Trng ủi hc Nụng nghip 1 Giỏo trỡnh K thut Lũ hi

1
bộ giáo dục và đào tạo
trờng đại học nông nghiệp i - hà nội

GS.TS. Phạm xuân vợng (Chủ biên)
PGS. TS. Nguyễn văn muốn

Giáo trình
Kỹ thuật lò hơi
Giáo trình chủ yếu nhằm phục vụ cho việc học tập của sinh viên ngành cơ khí
bảo quản, chế biến nông sản; các ngành cơ khí nông nghiệp và một số ngành có liên
quan. Tài liệu cũng có thể dùng tham khảo cho các kỹ s làm việc trong nông nghiệp.
Do thời gian và trình độ có hạn, không tránh đợc khỏi sai sót. Rất mong đợc
bạn đọc quan tâm và đóng góp ý kiến. Xin chân thành cảm ơn.

Các tác giả

Trng ủi hc Nụng nghip 1 Giỏo trỡnh K thut Lũ hi

3
Chơng I

Khái niệm về lò hơI 1. Nhiệm vụ, yêu cầu kĩ thụât, phân loại
1.1. Nhiệm vụ:
Nhiệm vụ của lò hơi là chuyển hoá năng lợng từ các dạng khác nhau khi bị đốt
cháy thành dạng năng lợng khác: nớc nóng, nớc bo hoà hoặc hơi quá nhiệt. Hơi quá
nhiệt là hơi ở nhiệt độ và áp suất cao.

chính; 12- van đờng nớc cấp; 13- van một chiều; 14- van xả; 15- ghi lò; 16- không
gian buồng lủa; 17- chỗ chứa tro; 18- cửa buồng đốt; 19- cửa thổi gió; 20- đờng khói
thải; 21- lớp lót tờng bảo ôn; 22- lớp cách nhiệt; 23- móng; 24- đờng khói thải đi
ngầm; 25- ống khói; 26- là chắn điều chỉnh khói.

Hình 1.2. Lò hơi ống lò a- Lò hơi một ống lò
1- ống lò hình sang; 2- buồng đốt; 3- đờng khói thứ hai;
4- đờng khói thứ 3; 5- bệ đỡ; 6- đôm hơi; 7- ống xả. Sơ đồ tuần hoàn của nớc trong lò hơi đốt ống lò b- Lò hơi hai ống lò1- bao hơi; 2- ống lò hình sóng
Trng ủi hc Nụng nghip 1 Giỏo trỡnh K thut Lũ hi

5
b/ Lò hơi ống lửa.
Loại lò hơi này ống lò thay bằng ống lửa với kích thớc nhỏ hơn (50ữ150 mm).
Khói sau khi qua ống lửa quay về đốt nóng bên ngoài lò. Loại lò hơi này có bề mặt
truyền nhiệt lớn hơn, nhng về mặt công suất và chất lợng hơi còn bị hạn chế.

Hình 1.3. Lò hơi ống lửa
1- bao hơi; 2- ống lò; 3- đôm hơi; 4- buồng đốt;
I, II, III- thứ tự các đờng khói
c/ Lò hơi ống nớc tuần hoàn.
Đối với loại lò hơi ống nớc nằm ngang, các ống nớc nghiêng nối với nhau
bằng hai hộp góp. Hai hộp góp này đợc nối với bao hơi đặt dọc (Hình 1.1).
Lò hơi ống nớc đứng.
Để tăng cờng độ tuần hoàn nớc trong lò, các ống nớc nghiêng chuyển thành
các ống nớc thẳng đứng. Hình 1.4 trình bày cấu tạo lò hơi ống nớc đặt thẳng đứng có
4 bao hơi (Lò Gacbe). Để cân bằng áp suất và mức nớc, giữa các bao hơi có ống liên
thông. Nớc đợc đa vào bao hơi 1, theo cụm ống sau để xuống bao hơi 2, sang bao hơi
Tiêu thụ Nớc
cung cấp
a) b) c)
Hình 1.7. Sơ đồ chuyển động của nớc, hỗn hợp hơi và hơi của liên hợp lò hơi.
a - Chu trình tuần hoàn tự nhiên b - Chu trình tuần hoàn cỡng bức bội số lớn c - Kiểu thẳng
Trng ủi hc Nụng nghip 1 Giỏo trỡnh K thut Lũ hi

