Lò hơi tầng sôi tuần hoàn đốt đa dạng nhiên liệu tiết kiệm chi phí

Lò hơi tầng sôi tuần hoàn là một loại lò hơi công nghiệp sử dụng công nghệ buồng đốt kiểu tầng sôi, được bổ sung thêm bộ phận tách nhiên liệu chưa cháy hoàn toàn trong quá trình đốt tầng sôi, kết hợp với công nghệ thu hồi và tái tuần hoàn hạt rắn cùng với một số thiết bị phụ trợ khác, các nhiên liệu sẽ nhanh chóng hòa trộn với vật liệu tầng sôi, giúp đốt cháy hoàn toàn các hạt và nhiên liệu nâng cao hiệu suất đốt cháy lên cao nhất, giúp tiết kiệm nhiên liệu.

Nhiên liệu được sử dụng để đốt trong lò hơi tầng sôi tuần hoàn là các loại nhiên liệu thể rắn dạng hạt nhỏ đa dạng các loại: than cám, vỏ hạt điều, mùn cưa, trấu, phế phẩm nông nghiệp, phế phẩm công nghiệp…, Quá trình cháy diễn ra, đốt cháy  hoàn toàn cạn kiệt nhiên liệu, giúp nhà máy tiết kiệm tối đa nhiên liệu và chi phí .

Trong bài viết dưới đây chúng ta cùng tìm hiểu chi tiết về lò hơi tầng sôi tuần hoàn nhé!

Sơ lược quá trình ra đời và phát triển lò hơi tầng sôi tuần hoàn

Ý tưởng  về tầng sôi  ,vào  năm 1921  được phát minh bởi Fritz Winkler (k ỹ sư của công ty BASF, Đức), đến năm 1960 người đầu tiên theo đuổi và thúc đẩy ý tưởng lò tầng sôi đốt than là Douglas Elliott thuộc Trung ương tại Marchwood / Southampton , Với sự hợp tác của Vereinigte Aluminium Werke AG, Lurgi Chemie und Hüttentechnik GmbH đã phát triển một quy trình nung mới dựa trên những thí nghiệm  của Lurgi Metallgesellschaft: lần đầu tiên, dầu diesel được bơm trực tiếp vào lò CFB ở nhiệt độ 1100 ° C, vào những năm 1960.

Đến năm 1975 ba kỹ sư Lothar Reh, Martin Hirsch và Ludolf Plass đã cùng nhau nghiên cứu về khả năng đốt cặn than cốc mịn, tạo ra thuật ngữ tầng sôi tuần hoàn (CFB). Họ đã xác định vận tốc chuyển động của các hạt hắn bị dòng khói cuốn trôi  nhỏ hơn  vận tốc chuyển động của dòng khói . Khi ở trạng thái này sự tuần hoàn nội tại các chất rắn bên trong lớp sôi xảy ra mãnh liệt, chính vì vậy hiệu suất  truyền nhiệt và truyền khói của lò đạt tối ưu, đồng thời  tạo sự đồng nhất về nhiệt độ. Đây chính là nền tảng tạo nên thiết kế lò hơi tầng sôi tuần hoàn.

Năm 1979, Ahlström Oy  là công ty đầu tiên thiết kế một nhà máy có công suất 15MW để đốt vỏ cây, gỗ phế thải và than theo nguyên lý lò hơi tầng sôi tuần hoàn . Sau đó được sự đồng ý thỏa thuận của Công ty Lurgi, Ahlström Oy  thành lập Pyropower ở Mỹ và tiếp tục tiếp thị công nghệ CFB (tầng sôi tuần hoàn), và sáp nhập vào Foster Wheeler năm 1995.  Từ đó công nghệ tầng sôi tuần hoàn đã lan rộng ra một mạng lưới các nước,các nhà cung cấp rộng lớn.

Trải qua thời gian dựa trên công nghệ gốc được kế thừa và phát triển thêm các công nghệ mới bổ sung , như công nghệ tầng sôi Cyclone lạnh  được phát triển và đăng ký bởi  Deutsche Babcock, sau đó sáp nhập vào hãng Doosan Lentjes, công nghệ này hiện nay  được phát triển thêm bởi ThyssenKrupp Ấn Độ dựa trên giấy phép cũ và ở Trung Quốc cũng xuất hiện nhiều lò hơi tầng sôi tuần hoàn loại nhỏ sử dụng công nghệ này.

