Giới thiệu

Tổng quan về quy định lò hơi, với đánh giá các loại nhiên liệu và so sánh.

Khối Phòng lò hơi của Vòng lặp Hơi nước và Ngưng tụ sẽ tập trung vào thiết kế và nội dung của phòng lò hơi, và các ứng dụng bên trong. Phòng lò hơi được thiết kế, vận hành và bảo dưỡng tốt là trái tim của hệ thống hơi nước hiệu quả.

Tuy nhiên, nhiều trở ngại có thể ngăn cản lý tưởng này. Phòng lò hơi và nội dung của nó đôi khi được coi không hơn gì một sự bất tiện cần thiết và ngay cả trong môi trường tiết kiệm năng lượng ngày nay, đo lường lưu lượng hơi nước chính xác và phân bổ chi phí đúng cho các người dùng khác nhau, không phải là phổ quát. Điều này có thể có nghĩa là cải tiến hiệu suất và dự án tiết kiệm chi phí liên quan đến phòng lò hơi có thể khó biện minh cho người dùng cuối. Trong nhiều trường hợp, phòng lò hơi và tính sẵn có của hơi nước là trách nhiệm của Quản lý Kỹ thuật, do đó bất kỳ vấn đề hiệu suất nào được coi là của anh ta. Điều quan trọng cần nhớ là lò hơi là bình áp suất chứa nước nóng bỏng và hơi nước ở hơn 100°C, và thiết kế và vận hành của nó được quy định bởi nhiều tiêu chuẩn và quy tắc phức tạp.

Vì những lý do được liệt kê ở trên, người dùng phải xác nhận luật pháp quốc gia, địa phương và hiện hành.

Mục tiêu của Mô-đun này là cung cấp cho nhà thiết kế, người vận hành và người bảo dưỡng phòng lò hơi cái nhìn sâu sắc về các cân nhắc cần thiết trong phát triển lò hơi và thiết bị liên quan. Lò hơi hiện đại có mọi kích thước để phù hợp với cả ứng dụng lớn và nhỏ. Nói chung, khi cần nhiều hơn một lò hơi để đáp ứng nhu cầu, việc đặt nhà máy lò hơi tại vị trí tập trung trở nên khả thi về kinh tế, vì chi phí lắp đặt và vận hành có thể thấp hơn đáng kể so với nhà máy phân tán. Ví dụ, tập trung hóa cung cấp các lợi ích sau so với sử dụng nhiều lò hơi nhỏ phân tán:

• Nhiều lựa chọn nhiên liệu và biểu giá hơn.
• Các lò hơi giống nhau thường được sử dụng trong phòng lò hơi tập trung giảm phụ tùng, tồn kho và chi phí.
• Thu hồi nhiệt dễ thực hiện để đạt lợi nhuận tốt nhất.
• Giảm giám sát thủ công giải phóng lao động cho các nhiệm vụ khác tại nhà máy.
• Định cỡ kinh tế nhà máy lò hơi để phù hợp với nhu cầu đa dạng.
• Khí thải dễ giám sát và kiểm soát hơn.
• Giao thức an toàn và hiệu suất dễ giám sát và kiểm soát hơn.

Nhiên liệu cho lò hơi

Ba loại nhiên liệu phổ biến nhất được sử dụng trong lò hơi là than, dầu và khí. Tuy nhiên, chất thải công nghiệp hoặc thương mại cũng được sử dụng trong một số lò hơi, cùng với điện cho lò điện cực. Than Than là thuật ngữ chung cho một họ nhiên liệu rắn có hàm lượng carbon cao. Có nhiều loại than trong họ này, mỗi loại liên quan đến giai đoạn hình thành than và hàm lượng carbon. Các giai đoạn này là:

• Than bùn.
• Than nâu.
• Than bitum.
• Nửa bitum.
• Antraxit. Các loại than bitum và antraxit có xu hướng được sử dụng làm nhiên liệu lò hơi. Tại Vương quốc Anh, sử dụng than cục để đốt lò hơi vỏ đang giảm. Có nhiều lý do cho điều này bao gồm: Tính sẵn có và chi phí - Với nhiều mỏ than cạn kiệt, lượng than sản xuất tại Vương quốc Anh ít hơn trước, và sự suy giảm phải được mong đợi tiếp tục. Tốc độ đáp ứng tải thay đổi - Với than cục, có độ trễ đáng kể giữa:
• Nhu cầu nhiệt phát sinh.
• Đốt than vào lò hơi.
• Bắt lửa than.
• Hơi nước được tạo ra để đáp ứng nhu cầu. Để vượt qua độ trễ này, lò hơi được thiết kế cho đốt than cần chứa nhiều nước hơn ở nhiệt độ bão hòa để cung cấp dự trữ năng lượng che phủ độ trễ này. Điều này, lần lượt, có nghĩa là lò hơi lớn hơn, và do đó đắt hơn về giá mua, và chiếm nhiều không gian sản xuất có giá trị hơn. Tro - Tro được tạo ra khi than bị đốt. Tro có thể khó loại bỏ, thường liên quan đến can thiệp thủ công và giảm lượng hơi nước sẵn có trong quá trình khử tro. Tro sau đó phải được xử lý, điều này có thể tốn kém. Thiết bị đốt - Nhiều loại bố cục khác nhau tồn tại bao gồm lò đốt bước, bộ phun và lò đốt xích. Chủ đề chung là tất cả đều cần bảo dưỡng đáng kể. Khí thải - Than chứa trung bình 1,5% lưu huỳnh (S) theo trọng lượng, nhưng mức này có thể lên đến 3% tùy thuộc vào nơi khai thác than. Trong quá trình đốt:
• Lưu huỳnh sẽ kết hợp với oxy (O2) từ không khí để tạo SO2 hoặc SO3.
• Hydro (H) từ nhiên liệu sẽ kết hợp với oxy (O2) từ không khí để tạo nước (H2O). Sau khi quá trình đốt hoàn tất, SO3 sẽ kết hợp với nước (H2O) để tạo axit sunfuric (H2SO4), có thể ngưng tụ trong ống khói gây ăn mòn nếu nhiệt độ ống khói đúng không được duy trì. Hoặc, nó được mang vào khí quyển cùng khí thải. Axit sunfuric này được đưa trở lại trái đất với mưa, gây ra:
• Hư hỏng cấu trúc tòa nhà.
• Thiệt hại cho cây trồng và thảm thực vật. Tro do than tạo ra nhẹ, và một phần chắc chắn sẽ được mang theo cùng khí thải, vào ống khói và thải ra môi trường dưới dạng vật chất dạng hạt. Tuy nhiên, than vẫn được sử dụng để đốt nhiều lò hơi ống nước rất lớn trong nhà máy điện. Do quy mô lớn của các hoạt động này, việc phát triển giải pháp cho các vấn đề trên trở nên kinh tế, và có thể có áp lực chính phủ sử dụng nhiên liệu sản xuất trong nước, cho an ninh quốc gia về cung cấp điện.
• Than sử dụng trong nhà máy điện được nghiền thành bột rất mịn, thường gọi là ‘nhiên liệu dạng bột’, và thường viết tắt là ‘pf’.
• Kích thước hạt nhỏ của pf có nghĩa là tỷ lệ diện tích bề mặt/thể tích tăng đáng kể, khiến quá trình đốt rất nhanh, và vượt qua vấn đề tốc độ đáp ứng khi sử dụng than cục.
• Kích thước hạt nhỏ cũng có nghĩa là pf chảy rất dễ, gần như chất lỏng, và được đưa vào buồng đốt lò hơi qua đầu đốt, loại bỏ lò đốt than cục.
• Để tăng tính linh hoạt và dải tải của lò hơi, có thể có 30+ đầu đốt pf xung quanh tường và mái lò hơi, mỗi đầu có thể được kiểm soát độc lập để tăng hoặc giảm nhiệt trong một vùng cụ thể của buồng đốt. Ví dụ, để kiểm soát nhiệt độ hơi nước rời superheater. Về chất lượng khí thải ra khí quyển:
• Khí lò hơi sẽ được hướng qua bộ tĩnh điện, trong đó các bản tích điện hút tro và các hạt khác, loại bỏ chúng khỏi dòng khí.
• Chất lưu huỳnh sẽ được loại bỏ trong bộ rửa khí.
• Khí thải cuối cùng ra môi trường có chất lượng cao. Khoảng 8 kg hơi nước có thể được tạo ra từ đốt 1 kg than. Dầu Dầu cho nhiên liệu lò hơi được tạo ra từ cặn sản xuất từ dầu thô sau khi được chưng cất để tạo dầu nhẹ như xăng, parafin, dầu hỏa, dầu diesel hoặc dầu gas. Nhiều cấp độ có sẵn, mỗi loại phù hợp với công suất lò hơi khác nhau; các cấp độ như sau:
• Lớp D - Diesel hoặc dầu gas.
• Lớp E - Dầu nhiên liệu nhẹ.
• Lớp F - Dầu nhiên liệu trung bình.
