CÁC PHƯƠNG PHÁP THU HỒI NHIỆT THẢI LÒ HƠI
I. Nguyên lý làm việc của lò hơi
Lò hơi dùng nhiệt lượng sinh ra của nhiên liệu, biến thành nhiệt năng của hơi nước. Hơi này
được cung cấp cho các quá tr
ình công nghiệp như gia nhiệt cho không khí để sấy, rửa thiết bị, cung cấp
nhiệt trong các nhà máy dệt, đường, hóa chất, rượu bia, nước giải khát… trong trường hợp này hơi sử
dụng là hơi bão hòa. Ngoài ra, các nhà máy nhiệt điện dùng tuabin hơi để chạy máy phát điện thì hơi
được sử dụng là hơi quá nhiệt.
II. Các loại nhiệt thải
Trong quá trình hoạt động, ở lò hơi có các nguồn nhiệt lượng như sau: nhiệt lượng của ngọn
lửa khi đốt cháy nhiên liệu, nhiệt lượng của khói, nhiệt lượng của nước và hơi nước và ngoài ra còn có
nhi
ệt lượng do xỉ nóng chảy.
Ngọn lửa của nhiên liệu nằm hoàn toàn trong lò hơi, hơi nước sẽ được đưa đến các quá trình
công ngh
ệ hoặc tuabin; như vậy nhìn chung ngọn lửa và hơi nước không mang nhiệt lượng ra môi
trường b
ên ngoài (dĩ nhiên là vẫn có một phần tổn thất ra bên ngoài, nhưng đó là chỉ là tổn thấy chứ
không phải một nguồn nhiệt thải). Do đó, ở lò hơi có các nguồn nhiệt thải sau:
- Khói
- N
ước tuy nằm trong bao hơi không thải nhiệt ra ngoài nhưng do trong quá trình hoạt
động, để xả bỏ cáu cặn tích tụ lại người ta vẫn phải xả một lượng nước nhất định ra
ngoài
-
Ở những lò thải xỉ lỏng thì cũng có nhiệt xỉ thải ra ngoài.
Các ngu
ồn nhiệt thải này đều có nhiệt độ cao, nếu không được tận dụng lại sẽ gây sự lãng phí
r
ất lớn. Sau đây ta sẽ đi vào phân tích nhiệt thải của từng loại.
1- Khói thải:

Với i
1
: entanpi của hơi bão hòa ở áp suất 10 bar
i
2
: entanpi của nước ở áp suất 10 bar ứng với nhiệt độ 30
0
C
Nhiệt trị thấp của nhiên liệu là:
Giả sử hiệu suất nhiệt là 100%, ta thấy lượng tiêu hao nhiên liệu là:
Nếu như nước cấp được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi, thì nhiệt lượng để sinh hơi bão hòa
là:
Với : entanpi của nước ở áp suất 10 bar ứng với nhiệt độ sôi
Lượng tiêu hao nhiên liệu ở trường hợp này là:
Như vậy ta đã tiết kiệm được một lượng nhiên liệu
Từ đồ thị ta thấy, khi nước được hâm nóng, thì nhiệt lượng cần thiết để cung cấp cho
quá trình sinh hơi sẽ giảm và lượng tiêu hao nhiên liệu cũng giảm, trong trường hợp này ta đã tiết kiệm
được 24,34% nhi
ên liệu.
Một phần tử khác cần được gia nhiệt trong lò hơi là không khí. Như ta đã biết, không khí đưa
vào buồng lửa để cung cấp oxi cho quá trình cháy. Không khí thường được lấy ở môi trường bên ngoài
có nhi
ệt độ khoảng 30
0
C, nếu đưa không khí này vào buồng lửa thì sẽ hấp thu một phần nhiệt lượng do
nhiên liệu cháy sinh ra. Do đó việc sấy không khí để tăng thêm nhiệt lượng đưa vào buồng lửa sẽ làm
tăng thêm nhiệt lượng hữu ích để sinh hơi. Giả sử ta dùng dầu để gia nhiệt không khí:
Ở l
ò phun, nhiệt độ không khí đưa vào buồng lửa khoảng 250
0

Từ các ví dụ trên ta thấy nhiệt lượng của khói thải nếu được tận dụng để hâm nước cấp, sấy
không khí, hâm dầu… thì sẽ tiết kiệm được một chi phí rất lớn. Vì lý do đó mà ngày nay người ta
thường lắp đặt các bộ trao đổi nhiệt phía sau l
ò, ở đường khói thải để gia nhiệt cho nước, không khí
cũng như dầu (thường gọi là bộ hâm nước, bộ sấy không khí và bộ hâm dầu). Tùy thuộc vào từng loại
lò mà có thể có hoặc không có 1 trong 3 phần tử kể trên. Ngoài ra, đối với những lò có công suất lớn
thì nhiệt thải khói có thể lên đến rất cao, tuy đã tận dụng nhưng vẫn còn một nguồn nhiệt lượng khá
lớn, do đó người ta sẽ tìm cách để tận dụng nguồn nhiệt lượng này để đun nước sinh hoạt cho các xí
nghiệp hoặc hộ tiêu dùng hay trong vấn đề về tiết kiệm năng lượng thì dùng nhiệt do khói thải này dể
chạy các máy lạnh hấp thụ.
Theo sơ đồ ta thấy, khi cấp nhiệt cho bình phát sinh thì NH
3
trong hỗn hợp dung dịch gồm NH
3
– H
2
O sẽ bốc hơi (do ở cùng điều kiện áp suất thì NH3 có nhiệt độ bay hơi thấp hơn H
2
O). NH
3
bay
lên còn n
ước sẽ đi xuống dưới. Hơi NH
3
tiếp tục đi vào bình ngưng và được ngưng tụ thành lỏng nhờ
nước làm mát, sau đó NH
3
lỏng đi qua van tiết lưu để giảm áp suất và đi vào bình bốc hơi. Ở đây nó sẽ
nhận nhiệt từ chất cần làm lạnh (ở đây ví dụ là nước) và bốc hơi rồi đi qua bình hấp thụ. Tại bình hấp
thụ, NH

