I. GIỚI THIỆU CHUNG

Các thiết bị sinh hơi, hay còn gọi là lò hơi, sử dụng nhiệt để chuyển đổi nước thành hơi nước phục vụ nhiều mục đích khác nhau. Hai ứng dụng chính là sản xuất điện năng và cung cấp nhiệt cho các quy trình công nghiệp. Hơi nước là một nguồn tài nguyên quan trọng nhờ tính phổ biến, đặc tính ưu việt và không độc hại. Lưu lượng hơi và điều kiện vận hành là những yếu tố thiết kế chính của bất kỳ lò hơi nào và có thể thay đổi đáng kể: từ 0,1 kg/s trong một số ứng dụng công nghiệp đến hơn 1260 kg/s tại các nhà máy điện lớn; từ áp suất khoảng 0,1013 MPa và nhiệt độ 100°C trong một số hệ thống sưởi đến hơn 31,03 MPa và 593°C trong các nhà máy điện chu trình tiên tiến.

Hình 1: Lò hơi trọn bộ lắp ráp tại xưởng

Việc sử dụng và xử lý nhiên liệu làm tăng thêm sự phức tạp và đa dạng của hệ thống sinh hơi. Các nhiên liệu phổ biến nhất trong lò hơi là than đá, khí tự nhiên và dầu. Tuy nhiên, năng lượng hạt nhân cũng đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực sản xuất điện. Ngoài ra, ngày càng có nhiều loại vật liệu sinh khối và sản phẩm phụ công nghiệp được sử dụng làm nguồn nhiệt để sinh hơi, bao gồm than bùn, gỗ và phế thải gỗ, bã mía, rơm, bã cà phê, vỏ ngô, chất thải mỏ than và nhiệt thải từ lò luyện thép. Ngay cả các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời cũng được ứng dụng để tạo hơi nước. Quá trình sinh hơi còn được điều chỉnh để tích hợp các chức năng như thu hồi hóa chất từ quy trình sản xuất bột giấy, giảm thể tích rác thải đô thị hoặc tiêu hủy chất thải nguy hại.

Hình 2: Lò hơi nhà máy điện đốt than công suất 1300 MW

Các thiết bị sinh hơi được thiết kế cho những nhiệm vụ này có thể dao động từ lò hơi trọn bộ (Hình 1) đến các lò hơi công suất lớn dùng để sản xuất 1300 MW điện (Hình 2). Loại đầu tiên là lò hơi đốt khí được lắp ráp sẵn tại nhà máy, hoàn toàn tự động, có thể cung cấp hơi bão hòa cho các tòa nhà lớn như bệnh viện. Trong khi đó, lò hơi công suất lớn lắp đặt tại chỗ có thể sản xuất hơn 1260 kg/s hơi nước ở áp suất 26,62 MPa và nhiệt độ 543°C. Những hệ thống như vậy, hoặc phiên bản sử dụng năng lượng hạt nhân (Hình 3), là một phần của những hệ thống kỹ thuật phức tạp và đòi hỏi cao nhất hiện nay. Các ví dụ khác minh họa sự đa dạng của hệ thống đốt bao gồm lò hơi đốt rác công suất 750 tấn/ngày (Hình 4) và lò hơi đốt tầng sôi tuần hoàn (Hình 5).

Hình 3: Hệ thống năng lượng hạt nhân  900 MW

Nhiệm vụ trung tâm của nhà thiết kế lò hơi là kết hợp khoa học cơ bản, công nghệ, dữ liệu thực nghiệm và kinh nghiệm thực tế để tạo ra một hệ thống sinh hơi đáp ứng yêu cầu cung cấp hơi nước với chi phí kinh tế nhất. Các yếu tố khác trong quá trình thiết kế bao gồm đặc tính nhiên liệu, bảo vệ môi trường, hiệu suất nhiệt, vận hành, bảo trì, chi phí vận hành, quy định pháp lý và điều kiện địa lý, thời tiết địa phương. Quá trình thiết kế đòi hỏi sự cân bằng giữa các yếu tố phức tạp và đôi khi mâu thuẫn này. Ví dụ, việc giảm khí thải như nitơ oxit (NOₓ) có thể yêu cầu thể tích lò hơi lớn hơn, làm tăng chi phí đầu tư và có thể tăng chi phí bảo trì. Hoạt động thiết kế này dựa trên nền tảng vững chắc của các ngành khoa học vật lý và nhiệt như cơ học chất rắn, nhiệt động lực học, truyền nhiệt, cơ học chất lỏng và khoa học vật liệu. Tuy nhiên, thế giới thực quá phức tạp và biến đổi, chỉ bằng cách áp dụng nghệ thuật thiết kế lò hơi để kết hợp khoa học và thực tiễn, mới có thể đạt được thiết kế kinh tế và đáng tin cậy nhất.

Hình 4:  Lò hơi đốt rác công suất 750 tấn/ngày

Thiết kế lò hơi cũng phải hướng đến việc dự đoán trước những thay đổi trên thế giới để cung cấp giải pháp tối ưu. Giá nhiên liệu dự kiến sẽ tăng trong khi nguồn cung trở nên bất ổn, đòi hỏi cải thiện hiệu suất và tính linh hoạt về nhiên liệu. Việc bảo vệ môi trường ngày càng nghiêm ngặt sẽ thúc đẩy cải tiến quá trình đốt để giảm NOₓ và tăng hiệu suất để giảm khí thải CO₂. Nhu cầu tiếp tục tăng ở nhiều khu vực, nơi tải của lò hơi có thể phải điều chỉnh lên xuống thường xuyên hơn và nhanh hơn.

