750^oC để tránh đóng keo lớp nền trong buồng đốt, do hàm lượng hợp chất Natri và Kali trong biomass cao sẽ làm giảm nhiệt độ nóng chảy của lớp nền.

Buồng đốt tầng sôi

Hoạt động của buồng đốt tầng sôi

Hoạt động của buồng đốt tầng sôi sẽ có sự khác biệt hơn so với hoạt động của các loại lò hơi khác vì cấu tạo tương đối đặc biệt của nó. Khi nhiên liệu đốt được cấp tự động vào buồng đốt sẽ xảy ra quá trình cháy nhiên liệu.

Tại đây sẽ diễn ra quá trình dao động hỗn hợp của những hạt nhiên liệu rắn (lớp sôi) được phân thành từng lớp theo tỉ trọng của hạt nhiên liệu và chiều cao buồng đốt. Quá trình dao động này được thực hiện chính là nhờ vận tốc của luồng gió cấp 1 được đưa vào lò từ sàn đáy của buồng đốt đủ lớn. Kết quả của gió với vận tốc lớn này tạo ra một lượng hỗn hợp các hạt nhiên liệu rắn xuôi theo dòng hỗn hợp không khí cháy đi ra khỏi buồng đốt. Trong quá trình cháy, các hạt nhiên liệu giảm dần kích thước và được hòa trộn với 1 phần xỉ (hạt nền) có sẵn trong buồng đốt tạo ra một lớp đệm nhiên liệu.

Quá trình nhiên liệu cháy trong buồng đốt được phân thành từng tầng theo chiều cao của buồng đốt và tùy theo tốc độ của gió cấp 1 và cấp 2. Nhiệt từ lớp nhiên liệu cháy được truyền tới nước qua các tường nước được bố trí xung quanh buồng đốt, đỉnh buồng đốt. Khói nóng mang theo các hạt tro bay rời khỏi buồng đốt đi qua các bộ quá nhiệt (đối với lò hơi quá nhiệt) và cuối cùng là dàn ống trao đổi nhiệt đối lưu rồi thoát ra khỏi lò.

Gió cấp 2 được đưa vào buồng đốt qua các vòi phun gió được đặt ở phía trên buổng đốt (bên trên các béc gió cấp 1) cung cấp không khí cho các lớp sôi phía trên để giảm khí NOx, điều chỉnh hệ số không khí thừa và điều chỉnh nhiệt độ cháy trong buồng đốt. Sau khi thực hiện quá trình trao đổi nhiệt đối lưu ở phần đuôi lò, khói được đưa vào bộ thu hồi năng lượng, tận dụng lại nguồn nhiệt từ khói thải gia nhiệt cho nước cấp và không khí cấp vào lò. Bộ lọc bụi được bố trí đặt ở trước quạt hút, tách những hạt tro bay ra khỏi dòng khói, trước khi khói được quạt hút thải ra ngoài ống khói.

Độ sôi của lớp hạt rắn phụ thuộc rất lớn vào kích thước hạt và vận tốc sôi. Vận tốc sôi của lớp hạt rắn tăng chậm hơn so với tốc độ của dòng khí đi trong đó. Sự chênh lệch tốc độ này được gọi là vận tốc trượt. Vận tốc trượt càng lớn thì khả năng hòa trộn nhiên liệu với lớp sôi càng tốt và hiệu quả cháy sẽ càng cao.

Buồng đốt tầng sôi

Cách thiết kế buồng đốt tầng sôi để lò hoạt động hiệu quả nhất

Đối với than nhiệt lượng cao

Phương pháp phổ biến để giữ nhiệt độ lớp nền trong khoảng yêu cầu là thêm chùm ống bức xạ ngâm trong lớp sôi. Chùm ống này có thể là ống sinh hơi hoặc ống quá nhiệt. Tuy nhiên vì tiếp xúc trực tiếp với các hạt rắn chuyển động nên tuổi thọ của các chùm ống này thường thấp và phải kiểm tra thay thế thường xuyên. Một số cách khác để kiểm soát nhiệt độ lớp nền là tuần hoàn xỉ với bộ giải nhiệt nằm bên ngoài hay tuần hoàn khói, vv.

Đối với than nhiệt lượng trung bình và thấp

Chùm ống bức xạ cũng có thể được sử dụng, tuy nhiên, có một phương pháp khác là tăng chiều cao sôi của lớp nền. Buồng đốt dạng này được gọi là buồng đốt sôi rối (tubulen) và có tốc độ sôi nằm giữa sôi bọt và sôi tuần hoàn. Loại lò hơi tầng sôi tubulen có buồng đốt được bao quanh bởi ống sinh hơi, lợi dụng độ sôi cao để hấp thụ lượng nhiệt sinh ra, từ đó kiểm soát được nhiệt độ buồng đốt. Lợi ích của phương pháp này là tuổi thọ buồng đốt cao, dễ dàng thao tác vận hành và bảo trì. Tuy nhiên nhược điểm là chiều cao lò hơi tăng, cần có hệ tuần hoàn tro khi yêu cầu hiệu suất cao.

Thể xây

Buồng đốt tầng sôi yêu cầu phải có vật liệu chịu lửa bao quanh (gạch chịu nhiệt, chịu lửa hoặc bê tông) kể cả đối với buồng đốt vách ướt để đảm bảo tuổi thọ buồng đốt và bảo vệ các ống vách ướt khỏi mài mòn và quá nhiệt. Lớp bê tông cách nhiệt có thể yêu cầu dày hơn đối với nhiên liệu biomass như trấu rời để dễ kiểm soát nhiệt độ buồng đốt được tốt hơn.

Thể xây buồng đốt tầng sôi

Vật liệu nền

Chiều cao lớp vật liệu nền thường từ 120 - 400mm, kích thước phổ biến của hạt rắn từ 0.8-1.2mm và khối lượng riêng từ 1500 - 2400kg/m3. Các loại vật liệu như cát, xỉ hoặc đá dolomit, đá vôi đều có thể dùng làm vật liệu nền.

Tỷ lệ nhiên liệu và vật liệu nền trong buồng đốt tầng sôi thường được phối trộn từ 1-5%. Tỷ lệ vật liệu nền trong hỗn hợp cháy rất lớn nên khả năng giữ nhiệt của lò tầng sôi rất tốt. Vì vậy lò tầng sôi có thể đốt được rất nhiều loại nhiên liệu như than, biomass, bùn giấy, rác thải, vv, với lượng phát thải khí độc vẫn nằm trong tiêu chuẩn cho phép.

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ và đa dạng trong sự lựa chọn thiết bị cung cấp năng lượng thì lò hơi tầng sôi vẫn tiếp tục đóng vai trò không thể thay thế. Lò hơi tầng sôi do Lò hơi Bách Khoa thiết kế và cải tiến luôn đáp ứng được những yêu cầu khắt khe nhất của khách hàng.