Lò tầng sôi hay còn gọi là nồi hơi tầng sôi là loại lò hơi công nghiệp sử dụng buồng đốt kiểu tầng sôi (được tạo thành từ hàng triệu hạt cát, xỉ hoặc một số loại vật liệu đặc biệt) để đốt cháy nhiên liệu. Buồng đốt tầng sôi tạo ra điều kiện hòa trộn rất tốt trên toàn bộ diện tích của buồng đốt nên nhiên liệu sẽ cháy kiệt trong khi nhiệt độ buồng đốt lại không quá cao, làm giảm lượng phát thải các loại khí có hại.
Lò hơi tầng sôi – nồi hơi tầng sôi là gì?
Trước tiên, chúng ta hãy nói một chút về lò hơi tầng sôi và nồi hơi tầng sôi. Đây là những hệ thống lò hơi sử dụng công nghệ tầng sôi (fluidized bed) để tăng cường hiệu quả đốt cháy nhiên liệu. Nghe thì có vẻ phức tạp, nhưng thực tế, cơ chế hoạt động rất đơn giản: nhiên liệu và không khí được kết hợp và đốt cháy một cách liên tục, giúp nhiên liệu cháy triệt để, tạo ra nhiệt lượng lớn hơn trong khi giảm thiểu lượng khí thải độc hại ra môi trường. Hiểu thêm về nồi hơi hay còn gọi là lò hơi bạn đọc bài viết “Nồi hơi là gì? Lò hơi là gì? ”
Lò hơi tầng sôi (Fluidized Bed Boiler) là một công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực sản xuất năng lượng nhiệt hơi nước. Sử dụng phương pháp đốt cháy tầng sôi, lò hơi này nâng cao hiệu quả đốt cháy nhiên liệu và giảm thiểu khí thải ô nhiễm. Nhờ khả năng sử dụng đa dạng các loại nhiên liệu như than, sinh khối (biomass), dầu và các loại nhiên liệu rắn khác, lò hơi tầng sôi không chỉ tiết kiệm chi phí vận hành mà còn góp phần bảo vệ môi trường, phù hợp với xu hướng phát triển công nghiệp xanh hiện nay.
Lò hơi tầng sôi nổi bật với hiệu suất cao, khả năng kiểm soát nhiệt độ tốt và cơ chế điều khiển linh hoạt, giúp tối ưu hóa quá trình vận hành và giảm thiểu sự can thiệp của con người. Đây là giải pháp lý tưởng cho các ngành công nghiệp hiện đại, đáp ứng các yêu cầu khắt khe về hiệu suất và bảo vệ môi trường.
Một điểm nổi bật của lò hơi tầng sôi và nồi hơi tầng sôi là khả năng sử dụng nhiều loại nhiên liệu khác nhau, từ sinh khối, than đá cho đến chất thải công nghiệp. Điều này không chỉ giúp doanh nghiệp tối ưu hóa chi phí nhiên liệu mà còn góp phần giảm thiểu rác thải, bảo vệ môi trường.
Nguyên lý hoạt động của lò hơi tầng sôi
Lò tầng sôi được chia làm 3 loại (hoặc 3 thế hệ):
• AFBC Boiler: Lò hơi tầng sôi ở áp suất khí quyển, là loại lò tầng sôi phổ biến nhất. Nó còn được gọi với tên khác là lò hơi tầng sôi bọt (BFB Boiler).
• CFBC Boiler: Lò hơi tầng sôi tuần hoàn, đây là biến thể tốc độ sôi cao của lò tầng sôi với vận tốc khói trong buồng đốt lên tới 4 – 6 m/s, các hạt rắn trong khói (bao gồm chất nền và nhiên liệu) sẽ được giữ lại nhờ Cyclone tách (loại nóng hoặc lạnh) và tuần hoàn trở lại buồng đốt. Loại lò tầng sôi này có hiệu quả đốt cháy nhiên liệu rất cao tuy nhiên giá thành đầu tư ban đầu cũng cao tương ứng. Vì vậy, lò CFBC thường được thiết kế đối với dải công suất từ 100 tấn/giờ trở lên.
