Lò hơi tầng sôi (FB – Fluidized Bed) là một loại lò hơi công nghiệp sử dụng công nghệ tầng sôi cố định để đốt nhiên liệu một cách hiệu quả. Trong hệ thống này, nhiên liệu (sinh khối, than, RDF, bùn thải…) được đưa vào buồng đốt, nơi có một lớp “sôi” khi khí cấp được thổi vào từ đáy giúp nhiên liệu trộn đều với không khí, tăng khả năng tiếp xúc và cháy kiệt, đảm bảo quá trình sinh hơi hiệu suất cao.
Theo đánh giá của các chuyên gia, tỉ lệ khí CO2, NOx, SO2,…từ nồi hơi tầng sôi thấp hơn đáng kể so với các loại lò hơi thông thường chỉ đốt được nhiên liệu hóa thạch.
Đây được xem là một phương pháp có thể đem lại hiệu quả về cả mặt kinh tế lẫn môi trường khi hệ thống lò hơi tầng sôi có tuổi thọ và độ bền cao, hiệu suất lò vượt trội cũng như chi phí duy trì và sửa chữa thấp và giảm phát thải ra môi trường.
Hiện nay, lò hơi tầng sôi được bố trí trong các nhà máy sản xuất và được sử dụng như một thiết bị chuyên dụng. Nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống này đó là chuyển đổi trực tiếp năng lượng hóa học có trong nhiên liệu đốt biomass thành các dạng năng lượng sạch như nhiệt, điện và hơi bão hòa.
LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA LÒ HƠI TẦNG SÔI
Đầu những năm 1960, Douglas Elliott là người đưa ra ý tưởng chuyển từ khí hóa than sang đốt trực tiếp trong buồng đốt tầng sôi. Ông phát hiện ra rằng việc bố trí các ống trao đổi nhiệt ngay trên một buồng đốt tầng sôi dùng than mang lại hiệu quả rất lớn cho quá trình sinh hơi. Nhờ những lập luận thuyết phục, Elliott đã giành được sự ủng hộ của các chuyên gia tại Hiệp hội Nghiên cứu và Sử dụng Than Anh (British Coal Utilization Research Association) cũng như Hội đồng Than Quốc gia Anh (National Coal Board of the U.K). Ngay sau đó, một chương trình nghiên cứu quy mô lớn được triển khai tại Phòng thí nghiệm Điện Marchwood nhằm tiếp tục phát triển và hoàn thiện các phát hiện ban đầu của ông.
Cùng thời điểm này, công nghệ lò hơi dùng buồng đốt tầng sôi cũng được nghiên cứu độc lập tại Trung Quốc và Mỹ, nhưng do tư liệu ghi chép còn hạn chế nên các thông tin về quá trình phát triển ở hai quốc gia này không được đánh giá là đủ tin cậy.
Đối với nhiên liệu sinh khối, cột mốc được ghi nhận là năm 1982, khi một lò hơi công suất 10 tấn hơi/giờ đốt trấu rời được đưa vào vận hành tại Ấn Độ, do Prabir Basu thiết kế. Từ dấu mốc này, hàng loạt biến thể lò tầng sôi có khả năng đốt nhiều loại nhiên liệu khác nhau đã liên tục được nghiên cứu, phát triển và thương mại hóa rộng rãi trên thế giới.
Trong các dòng lò tầng sôi, lò hơi tầng sôi bọt (Bubbling Fluidized Bed – BFB) là loại được ứng dụng phổ biến nhất, và gần như đã thay thế hoàn toàn các thiết kế lò truyền thống như lò ghi xích hay ghi tĩnh. Về cấu tạo, một lò hơi tầng sôi bọt tiêu biểu gồm buồng đốt dạng tầng sôi kết hợp với hệ thống trao đổi nhiệt có cấu trúc khá tương đồng với các loại lò hơi thông thường khác.
KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA LÒ HƠI TẦNG SÔI
Lò hơi tầng sôi (còn được gọi là nồi hơi tầng sôi) là loại lò hơi sử dụng buồng đốt kiểu tầng sôi, được tạo thành từ hàng triệu hạt vật liệu rắn như cát, xỉ hoặc các loại vật liệu chuyên dụng khác để đốt cháy nhiên liệu. Nhờ cấu trúc này, buồng đốt tạo ra khả năng hòa trộn đồng đều trên toàn bộ diện tích, giúp nhiên liệu cháy kiệt trong khi nhiệt độ buồng đốt được duy trì ở mức vừa phải, qua đó hạn chế đáng kể lượng khí thải độc hại sinh ra trong quá trình vận hành.
