CHƯƠNG 3. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TẠI CÔNG TY CỔ PHẦN BITEXCO NAM LONG THÁI BÌNH
3.1. Hệ thống cung cấp và sử dụng nhiệt năng
3.1.3. Phân tích năng lƣợng đối với lò hơi
Để xác định hiệu quả hoạt động của lò hơi ta cần xác định các luồng năng lƣợng và vật chất đi vào và ra khỏi lò hơi.
Các luồng vật chất và năng lƣợng đi vào lò hơi là:
- Than đá - Không khí - Nước cấp
- Công suất cơ của động cơ bơm, quạt
27
Các luồng vật chất và năng lƣợng đi ra khỏi lò hơi - Hơi nước hoặc nước
- Xả đáy và rò rỉ
- Truyền nhiệt bức xạ và đối lưu - Khói thải
- Tro xỉ
Phương trình cân bằng nhiệt:
Qđv = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6 (1) Trong đó:
Qđv: Lƣợng nhiệt cấp vào lò, kJ/kg
Q1: Lƣợng nhiệt hữu ích dùng để sản xuất hơi, kJ/kg Q2: Tổn thất nhiệt do khói thải mang ra ngoài, kJ/kg
Q3: Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về hóa học, kJ/kg Q4: Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về cơ học, kJ/kg Q5: Tổn thất nhiệt do tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh, kJ/kg Q6: Tổn thất nhiệt do tro xỉ mang ra ngoài, kJ/kg
Viết dưới dạng phần trăm, chia 2 vế phương trình (1) cho Qđv
100% = q1 + q2 + q3 + q4 + q5 + q6 q1: Lƣợng nhiệt hữu ích dùng để sản xuất hơi, % q2: Tổn thất nhiệt do khói thải mang ra ngoài, %
q3: Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về hóa học, % q4: Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về cơ học, % q5: Tổn thất nhiệt do tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh, % q6: Tổn thất nhiệt do tro xỉ mang ra ngoài, %
Xét về mặt lý thuyết khi hệ số không khí thừa cho nhiệt độ cháy cao nhất.
Tuy vậy trong thực tế để đảm bảo cháy hết nhiên liệu thì . Hệ số không khí thừa càng lớn thì Q2, q2 càng lớn, thế nhưng α nhỏ quá ảnh hưởng đến quá trình cháy, làm tăng tổn thất q3, q4, nên phải tính toán hoặc chọn α sao cho tổng tổn thất (q2 + q3 +q4) đạt giá trị nhỏ nhất. Có thể lựa chọn α theo hình 3.4. [3]
28
Hình 3.4. Chọn α tối ƣu
3.1.3.2. Các thông số kỹ thuật của lò hơi
* Thông số kỹ thuật lò hơi của công ty đƣợc thể hiện ở bảng 3.4 Bảng 3.4. Thông số vận hành lò hơi
STT Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
1 Sản lƣợng hơi D 2000 kg/h
2 Hệ số không khí thừa α 1,3
3 Áp suất hơi bão hòa p 5 bar
4 Nhiệt độ nước cấp tnc 50 oC
5 Nhiệt độ khói thải tkt 200 oC
6 Nhiệt độ không khí cấp tkk 80 oC
7 Nhiệt độ hơi bão hòa th 151 oC
29
* Thành phần làm việc của than đƣợc thể hiện ở bảng 3.5 Bảng 3.5. Thành phần làm việc của than
% Clv % Hlv % Olv % Nlv % Slv % Alv % Wlv Tổng
55,0 2,6 3,0 1,1 0,5 31,0 6,8 100
3.1.3.3. Tính cháy nhiên liệu
* Nhiệt trị thấp làm việc của nhiên liệu tính theo công thức [1]:
= 418,6[81,3*c + 243*h + 15*n + 45,6*s – 23,5*o – 6*w]
= 418,6[81,3*0,55 + 243*0,026 + 15*0,011 + 45,6*0,005 – 23,5*0,030 – 6*0,068]
Qtlv = 21061,02 kJ/kgnl
* Lƣợng không khí cấp cho lò (xem phụ lục 10)
* Lƣợng và thành phần sản phẩm cháy (xem phụ lục 10)
* Tính nhiệt độ cháy
Nhiệt độ cháy đƣợc tính qua biểu thức sau:
- Nhiệt độ cháy lý thuyết: tlt =
⌊
- Nhiệt độ cháy thực khi có kể đến hệ số ảnh hưởng của mức độ hoàn thiện lò hơi. ttt = . tlt
Tính nhiệt độ cháy ứng với hệ số không khí α = 1,0 Ta có: i =
Trong đó:
+ Vokk: lƣợng không khí lý thuyết cần cấp, Vokk = 549,90 m3kk/100kgnl + ikkn: Entanpy của không khí cấp vào,
Ikkn = α.Vokk.Cpkk(tkkn - tmt)
Với tkkn = 80oC, tra phụ lục 1.4 có (Cp)kk = 1,30426 kJ/m3.độ. [3]
tmt: nhiệt độ môi trường, tmt = 30oC
30
Vậy Ikkn = 1,3*5,49*1,30426*(80 – 30) = 465,43 kJ/kgnl + Qtlv: Nhiệt trị thấp nhiên liệu, Qtlv = 21061,02 kJ/kgnl + inl: nhiệt vật lý của nhiên liệu đƣa vào, inl = 0 + Va = 7,41 m3kk/kgnl
Vậy nhiệt độ cháy tính nhƣ sau:
tlt =
| | | | (2) Ta giải phương trình trên bằng phương pháp lặp như sau:
* Giả thiết nhiệt độ cháy lý thuyết là tlt = 1500oC tra thông số nhiệt dung riêng của các khí thành phần trong sản phẩm cháy đƣợc [3]:
CpCO2 = 2,3636 kJ/m3tc.độ CpN2 = 1,4470 kJ/m3tc.độ CpH2O = 1,8389 kJ/m3tc.độ CpSO2 = 2,0857 kJ/m3.độ
Thay vào (2) ta đƣợc tlt = 1441,6 oC, sai số là 3,9%,vậy giả thiết không đúng.
* Giả thiết nhiệt độ cháy lý thuyết là tlt = 1450oC tra thông số nhiệt dung riêng của các khí thành phần trong sản phẩm cháy đƣợc [3]:
CpCO2 = 2,3521 kJ/m3tc.độ CpN2 = 1,4422 kJ/m3tc.độ CpH2O = 1,8270 kJ/m3tc.độ CpSO2 = 2,0823 kJ/m3.độ
Thay vào (2) ta đƣợc tlt = 1447,3oC, sai số là 0,18%. Với sai số là 0,18% hoàn toàn có thể chấp nhận kết quả này, do đó nhiệt độ cháy lý thuyết trong quá trình cháy với hệ số = 1,0 là tlt = 1447,3oC.
Với hiệu suất buồng đốt là = 0,72 ta có nhiệt độ cháy thực thu đƣợc là:
ttt = tlt. = 1447,3* 0,72 = 1042,06oC
Tính nhiệt độ cháy ứng với hệ số không khí α = 1,3 Ta có: i =
+ Vkk: lƣợng không khí cần cấp, Vkk = 7,15 m3kk/kgnl
31 + ikk = 465,43 kJ/kg
+ Qtlv: Nhiệt trị thấp nhiên liệu, Qtlv = 21061,02 kJ/kgnl + inl: nhiệt vật lý của nhiên liệu đƣa vào, inl = 0
+ Va = 7,41 m3kk/kgnl Nhiệt độ cháy tính nhƣ sau:
tlt =
| | | | | (3) Ta giải phương trình trên bằng phương pháp lặp như sau:
* Giả thiết nhiệt độ cháy lý thuyết là tlt = 1300oC tra thông số nhiệt dung riêng của các khí thành phần trong sản phẩm cháy đƣợc [3]:
CpCO2 = 2,3158 kJ/m3tc.độ CpN2 = 1,4290 kJ/m3tc.độ CpH2O = 1,7908 kJ/m3tc.độ CpSO2 = 2,0146 kJ/m3.độ CpO2 = 1,5123 kJ/m3tc.độ
Thay vào (3) ta đƣợc tlt =1248,9oC, Sai số là 3,9%, vậy giả thiết không đúng.