Ấn Độ và Trung Quốc chính là  thị trường lò hơi tầng sôi tuần hoàn lớn nhất thế giới tính đến năm 2020 .

Ưu điểm, nhược điểm của  lò hơi tầng sôi tuần hoàn

Ưu điểm

• Nhờ khả năng đốt cháy hoàn toàn nhiều loại nhiên liệu khác nhau và đốt kiệt nhiều loại nhiên liệu rắn có đặc tính khác nhau, kích thước tương đối thô (dưới 10 mm) ngay cả than chất lượng xấu giúp cho nhà máy tiết kiệm chi phí.
•  Trong quá trình vận hành lò hơi tầng sôi tuần hoàn, không bị tiêu hao nhiên liệu khi dừng sử dụng, giúp tiết kiệm nhiên liệu tối đa
• Buồng lửa có nhiệt thế cao cường độ truyền nhiệt lớn nên giảm được kích thước cũng như nguyên vật liệu
• Phát thải khí độc hại ít, so với lò than phun khí NOx giảm trên 30%, có thể khử được SOx khi đưa đá vôi vào buồng đốt, giảm độc hại, ô nhiễm môi trường.

Nhược điểm 

• Còn có những khó khăn về vấn đề thải tro xỉ, việc điều khiển quá trình tạo và thải xỉ khó chủ động, đòi hỏi phải nâng công suất thiết bị lọc bụi, vì nếu thải tro thì làm tăng lượng bụi trong khói
• Bề mặt truyền nhiệt bị mài mòn  lớn cần có các giải pháp giảm thiểu
•  Tiêu tốn nhiều năng lượng do gió cấp 1 có áp suất cao

 Lò hơi tầng sôi tuần hoàn có cấu tạo như thế nào?

Lò hơi tầng sôi tuần hoàn được cấu tạo gồm hai phần chính như sau:

1. Phần thứ nhất :  Hệ thống các thiết bị thuộc chu trình tuần hoàn các hạt rắn.
2. Phần thứ hai: Hệ thống các bề mặt trao đổi nhiệt đối lưu.

Hệ thống các thiết bị thuộc chu trình tuần hoàn các hạt rắn

• Buồng đốt tầng sôi tuần hoàn

Buồng đốt là khu vực chính diễn ra quá trình đốt cháy nhiên liệu của lò hơi tầng sôi tuần hoàn, cấu tạo buồng đốt thường có hai khu vực, buồng đốt dưới và buồng đốt trên. Khu vực buồng đốt trên thường có dạng vách trụ. Phía trên nóc của khu vực này cũng thường được đắp một lớp bê tông để bảo vệ chống mài mòn.

Khu vực buồng đốt dưới thường có kích thước nhỏ hơn buồng đốt trên và thông thường có dạng hình phễu (bên dưới nhỏ, bên trên phình to). quá trình sôi ở khu vực này thường diễn ra mãnh liệt hơn, người ta thường đắp bê tông bảo vệ ở khu vực này,  để tránh vách ướt bị mài mòn,

Hệ phân phối gió là một phần quan trọng trong kết cấu buồng đốt dưới. Hệ thống này gồm rất nhiều núm gió (gas nozzle) là điểm phân phối gió nhỏ, gió được phân bố khắp diện tích đáy buồng đốt và  thực hiện nhiệm vụ cấp gió đồng đều cho khắp buồng đốt, đảm bảo buồng đốt duy trì được chế độ sôi đồng đều. Các núm gió thường được chế tạo từ hợp kim đặc biệt, có khả năng chịu được nhiệt độ cao và chịu mài mòn tốt.

