Bộ gia nhiệt không khí

Một bộ gia nhiệt không khí (air preheater) là bất kỳ thiết bị nào được thiết kế để gia nhiệt không khí trước một quá trình khác (ví dụ như cháy trong lò hơi), với mục tiêu chính là tăng hiệu suất nhiệt của quá trình. Chúng có thể được sử dụng độc lập hoặc thay thế cho hệ thống trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt (recuperative) hoặc thay thế cuộn dây hơi nước.

Cụ thể, bài viết này mô tả các bộ gia nhiệt không khí phục vụ quá trình cháy được sử dụng trong các lò hơi lớn tại các nhà máy nhiệt điện sản xuất điện năng từ nhiên liệu hóa thạch, sinh khối hoặc chất thải. Ví dụ, bộ gia nhiệt không khí Ljungström đã giúp tiết kiệm nhiên liệu trên toàn thế giới ước tính khoảng 4.960.000.000 tấn dầu mỏ, và được coi là một trong những phát minh tiết kiệm nhiên liệu thành công nhất, được Hiệp hội Kỹ sư Cơ khí Hoa Kỳ công nhận là Di sản Kỹ thuật Cơ khí Lịch sử Quốc tế thứ 44.

Mục đích của bộ gia nhiệt không khí là thu hồi nhiệt từ khí thải lò hơi (flue gas), qua đó tăng hiệu suất nhiệt của lò bằng cách giảm lượng nhiệt thất thoát theo khí thải. Do đó, khí thải được đưa ra ống khói (chimney) ở nhiệt độ thấp hơn, giúp đơn giản hóa thiết kế hệ thống dẫn khí và ống khói. Đồng thời, nó cũng cho phép kiểm soát nhiệt độ khí thải để đáp ứng các quy định về phát thải. Thiết bị này được lắp đặt giữa bộ economizer và ống khói.

Các loại
Có hai loại bộ gia nhiệt không khí sử dụng trong các máy tạo hơi tại nhà máy nhiệt điện: loại ống (tubular) tích hợp trong đường dẫn khí thải lò hơi, và loại tái sinh (regenerative). Các thiết bị này có thể được bố trí sao cho dòng khí đi ngang hoặc dọc theo trục quay.

Một loại khác là regenerator dùng trong sản xuất sắt hoặc thủy tinh.

Loại ống (Tubular type)

Đặc điểm cấu tạo
Bộ gia nhiệt dạng ống gồm các bó ống trụ thẳng đi qua đường dẫn khí thải của lò và mở ra ở hai đầu ngoài đường ống. Bên trong đường ống, khí nóng từ lò đi xung quanh các ống, truyền nhiệt từ khí thải sang không khí bên trong ống. Không khí môi trường được quạt thổi vào một đầu của ống và ở đầu còn lại, không khí đã được gia nhiệt sẽ đi ra và được dẫn tới buồng đốt của lò.

Vấn đề
Đường ống dẫn không khí nóng và lạnh của loại này cần nhiều không gian và kết cấu đỡ hơn so với thiết kế quay. Ngoài ra, do khí thải chứa bụi có tính mài mòn, các ống phía tiếp xúc dòng khí bị mòn nhanh hơn. Nhiều cải tiến đã được thực hiện như sử dụng vật liệu gốm và thép tôi cứng.

Nhiều lò hơi tầng sôi tuần hoàn (CFB) và tầng sôi sủi bọt (BFB) hiện đại sử dụng loại này do ít bộ phận chuyển động hơn.

Ăn mòn điểm sương
Ăn mòn điểm sương xảy ra do nhiều nguyên nhân. Loại nhiên liệu, hàm lượng lưu huỳnh và độ ẩm là các yếu tố góp phần. Tuy nhiên, yếu tố quan trọng nhất là nhiệt độ kim loại của ống. Nếu nhiệt độ giảm dưới nhiệt độ bão hòa axit (khoảng 88 °C đến 110 °C, đôi khi lên tới 127 °C), nguy cơ ăn mòn sẽ tăng đáng kể.

Bộ gia nhiệt không khí tái sinh (Regenerative air preheaters)
Có hai loại: loại quay (RAPH) và loại tấm tĩnh (Rothemuhle).

Loại quay (Rotating-plate)

Thiết kế này gồm một phần tử quay trung tâm đặt trong vỏ chia thành 2, 3 hoặc 4 vùng. Các gioăng kín giúp giảm rò rỉ khí giữa các vùng.

Loại 3 vùng (tri-sector) là phổ biến nhất. Khí nóng đi qua phần tử trung tâm, truyền nhiệt, sau đó được xử lý tiếp qua thiết bị lọc bụi trước khi thải ra. Không khí lạnh đi qua phần tử đã được gia nhiệt rồi vào buồng đốt. Một phần không khí khác cấp cho máy nghiền than.

Rotor là môi chất truyền nhiệt, thường làm từ thép hoặc gốm, quay chậm (1–2 vòng/phút).

Đặc điểm cấu tạo
Vỏ được đỡ trên kết cấu lò, có khớp giãn nở. Rotor quay trên ổ đỡ lực đẩy có bôi trơn dầu. Các tấm chắn giúp giảm rò rỉ khí. Có hệ thống làm sạch bằng hơi để thổi bụi xuống phễu chứa.

Rotor được quay bằng động cơ khí nén và cần hoạt động trước khi khởi động lò.

Vấn đề
Khí thải chứa nhiều bụi như tro bay và silica gây mài mòn. Các tấm trao đổi nhiệt dạng sóng giúp tăng diện tích bề mặt nhưng cần thay thế thường xuyên.

Trong một số trường hợp, cặn chưa cháy có thể gây cháy nổ trong thiết bị.

Loại tấm tĩnh (Stationary-plate)
Các tấm trao đổi nhiệt cố định, còn các ống dẫn không khí quay để luân phiên tiếp xúc với các vùng.

Thiết bị này còn gọi là bộ gia nhiệt Rothemuhle, được sản xuất bởi Balke-Dürr GmbH (Ratingen, Đức).

Regenerator

Regenerator gồm các viên gạch xếp thành mạng lưới. Khí nóng truyền nhiệt cho gạch, sau đó dòng khí đảo chiều để làm nóng không khí cấp.

Trong lò luyện thủy tinh, regenerator nằm hai bên lò. Trong lò cao, chúng được gọi là lò Cowper.

Xem thêm
Recuperator
Economiser
Regenerative heat exchanger
Thermal wheel

Tham khảo

Liên kết ngoài
 History of the Ljungström Air Preheater

Thiết bị hóa học
Kỹ thuật cơ khí
Thành phần nhà máy điện
Nhiệt động lực học kỹ thuật