NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ ĐẶC TÍNH LÒ HƠI TẦNG SÔI TUẦN HOÀN CFB

1.  Nguyên Lý Và Đặc Tính Cháy Tầng Sôi:

1.1. Nguyên Lý Cháy Tầng Sôi:

Nguyên liệu than cháy trong lò hơi được chia làm 3 trạng thái: Trạng thái tĩnh, trạng thái sôi, trạng thái chuyển tải theo dòng khí. Quá trình cháy của nhiên liệu, là quá trình tương tác giữa nhiên liệu và không khí dưới điều kiện nhiệt độ nhất định,  tình trạng tác dụng của không khí đối với nhiên liệu quyết định trạng thái cháy. Khi lực tác dụng F của không khí nhỏ hơn trọng lực G của hạt nhiên liệu, nhiên liệu ở trạng thái tĩnh, như hình vẽ 2.1(a). Thí dụ ở lò ghi xích, khi gió cấp1 đi qua ghi xích để tiếp tục với than, do tốc độ gió thấp, lực tác dụng của gió lên than nhỏ hơn trọng lượng của than, gió chỉ có thể đi qua kẽ hở của lớp than trên mặt ghi, trong suốt quá trình cháy than trên ghi tĩnh tại. Khi lực tác dụng F của không khí bằng trọng lượng hạt nhiên liệu, hạt nhiên liệu sẽ được đẩy lên theo chiều tác dụng của không khí chuyển động lên độ cao nhất định, như hình vẽ 2.1(b). Thí dụ như ở lò hơi tầng sôi, khi gió cấp1 thổi qua các lỗ nhỏ của mũ gió trên sàn phân phối gió, do tốc độ dòng khí nhanh, có lực tác dụng F bằng trọng lượng G của hạt nhiên liệu trên sàn phân phối gió, không khí sẽ đẩy hạt nhiên liệu rời khỏi mũ gió, nếu trọng lượng hạt không thay đổi và lực tác dụng của không khí lên nhiên liệu không thay đổi, khí hạt nhiên liệu sẽ lơ lửng ở độ cao nhất định không chuyển dịch lên trên hoặc xuống dưới. Khi lực tác dụng nhỏ hơn trọng lượng hạt, hạt nhiên liệu sẽ rơi xuống. Do các hạt trên sàn phân phối gió ở lò tầng sôi chịu lực tác dụng thay đổi của gió cấp1 một cách liên tục, nên nhiên liệu dưới tác dụng lực đẩy gió cấp1 chuyển động lên xuống không ngừng, tạo thành trạng thái cháy sôi. Khi lực tác dụng F của không khí, ở dạng chuyển tải khí như hình vẽ 2.1(c). Thí dụ trong lò hơi tầng sôi có một bộ phận hạt nhỏ bị không khí mang theo trở thành các hạt tự do trong không gian của phần trên buồng lửa.

Cơ chế hình thành tầng sôi. Hạt nhiên liệu có hình thành chuyển động sôi trong lò nguyên nhân chủ yếu là sự thay đổi quan hệ cân bằng giữa lực đẩy F của không khí và trọng lượng hạt nhiên liệu. Độ lớn lực tác dụng F tỷ lệ thuận với vận tốc W của dòng khí. Tốc độ W nhanh lực tác dụng F càng lớn, tốc độ W càng chậm, lực tác dụng F càng nhỏ. Đồng thời lực tác dụng F còn tỷ lệ thuận với diện tích chịu tác dụng của vật thể. Diện tích chịu tác dụng càng lớn, lực tác dụng sẽ càng lớn, diện tích chịu tác dụng càng nhỏ, lực tác dụng sẽ càng nhỏ. Do dòng khí được thổi từ các lỗ nhỏ của mũ gió trên sàn phân phối gió qua tầng sôi đến phần sau buồng lửa, diện tích tiết diện của dòng khí thay đổi tăng dần, tốc độ giảm dần, lực tác dụng F của dòng khí cũng giảm theo. Ngoài ra, tình trạng bề mặt hạt nhiên liệu không như nhau, như ở hình 2.2. Khi diện tích tiếp xúc giữa không khí và bề mặt hạt nhiên liệu lớn, lực tác dụng sẽ lớn, khi diện tích tiếp xúc nhỏ, lực tác dụng sẽ nhỏ. Khi hạt chuyển động trong tầng, do mật độ tầng lớn, giữa các hạt xảy ra va đập lẫn nhau, làm cho phương chuyển động và bề mặt chịu lực thay đổi, cho nên các hạt nhiên liệu chịu lực tác dụng cũng thay đổi tương ứng theo. Chiều chuyển động của dòng khí trong tầng sôi luôn hướng lên theo hướng phương thẳng đứng. Khi lực tác dụng lớn hơn trọng lượng hạt, hạt chuyển động lên trên, mà trọng lực của hạt hướng xuống theo phương thẳng đứng. Như vậy khi trọng lượng hạt lớn hơn lực tác dụng của dòng khí, hạt chuyển động xuống dưới. Như vậy tạo thành trạng thái sôi của quá trình cháy trong lò hơi tầng sôi. Dòng khí chuyển động trong buồng lửa gây nên hiệu ứng biên, cũng là một nhân tố chuyển động sôi của vật liệu trong tầng sôi, nghĩa là ở vùng tâm tầng sôi, tốc độ dòng khí nhanh, vật liệu chuyển động lên trên ở vùng trung tâm, tốc độ sát bốn vách xung quanh chậm lại, vật liệu theo dọc theo vách rơi xuống trở về tầng sôi, tạo thành chuyển động sôi tuần hoàn trong lò.

1.2. Đặc Tính Cháy Tầng Sôi:

1.2.1 . Mang đặc tính cơ bản của thể lỏng:

Khi nhiên liệu cháy trong lò hơi tầng sôi, hỗn hợp tạo bởi hạt rắn và dòng khí mang đặc tính của thể lỏng:

(1) Tính lưu động, tức là các vật liệu đều chuyển động không ngừng trong lò. Không có vật liệu nằm yên trong lò.

