Kiểm soát quá trình đốt cháy trong lò đốt khí tự nhiên: Tỷ lệ không khí-nhiên liệu, lượng không khí dư và phân tích quá trình đốt cháy.
Kiểm soát quá trình đốt cháy là khía cạnh bị bỏ qua nhiều nhất trong hoạt động của lò sưởi khí đốt. Hầu hết các lò sưởi khí đốt hoạt động với lượng không khí dư thừa quá nhiều, gây lãng phí nhiên liệu và giảm hiệu suất. Một đầu đốt được điều chỉnh tốt với tỷ lệ không khí-nhiên liệu chính xác sẽ giúp tiết kiệm từ 5 đến 15% nhiên liệu và giảm từ 20 đến 50% lượng khí thải CO. Việc điều chỉnh khá đơn giản, nhưng đòi hỏi sự chú ý đến chi tiết và kiểm tra thường xuyên. Dưới đây là khung phân tích mà tôi sử dụng khi xem xét hoạt động của lò sưởi khí đốt.
Những kiến thức cơ bản về hóa học đốt cháy
Khí tự nhiên chủ yếu là metan (CH4) với một lượng nhỏ etan, propan và các khí trơ. Phản ứng đốt cháy hoàn toàn với oxy tinh khiết là:
CH4 + 2 O2 → → CO2 + 2 H2O
Trên thực tế, không khí đốt là hỗn hợp oxy (21%) và nitơ (79%). Tỷ lệ không khí-nhiên liệu lý tưởng cho khí tự nhiên là từ 9,5 đến 10,5 mét khối không khí trên mỗi mét khối khí, tùy thuộc vào thành phần khí. Tỷ lệ không khí-nhiên liệu thực tế trong lò đốt luôn cao hơn tỷ lệ lý tưởng, vì cần một lượng không khí dư để đảm bảo quá trình đốt cháy hoàn toàn.
Lượng không khí dư là lượng không khí được cung cấp vượt quá yêu cầu theo tỷ lệ hóa học. Nó được biểu thị bằng phần trăm so với lượng không khí theo tỷ lệ hóa học. Ví dụ, 10% không khí dư có nghĩa là tỷ lệ không khí-nhiên liệu thực tế gấp 1,10 lần tỷ lệ hóa học.
Tại sao lượng không khí dư thừa lại quan trọng
Một lượng không khí dư nhất định là cần thiết để đảm bảo quá trình đốt cháy hoàn toàn. Nếu lượng không khí quá ít, quá trình đốt cháy sẽ không hoàn toàn, và khí thải sẽ chứa CO và các hydrocacbon chưa cháy hết. CO và các hydrocacbon chưa cháy hết này đại diện cho nhiên liệu bị lãng phí và là một vấn đề cần được quy định.
Nếu lượng không khí quá nhiều, lượng không khí dư thừa sẽ hấp thụ nhiệt từ ngọn lửa và truyền nhiệt ra ngoài qua ống xả. Nhiệt độ khí thải tăng lên, và hiệu suất nhiên liệu giảm xuống. Lượng không khí dư tối ưu là giá trị thấp nhất cho phép đốt cháy hoàn toàn với lượng CO thấp.
Đối với các đầu đốt khí tự nhiên, lượng không khí dư tối ưu là từ 5 đến 10% đối với đầu đốt tốc độ cao và từ 10 đến 20% đối với đầu đốt tốc độ thấp kiểu khí quyển. Lượng khí thải CO nên dưới 50 ppm (đã hiệu chỉnh theo 3% O2) ở mức tối ưu.
Ảnh hưởng của lượng không khí dư thừa đến hiệu quả hoạt động
Mối quan hệ giữa lượng không khí dư và hiệu suất là rất quan trọng. Giảm lượng không khí dư từ 20% xuống 10% giúp cải thiện hiệu suất nhiên liệu từ 3 đến 5%. Giảm từ 10% xuống 5% giúp cải thiện hiệu suất thêm từ 1 đến 2%. Dưới 5% lượng không khí dư, lượng khí thải CO tăng nhanh, và nguy cơ đốt cháy không hoàn toàn trở thành vấn đề an toàn và chất lượng.
