LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
Tổng quan về các công nghệ xử lý rác và nhà máy điện rác
1.1.1.Số liệu về rác thải sinh hoạt đô thị tại Việt Nam
Tình hình phát sinh và xử lý chất thải rắn (CTR) ở khu vực đô thị đang trở thành một vấn đề môi trường nghiêm trọng, với khoảng 38.000 tấn CTR sinh hoạt phát sinh mỗi ngày, tăng trung bình 12% mỗi năm Trong số đó, tỷ lệ chất thải hữu cơ chiếm từ 54 - 77%, trong khi chất thải có thể tái chế, bao gồm nhựa và kim loại, chỉ chiếm khoảng 8 - 18% Đặc biệt, chất thải nguy hại (CTNH) bị lẫn vào chất thải sinh hoạt tại các bãi chôn lấp dao động từ 0,02 đến 0,82% Bên cạnh đó, chất thải rắn y tế phát sinh đạt 600 tấn/ngày, với mức gia tăng khoảng 7,6% mỗi năm.
Công tác phân loại, thu gom và xử lý CTR đã đạt được những kết quả nhất định.
Tỷ lệ thu gom và xử lý chất thải rắn sinh hoạt (CTR) trung bình đã đạt khoảng 85% vào năm 2014 và tăng nhẹ lên 85,3% vào năm 2015 Các phương pháp xử lý CTR phổ biến bao gồm chôn lấp, ủ phân hữu cơ và đốt Trong khu vực đô thị, khoảng 34% CTR được chôn lấp trực tiếp, 42% được tái chế tại các cơ sở xử lý, trong khi 24% còn lại là bã thải từ quá trình xử lý cũng bị chôn lấp Đáng chú ý, phần lớn CTR sinh hoạt đô thị vẫn chưa được phân loại tại nguồn, và tại một số đô thị lớn, hoạt động phân loại này chỉ mới được triển khai thí điểm tại một số phường, quận.
(Trích: Báo cáo môi trường quốc gia năm 2016)
1.1.2 Các công nghệ xử lí rác
Dựa trên tình hình kinh tế-xã hội và đặc điểm rác thải tại Việt Nam, các phương pháp xử lý rác thải khả thi hiện nay bao gồm phân loại và thu gom, chôn lấp hợp vệ sinh, và đốt rác phát điện Trong đó, phân loại và tái chế rác thải đóng vai trò quan trọng trong việc giảm lượng rác thải ra môi trường và tối ưu hóa tài nguyên.
Phương pháp phân loại và tái chế rác thải là quá trình thu hồi các vật liệu có thể tái chế như giấy, kim loại và nhựa, nhằm tối ưu hóa nguồn tài nguyên và bảo vệ môi trường Phân loại rác từ nguồn giúp xử lý triệt để chất thải độc hại và tiết kiệm chi phí Tuy nhiên, tại Việt Nam, việc phân loại và tái chế chủ yếu chỉ diễn ra tại nhà máy xử lý, với tỷ lệ phân loại đạt khoảng 43% Phương pháp phân loại tại nguồn vẫn còn hạn chế do thiếu sự quyết tâm từ lãnh đạo, chưa đồng bộ trong quy trình xử lý và ý thức của người dân còn thấp.
Hình 1.1 Nhà máy phân loại rác Điện Biên b.Chôn lấp hợp vệ sinh
Chôn lấp hợp vệ sinh là phương pháp xử lý rác thải bằng cách chôn lấp trong các hố chứa có lớp chống thấm, nơi rác được đầm chặt và che phủ Quá trình này giúp thu gom và xử lý nước rỉ rác cùng các khí sinh học, nhằm ngăn chặn ô nhiễm đất, nước ngầm và không khí.
Chôn lấp hợp vệ sinh tiêu tốn nhiều tài nguyên đất và việc chọn địa điểm là một thách thức lớn Các yếu tố như giao thông, thủy văn và địa hình khiến nhiều thành phố và vùng ngoại ô khó tìm được vị trí phù hợp cho nhà máy xử lý rác thải, buộc phải xây dựng xa hơn, với khoảng cách trung bình lên tới hơn 60 km Hơn nữa, bãi rác chiếm diện tích lớn là một nhược điểm đáng kể của phương pháp này.
Trong bối cảnh quỹ đất hạn hẹp và nhu cầu xử lý rác thải gia tăng, nhiều bãi chôn lấp rác tại các thành phố đang bị quá tải, dẫn đến ô nhiễm môi trường Quy hoạch các bãi chôn lấp thay thế gặp khó khăn do yêu cầu về giao thông, thủy văn, địa hình, cũng như thiếu quỹ đất và sự phản đối từ cộng đồng Ở châu Âu, chôn lấp rác chỉ được coi là giải pháp cuối cùng, ưu tiên cho rác thải vô cơ Tại Việt Nam, phương pháp chôn lấp vẫn phổ biến do yếu tố kinh tế, đóng vai trò quan trọng trong quy trình xử lý rác thải, nhưng chính sách mới đang dần giảm ưu tiên cho phương pháp này.
Đốt rác phát điện (WTE) là phương pháp thu hồi năng lượng từ rác thải thông qua quá trình đốt trong lò đốt Nhiệt lượng từ việc cháy rác được sử dụng để gia nhiệt nước, tạo hơi, và hơi này sẽ quay tuabin để sản xuất điện năng Để đảm bảo quá trình đốt hiệu quả, rác thải cần có nhiệt trị tối thiểu là 3347 kJ/kg, nhưng để đạt hiệu quả kinh tế, nhiệt trị yêu cầu cho công nghệ WTE phải cao hơn 4187 kJ/kg.
Công nghệ WTE giúp giảm đến 90% thể tích rác thải, từ đó giảm thiểu diện tích đất chôn lấp Khi đốt rác ở nhiệt độ cao, công nghệ này còn phân hủy các thành phần độc hại có trong rác Mặc dù WTE chiếm ít diện tích hơn so với các phương pháp xử lý khác, nhưng chi phí đầu tư lại khá cao Để đảm bảo hiệu quả kinh tế, công suất xử lý rác thải của nhà máy cần đạt trên 200 tấn/ngày.
Công nghệ WTE (Waste-to-Energy) đã được nghiên cứu và hoàn thiện trên toàn cầu, trở thành xu thế phổ biến trong xử lý rác thải sinh hoạt đô thị (MSW), đặc biệt tại các quốc gia có diện tích nhỏ và nền kinh tế phát triển Tại Việt Nam, nhà máy đốt rác phát điện duy nhất hiện có công suất 75 tấn/ngày tại Nam Sơn, Sóc Sơn, Hà Nội Chính quyền nhiều thành phố Việt Nam đang ngày càng quan tâm đến công nghệ WTE, coi đây là giải pháp tất yếu cho vấn đề xử lý rác thải đô thị hiện nay.
Hình 1.3 Nhà máy WTE Covanta, Hoa Kỳ
Sự cần thiết của nhà máy điện rác tại Việt Nam
Mỗi phương pháp xử lý rác đều có ưu và nhược điểm riêng, vì vậy việc lựa chọn phương pháp phù hợp cho một thành phố cần cân nhắc kỹ lưỡng về tình hình kinh tế-xã hội và đặc tính rác sinh hoạt Để tối ưu hóa lợi ích từ việc xử lý rác, các phương pháp này có thể được áp dụng kết hợp.
Rác thải sinh hoạt đô thị tại Việt Nam hiện nay chủ yếu là rác thải không phân loại, khiến việc phân loại từ đầu nguồn trở thành một thách thức lớn Công tác phân loại tại các nhà máy chỉ giải quyết phần ngọn của vấn đề, trong khi phần bã cặn vẫn phải xử lý bằng phương pháp chôn lấp Phương pháp này, dù là chôn lấp hợp vệ sinh, đang gây ra tình trạng quá tải và khó khăn trong việc tìm kiếm bãi rác mới do hạn chế về đất đai và sự phản đối từ cộng đồng Công nghệ WTE (Waste-to-Energy) có khả năng xử lý triệt để rác thải, bao gồm cả rác không phân loại, với khả năng giảm đến 90% thể tích rác sau khi cháy, giúp tiết kiệm diện tích chôn lấp và giảm ô nhiễm môi trường Với thành phần rác thải ngày càng chứa nhiều chất dễ cháy, WTE trở thành nguồn nhiên liệu hiệu quả cho quá trình xử lý Nhiều thành phố tại Việt Nam có thể đáp ứng công suất trên 200 tấn/ngày, cho thấy công nghệ WTE không chỉ khả thi mà còn có lợi về mặt kinh tế, hứa hẹn trở thành xu thế và giải pháp cho vấn đề xử lý rác thải đô thị.
Lựa chọn kiểu nhà máy điện sử dụng nhiên liệu là rác thải rắn sinh hoạt
Công nghệ đốt rác phát điện đã được phát triển từ lâu, dẫn đến sự đa dạng trong các kiểu nhà máy nhiệt điện hiện nay Việc lựa chọn loại hình nhà máy phụ thuộc vào nhiều yếu tố như khả năng kinh tế của chủ đầu tư, mức độ làm chủ công nghệ trong nước, vị trí địa lý, thủy văn và đặc điểm nguồn rác thải Do đó, các nhà thiết kế và chủ đầu tư cần xem xét, đánh giá và lựa chọn cẩn thận để tối đa hóa lợi ích, hạn chế khó khăn, nhằm đảm bảo nhà máy hoạt động ổn định, hiệu quả và bền vững.
