Chơng 7 Hệ thống thoát khói, cấp gió và thiết bị tận dụng nhiệt khói lò 7.1. Hệ thống thoát khói 7.1.1. Cấu trúc của hệ thống thoát khói Thông thờng hệ thống thoát khói cho lò bao gồm các kênh khói, cống khói và ống khói làm nhiệm vụ dẫn sản phẩm cháy từ lò ra ngoài trời. Cấu trúc của hệ thống thoát khói rất đa dạng phụ thuộc cấu trúc lò và vị trí đặt hệ thống thoát khói. Thông thờng các lò có công suất nhỏ hoặc không dùng thiết bị trao đổi nhiệt, hoặc dùng thiết bị trao đổi nhiệt hình kim, thiết bị ống nhẵn kiểu ống thẳng, ngời ta bố trí hệ thống khói ở ngay phía trên nóc lò. Những lò có công suất trung bình và lớn, có thiết bị hoàn nhiệt, thiết bị trao đổi nhiệt bằng gốm . thờng bố trí hệ thống thoát khói đi chìm dới nền phân xởng. Cách bố trí hệ thống thoát khói đi chìm có u điểm giải phóng đợc mặt bằng quanh lò, thuận tiện cho vận hành lò nhng gây khó khăn và tốn kém trong xây dựng. Đa số các lò luyện kim, do mục đích sử dụng nhiệt trong lò, thờng bố trí các kênh khói dẫn khói từ buồng lò qua đáy hoặc tờng đi xuống phía dới và tập trung vào cống khói để tới ống khói. Trên hình 7.1 trình bày cấu trúc điển hình của một hệ thống thoát khói của lò nung liên tục. Kênh khói thờng có tiết diện chữ nhật, làm nhiệm vụ dẫn khói từ không gian lò tới cống khói. Miệng kênh khói có thể bố trí trên đáy lò hoặc trên tờng tùy theo yêu cầu công nghệ. Khi bố trí miệng kênh khói trên đáy, khoảng cách giữa cách kênh 2 3 4 6 A A 5 1 A -A Hình 7.1 Sơ đồ hệ thống thoát khói lò nung liên tục 1) Không gian lò 2) Kênh khói 3) Cống khói 4)Thiết bị trao đổi nhiệt 5) Van 6) ống khói - 131 - không đợc nhỏ hơn một viên gạch để đảm bảo độ bền của thể xây, đồng thời kích thớc tiết diện cần chọn sao cho không để vật nung rơi xuống kênh. Khi bố trí kênh trên tờng lò thì chiều dày tờng lò (không kể chiều rộng kênh) phải lớn hơn 460 mm. Cống khói thờng có tiết diện chữ nhật đứng, đỉnh cuốn vòm, đặt ngầm dới đất, khoảng cách tối thiểu từ đỉnh cống khói tới mặt nền 300mm. Những nơi có nớc ngầm cống khói đợc đặt trong lớp bê tông chống thấm, khi đó cần cách nhiệt tốt để không làm cho bê tông bị phá hủy. Trên đờng dẫn khói lò có thể đặt thiết bị trao đổi nhiệt (thờng là ở phần cống khói) và đặt van điều chỉnh lợng khói lò đi ra ống khói. ống khói là bộ phận tạo sức hút để đa sản phẩm cháy từ buồng lò thải ra môi trờng. Tùy theo công suất lò và nhiệt độ khí thải có thể sử dụng ống khói xây gạch, ống khói kim loại hoặc ống khói bằng bê tông chịu nhiệt. Khi thiết kế hệ thống thoát khói cần lu ý các nguyên tắc sau: - Bố trí các kênh khói sao cho khói lò từ buồng lò vào các kênh đều nhau để không có góc chết. - Đờng dẫn khói càng ngắn, càng thẳng càng tốt, hạn chế các góc ngoặt, gấp khúc, các ví trí đột mở, đột thu đột ngột làm tăng trở lực trên đờng dẫn, đồng thời đảm bảo thuận tiện cho việc xây thể xây. - Những nơi có nhiều lò đặt gần nhau nên bố trí hệ thống thoát khói có chung một ống khói để giảm chi phí xây dựng. 7.1.2. Tính hệ thống thoát khói a) Tính lợng khí lò đi vào kênh Lợng