Với lò đốt khí công suất 5 MW hoạt động 6000 giờ mỗi năm, việc cải thiện hiệu suất 5% sẽ tiết kiệm được 250 kW nhiên liệu, tương đương 1,5 triệu kWh khí tự nhiên mỗi năm. Với giá 0,40 USD/mét khối, điều này có nghĩa là tiết kiệm được từ 150.000 đến 200.000 USD chi phí nhiên liệu mỗi năm.
Quy trình phân tích quá trình đốt cháy
Việc phân tích quá trình đốt cháy được thực hiện bằng máy phân tích khí thải di động. Máy phân tích đo lượng O2, CO, CO2, NO, NO2 và nhiệt độ trong khí thải. Quá trình phân tích mất từ 30 đến 60 phút cho mỗi đầu đốt, và quy trình như sau:
Khởi động lò nung và đưa nó đến nhiệt độ hoạt động.
2. Đưa đầu dò vào luồng khí thải gần đầu đốt.
3. Ghi lại thành phần khí thải ở công suất đốt hiện tại.
4. Điều chỉnh tỷ lệ không khí-nhiên liệu để đưa nồng độ O2 về giá trị mục tiêu.
5. Kiểm tra xem nồng độ CO có dưới mức cho phép hay không (thường là 50 ppm, được hiệu chỉnh thành 3% O2).
6. Lặp lại quy trình này cho từng tốc độ bắn trong phạm vi hoạt động.
Nồng độ O2 mục tiêu cho đầu đốt thu hồi nhiệt tốc độ cao là 3 đến 5 phần trăm (tương đương với 15 đến 25 phần trăm không khí dư). Đối với đầu đốt ít NOx có hệ thống FGR, nồng độ O2 mục tiêu là 5 đến 8 phần trăm. Nồng độ CO phải dưới 50 ppm ở nồng độ O2 mục tiêu.
Nếu nồng độ CO vượt quá 50 ppm ở mức O2 mục tiêu, thì cần phải bảo dưỡng đầu đốt. Các nguyên nhân phổ biến nhất gây ra nồng độ CO cao là: cửa đốt bị mòn (thay thế đầu đốt), cửa đốt bị bẩn (làm sạch đầu đốt) và tỷ lệ không khí-nhiên liệu không chính xác (hiệu chỉnh lại bộ điều khiển tỷ lệ).
Các vấn đề thường gặp về quá trình đốt cháy
Vấn đề 1: Lượng không khí dư quá cao. Triệu chứng là hàm lượng O2 trong khí thải cao (trên 5% đối với đầu đốt tốc độ cao), nhiệt độ khí thải cao và hiệu suất nhiên liệu thấp. Nguyên nhân thường là do tỷ lệ không khí-nhiên liệu điều chỉnh sai, van điều tiết không khí bị rò rỉ hoặc đầu đốt bị lệch. Cách khắc phục là điều chỉnh lại tỷ lệ, sửa chữa van điều tiết hoặc căn chỉnh lại đầu đốt.
Vấn đề 2: Nồng độ CO quá cao. Triệu chứng là nồng độ CO trong khí thải vượt quá 50 ppm, khói trong khí thải và có thể có muội than bám trên bề mặt làm việc. Nguyên nhân thường là do tỷ lệ không khí/nhiên liệu thấp (quá ít không khí), đầu đốt bị mòn hoặc cửa hút gió bị tắc. Cách khắc phục là tăng lượng không khí, thay thế đầu đốt hoặc làm sạch cửa hút gió.
Vấn đề 3: Nồng độ NOx quá cao. Triệu chứng là nồng độ NO trên 100 ppm trong khí thải. Nguyên nhân thường là do tốc độ đốt cao với hệ thống FGR không đủ, đầu đốt bị lệch hoặc cài đặt lượng không khí dư quá cao. Cách khắc phục là lắp đặt hoặc điều chỉnh hệ thống FGR, căn chỉnh lại đầu đốt hoặc giảm lượng không khí dư.
Vấn đề 4: Quá trình đốt không ổn định. Triệu chứng là nhiệt độ lò đốt dao động, nồng độ O2 trong khí thải dao động và quá trình gia nhiệt không đều. Nguyên nhân thường là do bộ điều khiển tỷ lệ bị mòn, van điều tiết khí bị rò rỉ hoặc áp suất khí dao động. Cách khắc phục là thay thế bộ điều khiển, sửa chữa van điều tiết hoặc lắp đặt bộ điều chỉnh áp suất khí.