8

2 . Cấu tạo chung và nguyên tắc làm việc của lò hơi.
2.1. Cấu tạo lò hơi.
ở đây giới thiệu ba loại thiết bị sinh hơi (lò hơi): lò đốt thủ công, lò hơi ghi xích
và lò hơi đốt phun.
a/ - Lò hơi đốt thủ công ghi cố định.
Đây là loại lò hơi đơn giản gồm các bộ phận chính: Trống (bao hơi) 1 chứa nớc
hơi và cũng là bề mặt truyền nhiệt; van hơi chính 2 để điều chỉnh lợng hơi cung cấp.

9

Hình 1.9. Sơ đồ lò hơi.
a/ Loại đốt than phun. b/ Lò hơi ghi xích.
Bảng 1.1. Các đặc tính của lò hơi
Sản lợng hơi
định mức, t/h
áp suất hơi
ra khỏi lò
MN/m
2
Nhiệt độ hơi

545 570
545 - 585
_
_
_
_
_
545 570
570
_
_
150
215
230
230
260

a)

b)

Trng ủi hc Nụng nghip 1 Giỏo trỡnh K thut Lũ hi

10
2.2. Nguyên tắc làm việc của lò hơi.
Không khí nóng cùng bột than phun vào buồng đốt qua vòi phun 5 và cháy,
truyền nhiệt cho các dàn ống bố trí xung quanh buồng đốt. Nớc trong ống đợc đốt
nóng, sôi và sinh hơi. Hỗn hợp hơi nớc sinh ra đợc đa lên bao hơi. Bao hơi dùng để
tách hơi ra khỏi nớc. Phần nớc cha bốc hơi có trong bao hơi đợc đa trở lại dàn ống,
qua các ống xuống bố trí ngoài tờng lò, có trọng lợng riêng lớn hơn hỗn hợp hơi nớc

hoà từ bao hơi tới bộ quá nhiệt; 15- bộ quá nhiệt cấp một; 16-bộ giảm ôn để điều chỉnh
nhiệt độ hơi quá nhiệt; 17- bộ quá nhiệt cấp hai; 18-cấp một của bộ sấy không khí; 19-
cấp hai của bộ sấy không khí; 20-đờng dẫn không khí vào buồng đốt; 21-đờng dẫn
không khí nóng tới máy nghiền; 22-tờng bảo ôn của lò; 23-buồng quặt để đổi chiều
dòng khói; 24-phần đờng khói đặt các bề mặt đốt đối lu; 25-giếng thải xỉ; 27-hút
không khí nóng từ đỉnh lò; 28-quạt gió; 29-khử bụi; 30-quạt khói; 31-ống khói.

Trng ủi hc Nụng nghip 1 Giỏo trỡnh K thut Lũ hi

11
2.3. Bộ quá nhiệt
Bộ quá nhiệt là thiết bị dùng để gia nhiệt hơi, từ trạng thái bo hoà ở áp suất
trong bao hơi tới trạng thái quá nhiệt quy định.
Trên các lò hơi kiểu cũ, bộ quá nhiệt thờng đặt sau dàn ống sinh hơi. Nhiệt độ
khói trớc bộ quá nhiệt thờng không quá 700
0
C, nhiệt độ hơi không tới 400
0
C. ở những
lò hơi hiện đại, bộ quá nhiệt thờng đặt ở vùng khói có nhiệt độ cao (trên 1000
0
C) để
nhiệt độ hơi đạt yêu cầu. Tuy nhiên, bộ quá nhiệt vẫn đặt sau cụm ống pheston (gọi là
bộ quá nhiệt đối lu).
a/ Sơ đồ cấu tạo bộ quá nhiệt.
Bộ quá nhiệt đối lu gồm những ống xoắn có đờng kính khoảng 28- 42mm, dầy
3 ữ 7mm. Những ống xoắn này có thể đặt nằm hay đứng phụ thuộc vào dòng khí chuyển
động. Bộ quá nhiệt có ống xoắn nằm ngang thờng dùng cho lò hơi nhỏ, ống nớc sinh
hơi nằm nghiêng.
Bộ quá nhiệt đặt đứng, bảo đảm đờng hơi cắt đờng khói nhiều lần.


