Luận văn Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy không khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải

khung vỏ khối trao đổi nhiệt Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy không khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lò hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện công suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 43 - Sau khi các công đoạn chế tạo các phần tử của khối trao đổi nhiệt hoàn thành, tiến hành lắp ráp tổ hợp chúng thành một khối thống nhất. Quá trình lắp ráp tổ hợp một khối trao đổi nhiệt được mô tả như sơ đồ trên, trong đó các phần tử trao đổi nhiệt và tấm ngăn được lần lượt sắp xếp vào khung vỏ theo trình tự xác định. Khi đã xếp đủ số lượng các phần tử trao đổi nhiệt và tấm ngăn trong một khối, sử dụng máy ép thủy lực để ép chặt toàn bộ khối trao đổi nhiệt đồng thới tiến hành hàn hoàn thiện các mối ghép nối. Lực ép chặt được tính toán vừa đủ để ép chặt các tấm trao đổi nhiệt đồng thới không làm biến dạng biên dạng của các tấm nhằm đảm bảo khe hở giữa các tấm trao đổi nhiệt và tấm ngăn đúng chỉ tiêu thiết kế đảm bảo lưu lượng, áp suất của dòng khí và khói nóng. Lắp ráp các phần tử trao đổi nhiệt và tấm ngăn Lắp nắp chắn phía trên khối trao đổi nhiệt Hàn hoàn thiện khối trao đổi nhiệt Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy không khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lò hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện công suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 44 CHƯƠNG IV ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ GIẢM THIỂU MỨC ĐỘ MÒN HỎNG CỦA THIẾT BỊ IV.1 Tình trạng của hiện tượng rò rỉ thiết bị dẫn đến mòn hỏng thiết bị Trường hợp cụ thể các thiết bị sấy nóng không khí hoàn nhiệt kiểu quay, nhiều nhà máy không thể hạn chế được tác động tiêu cực của việc rò rỉ thiết bị sấy nóng bởi vì họ sử dụng những phương pháp và/hoặc thiết bị đo không có khả năng tính đến các ảnh hưởng gián tiếp. Thiết bị sấy nóng không khí hoàn nhiệt kiểu quay thu giữ và sử dụng lại khoảng 60% nhiệt lượng thoát ra ngoài lò hơi, nếu không, năng lượng này sẽ bay đi mất theo đường ống khói. Với một nhà máy nhiệt điện chạy than công suất 500 MW, năng lượng sử dụng lại có thể lên tới khoảng 1,5 triệu Btu mỗi giờ, và nhờ sử dụng lại nhiệt lượng này, có thể giảm mức tiêu hao nhiên liệu khoảng 1.500 tấn mỗi ngày. Mặc dầu phần lớn các kỹ sư kiểm nhiệt đều thừa nhận sấy nóng không khí thuộc số những yếu tố quan trọng nhất góp phần đảm bảo hiệu suất nhiệt của nhà máy (có lẽ chỉ đứng sau bình ngưng hơi), nhưng nhiều người còn chưa nhận thức được đầy đủ những rắc rối về tính năng thiết bị sấy nóng không khí và tác động của chúng đối với việc vận hành và hiệu suất của nhà máy. Tác động này nhiều khi còn được đánh giá quá thấp, cụ thể là theo một qui trình thường được sử dụng để đo mức độ rò rỉ thiết bị sấy nóng không khí, định nghĩa về rò rỉ được nêu ra với nghĩa quá hẹp. Định nghĩa chính thức về rò rỉ thiết bị sấy nóng không khí được nêu như sau: Khối lượng không khí đi từ phía không khí sang phía khói. Trong tính toán, giả định rằng lượng không khí này rò rỉ từ lối không khí vào sang lối khói ra. Ngành điện sử dụng định nghĩa hẹp này bởi vì rò rỉ không khí trực Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy không khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lò hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện công suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 45 tiếp là loại rò rỉ duy nhất có thể dễ dàng đo được trong thực tiễn. Tuy nhiên, sử dụng định nghĩa không chính xác này sẽ dẫn đến kết luận sai lầm là tác động bất lợi duy nhất của sự rò rỉ thiết bị sấy nóng không khí đối với tính năng của nhà máy là việc tăng công suất quạt gió cần thiết để bơm không khí rò rỉ. Mặc dầu yêu cầu tăng công suất quạt là đáng kể (đến 3MW cho một lò máy), nhưng đây chỉ là một phần trong vấn đề cần bàn. Đánh giá thấp rò rỉ thiết bị sấy nóng không khí là điều đáng tiếc bởi vì, bởi vì để giảm rò rỉ tương đối không tốn kém nhưng lại đem lại lợi ích kinh tế lớn. Chèn tốt thiết bị sấy nóng không khí có thể giảm công suất nhiệt của nhà máy được tới 75Btu/kWh, nhờ đó nâng cao sản lượng điện và doanh thu. Rò rỉ quá mức ở thiết bị sấy nóng không khí có thể dẫn đến nhiều vấn đề phiền phức khác, cụ thể như: • Xuống cấp nghiêm trọng tính năng các thiết bị lọc không khí ở phía sau (lọc tĩnh điện, túi lọc, tháp lọc). • Giảm nhiệt độ không khí sơ cấp và do đó giảm công suất máy nghiền than, đặc biệt khi sử dụng than ướt. • Tăng nguy cơ hoả hoạn hoặc nổ máy nghiền. • Hạn chế phụ tải và giảm cơ hội bán điện năng do sử dụng quạt gió công suất không thích hợp, đặc biệt khi thời tiết ấm. • Tăng phát thải NOx và tổn thất khi cháy. • Ngọn lửa không ổn định ở phụ tải thấp, điểm bắt lửa không cố định, ngọn lửa bập bùng. • Giảm quá nhiệt quá mức do tăng cường truyền nhiệt bằng đối lưu mà nguyên nhân là do lưu lượng khói gia tăng. • Công suất nhiệt tăng và hay bị tắc thiết bị sấy nóng không khí. • Tăng tốc độ ăn mòn lưới thiết bị sấy nóng không khí phía đầu nguội. Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy không khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lò hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện công suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 46 Thiết bị sấy nóng không khí hoàn lưu thu hồi nhiệt trong khói thoát từ lò hơi bằng cách cho khói chạy qua các phần tử kim loại thu nhiệt. Các phần từ này quay liên tục để chúng lần lượt tiếp xúc với khói nóng và không khí lạnh đầu vào tạo nên bởi các quạt hút cưỡng bức trong nhà máy. Nhiệt thu vào sau đó được toả vào trong không khí lạnh và thổi trở lại vào lò hơi. Rất khó có thể chèn kín các loại thiết bị sấy nóng này do chúng có đường kính lớn (đến 18m) và chênh lệch lớn nhiệt độ giữa các phần nóng và lạnh (khoảng 220oC), hai yếu tố này kết hợp khiến rôto bị biến dạng do nhiệt. Không hiếm xảy ra trường hợp các cạnh ngoài của thiết bị sấy nóng không khí bị sã xuống đến hơn 5 cm so với khi lạnh. Do vậy, trong điều kiện hiện nay chưa có công nghệ nào có thể chèn kín