Thiết kế buồng đốt lò hơi tầng sôi tuần hoàn (CFB) là công đoạn quan trọng để hệ thống lò hơi vận hành ổn định sau này. Khác với các buồng đốt thông thường, buồng đốt lò CFB ứng dụng công nghệ tầng sôi nên thông số được tính toán phải kết hợp nhiều yếu tố từ nhiệt độ, áp suất, vật liệu,….

Bài viết này, Hải Âu Việt sẽ trình bày chi tiết các bước thiết kế buồng đốt lò tầng sôi tuần hoàn đúng chuẩn.(bài viết có tham khảo công trình nghiên cứu của đại học Thanh Hoa –Design Theory of Circulating Fluidized Bed Boilers)

Tính Toán Quy Trình Cháy Và Cân Bằng Lớp Vật Liệu Nền Trong Buồng Đốt Lò Tầng Sôi Tuần Hoàn

Tính Toán Quá Trình Diễn Ra Sự Cháy

Dựa trên thành phần hóa học của nhiên liệu cấp vào kỹ sư thiết kế sẽ tính toán được lượng không khí cần dùng và lượng khói sẽ thải ra.

Các số cuối cùng được tính ra cần nhân với hệ số không khí dư khoảng 1.15-1.20 để đáp ứng nhu cầu hoạt động ngoài thực tế.

Cân Bằng Vật Chất

Lò Tầng Sôi Tuần Hoàn còn được gọi là hệ thống mở vì khi hoạt động sẽ có một khối lượng vật chất rắn đi vào đồng thời có một khối lượng vật chất rắn đi ra. Muốn cho Lò CFB hoạt động ổn định, khối lượng vào và khối lượng ra phải hài hòa với nhau, trong lò hơi người ta gọi đó là cân bằng vật chất.

Vật liệu đi vào gồm: tro sinh ra khi đốt nhiên liệu, đá vôi khử lưu huỳnh, cát tầng sôi bổ sung, nhiên liệu đốt

Vật liệu đi ra theo hai hướng là thải xỉ đáy và đường tro bay.

Lượng vật liệu tuần hoàn trong lò quyết định quá trình cháy diễn ra có ổn định hay không. Nó phụ thuộc vào công suất của cyclone tách bụi, đặc tính của tro, lượng đá vôi và đặc tính nhiên liệu đầu vào.

Theo nghiên cứu của đại học Thanh Hoa, lượng hạt tuần hoàn nến lớn hơn lượng hạt cùng cỡ được nạp vào khoảng 1.000 lần. Cyclone nên có hiệu suất từ 99.7% trở lên để đảm bảo lượng vật rắn cân bằng trong buồng đốt.

Cân Bằng Khử Lưu Huỳnh

Đá vôi có thành phần hóa học là CaCO3 được cấp vào buồng đốt để hấp thụ SO2.

Lượng đá vôi cấp vào lò theo tỷ lệ mol Ca/S dao động khoảng 1.5-2.5. Phản ứng của đá vôi với lưu huỳnh cũng sinh ra nhiệt nên khi tính nhiệt lượng tỏa ra tại buồng đốt cũng cần được liệt kê vào.

Ngoài ra, đá vôi cũng làm tăng khối lượng vật rắn đi vào lò nên cần được đưa vào cân bằng vật chất ở trên.

Chọn Trạng Thái Vận Hành Và Kích Thước Tiết Diện Ngang

Chọn Trạng Thái Vận Hành

Vận tốc khí bề mặt (viết tắt là uf) và tốc độ tuần hoàn chất rắn (Gs) là hai tiêu chí để xác định trạng thái vận hành của lò CFB.

Mục tiêu của việc xác định các thông số này để đảm bảo các lớp vật liệu nền trộn đều nhiên liệu cháy kiệt

Vận Tốc Khí Bề Mặt

Vận tốc khí bề mặt là tốc độ của khí đi từ dưới lớp vật liệu nền đi lên

Vận tốc khi phải đủ lớn để đẩy lớp vật liệu nền sôi. Cụ thể uf cần lớn hơn khoảng 3.5-4 lần vận tốc lơ lửng của hạt vật liệu. Ngoài ra tốc độ cũng không nên quá cao để tránh hạt vật liệu va đập gây mài mòn

Giá trị tham khảo phổ biến là 4.5-6.0m/s ở nhiệt độ vận hành 850 độ C.

Tốc Độ Tuần Hoàn Chất Rắn

Tốc độ tuần hoàn chất rắn cho biết lượng hạt rắn đi qua mỗi mét vuông tiết diện lò trong mỗi giây.

Gs phải lớn hơn mức tối thiểu của chế độ tầng sôi nhanh. Nếu thấp hơn lò sẽ trở về hoạt động như lò tầng sôi sủi bọt và mất đi các ưu điểm của lò CFB.

Gs không phải là một thông số cố định, người vận hành có thể thay đổi bằng cách tăng hoặc giảm lượng vật liệu nền có trong lò.

Biến Đổi Trạng Thái Gs – Uf

Vùng vận hành hợp lý nằm giữa ba đường giới hạn: Giới hạn tầng sôi nhanh, giới hạn khả năng tuần hoàn của cyclone và giới hạn mài mòn.

Chọn vùng vận hành cần thận trọng vì các số liệu thiết kế khác đều gắn với trạng thái này nên rất khó thay đổi

Tính Kích Thước Tiết Diện Ngang

Tính Tiết Diện Phần Trên Của Buồng Đốt

Có hai kích thước tính tiết diện ngang

Cách 1: Tính theo tải nhiệt tiết diện, chọn trước mức nhiệt mà mỗi mét vuông phải chiệu

Diện tích = Công suất nhiệt sinh ra trong buồng đốt : Tải nhiệt tiết diện

Cách 2: Theo lưu lượng khói, dùng lưu lượng khói ở nhiệt độ buồng đốt khoảng 850 độ C và vận tốc uf đã chọn

Diện tích = Lưu lượng thể tích khói : Vận tốc khí bề mặt

Cách tính này có mối liên hệ với phần tính lý thuyết cháy ở mục trước để xác định tiết diện đủ để giữ uf trong khoảng đã chọn

Tính Tiết Diện Phần Đáy

Không khí sơ cấp ở đấy chỉ chiếm khoảng 40-60% tổng lượng gió cháy. Phần còn lại được cấp thứ cấp ở trên. Vì vậy phần đáy lò thường được thiết kế thu nhỏ để vận tốc khí ở đáy không quá thấp.

Tính Chiều Sâu Và Chiều Rộng

Chiều sâu (D) thường giới hạn khoảng 8m (phổ biến là 5.4-8m). Lý do là gió thứ cấp phải thổi vào giữa lò mà gió thứ cấp thường ở trên đỉnh lò nên lò quá cao cũng ảnh hưởng đến độ cháy kiệt của nhiên liệu

Độ rộng (W) thường được tính bằng công thức W= diện tích : (D)

Thiết Kế Đĩa Phân Phối Gió Và Vòi Phun

Đĩa phân phối đảm nhiệm hai việc là phân phối không khí sơ cấp lên lớp vật liệu nền và đỡ toàn bộ lớp vật liệu nền

Thông số	Giá trị thường chọn	Lý do
Trở lực đĩa	Khoảng 15 – 20% trở lực lớp vật liệu, tối thiểu 1,5 – 2,0 kPa	Gió phân bố đều, không tốn quá nhiều điện quạt
Vận tốc gió qua lỗ vòi	Đủ cao để không lọt hạt, tránh vượt khoảng 90 m/s	Quá thấp thì hạt rơi xuống hộp gió, quá cao thì mài mòn
Tỷ lệ diện tích mở	Khoảng 1 – 2%	Xác định số lượng và cỡ lỗ

Cân Bằng Áp Suất Trong Vòng Tuần Hoàn

Vật liệu chỉ tuần hoàn khi áp suất trong ống đứng lớn hơn áp suất tổn thất trên đường di chuyển. Nếu áp suất không đủ vật liệu bị nghẹt hoặc khí nóng thổi ngược lên cyclone.

Thông số	Giá trị thường chọn	Ý nghĩa thiết kế
Mật độ vật liệu trong ống đứng	Khoảng 1.000 kg/m³	Nguồn tạo áp suất đẩy vật liệu về lò
Mật độ vật liệu trong buồng đốt	Khoảng 1 – 100 kg/m³	Chênh lệch mật độ với ống đứng tạo ra động lực tuần hoàn
Chiều cao ống đứng	1,5 – 2,0 lần chiều cao tối thiểu	Dự phòng khi phụ tải hoặc quá trình cháy dao động
Vận tốc hạt đi xuống trong ống đứng	Khoảng 0,15 – 0,3 m/s	Tránh tắc nghẽn và khí cuốn ngược
Áp suất gió cấp cho loop seal	Đủ lớn hơn áp suất đáy buồng đốt tại điểm hồi liệu	Giữ van làm việc đúng, không cho khí chạy ngược

Kết Luận

Thiết kế buồng đốt lò tầng sôi tuần hoàn là một chuỗi các tính toán có liên quan nhau: tính quá trình cháy, chọn trạng thái vận hành, xác định tiết diện và chiều cao, thiết kế đĩa phân phối gió, rồi kiểm tra cân bằng áp suất vòng tuần hoàn. Trong đó, trạng thái vận hành là bước then chốt nhất vì các thông số phía sau đều liên quan đến chúng. Các giá trị trong bài chỉ mang tính chất tham khảo mỗi hệ thống cần được tính theo nhiên liệu và công suất thực tế

Cần tư vấn thiết kế lò hơi tầng sôi nói chung và lò tầng sôi tuần hoàn nói riêng? Liên hệ Hải Âu Việt để được kỹ sư hỗ trợ.