• PFBC Boiler: Lò hơi tầng sôi có áp, đây là biến thể đặc biệt của lò tầng sôi trong đó toàn bộ lò được đặt trong một khu vực áp suất cao (khoảng 16kg/cm2). Khí nóng sinh ra sau khi qua các bộ trao đổi nhiệt được sử dụng để chạy tua bin khí. Hơi nước sinh ra từ các bộ trao đổi nhiệt được sử dụng để chạy tua bin hơi. Lò hơi PFBC nhìn chung có hiệu suất hệ thống cao hơn so với hai dạng còn lại tuy nhiên chi phí đầu tư cũng rất cao và cấu tạo hệ thống phức tạp là trở ngại lớn. Dải công suất thiết kế của PFBC là 70 – 350 MW.
Cấu tạo lò hơi tầng sôi thông thường bao gồm 5 hệ thống con:
1. Hệ thống cấp liệu
2. Buồng đốt
3. Hệ thống gió và khói
4. Hệ thống thải xỉ và xử lý khí thải;
5. Bộ phận sinh hơi
1. Hệ thống cấp liệu
Không như các lò hơi kiểu cũ (lò ghi xích và ghi tĩnh), nhiên liệu cấp cho lò hơi tầng sôi đòi hỏi phải có kích thước đồng đều và độ lớn theo quy định nhằm đạt được điều kiện đốt cháy tối ưu. Đối với than, giới hạn kích thước là 0-10mm. Đối với biomass nói chung, giới hạn kích thước là 0-50mm. Nhiên liệu có thể được vận chuyển bằng băng tải, vít, gàu tải… tới các si lô chứa để dự trữ hoặc cấp trực tiếp đến lò hơi. Tùy theo loại nhiên liệu hoặc bố trí mặt bằng mà hệ thống cấp liệu sẽ được thiết kế để tối ưu nhất. Hệ thống cấp liệu có thể có thêm các thiết bị cảm biến đo khối lượng (loadcell) lắp trên các phễu chứa nhiên liệu hay lắp trên băng tải nhiên liệu để đo lường lượng nhiên liệu cấp vào lò, phục vụ cho việc tính tiêu hao nhiên liệu và hiệu suất của lò hơi.
Đối với lò tầng sôi, nhiên liệu cấp vào lò có thể được phun bên trên mặt lớp sôi hoặc cấp từ bên dưới lớp sôi. Kiểu cấp liệu bên dưới lớp sôi chỉ được sử dụng đối với than đá đã qua nghiền sơ bộ với kích thước nhỏ và hiếm gặp trên thực tế.
Một số lò hơi đốt các loại nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao sẽ cần cấp thêm đá vôi để xử lý nhằm giảm phát thải khí SOx. Các chất hấp thụ này sẽ được nghiền xuống cỡ hạt khoảng 0 – 6mm và phun vào buồng đốt.
2. Buồng đốt tầng sôi
Một tập hợp các hạt rắn sẽ trở thành tầng sôi khi có một lượng khí áp suất cao được đưa vào từ mặt dưới của lớp hạt rắn và làm cho lớp hạt rắn ứng xử như chất lỏng: Các vật thể có khối lượng riêng lớn hơn lớp hạt rắn sẽ chìm xuống còn vật thể có khối lượng riêng nhỏ hơn sẽ nổi (định luật Archimedes).
Độ sôi của lớp hạt rắn phụ thuộc rất lớn vào kích thước hạt và vận tốc sôi. Vận tốc sôi của lớp hạt rắn tăng chậm hơn so với tốc độ của dòng khí đi trong đó. Sự chênh lệch tốc độ này được gọi là vận tốc trượt. Vận tốc trượt càng lớn thì khả năng hòa trộn nhiên liệu càng tốt và hiệu quả cháy sẽ càng cao.
