THÀNH PHẦN VÀ ỨNG DỤNG CỦA LÒ HƠI

1. Bố Trí Hệ Thống và Các Thành Phần Chính

Hầu hết các ứng dụng của lò hơi liên quan đến việc sản xuất điện hoặc cung cấp hơi nước cho quy trình công nghiệp. Trong một số trường hợp, sự kết hợp của hai ứng dụng này, được gọi là đồng phát (cogeneration). Trong mỗi ứng dụng, lò hơi là một phần quan trọng của một hệ thống lớn hơn bao gồm nhiều hệ thống con và thành phần. Hình 9 cho thấy một nhà máy điện đốt than hiện đại; Hình 10 xác định các hệ thống con chính. Các hệ thống con chính bao gồm tiếp nhận và chuẩn bị nhiên liệu, lò hơi và quá trình đốt, bảo vệ môi trường, tuabin-máy phát điện, và thải nhiệt bao gồm cả tháp giải nhiệt.

Đầu tiên, hãy theo dõi nhiên liệu và sản phẩm của quá trình đốt (khí thải) trong hệ thống. Hệ thống xử lý nhiên liệu lưu trữ nguồn cung nhiên liệu (than trong ví dụ này), chuẩn bị nhiên liệu để đốt và vận chuyển nó đến lò hơi. Hệ thống khí liên quan cung cấp không khí đến các vòi đốt thông qua một quạt gió cưỡng bức. Hệ thống con lò hơi, bao gồm bộ gia nhiệt khí, đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu-không khí, thu hồi nhiệt và tạo ra hơi nước áp suất cao, nhiệt độ cao được kiểm soát. Khí thải rời khỏi hệ thống con lò hơi và hệ thống khử xúc tác chọn lọc (SCR) nếu được trang bị, sau đó đi qua hệ thống thu gom bụi và khử lưu huỳnh đioxit (SO₂), nơi các chất ô nhiễm được thu gom và tro cùng chất thải rắn từ hệ thống khử được loại bỏ. Khí thải còn lại sau đó được đưa đến ống khói thông qua một quạt hút khí.

Tiếp theo, hãy theo dõi đường đi của hơi nước. Lò hơi (boiler) làm bay hơi nước và cung cấp hơi nước nhiệt độ cao, áp suất cao, trong điều kiện được kiểm soát cẩn thận, đến một tổ hợp tuabin-máy phát điện để sản xuất điện. Hơi nước cũng có thể được gia nhiệt lại trong lò hơi, sau khi đi qua một phần của hệ thống tuabin nhiều cấp, bằng cách dẫn hơi thoát trở lại phần đối lưu của lò hơi (bộ gia nhiệt lại không được hiển thị). Cuối cùng, hơi nước được đưa từ tuabin đến bình ngưng, nơi nhiệt thải còn lại được thải bỏ. Trước khi nước từ bình ngưng được trả lại lò hơi, nó đi qua một số máy bơm và bộ trao đổi nhiệt (bộ gia nhiệt nước cấp) để tăng áp suất và nhiệt độ. Nhiệt được hấp thụ bởi bình ngưng cuối cùng được thải ra khí quyển bằng một hoặc nhiều tháp giải nhiệt. Những tháp giải nhiệt này có lẽ là thành phần dễ nhận biết nhất trong hệ thống điện (Hình 9). Tháp giải nhiệt tự nhiên được hiển thị về cơ bản là một cấu trúc hình trụ rỗng lưu thông không khí và hơi ẩm để hấp thụ nhiệt thải từ bình ngưng. Những tháp giải nhiệt như vậy tồn tại ở hầu hết các địa điểm nhà máy điện hiện đại, cả hạt nhân và nhiên liệu hóa thạch.

Đối với hệ thống điện công nghiệp, nhiều tính năng tương tự được yêu cầu. Tuy nhiên, phần tuabin-máy phát điện và thải nhiệt được thay thế bằng ứng dụng quy trình, chẳng hạn như bộ sưởi không gian bức xạ hoặc bộ trao đổi nhiệt.

Trong hệ thống điện hạt nhân (Hình 11), lò hơi đốt nhiên liệu hóa thạch được thay thế bằng bình lò phản ứng hạt nhân và, thông thường, hai hoặc nhiều lò hơi. Hệ thống xử lý than được thay thế bằng cơ sở xử lý và lưu trữ bó nhiên liệu lò phản ứng hạt nhân, và thiết bị kiểm soát ô nhiễm không khí quy mô lớn là không cần thiết.

Các hệ thống lò hơi hiện đại có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau. Những tiêu chí này bao gồm mục đích sử dụng cuối cùng, phương pháp đốt, áp suất vận hành, nhiên liệu và phương pháp tuần hoàn.

Lò hơi nhiệt điện chủ yếu được sử dụng để phát điện trong các nhà máy điện trung tâm lớn. Chúng được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất nhiệt động lực tổng thể ở mức độ sẵn sàng cao nhất có thể. Các nhà máy mới thường được đặc trưng bởi lưu lượng hơi chính lớn với áp suất hơi quá nhiệt đầu ra từ 12.41 đến 26.62 MPa với nhiệt độ hơi ở hoặc trên 566°C. Một đặc điểm chính của các nhà máy mới hơn là sử dụng bộ gia nhiệt lại để tăng hiệu suất chu trình tổng thể.