(2) Tính không định hình. Nghĩa là mỗi chất thay đổi theo hình dạng ống dẫn gió và bình chứa.

(3) Tại các điểm trên cùng tiết diện có mật độ vật liệu như nhau.

(4) Trong tầng sôi, nhiệt độ mọi điểm cơ bản như nhau.

(5) Chiều cao sôi của vật liệu trong tầng sôi gần như nhau.

(6) Trong tầng sôi áp suất tại các điểm trên các tiết diện có cùng cao độ thì như nhau.

(7) Trên đáy hay mặt bên bất kỳ nào có khoét lỗ, thể lỏng sẽ trào ra ngoài.

1.2.2. Cháy ở nhiệt độ thấp:

Nhiệt độ cháy cần phải điều khiển ở nhiệt độ khoảng 850-950⁰C, nghĩa là nhiệt độ cháy của các bồn nên ở trên 800⁰C, nhưng cũng không được lên đến điểm nóng chảy của thành phần tro xỉ. Điểm nóng chảy của tro được xác định theo thành phần tro xỉ có trong than, thường trên 1200⁰C. Nếu nhiệt độ cháy trong sàn quá cao, tro xỉ nóng chảy kết dính thành tảng xỉ, làm tăng trở lực dòng khí và làm hỏng quá trình sôi và dẫn đến ngừng lò do đóng xỉ ở nhiệt độ cao. Nhiệt độ cháy của tầng sôi thấp hơn so với cháy ở lò đốt theo ghi và than bột. Do cháy ở nhiệt độ thấp, khí nitơ N2 trong không khí sẽ không kết hợp với ôxy O2 để tạo thành khí ôxynitơ ở nhiệt độ cao. Đồng thời, khi cháy ở nhiệt độ thấp trộn thêm đá vôi sẽ khử được lưu huỳnh S một cách hiệu quả, làm giảm lượng phát thải khí độc SO2 trong khói.

1.2.3. Hiệu suất đốt cháy cao:

Do các hạt nhiên liệu trong tầng sôi chuyển động mãnh liệt, có lợi cho quá trình cháy như sau:

• Điều kiện hỗn hợp của không khí và nhiên liệu tốt, toàn bộ bề mặt hạt nhiên liệu được bao bọc bởi không khí.
• Trong quá trình va đập giữa các hạt nhiên liệu, lớp xỉ tạo thành ở bên ngoài hạt khi cháy rất dễ được bong ra, làm tăng nhanh quá trình cháy rút ngắn thời gian cháy của nhiên liệu.
• Lượng than mới cấp vào lò sẽ nhanh chóng hỗn hợp và cùng chuyển độ với vật liệu trong tầng sôi, than được gia nhiệt dễ bén lửa. Nhiệt độ nơi trong tầng sôi gần như đồng đều, phản ứng cháy vừa mãnh liệt lại vừa đồng đều, khác với ở lò ghi xích chỉ ở vùng cháy chính mới cháy mãnh liệt, vùng gia nhiệt và vùng cháy kiệt có nhiệt độ thấp, quá trình cháy chậm.
• Tro xỉ do quá trình tạo thành trong buồng lửa, do người vận hành lò căn cứ vào tình trạng cháy kiệt, tạo xỉ để thải định kỳ. Thời gian cháy của nhiên liệu trong lò đầy đủ, cho nên trong lò đốt tầng sôi có hiệu suất cháy cao hơn. Hàm lượng than còn lại trong tro xỉ sau cháy ở lò tầng sôi thấp hơn nhiều so với lò đốt theo ghi. Cường độ nhiệt khi cháy của lò tầng sôi lớn hơn nhiều so với lò đốt theo ghi.

1.2.4. Khả năng thích ứng nhiên liệu rộng.

Trong tầng sôi có lượng nhiệt được tích lại tương đối lớn. Khi vận hành bình thường, lượng ít than mới cấp vào trong lò sẽ được vật liệu nóng trong lò bao bọc và được gia nhiệt rất nhanh đến nhiệt độ cháy bình thường và bén lửa. Lượng nhiệt do than mới cấp vào hấp thụ ảnh hưởng rất ít đến nhiệt độ, thường không ảnh hưởng đến quá trình cháy bình thường trong tầng sôi. Cho dù lượng nhiệt của nhiên liệu toả ra thay đổi hay thành phần nước bên ngoài nhiên liệu thay đổi, thường không làm ảnh hưởng đến quá trình cháy. Thành phần nước quá lớn, than quá ướt, chỉ ảnh hưởng bộ phận cấp than vào lò, cho nên lò đốt tầng sôi có thể đốt cháy các loại than đá, than autraxít, có thể đốt cháy các than có nhiệt trị thấp đến 4180 KJ/Kg.

1.2.5. Cháy hai pha:

Do lò tầng sôi sử dụng nhiên liệu qua sàn tuyển có cỡ hạt 0-8mm, cho nên sẽ có một phần rất ít nhiên liệu hạt nhỏ mịn bị dòng khí thổi ra khỏi tầng sôi bốc lên cháy ở đoạn trên (đoạn lơ lửng) của buồng lửa. Như vậy tạo thành sự cháy của các hạt nhiên liệu to hơn trong vùng pha đặc ở phía dưới buồng lửa và sự cháy của các hạt nhiên liệu nhỏ mịn trong vùng pha loãng ở phía trên buồng lửa.Vùng pha đặc là vùng có mật độ hạt lớn, kẽ hở giữa các hạt nhỏ, khoảng các giữa các hạt ngắn. Vùng pha loãng là vùng có mật độ hạt nhỏ, khoảng không giữa các hạt lớn, lượng hạt nhiên liệu có trong không gian ít thưa thớt

1.2.6. Lượng tro bay lớn, hàm lượng than trong tro cao:

Ở lò tầng sôi FB có một lượng hạt nhỏ mịn cháy lơ lửng theo dòng khí ở phía trên tầng sôi, do nhiệt độ cháy của than cốc cao các hạt nhỏ mịn này cần cháy bình thường ở khoảng 900⁰C. Thời gian cháy của than cốc dài, cần 3 - 4giây mới cháy kiệt, mà chiều cao không gian đoạn lơ lửng thường khoảng 1m/s, nên các hạt mịn này chưa kịp cháy hoàn toàn đã bị khí khói đem ra khỏi buồng lửa đi vào mương dẫn khói. Nhiệt độ ở mương khói càng thấp hơn, thường dưới 800⁰C, các hạt nhỏ mịn không thể cháy tiếp, gây nên tổn thất nhiệt tro bay. Nói chung hiệu suất nhiệt của lò tầng sôi hơi thấp bởi tổn thất nhiệt cháy không hoàn toàn lớn.