được hoàn toàn thiết bị sấy nóng không khí. Tỉ lệ rò rỉ của thiết bị sấy nóng không khí tương ứng với tỉ lệ phần trăm tổng lưu lượng gió đi tắt qua thiết bị sấy nóng không khí (đi vào hoặc từ lò hơi đi ra). Điều bất ngờ là đã có trường hợp tỉ lệ rò rỉ đo được ở một số thiết bị sấy nóng không khí lên tới gần 50%, còn nếu tỉ lệ này chỉ khoảng 20% thì đã được nhiều kỹ sư kiểm nhiệt đánh giá là tốt nhất trong khả năng của chúng ta. Với tỉ lệ số lớn đến như vậy nên một số nhà máy đã phải chi hàng triệu USD cho việc lắp đặt những quạt gió lớn hơn để bù cho lượng rò rỉ lớn của thiết bị sấy nóng không khí. Điều tệ hại hơn là vì phần lớn lượng gió dư này đi tắt qua thiết bị sấy nóng không khí để rồi lọt vào thiết bị kiểm soát ô nhiễm không khí. Tỉ lệ rò rỉ cao cũng có thể làm tăng đáng kể chi phí vốn và chi phí vận hành các tháp lọc, buồng lọc, bộ lọc vải, v.v. Thế nhưng khi được hỏi về tỉ lệ rò rỉ thiết bị sấy nóng không khí, nhiều kỹ sư nhà máy lại đưa ra những con số thấp hơn hẳn so với thực tế. Nhìn bề Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy không khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lò hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện công suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 47 ngoài, có vẻ như các tỉ lệ được nêu trong báo cáo đã được đo và tính toán đúng phép. Thế nhưng kinh nghiệm cho thấy, khi tiến hành các phép đo theo tiêu chuẩn ASTM và ASME, con số thực tế lại lớn hơn rất nhiều so với kỹ thuật đo kiểu ước lượng. Ví dụ về kỹ thuật ước lượng này là tính toán dựa trên các dữ liệu từ các hệ thống đo lường - kiểm nhiệt: các thiết bị theo dõi O2 lắp đặt cố định hoặc đo O2 bằng thiết bị cầm tay, bỏ qua việc áp dụng tiêu chuẩn ASTM. Hình IV-1. Phân bố O2 tại lối vào của phía xả của bộ sấy nóng không khí hoàn lưu kiểu quay Để hiểu vì sao các phương pháp đo quen dùng có thể dẫn đến kết quả đánh giá quá thấp tỉ lệ rò rỉ ở thiết bị sấy nóng không khí, ta hãy xem xét phương pháp được sử dụng để tính toán tham số này. Phương pháp được chấp nhận để xác định lượng rò rỉ từ thiết bị sấy nóng không khí là đo nồng độ ôxy tại lối vào và lối ra phía khói. Để đơn giản hoá bài toán, có thể nêu công thức ở dạng rút gọn như sau: Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy không khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lò hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện công suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 48 Tỉ lệ rò rỉ (%) = [100 x (O2 ở lối ra - O2 ở lối vào)] / [20,9 - O2 lối ra] Với số 20,9 là tỉ lệ phần trăm của ôxy trong không khí. Như vậy, nếu như nhà máy có thiết bị theo dõi O2 lắp cố định, và nếu kết quả đo của thiết bị này cho thấy nồng độ O2 ở lối vào thiết bị sấy nóng không khí là 2,75% và ở lối ra là 5,75% thì tỉ lệ rò rỉ tính toán sẽ là 17,9%. Tuy nhiên, nếu như số lượng cổng lấy mẫu không đủ (thường thì thiếu cả ở lối vào và lối ra) thì kết quả phép đo nồng độ O2 ở lối ra sẽ là không đúng. Nếu như sử dụng lưới đo đầy đủ hơn và chính xác hơn, nồng độ O2 thực tế ở đầu vào có thể chỉ là 0,25%. Điền giá trị O2 đầu vào nhỏ hơn nhiều này vào tử số của công thức trên sẽ có được kết quả đo rò rỉ là 34%, tức là gần gấp đôi tỉ lệ tính được trước đó. Hình IV-2. Phân bố ôxy trong khói thải tại lối ra thiết bị sấy nóng không khí của lò máy đốt than công suất 600 MW Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy không khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lò hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện công suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 49 Hình IV-3. Phân bố tốc độ khói thải tại lối ra thiết bị sấy nóng không khí của chính lò máy nói trên. Khi đo nồng độ O2 tại lối vào và lối ra bộ sấy nóng không khí, điều tối quan trọng là phải nhận thức được rằng phân bố O2 và phân bố tốc độ có thể khác nhau rất nhiều giữa các điểm đo. Mỗi kết quả đo về áp lực tốc độ cần đi kèm với kết quả đo nồng độ O2 thì mới có thể thu được kết quả chính xác. Thậm chí tại một số điểm, áp lực tốc độ tại lối ra của thiết bị sấy nóng không khí có thể có giá trị âm, khiến cho việc đo được chính xác càng trở nên khó khăn. Ngoài ra, vị trí các điểm lấy mẫu phải phản ánh thực tế là một phần quan trọng lượng rò rỉ từ thiết bị sấy nóng không khí ra ngoài tổ lò đi sát thành đường ống. Khuyến nghị nên đặt các điểm lấy mẫu ít nhất là một phép đo cho 4 ft2 (≈0,37 m2) diện tích đường ống, điểm đầu và điểm cuối không cách thành ống quá 9 inch (≈23 cm). Rất ít nhà máy thực hiện phép đo mức rò rỉ thiết bị sấy nóng không khí với số điểm lấy mẫu nhiều như vậy, tuy nhiên nếu như hiểu rằng đánh giá đúng vấn đề có thể thu được lợi ích lớn về tính năng thì việc phải chi phí để có được kết quả thử nghiệm chính xác là hoàn toàn xứng đáng. Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy không khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lò hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện công suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 50 Chỉ cần sai số phép đo O2 ở mức ±0,2% tại lối vào và lối ra của thiết bị sấy nóng không khí cũng có thể dẫn tới sai số lớn khi tính toán rò rỉ của thiết bị này. Lắp đặt thiết bị theo dõi thường xuyên O2 không thể đảm bảo mức chính xác như vậy, và như có thể thấy rõ trên các hình IV-2 và IV-3, khả năng đặt các thiết bị theo dõi cố định để có được kết quả đo mang tính đại diện xem ra rất xa vời. Hai hình vẽ này dựa trên số liệu thực tế các phép đo thực hiện tại đầu ra thiết bị sấy nóng không khí của một lò máy đốt than công suất 600 MW. Có thể thấy rõ các tham số biến thiên trong phạm vi rất rộng như vẫn thường gặp khi cần đo chính xác tỉ lệ rò rỉ thiết bị sấy nóng không khí. Ít khi người ta ngờ rằng rò rỉ thiết bị sấy nóng không khí lại ảnh hưởng đến tính năng thiết bị kiểm soát ô nhiễm về phía hạ lưu. Nhưng trên thực tế lại là như vậy. Trong trường hợp buồng lọc (baghouse), nếu giảm được 20 % tổng lưu lượng không khí (bằng cách giảm rò rỉ thiết bị sấy nóng) sẽ tạo ra tỉ lệ không khí/vải tốt hơn, từ đó giảm được độ sụt áp và hiện tượng rách túi lọc. Những lợi ích này cũng đạt được nếu tăng nhiệt độ không