àm thêm cánh ở bên ngoài (vì khói có hệ số tỏa nhiệt
đối lưu α bé hơn nước) để tăng cường hệ số trao đổi nhiệt
.
Do gang có tính đúc cao hơn thép nên việc làm cánh đối với
gang dễ hơn thép nhiều. Tuy nhiên, ngày nay do công nghệ
chế tạo đã phát triển nên việc làm cánh đối với thép không
còn khó khăn như trước nữa.
b. Bộ sấy không khí:
Cũng là một thiết bị trao đổi nhiệt. Theo nguyên tắc truyền nhiệt, bộ sấy không khí được
chia làm hai loại: loại thu nhiệt và loại hồi nhiệt.
Nước vào
Nước ra
Thu nhiệt: nhiệt truyền trực tiếp từ khói tới không khí qua vách kim loại (ở đây là các ống
dẫn). Bộ sấy không khí kiểu thu nhiệt được dùng rộng rãi nhất
hiện nay. Nó cũng có dạng của một bộ trao đổi nhiệt loại chùm
ống trong đó khói đi trong ống còn không khí đi bên ngoài ống.
Người chế tạo hệ thống ống đứng đặt so le và được giữ với nhau
bởi hai mặt sàng thành một cụm. Khi lắp lò, các cụm này được
lắp với nhau thành bộ sấy không khí.
Một cụm của bộ sấy không khí
Có nhiều cách để bố trí đường đi của khói và không khí:
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, dễ dàng thổi sạch
- Khắc phục hiện tượng lọt không khí vào trong đường khói
- Xuất tiêu hao kim loại tương đối bé
Khuyết điểm: chủ yếu là ống thép không bền vững dưới tác dụng ăn mòn của khói ở nhiệt độ
cao và mài mòn bởi tro bay. Bộ sấy không khí bằng ống thép được dùng để gia nhiệt không khí tới
khoảng 400
0

5
= 1% - q
6
= 0%
H
ệ số không khí thừa: α = 1,2
Khi không tận dụng khói thải:
Giả sử nhiệt độ khói ra khỏi buồng lửa là 1100
0
C, nếu không tận dụng nhiệt thải này thì
T
ổn thất nhiệt do khói thải ra ngoài
Q
2
= (I
1
– I
kkl
)(1-q
4
/100)
V
ới I
1
= I
RO2
+ I
N2
+ I
H2O

.c
kkl
.t
kkl
Với nhiệt độ khói thải là 1100
0
C và nhiệt độ không khí lạnh là 30
0
C, ta tính được:
Q
2
= (I
1
– I
kkl
)(1-q
4
/100) = 21664,002 kJ/kg
Nhi
ệt lượng đưa vào buồng lửa
Q
đv
= Q
t
+ Q
nl
+ Q
kkn
+ Q
p

Giả sử nước cấp được gia nhiệt đến trạng thái lỏng sôi ở áp suất 10 bar
Tổn thất nhiệt do khói thải ra ngoài
Q
2
= (I
2
– 477,968)
Nhi
ệt lượng đưa vào buồng lửa
Q
đv
= 39002,9 kJ/kg
Phương trình cân bằng nhiệt
Q
knr
= Q
nnv
φB(I
1
– I
2
) = D(i’ – i
nc
)
(1-q
5
/100)B(I
1
– I
2

3
– I
kkl
)
Nhi
ệt lượng đưa vào buồng lửa
Q
đv
= Q
t
+ Q
kkn
Phương trình cân bằng nhiệt
Q
knr
= Q
kknv
φB(I
2
– I
3
) = α.B.V
kk
(I
kkn
– I
kkl
)
Ta tính được các giá trị:
I

= Q
t
+ Q
kkn
+ Q
nl
Phương trình cân bằng nhiệt
Q
knr
= Q
nlnv
φB(I
3
– I
4
) = B. (C
nl2
t
2
– C
nl1
t
1
)
Ta tính được các giá trị:
I
4
= 8518,397 kJ/kg Q
2
= 8040,412 kJ/kg