2. Nguyên Lý Và Đặc Tính Quá Trình Cháy Của Lò Hơi Tầng Sôi Tuần Hoàn (CFB)

2.1. Nguyên lý cháy:

Lò hơi tầng sôi tuần hoàn (gọi tắt CFB) giống như lò hơi tầng sôi, có buồng đốt tầng sôi, phần lớn hạt nhiên liệu thô cháy sôi ở phía dưới buồng lửa. Điều khác biệt nhau ở chỗ tốc độ dòng chảy, mức độ sôi lớn hơn lò hơi tầng sôi để nhiều hạt nhỏ ở trạng thái chuyển dịch theo dòng khí và thoát ra khỏi tầng sôi vùng pha đặc cháy lơ lửng ở phía trên. Ở lò hơi tầng sôi FB để giảm tối đa hạt nhỏ cháy lơ lửng, tốc độ dòng khí phải giảm xuống mức có thể để các hạt nhỏ cháy hoàn toàn trong tầng sôi. Lò hơi CFBB thì ngược lại, yêu cầu phải nâng cao tốc độ dòng khí, làm tăng mật độ của nhiên liệu hạt nhỏ ở đoạn lơ lửng. Do nồng độ hạt pha loãng ở phía trên vùng pha đặc của CFBB, nên quá trình cháy và truyền nhiệt đều được gia tăng mạnh lên.

Do nồng độ tro bay tăng, mà không làm tăng tổn thất nhiệt cháy không hoàn toàn của tro bay dẫn đến làm giảm hiệu suất lò, ở lò CFB có thiết kế thiết bị phân ly thể rắn, thể khí, để phân ly và thu hồi các hạt rắn nồng độ cao, thông qua thiết bị hồi liệu đưa tro mịn trở về cháy lại tuần hoàn ở tầng sôi và phía trên buồng lửa. Do nhiên liệu của lò CFBB có thể cháy tuần hoàn trong buồng lửa, thời gian cháy kéo dài cháy hoàn toàn nên hiệu suất cháy cao, có thể đạt trên 99%. Tốc độ dòng khí tạo sôi ở lò CFBB tuy có lớn hơn ở lò tầng sôi, nhưng hiệu suất nhiệt không hề giảm ngược lại còn tăng lên, có thể lên tới trên 99%. Sự khác biệt giữa lò CFB so với lò đốt tầng sôi FB là ở chỗ ngoài quá trình cháy sôi ra, còn có một hệ thống đốt cháy nhiên liệu tuần hoàn.

2.2. Đặc tính cháy:

Lò CFB cũng như lò tầng sôi, do đều sử dụng phương pháp đốt kiểu tầng sôi, cho nên đặc tính đốt cháy của chúng cũng có những điểm giống nhau. Ngoài đặc điểm, có thể đốt nhiều chủng loại than, truyền nhiệt mãnh liệt, cháy ở nhiệt độ thấp v.v..., lò CFB còn khác biệt với lò tầng sôi như sau:

• Hiệu suất cháy cao hơn lò tầng sôi FB. Nguyên nhân chủ yếu là tốc độ dòng khí của lò CFB lớn hơn lò tầng sôi FB, do tốc độ dòng khí lớn, chuyển động tương đối giữa các nhiên liệu mạnh mẽ, nhiên liệu và không khí hỗn hợp tốt hơn, làm gia tăng tốc độ phản ứng cháy, cũng do sử dụng hệ thống đốt cháy tuần hoàn, thời gian cháy của nhiên liệu được kéo dài, có lò cho cháy hoàn toàn, cho nên hiệu suất cháy của lò CFB cao hơn của lò tầng sôi FB. Hiệu suất cháy của lò tầng sôi khoảng 80%-95%, ở lò CFB có thể đạt trên 99%. Tổn thất nhiên liệu theo tro bay ở lò tầng sôi FB lớn, lên tới 10%. Do tốc độ phản ứng cháy tăng nhanh, cường độ nhiệt lớn, nên diện tích mặt phân phối gió của lò CFB nhỏ hơn nhiều so với lò tầng sôi có cùng dung lượng, thường chỉ bằng 1/3 của lò tầng sôi FB.
• Quá trình cháy ở vùng pha loãng tăng. Nhiệt độ đoạn lơ lửng nằm ở phía trên tầng sôi của lò CFB khoảng 900⁰C, do nhiên liệu hạt nhỏ thoát ra khỏi tầng sôi lên đoạn lơ lửng vẫn còn khả năng cháy tiếp.Trong lò CFB, tốc độ dòng khí tăng tỷ lệ bay ra khỏi tầng sôi của hạt nhỏ tăng theo nồng độ của vùng pha loãng ở đoạn lơ lửng tăng, thành phần cháy tăng, làm cho quá trình cháy mạnh lên và truyền nhiệt cùng tăng.
• Biên độ điều chỉnh quá trình cháy lớn hơn lò tầng sôi. Điều chỉnh quá trình cháy của lò tầng sôi chủ yếu là thông qua điều chỉnh tình trạng cháy của tầng sôi, nghĩa là điều chỉnh tỷ lệ cấp gió và than, điều chỉnh nhiệt độ cháy cũng như chiều dày lớp liệu có của tầng sôi để điều chỉnh quá trình cháy. Lò CFB ngoài việc điều chỉnh tình trạng cháy của tầng sôi ra, còn có thể điều chỉnh lượng tro tuần hoàn để điều chỉnh quá trình cháy. Tăng nồng độ tro tuần hoàn, có thể tăng mạnh quá trình cháy và truyền nhiệt. Giảm nồng độ tro tuần hoàn hợp lý, có thể giảm quá trình cháy và truyền nhiệt. Giảm nồng độ tro tuần hoàn chủ yếu thực hiện bằng cách thải tro tuần hoàn ở bộ hồi liệu.
• Cỡ hạt có thể lớn hơn. Cỡ hạt ở lò tầng sôi thường 0÷8mm hạt quá to dễ làm hỏng chất lượng sôi do chìm ở phía đáy. Ở lò CFB do tốc độ tạo sôi của dòng khí lớn, khả năng chống tác động của liệu lò ở mũ gió lớn, các hạt thô khó lắng đọng ở đáy, cho nên cỡ hạt có thể tăng tới 0÷13mm.
• Hiệu quả khử lưu huỳnh tốt hơn. Lò hơi tầng sôi tuần hoàn CFB do có hệ thống cháy tuần hoàn, khi trộn đá vôi khử lưu huỳnh, chất khử có thể hoà lẫn với hạt nhiên liệu cùng tham gia vào cháy tuần hoàn, có đủ thời gian phản ứng hoá học và đạt được hiệu quả khử lưu huỳnh tốt nhất mức độ khử lưu huỳnh có thể đạt tới trên 90%.

