1
Phần A: NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ CẤU TẠO LÒ HƠI TẦNG SÔI TUẦN
HOÀN CFBB
CHƯƠNG I: NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ ĐẶC TÍNH LÒ HƠI TẦNG SÔI
I. Nguyên Lý Và Đặc Tính Cháy Tầng Sôi:
1 . Nguyên Lý Cháy Tầng Sôi:
Nguyên liệu van cháy trong lò hơi được chia làm 3 trạng thái: Trạng thái tĩnh, trạng
thái sôi, trạng thái chuyển tải theo dòng khí. Quá trình cháy của nhiên liệu, là quá
trình tương tác giữa nhiên liệu và không khí dưới điều kiện nhiệt độ nhất định, tính
trạng tác dụng của không khí đối với nhiên liệu quyết định trạng thái cháy. Khi lực
tác dụng F của không khí nhỏ hơn trọng lực G của hạt nhiên liệu, nhiên liệu ở trạng
thái tĩnh, như hình vẽ 2.1(a). Thí dụ ở lò ghi xích, khi gió cấp1 đi qua ghi xích để
tiếp tục với than, do tốc độ gió thấp, lực tác dụng của gió lên than nhỏ hơn trọng
lượng của than, gió chỉ có thể đi qua kẽ hở của lớp than trên mặt ghi, trong suốt quá
trình cháy than trên ghi tĩnh tại. Khi lực tác dụng F của không khí bằng trọng lượng
hạt nhiên liệu, hạt nhiên liệu sẽ được đẩy lên theo chiều tác dụng của không khí
chuyển động lên độ cao nhất định, như hình vẽ 2.1(b). Thí dụ như ở lò hơi tầng sôi,
khi gió cấp1 thổi qua các lỗ nhỏ của mũ gió trên sàn phân phối gió, do tốc độ dòng
khí nhanh, có lực tác dụng F bằng trọng lượng G của hạt nhiên liệu trên sàn phân
phối gió, không khí sẽ đẩy hạt nhiên liệu rời khỏi mũ gió, nếu trọng lượng hạt không
thay đổi và lực tác dụng của không khí lên nhiên liệu không thay đổi, khí hạt nhiên
liệu sẽ lơ lửng ở độ cao nhất định không chuyển dịch lên trên hoặc xuống dưới. Khi
lực tác dụng nhỏ hơn trọng lượng hạt, hạt nhiên liệu sẽ rơi xuống. Do các hạt trên
sàn phân phối gió ở lò tầng sôi chịu lực tác dụng thay đổi của gió cấp1 một cách
liên tục, nên nhiên liệu dưới tác dụng lực đẩy gió cấp1 chuyển động lên xuống không
ngừng, tạo thành trạng thái cháy sôi. Khi lực tác dụng F của không khí, ở dạng
chuyển tải khí như hình vẽ 2.1(c). Thí dụ trong lò hơi tầng sôi có một bộ phận hạt
nhỏ bị không khí mang theo trở thành các hạt tự do trong không gian của phần trên
buồng lửa.
Cơ chế hình thành tầng sôi. Hạt nhiên liệu có hình thành chuyển động sôi trong lò
nguyên nhân chủ yếu là sự thay đổi quan hệ cân bằng giữa lực đẩy F của không khí
và trọng lượng hạt nhiên liệu. Độ lớn lực tác dụng F tỷ lệ thuận với vận tốc W của
dòng khí. Tốc độ W nhanh lực tác dụng F càng lớn, tốc độ W càng chậm, lực tác
dụng F càng nhỏ. Đồng thời lực tác dụng F còn tỷ lệ thuận với diện tích chịu tác
dụng của vật thể. Diện tích chịu tác dụng càng lớn, lực tác dụng sẽ càng lớn, diện
tích chịu tác dụng càng nhỏ, lực tác dụng sẽ càng nhỏ. Do dòng khí được thổi từ các
lỗ nhỏ của mũ gió trên sàn phân phối gió qua tầng sôi đến phần sau buồng lửa, diện
tích tiết diện của dòng khí thay đổi tăng dần, tốc độ giảm dần, lực tác dụng F của
dòng khí cũng giảm theo. Ngoài ra, tình trạng bề mặt hạt nhiên liệu không như nhau,
như ở hình 2.2. Khi diện tích tiếp xúc giữa không khí và bề mặt hạt nhiên liệu lớn,
lực tác dụng sẽ lớn, khi diện tích tiếp xúc nhỏ, lực tác dụng sẽ nhỏ. Khi hạt chuyển
2
động trong tầng, do mật độ tầng lớn, giữa các hạt xảy ra va đập lẫn nhau, làm cho
phương chuyển động và bề mặt chịu lực thay đổi, cho nên các hạt nhiên liệu chịu
lực tác dụng cũng thay đổi tương ứng theo. Chiều chuyển động của dòng khí trong
tầng sôi luôn hướng lên theo hướng phương thẳng đứng. Khi lực tác dụng lớn hơn
trọng lượng hạt, hạt chuyển động lên trên, mà trọng lực của hạt hướng xuống theo
phương thẳng đứng. Như vậy khi trọng lượng hạt lớn hơn lực tác dụng của dòng
khí, hạt chuyển động xuống dưới. Như vậy tạo thành trạng thái sôi của quá trình
cháy trong lò hơi tầng sôi. Dòng khí chuyển động trong buồng lửa gây nên hiệu ứng
biên, cũng là một nhân tố chuyển động sôi của vật liệu trong tầng sôi, nghĩa là ở
vùng tâm tầng sôi, tốc độ dòng khí nhanh, vật liệu chuyển động lên trên ở vùng
trung tâm, tốc độ sát bốn vách xung quanh chậm lại, vật liệu theo dọc theo vách rơi
xuống trở về tầng sôi, tạo thành chuyển động sôi tuần hoàn trong lò.
2. Đặc Tính Cháy Tầng Sôi:
2.1 . Mang đặc tính cơ bản của thể lỏng:
Khi nhiên liệu cháy trong lò hơi tầng sôi, hỗn hợp tạo bởi hạt rắn và dòng khí mang
đặc tính của thể lỏng:
(1) Tính lưu động, tức là các vật liệu đều chuyển động không ngừng trong lò.
Không có vật liệu nằm yên trong lò.
(2) Tính không định hình. Nghĩa là mỗi chất thay đổi theo hình dạng ống dẫn
gió và bình chứa.
(3) Tại các điểm trên cùng tiết diện có mật độ vật liệu như nhau.
(4) Trong tầng sôi, nhiệt độ mọi điểm cơ bản như nhau.
(5) Chiều cao sôi của vật liệu trong tầng sôi gần như nhau.
(6) Trong tầng sôi áp suất tại các điểm trên các tiết diện có cùng cao độ thì như
nhau.
(7) Trên đáy hay mặt bên bất kỳ nào có khoét lỗ, thể lỏng sẽ trào ra ngoài.
2.2. Cháy ở nhiệt độ thấp:
Nhiệt độ cháy cần phải điều khiển ở nhiệt độ khoảng 850-9500C, nghĩa là nhiệt độ
cháy của các bồn nên ở trên 8000C, nhưng cũng không được lên đến điểm nóng chảy
của thành phần tro xỉ. Điểm nóng chảy của tro được xác định theo thành phần tro xỉ
có trong than, thường trên 12000C. Nếu nhiệt độ cháy trong sàn quá cao, tro xỉ nóng
chảy kết dính thành tảng xỉ, làm tăng trở lực dòng khí và làm hỏng quá trình sôi và
dẫn đến ngừng lò do đóng xỉ ở nhiệt độ cao. Nhiệt độ cháy của tầng sôi thấp hơn so
với cháy ở lò đốt theo ghi và than bột. Do cháy ở nhiệt độ thấp, khí nitơ N2 trong
không khí sẽ không kết hợp với ôxy O2 để tạo thành khí ôxynitơ ở nhiệt độ cao.
Đồng thời, khi cháy ở nhiệt độ thấp trộn thêm đá vôi sẽ khử được lưu huỳnh S một
cách hiệu quả, làm giảm lượng phát thải khí độc SO2 trong khói.
2.3. Hiệu suất đốt cháy cao:
3
Do các hạt nhiên liệu trong tầng sôi chuyển động mãnh liệt, có lợi cho quá trình
cháy như sau:
(1) Điều kiện hỗn hợp của không khí và nhiên liệu tốt, toàn bộ bề mặt hạt nhiên
liệu được bao bọc bởi không khí.
(2) Trong quá trình va đập giữa các hạt nhiên liệu, lớp xỉ tạo thành ở bên ngoài
hạt khi cháy rất dễ được bong ra, làm nhanh quá trình cháy rút ngắn thời gian
cháy của nhiên liệu.
(3) Lượng than mới cấp vào lò sẽ nhanh chóng hỗn hợp và cùng chuyển độ với
vật liệu trong tầng sôi, than được gia nhiệt dễ bén lửa. Nhiệt độ nơi trong
tầng sôi gần như đồng đều, phản ứng cháy vừa mãnh liệt lại vừa đồng đều,
khác với ở lò ghi xích chỉ ở vùng cháy chính mới cháy mãnh liệt, vùng gia
nhiệt và vùng cháy kiệt có nhiệt độ thấp, quá trình cháy chậm.
(4) Tro xỉ do quá trình tạo thành trong buồng lửa, do người vận hành lò căn cứ
vào tình trạng cháy kiệt, tạo xỉ để thải địng kỳ. Thời gian cháy của nhiên liệu
trong lò đầy đủ, cho nên trong lò đốt tầng sôi có hiệu suất cháy cao hơn. Hàm
lượng than còn lại trong tro xỉ sau cháy ở lò tầng sôi thấp hơn nhiều so với
lò đốt theo ghi. Cường độ nhiệt khi cháy của lò tầng sôi lớn hơn nhiều so với
lò đốt theo ghi.
2.4. Khả năng thích ứng nhiên liệu rộng.
Trong tầng sôi có lượng nhiệt được tích lại tương đối lớn. Khi vận hành bình thường,
lượng ít than mới cấp vào trong lò sẽ được vật liệu nóng trong lò bao bọc và được
gia nhiệt rất nhanh đến nhiệt độ cháy bình thường và bén lửa. Lượng nhiệt do than
mới cấp vào hấp thụ ảnh hưởng rất ít đến nhiệt độ, thường không ảnh hưởng đến
quá trình cháy thường trong tầng sôi. Cho dù lượng nhiệt của nhiên liệu toả ra thay
đổi hay thành phần nước bên ngoài nhiên liệu thay đổi, thường không làm ảnh hưởng
đến quá trình cháy. Thành phần nước quá lớn, than quá ướt, chỉ ảnh hưởng bộ phận
cấp than vào lò, cho nên lò đốt tầng sôi có thể đốt cháy các loại than đá, than autraxít,
có thể đốt cháy các than có nhiệt trị thấp đến 4180 KJ/Kg.
2.5. Cháy hai pha:
Do lò tầng sôi sử dụng nhiên liệu qua sàn tuyển có cỡ hạt 0-8mm, cho nên sẽ có một
phần rất ít nhiên liệu hạt nhỏ mịn bị dòng khí thổi ra khỏi tầng sôi bốc lên cháy ở
đoạn trên (đoạn lơ lửng) của buồng lửa. Như vậy tạo thành sự cháy của các hạt nhiên
liệu to hơn trong vùng pha đặc ở phía dưới buồng lửa và sự cháy của các hạt nhiên
liệu nhỏ mịn trong vùng pha loãng ở phía trên buồng lửa.Vùng pha đặc là vùng có
mật độ hạt lớn, kẽ hở giữa các hạt nhỏ, khoảng các giữa các hạt ngắn. Vùng pha
loãng là vùng có mật độ hạt nhỏ, khoảng không giữa các hạt lớn, lượng hạt nhiên
liệu có trong không gian ít thưa thớt
2.6. Lượng tro bay lớn, hàm lượng than trong tro cao:
4
Ở lò tầng sôi có một lượng, hạt nhỏ mịn cháy lơ lửng theo dòng khí ở phía trên tầng
sôi, do nhiệt độ cháy của than cốc cao các hạt nhỏ mịn này cần cháy bình thường ở
khoảng 9000C. Thời gian cháy của than cốc dài, cần 3 - 4giây mới cháy kiệt, mà
chiều cao không gian đoạn lơ lửng thường khoảng 1m/s, nên các hạt mịn này chưa
kịp cháy hoàn toàn đã bị khí khói đem ra khỏi buồng lửa đi vào mương dẫn khói.
Nhiệt độ ở mương khói càng thấp hơn, thường dưới 8000C, các hạt nhỏ mịn không
thể cháy tiếp, gây nên tổn thất nhiệt tro bay. Nói chung hiệu suất nhiệt của lò tầng
sôi hơi thấp bởi tổn thất nhiệt cháy không hoàn toàn lớn.
II. Nguyên Lý Và Đặc Tính Quá Trình Cháy Của Lò Hơi Tầng Sôi Tuần Hoàn
(CFBB)
1. Nguyên lý cháy:
Lò hơi tầng sôi tuần hoàn (gọi tắt CFB) giống như lò hơi tầng sôi, có buồng đốt tầng
sôi, phần lớn hạt nhiên liệu thô cháy sôi ở phía dưới buồng lửa. Điều khác biệt nhau
ở chỗ tốc độ dòng chảy, mức độ sôi lớn hơn lò hơi tầng sôi để nhiều hạt nhỏ ở trạng
thái chuyển dịch theo dòng khí và thoát ra khỏi tầng sôi vùng pha đặc cháy lơ lửng
ở phía trên. Ở lò hơi tầng sôi để giảm tối đa hạt nhỏ cháy lơ lửng, tốc độ dòng khí
phải giảm xuống mức có thể để các hạt nhỏ cháy hoàn toàn trong tầng sôi. Lò hơi
CFBB thì ngược lại, yêu cầu phải nâng cao tốc độ dòng khí, làm tăng mật độ của
nhiên liệu hạt nhỏ ở đoạn lơ lửng. Do nồng độ hạt pha loãng ở phía trên vùng pha
đặc của CFBB, nên quá trình cháy và truyền nhiệt đều được gia tăng mạnh lên.
Do nồng độ tro bay tăng, mà không làm tăng tổn thất nhiệt cháy không hoàn toàn
của tro bay dẫn đến làm giảm hiệu suất lò, ở lò CFB có thiết kế thiết bị phân ly thể
rắn, thể khí, để phân ly và thu hồi các hạt rắn nồng độ cao, thông qua thiết bị hồi
liệu đưa tro mịn trở về cháy lại tuần hoàn ở tầng sôi và phía trên buồng lửa. Do
nhiên liệu của lò CFBB có thể cháy tuần hoàn trong buồng lửa, thời gian cháy kéo
dài cháy hoàn toàn nên hiệu suất cháy cao, có thể đạt trên 99%. Tốc độ dòng khí tạo
sôi ở lò CFBB tuy có lớn hơn ở lò tầng sôi, nhưng hiệu suất nhiệt không hề giảm
ngược lại còn tăng lên, có thể lên tới trên 99%. Sự khác biệt giữa lò CFB so với lò
đốt tầng sôi là ở chỗ ngoài quá trình cháy sôi ra, còn có một hệ thống đốt cháy nhiên
liệu tuần hoàn.
2. Đặc tính cháy:
Lò CFB cũng như lò tầng sôi, do đều sử dụng phương pháp đốt kiểu tầng sôi, cho
nên đặc tính đốt cháy của chúng cũng có những điểm giống nhau. Ngoài đặc điểm,
có thể đốt nhiều chủng loại than, truyền nhiệt mãnh liệt, cháy ở nhiệt độ thấp v.v...,
lò CFB còn khác biệt với lò tầng sôi như sau:
(1) Hiệu suất cháy cao hơn lò tầng sôi. Nguyên nhân chủ yếu là tốc độ dòng
khí của lò CFB lớn hơn lò tầng sôi, do tốc độ dòng khí lớn, chuyển động
tương đối giữa các nhiên liệu mạnh mẽ, nhiên liệu và không khí hỗn hợp
tốt hơn, làm gia tăng tốc độ phản ứng cháy, cũng do sử dụng hệ thống đốt
5
cháy tuần hoàn, thời gian cháy của nhiên liệu được kéo dài, có lò cho cháy
hoàn toàn, cho nên hiệu suất cháy của lò CFB cao hơn của lò tầng sôi.Hiệu
suất cháy của lò tầng sôi khoảng 80%-95%, ở lò CFB có thể đạt trên 99%.