khí vào buồng lọc, bằng cách giảm lượng không khí lạnh lọt qua các bộ chèn hướng kính của thiết bị sấy nóng không khí, thoát ra theo khói thải. Những lợi ích của việc cắt giảm rò rỉ thiết bị sấy nóng không khí, đối với hiệu quả thu bụi của bộ lọc tĩnh điện (electrostatic precipitator - ESP) lại còn lớn hơn. Hiệu suất thu bụi của bộ lọc tĩnh điện tăng theo diện tích thu giữ riêng (specific collection area - SCA) - tức là theo tỉ số giữa diện tích điện cực thu giữ bụi và lưu lượng khói tại lối vào bộ lọc tĩnh điện - nhưng theo hàm số mũ. Giảm được tỉ lệ rò rỉ đương nhiên là lưu lượng khói sẽ giảm và SCA tăng. SCA cao là rất quan trọng bởi vì phần lớn các bộ lọc tĩnh điện giờ đây đều phải vận hành với hiệu suất khoảng 99,5% để phù hợp với các qui định Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy không khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lò hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện công suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 51 của Nhà nước. Cách mà ngành điện thường phải thực hiện để nâng cao hiệu quả thu giữ bụi là chi hàng triệu, thậm chí hàng trăm triệu USD cho việc bổ sung và/hoặc nâng cấp thiết bị lọc bụi tĩnh điện. Cũng có thể đạt được hiệu quả như vậy nhưng với chi phí thấp hơn nhiều, đó là giảm tỉ lệ rò rỉ thiết bị sấy nóng không khí. Cần phải nhận thức rõ ràng là rò rỉ thiết bị sấy nóng không khí tác động bất lợi đến nhiều lĩnh vực hoạt động của nhà máy, không đơn giản chỉ là việc phải tăng công suất quạt khói. Do tác động của nó đến cả nhà máy, nên công tác bảo dưỡng hệ thống chèn kín thiết bị sấy nóng không khí phải được đưa vào diện ưu tiên hàng đầu. Các bộ chèn thiết bị sấy nóng không khí và các bề mặt ăn khớp với nhau tất nhiên dần dần sẽ bị mài mòn, và chúng được thiết kế để dễ dàng thay thế. Phương cách đơn giản mà lại hiệu quả về chi phí để cải thiện độ kín của thiết bị sấy nóng không khí, đó là thôi không sử dụng nữa các bộ chèn thiết bị sấy nóng không khí truyền thống, hoặc như người ta thường gọi, kiểu tiêu chuẩn. Do chúng chẳng qua chỉ là những dải thép mỏng định hình nên các bộ chèn tiêu chuẩn không thể chèn kín và nhiều khi bị biến dạng hoặc hư hại do chênh lệch áp lực lớn tạo khi lắp đặt các thiết bị kiểm soát ô nhiễm không khí ở phía hạ lưu. Trong khi đó, thực tế chứng tỏ các bộ chèn thiết bị sấy nóng không khí thế hệ mới, với tính năng cao, có khả năng cắt giảm tỉ lệ rò rỉ thiết bị sấy nóng không khí tới 50%, hoặc cao hơn, so với các bộ chèn tiêu chuẩn. Một số chèn kiểu mới hơn sử dụng kết cấu hộp xếp để tạo ra lực đàn hồi, giữ bộ chèn luôn tiếp xúc với với bề mặt ghép (tấm hình quạt) trên một dải rộng chênh lệch áp suất và rôto bị chùng xuống. Cũng có loại chèn có tên là chèn khoá đường chu Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy không khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lò hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện công suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 52 vi. Loại chèn này được sử dụng trên đường chu vi của rôto thiết bị gia nhiệt không khí. Chúng làm giảm được lượng không khí thoát, và được thiết kế để chịu được hư hại khi rôto bị chùng xuống. Do hiện tượng dãn nở, co ngót khi nhiệt độ độ thay đổi, tất cả các thiết bị sấy nóng không khí hoàn nhiệt kiểu quay đều tạo khe hở lúc rộng lúc hẹp, tuỳ theo phụ tải. Rò rỉ thiết bị sấy nóng không khí ảnh hưởng rất lớn đến công suất nhiệt của nhà máy điện, đến công suất yêu cầu của quạt gió, đến tính năng sấy khô và nghiền than, đến hiệu quả thu giữ bụi của bộ lọc tĩnh điện và tháp lọc, v.v. Nhiều nhà máy đã để mất cơ hội bán được hàng mấy trăm MWh mỗi ngày chỉ vì rò rỉ quá lớn ở thiết bị sấy không khí. Vào thời kỳ cao điểm, thiệt hại về doanh thu mỗi ngày có thể lên tới 100.000 USD. Tác hại về mặt kinh tế của rò rỉ thiết bị sấy nóng không khí là rất nghiêm trọng, tuy nhiên phần lớn các nhà máy điện vẫn còn đánh giá quá thấp mức độ rò rỉ bởi họ không biết cách đo chính xác. Phép đo rò rỉ phải dựa trên lưới điểm đo ở cả hai phía thiết bị sấy nóng không khí, và phải đo đồng thời nồng độ O2 cộng với tốc độ dòng khói. Cuối cùng, các điểm thử nghiệm phải được bố trí sao cho bao hàm những phần có mức độ rò rỉ cao (điển hình là những điểm nằm gần vách đường ống). Hình IV-4. Loại chèn có tính năng cao kiểu hộp xếp, tiếp xúc với tấm hình quạt Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy không khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lò hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện công suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 53 Chỉ dựa vào thiết bị theo dõi liên tục nồng độ O2 hiện có chắc chắn sẽ dẫn đến kết luận sai lầm, tính năng của thiết bị sấy nóng không khí xác định được thường cao hơn rất nhiều so với thực tế. Các hệ thống theo dõi liên tục tính năng mà phần lớn các nhà máy hiện nay vẫn sử dụng để tính toán tỉ lệ rò rỉ là đúng về mặt toán học, nhưng vì dữ liệu đầu vào không chính xác nên kết quả thu được trở nên vô dụng. Mặt khác, đầu vào của bộ sấy không khí là những nơi có nhiệt độ kim loại nhỏ nhất. Khi nhiệt độ tại những điểm này nhỏ hơn nhiệt độ bão hòa ở phần áp suất của một khí nào đó có trong khói thì khi ấy sẽ bị ngưng đọng lại trên ống và có thể gây nên ăn mòn ống. Nhiệt độ cao nhất của vách ống mà chất khí trong dòng khói có thể ngưng đọng được nhiệt độ đọng sương hay điểm sương. Rõ ràng quá trình ăn mòn chỉ xẩy ra ở bề mặt đốt có nhiệt độ kim loại thấp hơn nhiệt độ điểm sương. Bảng sau trình bày nhiệt độ ngưng đọng tính toán của hơi nước nguyên chất trong khói ở các phân áp suất ứng với các nhiên liệu khác nhau Nhiên liệu Độ ẩm nhiên liệu, W1v , % Phần áp suất của hơi nước PH2O, MN/m2 Nhiệt độ bắt đầu ngưng đọng, oC Anthraxit Than gầy Than bùn Mazut 6,5 5,5 40 3 0,00363 0,0053 0,01678 0,00903 27 34 56 44 Ngay cả đối với than bùn có độ ẩm hơn phân áp suất của hơi nước trong khói nước, nhưng nhiệt độ ngưng đọng cũng không quá 60oC trong tất cả các bề mặt đốt của lò hơi, nên nếu nhiên liệu không có lưu huỳnh thì hiện tượng ngưng đọng hơi nước và do đó hiện tượng ăn mòn sẽ không thể xẩy ra được, thực ra nhiệt độ đọng