Phương pháp tính toán thiết kế lò hơi tầng sôi: Thiết kế buồng đốt

Sau khi xác định được các vấn đề khi tính toán thiết kế lò hơi, chúng ta sẽ đi vào thiết kế từng bộ phận riêng của lò hơi tầng sôi. Ở phần này, Lò hơi Bách Khoa sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về thiết kế buồng đốt- một trong những bộ phận quan trọng nhất của lò hơi tầng sôi.

Tính chọn một số thông số thiết kế buồng đốt

Khi lựa chọn cấu hình một buồng đốt lớp sôi, cần phải tính chọn một số thông số quan trọng sau:

Diện tích ghi phân phối gió – F_ghi: Dựa trên cơ sở lý thuyết và thực nghiệm, có thể có các xác định diện tích ghi phân phối gió như sau:

Theo tiêu chuẩn tính nhiệt:

                                         F_ghi = B_tt.V_khoi.(θ_ls +273)/273. w, m²                       

Trong đó:     B_tt - Tiêu hao nhiên liệu tính toán, kg/s;

                     V_khoi - Thể tích khói, m²_tc/kg.nl;

                     θls - Nhiệt độ lớp sôi, oC;

                     w- Tốc độ không khí hoặc khói đi qua lớp sôi ở nhiệt độ tính toán.

Có thể chọn sơ bộ diện tích ghi theo cường độ toả nhiệt của một đơn vị diện tích ghi: q_ghi = 1÷2 (MW/m2) - đối với lò tầng sôi bọt.

Hoặc xác định theo công thức thực nghiệm sau:

                     Q_ghi = 3,8. w.273/[α_bl (273 + θ_ls)],        (MW/m²)                  

Trong đó:   αbl - Hệ số không khí thừa.

                  Fghi = (0,3÷0,35).D, m²                                   

    Diện tích bề mặt đốt nằm trong lớp sôi: Hls = (1,4÷1,6).D, m²

Trong đó:   D - Công suất hơi, tấn/h.

- Nhiệt độ lớp sôi θ_ls: Phụ thuộc chủ yếu vào loại nhiên liệu. Với các loại nhiên liệu khó cháy, để ổn định cháy, nhiệt độ làm việc lớp sôi nên lấy bằng 900÷950^oC, và phải nhỏ hơn nhiệt độ bắt đầu mềm của tro (T1) hơn 50^oC.

- Tốc độ sôi của buồng đốt tầng sôi bọt: chọn trong khoảng 1÷3,5÷4,0  m/s. Hoặc có thể chọn theo lượng không khí thổi qua 1 m² diện tích ghi, lượng không khí vận hành tối ưu, cỡ 2000÷2800 m³_tc /m² ghi (tức bằng khoảng 3÷4 lần lượng gió tối thiểu để lớp hạt bắt đầu sôi). Tốc độ sôi không nên lớn hơn 0,5. w­_bay.

- Trở lực phần buồng đốt lớp sôi: Chủ yếu gồm trở lực của ghi Δp_ghi và trở lực của lớp hạt trơ Δp_ls. Trở lực của ghi nên khá lớn để đảm bảo phân bố không khí đều trên toàn bộ bề mặt lớp, thường chọn Δp_ghi = Δp_ls;  Δp_ghi    200 mmH­₂O.

- Về kết cấu: Buồng đốt lớp sôi nên có hình dạng phía dưới nên nhỏ hơn phía trên, tức là tường buồng đốt đoạn dưới có góc loe, mở ra lên phía trên, với góc loe cỡ 40^o÷50^o (xem hình 2.1).

- Chiều cao lớp hạt trơ: Ở trạng thái tĩnh cần phù hợp với cột áp của quạt gió. Khi không bố trí bề mặt đốt trong lớp sôi, chiều cao tĩnh của lớp hạt trơ không nên lớn quá 400÷500mm; nhưng cũng có thể đạt tới 1,0m. Cỡ hạt trơ 0,5÷2,0mm; cỡ hạt nhiên liệu có thể đến 50mm, nhưng thông dụng có cỡ 0÷6,0mm.