Tổn thất nhiên liệu theo tro bay ở lò tầng sôi lớn, lên tới 10%. Do tốc độ
phản ứng cháy tăng nhanh, cường độ nhiệt lớn, nên diện tích mặt phân phối
gió của lò CFB nhỏ hơn nhiều so với lò tầng sôi có cùng dung lượng,
thường chỉ bằng 1/3 của lò tầng sôi.
(2) Quá trình cháy ở vùng pha loãng tăng. Nhiệt độ đoạn lơ lửng nằm ở phía
trên tầng sôi của lò CFB khoảng 9000C, do nhiên liệu hạt nhỏ thoát ra khỏi
tầng sôi lên đoạn lơ lửng vẫn còn khả năng cháy tiếp.Trong lò CFB, tốc độ
dòng khí tăng tỷ lệ bay ra khỏi tầng sôi của hạt nhỏ tăng theo nồng độ của
vùng pha loãng ở đoạn lơ lửng tăng, thành phần cháy tăng, làm cho quá
trình cháy mạnh lên và truyền nhiệt cùng tăng.
(3) Biên độ điều chỉnh quá trình cháy lớn hơn lò tầng sôi. Điều chỉnh quá trình
cháy của lò tầng sôi chủ yếu là thông qua điều chỉnh tình trạng cháy của
tầng sôi, nghĩa là điều chỉnh tỷ lệ cấp gió và than, điều chỉnh nhiệt độ cháy
cũng như chiều dày lớp liệu có của tầng sôi để điều chỉnh quá trình cháy.
Lò CFB ngoài việc điều chỉnh tình trạng cháy của tầng sôi ra, còn có thể
điều chỉnh lượng tro tuần hoàn để điều chỉnh quá trình cháy. Tăng nồng độ
tro tuần hoàn, có thể tăng mạnh quá trình cháy và truyền nhiệt. Giảm nồng
độ tro tuần hoàn hợp lý, có thể giảm quá trình cháy và truyền nhiệt. Giảm
nồng độ tro tuần hoàn chủ yếu thực hiện bằng cách thải tro tuần hoàn ở bộ
hồi liệu.
(4) Cỡ hạt có thể lớn hơn. Cỡ hạt ở lò tầng sôi thường 0÷8mm hạt quá to dễ
làm hỏng chất lượng sôi do chìm ở phía đáy. Ở lò CFB do tốc độ tạo sôi
của dòng khí lớn, khả năng chống tác động của liệu lò ở mũ gió lớn, các
hạt thô khó lắng đọng ở đáy, cho nên cỡ hạt có thể tăng tới 0÷13mm.
(5) Hiệu quả khử lưu huỳnh tốt hơn. Lò CFB do có hệ thống cháy tuần hoàn,
khi trộn đá vôi khử lưu huỳnh, chất khử có thể hoà lẫn với hạt nhiên liệu
cùng tham giao vào cháy tuần hoàn, có đủ thời gian phản ứng hoá học và
đạt được hiệu quả khử lưu huỳnh tốt nhất mức độ khử lưu huỳnh có thể đạt
tới trên 90%.
III. Đặc Tính Chuyển Động Của Vật Liệu Trong Quá Trình Cháy:
Lò tầng sôi từ nhóm lứa nâng nhiệt đến vận hành bình thường, trong quá trình cháy
của vật liệu trong lò có dạng chuyển động và đặc tính khác nhau.
1. Tầng cố định :
Lò tầng sôi trước khi khởi động, trên sàn phân phối gió phải dải lớp vật liệu lò lót
sàn dày 200-300mm. Trước khi nhóm lò cấp gió vào sàn, liệu lò này ở trạng thái
tĩnh tại, gọi là tầng cố định. Lò vận hành sau khi ủ, ngừng cấp gió vào lò, vật liệu lò