CẤU TẠO LÒ HƠI CÔNG NGHIỆP VÀ VẬT LIỆU CHỊU NHIỆT TRONG BUỒNG ĐỐT

Cấu tạo lò hơi công nghiệp quyết định hiệu suất sinh hơi, độ an toàn và tuổi thọ vận hành. Bài viết trình bày chi tiết các bộ phận chính, vai trò kỹ thuật và lựa chọn vật liệu chịu nhiệt phù hợp, đặc biệt trong môi trường vận hành liên tục tại nhà máy và khu công nghiệp.

1. Giới thiệu chung về cấu tạo lò hơi công nghiệp

Lò hơi công nghiệp là thiết bị chuyển đổi năng lượng từ nhiên liệu (than, biomass, dầu FO, DO, khí tự nhiên…) thành hơi nước bão hòa hoặc hơi quá nhiệt phục vụ sản xuất.

Một hệ thống tiêu chuẩn gồm các nhóm chính:

• Buồng đốt
• Ống sinh hơi và dàn trao đổi nhiệt
• Bộ thu hồi nhiệt (economizer, air preheater)
• Quạt gió, bơm nước cấp
• Hệ thống điều khiển tự động (PLC/HMI)

Tùy theo cấu trúc, cấu tạo lò hơi công nghiệp được chia thành 3 loại: lò ống lửa, lò ống nước, lò tầng sôi tuần hoàn (CFB).

2. Buồng đốt – trung tâm sinh công nhiệt

Buồng đốt là khu vực xảy ra quá trình oxy hóa nhiên liệu. Đây là bộ phận chịu nhiệt khắc nghiệt nhất với nhiệt độ có thể lên đến 1200–1500°C.

Tùy cấu trúc, buồng đốt có thể:

• Dạng hình trụ (lò ống lửa)
• Dạng hộp vuông (lò ống nước)
• Dạng tầng sôi sục khí (CFB)

Trong thiết kế hiện đại, các mặt trong buồng đốt được ốp gạch chịu lửa hoặc đổ bê tông cách nhiệt.
Một số thông số vận hành điển hình:

• Nhiệt độ buồng đốt: 1100–1300°C
• Tải nhiệt vùng hồng ngoại: 250–450 kW/m²
• Áp suất vận hành: 8–45 bar
• Hiệu suất đốt: ≥ 90%

3. Ống sinh hơi – nơi trao đổi nhiệt trực tiếp

Ống sinh hơi là bộ phận hấp thụ nhiệt từ khí cháy và chuyển hóa nước cấp thành hơi. Hệ thống ống được bố trí dọc theo các vùng dẫn khí nóng và chia thành:

• Ống hấp thụ nhiệt trực tiếp: bố trí sát buồng đốt
• Ống bức xạ – đối lưu: bố trí trong dàn ống lửa hoặc giàn treo

Vật liệu chế tạo thường dùng là:

• Thép carbon ASTM A179, A192
• Inox 304/316 (nhiệt độ cao >500°C)
• Thép hợp kim chứa Cr-Mo cho lò áp lực cao

Thông số kỹ thuật điển hình:

• Đường kính ngoài ống: 38–76 mm
• Độ dày: 3–6 mm
• Tốc độ nước: 1.5–2.2 m/s
• Nhiệt độ hơi đầu ra: 180–450°C

Hiệu suất truyền nhiệt phụ thuộc lớn vào thiết kế giàn ống sinh hơi và tốc độ dòng nước đối lưu.

4. Giàn ống lửa – cấu trúc dẫn khí nóng

Trong lò ống lửa và lò hỗn hợp, giàn ống lửa là nơi dẫn luồng khí nóng từ buồng đốt ra ống khói. Khí nóng truyền nhiệt cho nước bao quanh ống lửa (fire-tube) hoặc ống nước (water-tube).

Cấu tạo lò hơi công nghiệp loại ống lửa thường gồm:

• Một hoặc nhiều pass ống lửa
• Đầu ống được hàn vào mặt bích buồng đốt
• Luồng khí chuyển hướng qua các pass để tận dụng nhiệt tối đa

Thông số thiết kế phổ biến:

• Nhiệt độ khí cháy đầu vào: 900–1100°C
• Diện tích trao đổi nhiệt: 30–120 m²
• Hệ số truyền nhiệt tổng: 70–110 W/m².K
• Tổn thất khí thải: < 12% nhiệt lượng đầu vào

Giàn ống lửa nếu bị bám muội than sẽ giảm hiệu suất đến 8–10%, do đó cần vệ sinh định kỳ.