So với các kiểu buồng đốt truyền thống, khí thải từ lò hơi tầng sôi chứa hàm lượng lưu huỳnh và nitơ oxit thấp hơn rõ rệt, góp phần giảm tải áp lực xử lý khí thải cho doanh nghiệp.
Một ưu điểm nổi bật khác của lò hơi tầng sôi là khả năng đốt đa nhiên liệu từ than đá, nhiên liệu sinh khối, đến rác thải công nghiệp và rác thải sinh hoạt đã qua phân loại. Nhờ sự linh hoạt về nhiên liệu đầu vào cùng khả năng vận hành với hiệu suất cao và mức phát thải thấp, lò hơi tầng sôi được xem là một trong những giải pháp tối ưu cả về hiệu quả kinh tế lẫn yếu tố bảo vệ môi trường cho doanh nghiệp sản xuất.
Danh mục từ vựng viết tắt thường gặp trên các loại lò hơi tầng sôi:
– AFBC (Atmospheric Fluidized Bed Combustion): Lò hơi tầng sôi bọt;
– BFB (Bubbling Fluidized Bed): Buồng đốt tầng sôi bọt;
– CFBC (Circulating Fluidized Bed Combustion): Lò hơi tầng sôi tuần hoàn;
– PFBC (Pressurize Fluidized Bed Boiler) Lò hơi tầng sôi có áp;
– PA: Primary Air;
– SA: Secondary Air;
PHÂN LOẠI LÒ HƠI TẦNG SÔI
Lò hơi tầng sôi được chia thành 3 loại, tương ứng với 3 thế hệ công nghệ:
• Lò hơi AFBC (Atmospheric Fluidized Bed Combustion): Đây là dòng lò tầng sôi vận hành ở áp suất khí quyển và cũng là loại phổ biến nhất trong các dòng lò tầng sôi. AFBC còn được biết đến với tên gọi khác là lò hơi tầng sôi bọt (BFB Boiler).
• Lò hơi CFBC (Circulating Fluidized Bed Combustion): Đây là biến thể vận hành ở tốc độ sôi cao hơn, với vận tốc dòng khói trong buồng đốt đạt khoảng 4–6 m/s. Ở tốc độ này, các hạt rắn cuốn theo dòng khói — bao gồm cả vật liệu nền và nhiên liệu chưa cháy hết — sẽ được thu hồi nhờ hệ thống cyclone tách (dạng nóng hoặc lạnh) và đưa tuần hoàn trở lại buồng đốt để tiếp tục quá trình cháy. Nhờ cơ chế này, CFBC đạt hiệu quả đốt cháy nhiên liệu rất cao, tuy nhiên đi kèm với đó là chi phí đầu tư ban đầu cũng cao hơn đáng kể. Vì vậy, lò CFBC thường được ứng dụng cho các hệ thống có dải công suất từ 100 tấn hơi/giờ trở lên.
• Lò hơi PFBC (Pressurized Fluidized Bed Combustion): Đây là biến thể đặc biệt, trong đó toàn bộ hệ thống lò được vận hành trong môi trường áp suất cao, vào khoảng 16 kg/cm². Dòng khí nóng sau khi đi qua các bộ trao đổi nhiệt sẽ được tận dụng để vận hành tua-bin khí, trong khi hơi nước sinh ra từ các bộ trao đổi nhiệt được dùng để chạy tua-bin hơi. Nhờ cơ chế tận dụng năng lượng kép này, PFBC nhìn chung đạt hiệu suất hệ thống cao hơn so với hai dòng công nghệ còn lại. Tuy nhiên, chi phí đầu tư rất lớn cùng cấu tạo hệ thống phức tạp là những rào cản đáng kể, khiến PFBC thường chỉ được triển khai ở dải công suất từ 70–350 MW.
LÒ HƠI TẦNG SÔI: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
A. CẤU TẠO CỦA LÒ HƠI TẦNG SÔI
Lò hơi tầng sôi được cấu thành từ 7 bộ phận chính, mỗi bộ phận đảm nhận một vai trò riêng biệt nhưng liên kết chặt chẽ trong toàn bộ quá trình vận hành:
- Hệ thống cấp liệu
- Buồng đốt
- Hệ thống cấp gió
- Bộ sấy không khí
- Hệ thống thải xỉ
- Các cụm sinh hơi
- Hệ thống điều khiển an toàn lò hơi
1. Hệ thống cấp liệu
Hệ thống cấp liệu của một lò hơi tầng sôi gồm có băng tải, vít, gàu tải…để giúp vận chuyển nhiên liệu cho quá trình cháy vào buồng đốt.