• Thiết bị phân tách hạt rắn và thu hồi hạt rắn

Thiết bị phân tách và thu hồi hạt rắn của lò hơi tầng sôi tuần hoàn dựa theo 2 nguyên lý chính – nguyên lý va đập (u-beam)  và nguyên lí ly tâm (cyclone). Sử dụng trong các lò IR-CFBC (lò tầng sôi nội tuần hoàn) dùng nguyên lý va đập (u-beam) – C òn nguyên lý ly tâm (cyclone)- sử dụng cho tất cả các loại lò, vì vậy dạng thiết bị phân tách và thu hồi hạt rắn  hoạt động theo nguyên lý Cyclone thường được sử dụng phổ biến rộng rãi hơn rất nhiều.

Thiết bị phân tách và thu hồi hạt rắn  hoạt động theo nguyên lý Cyclone  thường chia thành 2 loại nhỏ là cyclone ướt và cyclone khô.

Cyclone ướt được cấu tạo bằng một lớp bê tông khá mỏng và được giải nhiệt bằng bề mặt trao đổi nhiệt bao quanh. Còn  cyclone khô  được cấu tạo từ lớp bê tông chịu nhiệt dày hoặc gạch chịu nhiệt dày từ 350-500mm.

Đối với lò tầng sôi nội tuần hoàn-người ta còn dùng thêm một hệ phân tách cấp 2 ngay sau đó, bên cạnh nguyên lý va đập n. Bộ này có dạng Cyclone chùm (multicyclone).

• Thiết bị tuần hoàn hạt rắn

Cấu tạo thiết bị tuần hoàn hạt rắn  thường kèm theo một hệ thống tầng sôi nhỏ,  thường có hình dáng chữ J hoặc chữ L và hoạt động giống như một cái van,còn được gọi là van chữ J (J-valve) hoặc van chữ L (L-Valve). Thiết bị này có tác dụng hỗ trợ quá trình tuần hoàn hạt rắn đã được thu hồi từ cyclone về trở lại buồng đốt.

Ngoại trừ lò hơi tầng sôi nội tuần hoàn thì thiết bị tuần hoàn hạt rắn xuất hiện trong hầu hết các loại lò hơi tầng sôi tuần hoàn. Vì lò hơi tầng sôi nội tuần hoàn các hạt rắn thu hồi được từ bộ Cyclone chùm trong lò có nhiệt độ khá thấp, người ta thường cưỡng bức  các hạt rắn tuần hoàn về buồng đốt thông qua các thiết bị cơ khí dạng vít tải .

• Thiết bị trao đổi nhiệt bổ sung

Thiết bị này có cấu tạo gồm các ống trao đổi nhiệt đặt chìm trong một buồng sôi bọt. Nhằm giải nhiệt cho các hạt rắn đã được thu hồi từ Cyclone trước khi các hạt rắn này được tuần hoàn trở lại buồng đốt. Bởi  trong các hạt rắn được thu hồi và tuần hoàn có một lượng nhỏ cacbon chưa cháy hết nên sẽ có quá trình cháy diễn ra tại thiết bị này. Tuy nhiên, quá trình này diễn ra rất yếu.

Thiết bị này thông thường lắp đặt cho các lò có công suất cao, hoặc lò  lò hơi sử dụng nhiên liệu có tính chất đặc biệt (có nhiệt trị thay đổi trong dải rộng), vì chi phí lắp đặt cao. Đối với lò lò circo-fluid ( cold cyclone )  thiết bị này không phù hợp vì khi tro ra khỏi cyclone đã nguội, không cần giải nhiệt.  Tuy là một thiết bị hữu ích cho việc điều chỉnh buồng đốt nhưng thường các hãng không có truyền thống sử dụng nên thiết bị này thương không được sử dụng mà người ta thay thế phương án khác khi cần điều chỉnh nhiệt độ buồng đốt.

Hệ thống nhóm các bề mặt trao đổi nhiệt đối lưu

Phần thứ hai trong cấu tạo lò hơi tầng sôi tuần hoàn: Hệ thống các bề mặt trao đổi nhiệt đối lưu  bao gồm: Bộ quá nhiệt (superheater), Bộ quá nhiệt trung gian (reheater), bộ gia nhiệt nước cấp (economizer), bộ sấy không khí (air preheater).