khí lò khi bắt đầu vào kênh khói: = .VBVV 0nA [m 3 /h] (7.1) Trong dó: B - lợng tiêu hao nhiên liệu [m 3 /h] hoặc [kg/h]. V n - lợng sản phẩm cháy khi đốt cháy một đơn vị nhiên liệu [m 3 /kg] hoặc [m 3 /m 3 ]. - tổng lợng khí lò mất qua cửa thao tác và cửa quan sát [m .V 0 3 /h]. Đối với cửa đứng ữ> 43 B H : - 132 - t1 V V t 0 + = (7.2) () kkkt gH2BH 3 2 V à= Đối với cửa nằm ữ> 43 H B : t1 V V ' t 0 + = (7.3) () kkk ' t gH2BHV à= là hệ số thời gian mở cửa: f G3600 mP = (7.4) Với m là thời gian ra một phôi [s], P năng suất lò [kg/h], G f khối lợng một phôi[kg]. b) Tính tiết diện kênh khói Diện tích tiết diện kênh khói xác định theo công thức sau: N.W.3600 V F k A k = [m 2 ] (7.5) Trong đó: W k - tốc độ khí lò đi trong kênh , chọn trong khoảng 1 - 2 m/s. N - số kênh. Kênh khói có tiết diện chữ nhật nên ta có: b.aF k = Biết F k ta xác định đợc các kích thớc a và b. c) Tính diện tích tiết diện cống khói C A C W.3600 V F = [m 2 ] (7.6) Trong đó: W c - tốc độ khí lò đi trong cống, chọn trong khoảng 1,5 - 3 m/s. Dựa vào tiết diện F c tra bảng chọn cống khói có tiết diện F F c . 7.1.3. Tính trở lực trên đờng dẫn khói Tổng tổn thất áp suất ở hệ thống thoát khói xác định theo công thức: - 133 - += hhcbmstt hhhh (7.7) Trong đó: h ms - tổng tổn thất do ma sát trên đờng dẫn. h cb - tổng tổn thất cục bộ trên dờng dẫn. h hh - tổng tổn thất hình học trên đờng dẫn. a) Tính tổn thất ma sát Tổn thất ma sát trên đờng dẫn xác định theo công thức: 0 i,k i i n 1i 2 k0k0 ims T T D L . 2 W .h = à= ( i,kk0 i i n 1i 2 k0 ims t1. D L . 2 W .h +à= = ) (7.8) Trong đó: à i - hệ số ma sát trên đoạn thứ i. 0k , W 0k - khối lợng riêng và tốc độ khí lò ở điều kiện tiêu chuẩn [kg/m 3 ] và [m/s]. L i , D i - chiều dài và đờng kính thủy lực của đoạn khảo sát. i i i C F4 D = Với F i [m 2 ] và C i [m] là diện tích tiết diện và chu vi của dòng chảy tại đoạn khảo sát. T 0 - nhiệt độ ở điều kiện tiêu chuẩn o K. ki T - nhiệt độ trung bình trên đoạn thứ i: 2 TT T ki)1i(k ki + = Với ii)1i(kki l.TTT = - độ giảm nhiệt độ trên một đơn vị chiều dài đờng dẫn[ i T o K/m]. b) Tính tổn thất cục bộ Tổn thất áp suất do trở lực cục bộ xác định theo công thức: = = n 1i 0 i,k 2 k0k0 icb T T . 2 W .h - 134 - ( = += n 1i i,kk0 2 k0 icb t1. 2 W .h ) (7.9) Trong đó: i - hệ số trở lực cục bộ tại mặt cắt i. T k,i - nhiệt độ tại mặt cắt i. c) Tính tổn thất hình học Tổn thất hình học xuất hiện khi khí lò nhẹ hơn không khí bao quanh chuyển động từ trên xuống dới hoặc khi khí lò nặng hơn chuyển động từ dới lên trên. Công thức xác định tổn thất do trở lực hình học khi khí lò nhẹ hơn không khí bao quanh chuyển động từ trên xuống dới: = = n 1i i,k 0 ok i,kk 0 okkihh T T T T gHh (7.10) ( = = n 1i i,ki,kkihh gHh ) Trong đó: H i - độ cao của đoạn kênh khảo sát [m]. - khối lợng riêng không khí và khí lò ở điều kiện tiêu chuẩn [kg/m ,kk0 k0 3 ]. i,kk T , i,k T - nhiệt độ trung bình của không khí và khí lò trên đoạn khảo sát [ o K]. Trong trờng hợp ngợc lại, khí lò nhẹ đi lên hoặc khí lò nặng đi xuống, cột áp hình học giảm tổn thất áp trên đờng dẫn (h hh mang dấu âm). 