5. Vật liệu chịu nhiệt trong buồng đốt

Gạch chịu lửa là lớp bảo vệ nhiệt quan trọng nhất trong cấu tạo buồng đốt. Tùy theo loại nhiên liệu và nhiệt độ thiết kế, các loại vật liệu thường được sử dụng gồm:

Gạch chịu lửa cao nhôm (Al₂O₃ 45–80%)

• Nhiệt độ làm việc: 1400–1700°C
• Ứng dụng: lò tầng sôi, lò đốt sinh khối

Gạch cách nhiệt nhẹ

• Khối lượng riêng thấp: 0.6–1.2 g/cm³
• Hệ số dẫn nhiệt: 0.12–0.18 W/m.K
• Ứng dụng: lớp ngoài buồng đốt, hạn chế mất nhiệt

Bê tông chịu lửa đổ tại chỗ

• Chịu sốc nhiệt tốt, bám dính cao
• Dùng cho khu vực có dòng khí vận tốc cao
• Tuổi thọ 2–3 năm nếu thi công đúng kỹ thuật

Việc lựa chọn gạch chịu lửa phù hợp quyết định đến tuổi thọ buồng đốt, an toàn vận hành và chi phí bảo trì dài hạn.

6. Bộ thu hồi nhiệt – tăng hiệu suất toàn hệ thống

Trong cấu tạo lò hơi công nghiệp, bộ thu hồi nhiệt (economizer và air preheater) giúp tận dụng phần nhiệt còn lại từ khí thải để nâng cao hiệu suất đốt tổng thể.

Economizer:

• Tận dụng nhiệt từ khí thải để gia nhiệt nước cấp trước khi vào ống sinh hơi
• Làm từ ống thép carbon, sắp xếp theo kiểu chùm xoắn hoặc ống trơn
• Nhiệt độ khí thải đầu vào: 280–400°C
• Tăng nhiệt nước cấp từ 60°C → 110°C
• Giảm tiêu hao nhiên liệu 5–8%

Air preheater:

• Dùng để làm nóng không khí cấp trước khi vào buồng đốt
• Giúp cải thiện quá trình cháy, giảm CO và muội
• Có thể là dạng ống ống (tubular) hoặc dạng tấm xoay (rotary)

Bộ thu hồi nhiệt đóng vai trò quan trọng trong tối ưu hóa hiệu suất nhiệt tổng thể (ηthermal ≥ 88%) và giảm phát thải.

7. Hệ thống điều khiển và an toàn tích hợp

Hệ thống điều khiển tự động đóng vai trò giám sát và duy trì ổn định các thông số chính như áp suất, nhiệt độ, mức nước, tốc độ quạt và bơm.

Thành phần chính bao gồm:

• PLC công nghiệp (Siemens, Schneider, Omron)
• HMI cảm ứng điều khiển tại chỗ
• Bộ cảm biến: áp suất, lưu lượng, nhiệt độ, mức nước
• Rơ-le an toàn: overpressure, low water cut-off, flame detector

Chức năng an toàn bắt buộc:

• Dừng lò khi mất áp suất hoặc mực nước thấp
• Dừng lò khi mất lửa đột ngột
• Cảnh báo nhiệt độ khí thải vượt ngưỡng
• Khóa liên động quạt và bộ cấp liệu

Việc tích hợp điều khiển tự động hóa giúp duy trì hiệu suất đốt ổn định, giảm lỗi vận hành và kéo dài tuổi thọ toàn bộ hệ thống.

8. So sánh cấu tạo lò hơi theo từng loại thiết kế

Lò hơi ống lửa (Fire-Tube Boiler):

• Dễ lắp đặt, vận hành đơn giản
• Áp suất thiết kế: 6–16 bar
• Giàn ống lửa đóng vai trò chính trong truyền nhiệt
• Phù hợp nhà máy quy mô nhỏ, nồi hơi ≤ 10 T/h

Lò hơi ống nước (Water-Tube Boiler):

• Cho phép áp suất cao (16–45 bar), công suất lớn >20 T/h
• Có hệ thống ống sinh hơi dày đặc và diện tích truyền nhiệt lớn
• Buồng đốt thiết kế biệt lập, lót gạch chịu lửa
• Thường dùng trong nhà máy thực phẩm, hóa chất, điện

Lò hơi tầng sôi tuần hoàn (CFB):

• Nhiệt độ buồng đốt đồng đều 850–900°C
• Có thể đốt nhiều loại nhiên liệu rắn (than, trấu, mùn cưa)
• Hệ thống hồi lưu tro – khí phức tạp
• Cần lớp vật liệu chịu nhiệt cao cấp và bền sốc nhiệt

Tùy theo ứng dụng và nhu cầu vận hành, doanh nghiệp cần chọn cấu hình lò và cấu tạo lò hơi công nghiệp phù hợp nhất.