Phân loại lò hơi tầng sôi theo tốc độ gió
Buồng đốt của lò BFB thường bao gồm một lớp nền sôi thấp và một khu vực trống bên trên (Freeboard). Năng lượng giải phóng từ quá trình đốt cháy nhiên liệu được phân chia giữa khu vực bên dưới và khu vực bên trên của buồng đốt theo tỷ lệ 88:12. Nghĩa là năng lượng tập trung chủ yếu ở khu vực lớp sôi. Nhiệt độ lớp sôi đối với lò BFB đốt than được duy trì trong khoảng 800 – 900oC bằng cách trích xuất lượng nhiệt phù hợp. Tuy nhiên, đối với lò đốt biomass, nhiệt độ lớp sôi phải được giữ ở dưới 750oC để tránh đóng keo lớp nền trong buồng đốt, do hàm lượng hợp chất Natri và Kali trong biomass cao sẽ làm giảm nhiệt độ nóng chảy của lớp nền.
Buồng đốt lò hơi tầng sôi
Đối với than nhiệt lượng cao, phương pháp phổ biến để giữ nhiệt độ lớp nền trong khoảng yêu cầu là thêm chùm ống bức xạ ngâm trong lớp sôi. Chùm ống này có thể là ống sinh hơi hoặc ống quá nhiệt. Tuy nhiên vì tiếp xúc trực tiếp với các hạt rắn chuyển động nên tuổi thọ của các chùm ống này thường thấp và phải kiểm tra thay thế thường xuyên. Một số cách khác để kiểm soát nhiệt độ lớp nền là tuần hoàn xỉ với bộ giải nhiệt nằm bên ngoài hay tuần hoàn khói…
Buồng đốt lò hơi đốt than điển hình với bộ bức xạ
Đối với than nhiệt lượng trung bình và thấp, chùm ống bức xạ cũng có thể được sử dụng, tuy nhiên, có một phương pháp khác là tăng chiều cao sôi của lớp nền. Buồng đốt dạng này được gọi là buồng đốt sôi rối (tubulen) và có tốc độ sôi nằm giữa sôi bọt và sôi tuần hoàn. Loại lò hơi tầng sôi tubulen có buồng đốt được bao quanh bởi ống sinh hơi, lợi dụng độ sôi cao để hấp thụ lượng nhiệt sinh ra, từ đó kiểm soát được nhiệt độ buồng đốt. Lợi ích của phương pháp này là tuổi thọ buồng đốt cao, dễ dàng thao tác vận hành và bảo trì. Tuy nhiên nhược điểm là chiều cao lò hơi tăng, cần có hệ tuần hoàn tro khi yêu cầu hiệu suất cao.
Buồng đốt lò tầng sôi yêu cầu phải có vật liệu chịu lửa bao quanh (gạch hoặc bê tông) kể cả đối với buồng đốt vách ướt để đảm bảo tuổi thọ buồng đốt và bảo vệ các ống vách ướt khỏi mài mòn và quá nhiệt. Lớp bê tông cách nhiệt có thể yêu cầu dày hơn đối với biomass như trấu rời để dễ kiểm soát nhiệt độ buồng đốt hơn.
Chiều cao lớp vật liệu nền thường từ 120 – 400mm, kích thước phổ biến của hạt rắn từ 0.8-1.2mm và khối lượng riêng từ 1500 – 2400kg/m3. Cát, xỉ hoặc đá dolomit, đá vôi đều có thể dùng làm vật liệu nền.
Tỷ lệ nhiên liệu và vật liệu nền trong buồng đốt tầng sôi thường từ 1-5%. Tỷ lệ vật liệu nền trong hỗn hợp cháy rất lớn nên khả năng giữ nhiệt của lò tầng sôi rất tốt. Vì vậy lò tầng sôi có thể đốt được rất nhiều loại nhiên liệu như than, biomass, bùn giấy, rác thải… với lượng phát thải khí độc vẫn nằm trong tiêu chuẩn cho phép.
