Lò hơi vỏ

Tổng quan về các loại lò hơi vỏ khác nhau với sơ đồ bố trí, các yếu tố nhiệt và giải phóng hơi cùng giới hạn áp suất và công suất.

Lò hơi vỏ có thể được định nghĩa là những lò hơi mà bề mặt truyền nhiệt đều được chứa trong một vỏ thép. Lò hơi vỏ cũng có thể được gọi là lò hơi ‘ống lửa’ hoặc ‘ống khói’ vì sản phẩm cháy đi qua ống lò hơi, lần lượt truyền nhiệt cho nước lò hơi xung quanh.

Nhiều sự kết hợp khác nhau của bố trí ống được sử dụng trong lò hơi vỏ, liên quan đến số lần mà nhiệt từ buồng đốt lò hơi sẽ sử dụng hiệu quả trước khi được thải ra. Hình 3.2.1a và 3.2.1b cho thấy cấu hình lò hơi hai lần qua điển hình. Hình 3.2.1a cho thấy lò hơi lưng khô nơi khí nóng được đảo chiều bằng buồng lót chịu lửa trên tấm ngoài của lò hơi. Hình 3.2.1b cho thấy phương pháp hiệu quả hơn để đảo chiều khí nóng qua cấu hình lò hơi lưng ướt. Buồng đảo chiều được chứa hoàn toàn trong lò hơi. Điều này cho phép diện tích truyền nhiệt lớn hơn, cũng như cho phép nước lò hơi được gia nhiệt tại điểm nơi nhiệt từ buồng đốt sẽ lớn nhất - ở cuối thành buồng. Điều quan trọng cần lưu ý là khí cháy nên được làm mát ít nhất 420°C cho lò hơi thép thường và 470°C cho lò hơi thép hợp kim trước khi vào buồng đảo chiều. Nhiệt độ vượt quá sẽ gây quá nhiệt và nứt tấm cuối ống. Nhà thiết kế lò hơi đã tính đến điều này, và đây là điểm quan trọng nếu các loại nhiên liệu khác nhau đang được xem xét. Nhiều loại lò hơi vỏ khác nhau đã được phát triển, sẽ được xem xét chi tiết hơn.

Lò hơi Lancashire

Ngài William Fairbairn đã phát triển lò hơi Lancashire năm 1844 từ lò hơi Cornish một ống của Trevithick. Mặc dù chỉ một vài vẫn còn hoạt động, chúng đã phổ biến và là tiền thân của các lò hơi tinh vi và hiệu quả cao được sử dụng ngày nay. Lò hơi Lancashire bao gồm một vỏ thép lớn thường dài từ 5 - 9 m qua đó đi qua hai ống buồng đốt đường kính lớn gọi là ống khói. Một phần của mỗi ống được gợn sóng để hấp thụ giãn nở khi lò hơi nóng, và để ngăn sụp đổ dưới áp suất. Một lò đốt được lắp tại lối vào mỗi ống, ở phía trước lò hơi. Thường thì lò đốt được sắp xếp để đốt than, được cấp liệu thủ công hoặc tự động. Các sản phẩm cháy dạng khí nóng đi từ lò đốt qua các ống gợn sóng đường kính lớn. Nhiệt từ khí nóng được truyền vào nước xung quanh các ống này. Lò hơi được đặt trong kết cấu gạch được sắp xếp để dẫn khí nóng từ các ống đi xuống bên dưới lò hơi, truyền nhiệt qua đáy vỏ lò hơi, và thứ hai trở lại dọc theo hai bên lò hơi trước khi thoát ra ngoài ống khói. Hai ống bên này gặp nhau ở phía sau lò hơi và dẫn vào ống khói. Các lần qua này là nỗ lực để thu năng lượng tối đa từ khí nóng trước khi chúng được thải ra ngoài khí quyển. Sau đó, hiệu suất được cải thiện bằng cách thêm bộ tiết kiệm. Dòng khí, sau lần qua thứ ba, đi qua bộ tiết kiệm vào ống khói. Bộ tiết kiệm gia nhiệt nước cấp và dẫn đến cải thiện hiệu suất nhiệt. Một trong những nhược điểm của lò hơi Lancashire là việc gia nhiệt và làm mát lặp đi lặp lại, với sự giãn nở và co lại kết quả, làm hỏng kết cấu gạch và ống dẫn. Điều này dẫn đến xâm nhập không khí, làm hỏng sức hút lò. Các lò hơi này bây giờ sẽ rất đắt để sản xuất, do lượng vật liệu lớn và nhân công cần để xây dựng kết cấu gạch. Kích thước lớn và dung tích nước của các lò hơi này có nhiều ưu điểm đáng kể:

• Nhu cầu hơi đột ngột lớn, chẳng hạn như động cơ nâng mỏ được khởi động, có thể dễ dàng được dung nạp vì sự giảm áp suất lò hơi kết quả giải phóng lượng lớn hơi bốc hơi từ nước lò hơi giữ ở nhiệt độ bão hòa. Các lò hơi này có thể đã được cấp liệu thủ công, do đó phản ứng với giảm áp suất lò hơi và nhu cầu nhiều nhiên liệu hơn sẽ chậm.
• Thể tích nước lớn có nghĩa là mặc dù tốc độ tạo hơi có thể thay đổi rộng, tốc độ thay đổi mực nước tương đối chậm. Điều khiển mực nước cũng sẽ là thủ công, và người vận hành sẽ khởi động bơm cấp nước piston chạy bằng hơi, hoặc điều chỉnh van cấp nước để duy trì mực nước mong muốn.
• Báo động mức thấp đơn giản là một phao giảm theo mực nước, và mở một cửa ra còi hơi khi đạt mức quy định trước.
• Diện tích bề mặt nước lớn so với tốc độ tạo hơi có nghĩa là tốc độ hơi được giải phóng từ bề mặt (tính bằng kg trên mét vuông) là thấp. Tốc độ thấp này có nghĩa là, ngay cả với nước chứa nồng độ cao Tổng chất rắn hòa tan (TDS), có nhiều cơ hội cho các hạt hơi và nước tách riêng và hơi khô được cung cấp cho nhà máy. Khi hệ thống điều khiển, vật liệu và kỹ thuật chế tạo trở nên tinh vi hơn, đáng tin cậy và hiệu quả về chi phí, thiết kế nhà máy lò hơi đã thay đổi.

Lò hơi kinh tế (hai lần qua, lưng khô)

Lò hơi kinh tế hai lần qua chỉ khoảng một nửa kích thước của lò hơi Lancashire tương đương và có hiệu suất nhiệt cao hơn. Nó có vỏ ngoài hình trụ chứa hai ống buồng đốt gợn sóng đường kính lớn đóng vai trò buồng cháy chính. Khí nóng đi ra từ hai ống buồng đốt ở phía sau lò hơi vào kết cấu gạch (lưng khô) và được chuyển hướng qua nhiều ống đường kính nhỏ được bố trí phía trên các ống buồng đốt đường kính lớn. Các ống đường kính nhỏ này trình bày diện tích gia nhiệt lớn cho nước. Khí thải đi ra lò hơi ở phía trước và vào quạt hút, đưa chúng vào ống khói.

Lò hơi kinh tế (ba lần qua, lưng ướt)

Sự phát triển thêm của lò hơi kinh tế là tạo ra lò hơi ba lần qua lưng ướt là cấu hình tiêu chuẩn được sử dụng ngày nay (xem Hình 3.2.4). Thiết kế này đã phát triển khi vật liệu và công nghệ chế tạo tiến bộ: ống kim loại mỏng hơn được giới thiệu cho phép nhiều ống hơn được chứa, tốc độ truyền nhiệt được cải thiện, và bản thân lò hơi trở nên nhỏ gọn hơn. Dữ liệu truyền nhiệt điển hình cho lò hơi kinh tế ba lần qua lưng ướt được thể hiện trong Bảng 3.2.3.

Lò hơi đóng gói

Đầu thập niên 1950, Bộ Năng lượng và Nhiên liệu Vương quốc Anh tài trợ nghiên cứu cải thiện nhà máy lò hơi. Kết quả của nghiên cứu này là lò hơi đóng gói, phát triển thêm từ lò hơi kinh tế ba lần qua lưng ướt. Hầu hết, các lò hơi này được thiết kế để sử dụng dầu thay vì than. Lò hơi đóng gói được gọi như vậy vì nó đến dưới dạng gói hoàn chỉnh với bộ đốt, điều khiển mức, bơm cấp nước và tất cả các phụ kiện và đồ lắp ráp cần thiết. Khi được giao đến công trường, nó chỉ cần các đường ống hơi, nước và xả đáy, nguồn cung cấp nhiên liệu và kết nối điện để trở nên hoạt động. Sự phát triển cũng có tác động đáng kể đến kích thước vật lý của lò hơi cho một công suất nhất định:

• Các nhà sản xuất muốn làm lò hơi nhỏ nhất có thể để tiết kiệm vật liệu và do đó giữ sản phẩm cạnh tranh.
• Hiệu suất được hỗ trợ bằng cách làm lò hơi nhỏ nhất thực tế; lò hơi càng nhỏ và diện tích bề mặt càng ít, nhiệt mất ra môi trường càng ít. Ở một mức độ nhất định, nhận thức phổ quát về nhu cầu cách nhiệt, và hiệu suất cao của vật liệu cách nhiệt hiện đại, giảm vấn đề này.
• Người tiêu dùng muốn lò hơi nhỏ nhất có thể để giảm thiểu diện tích sàn cần thiết cho nhà lò hơi, và do đó tăng không gian cho các mục đích khác.
• Lò hơi có kích thước nhỏ hơn (cho cùng công suất hơi) có xu hướng có chi phí vốn thấp hơn. Bảng 3.2.4 chứng minh điều này, và các yếu tố khác.

Giải phóng nhiệt thể tích (kW/m3)

Yếu tố này được tính bằng cách chia tổng nhiệt đầu vào cho thể tích nước trong lò hơi. Nó thực chất liên hệ lượng hơi giải phóng dưới tải tối đa với lượng nước trong lò hơi. Số này càng thấp, lượng năng lượng dự trữ trong lò hơi càng lớn. Lưu ý rằng con số cho lò hơi hiện đại so với lò hơi Lancashire, lớn hơn gần gấp tám lần, cho thấy giảm năng lượng dự trữ ở mức tương tự. Điều này có nghĩa là lượng năng lượng dự trữ giảm có sẵn trong lò hơi hiện đại. Sự phát triển này đã trở nên khả thi nhờ các hệ thống điều khiển phản ứng nhanh và với hành động phù hợp để bảo vệ lò hơi và đáp ứng nhu cầu.

Tốc độ giải phóng hơi (kg/m2s)

Yếu tố này được tính bằng cách chia lượng hơi tạo ra mỗi giây cho diện tích mặt nước. Số này càng thấp, cơ hội cho các hạt nước tách khỏi hơi nước và tạo hơi khô càng lớn. Lưu ý con số của lò hơi hiện đại lớn hơn gần ba lần. Điều này có nghĩa là ít cơ hội hơn cho sự tách riêng giọt hơi và nước. Điều này trở nên tệ hơn nhiều với nước có mức TDS cao, và điều khiển chính xác là cần thiết cho hiệu suất và sản xuất hơi khô. Khi tải tăng nhanh, lò hơi sẽ trải qua giảm áp suất, lần lượt có nghĩa là mật độ hơi giảm, và tốc độ giải phóng hơi thậm chí còn cao hơn sẽ xảy ra, và hơi ngày càng ẩm hơn được xuất ra từ lò hơi.

Lò hơi bốn lần qua

Các thiết bị bốn lần qua có tiềm năng hiệu quả nhiệt cao nhất, nhưng loại nhiên liệu và điều kiện vận hành có thể ngăn cản việc sử dụng chúng. Khi loại thiết bị này được đốt ở nhu cầu thấp với dầu nặng hoặc than, truyền nhiệt từ khí cháy có thể rất lớn. Kết quả là, nhiệt độ khí thải có thể giảm dưới điểm sương axit, gây ăn mòn ống khói và ống khói và có thể cả lò hơi. Thiết bị lò hơi bốn lần qua cũng chịu ứng suất nhiệt cao hơn, đặc biệt nếu dao động tải lớn xảy ra đột ngột; điều này có thể dẫn đến nứt ứng suất hoặc hỏng hóc trong cấu trúc lò hơi. Vì những lý do này, lò hơi bốn lần qua là hiếm.

Lò hơi ngọn lửa ngược/ống bọc

Đây là biến thể trên thiết kế lò hơi thông thường. Buồng cháy ở dạng ống bọc, và bộ đốt bắn xuống trung tâm. Ngọn lửa gấp đôi lại trong buồng cháy để đến phía trước lò hơi. Các ống khói bao quanh ống bọc và dẫn khí thải đến phía sau lò hơi và ống khói.

Giới hạn áp suất và công suất của lò hơi vỏ

Các ứng suất có thể áp lên lò hơi bị giới hạn bởi tiêu chuẩn quốc gia. Ứng suất tối đa sẽ xảy ra xung quanh chu vi hình trụ. Điều này được gọi là ứng suất ‘vòng’ hoặc ‘chu vi’. Giá trị của ứng suất này có thể được tính bằng Phương trình 3.2.1: Từ đây có thể suy ra rằng ứng suất vòng tăng khi đường kính tăng. Để bù đắp điều này, nhà sản xuất lò hơi sẽ sử dụng tấm dày hơn. Tuy nhiên, tấm dày hơn này khó uốn hơn và có thể cần giảm ứng suất với độ dày tấm trên 32 mm. Một trong những vấn đề trong chế tạo lò hơi là uốn tấm cho vỏ. Các con lăn của thợ lò hơi, như thể hiện trong Hình 3.2.7 và 3.2.8, không thể uốn cong các đầu của tấm và do đó sẽ để lại phần phẳng:

• Con lăn A được điều chỉnh xuống để giảm bán kính độ cong.
• Con lăn B và C được motor hóa để kéo tấm qua con lăn.
• Các con lăn không thể uốn cong các đầu của tấm. Khi các tấm được hàn lại và lò hơi được nén, vỏ sẽ có tiết diện tròn. Khi lò hơi được đưa ra khỏi vận hành, các tấm sẽ trở lại hình dạng ‘như đã uốn’. Chu kỳ này có thể gây ra vết nứt mỏi ở một khoảng cách nhất định từ mối hàn vỏ. Đây là mối quan tâm cho các thanh tra lò hơi, người sẽ định kỳ yêu cầu bỏ tất cả vỏ cách nhiệt của lò hơi và sau đó sử dụng mẫu để xác định độ chính xác của độ cong vỏ lò hơi. Rõ ràng, vấn đề này đáng lo ngại hơn trên các lò hơi trải qua nhiều chu kỳ, chẳng hạn như tắt mỗi đêm, và sau đó đốt lại mỗi sáng.

Giới hạn áp suất

Truyền nhiệt qua các ống buồng đốt là bằng dẫn. Tự nhiên là tấm dày không dẫn nhiệt nhanh bằng tấm mỏng. Tấm dày cũng có thể chịu được nhiều lực hơn. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ống buồng đốt nơi nhiệt độ ngọn lửa có thể lên đến 1 800°C, và phải đạt được sự cân bằng giữa:

• Tấm dày hơn, có sức mạnh cấu trúc để chịu các lực tạo ra bởi áp suất trong lò hơi.
• Tấm mỏng hơn, có khả năng truyền nhiệt nhanh hơn. Phương trình liên hệ độ dày tấm với sức mạnh cấu trúc là Phương trình 3.2.1: Phương trình 3.2.1 cho thấy khi độ dày tấm giảm, ứng suất tăng cho cùng áp suất lò hơi. Phương trình liên hệ độ dày tấm với truyền nhiệt là Phương trình 2.5.1: Phương trình 2.5.1 cho thấy khi độ dày tấm giảm, truyền nhiệt tăng. Bằng cách biến đổi cả hai phương trình để phản ánh độ dày tấm. Đối với bất kỳ lò hơi nào, nếu tốc độ truyền nhiệt (q_dot) tăng, áp suất lò hơi tối đa cho phép bị giảm. Sự thỏa hiệp được đạt với độ dày thành ống buồng đốt từ 18 mm đến 20 mm. Điều này chuyển thành giới hạn áp suất thực tế cho lò hơi vỏ khoảng 27 bar.

Giới hạn công suất

Lò hơi vỏ được sản xuất dưới dạng thiết bị đóng gói với tất cả thiết bị phụ trợ được cố định vào vị trí. Sau khi chế tạo, lò hơi đóng gói phải được vận chuyển đến công trường và lò hơi lớn nhất có thể được vận chuyển bằng đường bộ tại Vương quốc Anh có công suất khoảng 27 000 kg/giờ. Nếu cần hơn 27 000 kg/giờ, thì các lắp đặt đa lò hơi được sử dụng. Tuy nhiên, điều này có ưu điểm cung cấp an ninh nguồn cung tốt hơn và cải thiện tỷ lệ giảm tải nhà máy.

Tóm tắt

Lò hơi vỏ hiệu quả cao và đáp ứng nhanh ngày nay là kết quả của hơn 150 năm phát triển trong:

• Thiết kế lò hơi và bộ đốt.
• Khoa học vật liệu.
• Kỹ thuật chế tạo lò hơi.
• Hệ thống điều khiển. Để đảm bảo vận hành thành công và hiệu quả, người dùng phải:
• Biết các điều kiện, môi trường và đặc tính nhu cầu của nhà máy, và chỉ định chính xác các điều kiện này cho nhà sản xuất lò hơi.
• Cung cấp bố trí nhà lò hơi và lắp đặt thúc đẩy vận hành và bảo trì tốt.
• Chọn các hệ thống điều khiển cho phép lò hơi vận hành an toàn và hiệu quả.
• Chọn các hệ thống điều khiển sẽ hỗ trợ lò hơi cung cấp hơi khô cho nhà máy ở các áp suất và lưu lượng cần thiết.
• Xác định nhiên liệu sẽ được sử dụng và, nếu cần, nơi và cách dự trữ nhiên liệu an toàn. Ưu điểm của lò hơi vỏ:
• Toàn bộ nhà máy có thể được mua dưới dạng gói hoàn chỉnh, chỉ cần cố định vào nền móng cơ bản, và kết nối với hệ thống nước, điện, nhiên liệu và hơi trước khi vận hành. Điều này có nghĩa là chi phí lắp đặt được giảm thiểu.
• Sắp xếp gói này cũng có nghĩa là đơn giản để di dời lò hơi vỏ đóng gói.
• Lò hơi vỏ chứa một lượng nước đáng kể ở nhiệt độ bão hòa, và do đó có một lượng năng lượng dự trữ đáng kể có thể được huy động để đối phó với tải ngắn hạn, áp dụng nhanh. Điều này cũng có thể là nhược điểm vì khi năng lượng trong nước dự trữ được sử dụng, có thể mất một thời gian trước khi dự trữ được xây dựng lại.
• Kết cấu của lò hơi vỏ thường đơn giản, có nghĩa là bảo trì đơn giản.
• Lò hơi vỏ thường có một ống buồng đốt và bộ đốt. Điều này có nghĩa là hệ thống điều khiển khá đơn giản.
• Mặc dù lò hơi vỏ có thể được thiết kế và chế tạo để vận hành lên đến 27 bar, phần lớn vận hành ở 17 bar hoặc ít hơn. Áp suất tương đối thấp này có nghĩa là thiết bị phụ trợ liên kết dễ dàng có sẵn với giá cạnh tranh. Nhược điểm của lò hơi vỏ: Nguyên lý gói có nghĩa là khoảng 27 000 kg/giờ là công suất tối đa của lò hơi vỏ. Nếu cần nhiều hơi hơn, thì nhiều lò hơi cần được kết nối lại với nhau. Các hình trụ đường kính lớn được sử dụng trong xây dựng lò hơi vỏ thực tế giới hạn áp suất vận hành của chúng ở khoảng 27 bar. Nếu áp suất cao hơn cần thiết, thì lò hơi ống nước được yêu cầu.