Lò hơi công nghiệp thường cung cấp hơi nước cho các quy trình hoặc hoạt động sản xuất và được thiết kế với sự chú ý đặc biệt đến: 1) áp suất được kiểm soát bởi quy trình (thường thấp hơn), 2) độ tin cậy cao với bảo trì tối thiểu, 3) sử dụng một hoặc nhiều nhiên liệu rẻ tiền tại địa phương, đặc biệt là sản phẩm phụ hoặc chất thải từ quy trình, và 4) vốn đầu tư ban đầu thấp và chi phí vận hành tối thiểu. Về mặt công suất, những người sử dụng chính các lò hơi công nghiệp như vậy là ngành công nghiệp giấy và bột giấy, ngành công nghiệp xử lý chất thải rắn đô thị, ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, ngành công nghiệp dầu khí/hóa dầu, các nhà sản xuất điện độc lập và đồng phát, và một số hoạt động sản xuất quy mô lớn. Áp suất vận hành dao động từ 1.04 đến 12.41 MPa với điều kiện hơi bão hòa hoặc quá nhiệt.

Nhiên liệu chính được lựa chọn có lẽ có tác động đáng kể nhất đến cấu hình và thiết kế hệ thống lò hơi. Trong trường hợp năng lượng hạt nhân, một hệ thống thực sự độc đáo để chứa nhiên liệu và các sản phẩm phản ứng hạt nhân đã được phát triển với sự tập trung mạnh mẽ vào an toàn và bảo vệ con người khỏi phơi nhiễm phóng xạ. Hiệu suất vật liệu chấp nhận được trong môi trường bức xạ và hiệu suất thủy nhiệt, cơ học dài hạn là trung tâm của thiết kế hệ thống.

Nếu sử dụng nhiên liệu rắn như than (có lượng tro không cháy đáng kể), toàn bộ hệ thống sẽ phức tạp hơn nhiều. Hệ thống này có thể bao gồm các nhà máy xử lý và chuẩn bị nhiên liệu mở rộng, một buồng đốt lớn hơn nhiều và các bề mặt truyền nhiệt cách xa nhau hơn. Các thành phần bổ sung có thể là thiết bị làm sạch đặc biệt để giảm tác động của bám bẩn và xói mòn, gia nhiệt không khí để làm khô nhiên liệu và tăng cường quá trình đốt cháy, thiết bị xử lý khói thải mở rộng hơn và thiết bị để thu gom và loại bỏ chất thải rắn.

Khi đốt nhiên liệu hóa thạch, sinh khối hoặc sản phẩm phụ, các sự chuẩn bị đa dạng phải được thực hiện cho việc xử lý và chuẩn bị nhiên liệu, đốt nhiên liệu, thu hồi nhiệt, bám bẩn bề mặt truyền nhiệt, ăn mòn vật liệu và kiểm soát khí thải. Ví dụ, trong một lò hơi đốt khí gas (Hình 12), nhu cầu lưu trữ và xử lý nhiên liệu là tối thiểu. Chỉ cần một buồng đốt nhỏ để đốt cháy, và các bề mặt truyền nhiệt có thể được sắp xếp gần nhau do ít tro bụi (bám bẩn). Lượng ăn mòn cho phép tương đối nhỏ và chức năng kiểm soát khí thải chủ yếu là để xử lý NOx hình thành trong quá trình đốt cháy. Kết quả là một thiết kế tương đối nhỏ gọn và tiết kiệm chi phí.

Ảnh hưởng của nhiên liệu đến thiết kế lò hơi nhiệt điện được chỉ rõ trong Hình 12, nơi cả hai lò hơi tạo ra cùng lưu lượng hơi. Thêm vào sự khác biệt về kích thước và chi phí, là thực tế rằng lò hơi đốt than sẽ rộng hơn và sẽ yêu cầu nhiều thiết bị làm sạch khí thải hơn để đáp ứng các yêu cầu về khí thải. Thách thức đặc biệt khi đốt các nhiên liệu rắn khác nhau được chỉ ra trong Hình 13, nơi có sự chuẩn bị cho đốt cả than nghiền (được nghiền mịn) bằng cách sử dụng các vòi đốt và cho mùn cưa và vỏ cây được đốt trên ghi di chuyển (stoker) ở đáy buồng đốt.

Nhiệt độ và áp suất hơi nước cho các ứng dụng lò hơi khác nhau có thể có tác động đáng kể đến thiết kế. Hình 14 xác định một số loại lò hơi điển hình, cũng như lượng nhiệt đầu vào tương đối cần thiết, để gia nhiệt nước, bay hơi (đun sôi), quá nhiệt và gia nhiệt lại, nếu cần. Lượng năng lượng tương đối cần thiết cho bay hơi giảm đáng kể khi áp suất vận hành tăng lên. Kết quả là, lượng bề mặt truyền nhiệt vật lý (ống) tương đối dành cho mỗi chức năng có thể khác nhau đáng kể.