= 6,92 %
η = 89,08 %
Nhi
ệt lượng đưa vào buồng lửa
Q
đv
= Q
t
+ Q
kkn
+ Q
nl
Phương trình cân bằng nhiệt
Ta tính được:
B = 0,139 kg/s q
th
= 40,58 %
Lượng nước tận dụng nhiệt
Q
knr
= Q
nnv
φB(I
4
– I
5
) = G.c
p
(t
n2

ểm. Do đó, cần có biện pháp cách ly lượng hơi này với môi trường bên ngoài. Bên cạnh
đó, lượng hơi này cụng có nhiệt lượng đáng kể
nên cũng cần có biện pháp thu hồi lại nguồn
nhiệt thải này.
Lượng nước xả lò hóa hơi (Flash steam) được tính qua phương trình cân bằng nhiệt sau
(giả sử như nước được xả vào môi trường có áp suất 1,2 bar):
i’
10
.D
x
= x.D
x
.i’’
1,2
+ (1 – x)D
x
.i’
1,2
Trong đó:
i’
10
là entanpi của nước ở trạng thái lỏng sôi ứng với áp suất 10 bar
i’’
1,2
là entanpi của hơi bão hòa ở áp suất 1,2 bar
i’
1,2
là entanpi của nước ở trạng thái lỏng sôi ứng với áp suất 1,2 bar
x là tỷ lệ nước hóa hơi
Từ đó, ta tính được x = 14,41%

– i
30-1 bar
) = 22,35 kW
T
ổng nhiệt lượng thu hồi = 32,22 + 22,35 = 54,57 kW
Lượng nhiệt thu hồi được chiếm khoảng 86% lượng nhiệt nước xả l
ò
Sơ đồ xả lò ở trên hoạt động hiệu quả khi nước cấp luôn được bơm cùng thời gian khi có xả lò.
Tuy nhiên do x
ả lò không phải lúc nào cũng thực hiện, còn nước cấp thì cần cấp liên tục. Do đó người
ta sử dụng sơ đồ sau:
Lúc này, khi có nước xả lò thì cảm biến nhiệt độ sẽ đưa tín hiệu để mở bơm tuần hoàn
đưa nước tuần hoàn nhận nhiệt từ nước xả ngưng và nhả nhiệt cho nước cấp trong bồn.
3- Nước ngưng:
Nước ngưng là hơi nước ngưng tụ sau khi qua các thiết bị công nghiệp hoặc ở bình ngưng trong
nhà máy nhiệt điện. Hơi nước ngưng tụ từ các thiết bị công nghiệp thường có nhiệt độ cao (ứng với
nhiệt độ sôi ở áp suất tương ứng)
Lượng nước ngưng này hoặc được đưa trở lại lò hơi để tiếp tục sinh hơi, hoặc tiếp tục qua các
bộ trao đổi nhiệt để tận dụng nhiệt lượng của nó. Điều này sẽ làm giảm nhiệt độ nước cấp cho lò hơi
nhưng như đ
ã trình bày ở trên, ta hoàn toàn có thế dùng khói để gia nhiệt lại cho nước cấp. Do đó, tùy
thu
ộc vào điều kiện cụ thể mà nên có những phương pháp thích hợp.
Ngược lại, nước ngưng từ b
ình ngưng ở nhà máy nhiệt điện có nhiệt độ khá thấp (32
0
C ứng với
áp suất ngưng tụ 0,05 bar). Do đó, lượng nước ngưng này khó có thể tận dụng được nhưng nhiệt lượng
của nó là đáng kể. Vì vậy hiện nay người ta kết hợp cả chu trình cấp điện và cấp nhiệt, khi đó hơi nước
sẽ giãn nở xuống áp suất cao hơn áp suất khí quyển, do đó nhiệt độ nước ngưng cũng sẽ cao hơn và

pháp này được
Sumitomo Metals Industries tìm ra vào thập kỷ 80 nhưng do những khó khăn về vật
liệu mà đến gần đây mới áp dụng được. Xỉ lỏng sau khi thải ra được đưa vào một máng dẫn rót vào
m
ột đĩa đang quay với tốc độ cao, nhờ lực ly tâm xỉ lỏng sẽ bắn ra chung quanh dưới dạng các hạt nhỏ
đồng thời nó trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh (ở đây có thế không khí
). Kết quả là các hạt xỉ
sẽ nguội dần đồng thời không khí sẽ nóng lên, như vậy ta vừa tận thu được xỉ hạt và đồng thời gia
nhiệt cho không khí.
Cách kết hạt xỉ khô hoàn toàn khắc phục được những nhược điểm của kết hạt ướt đã kể trên.
Tuy nguyên lý c
ủa nó đã sớm được tìm ra nhưng mãi cho đến thời gian gần đây mới áp dụng được. Do
trong quá khứ người ta vẫn chưa tìm được kim loại có thể hoạt động bền dưới tốc độ cao và nhiệt độ
cao của xỉ.
Có 2 cách để kết hạt xỉ theo phương pháp này: theo đĩa quay hoặc theo trống quay
Dưới đây là hình ảnh thực tế của một đĩa kim loại với các hạt xỉ bắn ra nhờ lực ly tâm.
Kết hạt bằng trống quay