7.1.4. Tính ống khói Thiết kế ống khói nhằm mục đích xác định chiều cao ống khói và các thông số cơ bản của ống khói sao cho đảm bảo lực hút của ống khói lớn hơn trở lực trên đờng dẫn của hệ thống thoát khói. Sử dụng phơng trình Becnuly ta nhận đợc quan hệ giữa áp suất âm ở chân ống khói với chiều cao của nó, nhiệt độ sản phẩm cháy và các tổn thất năng lợng khi sản phẩm cháy chuyển động trong ống khói: ( ) ]m/N[ T T . 2 W d H . T T . 2 W T T . 2 WW . T T T T Hgp 2 0 2,k 2 k0 tb0 k 2 k0 0 k 2 1,k0 2 2,k0 k0 k 0 k0 kk 0 kk0 2,k0 k0 à = (7.11) Trong đó: - 135 - p - áp suất âm cần tạo ra ở chân ống khói [N/m 2 ]: (7.12) = tt h.kp Với k = 1,2 - 1,3 là hệ số kể đến sự tăng trở lực khi kênh dẫn bị bám bụi và khả năng cờng hóa quá trình. tt h - tổng tổn thất trên đờng dẫn đến chân ống khói [N/m 2 ]. Từ phơng trình (7.11) và (7.12), nhận đợc công thức xác định chiều cao ống khói: () tb0 k 2 k0 k 0 k0 kk 0 kk0 0 2,k 2 k0 0 k 2 1,k0 2 2,k0 k0tt d 1 . T T . 2 W T T T T g T T . 2 W T T . 2 WW .h.k H k0 2,k0 à+ + + = [m] (7.13) Trong đó: , : khối lợng riêng khói lò và không khí ở điều kiện tiêu chuẩn [kg/m k0 kk0 3 ]. , , là tốc độ khói lò tại chân, đỉnh ống khói ở điều kiện tiêu chuẩn [m/s]. 1,k0 W 2,k0 W k0 W là tốc độ trung bình của khói lò trong ống khói ở điều kiện tiêu chuẩn: 2 WW W 2,k01,k0 k0 + = 420 P (m) - nhiệt độ không khí xung quanh [ kk T o K]. 2 TT T 2,k1,k k + = - nhiệt độ trung bình của khói lò trong ống khói [ o K]. , T - nhiệt độ khói lò ở chân và đỉnh ốn 1,k T 2,k g khói [ o K]. à - hệ số ma sát trong ống khói. - đờng kính trong trung bình của ống khói: tb d 2 dd d 21 tb + = Với d 1 , d 2 đờng kính trong ở chân và đỉnh ống khói [m]. 100 150 200 250 t k = 450 o C 350 380 340 300 260 220 180 140 100 60 20 20 60 60 80 H (m) Hình 7.2 Biểu đồ chọn chiều cao sơ bộ của ống khói - 136 - Các thông số trong công thức (7.13) đợc xác nh sau: Nhiệt độ khí lò tại miệng ống khói: sb1,k2,k H.tTT = k T - nhiệt độ trung bình của khói lò trong ống khói [ o K]. Với t là độ giảm nhiệt độ trung bình của khói lò ứng với 1 m chiều cao ống khói [ o C/m], là chiều cao ống khói sơ bộ, chọn theo giản đồ hình 7.2. sb H Đờng kính ra của miệng ống khói: 2,k0 k 2 w. V4 d = [m] (7.14) Đối với ốngkhói xây bằng gạch thì d 2 800mm. Đờng kính chân ống khói bằng gạch và bê tông chọn: 21 d5,1d = Tốc độ khí lò tại miệng ống khói chọn 3 - 4 m/s. 2,k0 W Chiều cao ống khói H tính đợc từ công thức 7.13 nằm trong khoảng % thì không phải tính lại. Trờng hợp H < 16 m, lấy H = 16 m để đảm bảo điều kiện vệ sinh môi trờng. 