Hiệu Suất Lò Hơi và Quá Trình Đốt

Tổng quan rộng về quá trình đốt, bao gồm các loại đầu đốt và điều khiển, cùng công suất nhiệt và tổn thất.

Mô-đun này nhằm cung cấp tổng quan rất rộng về quá trình đốt, là thành phần thiết yếu của hiệu suất lò hơi tổng thể. Độc giả cần kiến thức sâu hơn được hướng dẫn đến sách giáo khoa chuyên ngành và nhà sản xuất đầu đốt. Hiệu suất lò hơi đơn giản liên quan năng lượng đầu ra với năng lượng đầu vào, thường theo phần trăm: ‘Nhiệt xuất trong hơi’ và ‘Nhiệt cung cấp bởi nhiên liệu’ được đề cập đầy đủ hơn trong hai Phần sau.

Nhiệt cung cấp bởi nhiên liệu

Giá trị nhiệt lượng Giá trị này có thể được biểu thị theo hai cách ‘Gross’ hoặc ‘Net’ giá trị nhiệt lượng. Giá trị nhiệt lượng tổng Đây là tổng lý thuyết của năng lượng trong nhiên liệu. Tuy nhiên, tất cả nhiên liệu thông thường đều chứa hydro, cháy với oxy tạo thành nước, đi lên ống khói dưới dạng hơi. Giá trị nhiệt lượng tổng của nhiên liệu bao gồm năng lượng được sử dụng để bay hơi nước này. Khí thải trên hệ thống lò hơi hơi không được ngưng tụ, do đó lượng nhiệt thực sự có sẵn cho hệ thống lò hơi bị giảm. Kiểm soát chính xác lượng không khí là thiết yếu cho hiệu suất lò hơi:

• Quá nhiều không khí sẽ làm nguội lò, và mang đi nhiệt hữu ích.
• Quá ít không khí và quá trình đốt sẽ không hoàn toàn, nhiên liệu chưa cháy sẽ bị mang theo và có thể tạo ra khói. Giá trị nhiệt lượng tinh Đây là giá trị nhiệt lượng của nhiên liệu, không bao gồm năng lượng trong hơi xả ra ống khói, và là con số thường được sử dụng để tính hiệu suất lò hơi. Theo nghĩa rộng: Kiểm soát chính xác lượng không khí là thiết yếu cho hiệu suất lò hơi:
• Quá nhiều không khí sẽ làm nguội lò, và mang đi nhiệt hữu ích.
• Quá ít không khí và quá trình đốt sẽ không hoàn toàn, nhiên liệu chưa cháy sẽ bị mang theo và có thể tạo ra khói. Tuy nhiên, trong thực tế, có nhiều khó khăn trong việc đạt được đốt hoàn hảo (theo tỷ lệ hóa học):
• Các điều kiện xung quanh đầu đốt sẽ không hoàn hảo, và không thể đảm bảo sự kết hợp hoàn toàn của các phân tử carbon, hydro và oxy.
• Một số phân tử oxy sẽ kết hợp với phân tử nitơ để tạo thành oxit nitơ (NOx). Để đảm bảo đốt hoàn toàn, một lượng ‘khí dư’ cần được cung cấp. Điều này có ảnh hưởng đến hiệu suất lò hơi. Kiểm soát tỷ lệ hỗn hợp khí/nhiên liệu trên nhiều nhà máy lò hơi nhỏ hơn hiện có là ‘vòng hở’. Tức là, đầu đốt sẽ có một loạt cam và đòn bẩy đã được hiệu chuẩn để cung cấp lượng không khí cụ thể cho tốc độ đốt nhất định. Rõ ràng, là các bộ phận cơ khí, chúng sẽ mòn và đôi khi yêu cầu hiệu chuẩn. Do đó, chúng phải được bảo dưỡng và hiệu chuẩn thường xuyên. Trên các nhà máy lớn hơn, hệ thống ‘vòng kín’ có thể được lắp sử dụng cảm biến oxy trong ống khói để điều khiển van gió đốt. Rò rỉ không khí trong buồng đốt lò hơi sẽ có ảnh hưởng bất lợi đến kiểm soát chính xác quá trình đốt.