Nhà máy nhiệt điện đốt rác đựợc phân loại dựa trên sự phân biệt sử dụng các thiết bị sau: Lò hơi, tuabin và nguồn nước làm mát
Lò hơi là phần quan trọng nhất của nhà máy nhiệt điện, chuyển hóa năng lượng hóa học thành nhiệt năng Hiện nay, có hai loại lò phổ biến trong nhà máy nhiệt điện đốt rác sinh hoạt là lò ghi cơ học và lò tầng sôi Lò tầng sôi hoạt động hiệu quả nhờ vào lớp vật chất lơ lửng, nhưng yêu cầu hệ thống nghiền rác phức tạp và tiêu tốn nhiều năng lượng, làm tăng chi phí vận hành Ngược lại, lò ghi cơ học đã phát triển lâu và thích ứng tốt với rác thải có độ ẩm cao mà không cần xử lý trước, đồng thời có tuổi thọ và độ ổn định cao hơn Về phân loại tuabin, nhà máy điện rác thường không sử dụng tuabin đối áp do vị trí xa khu dân cư và khu công nghiệp Tuabin ngưng hơi thuần túy có hiệu suất thấp, vì vậy tuabin ngưng hơi có trích hơi điều chỉnh là lựa chọn tối ưu để nâng cao hiệu suất của chu trình trong nhà máy điện rác.
Có hai phương thức làm mát dựa vào nguồn nước, bao gồm làm mát bằng nước sông, hồ và làm mát bằng tháp giải nhiệt Việc lựa chọn phương thức nào phụ thuộc vào vị trí địa lý và điều kiện thủy văn của khu vực xây dựng nhà máy Trong trường hợp này, nhà máy được thiết kế gần một con sông có lưu lượng nước đủ để đáp ứng nhu cầu làm mát, do đó sẽ sử dụng nước sông tự nhiên làm nguồn nước làm mát.
Lựa chọn công suất tổ máy và các thông số đầu vào
1.4.1.Thông số tổ máy 6MW
Việc lựa chọn thông số nhiệt động đầu vào cho nhà máy nhiệt điện là rất quan trọng Những thông số được chọn hợp lý sẽ đảm bảo cho nhà máy hoạt động ổn định, hiệu quả cao và tiết kiệm chi phí đầu tư, từ đó mang lại lợi ích kinh tế lâu dài cho nhà đầu tư.
Khi lựa chọn các thông số cho hệ thống, cần chú ý đến áp suất, nhiệt độ hơi quá nhiệt, và áp suất bình khử khí Ngoài ra, số cấp và áp suất tương ứng của mỗi cấp gia nhiệt nước cấp cũng rất quan trọng, cùng với nhiệt độ nước cấp và tỉ lệ hơi rò rỉ Các yếu tố như chèn trục, ejector và hệ số xả lò cũng cần được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu suất tối ưu cho hệ thống.
Áp suất và nhiệt độ của hơi quá nhiệt là hai thông số quan trọng nhất trong chu trình nhiệt, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ bền của tuabin Khi áp suất và nhiệt độ hơi quá nhiệt cao, hiệu suất chu trình tăng lên, nhưng đồng thời cũng gây ra vấn đề ăn mòn và mài mòn nghiêm trọng trên bề mặt lò đốt, đặc biệt là bộ quá nhiệt, do sự hiện diện của các khí axit và hàm lượng tro lớn trong sản phẩm cháy từ rác thải Tốc độ ăn mòn và mài mòn phụ thuộc vào nhiệt độ bề mặt đốt, do đó cần lựa chọn vật liệu chất lượng cao hơn Việc tìm kiếm thông số áp suất và nhiệt độ hơi quá nhiệt cho nhà máy cần cân bằng giữa các yếu tố này, với áp suất hơi được chọn là 40 bar và nhiệt độ hơi bão hòa là 400 độ C Ngoài ra, áp suất bình ngưng cũng ảnh hưởng lớn đến hiệu suất tuabin, phụ thuộc vào nhiệt độ nước làm mát, được chọn là 32 độ C, dẫn đến áp suất bình ngưng là 0.085 bar.
Tuabin được lựa chọn cho dự án WINTEG là model của hãng SIEMENS, có công suất 7 MW Thiết bị này có thông số hơi với áp suất 40 bar và nhiệt độ 400 °C, đồng thời được trang bị 2 cấp gia nhiệt cho nước cấp.
Thông số các cửa trích và bình gia nhiệt như sau
Bảng 1.1 Thông số các bình gia nhiệt
Bình gia nhiệt Áp suất (bar) Nhiệt độ ( o C)
Thông số về lượng hơi đi đi chèn trục, cấp cho ejector, rò rỉ, xả lò như sau:
Bảng 1.2 Các thành phần nước (hơi) tổn thất
1.4.2.Thông số chất thải rắn sinh hoạt đô thị (MSW) đầu vào
Thành phần rác thải là yếu tố quyết định trong việc lựa chọn công nghệ và thiết kế nhà máy, ảnh hưởng đến hiệu quả và sự ổn định lâu dài của hoạt động Việc xác định chính xác thành phần rác thải cho nhà máy nhiệt điện cần tính đến xu hướng thay đổi trong tương lai, khi đời sống người dân cải thiện, dẫn đến sự gia tăng chất cháy và giảm độ ẩm, làm tăng nhiệt trị của rác Ngoài ra, công tác vận chuyển, thời tiết và quy trình xử lý rác đầu vào cũng tác động đến độ ẩm của rác Dựa trên việc định lượng thành phần rác hiện tại và xem xét các yếu tố biến đổi, tôi đề xuất thành phần MSW như sau:
Bảng 1.3.Thành phần của nhiên liệu
Công đoạn chuẩn bị nhiên liệu là chất thải rắn sinh hoạt đầu vào
Rác từ các điểm tập kết được thu gom bằng xe chở rác và vận chuyển đến nhà máy, nơi xe chở rác đi qua trạm cân trước khi vào sảnh đổ rác vào bể chứa Bể chứa có thể tích đủ để lưu trữ rác trong vài ngày và được xây dựng kín để ngăn mùi lan tỏa ra ngoài Sau vài ngày, rác trong bể phát sinh khí cháy như CH4 và nước rỉ rác Khí cháy được hút vào buồng đốt nhờ quạt hút và sự chênh lệch nhiệt độ, trong khi nước rỉ rác được xử lý trong hệ thống xử lý riêng Hệ thống ngầu ngoạm di chuyển giúp xới tung rác, đảm bảo thành phần rác đồng đều để quá trình cháy diễn ra ổn định Cuối cùng, rác được chuyển vào phễu và đẩy vào sàn ghi nhờ hệ thống ben thủy lực để cung cấp nhiên liệu cho lò đốt.
Hình 1 4 Hệ thống tiếp nhận rác của nhà máy WTE
Lựa chọn công nghệ xử lý khói thải
Khí thải từ quá trình đốt chất thải sinh hoạt đô thị chứa nhiều thành phần độc hại như bụi, khí axit (SOx, NOx) và các chất độc hữu cơ (dioxin, furan) Do đó, việc xây dựng hệ thống xử lý các chất độc hại này là cần thiết để bảo vệ môi trường Có nhiều phương pháp xử lý khác nhau cho từng thành phần độc hại, và việc lựa chọn giải pháp phù hợp phải tuân thủ tiêu chuẩn TCVN cũng như phù hợp với điều kiện kinh tế của dự án Vì vậy, việc chọn lựa phương pháp xử lý phát thải cho từng thành phần độc hại đóng vai trò quan trọng trong thành công của toàn bộ dự án.
1.6.1.Loại bỏ các hạt bụi
Thiết bị lọc bụi có nhiều loại như lắng đọng, lốc xoáy, lọc bụi túi vải và lọc bụi tĩnh điện Việc lựa chọn phương pháp lọc bụi phù hợp phụ thuộc vào thành phần bụi của khói lò, yêu cầu môi trường và khả năng kinh tế của dự án Trong các nhà máy nhiệt điện, lọc bụi túi vải và lọc bụi tĩnh điện là hai phương pháp phổ biến, cả hai đều có hiệu quả xử lý bụi tương đương nhau Bộ lọc bụi tĩnh điện tiêu tốn điện cho quá trình ion hóa, trong khi bộ lọc bụi túi vải tiêu tốn điện cho quạt hút Do đó, trong thiết kế, phương pháp lọc bụi túi vải sẽ được ưu tiên sử dụng.
1.6.2.Loại bỏ các khí axit HCl, HF, SO x
Có 3 phương pháp xử lí khí axit chính là phương pháp xử lí khô, bán khô, và ướt theo mức độ hiệu quả xử lí tăng dần Môi chất thường được sử dụng cho cả 3 phương pháp này là vôi Ca(OH)2 ở dạng bột hoặc dạng dung dịch.