- Thể tích buồng đốt: Được tính toán để đảm bảo làm mát khói ra khỏi buồng lửa tới nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ trung bình lớp sôi 150^oC÷300^oC, tốc độ khói nóng ở vùng trên buồng lửa, phía ra khỏi buồng lửa càng nhỏ càng tốt, cỡ trên dưới 1m/s.

Tính nhiệt buồng đốt BFB

Việc tính nhiệt buồng đốt BFB thông qua các bước tính toán chính sau:

a) Tốc độ sôi tới hạn nhỏ nhất w_th: Cần phải tính cho hạt có cỡ hạt là d_k. Công thức dùng để tính w_th là công thức tính tốc độ sôi tới hạn thông thường:

                                         Re_th = (a² + b.Ar)^0,5 – a    

Trong đó:     a = 42,85(1-ε_th)/Φ; b = 0,571. ε_th³.Φ

hoặc đơn giản hơn:

                                         Re_th = Ar/(1400 + 5,22.Ar^0,5),     nếu ε_th = 0,40 (2.6)

                                         Re_th = Ar/(710 + 4,0.Ar^0,5),        nếu ε_th = 0,48 (2.7)

                                         Re_th = Ar.ε_th^4,75/[18 + 0,6.(Ar.ε_th^4,75)^0,5]                       (2.8)

Từ (2.8) tính được w_th = υ_khi.A

Trong đó:     Ar = g.d³.(ρ_hat/ρ_khi - 1)/υ².

ρ_hat và Φ là khối lượng riêng, kg/m³ và hệ số hình dạng hạt;

                         ρ_khi và υ_khilà khối lượng riêng của khí, kg/m³và độ nhớt động học của khí m²/s;

                       ε_th : độ rỗng của khối hạt ở chế độ bắt đầu sôi; khi số liệu về ε_th và Φ không tin cậy, có thể lấy như sau: a= 33,7; b= 0,0408.ε_th = 0,40÷0,48; độ         nhớt động lực học của khí khói ở áp suất khí quyểnµ =1,5.10 ^-6.T^1,5/(T+123,6), N.s/m²; khối lượng riêng không khí (có thể dùng cho khói với sai số nhỏ) ρ_khi = 1,293.273/T, kg/m3;υ_khi = µ/ρ_khi.

b) Tốc độ bay của hạt w_bay: là tốc độ dòng khí mà khi đó lực khí động dòng khí tác dụng lên hạt lớn hơn trọng lượng nổi của hạt, với tốc độ này hoặc lớn hơn, hạt bị cuốn và bay cùng dòng khí. Tốc độ bay của hạt cũng tính theo các công thức sau:

                                         w_bay =Re_bay.υ/d_hat                                  (2.10)

                                         Re_bay = Ar/(18+ 0,61.Ar^0,5 )                  (2.11)

  Dưới đây đưa ra các giá trị w_thvà w_bay của hạt có ρ_hat = 2,65g/cm³, khi thổi bằng không khí có nhiệt độ 20^oC và 1000^oC; ε_th =0,4.

Bảng giá trị w_th và w_bay của hạt có ρ_hat = 2,65g/cm³

c) Nếu có dùng đá vôi để khử Lưu huỳnh trong nhiên liệu: Thể tích khí CO₂ trong khói sẽ tăng một lượng V_RO2,_K do đá vôi bị nhiệt phân, do đó:

                                         V_RO2,K = V_RO2+ 0,157B_davoi/B_tt              (2.12)

                                         V_khoi = V_khoi+ 0,3125.B_davoi/B_tt             (2.13)

d) Phân lượng tro bay trong khói của lò lớp sôi bọt (a_b):

Phụ thuộc cỡ hạt nhiên liệu; tính chất vật lí của tro và tốc độ làm việc của khói trong buồng đốt. Giá trịa_b chọn theo kinh nghiệm, lấy trong khoảng 0,15÷0,6; (có khi có thể lên tới 1,0) hoặc xác định theo đồ thị hình 2.2; và 1 = a_bay + a_xi.

Xác định phần tro bay a_bay trong khói

e) Cân bằng nhiệt:

Tổn thất nhiệt q3: của buồng đốt lớp sôi công suất nhỏ có thể lấy bằng 0,5÷1,0%.