2.5. Đặc Tính Chuyển Động Của Vật Liệu Trong Quá Trình Cháy:

Lò tầng sôi từ nhóm lứa nâng nhiệt đến vận hành bình thường, trong quá trình cháy của vật liệu trong lò có dạng chuyển động và đặc tính khác nhau.

2.5.1. Tầng cố định :

Lò tầng sôi trước khi khởi động, trên sàn phân phối gió phải rải lớp vật liệu lò lót sàn dày 200-300mm. Trước khi nhóm lò cấp gió vào sàn, liệu lò này ở trạng thái tĩnh tại, gọi là tầng cố định. Lò vận hành sau khi ủ, ngừng cấp gió vào lò, vật liệu lò cũng ở trạng thái tĩnh tầng cố định. Vật liệu lò sẽ chất đống dạng tự nhiên, giữa các hạt xít vào nhau, kẽ hở rất nhỏ, trên bề mặt vật liệu lò tương đối phẳng, không có tình trạng gồ ghề rõ nét

• Tầng chuyển dịch:

Trước giai đoạn nhóm lò, cấp lượng ít gió cấp1 vào lò, khi không khí đi qua lớp vật liệu lò trên sàn phân phối gió, do lượng gió ít, tốc độ gió thấp, lực đẩy của dòng khí lên hạt liệu lò rất nhỏ, các hạt liệu chỉ dao động hoặc chuyển động rất ít, gọi là tầng chuyển dịch, như hình vẽ 2.3(b). Lúc này tầng vật lệu lò đã có dòng khí thổi qua, dưới tác dụng của dòng khí lớp vật liệu lò bắt đầu xáo trộn, kẽ hở giữa các hạt liệu tăng, thể tích bắt đầu giãn nở. Một bộ phận hạt nhỏ hơn trên bề mặt tầng liệu bắt đầu dao động trong phạm vi nhỏ, một bộ phận hạt to hơn vẫn lắng ở tầng đáy ở trạng thái tĩnh hay chuyển dịch nhỏ. Lúc này kẽ hở giữa các hạt còn nhỏ, dòng khí xuyên qua tầng vật liệu lò gặp trở lực lớn. Khi nâng nhiệt lò, giai đoạn này vẫn còn là giai đoạn gia nhiệt lớp vật liệu lót sàn, nhiệt độ vật liệu lò còn thấp, mật độ hạt còn lớn.

3. Tầng sôi:

Tiếp tục tăng lượng gió cấp vào lò, làm tăng tốc độ dòng khí xuyên qua lớp vật liệu lò. Do các hạt vật liệu lò trong lò chịu lực tác dụng của dòng khí càng lớn lên, tốc độ chuyển động của hạt nhanh lên, độ cao chuyển động tăng, kẽ hở giữa các lớp, các hạt vật liệu lớn dần, thể tích lớp vật liệu tăng dần lên, trở của lớp vật liệu đối với không khí cũng lớn theo. Khi tốc độ dòng khí đi qua lớp vật liệu lò đạt tới tốc độ sôi nhỏ nhất, gọi là tốc độ sôi tới hạn thì tất cả các hạt của vật liệu lò chuyển từ trạng thái chuyển dịch sang trạng thái sôi như hình 2.3(c). Lúc các hạt thô cũng ở trạng thái chuyển động sôi. Không còn trạng thái chuyển dịch và lắng đọng của hạt thô. Thể tích của vật liệu lò đã tăng hơn 3 lần so với trạng thái cố định. Kẽ hở giữa các hạt đã tương đối lớn, trở lực của tầng vật liệu đối với dòng khí không tăng nữa. Do thể tích vật liệu lò tăng, mật độ hạt giảm. Khi vật liệu ở trạng thái sôi hoàn hảo, tựa như sóng cuốn của biển. Đồng thời phía trên của vật liệu lò có một bề mặt sôi rõ nét. Lúc này vật liệu lò đang ở trạng thái sôi bồng. Lượng gió ở trạng thái sôi tới hạn gọi là lưu lượng gió tới hạn, tốc độ gió gọi là tốc độ gió tới hạn. Nếu giảm tốc độ gió, vật liệu lò sẽ chuyển ngay từ trạng thái sôi sang trạng thái chuyển dịch. Nếu tăng tốc độ gió, trạng thái sôi sẽ tăng mạnh lên, chiều cao sôi tăng theo, thể tích vật liệu lò tăng lên, bề mặt sôi mờ nhạt dần, vật liệu lò sẽ thay đổi trạng thái chuyển động, từ trạng thái sôi bồng chuyển sang trạng thái sôi cuộn. Khi tốc độ dòng khí tăng đến một trị số tới hạn, do khí sẽ mang theo hạt liệu bay ra khỏi tầng vật liệu. Vật liệu lò từ trạng thái sôi sang trạng thái chuyển tải bằng khí. Khoảng trị số lưu lượng gió sôi tới hạn đến lưu lượng gió cực hạn là lưu lựong gió sôi bình thường. Khi vận hành lò hơi thường điều chỉnh lượng gió cho quá trình cháy ở mức lưu lượng gió sôi bình thường. Do nhiệt độ vật liệu lò ở trạng thái nguội và trạng thái nóng chênh lệch nhau nhiều cho nên mật độ hạt cũng khác nhau, mật độ khi nguội lớn hơn khi nóng. Cho nên lượng gió sôi tới hạn ở trạng thái nguội lớn hơn trạng thái nóng.