Đối với lò hơi tầng sôi tuần hoàn Hot cyclone nhóm các bề mặt trao đổi nhiệt đối lưu được bố trí trên cùng một pass khói riêng ở phía sau cyclone.  Tuy nhiên người ta thường phải thiết kế thêm một nhóm bề mặt trao đổi nhiệt dạng màn đặt bên trong của buồng đốt chính (pass 1) khi có nhu cầu hơi quá nhiệt ở nhiệt độ cao. Nhóm bề mặt này thường được gọi là Wing-wall, luôn có dạng chữ J (chữ L ngược), bắt đầu từ vách trước và kết thúc ở nóc lò., thường là bộ sinh hơi quá nhiệt, hoặc là bộ quá nhiệt đặt xen kẽ với bộ sinh hơi bão hòa.

Đối những lò hơi tầng sôi tuần hoàn  dạng cold cyclone, các bề mặt trao đổi nhiệt như, ống sinh hơi, ống sinh hơi quá nhiệt, bộ hâm nước thường sẽ được đặt chung vào bên trong buồng đốt của lò. Điều này giúp  nhiệt độ khói khi ra khỏi lò hạ xuống (chỉ ~450^oC). Do đó việc thiết k, chế tạo cyclone  ở dạng lò này lại dễ dàng hơn.

Nhược điểm lò hơi tầng sôi tuần hoàn dạng Cyclone nguội  do các ống này đặt trong vùng nhiệt độ cao và có một lưu lượng rất lớn các hạt rắn quét qua. nên thường đối mặt với việc dễ hư hỏng các ống trao đổi nhiệt. Chính vì vậy  để giảm bớt tác động mài mòn của các hạt rắn tuần hoàn. Các lò tuần hoàn dạng Cyclone nguội này được thiết kế với vận tốc sôi thấp hơn các lò hot-cyclone.

Ngoài những phần đã kể trên, lò hơi tầng sôi tuần hoàn còn có một số thiết bị bổ trợ đặc thù khác như hệ cấp bột đá vôi, hệ làm nguội tro xỉ,…

Nguyên lý hoạt động của lò hơi tầng sôi tuần hoàn

Nhiên liệu sau khi sơ chế thông qua băng tải ,vít tải được đưa vào buồng đốt. Sau khi được sấy nóng bằng bộ sấy không khí gió cấp 1  được cấp vào từ phía dưới ghi buồng đốt làm nhiệm vụ tạo lớp sôi và cung cấp oxy cho quá trình cháy.

Tiếp đến gió cấp 2 được cấp vào buồng đốt ở một độ cao nhất định. Các hạt nhiên liệu chuyển động lên xuống trong buồng đốt  và cháy cùng với hệ thống gió luân chuyển giúp các lớp nhiên liệu cháy hết, không tiêu hao nhiên liệu. Khi cháy gần hết thì nhiên liệu  vỡ ra tạo thành tro xỉ, và bụi, các hạt tro xỉ có trọng lượng nhẹ nên bay theo khói ra khỏi buồng lửa.

Tuy nhiên các hạt nhiên liệu có kích thước lớn hơn vẫn không được cháy hết hoàn toàn , hỗn hợp nhiên liệu này lại trải qua quá trình phân ly hạt than lắng lại và được đưa trở về buồng đốt  tiếp tục quá trình cháy cho đến khi cạn kiệt thì thôi, nên nó chính được gọi là lò hơi tầng sôi tuần hoàn

Lượng nhiệt tuần hoàn được phân bổ  theo từng ngưỡng nhiệt cụ thể như: 800-900 oC được cấp cho các bộ quá nhiệt,  bộ sấy không khí, bộ hâm nước, …Trước khi đi qua ống khói vào môi trường, khói thải ra nhiệt độ  dưới 200 oC cũng được tận dụng để lọc tro xỉ bay theo khói giúp nhà máy tối ưu hiệu quả kinh tế.

Trên đây là một số thông tin cơ bản về loại lò hơi tầng sôi tuần hoàn, dạng lò có thể đốt đa dạng các loại nhiên liệu, nhiên liệu sẽ được đốt cháy hoàn toàn giúp nhà máy tối ưu nguồn nhiên liệu, tiết kiệm chi phí , nâng cao hiệu suất mang lại hiệu quả kinh tế cao.