Phương pháp ướt mang lại hiệu quả cao nhất trong xử lý nước thải nhưng yêu cầu hệ thống phức tạp và chi phí vận hành cao Trong khi đó, phương pháp bán khô có hiệu quả trung bình, với hệ thống đơn giản và chi phí thấp hơn, nhưng quá trình vận hành phức tạp và khó đảm bảo chất lượng đầu ra Cuối cùng, phương pháp khô có hiệu quả thấp nhất nhưng lại có cấu trúc đơn giản, chi phí thấp và dễ vận hành, đồng thời đảm bảo hoạt động của bộ lọc bụi túi vải Do đó, thiết kế này sẽ ưu tiên sử dụng phương pháp xử lý khô.
1.6.3.Kiểm soát các chất ô nhiễm hữu cơ Để loại bỏ dioxin/furan, người ta thường áp dụng tổ hợp nhiều biện pháp khác nhau: từ kiểm soát nhiên liệu đầu vào, loại bỏ các thành phần tiền chất sinh ra dioxin, furan (nếu có điều kiện); kiểm soát quá trình cháy theo nguyên tắc “3T+E” (Nhiệt độ cháy, thời gian lưu, độ khuấy động của dòng khói trong lò, lượng oxi dư); hấp thụ lượng dioxin/furan hình thành trong khói thải bằng các chất hấp phụ như than hoạt tính.
Trong thiết kế này, cần tuân thủ nguyên tắc “3T+E” để giảm thiểu sự hình thành dioxin/furan Hệ thống xử lý khói thải sẽ được trang bị thiết bị hấp phụ khô bằng than hoạt tính nhằm hạn chế tối đa lượng dioxin/furan phát sinh.
TÍNH TOÁN SƠ ĐỒ NHIỆT NGUYÊN LÍ
Lập sơ đồ nguyên lí cho tổ máy
Hình 2.1 Sơ đồ nhiệt nguyên lí của chu trình nhà máy nhiệt điện.
Nguyên lí hoạt động của chu trình nhà máy nhiệt điện:
Ban đầu hơi sinh ra từ lò hơi qua bộ quá nhiệt trở thành hơi quá nhiệt có thông số
Hơi nước ở áp suất 40 bar và nhiệt độ 400 °C đi qua van stop vào tuabin, nơi nó giãn nở sinh công và làm quay tuabin Trục của tuabin được kết nối với trục máy phát thông qua hộp giảm tốc, giúp máy phát quay với tần số 50 Hz và sản xuất điện Sau khi sinh công trong tuabin, hơi nước được làm mát trong bình ngưng nhờ nước từ sông, làm cho hơi nước ngưng tụ và được bơm vào bình GNHA Nước ngưng sau đó được gia nhiệt bằng hơi trích từ tuabin ở áp suất 0.7 bar, với hơi bão hòa có độ khô 0.96 Cuối cùng, nước ngưng từ bình GNHA được đưa vào bình KK để loại bỏ các thành phần khí không ngưng.
KK được duy trì nhờ hơi trích với thông số 5.1 bar và 200 độ C thông qua van điều chỉnh để gia nhiệt cho nước ngưng Nước ngưng từ bình khử khí được bơm vào bình GNCA, nơi nước cấp được gia nhiệt bằng hơi trích có cùng thông số Sau đó, nước cấp được đưa vào lò hơi để nhận nhiệt sinh hơi và tiếp tục được gia nhiệt đến quá nhiệt tại bộ quá nhiệt Cuối cùng, nước ngưng từ bình GNHA được đưa về bình ngưng, trong khi nước ngưng từ bình GNCA được chuyển vào bình KK.
Lập bảng thông số hơi và nước
Bảng 2.1 Bảng thông số của hơi và nước Điểm Thiết bị
Thông số hơi Thông số nước ttr
Trong tính toán thiết lập bảng thông số của hơi và nước, ta chọn một số thông số như sau:
Tổn thất áp suất hơi mới qua van stop là 5%
Tổn thất áp suất từ cửa trích đến các bình gia nhiệt là 5%
Tổn thất áp suất qua van điều chỉnh trên đường hơi dẫn đến bình KK là 5% Đồng thời, áp suất lò hơi cao hơn áp suất hơi mới trước van stop là 10%.
Tổn thất áp suất qua bình GNCA là 1.5 bar, tổn thất áp suất qua bình GNHA là 1 bar, qua bộ hâm nước là 1 bar
Chiều cao từ bình GNHA đến bình khử khí là 10m, chiều cao từ bình GNCA đến bộ hâm nước là 10m
Tính toán cân bằng nhiệt và vật chất cho sơ đồ nguyên lí
2.4.1.Tính cân bằng nhiệt bình phân li
Bảng 2.2 Bảng thông số nhiệt động của BPL
Tên đại lượng Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Tỉ lệ nước xả lò xl , 0.02
Entanpi của nước xả lò i BH ' kJ/kg 1115 Áp suất bình phân li pBPL Bar 2
Entanpi của nước xả từ bình phân li i' xl kJ/kg 505 Độ khô của hơi ra xh 0.9
Entanpi của hơi thoát từ bình phân li i h kJ/kg 2486
Tỉ lệ hơi thoát từ BPL h Cần tính
Tỉ lệ nước xả từ bình phân li xl " Cần tính
Ta có phương trình cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt như sau:
Giải 2 phương trình trên ta được:
Hình 2.2 Sơ đồ cân bằng nhiệt BPL 2.4.2.Tính cân bằng nhiệt bình gia nhiệt nước cấp bổ sung
Bảng 2.3 Bảng thông số nhiệt động của BGNBS
Tên đại lượng Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Tỉ lệ nước xả lò xl 0.02
Tỉ lệ nước rò rỉ rr 0.012
Nhiệt độ nước bổ sung tbs oC 25 Độ chênh lệch nhiệt độ của nước bổ sung sau
Tỉ lệ nước xả từ bình phân li xl " 0.346 Áp suất của nước bổ sung pbs Bar 1
Entapi của nước bổ sung trước BGNBS i bs tr kJ/kg 105
Entapi của nước bổ sung sau BGNBS i bs s kJ/kg 168
Entanpi của nước xả lò sau bình phân li i ' xl kJ/kg 505
Entanpi của nước xả lò sau BGNBS i bo xl kJ/kg Cần tính
Nước xả lò Đi bình KK
Phương trình cân bằng vật chất và nhiệt: bs xl rr
( s tr ) ( bo ) bs i bs i bs xl i xl i xl
Giải hệ phương trình ta được:
bs =0.032 bo i xl I9 kJ/kg
Hình 2.3 Sơ đồ cân bằng nhiệt của BGNBS 2.4.3.Tính độ gia nhiệt của bơm cấp
Bảng 2.4 Bảng thông số xác định độ gia nhiệt nước cấp qua BC
Tên đại lượng Ký hiệu Đơn vị Cách xác định Giá trị Áp suất bao hơi PBH Bar Lấy 44 Áp suất bình KK PKK Bar Lấy 1.2
Trở lực qua GNCA PCA Bar Lấy 1.5
Trở lực qua bộ hâm nước pHN Bar Lấy 1
Chiều cao đầu đẩy hđ m Lấy 10
Chiều cao đầu hút hh m Lấy 10
Trở lực khác trên đầu đẩy ptlđ Bar Lấy 1
Chiều cao cột áp bơm cấp p BC Pa p BC 10 5 � � p BH p KK p CA p HN p tl d � � g h ( d h h ) 4630000 Khối lượng riêng trung bình của của nước qua bơm cấp kg/m 3 Lấy 950
Hiệu suất của BC BC Lấy 0.8 Độ gia nhiệt nước cấp khi qua bơm cấp BC kJ/kg BC BC
Entanpi của nước ngưng ra khỏi bình KK
Entanpi của nước cấp vào bình
GNCA i v CA kJ/kg i v CA i kk ' BC 445
Hình 2.4 Sơ đồ xác định độ gia nhiệt nước cấp qua BC
2.4.4.Tính cân bằng nhiệt bình GNCA
Ta có tỉ lệ lưu lượng nước đi vào GNCA bằng lưu lượng nước cấp và được xác định bằng công thức sau:
1 ej nc rr ct xl
Bảng 2.5 Bảng thông số nhiệt động của GNCA
Tên đại lượng Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Tỉ lệ nước cấp vào GNCA nc 1.046
Tỉ lệ hơi trích đi vào GNCA 11 Cần tính
Entanpi của nước cấp đi vào GNCA i v CA kJ/kg 445.157895
BGNCA Độ cao đầu đẩy Độ cao đầu hút
Entanpi của nước cấp ra khỏi GNCA i r CA kJ/kg 574
Entanpi của hơi đi trích đi vào GNCA i 1 kJ/kg 2854
Entanpi của nước ngưng đi ra khỏi GNCA i 1 ' kJ/kg 635
Hiệu suất của GNCA CA 0.95
Ta có phương trình cân bằng nhiệt của GNCA như sau:
Giải phương trình trên ta tìm được 11 =0.0639
Hình 2.5 Sơ đồ cân bằng nhiệt động của GNCA 2.4.5.Tính cân bằng nhiệt bình KK
Bảng 2.6 Bảng thông số nhiệt động của KK
Tên đại lượng Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Tỉ lệ hơi trích vào KK 12 Chưa biết
Entanpi của hơi trích i 1 kJ/kg 2854
Entanpi của nước ngưng đi ra khỏi KK i kk ' kJ/kg 439
Tỉ lệ nước ngưng đi vào KK
Entanpi của nước ngưng đi ra khỏi GNHA i HA r kJ/kg 308
Tỉ lệ nước cấp bổ sung bs 0.032
Entanpi của nước cấp bổ sung cấp vào KK i bs s kJ/kg 168
Tỉ lệ nước đọng từ GNCA 11 0.0639
Entanpi của nước đọng từ GNCA i 1 ' kJ/kg 635
Phương trình cân bằng vật chất và nhiệt:
( ) r s nn HA i i i bs bs i nc kk i
Giải hệ phương trình trên ta thu được:
Hình 2.6 Sơ đồ cân bằng nhiệt động của KK 2.4.6.Tính cân bằng nhiệt GNHA
Bảng 2.7 Bảng thông số nhiệt động của GNHA
Tên đại lượng Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Lưu lượng hơi trích tại cửa trích số 2 2 0.0566
Entanpi của hơi trích tại cửa trích số 2 i 2 kJ/kg 2432
Entanpi của nước đọng đi ra khỏi GNHA i 2 ' kJ/kg 371
Lưu lượng nước ngưng đi qua GNHA
Entanpi của nước ngưng đi ra GNHA i HA r kJ/kg 308 Độ gia nhiệt nước ngưng do tận dụng nhiệt từ ejector và chèn trục nn kJ/kg 5
Entanpi của nước ngưng đi vào GNHA i HA v kJ/kg 172
Phương trình cân bằng vật chất và nhiệt
Giải phương trình ta thu được 2
Hình 2.7 Sơ đồ cân bằng nhiệt động của GNHA 2.4.7.Tính kiểm tra cân bằng tại BN
Tính cân bằng vật chất:
Kết quả cân bằng vật chất tại bình ngưng cho thấy đường hơi và đường nước có kết quả bằng nhau, điều này chứng tỏ rằng quá trình tính toán đã được thực hiện chính xác mà không mắc sai sót nào.