4. Trạng thái chuyển tải bằng khí:

Khi tốc độ dòng khí vượt quá tốc độ cực hạn Wmax, nghĩa là khi lực tác dụng F của dòng khí lên hạt nhiên liệu lớn hơn trọng lực hạt nhiên liệu G, dòng khí sẽ mang theo hạt rời khỏi tầng vật liệu, cháy lơ lửng ở phía trên tầng sôi. Lúc này hạt nhiên liệu sẽ chuyển động theo dòng khí khói nóng, không thể rơi trở lại tầng sôi. Ở đoạn lơ lửng, hạt mịn phân bố đồng đều, kẽ hở giữa các hạt cũng lớn, sự tiếp xúc và va chạm tương đối yếu. Dựa vào tình trạng phân bố hạt nhiên liệu trong lò, thông thường phần dưới tầng sôi gọi là vùng pha đặc chảy xiết, phần lớn nhiên liệu hạt to cháy hết trong vùng pha đặc. Đoạn lơ lửng ở phía trên là vùng pha loãng có trạng thái chảy tầng, có một phần hạt nhiên liệu nhỏ mịn cháy hết ở vùng pha loãng. tại vùng pha đặc, mật độ hạt nhiên liệu lớn, hạt to, vận tốc, dòng chảy xiết. Tại vùng pha loãng, mật độ thưa, hạt nhỏ, vận tốc chậm, có xu hướng chảy tầng.

• Các Điều Kiện Cần Có Của Sự Cháy Tầng Sôi:

Dựa vào đặc tính chuyển động của nhiệt liệu trong lò tầng sôi muốn quá trình đốt cháy tầng sôi được ổn định, cần phải có đủ mấy điều kiện sau:

• Chuẩn bị nhiên liệu có cơ hạt phù hợp:

Cơ hạt nhiên liệu là một nhân tố quan trọng đảm bảo quá trình cháy tầng sôi được bình thường. Nhiên liệu qua sàn truyến sử dụng phù hợp với lò tầng sôi, kiểu lò khác nhau, yêu cầu cỡ hạt cũng khác nhau. Lò hơi tầng sôi thích ứng với than có cỡ hạt 0÷13mm. Cỡ hạt khác nhau, tốc độ dòng khí khác nhau. Diện tích tiết diện tầng sôi của lò CFB nhỏ hơn ở lò tầng sôi do tốc độ dòng khí lớn, cho nên có thể đốt than có cỡ hạt lớn hơn. Nhưng hạt không được lớn quá, vì sẽ cần dòng khí có tốc độ quá lớn, khi lò vận hành bình thường tốc độ dòng khí sẽ không thoả mãn làm sôi các hạt to và hạt to sẽ lắng đọng ở đáy. Khi mới bắt đầu nhóm lửa, do số lượng hạt lớn chưa nhiều, tuy chất lượng sôi không được tốt lắm, nhưng vẫn chưa ảnh hưởng quá trình cháy, lò vẫn có thể vận hành bình thường. Nhưng sau một thời gian vận hành, các hạt quá lớn sẽ tích lại càng nhiều, khi số lượng hạt lớn đạt đến tới hạn, trở lực cấp gió tăng, tốc độ dòng khí giảm, chất lượng sôi giảm, dẫn đến không thoả mãn yêu cầu cháy, trầm trọng hơn dẫn đến đóng xỉ phải ngừng lò. Tỷ lệ cỡ hạt qua sàng của lò tầng sôi cũng được xác định gọi là tỷ lệ sàng lọc, là số phần trăm hạt của khối lượng có các cỡ hạt khác nhau có trong một đơn vị khối lượng nhiên liệu. Thí dụ lấy 1kg nhiên liệu có cỡ hạt từ 0÷8mm. Trong đó tỷ lệ khối lượng của nhiên liệu có cỡ hạt dưới 1mm trong 1kg nhiên liệu. Thông thường tỷ lệ sàng lọc chia 3cấp: thô, vừa, mịn mỗi loại chiếm tỷ lệ 1/3 là vừa. Nếu quá thô tốc độ dòng khí phải lớn khó nhóm lò và nâng nhiệt. Đồng thời nồng độ tro quá nhỏ, nhiên liệu mịn trong tro bay quá ít, lò vận hành không ổn định, sinh hơi giảm. Nếu quá nhỏ, mật độ hạt to không đủ, sàn liệu không cháy được, tốc độ dòng khí thấp, chiều cao tầng sôi thấp, lò vận hành không ổn định, sinh hơi giảm.

Trong quá trình chuẩn bị nhiên liệu yêu cầu về cỡ hạt, nên cố gắng đảm bảo chú ý đến sự thay đổi của chất lượng than. Trong vận hành, cũng nên luôn theo dõi kiểm tra sự thay đổi của kích thước hạt nhiên liệu khi cấp than, thải xỉ, để kịp thời điều chỉnh công việc nghiền than và điều chỉnh quá trình cháy, điều chỉnh cấp gió, chiều dày lớp vật liệu lò để cải thiện chất lượng sôi, duy trì lò cháy ổn định.