10H sb 7.2. Hệ thống cấp gió và khí đốt 7.2.1. Cấu trúc hệ thống cấp gió Hệ thống cấp gió gồm thiết bị cấp gió (quạt gió) và các ống dẫn gió làm nhiệm vụ dẫn không khi từ thiết bị cấp gió đến thiết bị đốt nhiên liệu. Trong trờng hợp dùng gió nóng, có thêm đờng dẫn không khí đi qua thiết bị trao đổi nhiệt trớc khi đến thiết bị đốt. Trên hình 7.3 trình bày cấu trúc của hệ thống cấp gió của một lò nung liên tục sử dụng gió nóng. Các ống dẫn gió đợc làm bằng thép ống hàn, chiều dày thành ống từ 3 - 6 mm. Nếu ống dẫn gió nóng mà nhiệt độ t kk < 500 o C bên ngoài có bọc cách nhiệt, còn khi t kk > 500 o C thì ngoài lớp bọc cách nhiệt, bên trong ống còn phải lót gạch chịu lửa mác thấp. Đối với các lò dùng nhiên liệu khí, ngoài các ống dẫn gió còn có hệ thống ống dẫn khí đốt. Các ống dẫn khí đốt cũng chế tạo bằng các ống thép hàn, chiều dày thành - 137 - ống từ 5 - 8 mm, bên ngoài bọc cách nhiệt nếu t k <500 o C và lót gạch bên trong và bọc cách nhiệt bên ngoài nếu t k > 500 o C. Khi thiết kế hệ thống cấp gió cần lu ý: 1 2 3 4 5 5 Hình 7.3 Sơ đồ cấp gió cho lò nung liên tục 1) Quạt gió 2) ống dẫn gió lạnh 3) ống dẫn gió nóng 4) ống dẫn gió pha loãng khói lò 5)Thiết bị đốt - Bố trí đờng dẫn khí sao cho chiều dài đờng dẫn càng ngắn càng tốt, hạn chế gấp khúc và các trở lực cục bố khác làm tăng tổn thất áp suất trên đờng dẫn, đồng thời không gây trở ngại cho việc đi lại và thao tác xung quanh lò. - Khi trong phân xởng có nhiều lò gần nhau thì có thể thiết kế một hệ thống cấp gió chung cho các lò. - Tính toán trở lực trên đờng dẫn để chọn quạt gió cần tính cho nhánh có tổn thất lớn nhất. 7.2.2. Tính kích thớc đờng ống dẫn gió và khí đốt - Diện tích tiết diện ống dẫn gió: i,kk i,kk i,kk W.3600 V F = (m 2 ) (7.15) Trong đó: i,kk V - lu lợng gió qua tiết diện đoạn ống khảo sát [m 3 /h]. i,kk W - tốc độ gió qua tiết diện đoạn ống khảo sát [m/s], chọn theo bảng 7.1. - Đờng kính ống dẫn: = i,kk i,kk F.4 d (m) (7.16) - 138 - Bảng 7.1 Tốc độ gió và khí đốt trong ống dẫn Dịch thể W [m/s] Không khí lạnh 8 - 12 Không khí nóng 4 - 6 Khí đốt lạnh, áp suất thấp: - ống thẳng - ống có hình phức tạp 12 6 Khí đốt nóng, áp suất thấp: 4 - 6 7.2.3. Tính tổn thất áp suất trên đờng dẫn gió Tổng tổn thất trên đờng dẫn gió xác định theo công thức tơng tự trong phần thiết kế hệ thống thoát khói nhng lu ý các thông số thiết kế (nh độ giảm nhiệt độ, hệ số trở lực ) đợc chọn theo không khí hoặc khí đốt. Tổng tổn thất: += hhcbmstt hhhh (7.17) Tổn thất ma sát: ( i,kkkk0 i i n 1i 2 kk0 ims t1. D L . 2 W .h +à= = ) (7.18) Tổn thất cục bộ: ( = += n 1i i,kkkk0 2 kk0 icb t1. 2 W .h ) (7.19) Đối với lò dùng nhiên liệu rắn, trở lực trên đờng dẫn gió phải kể đến trở lực qua ghi lò h g . 7.3. Thiết bị tận dụng nhiệt khói lò 7.3.1. Phân loại Để tận dụng nhiệt khói thải, trong các lò luyện kim thờng sử sụng các thiết bị thu hồi nhiệt để nung nóng không khí hoặc khí đốt. Theo nguyên tắc làm việc ngời ta chia các thiết bị thu hồi nhiệt thành hai loại: - Thiết bị trao đổi nhiệt: hoạt động liên tục, chế độ nhiệt độ ổn định, không khí và khói cùng đi qua thiết bị. - 139 - - Thiết bị hoàn nhiệt: hoạt động theo chu kỳ, chế độ nhiệt độ không ổn định, không khí và khói lò đi qua thiết bị trong những khoảng thời gian khác nhau. Dới đây chủ yếu khảo sát thiết bị trao đổi nhiệt. 