Pháp luật

Hiện nay, có cam kết toàn cầu về Chương trình Biến đổi Khí hậu, và 160 quốc gia đã ký Hiệp định Kyoto năm 1997. Các quốc gia này đồng ý thực hiện các hành động tích cực và riêng lẻ để:

• Giảm phát thải khí có hại vào khí quyển - Mặc dù carbon dioxide (CO2) là khí yếu nhất trong các khí được đề cập trong hiệp định, nó phổ biến nhất, và chiếm khoảng 80% tổng phát thải khí cần giảm.
• Thực hiện giảm lượng nhiên liệu hàng năm có thể định lượng được - Điều này có thể dưới hình thức sử dụng nguồn năng lượng thay thế, không gây ô nhiễm, hoặc sử dụng cùng nhiên liệu hiệu quả hơn. Tại Anh, cam kết được gọi là ‘Chiến lược Chất lượng Không khí Quốc gia’, và đang có hiệu lực thông qua nhiều luật và quy định. Các quốc gia khác sẽ có chiến lược tương tự.

Công nghệ

Áp lực từ pháp luật liên quan đến ô nhiễm, và từ người dùng lò hơi liên quan đến kinh tế, cộng với sức mạnh của vi mạch đã thúc đẩy đáng kể thiết kế cả buồng đốt lò hơi và đầu đốt. Lò hơi hiện đại với đầu đốt mới nhất có thể có:

• Khí thải tuần hoàn để đảm bảo đốt tối ưu, với khí dư tối thiểu.
• Hệ thống điều khiển điện tử tinh vi giám sát tất cả thành phần của khí thải, và điều chỉnh dòng nhiên liệu và không khí để duy trì điều kiện trong tham số quy định.
• Tỷ lệ turndown được cải thiện đáng kể (tỷ lệ giữa tốc độ đốt tối đa và tối thiểu) cho phép tham số hiệu suất và phát thải được đáp ứng trên phạm vi vận hành rộng hơn.

Tổn thất nhiệt

Sau khi thảo luận về quá trình đốt trong buồng đốt lò hơi, và đặc biệt là tầm quan trọng của tỷ lệ không khí đúng liên quan đến đốt hoàn toàn và hiệu quả, cần xem xét các nguồn tổn thất nhiệt và kém hiệu quả tiềm ẩn khác. Tổn thất nhiệt trong khí thải Đây có lẽ là nguồn tổn thất nhiệt đơn lẻ lớn nhất, và Kỹ sư trưởng có thể giảm phần lớn tổn thất. Tổn thất quy cho nhiệt độ của khí ra khỏi lò. Rõ ràng, khí trong ống khói càng nóng, lò hơi càng kém hiệu quả. Khí có thể quá nóng vì một trong hai lý do:

1. Đầu đốt tạo nhiều nhiệt hơn yêu cầu cho tải cụ thể trên lò hơi: Điều này có nghĩa là đầu đốt và cơ chế van gió cần bảo dưỡng và hiệu chuẩn lại.
2. Bề mặt truyền nhiệt trong lò hơi không hoạt động đúng, và nhiệt không được truyền sang nước: Điều này có nghĩa là bề mặt truyền nhiệt bị ô nhiễm, và cần làm sạch. Cần thận trọng ở đây - Làm mát quá nhiều khí thải có thể dẫn đến nhiệt độ giảm xuống dưới ‘điểm sương’ và tiềm năng ăn mòn tăng do hình thành: Axit nitric (từ nitơ trong không khí sử dụng cho đốt). Axit sunfuric (nếu nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh). Nước. Tổn thất bức xạ Vì lò hơi nóng hơn môi trường xung quanh, một phần nhiệt sẽ được truyền ra môi trường. Cách nhiệt bị hư hỏng hoặc lắp đặt kém sẽ tăng đáng kể tổn thất nhiệt tiềm năng. Vỏ lò hơi hoặc lò hơi ống nước được cách nhiệt tốt công suất 5 MW trở lên sẽ mất từ 0,3 đến 0,5% năng lượng ra môi trường. Điều này có vẻ không phải là lượng lớn, nhưng cần nhớ rằng đây là 0,3 đến 0,5% công suất đầy tải của lò hơi, và tổn thất này sẽ giữ nguyên, ngay cả khi lò hơi không xuất hơi ra nhà máy, và chỉ ở chế độ chờ. Điều này cho thấy để vận hành hiệu quả hơn, nhà máy lò hơi nên được vận hành gần công suất tối đa. Điều này, đến lượt nó, có thể yêu cầu sự hợp tác chặt chẽ giữa nhân viên nhà lò hơi và các bộ phận sản xuất.