Hình 2.8 Sơ đồ cân bằng nhiệt động tại BN
Tính toán lưu lượng nước làm mát:
Lấy độ gia nhiệt cho nước làm mát là 10K, ta có phương trình cân bằng nhiệt cho BN như sau:
Bảng 2.8 Bảng thông số nhiệt động của BN
Tên thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Tỉ lệ hơi thoát vào BN k 0.8321
Tỉ lệ nước làm mát lm Chưa biết
Entanpi của hơi thoát vào BN i k kJ/kg 2333
Entanpi của nước ngưng đi ra khỏi BN i BN kJ/kg 167
Nhiệt rung riêng của nước làm mát c p kJ/kgK 4.18
Bội số tuần hoàn của nước làm mát:
2.4.8.Tính cân bằng công suất tubin
Công suất tuabin, Ne=6 MW
Lấy tích hiệu suất cơ khí và hiệu suất máy phát điện, g m =0.96
Bảng 2.9 Bảng xác định hệ số không tận dụng nhiệt giáng. Điểm trích i ii (kJ/kg) yi
Lưu lượng hơi vào tubin được xác định theo công thức:
Bảng 2.10 Kết quả tính toán công suất mỗi cụm tầng Điểm trích Di (kg/s) hi (kJ/kg) Ni(kW)
Sai số trên chấp nhận được, do đó toàn bộ việc cân bằng nhiệt của chu trình chấp nhận được.
Xác định các chỉ tiêu kinh tế-kĩ thuật của tổ máy
2.5.1 Tiêu hao hơi vào tubin
2.5.2 Suất tiêu hao hơi cho tuabin
2.5.3 Tiêu hao nhiệt cho thiết bị tuabin
Lấy nhiệt độ nước cấp là 150 o C, áp suất lò hơi là 44 bar, entanpi của nước cấp i635 kJ/kg
2.5.4 Suất tiêu hao nhiệt cho thiết bị tuabin
2.5.5 Tiêu hao nhiệt cho lò hơi
Hơi quá nhiệt có áp suất 44 bar, nhiệt độ 405 o C, có entanpi iqn218 kJ/kg
2.5.6 Suất tiêu hao nhiệt cho lò hơi
2.5.7 Tiêu hao nhiệt cho toàn tổ máy
Lấy hiệu suất lò hơi là LH 0.8
2.5.8 Suất tiêu hao nhiệt cho toàn tổ máy c c e q Q
2.5.9 Hiệu suất truyền tải môi chất trong nhà máy
2.5.10 Hiệu suất của thiết bị tuabin
2.5.11 Hiệu suất của toàn tổ máy
2.5.12 Tiêu hao nhiên liệu cho toàn bộ tổ máy
Nhiệt trị nhiên liệu là Qnl = 8387 kJ/kg (Tính toán ở chương 3) e c nl
2.5.13 Suất tiêu hao nhiên liệu tiêu chuẩn cho toàn tổ máy e b B
TÍNH TOÁN, LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ CHÍNH CỦA TỔ MÁY
Tính toán, lựa chọn các thiết bị gian máy
Bơm cấp là thiết bị thiết yếu để gia áp cho nước cấp, đặc biệt quan trọng trong các nhà máy nhiệt điện nhằm đảm bảo hoạt động liên tục và ổn định của lò hơi Việc lựa chọn bơm cần chú ý đến độ chắc chắn và hiệu suất làm việc Bộ truyền động của bơm có thể là tuabin hơi hoặc động cơ điện, nhưng tuabin hơi chỉ nên áp dụng cho các nhà máy có công suất lớn Trong thiết kế này, bơm sẽ được vận hành bằng động cơ điện, bao gồm một bơm chính và các bơm phụ trợ.
2 bơm phụ, mỗi bơm có công suất bằng 50% bơm chính.
Bảng 3.1 Thông số để tính chọn BC
Thông số Ký hiệu Đợn vị Giá trị
Khối lượng riêng của nước cấp kg/m 3 950
Lưu lượng khối lượng định mức của nước cấp là 8.0073 m³/s, trong khi lưu lượng thể tích định mức đạt 0.00843 m³/s Độ chênh cột áp của bơm cấp là 4,680,000 Pa, với độ dự trữ về năng suất bơm là 5% và độ dự trữ về cột áp của bơm cũng là 5%.
Hiệu suất của bơm BC 0.8
Năng suất của bơm cấp được xác định bằng công thức sau:
Ta chọn một bơm chính có công suất 60 kW, 2 bơm dự phòng có công suất 30 kW.
Bảng 3.2 Thông số để tính chọn bơm ngưng
Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Chiều cao đầu hút Hh m 5
Chiều cao đầu đẩy Hđ m 10
Trở lực qua GNHA PHA Bar 1
Trở lực đường ống Ptl Bar 1 Áp suất BN Pk Bar 0.0738 Áp suất KK Pkk Bar 1.2
Khối lượng riêng trung bình của nước ngưng Kg/m 3 990
Lưu lượng khối lượng nước ngưng Qm Kg/s 6.9104
Lưu lượng thể tích nước ngưng Qv m 3 /s 0.00698
Hiệu suất bơm ngưng bn 0.8 Độ dự trữ về năng suất bơm Q % 5 Độ dự trữ về cột áp của bơm P % 5
Chiều cao cột áp của bơm ngưng được xác định bằng công thức:
BC KK K HA tl d h p p p p p g h h Pa
Công suất của bơm ngưng được xác định bằng công thức sau:
Ta chọn 2 bơm ngưng có công suất 4 kW
Hình 3.1 Sơ đồ xác định cột áp bơm ngưng 3.1.3 Tính chọn bơm tuần hoàn
Bảng 3.3 Các thông số để tính chọn bơm tuần hoàn
Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Lưu lượng hơi vào bình ngưng Qk Kg/s 6.37
Hệ số dự trữ bội số tuần hoàn m 1.2
Lưu lượng nước làm mát Qlm Kg/s 329.59
Khối lượng riêng của nước làm mát Kg/m 3 1000
Hiệu suất của bơm th 0.8
Chiều cao cột áp của bơm tuần hoàn được xác định bằng công thức: th P BN tl p gh P
Chiều cao đầu đẩy KK
P BN : Trở lực đi qua BN
P tl : trở lực đường ống, không đáng kể h: Chiều cao cột nước từ mặt sông đến BN, lấy h=5m
Trở lực đi qua bình ngưng được xác định bằng công thức:
Trong đó: z: Số chặng đường nước của bình ngưng, lấy z=2
Tốc độ dòng nước trong bình ngưng được xác định là 2 m/s, trong khi hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào đường kính trong của ống bình ngưng và nhiệt độ trung bình của nước trong ống.