* Giả thiết nhiệt độ cháy lý thuyết là tlt = 1250oC tra thông số nhiệt dung riêng của các khí thành phần trong sản phẩm cháy đƣợc [3]:
CpCO2 = 2,3022 kJ/m3tc.độ CpN2 = 1,4177 kJ/m3tc.độ CpH2O = 1,7783 kJ/m3tc.độ CpSO2 = 2,0523 kJ/m3.độ CpO2 = 1,5094 kJ/m3tc.độ
Thay vào (3) ta đƣợc tlt = 1236,9oC, sai số là 0,1%. Với sai số là 0,1% hoàn toàn có thể chấp nhận kết quả này, do đó nhiệt độ cháy lý thuyết trong quá trình cháy với hệ số = 1,3 là tlt = 1236,9oC.
Với hiệu suất buồng đốt là = 0,72 ta có nhiệt độ cháy thực thu đƣợc là:
ttt = tlt. = 1236,9*0,72 = 890,57 oC
32 3.1.3.4. Tính cân bằng nhiệt
Lƣợng nhiệt đƣa vào lò hơi và lƣợng nhiệt đƣợc sử dụng cân bằng nhau theo phương trình (1).
Thành phần của các vế đƣợc xác định nhƣ sau:
A. Lượng nhiệt đưa vào lò
Lƣợng nhiệt đƣa vào lò hơi đƣợc tính theo công thức [3]
Qđv = Qt lv + Inl + Ikkn + Qp - Qk ; kJ/kgnl Trong đó: Qtlv
- nhiệt trị thấp của nhiên liệu làm việc, kJ/kg
Ikkn – nhiệt lƣợng do không khí nóng mang vào, đƣợc tính đến khi không khí đƣợc sấy nóng từ nguồn nhiệt bên ngoài
Ikkn = 465,43 kJ/kg.
Inl – nhiệt vật lý của nhiên liệu đƣa vào, coi Inl = 0 kJ/kg Qp – nhiệt lƣợng do dùng hơi phun nhiên liệu vào lò, Qph = 0 Qk – nhiệt lƣợng phân hủy khi đốt đá dầu, Qk =0
Ta có: Qđv = Qt lv+ Ikkn kJ/kgnl Vậy nhiệt lƣợng đƣa vào lò là:
Qđv = Qt lv+ Ikkn = 21061,02 + 465,43 Qđv = 21526,45 kJ/kgnl
B. Nhiệt sử dụng trong lò hơi
* Tính lượng nhiệt hữu ích Q1, q1
Lƣợng nhiệt hữu ích đƣợc tính nhƣ sau:[3]
Q1 = . Dii
Trong đó: B – suất tiêu hao nhiên liệu, kg/h B = 328 kg/h
Di – sản lƣợng hơi, kg/h D = 2000 kg/h i = (ih – inc), kJ/kg
ih – entanpy của hơi inc – entanpy của nước
33
Tra bảng 5 - Nước chưa sôi và hơi quá nhiệt [9] với p = 5 bar, nhiệt độ 50oC ta có inc = 209,6 kJ/kg.
Tra bảng 4 – Nước và hơi nước bão hòa với p= 5bar ta có ih= 2749 kJ/kg.
Vậy Q1 =
*2000*(2749 – 209,6) Q1 = 15484,15 kJ/kghơi
q1 =
* 100% =
* 100% = 71,9 %
* Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về cơ học Q4, q4
Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về cơ học đƣợc tính theo công thức sau: [3]
Q4 = (
+
+
) kJ/kgnl Trong đó:
Gb, Gx, Gl – khối lƣợng chất rắn gồm cả phần cháy đƣợc và tro xỉ bay theo khói, thải tro xỉ, lọt qua ghi, kg/h
Kb, Kx, Kl – tỷ lệ phần cháy đƣợc trong chất rắn bay theo khói, thải tro xỉ và lọt qua ghi.
Đối với lò hơi đang vận hành của công ty, ta có các thông số sau:
Lƣợng tiêu hao nhiên liệu trong 1 giờ là 328 kg than. Một ca vận hành 8 tiếng đốt hết 2624 kg than, cân phần chất rắn lọt qua ghi đƣợc 45 kg, thải theo tro xỉ 802 kg.