Tỷ lệ turndown đầu đốt

Một chức năng quan trọng của đầu đốt là turndown. Điều này thường được biểu thị dưới dạng tỷ lệ dựa trên tốc độ đốt tối đa chia cho tốc độ đốt tối thiểu có thể kiểm soát được. Tỷ lệ turndown không đơn giản là vấn đề ép lượng nhiên liệu khác nhau vào lò hơi, ngày càng quan trọng từ góc độ kinh tế và pháp luật rằng đầu đốt cung cấp đốt hiệu quả và đúng cách, và đáp ứng quy định phát thày ngày càng nghiêm ngặt trên toàn bộ phạm vi vận hành. Như đã đề cập, than như nhiên liệu lò hơi có xu hướng bị giới hạn trong các ứng dụng chuyên biệt như lò hơi ống nước trong nhà máy điện.

Đầu đốt dầu

Khả năng đốt dầu nhiên liệu hiệu quả yêu cầu tỷ lệ diện tích bề mặt nhiên liệu trên thể tích cao. Kinh nghiệm cho thấy các hạt dầu trong khoảng 20 và 40 μm là thành công nhất. Các hạt:

• Lớn hơn 40 μm có xu hướng được mang qua ngọn lửa mà không hoàn thành quá trình đốt.
• Nhỏ hơn 20 μm có thể di chuyển nhanh đến mức bị mang qua ngọn lửa mà không cháy. Khía cạnh rất quan trọng của việc đốt dầu là độ nhớt. Độ nhớt của dầu thay đổi theo nhiệt độ: dầu càng nóng, càng dễ chảy. Thực vậy, hầu hết mọi người đều biết rằng dầu nặng cần được đun nóng để chảy tự do. Điều không rõ ràng là sự thay đổi nhiệt độ, và do đó độ nhớt, sẽ ảnh hưởng đến kích thước hạt dầu được tạo ra tại vòi phun đầu đốt. Vì lý do này, nhiệt độ cần được kiểm soát chính xác để tạo điều kiện nhất quán tại vòi phun. Đầu đốt phản lực áp suất Đầu đốt phản lực áp suất đơn giản là một lỗ ở cuối ống áp suất. Thông thường áp suất dầu nhiên liệu nằm trong khoảng 7 đến 15 bar. Trong phạm vi vận hành, sự giảm áp suất đáng kể tạo ra qua lỗ khi nhiên liệu được xả vào lò dẫn đến sự phun hóa nhiên liệu. Đặt ngón tay cái lên cuối ống nước vườn tạo ra hiệu ứng tương tự. Thay đổi áp suất dầu nhiên liệu ngay trước lỗ (vòi phun) kiểm soát tốc độ dòng nhiên liệu từ đầu đốt. Nếu tốc độ dòng nhiên liệu giảm xuống 50%, năng lượng cho phun hóa giảm xuống 25%. Điều này có nghĩa là turndown có sẵn bị giới hạn khoảng 2:1 cho vòi phun cụ thể. Để vượt qua giới hạn này, đầu đốt phản lực áp suất được cung cấp với nhiều vòi phun thay thế được để phù hợp với tải lò hơi khác nhau. Ưu điểm đầu đốt phản lực áp suất:
• Chi phí tương đối thấp.
• Dễ bảo dưỡng. Nhược điểm đầu đốt phản lực áp suất:
• Nếu đặc tính vận hành nhà máy thay đổi đáng kể trong ngày, lò hơi sẽ phải ngừng để thay vòi phun.
• Dễ bị tắc bởi mảnh vụn. Điều này có nghĩa là bộ lọc mắt lưới mịn được bảo dưỡng tốt là thiết yếu.