3. Hệ thống cấp gió và xử lý khí thải:
Gió cấp một tạo lớp sôi (Primary Air) được gia nhiệt khi đi qua bộ sấy không khí và đi vào buồng phân phối gió dưới đáy lò. Mặt trên buồng phân phối gió có rất nhiều béc phun nhằm phân đều lượng gió cấp ra khắp bề mặt buồng đốt giúp buồng đốt sôi đều. Các béc phun cũng ngăn các hạt rắn trong lớp sôi lọt vào buồng cấp gió. Thiết kế hệ thống phân phối gió để buồng đốt sôi đều là cực kỳ quan trọng đối với lò tầng sôi.
Gió cấp hai (Secondary Air) sẽ được cấp vào bên trên vùng buồng đốt trống để cấp thêm oxy nhằm đốt cháy các chất bốc bị đẩy lên cao. Tùy theo loại nhiên liệu mà gió cấp hai có thể chiếm tỷ trọng cao hay thấp hoặc có thể bị loại bỏ.
Nhiệt lượng do khói nóng khi đi từ buồng đốt dưới đến buồng đốt trên sẽ bị hấp thu bởi các tường nước xung quanh buồng đốt, sau khi qua khỏi khu vực buồng đốt, nhiệt độ khói giảm xuống khoảng 600oC. Khói tiếp tục đi qua vùng đối lưu và truyền nhiệt lượng cho các ống nước trong khu vực này trước khi ra khỏi lò. Sau đó, khói nóng đi qua bộ hâm nước, bộ sấy không khí rồi đến hệ thống xử lý khói. Sau khi đạt các tiêu chuẩn môi trường, khói được đẩy lên ống khói và thải ra ngoài không khí.
4. Hệ thống thải xỉ
Lò hơi tạo ra hai loại chất thải chính: Khói và chất thải rắn. Chất thải rắn bao gồm xỉ từ nhiên liệu và sản phẩm từ các chất hấp thụ. Khói thải đóng góp rất lớn vào ô nhiễm không khí, vì vậy hệ xử lý khói luôn được thiết kế với ưu tiên cao nhất.
Xỉ kích thước lớn thường được lấy ra khi xả xỉ dưới buồng đốt trong khi tro bay (xỉ kích thước rất nhỏ) thường bay theo khói và được lấy ra tại phễu dưới bộ hâm nước – gió và tại các thiết bị lọc bụi. Tro bay có thể được đưa đến phòng chứa bằng vít tải, băng tải hoặc hệ thống thổi tro.
Hệ xử lý khói có thể bao gồm các thiết bị lọc bụi như Cyclone, Ventury, Lọc bụi túi, Lọc bụi tĩnh điện… và thiết bị xử lý khí độc như tháp xử lý SOx…
Với đặc tính nhiệt độ buồng đốt dưới 900oC, tạo được môi trường tốt nhất để không sinh ra các khí thải có hại như SOx, NOx. Lò hơi tầng sôi không yêu cầu phải có các thiết bị xử lý đắt tiền nhưng vẫn đáp ứng được các tiêu chuẩn môi trường khắt khe.
5. Các cụm sinh hơi:
Giống như các lò hơi thông thường khác, lò tầng sôi cũng có các phần sinh hơi như tường nước, ống đối lưu, ống bức xạ… Các ống quá nhiệt có thể được bố trí ở khu vực buồng đốt trên cũng như ở khu vực đối lưu.
Nước cấp được bơm vào balong sau khi đi qua bộ hâm nước. Tại balong, nước tiếp tục theo các ống nước xuống để đến các ống góp dưới, sau đó đi lên qua các ống vách ướt, đối lưu và được gia nhiệt đến nhiệt độ bay hơi sau đó về lại balong. Ở balong hơi được tách ra và cấp đến khách hàng. Đối với các lò quá nhiệt, hơi tách ra tại balong sẽ tiếp tục đi qua các ống quá nhiệt để trở thành hơi quá nhiệt nhằm chạy tua bin hơi.
Nguyên lý hoạt động
- Đầu tiên, hệ băng tải nhiệu liệu vào trong buồng đốt theo số lượng được căng chỉnh bởi tốc độ hoạt động của hệ thống cấp nhiên liệu.