Lấy đường kính trong của ống là di" mm, nhiệt độ trung bình của nước vào BN là
30 o C. b được xác định như sau: b b 1 1 0.007( t20) 0.078 1 0.007(35 20) 0.0835 b1 được tra theo bảng 3.2, trang 70, sách Thiết kế nhà máy nhiệt điện, Ths Phạm Văn Tân, Ths Nguyễn Công Hân
Vậy, trở lực qua bình ngưng là p BN
13000 Pa Chiều cao cột áp của bơm tuần hoàn:
Công suất của bơm được xác định bằng công thức:
Bảng 3.4 Bảng tính chọn bình ngưng
Thông số Ký hiệu Đợn vị Cách xác định Giá trị
Số ống bình ngưng chọn ban đầu n ống Chọn 1500 Đường kính ống dk mm Chọn 19
Lưu lượng hơi đi vào BN Qk Kg/s Đã tính toán ở phần trên 6.37
Entanpi của hơi vào BN ik kJ/kg Tra bảng 2333
Entanpi của nước ngưng đi ra khỏi BN
Hiệu suất BN BN Lấy 0.95
Lưu lượng khối lượng của nước làm mát m
Q lm Kg/s Đã tính toán ở phần trên 329.59
Khôi lượng riêng của nước làm mát lm
Kg/m 3 Tra bảng thông số nhiệt động của nước 1000
Lưu lượng thể tích của nước làm mát v
Nhiệt độ nước làm mát vào
Nhiệt lượng trao đổi trong
Nhiệt rung riêng của nước làm mát cp kJ/kgK Tra bảng thông số nhiệt động của nước 4.18
Nhiệt độ nước làm mát ra khỏi BN r t lm o C lm r lm v lm p t t Q
Nhiệt độ nước trung bình của nước làm mát tlm oC
Nhiệt độ nước ngưng tk oC Tra bảng thông số nhiệt động của nước 40 Độ gia nhiệt không tới mức t K t t k t lm r 5
Tốc độ trung bình nước đi trong ống lm m/s 2
Hệ số truyền nhiệt của BN K W/m 2 K Tra toán đồ trang 74 sách Thiết kế nhà máy nhiệt điện 3605.3 Nhiệt độ trung bình logarit t tb K ln r v lm lm tb r v lm lm t t t t t t t
Diện tích trao đổi nhiệt của
Chọn BN là thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống vỏ, có 2 pass, mỗi pass 750 ống có đường kính là 23/19 mm, dài 5m
3.1.5 Tính chọn bình khử khí và các bình gia nhiệt a Tính chọn bình khử khí
Bảng 3.5 Bảng tính chọn bình khử khí
Thông số Ký hiệu Đợn vị Cách xác định Giá trị
Lưu lượng nước vào bình khử khí v
Entanpi của nước vào bình khử khí v i kk kJ/kg i kk v nn HA i r bs bs i s 11 1 i ' 324.4
KK v t kk kJ/kg Tra bảng thông số nhiệt động của nước 77.5
Nhiệt độ ngưng tụ trong KK tbh oC Tra bảng thông số nhiệt động của nước 105
Nhiệt độ nước ra khỏi KK r t kk o C t kk r t bh 2 103
Entanpi của nước i kk ' kJ/kg Tra bảng thông số nhiệt động 432 ngưng ra khỏi KK của nước
Công suất trao đổi nhiệt trong KK Q kW Q G i kk ( kk ' i kk v ) 822.2 Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit t K ln r v kk kk v bh kk r bh kk t t t t t t t
Hệ số truyền nhiệt của KK k W/m 2 K Chọn 12
Diện tích truyền nhiệt cột khử khí F m 2 tb
Chọn KK có diện tích trao đổi nhiệt là 7 m 2 b Tính chọn GNCA
Bảng 3.6 Bảng tính chọn GNCA
Thông số Ký hiệu Đợn vị Cách xác định Giá trị
GNCA chọn ban đầu n ống Chọn 40 Đường kính ống dCA mm Chọn 19
Lưu lượng hơi đi vào GNCA Q1 Kg/s Q 11 D o 0.4894
Entanpi của nước ngưng đi ra khỏi GNCA
Lưu lượng khối lượng của nước cấp vào GNCA m
Khôi lượng riêng của nước CA Kg/m 3 Tra bảng thông số nhiệt động của nước
Lưu lượng thể tích của nước làm mát v
Nhiệt độ nước cấp đi vào
Nhiệt lượng trao đổi trong
Nhiệt rung riêng của nước cấp cp kJ/kgK Tra bảng thông số nhiệt động của nước 4.2
Nhiệt độ nước cấp ra khỏi
Nhiệt độ nước trung bình của nước cấp tCA oC
Nhiệt độ bão hòa của nước ngưng trong
GNCA tbh oC Tra bảng thông số nhiệt động của nước 150.7 Độ gia nhiệt không tới mức t K t t bh t CA r 13.1
Tốc độ trung bình nước đi trong ống nc m/s 2
Hệ số truyền nhiệt của
GNCA k W/m 2 K Tra toán đồ trang 74 sách Thiết kế nhà máy nhiệt điện 4303.1
Nhiệt độ trung bình logarit t tb K ln r v
Diện tích trao đổi nhiệt của
Chọn GNCA là thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống vỏ với cấu trúc 2 pass, mỗi pass gồm 20 ống, tổng cộng có 40 ống Ống có đường kính d#/19 mm và được làm từ vật liệu đồng thau c Tính chọn GNHA.
Bảng 3.7 Bảng tính chọn GNHA
Thông số Ký hiệu Đợn vị Cách xác định Giá trị
GNHA chọn ban đầu n ống Chọn 30 Đường kính ống dHA mm Chọn 19
Lưu lượng hơi đi vào GNHA Q2 Kg/s Q 2 2 D o 0.4333
Entanpi của nước ngưng đi ra khỏi GNHA
Lưu lượng khối lượng của nước cấp vào GNHA m
Khôi lượng riêng của nước làm mát HA
Kg/m 3 Tra bảng thông số nhiệt động của nước 980
Lưu lượng thể tích của nước làm mát v
Nhiệt độ nước cấp đi vào
Nhiệt lượng trao đổi trong
Nhiệt rung riêng của nước cp kJ/kgK Tra bảng thông số nhiệt động của nước
Nhiệt độ nước cấp ra khỏi
Nhiệt độ nước trung bình của nước cấp tHA oC
Nhiệt độ bão hòa của nước ngưng trong
GNHA tbh oC Tra bảng thông số nhiệt động của nước 88.6 Độ gia nhiệt không tới mức t K t t bh t HA r 16.7
Tốc độ trung bình nước đi trong ống nc m/s 2
Hệ số truyền nhiệt của
GNHA K W/m 2 K Tra toán đồ trang 74 sách Thiết kế nhà máy nhiệt điện 4070.5
Nhiệt độ trung bình logarit t tb K ln r v
Diện tích trao đổi nhiệt của
Chọn GNHA là thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống vỏ với thiết kế 2 pass, mỗi pass gồm 15 ống, tổng cộng có 30 ống Đường kính của ống là d#/19 mm và vật liệu chế tạo ống là đồng thau.
Tính chọn các thiết bị gian lò hơi
3.2.1 Sơ đồ nguyên lí hệ thống lò hơi Đường nhiên liệu: Rác thải sinh hoạt sẽ được xe tải đổ vào bể chứa rác Tại đây rác được được xới trộn để có tinh chất đồng đều nhờ các cơ cấu ngoạm rác Cũng nhờ các cơ cấu ngoạm rác mà rác thải được cấp vào phễu cấp liệu Sau đó, rác được đẩy vào buồng đốt nhờ ben đẩy rác thủy lực chuyển động ra vào liên tục Đường khói: Nhiên liệu sau khi được cấp vào buồng đốt để tham gia quá trình cháy, sản phẩm cháy sinh ra sẽ được dẫn vào lò hơi tận dụng nhiệt Ban đầu khói được đưa vào 3 buồng tận dụng nhiệt, sau đó là 2 bộ quá nhiệt, cụm ống đối lưu, bộ hâm nước và bộ sấy không khí Sau khi ra khỏi lò hơi tận dụng nhiệt, khói đi vào hệ thống xử lí khói Ban đầu là khói đi qua cyclone để loại các hạt bụi thô, sau đó là vào scrubber để xử lí khí axit bằng vôi bột khô, kế tiếp là bộ lọc bụi túi vải để loại bỏ các hạt bụi nhỏ Cuối cùng khói được quạt khói đưa qua bể rửa ướt để loại bỏ thêm khí axit, bụi còn sót lại rồi thải ra ngoài môi trường qua ống khói. Đường không khí: Không khí được quạt gió thổi qua bộ sấy không khí để gia nhiệt thành không khí nóng Sau đó, không khí nóng được cấp cho hệ thống cấp gió cấp 1 và hệ thống cấp gió cấp 2. Đường nước hơi: Nước cấp sau khi ra khỏi bình gia nhiệt cao áp được gia nhiệt tiếp ở bộ hâm nước, sau đó nước được cấp vào balong, từ balong nước được cấp vào các ống sinh hơi để nhận nhiệt sinh hơi rồi đi vào balong hơi Hơi bão hòa khô sau khi đi qua bộ phân li hơi trong bao hơi được dẫn vào bộ quá nhiệt cấp 1, rồi cấp 2 sau đó được đưa đến tubin.