Tổn thất nhiệt do cháy không hết về cơ khí q4: Tính dựa theo phần tổn thất cháy không hết do nhiên còn nằm trong xỉ q4xi và tổn thất cháy không hết do nhiên còn nằm trong tro bay q4bay:

                                         q₄ = q_4xi + q_4bay                                               (2.14)

                                         q_4xi = 32,65.A^lv.a_xi.Г_xi/Q_t^lv.(100- Г_xi),          %       (2.15)

Trong đó:     Q_t^lv - Nhiệt trị thấp làm việc của nhiên liệu, MJ/kg;

                     a_xi = 1 - a_bay: Phần tro nhiên liệu thải khỏi lớp từ đáy buồng lửa;

                     Г_xi - Phần nhiên liệu chưa cháy nằm trong tro của lớp sôi;

                     A^lv - Phần tro của nhiên liệu, %.

Giá trị q_4xi sẽ lấy bằng 0,5÷2,0% với loại nhiên liệu có A^lv < 50%; với nhiên liệu có A^lv> 50% tính q_4xi theo công thức (2-15), khi đó giá trị Г_xi đối với đa số nhiên liệu lấy bằng 0,5÷3%, hoặc có thể xác định theo hình sau:

Xác định chất cháy còn trong xỉ lò lớp sôi

f) Trao đổi nhiệt trong buồng đốt lớp sôi:

Tính nhiệt các bề mặt đốt trong lớp sôi bọt cũng tiến hành hoặc theo phương pháp tính thiết kế hoặc tính kiểm tra, dựa vào hai phương trình cơ bản sau:

Phương trình truyền nhiệt:        Q^TN_LS =  K_LS.H_LS.Δt.10^-3                         (2.21)

Trong đó:     Q^TN_LS- Nhiệt truyền trong lớp sôi, kW;

                     K_LS - Hệ số truyền nhiệt trong lớp sôi;

                     H_LS - Diện tích bề mặt đốt nằm trong lớp, m²

                     Δt - Độ chênh nhiệt độ giữa lớp sôi và môi chất.

Phương trình cân bằng nhiệt:    Q^CB_LS = χ_LS.φ.B_tt.[Q_BL- I”_BL]- Q_xi       (2.22)

Trong đó:     Q^CB_LS - Nhiệt lượng truyền trong lớp sôi, kW;

                     χ_LS - Hiệu quả cháy kiệt nhiên liệu, thường có giá trị 0,75÷0,9 tuỳ theo loại nhiên liệu,cỡ hạt, có thể chọn theo bảng 2.2.

                     φ - Hệ số bảo ôn

                     B_tt - Tiêu hao nhiên liệu tính toán, kg/s.

Q_BL = Q_t^lv + I_kkl : Nhiệt lượng đưa vào buồng lửa, kJ/Kg.

                     Q_xi = B_tt.Q_t^lv.q₆/100 : tổn thất nhiệt vật lí của xỉ, kW.

Cân bằng hai phương trình (2.21) và (2.22), tìm được diện tích bề mặt đốt cần bố trí trong lớp sôi:      H_LS = Q^TN_LS/(K_LS.Δt ), m²

          Khi tính thiết kế, nhiệt độ trung bình lớp sôi nên chọn trong khoảng (850÷950)^oC (giá trị lớn dùng cho nhiên liệu khó đốt). Nhiệt độ khói ra khỏi lớp sôi θ”_LS = θ_LS- (30÷50)^oC. Nếu đốt nhiên liệu có nhiệt trị cao hoặc khi bố trí nhiều bề mặt đốt lớp; Khi đốt nhiên liệu dễ cháyvà bố trí ít bề mặt đốt trong lớp, chọn θ”_LS = θ_LS.

          Khi tính kiểm tra, do đã biết H_LS, sau khi cân bằng (2.21) và (2.22), được:

Q^TN_LS = K_LS.H_LS.Δt.10^-3 = Q^CB_LS = χ_LS.φ.B_tt.[Q_BL- I”_BL] - Q_xi

                               I”_BL = Q_BL- (K_LS.H_LS. Δt.10^-3 + Q_xi)/(χ_LS.φ.B_tt)                  (2.23)

Từ đó xác định θ”_LS.