7.3.2. Thiết bị trao đổi nhiệt Thiết bị trao đổi nhiệt có hai loại: thiết bị trao đổi nhiệt kiểu gốm chế tạo bằng vật liệu phi kim (samôt hoặc cac bô run) và thiết bị trao đổi nhiệt kim loại đợc chế tạo bằng kim loại (gang xám, thép các bon thấp, thép hợp kim chịu nhiệt ). Phổ biến là thiết bị trao đổi nhiệt kim loại. Theo cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt kim loại đợc chia ra làm hai loại: loại ống kim loại nhẵn và loại ống có gai. Loại ống nhẵn đợc chế tạo từ các ống thép nhẵn có đờng kính trong d = 15 - 100 mm, chiều dày thành ống từ 3 - 5 mm. Các ống đợc bố trí thành chùm ống theo kiểu bàn cờ hoặc so le, không khí đi trong ống còn khói lò đi ngoài ống. Nhiệt độ khói lò thờng không đợc vợt quá 500 o C. Loại này có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo và lắp đặt, hệ số truyền nhiệt vào khoảng 15 - 25 Kcal/m 2 .h.độ. Loại ống mặt có gai đợc chế tạo từ gang chịu nhiệt chứa 1,5 - 30 %Cr, có gai hai mặt hoặc có gai mặt trong, mặt ngoài nhẵn. Do bề mặt có gai, nên loại này có hệ số KK lạnh KK lạnh KK nón g KK nón g b) a) Hình 7.2 Sơ đồ cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt kim loại a) ống trơn b) ống có gai - 140 - [...]... trong một hàng và số hàng cần thiết để đảm bảo bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị lớn hơn hoặc bằng giá trị tính đợc - 143 - Tài liệu tham khảo 1 Phạm Văn Trí, Dơng Đức Hồng, Nguyễn Công Cẩn: Lò công nghiệp Đại học Bách khoa Hà nội - 1996 2 Bộ môn Luyện kim: Nguyên lý lò luyện kim Đại học Bách khoa Hà nội - 1968 3 E.I Kazanxev: Prômslenni petchi NXB Metalurghi , Moskva - 1975 4 H.E Xentruk, H Dzmakin:... nhiệt ổn định, lợng nhiệt truyền từ khói lò qua thành của thiết bị đến không khí xác định theo công thức sau: Q = K.t tb F F= Q K.t tb [Kcal/h] hoặc [W] [m2] (7.20) Lợng nhiệt Q cần truyền từ khói lò đến không khí: ( ) ( ) Q = Vkk C c t c C d t d = Vk C c t c C d t d kk kk kk kk k k k k (7.21) Trong đó: Vkk - lợng không khí cần nung nóng [m3/h] Vk - lợng khói lò đi qua thiết bị [m3/h] - hệ số sử... chuyển động của khói và không khí Trên hình 7.3 trình bày một số trờng hợp thông dụng và biểu đồ nhiệt độ sử dụng để tính t tb KK K K K KK KK Ngợc dòng Thuận dòng Giao nhau K K KK KK Chính giao thuận dòng Chính giao ngợc dòng o tC toC td k td k tk tc k c t kk tkk tk tc kk tkk td kk tc k td kk L (m) L (m) Thuận dòng Ngợc dòng Hình 7.3 Phân loại chuyển động khói lò và không khí Hiệu số nhiệt độ trung bình... lợng khói lò đi qua thiết bị [m3/h] - hệ số sử dụng nhiệt của thiết bị 0,85 - 0,90 C d , C c và C d , C c là nhiệt dung riêng của không khí và khi lò trớc khi vào và kk kk k k sau khi ra khỏi thiết bị t d , t c và t d , t c là nhiệt độ của không khí và khí lò trớc khi vào và sau khi ra kk kk k k khỏi thiết bị K - hệ số truyền nhiệt từ khói đến không khí: Khi tờng phẳng: K= 1 1 S 1 + + k kk (7.22) . bằng quanh lò, thuận tiện cho vận hành lò nhng gây khó khăn và tốn kém trong xây dựng. Đa số các lò luyện kim, do mục đích sử dụng nhiệt trong lò, thờng. Tài liệu tham khảo 1. Phạm Văn Trí, Dơng Đức Hồng, Nguyễn Công Cẩn: Lò công nghiệp . Đại học Bách khoa Hà nội - 1996. 2. Bộ môn Luyện kim: Nguyên lý lò