Người ta gọi Ab, Ax, Al tương ứng là tỷ lệ tro xỉ trong chất rắn bay theo khói, lẫn vào tro xỉ hoặc lọt qua ghi.
Theo kết quả phân tích tro xỉ tại công ty cổ phần Bitexco Nam Long ngày 29 tháng 8 năm 2014 có Ab= 68,9 %, Ax = 89,6 %, Al = 59,6%.
Tỷ lệ phần cháy đƣợc trong chất rắn bay theo khói là:
Kb = 100 - Ab = 100 – 68,9 = 31,3 % Tỷ lệ phần cháy đƣợc trong chất rắn lẫn vào tro là:
Kx = 100 - Ax = 100 – 89,6 = 10,4 % Tỷ lệ phần cháy đƣợc trong chất rắn lọt qua ghi là:
Kl = 100 - Al = 100 – 59,6 = 40,4 %
34
Khối lƣợng chất rắn cháy và tro bay theo khói tính theo công thức:
Gb =
Trong đó: Gx = = 100,25 kg/h
Gl = = 5,63 kg/h Suy ra Gb =
=
= 12,34 kg/h Vậy Q4 = (
+
+
) =
(
+
+
) Q4 = 1643,60 kJ/kgnl
q4 =
* 100% =
* 100% = 7,6 %
* Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về hóa học Q3, q3
Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về hóa học đƣợc tính theo công thức[3]
Q3 = (
)
*
kJ/kg Ta có CO =
Mà = 2,37.
= 2,37.
= 0,095
Từ bảng tính cháy ta có thành phần thể tích RO2 = 13,90 %; O2 = 4,67 % Suy ra CO =
=
= 0,124 % Vậy Q3 = (
)
*
kJ/kg =
*
Q3 = 103,55 kJ/kgnl
q3 =
* 100% =
* 100% = 0,5 %
* Tính tổn thất nhiệt do khói thải mang ra ngoài Q2, q2
Tổn thất nhiệt do khói thải mang ra ngoài đƣợc tính theo công thức[3]:
Q2 = (Ith – Ikkl)(1-
) kJ/kgnl
35 Trong đó Ith – entanpy của khói thải, kJ/kgnl
Ikkl – entanpy của không khí lạnh đƣa vào lò, kJ/kgnl - Tính Ith = Ioth + ( . Iokkl + Itro
Tra bảng 3.3. [9] với nhiệt độ khói thải t = 200oC iN2 = 260,8 kJ/m3tc
iO2 = 268,0 kJ/m3tc iH20 = 305,3 kJ/m3tc iRO2 = 358,7 kJ/m3tc itro = 169,7 kJ/m3tc ikk = 267,1 kJ/m3tc Tính Ioth = IoRO2 + IoN2 + IoH2O
= VoRO2*iRO2 + VoN2*iN2 + VoH2O*iH2O Dựa vào bảng tính cháy ta có
VoRO2 = VoCO2 + VoSO2 = (4,58+0,02)*22,4/100 = 1,03 m3tc/kgnl VoN2 = 19,43*22,4/100 = 4,35 m3tc/kgnl
VoH2O = 1,68*22,4/100 = 0,38 m3tc/kgnl
Suy ra Ioth = VoRO2*iRO2 + VoN2*iN2 + VoH2O*iH2O
Ioth = 1,03*358,7 + 4,35*260,8 + 0,38*305,3 = 1620,75 kJ/kgnl Tính Iokkl = Vokkl*ikk
Trong đó Vokkl thể tích không khí lạnh theo =1, từ bảng tính cháy ta có Vokkl = 549,90/100= 5,50 m3tc/kgnl
Iokkl = Vokk*ikk = 5,50*267,1 = 1469,05 kJ/kgnl Tính Itro = ab*
*Ctr*t kJ/kgnl
Trong đó: Alv – thành phần làm việc của tro
ab – tỷ lệ tro bay theo khói, ab = 0,2. [3]
Ctr – nhiệt dung riêng của tro với t = 200oC tra phụ lục 1.4 [3] có Ctr = 0,8457 kJ/kg.độ
t = 200oC nhiệt độ khói thải