Đầu đốt cốc quay

Dầu nhiên liệu được cung cấp qua ống trung tâm, và xả lên bề mặt trong của hình nón quay nhanh. Khi dầu nhiên liệu di chuyển dọc theo cốc (do không có lực hướng tâm), màng dầu trở nên mỏng dần khi chu vi nắp tăng. Cuối cùng, dầu nhiên liệu được xả từ mép hình nón dưới dạng phun mịn. Vì sự phun hóa được tạo ra bởi cốc quay, thay vì bởi một số chức năng của dầu nhiên liệu (ví dụ áp suất), tỷ lệ turndown lớn hơn nhiều so với đầu đốt phản lực áp suất. Ưu điểm đầu đốt cốc quay:

• Bền chắc.
• Tỷ lệ turndown tốt.
• Độ nhớt nhiên liệu ít quan trọng hơn. Nhược điểm đầu đốt cốc quay:
• Đắt hơn khi mua và bảo dưỡng.

Đầu đốt khí

Hiện tại, khí đốt có lẽ là nhiên liệu phổ biến nhất được sử dụng tại Anh. Là khí, phun hóa không phải vấn đề, và trộn đúng khí với lượng không khí phù hợp là tất cả những gì cần thiết cho đốt. Hai loại đầu đốt khí đang được sử dụng ‘Áp suất thấp’ và ‘Áp suất cao’. Đầu đốt áp suất thấp Chúng hoạt động ở áp suất thấp, thường từ 2,5 đến 10 mbar. Đầu đốt là thiết bị venturi đơn giản với khí được đưa vào vùng cổ họng, và không khí đốt được hút vào từ bên ngoài. Công suất giới hạn khoảng 1 MW. Đầu đốt áp suất cao Chúng hoạt động ở áp suất cao hơn, thường từ 12 đến 175 mbar, và có thể bao gồm nhiều vòi phun để tạo hình dạng ngọn lửa cụ thể.

Đầu đốt nhiên liệu kép

Mức giá khí ‘có thể gián đoạn’ hấp dẫn có nghĩa là đây là lựa chọn của phần lớn tổ chức tại Anh. Tuy nhiên, nhiều tổ chức trong số này cần tiếp tục hoạt động nếu nguồn cung khí bị gián đoạn. Sắp xếp thông thường là có nguồn cung dầu nhiên liệu tại chỗ, và sử dụng nó để đốt lò hơi khi khí không có sẵn. Điều này dẫn đến sự phát triển của đầu đốt ‘nhiên liệu kép’. Các đầu đốt này được thiết kế với khí là nhiên liệu chính, nhưng có thêm tính năng đốt dầu nhiên liệu. Thông báo từ Công ty Khí về việc nguồn cung bị gián đoạn có thể ngắn, vì vậy việc chuyển sang đốt dầu được thực hiện càng nhanh càng tốt, quy trình thông thường là:

• Tắt đường cung cấp khí.
• Mở đường cung cấp dầu và bật bơm nhiên liệu.
• Trên bảng điều khiển đầu đốt, chọn ‘đốt dầu’. (Điều này sẽ thay đổi cài đặt không khí cho nhiên liệu khác).
• Xả khí và đốt lại lò hơi. Thao tác này có thể được thực hiện trong thời gian khá ngắn. Trong một số tổ chức, việc chuyển đổi có thể được thực hiện như một phần của diễn tập định kỳ để đảm bảo rằng người vận hành quen thuộc với quy trình, và mọi thiết bị cần thiết đều có sẵn. Tuy nhiên, vì dầu nhiên liệu chỉ là ‘dự phòng’, và có lẽ chỉ được sử dụng trong thời gian ngắn, tính năng đốt dầu có thể ở mức cơ bản. Trên các nhà máy tinh vi hơn, với lò hơi công suất cao, đầu đốt khí có thể được rút ra và đầu đốt dầu thay thế.