- Sau đó, diễn ra quá trình cấp nước vào lò hơi tầng sôi và được lưu trữ trong một bồn chứa. Sau đó, nước trong bồn được bơm lên để tràn vào tầng sôi thông qua hệ thống các chùm ống nước.
- Tiếp đến, quá trình dao động giữa các lớp hạt vật chất rắn (nhiên liệu, tro, xỉ) diễn ra, chúng lơ lửng trong buồng đốt, đạt trạng thái sôi như chất lỏng. Trước khi diễn ra quá trình đốt cháy, người ta cho một luồng gió cấp một với vận tốc đủ lớn đi qua lò từ sàn đáy của buồng đốt. Điều này giúp cho nhiệt độ buồng đốt tăng lên đáng kể.
- Việc cung cấp không khí cho buồng đốt được diễn trơn tru. Quá trình đốt cháy còn khiến các hạt nhiên liệu trở nên nhỏ dần và hòa trộn với lớp xỉ, cát có sẵn để tạo ra một tầng sôi hay lớp đệm nhiên liệu.
- Nhiệt lượng sinh ra từ quá trình trên sẽ đi vào dàn ống, truyền nhiệt đến bộ hâm nước làm cho nước trong đó chuyển động và sinh hơi, giúp cung cấp hơi nước cho các hoạt động sản xuất của nhà máy.
- Phần xỉ thải của nồi hơi tầng sôi được thu gom tự động. Riêng phần nhiệt độ khói thải sẽ được tận dụng để gia nhiệt cho không khí lẫn nước cấp vào lò. Sau đó, quạt hút từ bộ lọc bụi sẽ hút khói thải ra ngoài theo đường ống khói.
Ưu điểm của lò hơi tầng sôi
– Lò tầng sôi bọt có thể được thiết kế để đốt cháy bất kỳ loại nhiên liệu nào, bao gồm than đá với độ tro 60 – 70% hoặc có tỷ lệ chất bốc nhỏ hơn 1%.
– Các chi tiết chuyển động trong lò hơi tầng sôi ít hơn nhiều so với các lò hơi sử dụng nguyên lý cũ như lò ghi xích.
– Lò tầng sôi có thể đáp ứng được các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt mà không cần dùng đến các thiết bị xử lý đắt tiền.
– Nhiên liệu sử dụng đa dạng: Than cám, trấu rời, trấu viên, củi viên, củi băm, rác ngành giấy, biomass…
Nhược điểm của lò hơi tầng sôi:
– Đối với lò tầng sôi đốt than đá có tỷ lệ cốc cao, đòi hỏi phải có chùm ống ngâm trong lớp sôi để giữ cho buồng đốt không bị quá nhiệt, tuy nhiên tuổi thọ của chùm ống này thường thấp do phải chịu mài mòn liên tục.
– Lò tầng sôi bọt yêu cầu diện tích buồng đốt rất lớn nếu so về cùng một công suất với lò tầng sôi tuần hoàn hay lò than phun. Do đó lò tầng sôi bọt không thể thay thế hoàn toàn lò than phun nhất là đối với dải công suất lớn.
– Lò tầng sôi bọt yêu cầu rất nhiều điểm cấp liệu do khả năng phân tán nhiên liệu trong buồng đốt không tốt bằng lò tầng sôi tuần hoàn. Vì vậy lò tầng sôi bọt chỉ được thiết kế ở dải công suất nhỏ và trung bình.
– Mặc dù lò tầng sôi bọt có thể đốt được nhiều loại nhiên liệu, tuy nhiên vẫn bắt buộc phải sửa lại thiết kế của lò nếu thay đổi loại nhiên liệu đã thiết kế bằng nhiên liệu khác cho dù tốt hơn hay kém hơn loại nhiên liệu cũ.
– Tải tối thiểu của lò tầng sôi bọt bị hạn chế, thông thường chỉ chạy tải nhỏ nhất 30 – 40% công suất thiết kế.
Đặt câu hỏi