Trng ủi hc Nụng nghip 1 Giỏo trỡnh K thut Lũ hi

13
Hình 1.15 Sơ đồ bộ quá nhiệt bức xạ đặt xen kẽ với dàn ống.
1- bao hơi; 2- dàn ống của bộ quá nhiệt bức xạ; 3- ống góp vào; 4- ống góp trung gian;
5- ống góp ra của bộ quá nhiệt bức xạ; 6- ống dàn của dàn ống sinh hơi;7- tờng bảo ôn
c/ Bộ quá nhiệt tổ hợp.
Bộ quá nhịêt tổ hợp có thể bao gồm: nửa bức xạ và đối lu, hoặc giữa cả ba phần:
đối lu, bức xạ, nửa bức xạ.
Trong các lò hơi hiện đại, lợng nhiệt hấp thụ đợc ở phần bức xạ và nửa bức xạ
có thể đạt tới 50% hoặc hơn so với tổng lợng nhiệt hấp thụ của bộ quá nhiệt.

Hình 1.16. Dạng sơ đồ nối bộ quá nhiệt tổ hợp.
a) bộ quá nhiệt đối lu- bức xạ; b) bức xạ- đối lu; c) đối lu- bức xạ- đối lu;
d) bức xạ- đối lu- bức xạ.
Dạng bố trí đối lu- bức xạ, dòng hơi đợc gia nhiệt ở phần đối lu trớc, gia
nhiệt cuối cùng ở phần bức xạ. Nhiệt độ hơi thấp nằm trong vùng khói có nhiệt độ thấp,
nên không cần kim loại chế tạo có chất lợng cao. Tuy nhiên phần bức xạ làm việc trong
điều kiện nặng nề, do đó sơ đồ này ít đợc dùng.
Dạng bố trí bức xạ- đối lu, độ chênh nhiệt độ trong vùng đối lu bị giảm, cần
tăng bề mặt truyền nhiệt.
Dạng đối lu- bức xạ- đối lu, có bề mặt truyền nhiệt lớn hơn ở sơ đồ a và nhỏ
hơn ở sơ đồ b.
Dạng bức xạ- đối lu- bức xạ, phần đi ra của bộ quá nhiệt làm việc nặng nề, do
đó ít đợc sử dụng.
d/ Điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt bằng nớc ngng hơi bo hoà (Hình 1.17)
Hơi bo hoà đợc ngng lại trong bình ngng nhờ sự làm lạnh của nguồn nớc
cấp lấy từ sau bộ hâm nớc. Nớc ngng trong bình ngng đợc phun vào bộ giảm ôn
hỗn hợp nhờ chênh lệch áp suất. Sơ đồ này đơn giản, không cần thêm bơm và đờng

1- ống xoắn; 2- đai đỡ; 3- chỗ hàn.

Hình 1.20. Sơ đồ sắp xếp ống xoắn bộ hâm nớc trong đờng khói
a) các ống xoắn nằm trong mặt phẳng vuông góc với ngực lò; b, c) song song với
ngực lò; b) có hai dòng nớc; c) có một dòng nớc.
Bộ hâm nớc bằng gang bao gồm các ống gang đúc, đờng kính trong từ
76ữ20mm, dài 1,5 ữ 2m. Các ống nối tiếp với nhau bằng cút nối. Về nguyên tắc bộ hâm
nớc bằng gang cũng chỉ gồm một ống xoắn theo dạng không gian. Hình 1.21. Bộ hâm nớc bằng gang.
a) dạng không gian của bộ hâm nớc bằng gang; b) ống bằng gang có cánh.
1. ống gang có cánh; 2- cút nối.
Trng ủi hc Nụng nghip 1 Giỏo trỡnh K thut Lũ hi