Hệ thống điều khiển đầu đốt

Người đọc nên lưu ý rằng hệ thống điều khiển đầu đốt không thể được xem riêng biệt. Đầu đốt, hệ thống điều khiển đầu đốt, và hệ thống điều khiển mực nước nên tương thích và hoạt động bổ sung để đáp ứng nhu cầu hơi của nhà máy một cách hiệu quả. Một vài đoạn tiếp theo nêu rõ cơ bản các hệ thống điều khiển đầu đốt cơ bản. Hệ thống điều khiển bật/tắt Đây là hệ thống điều khiển đơn giản nhất, và nó có nghĩa là đầu đốt đang đốt ở công suất tối đa, hoặc tắt. Nhược điểm chính của phương pháp điều khiển này là lò hơi chịu sốc nhiệt lớn và thường xuyên mỗi khi lò hơi đốt. Do đó việc sử dụng nên giới hạn cho lò hơi nhỏ đến 500 kg/h. Ưu điểm hệ thống điều khiển bật/tắt:

• Đơn giản.
• Ít tốn kém nhất. Nhược điểm hệ thống điều khiển bật/tắt:
• Nếu tải lớn đến lò hơi ngay sau khi đầu đốt tắt, lượng hơi sẵn có bị giảm. Trong trường hợp xấu nhất có thể dẫn đến lò hơi sôi trào và khóa bảo vệ.
• Dao động nhiệt. Hệ thống điều khiển cao/thấp/tắt Đây là hệ thống phức tạp hơn một chút với hai tốc độ đốt. Đầu đốt hoạt động trước ở tốc độ đốt thấp hơn và sau đó chuyển sang đốt đầy đủ khi cần, do đó vượt qua phần lớn sốc nhiệt. Đầu đốt cũng có thể quay lại vị trí lửa thấp ở tải giảm, một lần nữa hạn chế ứng suất nhiệt trong lò hơi. Loại hệ thống này thường được lắp cho lò hơi công suất đến 5.000 kg/h. Ưu điểm điều khiển cao/thấp/tắt:
• Lò hơi đáp ứng tốt hơn với tải lớn vì vị trí ‘lửa thấp’ sẽ đảm bảo có nhiều năng lượng tích trữ hơn trong lò hơi.
• Nếu tải lớn được áp dụng khi đầu đốt ở ‘lửa thấp’, nó có thể đáp ứng ngay bằng cách tăng tốc độ đốt lên ‘lửa cao’, ví dụ chu trình xả khí có thể được bỏ qua. Nhược điểm hệ thống điều khiển cao/thấp/tắt:
• Phức tạp hơn điều khiển bật-tắt.
• Đắt hơn điều khiển bật-tắt. Hệ thống điều khiển điều chỉnh Điều khiển đầu đốt điều chỉnh sẽ thay đổi tốc độ đốt để phù hợp với tải lò hơi trên toàn bộ tỷ lệ turndown. Mỗi lần đầu đốt tắt và khởi động lại, hệ thống phải được xả bằng cách thổi không khí lạnh qua các đường dẫn lò hơi. Điều này lãng phí năng lượng và giảm hiệu suất. Tuy nhiên, điều chỉnh đầy đủ có nghĩa là lò hơi tiếp tục đốt trên toàn bộ phạm vi để tối đa hiệu suất nhiệt và giảm thiểu ứng suất nhiệt. Loại điều khiển này có thể được lắp cho bất kỳ kích thước lò hơi nào, nhưng nên luôn được lắp cho lò hơi công suất trên 10.000 kg/h. Ưu điểm hệ thống điều khiển điều chỉnh: Lò hơi thậm chí có khả năng chịu tải lớn và dao động tốt hơn. Điều này là vì:
• Áp suất lò hơi được duy trì ở đỉnh băng điều khiển, và mức năng lượng tích trữ ở mức lớn nhất.
• Nếu nhiều năng lượng hơn được yêu cầu trong thời gian ngắn, hệ thống điều khiển có thể đáp ứng ngay bằng cách tăng tốc độ đốt, mà không cần dừng cho chu trình xả khí. Nhược điểm hệ thống điều khiển điều chỉnh:
• Đắt nhất.
• Phức tạp nhất.
• Yêu cầu đầu đốt có khả năng turndown cao.