• Phân phối cấp gió phải đồng đều:

Cấp gió đồng đều cũng là một nhân tố quan trọng tạo nên quá trình cháy sôi ổn định. Cấp gió không đồng đều trên khắp tiết diện sàn, thì không thể thực hiện được quá trình cháy sôi. Nếu dòng khí tại các chỗ trong lò không đồng đều, thì tại nơi thông gió mạnh hơn đã ở trạng thái sôi, mà tại nơi thông gió yếu do tốc độ gió thấp, lực tác dụng ít, nhiên liệu vẫn ở trạng thái cố định hay chuyển dịch, lò sẽ không thể cháy bình thường được, nơi thông gió mạnh nhiệt độ không tăng, nơi thông gió yếu lại không được làm nguội dẫn đến nhiệt độ cao đóng xỉ. Nguyên nhân gây nên cấp gió không đồng đều chủ yếu do: Diện tích sàn của tầng sôi quá lớn, sàn phân phối gió, hộp gió, thiết kế chưa hợp lý, chiều cao tầng sôi không phù hợp.

• Tốc độ dòng khí phù hợp:

Không có tốc độ dòng khí phù hợp, thì không thể tạo tầng sôi cháy được. Muốn có tốc độ dòng khí lý tưởng, cần phải thực hiện tốt các công việc sau:

• Áp suất gió cấp1 phải đủ lớn để khắc phục được trở lực tạo bởi đường gió, sàn phân phối gió và chiều cao vật liệu lò. với lò CFB trở lực có phần lớn, áp suất gió chọn lớn hơn 10Kpa
• Khi đã xác định được trở lực của sàn phân phối gió và áp suất quạt gió, cần dựa vào áp suất của gió cấp1 để chọn chiều dày lớp vật liệu lò. Khi áp suất lớn lớp vật liệu lò có thể dày hơn. Khi áp suất nhỏ lớp vật liêu lò nên mỏng hơn. Vật liệu lò càng dày, trở lực càng lớn, tốc độ dòng khí càng thấp. Với áp suất gió thấp, cỡ hạt nhiên liệu càng nhỏ hơn. Khi áp suất gió lớn, cỡ hạt nhiên liệu có thể to hơn.
• Thiết bị cấp gió cần phải kín. Nếu buồng gió, ống dẫn gió và các chỗ nối rò khí, sẽ làm cho gió cấp1 bị tụt áp suất, làm giảm tốc độ dòng khí, chất lượng sôi giảm, nghiêm trọng hơn dẫn đến giảm sinh hơi của lò, gây nên sự cố đóng xỉ.
• Hệ thống tuần hoàn tro xỉ của lò hơi tầng sôi tuần hoàn CFB cần phải làm việc bình thường:

Khác với lò tầng sôi FB, lò CFB có tốc độ dòng khí lớn, phần lớn hạt nhiên liêu tham gia vào cháy tuần hoàn. Nếu những tro xỉ này không thể đưa trở về tầng sôi một cách liên tục, thì bề dày lớp vật liệu lò sẽ mỏng đi, các hạt thô đọng lại càng nhiều, chất lượng sôi càng kém, lò không thể vận hành bình thường được. Khi thiết kế, cần phải chọn và tính toán hệ thống hồi liệu sao cho thoả mãn yêu cầu kỹ thuật để lò vận hành bình thường. Trong vận hành lò, hệ thống hồi liệu phải làm việc bình thường. Nếu bộ phận ly hỏng sẽ ảnh hưởng đén hiệu quả phân ly, hệ thống hồi liệu kín, không bị tắc nghẽn, tro xỉ có thể được đưa trở về tầng sôi cháy bình thường.

•  Đặc Điểm Truyền Nhiệt Của Lò Hơi Tầng Sôi:
• Quá trình truyền nhiệt trong lò hơi:
  • Quá trình truyền nhiệt trong lò cháy theo ghi và cháy theo buồng (cháy theo ngọn lửa)

Phương pháp cháy trong lò cháy theo ghi và cháy buồng tuy có khác nhau nhưng nguyên lý và quá trình truyền nhiệt về cơ bản giống nhau

• Nguyên lý truyền nhiệt: trong buồng lửa chủ yếu là bức xạ, đường khói sau buồng lửa chủ yếu là đối lưu.
• Quá trình truyền nhiệt: Nhiên liệu được đốt cháy tạo ngọn lửa trên ghi trong buồng lửa hoặc trong khoảng không gian trong buồng lửa, bằng hình thức bức xạ nhiệt cao, truyền nhiệt lượng cho bề mặt ống nhận nhiệt của dàn ống sinh hơi được bố trí ở xung quanh tường buồng lửa, nhiệt lượng được dẫn từ mặt ngoài ống vào mặt trong ống sinh hơi, có nhiệt độ thấp hơn, bằng hình thức truyền nhiệt đối lưu, nhiệt lượng được tiếp tục truyền tự bề mặt trong ống đến nước có nhiệt độ thấp hơn và chảy tuần hoàn trong ống. Nước nhận nhiệt hoá hơi thành hơi nước bão hoà. Nhiên liệu sau khi cháy và truyền nhiệt bức xạ tạo thành khí khói có nhiệt độ cao ra khỏi buồng lửa và đi vào đường dẫn khói. Với hình thức truyền nhiệt đối lưu, nhiệt lượng được truyền cho các bề mặt ngoài của ống đối lưu được bố trí trong đường dẫn khói. Bằng hình thức dẫn nhiệt, nhiệt lượng được truyền từ mặt ngoài ống nhận nhiệt vào bên trong ống, mặt trong ống vừa hình thức truyền nhiệt đối lưu, nhiệt được truyền cho nước, hơi bão hoà lưu động trong ống, nước hoặc hơi bão hoà nhận nhiệt chuyển thành hơi bão hoà hay hơi quá nhiệt.
• Đặc điểm và quá trình truyền nhiệt trong lò tầng sôi:

Nhiên liệu được đốt cháy ở dạng cháy sôi trong buồng lửa, vật liệu lò có nhiệt độ cao sẽ cọ xát, va đập lên bề mặt ống nhận nhiệt, bằng hình thức truyền nhiệt đối lưu, nhiệt lượng được truyền cho ống nhận nhiệt và được qua chiều dày ống truyền cho mỗi chất bên trong ống để chuyển thành hơi bão hoà. Ngọn lửa có nhiệt độ cao ở phía trên tầng sôi bằng hình thức bức xạ nhiệt truyền nhiệt lượng cho các bề mặt nhận nhiệt cho các ống sinh hơi được bố trí xung quanh buồng lửa. Quá trình truyền nhiệt từ ống nhận nhiệt sang mỗi chất trong ống và quá trình truyền nhiệt trong đường ống dẫn khói nóng diễn ra giống như ở lò đốt cháy theo ghi và lò đốt cháy theo buồng ở đáy không lặp lại nữa.