16
Theo quy phạm cấu tạo và vận hành an toàn lò hơi, nớc ra khỏi bộ hâm nớc
bằng gang có nhiệt độ nhỏ hơn 40
0
C.
2.5. Bộ sấy không khí
Theo nguyên tắc truyền nhiệt, bộ sấy không khí chia ra: loại thu nhiệt vàloại hồi
nhiệt. Loại thu nhiệt, nhiệt truyền trực tiếp từ khói nóng vào không khí qua vách kim
loại. Loại hồi nhiệt, đầu tiên khói đốt nóng kim loại, tích tụ nhiệt tại đây, sau đó truyền
nhiệt cho không khí.
Bộ sấy không khí kiểu ống (thu nhiêt) đợc dùng phổ biến. Nó bao gồm hệ thống
ống đứng so le và giữ với nhau nhờ 2 mặt sàng, khói đi trong ống, không khí đi ngoài
ống.
Các bon là thành phần cháy chủ yếu trong nhiên liệu. Nhiệt trị của các bon
khoảng 34150 KJ/Kg. Lợng cácbon trong nhiên liệu càng cao thì nhiệt trị của nó càng
cao.
Hyđrô là thành phần cháy quan trọng của nhiên liệu. Nhiệt trị khoảng 144500
KJ/Kg. Lợng hyđrô trong nhiên liệu rất ít.
Lu huỳnh là thành phần cháy trong nhiên liệu. Trong than lu huỳnh tồn tại
dới ba dạng: Dạng liên kết hữu cơ, khoáng chất và dạng liên kết sunfat. Hai dạng đầu
có thể tham gia quá trình cháy. Dạng thứ ba (lu huỳnh sunfat) không tham gia quá
trình cháy mà chuyển thành tro của nhiên liệu. Nhiệt trị của lu huỳnh khoảng 1/3 nhiệt
trị của cácbon. Khi cháy, lu huỳnh tạo thành khí SO
2
hoặc SO
3
. Khí SO
3
gặp hơi nớc
tạo thành axít H
2
SO
4
. Khí SO
2
thải ra ngoài là khí độc, do đó lu huỳnh là thành phần có
hại của nhiên liệu. Bảng 1.4 là bảng thành phần của một số loại nhiên liệu rắn.
Bảng 1.2:
Thành phần các loại khí thiên nhiên và nhân tạo ở trạng thái khô (% theo thể tích).
Nhiên liệu CH
4
C
m

5,9
_
1,0
_
_
1,3
13,5
8,4
3,2
_
_
54,5
53,5
_
_
5,7
36,4
36.000
34.000
17.000
10.700
3.2. Sự cháy của nhiên liệu
Cháy là phản ứng hoá học giữa các thành phần cháy đợc có trong nhiênliệu với
ôxy chứa trong không khí. Trớc khi bắt đầu cháy, nhiên liệu phải đạt tới nhiệt độ bắt
lửa: than đá là 400 ữ 500
0
C, than nâu là 250 ữ 450
0
C, gỗ 300
0

2

Gỗ (khô, để nơi ẩm thấp) 20 15,5 3703
3

Gỗ khô 15 16,6 3965
4

Gỗ thật khô 0 20 4778
5

Than củi 5 29 6928
6

B mía (với độ ẩm cao) 50 8,2 1960
7

B mía (khô)

13 16,2 3870
8

Vỏ cà phê (khô) 12 16,0 3823
9

Vỏ trấu (khô) 9 14,4 2440
10

Vỏ lúa mì 12 15,2 3631
11

20

Vỏ hạt điều
11ữ12 24,0ữ25,0
5056
21

Vỏ quả dứa
16ữ18
_ _
Nguồn: Biomass fuels various modernon traclition a fules FEA, 1977.
Trng ủi hc Nụng nghip 1 Giỏo trỡnh K thut Lũ hi