• Lớp G - Dầu nhiên liệu nặng. Dầu bắt đầu thách thức than làm nhiên liệu lò hơi ưa thích tại Vương quốc Anh trong thập niên 1950. Điều này xảy ra một phần từ sự tài trợ nghiên cứu cải thiện nhà máy lò hơi của Bộ Nhiên liệu và Năng lượng khi đó. Ưu điểm của dầu so với than bao gồm:
• Thời gian đáp ứng ngắn hơn giữa nhu cầu và lượng hơi nước cần tạo.
• Điều này có nghĩa là ít năng lượng phải được lưu trữ trong nước lò hơi. Lò hơi có thể nhỏ hơn, tỏa ít nhiệt hơn ra môi trường, với cải thiện hiệu suất theo sau.
• Kích thước nhỏ hơn cũng có nghĩa là lò hơi chiếm ít không gian sản xuất hơn.
• Lò đốt cơ khí bị loại bỏ, giảm tải bảo dưỡng.
• Dầu chỉ chứa dấu vết tro, gần như loại bỏ vấn đề xử lý và loại bỏ tro.
• Các khó khăn gặp phải với nhận, lưu trữ và xử lý than bị loại bỏ. Khoảng 15 kg hơi nước có thể được tạo ra từ 1 kg dầu, hoặc 14 kg hơi nước từ 1 lít dầu. Khí Khí là dạng nhiên liệu lò hơi dễ đốt, với rất ít không khí dư. Khí nhiên liệu có sẵn ở hai dạng khác nhau:
• Khí tự nhiên - Đây là khí được sản xuất (tự nhiên) dưới lòng đất. Nó được sử dụng ở trạng thái tự nhiên, (trừ việc loại bỏ tạp chất), và chứa tỷ lệ cao khí metan.
• Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) - Đây là khí được sản xuất từ lọc dầu và sau đó được lưu trữ dưới áp suất ở trạng thái lỏng cho đến khi sử dụng. Các dạng phổ biến nhất của LPG là propan và butan. Vào cuối thập niên 1960, tính sẵn có của khí tự nhiên (như từ Biển Bắc) dẫn đến phát triển hơn nữa trong lò hơi. Ưu điểm của đốt khí so với đốt dầu bao gồm:
• Lưu trữ nhiên liệu không phải vấn đề; khí được dẫn trực tiếp vào phòng lò hơi.
• Chỉ có dấu vết lưu huỳnh trong khí tự nhiên, có nghĩa là lượng axit sunfuric trong khí thải gần như bằng không. Khoảng 42 kg hơi nước có thể được tạo ra từ 1 Therm khí (tương đương 105,5 MJ) cho lò hơi 10 bar g, với hiệu suất vận hành tổng thể 80%. Chất thải làm nhiên liệu chính Có hai khía cạnh cho điều này: Vật liệu thải - Ở đây, chất thải được đốt để tạo nhiệt, được sử dụng để tạo hơi nước. Động cơ có thể bao gồm việc loại bỏ an toàn và đúng cách vật liệu nguy hại. Bệnh viện sẽ là một ví dụ tốt:
• Trong những trường hợp này, có thể việc đốt đúng và hoàn toàn vật liệu khó khăn, đòi hỏi đầu đốt tinh vi, kiểm soát tỷ lệ không khí và giám sát khí thải, đặc biệt vật chất dạng hạt. Chi phí xử lý này có thể cao, và chỉ một phần chi phí được thu lại bằng cách sử dụng nhiệt tạo ra để tạo hơi nước. Tuy nhiên, kinh tế tổng thể của kế hoạch, tính đến chi phí xử lý chất thải bằng các phương tiện khác, có thể hấp dẫn.
• Sử dụng chất thải làm nhiên liệu có thể liên quan đến sử dụng kinh tế chất thải cháy từ quy trình. Ví dụ bao gồm vỏ cây từ gỗ trong nhà máy giấy, thân cây (bã mía) trong nhà máy đường và đôi khi thậm chí rác từ trại gà. Quá trình đốt sẽ lại khá tinh vi, nhưng kinh tế tổng thể của chi phí xử lý chất thải và tạo hơi nước cho các ứng dụng khác tại nhà máy, có thể làm cho các kế hoạch như vậy hấp dẫn. Nhiệt dư - Ở đây, khí nóng từ quy trình, như lò nấu chảy, có thể được hướng qua lò hơi với mục tiêu cải thiện hiệu suất nhà máy. Các hệ thống loại này khác nhau về mức độ tinh vi tùy thuộc vào nhu cầu hơi nước trong nhà máy. Nếu không có nhu cầu quy trình cho hơi nước, hơi nước có thể được superheat và sau đó sử dụng để phát điện. Loại công nghệ này đang trở nên phổ biến trong nhà máy Kết hợp Nhiệt và Điện (CHP):
• Tuabin khí dẫn động máy phát điện để tạo điện.
• Khí thải tuabin nóng (thường 500 °C) được hướng đến lò hơi, tạo hơi nước bão hòa để sử dụng trong nhà máy. Hiệu suất rất cao có thể đạt được với loại nhà máy này. Các lợi ích khác có thể bao gồm an ninh cung cấp điện tại nhà máy, hoặc khả năng bán điện với giá cao cho nhà cung cấp điện quốc gia.

