Lò hơi tầng sôi đang được nhiều nhà máy quan tâm vì khả năng đốt đa nhiên liệu, hiệu suất cao hơn và đặc biệt là kiểm soát khí thải phát sinh tốt hơn, đáp ứng tốt các yêu cầu môi trường ngày càng thắt chặt.

Bài viết này, Hải Âu Việt sẽ cung cấp cho bạn những thông tin cụ thể nhất về lò hơi tầng sôi là gì – nguyên lý hoạt động- cấu tạo – phân loại

Lò Hơi Tầng Sôi Là Gì?

Lò hơi tầng sôi (nồi hơi tầng sôi) là dạng lò hơi công nghiệp ứng dụng cộng đốt tầng sôi để tạo thành hơi nước. Buồng đốt được cấu tạo từ hàng triệu hạt cát, xỉ hoặc các lớp vật liệu chuyên dụng được dòng khí nóng thổi lơ lửng tạo thành trạng thái giống như chất lỏng đang sôi (nên gọi là tầng sôi).

Nhờ công nghệ này giúp nhiên liệu tiếp xúc tốt hơn với không khí, kích thích quá trình cháy kiệt trong khi nhiệt độ tại buồng đốt không quá cao và không phát sinh nhiều khí thải có hại.

Lò tầng sôi được thiết kể đốt đa dạng các nhiên liệu khác nhau. Những loại nhiên liệu được sử dụng phổ biển như nhiên liệu biomass, rác thải công nghiệp, rác thải sinh hoạt, than đá,…Ngoài ra khí thải của lò tầng sôi chứa ít lưu huỳnh và nitơ oxit nên đây là giải pháp đảm bảo cả phương diện kinh tế và bảo vệ môi trường cho doanh nghiệp

Phân Loại Lò Hơi Tầng Sôi

• Lò hơi tầng sôi áp suất khí quyển (AFBC Boiler) : là loại tầng sôi phổ biến nhất
• Lò hơi tầng sôi tuần hoàn (CFBC Boiler): Loại tầng sôi này có hiệu quả đốt cháy tối ưu nhất tuy nhiên vốn đầu tư ban đầu khá cao nên chúng thường sử dụng ở các lò công suất lớn
• Lò hơi tầng sôi có áp (PFBC Boiler): Đây là hệ thống lò tầng sôi có cấu tạo phức tạp cũng mang lại hiệu suất cao giống lò tuần hoàn.

Ưu Điểm Lò Hơi Tầng Sôi

• Đốt đa nhiên liệu: Lò hơi tầng sôi đốt được nhiều nhiên liệu kể cả là than đá có ham lượng tro là 60-70% hoặc tỷ lệ chất bốc <1%
• Hiệu suất đốt cao: Nhờ công nghệ tầng sôi giúp tăng tỷ lệ nhiên liệu hòa trộn vào không khí để cháy
• Vận hành tự động hóa
• Bảo vệ môi trường: quá trình cháy thải ít khí và tro nên giảm áp lực lên hệ thống xử lý tro xỉ và khí thải

Nhược Điểm Lò Hơi Tầng Sôi

• Với lò hơi tầng sôi sử dụng than đá có hàm lượng cốc cao, nhà máy cần bố trí các cụm trao đổi nhiệt ở phía dưới lớp vật liệu sôi để tránh buồng đốt bị quá nhiệt. Tuy nhiên cụm trao đổi nhiệt dễ hư hỏng vì chịu mài mòn liên tục
• Đối với lò tầng sôi dạng sủi bọt yêu cầu diện tích buồng đốt lớn hơn nhiều với các loại khác. Vì vậy loại lò này không thích hợp để thay thế cho lò than đặc biệt là ở các dải công suất lớn
• Yêu cầu kỹ thuật vận hành cao hơn: toàn bộ hệ thống được vận hành tự động hóa yêu cầu kỹ thuật viên phải am hiểu hệ thống vận hành, biết đọc và điều chỉnh thông số cho phù hợp trong quá trình vận hành.

Cấu Tạo Lò Hơi Tầng Sôi

Hệ Thống Cấp Liệu

Hệ thống cấp liệu cho lò hơi tầng sôi bao gồm các hệ thống nhỏ sau:

• Hố cấp liệu
• Băng tải cấp liệu
• Phễu cấp liệu trung gian
• Quạt thổi liệu
• Vít tải xoắn cấp liệu

Bên cạnh đó tại các phễu cấp liệu và băng tải cấp liệu được gắn thêm các cảm biến khối lượng để đo chính xác khối lượng nhiên liệu cấp vào buồng đốt

Lưu ý về nhiên liệu cấp vào buồng đốt:

Lò hơi tầng sôi yêu cầu nhiên liệu cấp vào phải có kích thước đồng đều và độ lớn cho phép để đạt điều kiện cháy tối ưu nhất

Đối với than, kích thước khuyến khích nên trong khoảng 0-10mm.

Đối với biomass, kích thước khuyến khích nên trong khoảng 0-50mm

Mỗi nhà máy được thiết kế riêng một hệ thống cấp liệu phù hợp kết hợp dựa trên điều kiện mặt bằng khi khảo sát và loại nhiên liệu sẽ vận hành tại nhà máy đó.

Hệ thống sẽ đưa nhiên liệu vào buồng đốt theo nhiều cách khác nhau. Có thể phun thẳng lên mặt sôi, thả từ trên cao xuống hoặc đưa vào dưới lớp sôi (thường dùng cho than đã nghiền và ít được sử dụng ngoài thực tế)

Buồng Đốt

Buồng đốt lò hơi tầng sôi được chia thành hai vùng chính là lớp vật liệu sôi ở dưới và khoảng không khí ở trên. Tỷ lệ này được chia tham khảo khoảng 88%là lớp vật liệu sôi và 22% là khoảng không khí phía trên.

Đối với lò hơi tầng sôi dạng sủi bọt, nhiệt độ lớp sôi được kiểm soát ở mức 900 độ C. Nhưng nếu nhà máy sự dụng biomass nhiệt độ giảm xuống ở mức khoảng 750 độ C để hạn chế đóng xỉ lớp vật liệu (vì trong biomass có natri và kali làm giảm nhiệt độ nóng chảy của tro)

Với nhiên liệu có nhiệt trị cao, buồng đốt được bố trí chùm ống trao đổi nhiệt đặt dưới lớp vật liệu sôi để kiểm soát nhiệt độ trong buồng đốt. Tuy nhiên, nhà máy nên thường xuyên kiểm tra thay thế khi bị mài mòn (mài mòn chủ yếu đến từ lớp vật liệu sôi chuyển động va đập liên tục)

Với nhiên liệu có nhiệt trị trung bình và thấp có thể xem xét tăng phần trăm của lớp vật liệu sôi để tăng khả năng hấp thụ nhiệt. Cấu hình này thường được gọi là buồng đốt sôi rối ( nằm giữa dạng sôi sủi bọt và sôi tuần hoàn)

Để bảo vệ thiết bị và an toàn cho người vận hành, buồng đốt cần được trang bị lớp bảo ôn chống lửa và cách nhiệt

Chiều cao tối ưu của lớp vật liệu nền nằm trong khoảng 120-140mm. Kích thước hạt rắn phổ biến là 0.8-1.2mm. Tùy theo thiết kế mà vật liệu sôi có thể sử dụng là cát, xỉ, dolomit hoặc đá vôi

Trong hỗn hợp tầng sôi, lượng nhiên liệu thường chiếm khoảng 1-5%, phần còn lại lại vật liệu nền.

Cụm Sinh Hơi

Các bộ phận chính của cụm sinh hơi bao gồm: vách nước, các dàn ống đối lưu, bề mặt truyền nhiệt bức xạ và các ống quá nhiệt. Tùy theo từng thiết kế, các kỹ sư sẽ bố trí cụm sinh hơi nằm ở trên buồng đốt hoặc ở vùng đối lưu của lò.

Hệ Thống Cấp Gió

Hệ thống cấp gió trong lò tầng sôi bao gồm:

• Quạt gió cấp 1
• Kênh gió cấp 1
• Quạt gió cấp 2
• Kênh gió cấp 2

Quạt gió cấp 1 và kênh gió 1 giúp duy trì trạng thái sôi của vật liệu trong buồng đốt. Gió được quạt đẩy đi đến các béc phun gió và phân tán lượng gió đều trong buồng đốt đảm bảo các lớp vận liệu được sôi đều.

Quạt cấp 2 và kênh gió 2 được bố trí ở bên lớp vật liệu sôi bổ sung thêm oxy để kích thích quá trình cháy. Vai trò chủ yếu của hệ cấp gió thứ 2 này là hỗ trợ cho nhiên liệu được cháy triệt để. Chính vì thế với một số nhiên liệu và lò công suất nhỏ, hệ cấp gió thứ 2 có thể không cần thiết.

Hệ Thống Thu Hồi Năng Lượng

Hệ thống thu hồi nhiệt trong lò hơi giúp tận dụng lượng nhiệt dư thừa từ khí thải ra ngoài môi trường để làm nóng nước và không khí, từ đó tiết kiệm nhiên liệu và nâng cao hiệu suất

Thiết bị của hệ thống này bao gồm:

• Bộ hâm nước
• Bộ sấy không khí

Hệ Thống Làm Mềm Nước

Hệ thống làm mềm nước dùng để loại bỏ các ion canxi và magie để ngăn chặn bị oxi hóa đống cặn trong hệ thống lò tầng sôi.

Hệ Thống Xử Lý Tro Bụi Và Khí Thải

Lò hơi tầng sôi phát sinh hai loại chất thải là chất thải rắn và khí thải

Xỉ đáy có kích thước lớn thường thu gom và đưa ra ngoài bằng hệ thống xả xỉ bố trí ở phía dưới buồng đốt. Ngược lại, các hạt mịn tạo thành tro bay cuốn theo dòng khói được xử lý qua các phễu thu tro.