sương của khói cao hơn nhiệt độ ngưng Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy không khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lò hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện công suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 54 đọng của hơi nước nguyên chất của phân áp của hơi nước trong khói rất nhiều. Đó là do trong khói có anhydrit sunfuric SO3, chúng sẽ liên kết với hơi nước tạo thành axit sunfuric H2SO4, hơi axit này có nhiệt độ ngưng đọng cao hơn nhiều so với của hơi nước nguyên chất. Khi đốt nhiên liệu, lưu huỳnh bị oxy hóa chủ yếu để tạo thành khí sunfurơ SO2 và chỉ có một lượng rất ít, khoảng 0,8-2,5% SO2 tạo thành SO3 do SO2 bị oxy hóa tiếp theo 2SO2 + O2 2SO3 + 2,96 kg/gmol Phản ứng này là một phản ứng thuận nghịch, chiều của phản ứng sẽ chuyển sang phải khi trong khói có nhiều oxy và khi chuyển động trong đường khói có nhiệt độ khói giảm dần (thuận lợi cho điều kiện sinh nhiệt của phản ứng). Chất xúc tác là sắt oxit ở nhiệt độ 425oC-625oC cũng có ảnh hưởng rất lớn đến việc oxy hóa SO2 thành SO3. Ngoài ra trong nhiên liệu còn có những chất ức chế có tác dụng kìm hãm quá trình tạo thành SO3. Chính vì vậy mà khi đốt những loại nhiên liệu khác nhau có cùng một lượng lưu huỳnh nhưng chưa chắc lượng SO3 tạo thành và do đó mức độ ăn mòn đã giống nhau. Anhydrit sunfuric sẽ kết hợp với hơi nước để tạo thành hơi axit sunfuric H2SO4 SO3 + H2O H2SO4 Tùy theo nồng độ và nhiệt độ của hơi này mà có thể ngưng đọng thành axit sufuric H2SO4. Trong khói ngoài H2SO4 còn có hơi nước, sự có mặt đồng thời của hai chất này đã làm cho nhiệt độ đọng sương tăng lên rất nhiều. Quá trình ngưng đọng của hơi axit sufuric sẽ xẩy ra khi giảm nhiệt độ của hỗn hợp hơi H2O và H2SO4 nghĩa là khi tiếp xúc với bề mặt ống lạnh. Như vậy nồng độ của dung dịch H2SO4 đóng trên mặt ống phụ thuộc Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy không khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lò hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện công suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 55 vào nồng độ và phần áp suất của hỗn hợp H2O và H2SO4 trong khói. Nhiệt độ của vách ống trong cùng một bề mặt truyền nhiệt không giống nhau, do đó nồng độ dung dịch H2SO4 cũng không giống nhau trên mặt ống. Chính vì vậy mà cường độ ăn mòn xảy ra không đồng đều trên các ống của bề mặt truyền nhiệt. Nồng độ mà tại đấy có ăn mòn cực đại thì khác nhau đối với các vật liệu khác nhau. Ví dụ đối với thép cacbon, nồng độ này bằng 52%. Khi tăng nồng độ lớn hơn trị số này, tốc độ ăn mòn trên thép cacbon sẽ giảm đi đột ngột (trong phạm vi 52-56%) và kể từ nồng độ 70% trở đi, tốc độ ăn mòn hầu như không đổi. Khi tăng nhiệt độ, tốc độ ăn mòn tăng lên ứng với mỗi trị số nồng độ H2SO4 cố định. Như vậy khi thay đổi nhiệt độ vách, nồng độ dung dịch đọng lại trên vách thay đổi đồng thời nhiệt độ dung dịch cũng thay đổi theo. Vì vậy mà tốc độ ăn mòn phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ vách. Do nồng độ dung dịch H2SO4 đạt tới cực đại khi nhiệt độ vách bằng nhiệt độ đọng sương mà ở nồng độ này tốc độ ăn mòn thường nhỏ hơn cực đại nên nhiệt độ vách ứng với khi có ăn mòn cực đại thường nhỏ hơn nhiệt độ đọng sương. Ta thấy ăn mòn xảy ra mạnh nhất ở nhiệt độ vách ứng với nồng độ có ăn mòn cực đại. Khi giảm tiếp theo nhiệt độ, nồng độ axit giảm đi, tốc độ ăn mòn giảm đi cho đến trị số cực tiểu theo tỷ lệ gấp đôi so với sự giảm nhiệt độ vách. Sau đó nếu tiếp tục giảm nhiệt độ nữa thì tốc độ ăn mòn sẽ tăng lên do ảnh hưởng của nồng độ dung dịch axit đến tốc độ ăn mòn mạnh hơn ảnh hưởng của sự giảm nhiệt độ. Đối với lò hơi trong nhà máy điện, ăn mòn ở nhiệt độ thấp chủ yếu có ở bộ sấy không khí cấp một. Để giảm thiểu sự ăn mòn của bộ sấy không khí, đề tài xin đề xuất một số giải pháp như sau. Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy không khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lò hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện công suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 56 IV.2 Giải pháp đề xuất IV.2.1 Giảm lượng lưu huỳnh có trong nhiên liệu tới mức tối thiểu đồng thời giảm lượng SO3 sinh ra trong khói; IV.2.2 Dùng vật liệu bền vững chịu được tác dụng ăn mòn của axit; IV.2.3 Nâng nhiệt độ vách ống tới mức cao hơn nhiệt độ đọng sương; Trong các biện pháp trên biện pháp giảm lượng lưu huỳnh có trong nhiên liệu chỉ có tác dụng đối với thành phần lưu huỳnh khoáng (có trong quặng pyrit FeS2) của nhiên liệu rắn. Đối với nhiên liệu khác và thành phần khác của lưu huỳnh trong nhiên liệu thì không giải quyết được. Vì vậy biện pháp này không thể coi là biện pháp duy nhất mà phải đi kèm các biện pháp khác. Đối với lượng lưu huỳnh đã đưa vào trong buồng lửa, người ta tìm cách hạn chế việc tạo thành SO3 trong khói bằng các phương pháp sau: • Hạn chế tới mức tối thiểu lượng không khí thừa đưa vào buồng lửa, đồng thời nâng cao nhiệt độ buồng lửa (làm cho chiều thuận của phản ứng tạo thành SO3 khó xảy ra). Buồng lửa thải xỉ lỏng và buồng lửa đốt mazut có αbl=1,03-1,05 có rất ít SO3 tạo thành. • Dùng những chất mà khi đưa vào trong đường khói có tác dụng hấp thu SO3 hay trung hòa H2SO4 tạo thành trên ống. Những chất đo là manhêtit, dolomit, amoniac, trong đó dùng amoniac kinh tế hơn, sản phẩm tạo thành là amoni sunfat (NH4)2SO4 làm phân bón tốt. Biện pháp dùng những vật liệu bền vững chống ăn mòn của axit H2SO4 gặp nhiều khó khăn do mỗi loại thép bị ăn mòn cực đại ở một nồng độ nào đó mà nồng độ này thì khác nhau ở các phần khác nhau của ống (do nhiệt độ của vách ống khác nhau). Bản thân thép không gỉ Cr-Ni cũng không hoàn toàn bền vững dưới tác dụng ăn mòn của axit H2SO4, mà giá thành vật tư lại đắt tiền. Ngoài ra người ta cũng sử dụng biện pháp tráng men ống và ống bằng Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy không khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lò hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện công suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 57 thủy tinh cho bộ sấy không khí, song khi ấy cần bảo đảm lớp men không bị vỡ tại những chỗ ống