Thông thường, các dạng vật liệu cấp trước khi cấp vào lò hơi tầng sôi phải đạt độ lớn đồng đều theo một tiêu chuẩn nhất định nhằm tạo giúp quá trình đốt cháy được tối ưu. Chẳng hạn, kích thước chuẩn của than đá hay than cám là từ 0 đến 10mm, riêng biomass có kích thước là từ 0 đến 50mm.
Toàn bộ nhiên liệu cháy được đưa vào buồng đốt của lò hơi tầng sôi một cách tự động bằng hệ thống băng tải, gàu tải, vít,…Từ đây, các hạt rắn nhiên liệu đi ra khỏi buồng cấp liệu, đi đến khu vực dự trữ để có thể đưa trực tiếp vào lò hơi tầng sôi.
Ngoài ra, hệ thống cấp liệu trong buồng đốt sẽ được bố trí thêm các bộ phận cảm biến giúp đo lường khối lượng nhiên liệu được cấp vào lò. Điều đó cho phép theo dõi cũng như kiểm soát mức độ tiêu hao nhiên liệu được sử dụng cũng như hiệu suất của lò hơi tầng sôi đốt đa nhiên liệu.
2. Buồng đốt
Hiện nay có rất nhiều phương thức để đo lường chất lượng sản phẩm, dịch vụ của doanh nghiệp. ASME (American Society of Mechanical Engineers) là tiêu chuẩn mà Zero Waste lựa chọn làm thước đo chất lượng đối với các sản phẩm và dịch vụ của khách hàng trong lĩnh vực chuyên về gia công, thiết kế lò hơi công nghiệp, bồn bể áp lực và yêu cầu có đơn vị kiểm định độc lập.
Về cơ bản, hệ thống buồng đốt lò hơi chứa nhiều nhiên liệu sẽ đốt như cát, xỉ, đá vôi, nhiên liệu than, tro,…Khi áp lực không khí tăng lên, lớp chất rắn bắt đầu giãn nở và ở trạng thái lơ lửng.
Chúng chuyển động tự do trong buồng đốt do nhiệt độ không khí và áp suất tăng nhanh, điều này sẽ tạo ra một lớp sôi (hay tầng sôi) để đáp ứng được quá trình đốt cháy vật liệu.
Bên trong buồng đốt, chiều cao lớp sôi gồm các chất rắn (thường là cát, xỉ, đá vôi, than, đá dolomit,…) làm nền trên bề mặt buồng đốt có thể cao từ 120 đến 400mm. Độ dày của lớp sôi được ước tính cao khoảng 0.8 đến 1.2mm và khối lượng trung bình từ 1500 đến 2400kg/m3.
Hơn nữa, người ta thường trộn hạt làm nền với các chất liệu đốt với tỉ lệ từ 1 đến 5%. Nhờ lớp chất nền chiếm tỉ lệ lớn nên có thể giúp buồng đốt giữ nhiệt tốt, giúp đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu và tận thu triệt để nguồn nhiệt lượng tạo thành, đồng thời làm giảm lượng phát thải độc hại ra môi trường.
3. Hệ thống cấp gió
Hệ thống cấp gió gồm quạt hút, quạt gió cấp một và quạt gió cấp hai. Trong đó, quạt hút là bộ phận khởi động đầu tiên trong toàn bộ hệ thống cấp gió. Gió cấp một được gia nhiệt trong khi đi qua hệ thống sấy không khí, rồi từ đó được đưa vào buồng phân phối gió dưới đáy lò.
Bên trong buồng phân phối có nhiều béc-phun, chúng giúp gió được tản đều khắp buồng đốt giúp quá trình sôi diễn ra đồng đều hơn cũng như ngăn các hạt rắn của lớp nền lọt vào buồng cấp gió. Riêng gió cấp hai có nhiệm vụ cung cấp thêm khí cho quá trình cháy diễn ra hiệu quả hơn.
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.
Ngoài gió cấp 1, gió cấp hai của hệ thống nồi hơi tầng sôi có thể được cấp vào khu vực trống của buồng đốt để cung cấp thêm khí oxy để quá trình cháy đạt hiệu quả cao hơn.
Bên cạnh đó, còn tùy vào loại nhiên liệu được đốt cháy trong buồng đốt sẽ điều chỉnh tốc độ gió và tỉ trọng của cả hai loại gió.