Hình 5:  Lò hơi đốt tầng sôi tuần hoàn

Các công nghệ như đốt tầng sôi áp suất và hệ thống chu trình hỗn hợp khí hóa tích hợp kết hợp kiểm soát môi trường ngay trong quá trình sinh hơi để giảm phát thải và tăng hiệu suất nhiệt của nhà máy điện. Ngoài ra, việc mô-đun hóa và tiêu chuẩn hóa sẽ giúp rút ngắn thời gian chế tạo và lắp đặt, đáp ứng nhu cầu bổ sung công suất linh hoạt hơn.

II. NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA SINH HƠI NƯỚC

2.1. Quá trình sôi

Quá trình đun sôi nước để tạo hơi là hiện tượng quen thuộc. Về mặt nhiệt động lực học, thay vì tăng nhiệt độ nước, năng lượng được sử dụng để chuyển pha từ lỏng sang khí, tức là từ nước thành hơi. Một hệ thống sinh hơi cần cung cấp quá trình chuyển đổi liên tục này.

Trường hợp đơn giản nhất là lò hơi dạng nồi (Hình 6), nơi một lượng nước cố định được đun nóng. Nhiệt cung cấp làm tăng nhiệt độ nước. Khi đạt đến nhiệt độ sôi (bão hòa) tương ứng với áp suất nhất định, bọt khí bắt đầu hình thành. Nếu tiếp tục cung cấp nhiệt, nhiệt độ sẽ không đổi và hơi nước thoát ra khỏi bề mặt nước. Nếu hơi nước được liên tục thoát ra khỏi bình, nhiệt độ sẽ giữ nguyên cho đến khi toàn bộ nước bay hơi hết. Tại thời điểm này, việc tiếp tục cung cấp nhiệt sẽ làm tăng nhiệt độ của nồi và hơi nước còn lại trong bình. Để duy trì quá trình liên tục, chỉ cần cung cấp nước vào bình một cách điều tiết sao cho bằng lượng hơi thoát ra.

Hình 6: Lò hơi dạng nồi đơn giản

Các yếu tố kỹ thuật và kinh tế chỉ ra rằng cách hiệu quả nhất để sản xuất hơi nước áp suất cao là đun nóng các ống có đường kính nhỏ chứa dòng nước chảy liên tục. Dù nguồn năng lượng là hạt nhân hay nhiên liệu hóa thạch, có hai hệ thống sôi khác biệt được sử dụng: hệ thống có bao hơi (Hình 7a) – nơi phân tách hơi-nước cố định, và hệ thống không có bình chứa (Hình 7b) – gọi là lò hơi trực lưu (OTSG).

Hình 7: Quá trình sôi trong cấu trúc ống

Hệ thống phổ biến và dễ kiểm soát nhất là hệ thống có bao hơi. Trong hệ thống này, bình chứa đóng vai trò là điểm phân tách hơi khỏi nước trong toàn bộ dải tải của lò. Nước chưa sôi (dưới nhiệt độ sôi) đi vào ống được cung cấp nhiệt. Khi nước chảy qua ống, nó được đun nóng đến điểm sôi, bọt khí hình thành và hơi ẩm được tạo ra. Trong hầu hết các lò hơi, hỗn hợp hơi-nước rời khỏi ống và đi vào bình chứa hơi, nơi hơi được tách khỏi nước. Phần nước còn lại sau đó được trộn với nước bổ sung và quay trở lại ống được đun nóng.

Đối với hệ thống trực lưu không có bao hơi, nước chưa sôi cũng đi vào ống được cung cấp nhiệt, nhưng nước chảy sẽ chuyển thành hơi ở một điểm nào đó dọc theo đường ống, phụ thuộc vào lưu lượng nước (tải của lò) và tốc độ cung cấp nhiệt. Như minh họa trong Hình 7b, lưu lượng và nhiệt cung cấp được kiểm soát và phối hợp chặt chẽ để toàn bộ nước bay hơi và chỉ có hơi thoát ra khỏi ống. Do đó, không cần bao hơi (điểm phân tách hơi-nước cố định).

2.2. Tuần hoàn

Đối với cả hai loại hệ thống sôi đã mô tả ở trên, nước phải liên tục đi qua (tuần hoàn qua) các ống để hệ thống có thể sinh hơi liên tục. Đối với lò hơi trực lưu (OTSG), nước chỉ đi qua ống một lần trước khi trở thành hơi và được đưa đến tuabin-phát điện. Tuy nhiên, đối với những lò hơi có điểm phân tách hơi-nước cố định (bao hơi), một phân tử nước có thể tuần hoàn nhiều lần trước khi thoát ra dưới dạng hơi để đi đến tuabin-phát điện. Các phương án tuần hoàn của hệ thống này được thể hiện trong Hình 8.

Hình 8: Hệ thống tuần hoàn đơn giản