Truyền nhiệt trong buồng lửa lò tầng sôi khác nhiều so với lò đốt theo ghi và lò đốt theo buồng. Trong lò đốt theo ghi và lò đốt theo buồng, ngọn lửa có nhiệt độ cao. Trong khi truyền nhiệt bức xạ cho bề mặt ống nhận nhiệt, ở phần dưới tầng sôi vật liệu lò có nhiệt độ cao chuyển động sôi mãnh liệt xảy ra quá trình truyền nhiệt đối lưu dạng va đập, cọ xát trên bề mặt nhận nhiệt. Hiệu quả truyền nhiệt này cao hơn nhiều so với truyền nhiệt bức xạ. Cho nên khả năng truyền nhiệt và sinh hơi của bề mặt nhận nhiệt tầng sôi lớn hơn nhận nhiệt bức xạ.

c. Đặc điểm và quá trình truyền nhiệt trong lò CFB:

Nhiên liệu cháy mãnh liệt trong tầng sôi, vật liệu lò có nhiệt độ cao vừa va đập và cọ xát mạnh, đồng thời vừa truyền nhiệt dạng đối lưu lên bề mặt của ống nhận nhiệt. Nhiệt được truyền ở dạng dẫn nhiệt qua thành ống và truyền nhiệt cho mỗi chất chảy trong ống ở dạng đối lưu. Ngọn lửa nóng ở bên trên tầng sôi trong khi truyền nhiệt ở dạng bức xạ lên các ống nhận nhiệt bố trí xung quanh buồng lửa thì dòng chảy với các hạt nhiên liệu nhỏ nồng độ cao va đập và cọ xát mạnh truyền nhiệt lên bề mặt ống sinh hơi. Nhiệt lượng được truyền qua thành ống dạng dẫn nhiệt và truyền cho nước trong ống dạng đối lưu, nước nhận nhiệt biến thành hơi nước bão hoà. Quá trình truyền nhiệt đối lưu trong đường dẫn khói của lò CFB cũng giống như các lò khác.

Các ống sinh hơi ở trong tầng sôi hay ở phía trên tầng sôi của lò CFB đều chịu va đập và cọ xát của vật liệu. Lò có nhiệt độ cao quá trình truyền nhiệt cũng khác với lò đốt theo ghi và lò đốt theo buồng lửa. Nhiên liệu trong lò CFB va đập và cọ xát bề mặt ống nhận nhiệt ở mức độ mãnh liêt hơn, hiệu quả truyền nhiệt cao hơn nhiều so với lò tầng sôi. Ở đoạn lơ lửng của buồng lửa lò tầng sôi tuy có lượng lớn hạt nhiên liệu nhỏ đang bốc cháy, nhưng nồng độ thấp hơn nhiều so với lò CFB. Cho nên sự cọ xát của các nhỏ đối với ống nhận nhiệt không mãnh liệt như ở lò CFB, quá trình cọ xát truyền nhiệt này không đáng kể mang tính chất truyền nhiệt dạng bức xạ. Ở lò CFB quá trình cọ xát truyền của các hạt nhiên liệu với nồng độ cao ở phía trên tầng sôi đã làm cho lò CFB khác biệt hẳn so với lò đốt cháy theo ghi và lò đốt cháy theo buồng. Lò CFB có khả năng truyền nhiệt và sinh hơi vượt trội hơn so với các lò khác.

2. Đặc điểm truyền nhiệt của lò hơi tầng sôi:

Thông thường quá trình truyền nhiệt trong lò đốt cháy theo ghi và lò đốt cháy theo buồng chỉ có quá trình truyền nhiệt dạng bức xạ từ ngọn lửa nóng đến bề mặt ống nhận nhiệt trong buồng lửa và quá trình truyền nhiệt đối lưu của khí khói nóng trong đường khói. Nhưng quá trình truyền nhiệt trong lò của lò hơi tầng sôi và lò CFB, ngoài truyền nhiệt dạng bức xạ của ngọn lửa có nhiệt độ cao ra, còn có quá trình truyền nhiệt dạng cọ xát, va đập của hỗn hợp thể rắn - khí đối với bề mặt ống nhận nhiệt. Đặc điểm truyền nhiệt trong lò CFB như sau:

• Dòng hỗn hợp thể khí - rắn cọ xát mãnh liệt lên bề mặt chịu nhiệt và hạt rắn va đập mạnh lên bề mặt chịu nhiệt ở tầng sôi.
• Dòng khí khói hỗn hợp khí - rắn với nồng độ hạt cao cọ xát mạnh lên bề mặt chịu nhiệt và va đập mặt của hạt rắn lên bề mặt chịu nhiêt ở đoạn lơ lửng.
• Trạng thái chảy rối mãnh liệt trong tầng sôi của lò tầng sôi và lò CFB làm tăng sự truyền nhiệt.
• Trong lò CFB, ở đoạn lơ lửng, do nồng độ hạt tăng, tốc độ dòng khí tăng, hỗn hợp dòng khí - rắn có nhiệt độ cao chuyển từ chảy tầng sang chảy rối, như vậy làm tăng hiệu quả truyền nhiệt.

Do đặc điểm truyền nhiệt của lò tầng sôi, hiệu quả truyền nhiệt trong lò tầng sôi lớn hơn nhiều so với các lò khác, có suất bốc hơi bề mặt lớn và khả năng sinh hơi cao. Diện tích bề mặt chịu nhiệt của lò hơi tầng sôi vì vậy mà ít hơn so với các loại lò hơi khác có cùng sản lượng sinh hơi, làm giảm giá thành chế tạo và kết cấu gọn.