4. Bộ sấy không khí
Bộ sấy không khí là một bộ phận quan trọng, được lắp đặt thêm vào bên trong các lò hơi tầng sôi để tận dụng triệt để nguồn nhiệt của khói thải và giúp nhiên liệu đốt dể cháy hơn. Thiết bị này giúp tiết kiệm nhiên liệu, giảm chi phí đầu tư cho việc vận hành lò hơi.
5. Hệ thống thải xỉ
Trong quá trình vận hành, lò hơi tầng sôi phát sinh hai dạng chất thải chính: khói thải và chất thải rắn. Chất thải rắn bao gồm xỉ từ nhiên liệu đốt và các sản phẩm phụ sinh ra từ chất hấp thụ trong quá trình xử lý khí. Trong khi đó, khói thải là yếu tố tác động lớn nhất đến chất lượng không khí, vì vậy hệ thống xử lý khói luôn được ưu tiên hàng đầu trong thiết kế tổng thể của lò hơi.
Về xỉ, phần xỉ có kích thước lớn thường được thu gom qua cửa xả xỉ ở đáy buồng đốt. Riêng phần xỉ có kích thước rất nhỏ sẽ theo dòng khói thoát ra và được thu hồi tại phễu chứa dưới bộ hâm nước, bộ sấy gió cũng như tại các thiết bị lọc bụi. Tro bay sau khi thu gom có thể được vận chuyển đến khu vực chứa thông qua vít tải, băng tải hoặc hệ thống thổi tro chuyên dụng.
Ưu điểm của các lò hơi tầng sôi là sở hữu buồng đốt được vận hành ở nhiệt độ dưới 900 độ C. Chính điều này giúp lò hơi được phát triển giống như một bộ xử lý khí thải hoạt động ở công suất cao. Điều này đảm bảo cho hệ thống nồi hơi tầng sôi không cần phải lắp đặt các thiết bị đắt tiền mà vẫn đảm bảo đáp ứng các thông số về bảo vệ môi trường. Hệ thống lọc và thải xỉ gồm bộ lọc Cyclone, túi lọc, lọc bụi tĩnh điện cùng thiết bị xử lý khí thải như SOx, NOx,…Các loại xỉ thải với kích thước lớn thường bao gồm các hạt bụi mịn bay theo khói. Khi nó đi ra khỏi buồng đốt được lọc bụi tại bộ hâm nước. Toàn bộ lượng tro vừa lọc sẽ được đưa ra ở phần đuôi lò.
6. Các cụm sinh hơi
Cụm sinh hơi gồm những bộ phận cơ bản như tường nước, ống sinh hơi, ống bức xạ, ống đối lưu, ống quá nhiệt,…Quá trình cấp nước được tuần hoàn từ balong, đi xuống ống góp dưới, rồi được gia nhiệt đến nhiệt độ bay hơi để trở về balong thông qua ống vách ướt.
Nước tại balong sẽ được tách ra rồi cung cấp đến khách hàng. Còn trong các lò hơi quá nhiệt, hơi nước được tiếp tục sử dụng để cho chạy tua bin hơi.
7. Hệ thống điều khiển lò hơi
Hệ thống điều khiển an toàn được chế tạo theo công nghệ vận hành lò hơi một cách tự động, bảo vệ nồi hơi hoạt động an toàn và ổn định.
Bên cạnh đó, phần mềm điều khiển thực hiện các chức năng kiểm tra và kiểm soát các hoạt động của lò hơi tầng sôi cũng như tích hợp thêm chế độ cảnh báo để đảm bảo nồi hơi tầng sôi hoạt động an toàn và hiệu quả.
B. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA LÒ HƠI TẦNG SÔI
- 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 NHƯỢC ĐIỂM CỦA LÒ HƠI TẦNG SÔI LÀ GÌ?
ƯU ĐIỂM
Thứ nhất, lò hơi tầng sôi có thể đốt cháy gần như hoàn toàn nhiều loại nhiên liệu như nhiên liệu hóa thạch, rác thải sinh hoạt, rác thải công nghiệp, nhiên liệu biomass. Sau đó tận dụng nhiệt được sinh ra một cách triệt để và sử dụng vào các hoạt động sản xuất của nhà máy nhiệt điện, nhà máy chế biến thực phẩm,…
Trong đó, biomass là một loại nhiên liệu từ thực vật, có giá thành thấp mà vẫn đảm bảo cung cấp đủ năng lượng như than đá. Các chuyên gia đã chứng minh rằng lò hơi biomass đốt được đa nhiên liệu đã giúp nhà máy tiết kiệm chi phí nhờ khả năng đốt cháy ổn định.