9. Ba thương hiệu cung cấp thiết bị lò hơi tiêu biểu theo phân khúc

Phân khúc cao cấp – Bosch Thermotechnology (Đức)

• Lò hơi ống lửa UL-S, U-MB hiệu suất lên tới 95%
• PLC Siemens S7-1500 tích hợp SCADA
• Hệ thống economizer – preheater đồng bộ
• Tuân thủ tiêu chuẩn EN 12953, CE, PED

Phân khúc trung cấp – Miura (Nhật Bản)

• Lò hơi loại ống nước dạng module, công suất 0.5–3 T/h
• Thời gian khởi động nhanh, tiết kiệm nhiên liệu
• Thiết kế thân thiện môi trường, phát thải thấp
• Hệ điều khiển Miura MI Smart Series tự động hoàn toàn

Phân khúc phổ thông – Taijune Boiler (Đài Loan)

• Cung cấp lò ống lửa, lò dầu tải nhiệt, lò tầng sôi
• Giá thành cạnh tranh, dễ vận hành – bảo trì
• Giao diện điều khiển đơn giản, phù hợp nhà máy vừa và nhỏ
• Có thể tùy chỉnh lắp đặt theo yêu cầu không gian

10. Tại sao chọn ETEK cho dự án lò hơi công nghiệp

10.1 Năng lực triển khai nhiều ngành – nhiều khu vực

ETEK là đối tác tích hợp hệ thống nhiệt chuyên sâu cho các nhà máy tại Việt Nam, đồng thời có khả năng triển khai dự án tại nước ngoài như khu vực Đông Nam Á, Trung Đông và châu Phi.

Chúng tôi đã thực hiện hàng chục dự án lò hơi công nghiệp cho:

• Nhà máy thực phẩm, đồ uống, dược phẩm
• Nhà máy sản xuất gỗ, bao bì, cao su
• Trung tâm năng lượng và xử lý chất thải công nghiệp

ETEK hiểu rõ từng yêu cầu kỹ thuật của các loại lò hơi ống lửa, ống nước và tầng sôi, từ thiết kế layout đường ống – khí – điện cho đến xử lý tro xỉ và tích hợp hệ thống điều khiển PLC/SCADA.

10.2 Tư vấn thiết kế tối ưu – đồng bộ toàn hệ thống

ETEK cung cấp dịch vụ “turnkey” từ:

• Khảo sát thực địa – mô phỏng nhu cầu hơi
• Tư vấn lựa chọn cấu hình cấu tạo lò hơi công nghiệp phù hợp
• Thiết kế kỹ thuật – kết nối hệ thống cấp nhiên liệu, xử lý khí thải
• Gia công cơ khí và lắp đặt tại chỗ

Hệ thống lò hơi do ETEK cung cấp luôn tích hợp:

• Bộ thu hồi nhiệt hiệu suất cao
• Lớp gạch chịu lửa đúng chủng loại, thi công tiêu chuẩn
• Hệ thống cấp liệu tự động, bảo vệ liên động đầy đủ

Các giải pháp thiết kế của chúng tôi đều tuân thủ tiêu chuẩn ASME, EN 12952, API RP 556 và hướng tới hiệu suất tổng thể >90%.

10.3 Vận hành – bảo trì chuyên sâu – linh kiện sẵn kho

ETEK cung cấp gói O&M trọn gói cho lò hơi:

• Theo dõi nhiệt độ khí thải, áp suất hơi, tốc độ bơm/quạt
• Kiểm tra định kỳ lớp vật liệu chịu nhiệt: nứt gạch, rạn bê tông chịu lửa
• Vệ sinh ống sinh hơi, giàn ống lửa, xử lý cáu cặn

Đội ngũ kỹ thuật 24/7, hỗ trợ tận nơi trong vòng:

• 24 giờ với khu vực Việt Nam
• 72 giờ cho khu vực Đông Nam Á

Chúng tôi luôn sẵn kho:

• Gạch cao nhôm, cách nhiệt, bê tông chịu lửa
• Ống thép A179, A192, phụ kiện nối ống chịu áp
• Cảm biến áp suất – nhiệt độ, bộ điều khiển PLC Siemens
• Quạt gió, motor, bơm cấp, bộ lọc muội

11. Kết luận và bảng tổng hợp

Việc hiểu rõ cấu tạo lò hơi công nghiệp và lựa chọn vật liệu chịu nhiệt trong buồng đốt là yếu tố then chốt để đảm bảo hiệu suất ổn định, tiết kiệm nhiên liệu và an toàn vận hành dài hạn.

Với kinh nghiệm triển khai hàng trăm hệ thống, ETEK cam kết là đối tác đáng tin cậy để đồng hành cùng doanh nghiệp từ thiết kế, lắp đặt đến bảo trì lò hơi công nghiệp đạt chuẩn quốc tế.

Bài viết liên quan:

• Sửa chữa lò hơi công nghiệp khi hư hỏng hệ thống cấp liệu

• Lò hơi công nghiệp tầng sôi và ứng dụng thực tế

• Tư vấn các loại lò hơi

• Thị trường quốc tế