          Hệ số tản nhiệt  K_LS ≈ α_LS = α_bx + α_đl

Trong đó:     α_bx - Hệ số tản nhiệt bức xạ, xác định phụ thuộc nhiệt độ trung bình lớp sôi và bề mặt đốt theo công thức sau:

                    α_bx = σ_o.a_ls.0,5.(a_vo+1).(T_ls⁴ - T_vo⁴)/(T_ls - T_vo), W/m².K                  (2.24)

Trong đó:     σ_o = 5,67.10^-8 W/m².K : Hằng số bức xạ của vật đen tuyệt đối.

                     a_ls = 0,7÷0,8 : độ đen của vật liệu hạt lớp sôi.

                     a_vo = 0,82 : độ đen của bề mặt trao đổi nhiệt.

                     α_đl - Hệ số tản nhiệt đối lưu.

• Đối với bề mặt đốt dạng dàn ống đứng hoặc mặt phẳng đứng:

                               α_đl = 1554,4.λ_khi.(1-K_ε).Re^0,23_hat/∂_TD,          W/m².K                  (2.25)

Trong đó:     λ_khi - Hệ số dẫn nhiệt của khói ở nhiệt độ làm việc, W/m.K

                     K_ε = [18.Re_hat + 0,36.Re²_hat)/Ar ]^0,21                                    (2.26)

                     Ar = (g.∂_TD.γ_hat)/(υ²_khi.γ_khi)                                                   (2.27)

• Đối với bề mặt đốt dạng chùm ống nằm ngang:

Khi:   (Pr.C_hat/Ar.C_khi) < 10^-4

α_đl = 2969,6.λ_khi.C_S.Re.[(1-K_ε)/K_ε]^1,2.(Pr.C_hat/Ar.C_khi^)0,3/∂_TD, W/m2.K         (2.28)

Khi:   (Pr.C_hat/Ar.C_khi) > 10^-4

α_đl = 16356.λ_khi.C_S.Re.[(1 - K_ε)/K_ε]^1,2.(Pr.C_hat/Ar.C_khi^)0,3/∂_TD, W/m2.K         (2.29)

Trong đó:     Pr = υ/a : Số Prantl của khí.

                     C_khi; C_hat - Nhiệt dung riêng của khí khói và của hạt, kJ/Kg

C_S = C_S1.C_S2;          C_S1 = (S₁/6d)^0,3

Khi:   S₁> 6d;         C_S1 = 1;        C_S2 = (S₂/2d)^0,3

Khi:   S₂> 2d;         C_S2 = 1

                               S₁; S₂ - Bước ống ngang và dọc

Tính truyền nhiệt phần trên lớp sôi: Trên lớp sôi có thể phân thành 2 lớp là phần ngay trên lớp (có chiều cao 300÷400mm, còn gọi là phần trung gian; phần chuyển tiếp), và phần trên buồng lửa, là phần còn lại của buồng lửa. Để đơn giản tính toán, người ta tính truyền nhiệt chung một bước cho phần bề mặt đốt trên lớp sôi và trên buồng lửa, và xác định nhiệt độ khói ra khỏi buồng lửa θ”_BL theo công thức thực nghiệm sau:

θ”_BL = {[θ_o + 273]/{[C.(T_o/1000)⁴.4,18.H_TLS/B_tt.Q_TLS]^0,6 +1}} - 273      (2.30)

Trong đó:     B_tt - kg/h

                     Q_TLS - kJ/kg

                     C- Hệ số kinh nghiệm, khoảng 4000÷6000

T_o = θ₀ + 273 : Nhiệt độ cháy tuyệt đối lí thuyết, xác định theo nhiệt lượng đưa vào phần trên buồng lửa Q_TBL = χ_LS.I”_LS + (1- χ_LS).Q_t^lv

Trong đó:     χ_LS - Hiệu quả cháy kiệt trong lớp sôi; xác định ở phần tính lớp sôi

                     I”_LS - Entanpi khói ra khỏi lớp sôi; đã xác định ở phần tính lớp sôi

H_TLS - Tổng diện tích bề mặt đốt bức xạ bố trí trên lớp sôi (phần trên buồng lửa).

Trên đây là toàn bộ thông tin và phương pháp tính toán thiết kế buồng đốt lò hơi tầng sôi. Hy vọng sẽ là thông tin hữu ích khi bạn đang muốn tìm hiểu về lĩnh vực thiết kế lò hơi.