Nhờ bộ truyền nhiệt được thiết kế nhỏ gọn hơn so với lò hơi truyền thống, quá trình khởi động, đốt cháy nhiên liệu và vệ sinh lò diễn ra nhanh chóng hơn. Hệ thống cũng cung cấp hơi ổn định, kiểm soát tốt áp suất và nhiệt độ làm việc, tạo ra nguồn nhiệt năng lớn và duy trì ổn định ở mức 800 – 900°C, cùng quá trình trao đổi nhiệt đối lưu diễn ra trơn tru.
Các ưu điểm khác bao gồm: lượng khí thải NOx, SOx thấp hơn đáng kể so với lò hơi truyền thống; hạn chế hiện tượng xỉ, tro bám trên bề mặt dàn ống và thiết bị; quá trình cấp liệu tự động qua băng tải, vít tải giúp tiết kiệm nhiên liệu đầu vào; và tuổi thọ, độ bền vận hành cao.
NHƯỢC ĐIỂM
Nhược điểm của lò hơi tầng sôi đốt than và nhiên liệu rắn khác có có tỷ lệ cốc cao cần thêm một bộ phận gọi là chùm ống trao đổi nhiệt để hỗ trợ buồng đốt lò hơi tầng sôi không bị quá nhiệt. Nhưng bộ phận này thường không có độ bền cao do bị mài mòn liên tục.
Hơn nữa, lò hơi tầng sôi tiêu tốn một lượng lớn năng lượng để duy trì quạt gió áp suất cao và do tỏa nhiệt qua bề mặt gây tổn thất lớn về nhiệt năng.
Bên cạnh đó, một nhược điểm khác của các loại lò hơi đốt than và cả các nhiên liệu khác là thân lò thường truyền nhiệt ra ngoài môi trường, gây thất thoát một lượng nhiệt đáng kể.
Dù có hệ thống lọc bụi túi, tuy nhiên, lò hơi tầng sôi đốt nhiên liệu rắn không hoàn toàn có thể dọn phát thải, điều này dễ gây nên hiện tượng đóng xỉ đằng sau đuôi lò.
ỨNG DỤNG CỦA LÒ HƠI TẦNG SÔI
Ngoài các công dụng của nồi hơi trong đời sống hằng ngày, lò hơi tầng sôi đã và đang được vận hành rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực công nghiệp. Đặc biệt là đối với các nhà máy, cụm công nghiệp nào cũng đều có nhu cầu sử dụng nhiệt, hơi, điện.
Chẳng hạn như cung cấp năng lượng để đun, nấu, thanh trùng,…vốn là các hoạt động phổ biến trong các nhà máy chế biến thực phẩm, sản xuất nước ngọt, gia vị,…Ngoài ra, còn được ứng dụng trong các nhà máy giấy, dệt nhuộm, dược phẩm,…vì có thể giúp doanh nghiệp tiết kiệm nhiên liệu đến 80%.
Lò hơi tầng sôi còn được ứng dụng trong ngành nhiệt điện. Bằng cách tạo ra dòng hơi nước có động năng cao và làm quay tua bin của máy phát điện là có thể để tạo ra điện.
Dự án cung cấp lò hơi tầng sôi 10 tấn/giờ – Japfa Bình Phước
VIỆT NAM ZERO WASTE – HƯỚNG ĐẾN CÁC GIÁ TRỊ BỀN VỮNG
Với mong muốn góp phần xây dựng một ngành năng lượng xanh, sạch và bền vững cho Việt Nam, Zero Waste đang ngày càng hoàn thiện và phát triển các giải pháp cho các nhà máy nhằm giải quyết cơ bản các vấn đề về môi trường và mang lại thêm một sự lựa chọn về dịch vụ chuyên nghiệp, hiệu quả cho khách hàng.
Công nghệ lò hơi tầng sôi với các chức năng kể trên là một giải pháp sử dụng năng lượng hữu hiệu đối với quý khách hàng đang quan tâm tới việc chuyển đổi xanh chuỗi sản xuất, hướng đến phát triển bền vững.
Trên đây là những thông tin về lò hơi tầng sôi đã được công ty TNHH Zero Waste tổng hợp để giúp quý khách hàng có nhiều hiểu biết hơn về công nghệ hiện đại này. Nếu có bất kỳ nhu cầu nào về thiết kế, lắp đặt cũng như vận hành lò hơi tầng sôi, hãy liên hệ đến Zero Waste để được tư vấn và hỗ trợ nhanh chóng, kịp thời và đầy đủ nhất thông qua thông tin liên hệ:
Mr. Văn (Phòng Kỹ thuật): 0975 324 488