Hình 3.2 Hệ thống lò hơi
3.2.2.Lựa chọn công nghệ đốt cho lò ghi cơ học
Lựa chọn công nghệ ghi
Trong công nghệ lò ghi, việc chọn mẫu ghi là rất quan trọng để đảm bảo sự chuyển động nhịp nhàng của các hàng ghi và khuấy động lớp rác, giúp thành phần rác đồng đều hơn Đồng thời, mẫu ghi cần cung cấp đủ gió cho quá trình cháy Khi lựa chọn công nghệ ghi, cần xem xét chi phí đầu tư, bảo trì và bảo dưỡng Chi phí có thể được giảm thiểu nếu mẫu ghi hoạt động hiệu quả, có cấu trúc đơn giản, độ bền cao và mức độ làm chủ công nghệ trong nước Dựa trên các đặc điểm của nhiều loại ghi, tôi đề xuất mẫu ghi của hãng Waterleau.
Mẫu ghi có cấu trúc ghi đẩy ngang bao gồm ba giai đoạn, mỗi đoạn được trang bị cơ cấu điều khiển riêng biệt, tạo khoảng hở thăng đứng giữa các đoạn lò Thiết kế này đã xem xét kỹ lưỡng hoạt động búng và khuấy rác, giúp ba giai đoạn của lò đạt hiệu quả trộn rác tốt Trạng thái chuyển động của ghi diễn ra một cách đồng đều, đảm bảo lượng rác di chuyển ổn định và hiệu quả trong quá trình đốt Ngoài ra, mẫu ghi Waterleau có kết cấu đơn giản, với chi tiết tương tự, dễ dàng thay thế và bảo trì.
Hình 3.3 Kết cầu ghi Waterleau
Hình 3.4 Cơ cấu chuyển động của ghi Waterleau
Buồng đốt là nơi diễn ra quá trình cháy, chuyển hóa năng lượng hóa học của nhiên liệu thành nhiệt năng, với hiệu suất cao hơn khi quá trình cháy diễn ra hoàn toàn Hiệu quả cháy phụ thuộc chủ yếu vào hai yếu tố: hệ thống cung cấp gió và thời gian lưu của nhiên liệu Hệ thống cung cấp gió cần đảm bảo cung cấp đủ không khí cho quá trình cháy, đồng thời tăng cường độ khuấy động của dòng khói Thời gian lưu trong buồng đốt nên đạt tối thiểu 2 giây để tối ưu hóa hiệu quả cháy.
Độ khuấy động của dòng khói trong buồng đốt mang lại nhiều lợi ích, bao gồm việc tăng hiệu suất cháy, hạn chế hình thành hợp chất độc hại như Furan/dioxin, đồng đều nhiệt độ và giảm vùng nhiệt độ cao, từ đó giảm thiểu tốc độ ăn mòn bề mặt thiết bị trao đổi nhiệt Hệ thống vòi phun gió cấp 2 được bố trí hợp lý cùng với cấu trúc lò có phương chuyển động của dòng khói liên tục giúp tối ưu hóa độ khuấy động Để đáp ứng các yêu cầu này, tôi đề xuất cấu trúc buồng đốt như hình 3.4, trong đó buồng đốt được tách biệt với lò hơi để thuận tiện cho việc bảo trì và bảo dưỡng trong quá trình vận hành.
Hình 3.5 Kết cấu buồng đốt
Lò hơi cần cung cấp đủ hơi cho tubin và đảm bảo độ dự trữ công suất cũng như thông số hơi quá nhiệt để duy trì hoạt động liên tục và hiệu quả cho nhà máy Công suất thiết kế của lò hơi cho nhà máy nhiệt điện này là 30 tấn/h, với áp suất hơi quá nhiệt là 44 bar và nhiệt độ hơi quá nhiệt đạt 410 độ C.
Lò hơi được thiết kế với cấu trúc bao gồm ba buồng tận dụng nhiệt, một cụm ống đối lưu, hai bộ quá nhiệt, bộ hâm nước và bộ sấy không khí Việc tính toán nhiệt lò hơi chủ yếu tập trung vào việc xác định diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của các bộ trao đổi nhiệt này.
Hình 3.6 Lò hơi tận dụng nhiệt a Tính cân bằng vật chất và năng lượng cho lò hơi i Thành phần hóa học của nhiên liệu
Bảng 3.8 Bảng thành phần nguyên tố của nhiên liệu
Thành phần nguyên tố của nhiên liệu
Nhiệt trị thấp của nhiên liệu được xác định bằng công thức Medeleep:
Q nl C H = 8387 kJ/kg ii Cân bằng vật chất quá trình cháy
Bảng 3.9 Bảng cân bằng vật chất quá trình cháy Đại lượng Ký hiệu Đơn vị Công thức tính toán Kết quả
Lượng không khí lí thuyết o
Lượng khí RO2 ứng với =1
Hệ số không khí thừa chung cho toàn bộ bề mặt trao đổi nhiệt
Lượng không khí thực tế cần cho quá trình cháy V kk m 3 /kg V kk V kk o 3.6858
Lượng khói thực tế V k m 3 /kg V k V k o ( 1)V kk o 4.4275 iii Bảng entanpi
Ta có công thức tính entanpi của thể tích khói thực như sau:
Trong đó: o o kk kk kk
I V C t: Entanpi của thể tích không khí lí thuyết
I V C t: Entanpi của thành phần hơi ẩm trong lượng không khí dư tr b 100 tr
: Entapi của thành phần tro trong khói
I I I I : Entanpi của thể tích khói lí thuyết
Chọn tỉ lệ tro bay ab=0.3
Ta có kết quả tính toán như bảng dưới đây:
Bảng 3.10 Bảng entanpi của khói
( )Ct N 2 (Ct) kk (Ct) tr I k (α=2) oC kJ/m 3 tc kJ/m 3 tc kJ/m 3 tc kJ/m 3 tc kJ/kg kJ/kg
1200 2716.6 2123.3 1697.2 1718.2 1203.8 8390.1 iv Cân bằng năng lượng
Cân bằng năng lượng quá trình cháy là công việc đi tìm suất tiêu hao than để đáp ứng đủ yêu cầu về công suất của lò hơi
Suất tiêu hao than được xác định dựa trên hiệu suất lò hơi và chất lượng than Hiệu suất lò hơi được tính bằng cách phân tích các loại tổn thất, bao gồm tổn thất do khói thải, tổn thất do cháy không hết về mặt cơ học và hóa học, tổn thất do tro xỉ và tổn thất nhiệt ra môi trường Trong đó, tổn thất do khói thải là lớn nhất, với quy định nồng độ oxy trong khói thải yêu cầu từ 9-12% thể tích Tổn thất không cháy hết về mặt cơ học và hóa học thường được xác định dựa trên kinh nghiệm.
Ta có phương trình cân bằng quá trình cháy như sau: ar 1 2 3 4 5 6 dv net p kkl
Q dv : Nhiệt lượng đưa vào lò ar net p
Q : Nhiệt trị thấp của nhiên liệu
Q kkl : Nhiệt lượng của không khí trước khi vào bộ sấy không khí
Q 2: Nhiệt tổn thất do khói thải mang ra ngoài
Q 3: Nhiệt tổn thất do không cháy hết về mặt hóa học
Q 4: Nhiệt tổn thất do không cháy hết về mặt cơ học
Q 5: Nhiệt tổn thất do tỏa nhiệt ra môi trường
Q 6: Nhiệt tổn thất do xỉ mang ra ngoài môi trường
Từ đó, ta tính được hiệu suất của lò hơi như sau:
1 1 2 3 4 5 6 dv dv dv dv dv dv
Các kết quả tính toán được thể hiện dưới bảng sau:
Bảng 3.11 Bảng cân bằng năng lượng của lò hơi Đại lượng Ký hiệu Đơn vị Công thức tính toán Giá trị
Tổn thất do khói cháy không hết về mặt hóa học q3 % Lấy 3
Tổn thất do cháy không hết về mặt cơ học q4 % Lấy 5
Tổn thất nhiệt do tỏa nhiệt ra môi trường q5 % Tra đồ thị hình 4.1, tr 46, Lò hơi tập
Nhiệt độ của xỉ mang ra ngoài tx oC Lấy 600
Nhiệt rung riêng của xỉ Cx kJ/kgK Tra 0.9333
Tổn thất nhiệt do xỉ mang ra ngoài q6 % 6 x x x nl a AC t q Q 1.12
Nhiệt độ khói thải tkt oC Lấy 150
Hệ số không khí thừa của akt Lấy 2.00 khói thải
Entanpi khói thải Ikt kJ/kg 924
Tổn thất nhiệt do khói mang ra ngoài q2 % 2 4
Nhiệt độ không khí lạnh tkkl 0C Lấy 25
Entanpi không khí lạnh kkl
I kJ/kg I kkl i V kkl kk 119.7
Nhiệt trị của nhiên liệu Q nl kJ/kg Cho 8387
Nhiệt lượng đưa vào buồng đốt dv
Q kJ/kg Q dv Q nl I kkl 8506.8
Công suất lò hơi D tấn/h Được cho 30
Entanpi của hơi quá nhiệt là iqn kJ/kg, theo bảng 4 trong sách Nhiệt động kĩ thuật 3230 Nhiệt độ nước cấp là inc kJ/kg, được tham khảo từ bảng 4 trong sách Nhiệt động kĩ thuật 137 Entanpi nước cấp inc kJ/kg là 599, trong khi entanpi nước cấp I’ kJ/kg là 1115 Phần trăm lượng nước xả được xác định là p % và lấy giá trị là 2.