19
Khi nhiên liệu cháy hoàn toàn, hyđrô tự do kết hợp trực tiếp với cácbon cho ta
hyđrôcácbua nhẹ (CH
2
) hoặc nặng (C
2
H
4
). Hai khí này dễ dàng bắt lửa và cháy với ôxy
của khí cháy cho ta khí CO
2
và hơi nớc.
Khi nhiên liệu cháy không hoàn toàn, khí cha cháy và khói thải từ lò hơi là
ôxítcácbon (CO) và hyđrôcácbua. Nghiên cứu khí xả cho phép đánh giá chất lợng của
sự cháy. Muốn cháy hoàn toàn, cần phải cung cấp một lợng không khí lớn, có nghĩa là
lợng ôxy lớn. Hỗn hợp giữa không khí và nhiên liệu rất khó hoàn hảo, vì thế cần phải
cấp thừa một lợng không khí cao hơn lý thuyết. Ngời ta gọi là độ thừa không khí.

Nh thế, để đốt cháy hoàn toàn 1 kg C cần 2,67kg O
2
và tạo thành 3,67kg CO
2
.
Ta biết khối lợng riêng của ôxy
o
2
= 1,428 kg/m
3
tc, của khí cácbônic là =
1,964kg/m
3
tc. Thay vào phơng trình trên (1) ta có:
1kgC + 1,866m
3
tcO
2
= 1,866m
3
tcCO
2

Phơng trình cháy cácbon không hoàn toàn :

C +
2
1
O
2

2
O (2)
S + O
2
= SO
2

1kg S + 0,7m
3
tcO
2
= 0,7m
3
tc

SO
2

Đối với nhiên liệu khí đơn vị đo lờng là m
3
tc.
H
2
+
2
1
O
2
= H
2

O
Đối với nhiên liệu khí đơn vị đo lờng là m
3
tc.
Trng ủi hc Nụng nghip 1 Giỏo trỡnh K thut Lũ hi

20
H
2
+
2
1
O
2
= H
2
O (1.4)
22,4 m
3
tc

H
2
+ 11,2m
3
tcO
2
= 22,4m
3
tc

+
N
2
(1)S

H
2
O

S

Nhiệt trị
thấp
Kcal/Kg
(2)

A
1

(2)

G
1

(2)

G

8,11
18,5
Bánh than 8,2 4,2 3,7 1,2

1,7 7,2 7750 8,44

8,23 0,49

8,72
18,6
Than cốc 84 0,8 3,4 1 1,8 9 7000 7,72

7,7 0,11

7,81
20,35
Than nâu thô

23,06

1,87

12,07 1 59,28

2,72

1940 2,24

2,16 0,45


Dầu = 0,87

83,5 14 2,5 0,5

16 1,5 10000 11,1
7
10,41

1,57

11,98
15,00
Hắc ín =
1,05
89 7 2,8 0,2

0,2 0,1 8875 9,8 9,46 0,79

10,25
17,50

Nhận xét: Thành phần các chất này rất biến động, đặc biệt khí lò cao và khí ga. Khí tự
nhiên thành phần chính là mêtan (CH
4
).
Đối với CO ta có :
CO +
2
1
O

3
tc

O
2
= 1m
3
tc

SO
2

Với mêtan (CH
4
)
CH
4
+ 2O
2
= CO
2
+ 2H
2
O (1.7)
1m
3
tc

CH
4



+
4
n
m
O
2
= mCO
2
+
2
n
H
2
O (1.8)
1m
3
tcC
m
H
n
+






+

2
O (1.9)
1m
3
tcH
2
S +
2
3
m
3
tcO
2
= 1m
3
tcSO
2
+ 1m
3
tcH
2
O
3.3. Thể tích không khí lý thuyết cần cho quá trình cháy
Căn cứ vào các phơng trình cháy ở trên, ta có thể xác định đợc lợng ôxy cần
thiết cho quá trình cháy:



C S H O
V V

= = + +

ì

(1.11)
Hoặc

(
)
[
]
lvlvlvlv
kk
OHSCV ++= 0333,0265,0375,00889,0
m
3
tc/Kg.
Đối với nhiên liệu khí:










2 2 2 4
1
0,5 0,5 2
79
1
21 100
O CO H CH
RO O H CH
=
+ +


(1.13)
Nhiên liệu rắn:
1
t
kk
kk
V
V
= >2
2 2
0,79 1
0,5
79
0,79
1

V
KKhô
= (V
co
2
+
V
so
2
+
V
N
2
) m
3
tc /Kg.
Khi phân tích khói CO
2
và SO
2
thờng đợc xác định chung, nên ký hiệu chúng bằng
RO
2
.
V
RO
2

= V
co

N
N


, (

N
2
là khối lợng riêng của nitơ =
1,251 Kg/ m
3
tc)
Thể tích lý thuyết của nitơ trong khói là: 2
1
0,79
100 1,251
lv
N kk
N
V V

= + m
3
tc /kg (1.15)

2
0,112 0,124 0,0161 1,24
lv lv
H O KK
V H W V G
= + + +
(m
3
tc)/kg; (1.17)

Trong đó G là lu lợng nớc để phun mazút thành bụi (0,3
ữ
0,35 kg hơi nớc/kg
mazút).
Đối với nhiên liệu khí, thể tích lý thuyết các sản phẩm cháy:

(
)
(
)
2
2 4 2
0,01
RO m n
V CO CO CH H S C H= + + + +

(1.18)

2
2

H
n
, H
2
, N
2
tính theo phần trăm so với thể tích các khí
trong nhiên liệu;
d độ ẩm của nhiên liệu khí (g/ m
3
tc).
Thể tích hơi nớc thực tế
(
)
2 2
0,79 1
t
H O H O kk
V V V

= +
(1.21)

2
0,112 0,0124 1,24 0,0161
t lv lv
H O kk
V H W G V

= + + +

I
kk
= V
kk
.C
kk
.t

2
H O
I

- entalpi của phần hơi ẩm do không khí đa vào

(
)
2 2
0,0161 1
H O kk H O
I V C t


=
(1.24)
Trng ủi hc Nụng nghip 1 Giỏo trỡnh K thut Lũ hi

24
I
tro
Entalpi của tro:

(C.t)

co
2
,
kJ/ m
3
tc
(C.t)
N
2
,
kJ /m
3
tc
(C.t)
H
2
0
,
kJ / m
3
tc
(C.t)
r
,
kJ/ kg
100 129,95 170,03 129,58 151,02 81,0
200 261,24 357,46 259,92 304,46 169,8
300 394,89 558,81 392,01 462,72 264

Trng ủi hc Nụng nghip 1 Giỏo trỡnh K thut Lũ hi

25
4. Phơng trình cân bằng nhiệt và hiệu suất thiết bị
4.1. Phơng trình cân bằng nhiệt
Quan hệ giữa lợng nhiệt thu vào và lợng nhiệt chi phí gọi là sự cân băng nhiệt.
Trong tính toán nhiệt, sự cân bằng nhiệt sử dụng các số liệu định mức để xác định chi
phí giờ tính toán của nhiên liệu đối với liên hợp lò hơi thiết kế.
Lợng nhiệt sinh ra khi đốt cháy nhiên liệu gồm hai phần: Phần hữu ích và phần
tổn thất. Phần hữu ích sử dụng để đốt nóng nớc sinh thành hơi với các thông số đ
cho.Phần tổn thất là phần mất đi trong quá trình làm việc của lò. ứng với 1 kg nhiên liệu
rắn, lỏng hoặc 1Nm
3
nhiên liệu khí cháy trong lò ở điều kiện ổn định, ta có phơng trình
cân bằng nhiệt tổng quát:
Q
cc
= Q
1
+ Q
2
+ Q
3
+ Q
4
+ Q
5
+ Q
6
(kJ/kg) (1.26)

Q
Q
Q
Q
Q
Q
Q
Q
Q
% (1.27)
+ Lợng nhiệt cung cấp:

Q
cc
= Q
t
lv
+ Q
nl
+ Q
kk
n
+ Q
P
(kJ/kg) , (kJ/ m
3
tc) (1.28)
ở đây:
Q
t

+
(kJ/kg
0
C)
Trong đó: