Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của nồi hơi tầng sôi

Lò hơi tầng sôi là một trong những công nghệ tiên tiến mà doanh nghiệp nên cân nhắc đầu tư trong các nhà máy sản xuất của mình. Hệ thống này giúp doanh nghiệp tiết kiệm nhiên liệu, chi phí sản xuất cũng như đem đến các tác động tích cực đến môi trường. 

Bài viết này Lò hơi Bách Khoa sẽ làm rõ cấu tạo, nguyên lý hoạt động của hệ thống lò hơi tầng sôi cũng như lý giải tại sao nên tích hợp công nghệ nồi hơi này vào trong các hoạt động sản xuất của doanh nghiệp.

Nồi hơi tầng sôi là gì

Là một công nghệ được thế giới nghiên cứu từ lâu, nhưng chỉ phát triển mạnh mẽ ở những năm gần đây do nhu cầu sử dụng các nhiên liệu xấu và nhiên liệu tái sinh. Lò hơi tầng sôi sử dụng công nghệ đốt cháy nhiên liệu trong lớp sôi, được tạo bởi các nguyên liệu đốt. Nó được coi là công nghệ giảm phát thải độc hại và thân thiện với môi trường.

Khái niệm “tầng sôi”có thể hiểu một cách khái quát là một vùng không gian được tạo bởi các hạt ở thể rắn (nguyên liệu đốt) như cát, tro, than, đá vôi… Chúng sẽ được nâng lên ở trạng thái lơ lửng trong buồng đốt do áp lực của dòng không khí. Theo đó, lớp nguyên liệu trong buồng đốt sẽ ở trạng thái giãn nở, sự tiếp xúc giữa không khí và nhiên liệu cũng được tăng lên rất nhiều. Các hạt chuyển động tự do và sôi giống như chất lỏng ở trạng thái này và được gọi là tầng sôi hay lớp sôi.

Phân loại các lò hơi tầng sôi

Lò hơi tầng sôi được chia làm 3 loại:

• AFBC Boiler: Lò hơi tầng sôi ở áp suất khí quyển, là loại lò tầng sôi phổ biến nhất. Nó còn được gọi với tên khác là lò hơi tầng sôi bọt (BFB Boiler). 

• CFBC Boiler: Lò hơi tầng sôi tuần hoàn, đây là biến thể tốc độ sôi cao của lò tầng sôi với vận tốc khói trong buồng đốt lên tới 4 – 6 m/s, các hạt rắn trong khói (bao gồm chất nền và nhiên liệu) sẽ được giữ lại nhờ Cyclone tách (loại nóng hoặc lạnh) và tuần hoàn trở lại buồng đốt. Loại lò tầng sôi này có hiệu quả đốt cháy nhiên liệu rất cao tuy nhiên giá thành đầu tư ban đầu cũng cao tương ứng. Vì vậy, lò CFBC thường được thiết kế đối với dải công suất từ 100 tấn/giờ trở lên. 

• PFBC Boiler: Lò hơi tầng sôi có áp, đây là biến thể đặc biệt của lò tầng sôi trong đó toàn bộ lò được đặt trong một khu vực áp suất cao (khoảng 16kg/cm2). Khí nóng sinh ra sau khi qua các bộ trao đổi nhiệt được sử dụng để chạy tua bin khí. Hơi nước sinh ra từ các bộ trao đổi nhiệt được sử dụng để chạy tua bin hơi. Lò hơi PFBC nhìn chung có hiệu suất hệ thống cao hơn so với hai dạng còn lại tuy nhiên chi phí đầu tư cũng rất cao và cấu tạo hệ thống phức tạp là trở ngại lớn. Dải công suất thiết kế của PFBC là 70 – 350 MW.

Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của lò hơi tầng sôi

Cấu tạo :gồm 5 hệ thống con

• Hệ thống cấp liệu
• Buồng đốt
• Hệ thống gió và khói
•  Hệ thống thải xỉ và xử lý khí thải
•  Bộ phận sinh tơi

 Hệ thống cấp liệu

Không như các lò hơi kiểu cũ (lò ghi xích và ghi tĩnh), nhiên liệu cấp cho lò hơi tầng sôi đòi hỏi phải có kích thước đồng đều và độ lớn theo quy định nhằm đạt được điều kiện đốt cháy tối ưu. Đối với than, giới hạn kích thước là 0-10mm. Đối với biomass nói chung, giới hạn kích thước là 0-50mm. Nhiên liệu có thể được vận chuyển bằng băng tải, vít, gàu tải… tới các si lô chứa để dự trữ hoặc cấp trực tiếp đến lò hơi. Tùy theo loại nhiên liệu hoặc bố trí mặt bằng mà hệ thống cấp liệu sẽ được thiết kế để tối ưu nhất. Hệ thống cấp liệu có thể có thêm các thiết bị cảm biến đo khối lượng (loadcell) lắp trên các phễu chứa nhiên liệu hay lắp trên băng tải nhiên liệu để đo lường lượng nhiên liệu cấp vào lò, phục vụ cho việc tính tiêu hao nhiên liệu và hiệu suất của lò hơi.

Đối với lò tầng sôi, nhiên liệu cấp vào lò có thể được phun bên trên mặt lớp sôi hoặc cấp từ bên dưới lớp sôi. Kiểu cấp liệu bên dưới lớp sôi chỉ được sử dụng đối với than đá đã qua nghiền sơ bộ với kích thước nhỏ và hiếm gặp trên thực tế. 

Một số lò hơi đốt các loại nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao sẽ cần cấp thêm đá vôi để xử lý nhằm giảm phát thải khí SOx. Các chất hấp thụ này sẽ được nghiền xuống cỡ hạt khoảng 0 - 6mm và phun vào buồng đốt.

 Buồng đốt

Buồng đốt lò hơi tầng sôi đóng vai trò tiếp nhận nhiên liệu đốt và đốt cháy nhiên liệu tại đây, nhằm cung cấp nhiệt cho cụm sinh hơi.

Buồng đốt lò hơi tầng sôi bao gồm các thiết bị như: Quạt gió cấp 1, quạt gió cấp 2 có thể có cả gió cấp 3, hệ thống hộp gió, hệ thổng thải xỉ và ghi lò hơi tầng sôi.

Gió cấp 1 sau khi được gia nhiệt thông qua bộ sấy không khí (Bộ sấy không khí tĩnh hoặc bộ sấy không khí quay) thì được đẩy vào hộp gió dưới sàn ghi, hộp gió đạt tới một áp suất nhất định thì nó đẩy các hạt là lớp sôi thông qua béc phun gió bằng gang nằm ở sàn ghi lò hơi tầng sôi.

Thông qua gió cấp 1 kết hợp với hệ thống thải xỉ chúng ta có thể điều chỉnh tốc độ sôi của lớp sôi cao và thấp nhằm đảm bảo nhiên liệu cháy được kiệt.

Hệ thống quạt gió cấp 2 và có thể có cả gió cấp 3 chúng đóng vai trò cung cấp, điều tiết lượng oxy trong lò nhằm duy trì, cân bằng theo tỷ lệ phù hợp với nhiên liệu đốt.

 Hệ thông gió và khói

Gió cấp một tạo lớp sôi (Primary Air) được gia nhiệt khi đi qua bộ sấy không khí và đi vào buồng phân phối gió dưới đáy lò. Mặt trên buồng phân phối gió có rất nhiều béc phun nhằm phân đều lượng gió cấp ra khắp bề mặt buồng đốt giúp buồng đốt sôi đều. Các béc phun cũng ngăn các hạt rắn trong lớp sôi lọt vào buồng cấp gió. Thiết kế hệ thống phân phối gió để buồng đốt sôi đều là cực kỳ quan trọng đối với lò tầng sôi.

Gió cấp hai (Secondary Air) sẽ được cấp vào bên trên vùng buồng đốt trống để cấp thêm oxy nhằm đốt cháy các chất bốc bị đẩy lên cao. Tùy theo loại nhiên liệu mà gió cấp hai có thể chiếm tỷ trọng cao hay thấp hoặc có thể bị loại bỏ.

Nhiệt lượng do khói nóng khi đi từ buồng đốt dưới đến buồng đốt trên sẽ bị hấp thu bởi các tường nước xung quanh buồng đốt, sau khi qua khỏi khu vực buồng đốt, nhiệt độ khói giảm xuống khoảng 600oC. Khói tiếp tục đi qua vùng đối lưu và truyền nhiệt lượng cho các ống nước trong khu vực này trước khi ra khỏi lò. Sau đó, khói nóng đi qua bộ hâm nước, bộ sấy không khí rồi đến hệ thống xử lý khói. Sau khi đạt các tiêu chuẩn môi trường, khói được đẩy lên ống khói và thải ra ngoài không khí.

 Hệ thống thải xỉ và xử lý khí thải

Thông thường, một lò hơi sẽ thải rác ở dạng khói và chất rắn. Trong đó, khói hay khí thải bao gồm một số loại như SOx, NOx, COx,…là dạng xỉ thải có tỉ trọng to lớn trước khi ra ngoài môi trường. 

Chính vì vậy mà hệ thống lò hơi tầng sôi thường ưu tiên lắp đặt các thiết bị xử lý khói thải. Còn chất rắn là tất cả các xỉ, tro tự nhiên của nhiên liệu sau khi bị đốt cháy. 

Ưu điểm của các lò hơi tầng sôi là sở hữu buồng đốt được vận hành ở nhiệt độ dưới 900 độ C. Chính điều này giúp lò hơi được phát triển giống như một bộ xử lý khí thải hoạt động ở công suất cao. 

Điều này đảm bảo cho hệ thống nồi hơi tầng sôi không cần phải lắp đặt các thiết bị đắt tiền mà vẫn đảm bảo đáp ứng các thông số về bảo vệ môi trường. 

Hệ thống lọc và thải xỉ gồm bộ lọc Cyclone, túi lọc, lọc bụi tĩnh điện cùng thiết bị xử lý khí thải như SOx, NOx,…Các loại xỉ thải với kích thước lớn thường bao gồm các hạt bụi mịn bay theo khói. Khi nó đi ra khỏi buồng đốt được lọc bụi tại bộ hâm nước. Toàn bộ lượng tro vừa lọc sẽ được đưa ra ở phần đuôi lò.

 Bộ phận sinh hơi

Giống như các lò hơi thông thường khác, lò tầng sôi cũng có các phần sinh hơi như tường nước, ống đối lưu, ống bức xạ… Các ống quá nhiệt có thể được bố trí ở khu vực buồng đốt trên cũng như ở khu vực đối lưu.

Nước cấp được bơm vào balong sau khi đi qua bộ hâm nước. Tại balong, nước tiếp tục theo các ống nước xuống để đến các ống góp dưới, sau đó đi lên qua các ống vách ướt, đối lưu và được gia nhiệt đến nhiệt độ bay hơi sau đó về lại balong. Ở balong hơi được tách ra và cấp đến khách hàng. Đối với các lò quá nhiệt, hơi tách ra tại balong sẽ tiếp tục đi qua các ống quá nhiệt để trở thành hơi quá nhiệt nhằm chạy tua bin hơi.

Nguyên lý hoạt động lò hơi tầng sôi

Về cơ bản, lò hơi tầng sôi hoạt động dựa trên nguyên lý của quá trình trao đổi nhiệt giữa nước và hơi nước. Nguyên lý này dựa trên việc nước được đưa vào lò hơi và được đun sôi, tạo ra hơi nước. Hơi nước sẽ được tách ra khỏi nước và dẫn đến các bộ phận của lò hơi để sản xuất năng lượng.

Cụ thể, lò hơi tầng sôi có một thùng chứa nước được đặt ở đáy, được kết nối với một bộ đốt ở trên. Khi đốt nhiên liệu, nhiệt được tạo ra sẽ truyền qua thành lò và đun sôi nước trong thùng chứa. Khi nước đun sôi, hơi nước được tạo ra và dẫn đến tầng trên cùng của lò hơi.

Ở đây, hơi nước sẽ tiếp xúc với các bộ phận của lò hơi, bao gồm: bộ lọc và bộ phân tách để loại bỏ các chất bẩn và các tạp chất khác. Sau đó, hơi nước sẽ tiếp tục dẫn đến bộ phận xử lý để tăng áp suất và tăng nhiệt độ của hơi nước.