36 suy ra Itro = ab*
*Ctr*t = 0,2*
*0,8457*200 = 1048,67 kJ/kgnl Suy ra Ith = Ioth + ( . Iokkl + Itro
Ith = 1620,75 + (1,3 -1). 1469,05 + 1048,67 = 3110,14 kJ/kgnl - Tính Ikkl = .Vokk. Cpkk.tl
Với tl = 30oC, tra phụ lục 1.4 có Cpkk = 1,30216 kJ/m3.độ [3]
Ikkl = 1,3*5,5*1,30216*30 = 279,31 kJ/kgnl Vậy Q2 = (Ith – Ikkl)(1-
) = (3110,14 – 279,31)(1-
) Q2 = 2614,55 kJ/kgnl
q2 =
*100% =
*100% = 12,2 %
* Tính tổn thất do nhiệt vật lý của tro xỉ Q6, q6 Nhiệt vật lý của tro xỉ đƣợc tính theo công thức [3]:
Q6 = ax*
* Cx* tx kJ/kg
Trong đó: ax = 0,77 – tỷ lệ tro rơi theo xỉ [3]
Cx= 0,9337 kJ/kg.độ - nhiệt dung riêng của tro xỉ, tra phụ lục 1.4 với t = 600oC [3]
tx = 600oC – nhiệt độ tro xỉ thải ra Vậy Q6 = ax*
* Cx* tx = 0,77*
* 0,9337*600 Q6 = 133,72 kJ/kg
q6 =
*100% =
*100% = 0,6%
* Tổn thất do tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh Q5, q5
Tổn thất nhiệt tỏa ra môi trường xung quanh được tính như sau [3]:
q5 = 100 – (q1 + q2 + q3 + q4 + q6)
= 100 – ( 71,9 + 12,2 + 0,5 + 7,6 + 0,6) = 7,2 % Q5 = (Qđv*q5)/100 = 21526,45*7,2/100
Q5 = 1545,60 kJ/kgnl
37
Từ tính toán cân bằng nhiệt trên ta có bảng cân bằng năng lƣợng cho nồi hơi ở bảng 3.6
Bảng 3.6. Cân bằng nhiệt của lò hơi Dòng năng lƣợng
Đầu vào Đầu ra
kJ/kg % kJ/kg %
Đầu vào
Nhiên liệu đốt 21526,45 100
Đầu ra
Nhiệt hữu ích
Tổn thất do khói thải
Tổn thất do cháy không hoàn toàn về hóa học
Tổn thất do cháy không hoàn toàn về cơ học
Tổn thất nhiệt ra môi trường Tổn thất do tro xỉ mang ra ngoài
15484,15 2614,55 103,55 1643,60 1545,60 133,72
71,9 12,2 0,5 7,6 7,2 0,6
Tổng 21526,45 100 21526,45 100
Qua tính cân bằng nhiệt kết hợp với số liệu tham khảo chọn khi thiết kế ta có bảng so sánh về các tổn thất đƣợc thể hiện ở hình 3.7. [3];[5];[7]
38
Bảng 3.7. So sánh số liệu thiết kế và số liệu tính thực tế
TT Tổn thất
Số liệu thiết kế
%
Số liệu tính thực tế
%
1 Tổn thất do khói thải, q2 4 8 12,2
2 Tổn thất do cháy không hoàn toàn về hóa học,
q3 1 0,5
3 Tổn thất do cháy không hoàn toàn về cơ học,
q4 2 15 7,6
4 Tổn thất nhiệt ra môi trường, q5 0,5 3,5 7,2 5 Tổn thất do tro xỉ mang ra ngoài, q6 5 0,6
Từ bảng so sánh giữa số liệu thiết kế và số liệu tính toán thực cho thấy tổn thất nhiệt do khói thải (q2=12,2%) và tổn thất nhiệt ra môi trường (q5=7,2%)tương đối lớn, đây có thể là cơ hội để cải tiến nhằm điều chỉnh tổn thất nhiệt q2 và q5 về mức thấp hơn.