• Các nhân tố ảnh hưởng đến truyền nhiệt của lò hơi:
• Hình thức chuyển động của dòng chảy:

Dòng chảy thường chuyển động ở dạng chảy tầng và chảy rối. Chảy tầng là chỉ dòng chảy chuyển động theo từng lớp, giữa các lớp dòng chảy chỉ có chuyển động dọc hướng song song, không có chuyển động ngang. Đối với khí khói trong lò, trong khí khói có mang theo hạt tro cũng chuyển động song song cùng dòng khí, giữa các hạt không va chạm mạnh với nhau, giữa hạt và bề mặt ống nhận nhiệt có một lớp khí ngoại biên dày nhất định, thông thường hạt không va chạm mạnh lên bề mặt ống. Chảy rối khác với chảy tầng. Trong chảy rối, ngoài có chuyển động dọc cân bằng ra, còn có chuyển động ngang, giữa các bộ phận của dòng có sự xáo trộn mạnh với nhau. Các hạt nhiên liệu bị mang theo trong khí khói lò trong quá trình chuyển động va đập mạnh với nhau. Cho nên, các bề mặt nhận nhiệt vừa chịu cọ xát của dòng khí và vừa chịu va đập của hạt nhiên liệu rắn. Lớp khí ngoài biên trên bề mặt nhận nhiệt mỏng và bị phá vỡ do các va chạm, cho nên hiệu quả truyền nhiệt ở chảy rối lớn hơn nhiều ở chảy tầng.

• Hình thức cọ xát của dòng chảy lên bề mặt chịu nhiệt:

Khi khói cũng như dòng chảy thể khí - rắn cọ xát lên bề mặt nhận nhiệt trong lò hơi tầng sôi có thể chia ra làm 2loại cọ xát ngang và cọ xát dọc. Khi cọ xát ngang lớp ngoại biên trên bề mặt nhận nhiệt do chịu tác dụng lực va đập theo phương vuông góc, trở nên mỏng hơn, nhiệt tro giảm. Đồng thời do dòng chảy thay đổi hướng. Khi chuyển động, giữa các dòng chảy sẽ xáo trộn mạnh hơn. Khi cọ xát dọc, dòng khí chảy dọc theo bề mặt nhận nhiệt, song song với đường tâm ống, dòng chảy chuyển động không bị cản trở, phương không thay đổi, cho nên lớp ngoại biên trên bề mặt nhận nhiệt dày hơn và ổn định hơn, nhiệt tro lớn, hiệu quả truyền nhiệt cũng kém hơn.

c. Nhiệt độ dòng chảy:

Nhiệt độ của dòng chảy cao, hệ số toả nhiệt lớn, lượng nhiệt truyền cũng tăng theo. Do nhiệt độ cao, độ chênh lệch nhiệt độ giữa vật toả nhiệt và vật nhận nhiệt lớn, nhiệt sẽ truyền nhanh hơn.

d.  Tốc độ dòng chảy:

Tốc độ càng lớn, truyền nhiệt càng nhanh, điều cũng liên quan để chiều dày lớp khí ngoại biên trên bề mặt nhận nhiệt. Tốc độ dòng lớn, lớp ngoại biên mỏng, nhiệt tro mỏng, truyền nhiệt nhanh.

• Diện tích truyền nhiệt:

Diện tích truyền nhiệt lớn, lượng nhiệt truyền đi sẽ lớn. Khi lò hơi tầng sôi đang vận hành, nếu chiều cao tầng sôi tăng, diện tích truyền nhiệt chìm ngay trong tầng sôi tăng, lượng nhiệt truyền qua sẽ tăng, lượng sinh hơi tăng.

• Kích thước hạt:

Với lò hơi tầng sôi, kích thước hạt nhiên liệu lớn, khối lượng hạt sẽ lớn, dưới tác dụng của dòng khí, lực chuyển động tăng, hạt nhiên liệu va đập lên bề mặt nhận nhiệt mạnh hơn, làm truyền nhiệt tăng lên. Cho nên xét ở góc độ truyền nhiệt, ở tình trạng áp suất gió cấp1 lớn hơn, kích thước hạt nhiên liệu không nên quá nhỏ,nhưng ở góc độ chất lượng sôi mà nói cỡ hạt nhỏ hơn, tốc độ dòng tạo sôi nhỏ và quá trình sôi ổn định hơn.

• Nồng độ tro xỉ tuần hoàn:

 Với lò CFB nồng độ tro xỉ lớn, hiệu quả truyền nhiệt tốt. Nồng độ tro xỉ thấp, hiệu quả truyền nhiệt kém. Thông thường ở lò CFB có thể điều chỉnh được lượng sinh hơi bằng cách điều chỉnh nồng độ tro xỉ. Nhưng với lò hơi tầng sôi FB, lượng tro xỉ bay theo lớn, không có bộ phân ly và cháy tuần hoàn, gây nên tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn lớn,làm giảm hiệu suất nhiệt của lò hơi.

h. Chiều dày lớp vật liệu lò:

Đối với lò hơi tầng sôi và lò CFB, có thể điều chỉnh năng lực sinh hơi của lò hơi bằng cách điều chỉnh chiều dày lớp vật liệu lò. Chiều dày càng lớn nhiệt lượng truyền càng nhiều, năng lực sinh hơi càng lớn. Chiều dày mỏng thì ngược lại.

i. Tần suất va đập của vật liệu lò:

Nhiệt trở của thể khí thường lớn hơn thể rắn. Khi các hạt vật liệu lò có nhiệt độ cao va đập nhanh lên bề mặt nhận nhiệt, do có sự chênh lệch nhiệt độ lớn tại thời điểm tiếp xúc bởi va đập, hạt liệu lò bị nguội lạnh, nhiệt lượng mà hạt này mang theo được truyền rất nhanh cho thành ống, tần suất va đập càng nhanh, truyền nhiệt càng mạnh. Đây cũng là mọt trong các nguyên nhân truyền nhiệt của bề mặt nhận nhiệt ở lò tầng sôi lớn hơn nhiều so với truyền nhiệt từ ngọn lửa nhiệt độ cao cho bề mặt nhận nhiệt ở trong buồng lửa.