Cuối cùng, hơi nước được dẫn đến các bộ phận sử dụng để sản xuất năng lượng như: động cơ và máy phát điện. Sau khi truyền năng lượng, hơi nước sẽ được chuyển đổi lại thành nước và trở về thùng chứa nước để lặp lại quá trình đun sôi và sản xuất năng lượng.

Ưu điểm,nhược điểm của lò hơi tầng sôi

Ưu điểm:

• Lò tầng sôi bọt có thể được thiết kế để đốt cháy bất kỳ loại nhiên liệu nào, bao gồm than đá với độ tro 60 - 70% hoặc có tỷ lệ chất bốc nhỏ hơn 1%. 
•   Các chi tiết chuyển động trong lò hơi tầng sôi ít hơn nhiều so với các lò hơi sử dụng nguyên lý cũ như lò ghi xích. 
•  Lò tầng sôi có thể đáp ứng được các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt mà không cần dùng đến các thiết bị xử lý đắt tiền. 
•  Nhiên liệu sử dụng đa dạng: Than cám, trấu rời, trấu viên, củi viên, củi băm, rác ngành giấy, biomass…

Nhược điểm: 

•  Đối với lò tầng sôi đốt than đá có tỷ lệ cốc cao, đòi hỏi phải có chùm ống ngâm trong lớp sôi để giữ cho buồng đốt không bị quá nhiệt, tuy nhiên tuổi thọ của chùm ống này thường thấp do phải chịu mài mòn liên tục. 
•  Lò tầng sôi bọt yêu cầu diện tích buồng đốt rất lớn nếu so về cùng một công suất với lò tầng sôi tuần hoàn hay lò than phun. Do đó lò tầng sôi bọt không thể thay thế hoàn toàn lò than phun nhất là đối với dải công suất lớn. 
•  Lò tầng sôi bọt yêu cầu rất nhiều điểm cấp liệu do khả năng phân tán nhiên liệu trong buồng đốt không tốt bằng lò tầng sôi tuần hoàn. Vì vậy lò tầng sôi bọt chỉ được thiết kế ở dải công suất nhỏ và trung bình. 
•   Mặc dù lò tầng sôi bọt có thể đốt được nhiều loại nhiên liệu, tuy nhiên vẫn bắt buộc phải sửa lại thiết kế của lò nếu thay đổi loại nhiên liệu đã thiết kế bằng nhiên liệu khác cho dù tốt hơn hay kém hơn loại nhiên liệu cũ. 
• Tải tối thiểu của lò tầng sôi bọt bị hạn chế, thông thường chỉ chạy tải nhỏ nhất 30 - 40% công suất thiết kế.

Ứng dụng của lò hơi tầng sôi

•  Lò hơi tầng sôi được sử dụng nhiều trong lĩnh vực công nghiệp do các nhà máy đều có nhu cầu sử dụng hơi -nhiệt -điện.Trong các nhà máy chế biến thực phẩm lò hơi tầng sôi đượcsử dụng để cung cấp hơi-nhiệt cho quá trình đun,nấu ,thanh trùng
•  Ngoài ra ,còn được ứng dụng trong các nhà máy giấy, dệt nhuộm, đường , thức ăn chăn nuôi, dược phẩm,…vì giúp doanh nghiệp tiết kiệm được nhiên liệu đến 80%

•  Lò hơi tầng sôi còn được ứng dụng trong ngành sản xuất điện bằng cách tạo ra dòng hơi nước có động năng cao,làm quay tua bin máy phát điện,tạo ra điện.

Trên đây là những thông tin về lò hơi tầng sôi đã được công ty Lò Hơi Bách Khoa tổng hợp để giúp quý khách hàng có nhiều hiểu biết hơn về công nghệ hiện đại này. Nếu có bất kỳ nhu cầu nào về thiết kế, lắp đặt cũng như vận hành lò hơi tầng sôi, hãy liên hệ đến Lò Hơi Bách Khoa  để được tư vấn và hỗ trợ nhanh chóng, kịp thời và đầy đủ nhất thông qua thông tin liên hệ: 

CÔNG TY CỔ PHẦN LÒ HƠI BÁCH KHOA

Địa chỉ: Số 15A/8 Đường Tam Bình, P. Hiệp Bình Chánh, Tp Thủ Đức, Tp Hồ Chí Minh

Hotline: 0917 754 059

Email: truongnv@hexboiler.com