nối với đĩa. Biện pháp tăng nhiệt độ vách ống cao hơn nhiệt độ đọng sương là biện pháp được sử dụng rộng rãi nhất. Để khảo sát các biện pháp này, trước hết ta tính nhiệt độ vách ống bộ sấy không khí, theo truyền nhiệt ta có: ( ) ktr tr k k kkk kkk k k kk kk v tt tt λ δ λ δ αα λ δ α +++ −⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ + += 1 1 1 1 1 11 1 Trong đó: tk. tkk - Nhiệt độ khối và không khí, oC vt1 - Nhiệt độ vách về phía khói, oC kα , kkα - Hệ số tản nhiệt từ khói tới vách và từ vách từ không khí, W/m2.oC ( )kkk k kk kk v tttt − + += α α 1 1 1 , oC Từ phương trình trên ta thấy để tăng nhiệt độ vách thì cần: - Tăng nhiệt độ khói tại chỗ đầu vào của không khí - Giảm hệ số tản nhiệt về phía không khí ( kα ) - Tăng nhiệt độ của không khí ở đầu vào Để tăng nhiệt độ khói ở đầu vào bộ sấy không khí, người ta có thể đặt đầu vào của bộ sấy không khí ở chỗ có nhiệt độ khói cao. Cách đặt này làm cho một phần bề mặt đốt bộ sấy không khí có lưu động thuận chiều, làm giảm hiệu quả truyền nhiệt. Để giảm hệ số tản nhiệt về phía không khí, người ta tăng tiết diện đường không khí đi (tăng chiều cao hay bước ống ngang không khí). Song biện pháp Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy không khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lò hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện công suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 58 này không có hiệu quả khi có tro bám lên ống (không bỏ qua được nhiệt trở của lớp tro). Tăng nhiệt độ của không khí đi vào bộ sấy không khí được thực hiện bằng cách gia nhiệt cho không khí trước khi đi vào bộ sấy không khí. Nguồn gia nhiệt để gia nhiệt có thể trích từ dòng không khí nóng (vì vậy biện pháp này được gọi là tái tuần hoàn không khí). Biện pháp này có nhược điểm là tốn thêm điện năng cho việc tự dùng. Nguồn gia nhiệt không khí cũng có thể trích từ tuarbin. Khi ấy không khí được gia nhiệt trong bình gia nhiệt không khí (calorife). Nước ngưng sau khi gia nhiệt được đưa về đường nước cấp, do đó độ chênh nhiệt độ trong bộ hâm nước giảm đi, làm giảm hiệu quả truyền nhiệt, nhiệt độ khói thải tăng lên. Song về mặt sử dụng hơi trích của tuarbin thì lại làm tăng hiệu suất của chu trình nhiệt. Nhìn chung biện pháp tăng nhiệt độ không khí ở đầu vào có nhược điểm là làm tăng nhiệt độ khói thải, hiệu suất của lò hơi giảm đi. Tuy nhiên biện pháp này dùng tái tuần hoàn không khí đơn giản nên được sử dụng rất rộng rãi trong các nhà máy điện. Người ta cũng có thể phân bộ sấy không khí cấp một thành nhiều phần, trong đó phần có thể bị ăn mòn ở nhiệt độ thấp được thay bằng bộ sấy không khí bằng gang, có khả năng chống ăn mòn tốt hơn thép. Về mặt chống ăn mòn ở nhiệt độ thấp thì bộ sấy không khí loại hồi nhiệt đạt hiệu quả cao nhất. Nó được sử dụng rộng rãi khi đốt nhiên liệu nhiều lưu huỳnh, đặc biệt là mazut nhiều lưu huỳnh. Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy không khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lò hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện công suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 59 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Đề tài : ‘‘Nghiên cứu, thiết kế chế tạo bộ sấy không khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lò hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện công suất tới 300MW ’’ là dạng đề tài nghiên cứu có tính ứng dụng thực tiễn cao. Bộ sấy không khí là một dạng thiết bị truyền nhiệt nằm phía sau lò hơi, tận dụng nhiệt của khói sau khi ra khỏi lò hơi, có tác dụng nâng cao hiệu suất lò hơi. Việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy không khí phục vụ cho các nhà máy nhiệt điện sẽ góp phần thúc đẩy công cuộc CNH-HĐH đất nước, giúp các đơn vị chủ động sản xuất, tiết kiệm giá thành chế tạo, tiến tới nội địa hóa dần các thiết bị cơ khí lớn. • Đề tài đã hoàn thành đúng và đầy đủ các mục tiêu đã đề ra : - Nghiên cứu tổng quan về thiết bị bộ sấy không khí. - Đưa ra cơ sở lý thuyết, các tính toán truyền nhiệt trong bộ sấy không khí loại hồi nhiệt. - Bản vẽ kỹ thuật thiết kế môđun bộ sấy không khí. - Các quy trình công nghệ chế tạo môđun bộ sấy không khí. - Giải pháp công nghệ đề xuất để giảm thiểu mức độ mòn hỏng trong điều kiện vận hành thực tế. - Sản phẩm của đề tài đã được chấp nhận và đưa vào lắp ráp vận hành tại Công ty Nhiệt điện Phả Lại. • Ý nghĩa về mặt kinh tế - Việc nghiên cứu, thiết kế chế tạo thành công bước đầu mở ra triển vọng cho việc chế tạo bộ sấy không khí loại hồi nhiệt với nguồn lực trong nước, giúp các đơn vị sản xuất chủ động trong công tác thay thế, sửa chữa, bảo dưỡng thiết bị, sản phẩm chế tạo trong nước sẽ có giá thành sấp xỉ 1/2÷2/3 giá Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy không khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lò hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện công suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 60 nhập ngoại với sản phẩm tương đương của các nước G7, điều này sẽ góp phần làm giảm giá thành chế tạo khi xây dựng nhà máy nhiệt điện. • Đề xuất của đề tài: Tại Việt Nam, Viện Nghiên cứu Cơ khí là đơn vị đầu tiên triển khai nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công modul bộ sấy không khí dạng quay và đưa vào vận hành thực tế. Với mong muốn được đóng góp hơn nữa vào sự phát triển của ngành cơ khí chế tạo, nhóm đề tài xin đề xuất một số ý kiến sau : - Tiếp tục cho phép đề tài nghiên cứu và phát triển toàn diện và sâu hơn về bộ sấy không khí cho các loại lò hơi có công suất khác nhau. - Tạo điều kiện cho đề tài phát huy kết quả sau khi nghiên cứu thành công về công nghệ chế tạo các phần tử trao đổi nhiệt của bộ sấy không khí, tiến tới tính toán, thiết kế chế tạo hoàn chỉnh các loại bộ sấy không khí bằng nội lực trong nước. Với sự phối hợp chặt chẽ và trách nhiệm giữa Viện Nghiên cứu Cơ khí và Công ty Nhiệt điện Phả Lại, nhóm đề tài Viện Nghiên cứu Cơ khí đã hoàn thành đề tài cấp bộ ‘‘Nghiên cứu, thiết kế chế tạo bộ sấy không khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lò hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện công suất tới 300MW". Đề tài đã chế tạo thành công các môđun của bộ sấy không khí đưa vào vận hành tốt tại Công ty Nhiệt điện Phả Lại. Có được kết quả như vậy, nhóm đề tài xin trân trọng cảm ơn Bộ Công Thương, Viện Nghiên cứu Cơ khí, Công ty Nhiệt điện Phả Lại, các chuyên gia, cộng tác viên đã tạo điều kiện giúp đỡ, phối hợp và cộng tác nhiệt tình, chặt chẽ, đầy tinh thần trách nhiệm. Xin trân trọng cảm ơn ! Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy không khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lò hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện công suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 61 MỘT SỐ HÌNH ẢNH CHẾ TẠO 01 MODUL BỘ SẤY KHÔNG KHÍ Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy không khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lò hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện công suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 62 Khuôn dập tạo prôfin tấm lượn sóng Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy không khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lò hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện công suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 63 Cắt pha thép tấm trước khi dập tạo prôfin tấm lượn sóng Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy không khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lò hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện công suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 64 Tấm lượn sóng và prôfin sau khi dập Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy không khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lò hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện công suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 65 Khung vỏ khối trao đổi nhiệt Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy không khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lò hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện công suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 66 Đồ gá ép và hàn khối trao đổi nhiệt Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy không khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lò hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện công suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 67 Môđun bộ sấy không khí sau khi hoàn thiện Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy không khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lò hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện công suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 68 BẢN VẼ BẢN VẼ CÁC KHỐI TRAO ĐỔI NHIỆT BỘ SẤY KHÔNG KHÍ DẠNG HỒI NHIỆT Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy không khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lò hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện công suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Lò hơi (Tập 1, tập 2) – GS.TSKH. Nguyễn Sỹ Mão – Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật – Hà Nội 2006 2. Sổ tay tính nhiệt lò hơi (phương pháp tiêu chuẩn) – Nhà xuất bản Năng lượng quốc gia – Mockva 1957 (tiếng Nga) – Tái bản (tiếng Anh) 1998 3. Tính nhiệt lò hơi – Giáo trình Đại học Bách Khoa Hà Nội 1986 4. Quá trình buồng lửa – Giáo trình Đại học Bách Khoa Hà Nội 1986 5. Lý thuyết cháy và thiết bị cháy – GS.TSKH. Nguyễn Sỹ Mão – Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật – Hà Nội 2002 6. Sổ tay tính khí động lò hơi – Nhà xuất bản Năng lượng quốc gia – Mockva 1964 7. Lò hơi công nghiệp - Trường ĐH Điện lực: Đàm Xuân Hiệp, Bàng Bích, Đỗ Văn Thắng, Trương Ngọc Tuấn, Trương Huy Hoàng - Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật 8. Truyền nhiệt - Đặng Quốc Phú, Trần Thế Sơn, Trần Văn Phú - Nhà xuất bản Giáo dục 9. Thiết bị trao đổi nhiệt - PGS.TS. Bùi Hải, TS. Dương Đức Hồng, TS. Hà Mạnh Thư - Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật 2001 BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ BÁO CÁO TÓMTẮT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CẤP BỘ – NĂM 2007 Tên đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy không khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lò hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện công suất đến 300MW” Ký hiệu: 151-07.RD/HĐ-KHCN Cơ quan chủ quản: Bộ Công Thương Cơ quan chủ trì đề tài: Viện Nghiên cứu Cơ khí Chủ nhiệm đề tài: Phạm Văn Quế MỞ ĐẦU - Bộ sấy không khí là một dạng thiết bị truyền nhiệt nằm ở phía sau lò hơi để tận dụng nhiệt của khói sau khi đi ra khỏi lò hơi, bộ sấy không khí có tác dụng nâng cao hiệu suất hoạt động của lò hơi. Chính vì vậy mà bộ sấy không khí còn được gọi là “bộ tiết kiệm than” trong các nhà máy nhiệt điện đốt than. - Hiện nay trên thế giới có nhiều hãng chế tạo các thiết bị của lò hơi cho các nhà máy nhiệt điện. Các tập đoàn lớn, các công ty chế tạo thiết bị cho lò hơi đã có nhiều năm kinh nghiệm sản xuất như: ABB, FUJITSU, Điện khí Thượng Hải, các nhà máy thuộc Nga, Ukraine, ... Sơ đồ tổng thể của một nhà máy nhiệt điện 3. Đường dây tải điện 6. Tuabin áp thấp 9. Tuabin trung áp 12. Khử khí 15. Phễu 18. Phễu tro 21. Bộ gia nhiệt lại 24. Bộ sấy không khí 2. Bơm nước 5. Máy phát 8. Bình ngưng 11. Tuabin áp cao 14. Băng tải than 17. Bao hơi 20. Quạt hút gió 23. Bộ hâm nước 26. Quạt khói 27. Ống khói 1. Tháp làm mát 4. Trạm biến áp 7. Bơm nước cấp 10. Điều tốc tuabin 13. Gia nhiệt nước 16. Máy nghiền 19. Hơi quá nhiệt 22. Khí vào 25. Lọc bụi Chú thích: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ BỘ SẤY KHÔNG KHÍ TRONG TỔ HỢP THIẾT BỊ LÒ HƠI I.1 Tổng quan về thiết bị bộ sấy không khí trong lò hơi: Theo nguyên tắc truyền nhiệt, bộ sấy không khí được chia làm 2 loại: loại thu nhiệt và loại hồi nhiệt. - Loại thu nhiệt: nhiệt truyền trực tiếp từ khói tới không khí qua vách kim loại. - Loại hồi nhiệt: khói đầu tiên đốt nóng kim loại rồi sau đó nhiệt tích tụ tại đây được truyền cho không khí. Như vậy mỗi phần tử của bộ sấy không khí sẽ làm việc ở trang thái tiếp xúc lần lượt khi thì với khói, khi thì với không khí. I.2 Bộ sấy không khí kiểu thu nhiệt (bộ sấy tĩnh): Bộ sấy không khí kiểu thu