An ninh cung cấp

Hậu quả của việc không có hơi nước cho nhà máy là gì? Khí, ví dụ, có thể có sẵn với giá ưu đãi, với điều kiện chấp nhận nguồn cung có thể bị gián đoạn. Điều này có nghĩa là công ty khí sẽ cung cấp nhiên liệu khi họ có dư thừa. Tuy nhiên, nếu nhu cầu nhiên liệu gần giới hạn cung cấp, có thể do biến đổi mùa, thì nguồn cung có thể bị cắt, có thể với thông báo rất ngắn. Thay thế, người dùng lò hơi có thể chọn chỉ định đầu đốt nhiên liệu kép có thể đốt bằng khí khi có sẵn ở biểu giá thấp, nhưng có khả năng chuyển sang đốt dầu khi khí không có sẵn. Tính năng nhiên liệu kép rõ ràng là lựa chọn vốn đắt hơn, và khả năng khí không có sẵn có thể nhỏ. Tuy nhiên, chi phí ngừng nhà máy do không có hơi nước thường lớn hơn đáng kể so với chi phí bổ sung.

Lưu trữ nhiên liệu

Điều này không phải vấn đề khi sử dụng nguồn cung cấp khí đường ống, ngoại trừ khi hệ thống nhiên liệu kép được sử dụng. Tuy nhiên, nó trở thành vấn đề ngày càng lớn nếu sử dụng khí chai, dầu nhẹ, dầu nặng và nhiên liệu rắn. Các vấn đề bao gồm:

• Lưu trữ bao nhiêu, và ở đâu.
• Lưu trữ an toàn vật liệu dễ cháy như thế nào.
• Chi phí duy trì nhiệt độ dầu nặng để chúng ở độ nhớt phù hợp cho thiết bị.
• Đo tốc độ sử dụng nhiên liệu chính xác như thế nào.
• Dự phòng tổn thất lưu trữ.

Thiết kế lò hơi

Nhà sản xuất lò hơi phải biết loại nhiên liệu sẽ được sử dụng khi thiết kế lò hơi. Điều này là vì các nhiên liệu khác nhau tạo ra nhiệt độ ngọn lửa và đặc tính cháy khác nhau. Ví dụ:

• Dầu tạo ra ngọn lửa sáng, và một phần lớn nhiệt được truyền bằng bức xạ bên trong buồng đốt.
• Khí tạo ra ngọn lửa xanh trong suốt, và tỷ lệ thấp hơn nhiệt được truyền bằng bức xạ bên trong buồng đốt. Trên lò hơi được thiết kế chỉ cho sử dụng với dầu, thay đổi nhiên liệu sang khí có thể dẫn đến khí nhiệt độ cao hơn đi vào buồng đốt ống lửa đầu tiên, gây ứng suất nhiệt bổ sung, và dẫn đến hỏng lò hơi sớm.

Các loại lò hơi

Mục tiêu của lò hơi là:

• Giải phóng năng lượng trong nhiên liệu một cách hiệu quả nhất có thể.
• Truyền năng lượng được giải phóng cho nước, và tạo hơi nước một cách hiệu quả nhất có thể.
• Tách hơi nước khỏi nước sẵn sàng để xuất ra nhà máy, nơi năng lượng có thể được truyền cho quy trình một cách hiệu quả nhất có thể. Nhiều loại lò hơi khác nhau đã được phát triển để phù hợp với các ứng dụng hơi nước khác nhau.