Lưu lượng nước xả D x kg/s D x pD 0.1667
Suất tiêu hao nhiên liệu B kg/s
3.2061 b Phân bố, tính toán các bề mặt trao đổi nhiệt cho lò hơi i Tính nhiệt 3 buồng tận dụng nhiệt (BTD1,2,3)
Kích thước bề mặt trao đổi nhiệt của 3 buồng tận dụng nhiệt được thể hiện trong hình 3.7, 3.8
Trong ba buồng tận dụng nhiệt, nhiệt hấp thụ bức xạ chiếm ưu thế so với các hình thức trao đổi nhiệt khác Do đó, có thể bỏ qua các thành phần đối lưu và chỉ tính thành phần nhiệt bức xạ Công thức tính toán lượng nhiệt hấp thụ bức xạ trong ba buồng tận dụng nhiệt được xác định rõ ràng.
(W) Trong đó: av: Độ đen của vách, lấy av=0.8 a : Độ đen của dòng khói, được xác định như sau:
Hệ số làm yếu bức xạ (k) của thành phần khí ba nguyên tử, tro và cốc trong khói, cùng với áp suất (p) của khói trong buồng tận dụng nhiệt và chiều dày hữu hiệu lớp bức xạ (s) là những yếu tố quan trọng trong việc phân tích hiệu suất truyền nhiệt.
Ttb: Nhiệt độ tuyệt đối trung bình của dòng khói đi trong buồng đốt (K)
Tw: Nhiệt độ tuyệt đối của vách (K)
FL: Diện tích tường bao che buồng tận dụng nhiệt (m 2 )
Ban đầu, chúng ta giả định rằng năng lượng của nhiên liệu không được giải phóng hoàn toàn trong buồng lửa, mà tiếp tục được giải phóng trong các buồng tận dụng nhiệt Hệ số giải phóng năng lượng trong buồng đốt và các buồng tận dụng nhiệt lần lượt là 1, 2, 3.
Để tính toán nhiệt độ khói khi vào buồng tận dụng nhiệt BTD1, ta sử dụng các hệ số hiệu suất: η_bl = 0.9, η_1Q = 0.7, η_2Q = 0.3, và η_3Q = 0 Đặc biệt, entanpi của khói khi vào BTD1 được xác định thông qua công thức nội suy, giúp xác định nhiệt trong buồng một cách chính xác.
Q: Nhiệt lượng hữu ích được giải phóng từ nhiên liệu (kJ/kgnl)
QB: Nhiệt lượng của không khí (kJ/kgnl)
Để tính toán lượng nhiệt bức xạ Qa, chúng ta giả thiết nhiệt độ khói thoát ra từ BTD1 và so sánh kết quả này với lượng nhiệt hấp thụ trong BTD1, được xác định dựa trên entanpi của khói.
B: Lượng tiêu hao nhiên liệu (kg/s)
Q 1: Entanpi của khói trước khi vào BTD1(kJ/kg)
1Q : Hệ số giải phóng nhiệt trong BTD1
1 i BTD : Entanpi của khói ra khỏi BTD1
Tiến hành tính toán đến khi đạt sai số chấp nhận được để xác định giá trị khói ra từ BTD1 Tương tự, thực hiện các phép tính cho BTD2 và BTD3 Kết quả chi tiết được trình bày trong bảng PL1.1, PL1.2 và PL1.3.
Hình 3.7 Hình chiều đứng của 3 dàn ống (Đơn vị độ dài: mm)
Hình 3.8 Hình chiếu bằng của 3 buồng tận dụng nhiệt (Đơn vị độ dài: mm) ii Phân phối nhiệt lò hơi
Bảng 3.12 Phân bố nhiệt lò hơi
Thông số Ký hiệu Đơn vị Cách xác định Giá trị
Nhiệt độ nước cấp tnc oC Đã tính toán 137.6
Nhiệt độ nước sau bộ hâm nước thn oC Lấy 197.6
Entanpi nước cấp inc kJ/kg Tra bảng thông số nhiệt động của nước 599
Entanpi của nước sau bộ hâm nước ihn kJ/kg Tra bảng thông số nhiệt động của nước 860
Entanpi của nước sôi I ’ kJ/kg Tra bảng thông số nhiệt động của nước 1115
Entanpi của hơi bão hòa khô I ” kJ/kg Tra bảng thông số nhiệt động của nước 2798
Entanpi của hơi quá nhiệt Iqn kJ/kg Tra bảng thông số nhiệt động của nước 3230
Công suất bộ hâm nước Qhn kW Q hn D i hn i nc 2221
Công suất 2 bộ quá nhiệt Qqn kW Q qn D i qn i " 3600
Phân bổ công suất cho bộ quá nhiệt 1 Qqn1 kW Q qn 1 0.4Q qn 1440
Phân bố công suất cho bộ quá nhiệt 2 Qqn2 kW Q qn 1 0.6Q qn 2160
Nhiệt độ hơi quá nhiệt sau bộ quá nhiệt 1 tqn1 oC Tra bảng thông số nhiệt động của hơi 308.6
Entanpi của hơi quá nhiệt sau bộ gia nhiệt 1
Iqn1 kJ/kg I qn 1 I qn Q qn 2 2970.8
Công suất nhiệt để sinh hơi của toàn bộ lò hơi Qsh kW Q sh B i " i hn 16187
Công suất sinh hơi của 3 buồng tận dụng nhiệt
QBTD kW Q BTD Q BTD 1 Q BTD 2 Q BTD 3 13409
Công suất của cụm ống đối lưu Qdl kW Q dl Q sh Q BTD 2779 iii Tính nhiệt 2 bộ quá nhiệt
Tính khí động hệ thống lò hơi
Hệ thống khí động trong lò hơi có nhiệm vụ cung cấp đủ không khí cho quá trình cháy và thải sản phẩm cháy ra ngoài Yêu cầu về hệ thống khí động thay đổi tùy thuộc vào loại lò hơi Đối với lò đốt nhỏ không có bộ trao đổi nhiệt, trở lực đường khói gió thấp, chỉ cần ống khói đủ cao để thông gió hiệu quả nhờ lực tự hút Phương pháp thông gió thăng bằng thường được áp dụng, trong đó quạt gió cung cấp không khí vào buồng đốt, còn quạt khói đảm nhiệm việc thải khói ra ngoài Phương pháp này giúp duy trì chân không hợp lý, đảm bảo vệ sinh và vận hành kinh tế cho lò hơi Hiện nay, các lò hơi lớn và vừa đều sử dụng phương pháp này, và trong thiết kế đồ án, quạt gió được sử dụng để khắc phục trở lực từ quạt gió đến lớp nhiên liệu, trong khi quạt khói xử lý trở lực từ bề mặt lớp nhiên liệu đến đầu hút của quạt khói.
Trở lực thông thường được chia thành hai loại chính: trở lực cục bộ và trở lực ma sát Trở lực ma sát phát sinh từ sự tương tác giữa khí và bề mặt đường khói, trong khi trở lực cục bộ bao gồm các yếu tố như thay đổi diện tích tiết diện, góc quặt và trở lực qua các thiết bị xử lý khói.
Để tính toán trở lực của đường gió và đường khói, cần xác định các trở lực xuất hiện trong quá trình lưu thông của gió (khói) mà quạt cần khắc phục Việc tính toán giá trị từng thành phần trở lực giúp xác định trở lực tổng của hệ thống Dựa vào lưu lượng và thể tích, ta có thể tính công suất quạt và lựa chọn quạt phù hợp Quá trình và kết quả tính toán được trình bày chi tiết trong bảng PL2.1 và PL2.2.
Tính toán các thiết bị xử lí khói thải
3.5.1 Thành phần các chất độc hại trong khói và qui chuẩn quốc gia về chất thải lò đốt rác sinh hoạt
Rác thải sinh hoạt chứa nhiều thành phần phức tạp, dẫn đến sự đa dạng trong các chất độc hại có trong khói thải Nồng độ và mức độ tác động của các chất độc này đến môi trường cũng rất khác nhau; một số chất tồn tại với nguồn thấp, không gây ảnh hưởng đáng kể Tuy nhiên, yếu tố kinh tế đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng hệ thống xử lý khói thải cho các nhà máy, đặc biệt là nhà máy nhiệt điện đốt rác Các nguồn ô nhiễm chính cần được xử lý bao gồm bụi, SOx, NOx, HF, HCl và các chất độc hữu cơ.
Trong đồ án này, chúng tôi tập trung vào việc phân tích các chất độc hại chính như Furan và Dioxin, đồng thời thực hiện tính toán và thiết kế hệ thống xử lý hiệu quả cho các chất độc này.