nhiệt là loại được sử dụng rộng rãi hiện nay, về cấu tạo nó có thể gồm các kiểu sau: kiểu bằng tấm thép, kiểu bằng ống gang, kiểu bằng ống thép. Bộ sấy không khí kiểu ống gồm 2 loại: ống gang và ống thép, trong đó bộ sấy không khí loại ống thép hiện nay hay được sử dụng. Nó gồm một hệ thống ống đứng đặt so le và được giữ với nhau bởi hai mặt sàng, trong đó khói đi trong ống và không khí đi ngoài ống. Hình I-1. Bộ sấy không khí kiểu thu nhiệt (dạng tĩnh) Thông thường hiện nay người ta chế tạo bộ sấy không khí theo từng cụm (khối). Khi lắp, chúng được nối với nhau tạo thành bộ sấy không khí. Kích thước của khối được chọn theo kích thước của đường khói đối lưu, thường một cạnh của khối lấy bằng chiều sâu của đường khói còn cạnh kia được chọn trên cơ sở kích thước chiều rộng và số khối (ước số theo chiều rộng của lò). Việc chia thành khối như vậy cho phép vận chuyển và lắp ráp dễ dàng. a) b) Hình I-2. Sơ đồ chia bộ sấy không khí thành các khối và cách nối các khối a) b) c) d) Hình I-3. Sơ đồ bộ sấy không khí kiểu ống a) sơ đồ một dòng; b) và d) sơ đồ hai dòng nhiều đường; c) sơ đồ một dòng một đường Bộ sấy không khí kiểu ống có những ưu điểm sau: - Đơn giản trong chế tạo, lắp ráp và làm việc chắc chắn, - Tro bám trong ống không nhiều, ống dễ dàng thổi sạch, - Khắc phục được hiện tượng lọt không khí vào trong đường khói, - Có xuất tiêu hao kim loại tương đối nhỏ. Khuyết điểm của bộ sấy không khí kiểu ống: - Khuyết điểm chủ yếu là các ống thép không bền vững dưới tác dụng ăn mòn của khói ở nhiệt độ cao và tác dụng mài mòn của tro bay. Vì vậy bộ sấy không khí kiểu ống được dùng để gia nhiệt không khí tới khoảng 400oC, nhiệt độ khói trước nó không quá 550oC. I.3 Bộ sấy không khí kiểu hồi nhiệt (bộ sấy quay): - Bộ phận chính của bộ sấy là một rôto quay với tốc độ chậm xung quanh trục đứng. Trên rôto có gắn các lá thép. Những lá thép này trong quá trình rôto quay sẽ lần lượt khi thì tiếp xúc với khí nóng, khi thì tiếp xúc với không khí lạnh. Đường khói và đường không khí được bố trí ở hai phía cố định của bộ sấy và được ngăn bởi vách ngăn. - Ưu điểm của bộ sấy không khí kiểu hồi nhiệt (kiểu quay) là khi đi qua đường khói, các chi tiết của rôto sẽ có nhiệt độ bằng nhiệt độ của khói nên hạn chế được hiện tượng ăn mòn ở nhiệt độ thấp trong đường khói. Khi đi qua phần không khí, do không khí không phải là môi trường ăn mòn như khói nên cho phép nhiệt độ của các chi tiết hạ xuống khá thấp. Ngoài ra bộ sấy không khí kiểu quay còn có ưu điểm là kích thước gọn gàng, suất tiêu hao kim loại nhỏ, trở lực đường khói và đường không khí thấp. Ñöôøng khoâng khí ñi ra Ñöôøng khoâng khí ñi vaøo Hình chieáu nhìn töø treân xuoáng (ñaõ xoay) Taàng ñaàu noùng Taàng ñaàu laïnh Taàng trung gian Ñöôøng khoùi vaøo Hình II-2 Kết cấu bộ sấy không khí loại hồi nhiệt Khối phần tử đầu nóng Khối phần tử đầu lạnh Đường khói ra Đường không khí vào Đường khói vào Đường không khí ra Hình II.1 Sơ đồ bộ sấy không khí loại hồi nhiệt TÍNH TOÁN - THIẾT KẾ BỘ SẤY KHÔNG KHÍ LOẠI HỒI NHIỆT Mô tả chung bộ sấy không khí loại hồi nhiệt - Bộ phận chính của bộ sấy không khí loại hồi nhiệt là một rôto quay với tốc độ độ rất chậm xung quanh trục đứng. Trên rôto có gắn các lá thép, những lá thép này trong quá trình rôto quay sẽ lần lượt khi thì tiếp xúc với khói nóng, khi thì tiếp xúc với không khí lạnh. Cấu tạo bộ sấy không khí loại hồi nhiệt Hình II-3. Phần tử trao đổi nhiệt dạng lượn sóng sắp xếp xen kẽ với phần tử trao đổi nhiệt dạng tấm phẳng Hình II-4. Khung cố định các phần tử trao đổi nhiệt Hình II-5. Khối trao đổi nhiệt (các phần tử lắp vào khung) Các thông số bộ sấy không khí loại hồi nhiệt Các thông số kỹ thuật của lò hơi Pqn = 255barÁp suất hơi quá nhiệt tqn = 565oCNhiệt độ hơi quá nhiệt 800 m3/sLưu lượng hơi quá nhiệt trung gian 950T/hSản lượng lò hơi P = 30mmH2O Áp suất khói trong buồng lửa Áp suất hơi đầu ra bộ quá nhiệt trung gian Nhiệt độ hơi đầu ra bộ quá nhiệt trung gian Áp suất hơi đầu vào bộ quá nhiệt trung gian Nhiệt độ hơi đầu vào bộ quá nhiệt trung gian Ct otg 307 , = barPtg 39 , = Ct otg 570 ,, = barPtg 37 ,, = Các thông số chính của bộ sấy không khí Tkkr1 ≈ 368oCNhiệt độ không khí đầu ra cấp 1 Tkkv1 ≈ 35oCNhiệt độ không khí đầu vào cấp 1 Pkv = -5barÁp suất khói đầu vào bộ sấy Tkr ≈ 120oCNhiệt độ khói đầu ra bộ sấy Tkv ≈ 400oCNhiệt độ khói đầu vào bộ sấy Drôto = 10360mmĐường kính lớn nhất của rôto nrôto = 0,8v/phTốc độ rôto Nđc = 11kWCông suất động cơ chính rôto bộ sấy Qkkv2 = 117m3/sLưu lượng không khí đầu vào cấp 2 Qkkv1 = 50,4m3/sLưu lượng không khí đầu vào cấp 1 Pkkr2 = 10,0barÁp suất không khí đầu ra cấp 2 Pkkv2 = 16,0barÁp suất không khí đầu vào cấp 2 Pkkr1 = 11,0barÁp suất không khí đầu ra cấp 1 Pkkv1 = 12,0barÁp suất không khí đầu vào cấp 1 Tkkr2 ≈ 336oCNhiệt độ không khí đầu ra cấp 2 Tkkv2 ≈ 25oCNhiệt độ không khí đầu vào cấp 2 SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MODUL BỘ SẤY KHÔNG KHÍ LOẠI HỒI NHIỆT Sơ đồ công nghệ chế tạo tấm trao đổi nhiệt Phôi thép cuộn Cắt phôi đạt bề rộng khai triển tấm Dập trong khuôn tạo biên dạng tấm trao đổi nhiệt Cắt đạt kích thước chiều dài tấm trao đổi nhiệt Cắt đạt kích thước chiều rộng tấm trao đổi nhiệt Cắt hoàn thiện và làm cùn cạnh sắc tấm trao đổi nhiệt Sơ đồ công nghệ chế tạo tấm ngăn Phôi thép tấm Cắt phôi đạt kích thước chiều dài Cắt phôi đạt kích thước chiều rộng Phân loại và kiểm tra sản phẩm Sơ đồ công nghệ chế tạo khung vỏ khối trao đổi nhiệt Phôi thép tròn Phôi thép tấm Phôi thép tấm Cắt phôi đạt kích thước chiều dài Sửa nguội, nắn thẳng Cắt phôi đạt kích thước chiều rộng Cắt pha phôi thành các thanh Cắt đạt kích thước chiều dài Sửa nguội, nắn phẳng Sửa nguội, nắn phẳng Gia công đạt kích thước thiết kế Uốn tạo hình chi tiết Lắp ráp tổ hợp khung vỏ khối trao đổi nhiệt Sơ đồ công nghệ lắp ráp tổ hợp khối trao đổi nhiệt Lắp ráp tổ hợp khung vỏ khối trao đổi nhiệt Lắp ráp các phần tử trao đổi nhiệt và tấm ngăn Lắp nắp chắn phía trên khối trao đổi nhiệt Hàn hoàn thiện khối trao đổi nhiệt ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ GIẢM THIỂU MỨC ĐỘ MÒN HỎNG CỦA THIẾT BỊ Tình trạng của hiện tượng rò rỉ thiết bị dẫn đến mòn hỏng thiết