Các thiết bị thu gom bụi trong dòng khí thường là Cyclone đa cấp, hệ dập bụi ướt, hệ dập bụi tĩnh điện. Tùy vào tính chất tro than của nhiên liệu tại nhà máy mà các kỹ sư sẽ thiết kế đồng thời cả ba hệ thống lấy bụi trên hay chỉ vài hệ thống trong số đó để tối ưu chi phí.

Hệ Thống Điều Khiển

Hệ thống nồi hơi tầng sôi được thiết kế để vận hành tự động, kỹ sư vận hành theo dõi mọi thông số trên phần mềm SCADA và điều chỉnh để quá trình đốt diễn ra hiệu quả nhất

Nguyên Lý Hoạt Động Của Lò Hơi Tầng Sôi

Tóm tắt quá trình:
Cấp nhiên liệu → cấp gió một tạo tầng sôi → nhiên liệu cháy và sinh nhiệt → cấp gió hai hỗ trợ cháy → truyền nhiệt tạo hơi → thu hồi nhiệt khói → tách tro bụi → quạt hút → ống khói.

Nhiên liệu thông qua hệ thống cấp liệu được đưa vào buồng đốt, kỹ sư vận hành sẽ kiểm soát khối lượng nhiên liệu vào thông qua các cảm biến khối lượng được đặt ở phễu và băng tải. Ngoài ra, tốc độ của nhiên liệu được điều chỉnh qua vít tải cấp liệu

Khi nhiên liệu đã vào buồng đốt, nhiên liệu sẽ trộn với vật liệu nền, không khí cấp một đưa từ phía dưới làm các hạt rắn chuyển động tạo thành trạng thái “sôi”.

Nhờ sự xáo trộn liên tục giữa nhiên liệu, vật liệu nền và không khí, nhiên liệu được đốt cháy toàn bộ. Song song với đó, nhiên liệu cháy sẽ giảm dần kích thước, trở thành tro xỉ, một phần giữ lại hòa trộn vào lớp vật liệu nền.

Nhiệt lượng sinh ra được tuyền đến các bề mặt hấp thụ, thường là các tường nước bố trí quanh buồng đốt và các bền mặt truyền nhiệt ở phía trên. Nước nhận nhiệt và bốc hơi.

Dòng khói nóng mang hạt tro mịn sẽ di chuyển về bộ hâm nước hoặc bộ quá nhiệt để tận dụng nhiệt thừa

Gió cấp hai được đưa vào phía trên lớp sôi thông qua các vòi phun bố trí tại những vị trí thích hợp trong buồng đốt. Dòng khí này bổ sung oxy cho phần nhiên liệu và chất bốc còn lại trong vùng phía trên, đồng thời hỗ trợ kiểm soát hệ số không khí dư, nhiệt độ cháy và sự hình thành NOx. Tỷ lệ và vị trí cấp gió hai được lựa chọn dựa trên đặc tính nhiên liệu cũng như yêu cầu vận hành của từng thiết kế.

Sau khi đi qua vùng truyền nhiệt đối lưu, dòng khói tiếp tục được dẫn qua các thiết bị thu hồi nhiệt để tận dụng phần nhiệt còn lại. Nhiệt năng của khói có thể được sử dụng để gia nhiệt nước cấp tại bộ hâm nước và không khí cấp cho buồng đốt tại bộ sấy không khí, qua đó nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng của hệ thống.

Trước khi được quạt hút đưa ra ống khói, dòng khói đi qua thiết bị thu gom bụi để tách phần tro bay và các hạt rắn bị cuốn theo dòng khí. Sau quá trình này, khí thải được dẫn ra ngoài thông qua hệ thống ống khói theo cấu hình của từng nhà máy.

Sau khi đi qua vùng truyền nhiệt đối lưu, dòng khói tiếp tục được dẫn qua các thiết bị thu hồi nhiệt để tận dụng phần nhiệt còn lại. Nhiệt năng của khói có thể được sử dụng để gia nhiệt nước cấp tại bộ hâm nước và không khí cấp cho buồng đốt tại bộ sấy không khí, qua đó nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng của hệ thống.

Trước khi được quạt hút đưa ra ống khói, dòng khói đi qua thiết bị thu gom bụi để tách phần tro bay và các hạt rắn bị cuốn theo dòng khí. Sau quá trình này, khí thải được dẫn ra ngoài thông qua hệ thống ống khói theo cấu hình của từng nhà máy.

Ứng Dụng

Lò hơi tầng sôi được sử dụng trong rất nhiều ngành công nghiệp khác nhau

• Ngành công nghiệp nhiệt điện
• Ngành chế biến thực phẩm
• Ngành dệt may

Kết Luận

Lò hơi tầng sôi là công nghệ đốt tiên tiến sử dụng được đa dạng các loại nhiên liệu khác nhau. Đây sẽ là giải pháp được nhiều doanh nghiệp lựa chọn cho nhà máy sản xuất trong bối cảnh giá cả nhiên liệu than đá tăng khó kiểm soát và các quy định khí thải ngày một khó khăn hơn.