Hệ thống điều khiển tỷ lệ không khí-nhiên liệu
Hệ thống điều khiển lò sưởi khí hiện đại sử dụng bộ điều khiển tỷ lệ giới hạn chéo để duy trì tỷ lệ không khí-nhiên liệu ở giá trị tối ưu trong toàn bộ phạm vi đốt. Thiết kế giới hạn chéo khóa liên động các van không khí và khí sao cho không khí luôn hơi đi trước khí (hoặc hơi chậm hơn, tùy thuộc vào loại đầu đốt). Điều này ngăn đầu đốt bị thiếu nhiên liệu khi tăng cường đốt hoặc thừa nhiên liệu khi giảm cường độ đốt.
Bộ điều khiển tỷ lệ sử dụng đồng hồ đo lưu lượng nhiên liệu (hoặc tín hiệu áp suất khí) và đồng hồ đo lưu lượng không khí để tính toán tỷ lệ không khí-nhiên liệu thực tế. Tỷ lệ tính toán được so sánh với tỷ lệ mục tiêu, và van điều tiết không khí được điều chỉnh để duy trì tỷ lệ mục tiêu. Bộ điều khiển cũng có tín hiệu đầu vào hiệu chỉnh từ máy phân tích O2, giúp hiệu chỉnh sự thay đổi lâu dài của tỷ lệ không khí-nhiên liệu.
Bộ điều khiển tỷ lệ không khí-nhiên liệu được hiệu chỉnh tốt sẽ duy trì tỷ lệ này trong phạm vi 2% so với mục tiêu trên toàn bộ dải bắn. Ngược lại, bộ điều khiển được hiệu chỉnh kém có thể sai lệch từ 10 đến 20%, dẫn đến tổn thất hiệu suất và lượng khí thải.
Kiểm tra và điều chỉnh hệ thống đốt hàng định kỳ hàng năm
MONTE INTELLIGENCE khuyến nghị nên bảo dưỡng định kỳ hàng năm cho tất cả các hệ thống lò sưởi khí đốt. Việc bảo dưỡng được thực hiện bởi kỹ sư dịch vụ và bao gồm: phân tích quá trình đốt cháy trên từng đầu đốt ở ba mức công suất (thấp, trung bình, cao), hiệu chuẩn bộ điều khiển tỷ lệ, kiểm tra bộ đánh lửa và que thăm lửa, và kiểm tra van điều tiết không khí và van khí. Việc bảo dưỡng mất từ 1 đến 2 ngày cho mỗi lò sưởi, và mức tiết kiệm năng lượng điển hình là từ 3 đến 8% trong 12 tháng hoạt động tiếp theo.
Chi phí bảo dưỡng sẽ được bù lại trong vòng 1 đến 3 tháng nhờ giảm chi phí nhiên liệu. Việc bảo dưỡng cũng giúp phát hiện các vấn đề về đầu đốt và hệ thống điều khiển có thể gây ra thời gian ngừng hoạt động ngoài kế hoạch nếu không được khắc phục.
Hãy liên hệ với MONTE INTELLIGENCE để được tư vấn về điều chỉnh quá trình đốt cháy.
Đối với những khách hàng quan tâm đến việc bảo dưỡng và điều chỉnh hệ thống đốt của lò sưởi khí đốt hiện có, đội ngũ kỹ sư của MONTE INTELLIGENCE có thể lên lịch hẹn dịch vụ và cung cấp báo cáo bằng văn bản kèm theo kết quả kiểm tra và các điều chỉnh được đề xuất. Truy cậpwww.cnlymonte.com/products-gas-furnace.html Để biết thông tin chi tiết về thông số kỹ thuật sản phẩm. Để yêu cầu dịch vụ kiểm tra, vui lòng gửi email đến helenxu@cnlymonte.com với tiêu đề "Kiểm tra và điều chỉnh hệ thống đốt" và cung cấp thông tin về loại lò sưởi, kiểu đầu đốt và chi phí nhiên liệu hiện tại.