bị - Đầu vào của bộ sấy không khí là những nơi có nhiệt độ kim loại nhỏ nhất. Khi nhiệt độ tại những điểm này nhỏ hơn nhiệt độ bão hòa ở phần áp suất của một khí nào đó có trong khói thì khi ấy sẽ bị ngưng đọng lại trên ống và có thể gây nên ăn mòn ống. - Nhiệt độ cao nhất của vách ống mà chất khí trong dòng khói có thể ngưng đọng được nhiệt độ đọng sương hay điểm sương. Rõ ràng quá trình ăn mòn chỉ xẩy ra ở bề mặt đốt có nhiệt độ kim loại thấp hơn nhiệt độ điểm sương. - Khi đốt nhiên liệu, lưu huỳnh bị oxy hóa chủ yếu để tạo thành khí sunfurơ SO2 và chỉ có một lượng rất ít, khoảng 0,8-2,5% SO2 tạo thành SO3 do SO2 bị oxy hóa tiếp theo 2SO2 + O2 2SO3 + 2,96 kg/gmol - Chất xúc tác là sắt oxit ở nhiệt độ 425oC-625oC cũng có ảnh hưởng rất lớn đến việc oxy hóa SO2 thành SO3. Ngoài ra trong nhiên liệu còn có những chất ức chế có tác dụng kìm hãm quá trình tạo thành SO3. Chính vì vậy mà khi đốt những loại nhiên liệu khác nhau có cùng một lượng lưu huỳnh nhưng chưa chắc lượng SO3 tạo thành và do đó mức độ ăn mòn đã giống nhau. - Anhydrit sunfuric sẽ kết hợp với hơi nước để tạo thành hơi axit sunfuric H2SO4 SO3 + H2O H2SO4 - Trong khói ngoài H2SO4 còn có hơi nước, sự có mặt đồng thời của hai chất này đã làm cho nhiệt độ đọng sương tăng lên rất nhiều. Quá trình ngưng đọng của hơi axit sufuric sẽ xẩy ra khi giảm nhiệt độ của hỗn hợp hơi H2O và H2SO4 nghĩa là khi tiếp xúc với bề mặt ống lạnh. Như vậy nồng độ của dung dịch H2SO4 đóng trên mặt ống phụ thuộc vào nồng độ và phần áp suất của hỗn hợp H2O và H2SO4 trong khói. Nhiệt độ của vách ống trong cùng một bề mặt truyền nhiệt không giống nhau, do đó nồng độ dung dịch H2SO4 cũng không giống nhau trên mặt ống. Chính vì vậy mà cường độ ăn mòn xảy ra không đồng đều trên các ống của bề mặt truyền nhiệt. Giải pháp đề xuất - Giảm lượng lưu huỳnh có trong nhiên liệu tới mức tối thiểu đồng thời giảm lượng SO3 sinh ra trong khói; - Dùng vật liệu bền vững chịu được tác dụng ăn mòn của axit; - Nâng nhiệt độ vách ống tới mức cao hơn nhiệt độ đọng sương; Trong các biện pháp trên biện pháp giảm lượng lưu huỳnh có trong nhiên liệu chỉ có tác dụng đối với thành phần lưu huỳnh khoáng (có trong quặng pyrit FeS2) của nhiên liệu rắn. Đối với nhiên liệu khác và thành phần khác của lưu huỳnh trong nhiên liệu thì không giải quyết được. Vì vậy biện pháp này không thể coi là biện pháp duy nhất mà phải đi kèm các biện pháp khác. * Đối với lượng lưu huỳnh đã đưa vào trong buồng lửa, người ta tìm cách hạn chế việc tạo thành SO3 trong khói bằng các phương pháp sau: - Hạn chế tới mức tối thiểu lượng không khí thừa đưa vào buồng lửa, đồng thời nâng cao nhiệt độ buồng lửa (làm cho chiều thuận của phản ứng tạo thành SO3 khó xảy ra). Buồng lửa thải xỉ lỏng và buồng lửa đốt mazut có αbl=1,03-1,05 có rất ít SO3 tạo thành. - Dùng những chất mà khi đưa vào trong đường khói có tác dụng hấp thu SO3 hay trung hòa H2SO4 tạo thành trên ống. Những chất đo là manhêtit, dolomit, amoniac, trong đó dùng amoniac kinh tế hơn, sản phẩm tạo thành là amoni sunfat (NH4)2SO4 làm phân bón tốt. * Biện pháp dùng những vật liệu bền vững chống ăn mòn của axit H2SO4 gặp nhiều không khí do mỗi loại thép bị ăn mòn cực đại ở một nồng độ nào đó mà nồng độ này thì khác nhau ở các phần khác nhau của ống (do nhiệt độ của vách ống khác nhau). Bản thân thép không gỉ Cr-Ni cũng không hoàn toàn bền vững dưới tác dụng ăn mòn của axit H2SO4, mà giá thành vật tư lại đắt tiền. Ngoài ra người ta cũng sử dụng biện pháp tráng men ống và ống bằng thủy tinh cho bộ sấy không khí, song khi ấy cần bảo đảm lớp men không bị vỡ tại những chỗ ống nối với đĩa. * Biện pháp tăng nhiệt độ vách ống cao hơn nhiệt độ đọng sương là biện pháp được sử dụng rộng rãi nhất. Nhìn chung biện pháp tăng nhiệt độ không khí ở đầu vào có nhược điểm là làm tăng nhiệt độ khói thải, hiệu suất của lò hơi giảm đi. Tuy nhiên biện pháp này dùng tái tuần hoàn không khí đơn giản nên được sử dụng rất rộng rãi trong các nhà máy điện. Về mặt chống ăn mòn ở nhiệt độ thấp thì bộ sấy không khí loại hồi nhiệt đạt hiệu quả cao nhất. Nó được sử dụng rộng rãi khi đốt nhiên liệu nhiều lưu huỳnh, đặc biệt là mazut nhiều lưu huỳnh. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Đề tài : ‘‘Nghiên cứu, thiết kế chế tạo bộ sấy không khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lò hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện công suất tới 300MW ’’ là dạng đề tài nghiên cứu có tính ứng dụng thực tiễn cao. Việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy không khí phục vụ cho các nhà máy nhiệt điện sẽ góp phần thúc đẩy công cuộc CNH-HĐH đất nước, giúp các đơn vị chủ động sản xuất, tiết kiệm giá thành chế tạo, tiến tới nội địa hóa dần các thiết bị cơ khí lớn. * Đề tài đã hoàn thành đúng và đầy đủ các mục tiêu đã đề ra : - Nghiên cứu tổng quan về thiết bị bộ sấy không khí. - Đưa ra cơ sở lý thuyết, các tính toán truyền nhiệt trong bộ sấy không khí loại hồi nhiệt. - Bản vẽ kỹ thuật thiết kế môđun bộ sấy không khí. - Quy trình công nghệ chế tạo môđun bộ sấy không khí. - Giải pháp công nghệ đề xuất để giảm thiểu mức độ mòn hỏng trong điều kiện vận hành thực tế. - Sản phẩm của đề tài đã được chấp nhận và đưa vào lắp ráp vận hành tại Công ty Nhiệt điện Phả Lại. * Đề xuất của đề tài: Tại Việt Nam, Viện Nghiên cứu Cơ khí là đơn vị đầu tiên triển khai nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công modul bộ sấy không khí dạng quay và đưa vào vận hành thực tế. Với mong muốn được đóng góp hơn nữa vào sự phát triển của ngành cơ khí chế tạo, nhóm đề tài xin đề xuất một số ý kiến sau : - Tiếp tục cho phép đề tài nghiên cứu và phát triển toàn diện và sâu hơn về bộ sấy không khí. - Tạo điều kiện cho đề tài phát huy thế mạnh sau khi nghiên cứu thành công về công nghệ chế tạo các phần tử trao đổi nhiệt của bộ sấy không khí. MỘT SỐ HÌNH ẢNH CHẾ TẠO 01 MODUL BỘ SẤY KHÔNG KHÍ Khuôn dập tạo prôfin tấm lượn sóng Cắt pha thép tấm trước khi dập tạo prôfin tấm lượn sóng Tấm lượn sóng và prôfin sau khi dập Khung vỏ khối trao đổi nhiệt Đồ gá ép và hàn khối trao đổi nhiệt Môđun bộ sấy không khí sau khi hoàn thiện B¶n vÏ chung B¶n vÏ trao ®æi nhiÖt