Giả định rằng khối lượng bụi trước khi vào xyclone chiếm 60% tổng lượng bụi từ tro bay Để xác định lượng HCl trong khói, cần phân tích hàm lượng Clo trong rác thải đưa vào buồng đốt Theo nghiên cứu, hàm lượng Clo trung bình trong rác thải ở Mỹ là
Khối lượng Clo trong rác thải Việt Nam ước tính khoảng 0.47÷0.72%, chủ yếu đến từ nhựa và muối ăn Do thiếu tài liệu phân tích cụ thể, tác giả dựa vào đặc điểm rác thải hiện tại, với tỷ lệ nhựa và túi nilon cao, cùng với rác thải không được phân loại, dẫn đến hàm lượng muối ăn từ thực phẩm chế biến bị loại bỏ Vì vậy, tác giả ước lượng thành phần Clo trong rác thải là 1% Theo nghiên cứu, cứ 0.5% Clo có trong rác thì nồng độ HCl trong khói thải đạt 570 ppmv, từ đó có thể suy ra nồng độ HCl trong khói thải tương ứng.
Bảng 3.13 Nồng độ các chất ô nhiễm
Tên chất Ký hiệu Đơn vị Cách xác định Giá trị
Bụi Bui mg/Nm 3 Bui 0.3 Aa B L b 6773
HCl HCl mg/Nm 3 Lấy 1702
NOx NO x mg/Nm 3 3.953 10 (3.6 / 4.18 8 nl ) 1.18 x
PCDD/PCDF F D / ngTEQ/Nm 3 Tham khảo tài liệu 10
Hệ số vùng được xác định là Kv=0.8, trong khi yêu cầu về nồng độ các chất độc hại phải tuân thủ theo quy chuẩn phát thải của lò đốt rác sinh hoạt được ban hành năm 2016.
Bảng 3.14 Nồng độ các chất phát thải cho phép theo qui chuẩn phát thải của lò đốt rác thải sinh hoạt ban hành năm 2016
TT Thông số ô nhiễm Đơn vị Nồng độ
Nồng độ cho phép (C max =K v C)
2 Axit Clohydric, HCl mg/Nm 3 50 40
3 Lưu huỳnh dioxyt, SO2 mg/Nm 3 250 200
4 Nitơ oxyt, NOx (tính theo NO2) mg/Nm 3 500 400
5 Tổng đioxin/furan, PCDD/PCDF ngTEQ/Nm 3 0,6 0.48
3.5.2 Tính chọn cyclone chùm a Tính chọn kích thước xyclon chùm
Cyclone chùm là thiết bị xử lý bụi dựa trên nguyên lý lực ly tâm, giúp loại bỏ các hạt bụi trong dòng khói Thiết kế của cyclone chùm chủ yếu tập trung vào việc loại bỏ các hạt bụi có kích thước lớn.
Hình dạng, kích thước của một cyclone chùm theo tiêu chuẩn của Nga được thể hiện như hình 3.16 và 3.17.
Hình 3.15 Kích thước của một cyclone đơn dạng cánh trục vít
Hình 3.16 Kích thước của mẫu cyclone chùm
Chọn cyclone con có cánh hướng kiểu trục vít, và có các thông số kích thước :như sau:
Bảng 3 15 Các thông số lựa chọn của cyclone đơn (Đơn vị: mm) Đườn g kính qui ước D
Vật liệu A B C H E F G d d1 D2 Trọng lượng (kg)
Lưu lượng cho 1 cyclone con là q = 650-755 m 3 /h, lấy q = 700 m 3 /h = 0.194 m 3 /s
Với L là lưu lượng khói ở điều kiện tiêu chuẩn, và tkt là nhiệt độ khói thải
Lấy số cyclone con là ncc = 100 (mỗi cạnh có 10 cyclone đơn)
Tra bảng ta tìm được giá trị các kích thước của cyclone: K = 2860 mm, M(0, N0 Kích thước I được xác định theo công thức
Trong nghiên cứu này, số cyclone con (nc) được xác định trong một dãy ngang so với chiều chuyển động của dòng khói Tốc độ khói vào (v) trên tiết diện sống của dãy xyclon đầu tiên được lấy là 12 m/s.
Trở lực qua xyclon được xác định bằng công thức:
: Hệ số sức cản cục bộ, đối với cánh hướng trục vít, 25 o ,
: Khối lượng riêng của khói, tra bảng ta được = 0.85 kg/m 3
: Tốc độ qui ước của khí qui về toàn bộ tiết diện ngang của xyclone con
4.07 m/s b Tính hiệu suất lọc bụi của cyclone chùm
Giả thiết sự phân bố kích thước các hạt bụi trong khói trước khi vào cyclone như sau:
Bảng 3.16 Bảng phân bố kích thước bụi trước khi vào cyclone
Hiệu quả lọc bụi của cyclone chùm bằng hiệu quả lọc bụi của xyclon đơn, được xác định bằng công thức sau:
b : Khối lượng riêng của bụi, lấy b 00 kg/m 3
Độ nhớt động lực học của khói được xác định là 21.5×10^-6 Ns/m² tại nhiệt độ 124 oC Chiều dài làm việc của xyclon là 1.2 m Bán kính vỏ của xyclon được tính là 0.127 m, trong khi bán kính khói thoát là 0.0795 m Số vòng khói đi trong xyclon được xác định theo công thức cụ thể.
o : Đường kính hạt nhỏ nhất của hạt, tại đó hiệu quả lọc là 100%, được xác định bằng công thức sau:
: Hệ số góc của dòng khói, 2n (1/s)
k , : Trọng lượng của khói và của bụi (kG/m 3 ), k = 9 kG/m 3 ,
Độ nhớt động học của khói được tra cứu trong bảng và có giá trị là $×10 -6 m/s Áp dụng công thức tính hiệu quả lọc của hạt, chúng ta có thể xác định hiệu suất lọc tương ứng với từng dải hạt.
Bảng 3.17 Hiệu quả lọc bụi của cyclone với từng dải kích thước hạt
Lượng bụi còn lại sau cyclone chùm:
Bui " cc (1 5 m )% m 5% Bui = (1-0.2189)37×6773 /100= 1957 mg/Nm 3
3.5.3 Tính chọn lọc bụi túi vải
Chọn bộ lọc bụi túi vải với kiểu làm sạch bằng khí nén (Pulse jet Baghouse), các bộ lọc sẽ hoạt động liên tục.
Lấy tỉ số A/C = 2.5 (ft 3 /min)/ft 2 = 0.0127 m/s
Chọn ống túi vải có kích thước: Đường kính d = 0.15 m, chiều dài l = 3.5 m
= 20.48 (m 3 /s) Diện tích bề mặt túi vải:
Lấy số túi là 1020 túi ( một cạnh 30, một cạnh 34)
Coi tổn thất áp suất của khói qua túi vải là 1000 Pa
Coi hiệu suất của bộ lọc bụi túi vải là tv 99%
Vậy nồng độ bụi sau bộ lọc bụi túi vải là
Bui " tv (1 tv ) Bui " cc =(1-0.99)×1957= 19.57 mg/Nm 3
Hình 3.18 Thiết bị lọc bụi túi vải
3.5.4 Tính chọn thiết bị xử lí khí axit
Theo phương án thiết kế đã đề xuất, để loại bỏ khí axit trong khói thải, cần sử dụng phương pháp phun bột kiềm khô vào dòng khói, với thời gian lưu tối thiểu là 2 giây trong bình scrubber Kết quả tính toán cho thấy, chỉ cần xử lý nồng độ HCl về mức cho phép, trong khi các thành phần khác như NOx và SO2 đã đạt tiêu chuẩn quy định.
Trong thiết kế này, đá vôi (CaO) được sử dụng để khử HCl với độ tinh khiết K = 0.8 và hiệu suất hấp thụ đạt 15% Phản ứng diễn ra theo một phương trình cụ thể.
CaO+2HCl→CaCl2+H2O Khối lượng CaO cần cho quá trình xử lí là:
=0.218 kg/s = 783 kg/h Lấy thời gian lưu khói trong thiết bị là 2s
Lấy tiết diện của scrubber có hình tròn, đường kính là 3m.Ta có vận tốc khói đi trong scrubber là 2 2
Hình 3.19 Scrubber khử khí axit
3.5.5 Tính toán lượng than hoạt tính dùng để hấp thụ dioxin/furan
Để tối ưu hóa việc loại bỏ ô nhiễm hữu cơ như dioxin/furan, cần áp dụng tổ hợp phương pháp “3T+E” bao gồm nhiệt độ, thời gian lưu, độ khối động của dòng khói và hệ số không khí thừa, kết hợp với việc sử dụng than hoạt tính để hấp phụ Trong bài viết này, chúng tôi sẽ tập trung vào phương pháp sử dụng than hấp phụ, đã được xem xét trong thiết kế lò hơi.
Hiệu quả hấp phụ các chất ô nhiễm của than hoạt tính phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian lưu của hạt than trong dòng khói Do đó, thiết kế hệ thống sẽ đặt thiết bị phun than hoạt tính sau bộ scrubber khử khí axit và trước bộ lọc bụi túi vải Các hạt than sẽ bám vào bề mặt túi vải, nơi chúng có đủ thời gian để hấp phụ các chất độc hại.
Việc xác định lượng than hoạt tính cần sử dụng chủ yếu dựa vào thực tế, với tỷ lệ 1% so với lượng nhiên liệu cấp vào Do đó, lưu lượng than hoạt tính cần thiết là 0.32 kg/s.
