Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ tư, nhu cầu tiêu thụ điện năng phục vụ sinh hoạt và sản xuất gia tăng nhanh chóng, dẫn đến tình trạng thiếu hụt điện năng cục bộ vào các khung giờ cao điểm tại Việt Nam cũng như trên phạm vi toàn cầu. Nhằm bù đắp sản lượng điện thiếu hụt, các nhà máy nhiệt điện đốt than buộc phải gia tăng huy động, kéo theo sự gia tăng tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch và làm trầm trọng thêm mức phát thải khí nhà kính ($CO_2$). Song hành với tốc độ đô thị hóa và xây dựng cơ sở hạ tầng, ngành sản xuất vật liệu xây dựng, đặc biệt là công nghiệp sản xuất xi măng, phát triển mạnh mẽ với quy mô công suất và sản lượng lớn.

Sản xuất xi măng là một trong những ngành công nghiệp tiêu thụ năng lượng lớn nhất. Để sản xuất một tấn clinker theo công nghệ lò nung tiên tiến, hệ thống tiêu tốn từ 90 đến 100 kWh điện năng và 3 đến 5 GJ nhiệt năng. Đồng thời, quá trình nung clinker phát sinh từ 2.500 đến 2.800 $m^3$ khí thải ở nhiệt độ cao (khoảng 300°C – 380°C) cho mỗi tấn sản phẩm, đi kèm nồng độ bụi trung bình khoảng 50 $mg/Nm^3$. Lượng khí thải và nhiệt dư này xả thẳng ra môi trường không chỉ gây ô nhiễm không khí mà còn làm lãng phí khoảng 26% tổng nhiệt lượng cấp vào lò nung. Do đó, việc ứng dụng hệ thống đồng phát và thu hồi nhiệt thải (Waste Heat Recovery - WHR / Combined Heat and Power - CHP) để sản xuất điện tự dùng là yêu cầu cấp thiết nhằm cắt giảm chi phí sản xuất, giảm tải áp lực cho hệ thống điện quốc gia và giảm thiểu phát thải $CO_2$.

Đồ án môn học "Lựa chọn hệ thống đồng phát và thu hồi nhiệt xả thải trong nhà máy xi măng" do sinh viên Trần Thanh Lương (ngành Kỹ thuật năng lượng, Trường Đại học Công nghệ – Đại học Quốc gia Hà Nội) thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Phạm Đức Hạnh, tập trung giải quyết các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu sau:

  1. Mục tiêu nghiên cứu tổng quát: Dựa trên sản lượng và đặc tính nguồn nhiệt xả thải của nhà máy xi măng để tính toán, lựa chọn công nghệ và xác định quy mô công suất phù hợp cho hệ thống đồng phát và thu hồi nhiệt thải; đánh giá khả năng đáp ứng nhu cầu điện tự dùng (tiềm năng từ 20% đến 30%), hiệu suất năng lượng, mức độ suy giảm phát thải môi trường và hiệu quả kinh tế của dự án.
  2. Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:
    • Đánh giá tổng quan về công nghệ đồng phát (CHP), đồng phát ba chức năng (Trigeneration) và các hệ thống thu hồi nhiệt thải công nghiệp; nhận diện các rào cản kỹ thuật, kinh tế và thể chế khi áp dụng công nghệ này.
    • Khảo sát thực trạng tiêu thụ năng lượng, cơ cấu phát thải khí nhà kính của ngành xi măng Việt Nam và phân tích các nguồn nhiệt xả thải tiềm năng tại các vị trí tháp trao đổi nhiệt (SP) và thiết bị làm nguội clinker (AQC).
    • Nghiên cứu so sánh các chu trình nhiệt động lực học (chu trình Rankine hơi - SRC, chu trình Rankine hữu cơ - ORC, chu trình Kalina) và các thiết bị trao đổi nhiệt chuyên dụng (bộ sấy sơ bộ không khí, bộ tiết kiệm, thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm, ống nhiệt heat pipe, lò hơi thu hồi nhiệt HRSG).
    • Thiết lập mô hình hóa chu trình thu hồi nhiệt và phát điện cho nhà máy xi măng quy mô 2 dây chuyền; xây dựng hệ thống phương trình cân bằng nhiệt lượng, phân tích exergy, đánh giá phát thải môi trường và phân tích các chỉ số tài chính kinh tế kỹ thuật.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống đồng phát và thu hồi nhiệt khí thải phát điện (WHR) sử dụng thiết bị thu hồi nhiệt tạo hơi nước kết hợp tuabin hơi trong nhà máy sản xuất xi măng lò quay phương pháp khô.
  • Phạm vi không gian: Khảo sát các nhà máy sản xuất xi măng tại Việt Nam, tập trung phân tích số liệu công nghệ thực tế tại các nhà máy điển hình như Xi măng La Hiên, Xi măng Thành Thắng, Xi măng Xuân Thành và Vicem Bút Sơn.
  • Phạm vi thời gian và chính sách: Dữ liệu sản xuất và tiêu thụ năng lượng giai đoạn 2015 – 2020; bám sát định hướng của Quyết định số 56/QĐ-TTg ngày 18/8/2020 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Chiến lược phát triển vật liệu xây dựng Việt Nam thời kỳ 2021 – 2030, định hướng đến năm 2050.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình sử dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên các nguyên lý nhiệt động lực học kỹ thuật và truyền nhiệt:

  • Định luật thứ nhất và thứ hai của nhiệt động lực học: Sử dụng để phân tích định lượng dòng nhiệt trao đổi và đánh giá chất lượng năng lượng thông qua phân tích tổn thất exergy ($Ex_{dest}$) trong từng phần tử thiết bị.
  • Khái niệm công nghệ kết hợp nhiệt và điện (CHP): Quá trình chuyển hóa năng lượng nhiên liệu sơ cấp thành đồng thời điện năng và nhiệt năng hữu ích, nâng cao hiệu suất sử dụng nhiên liệu tổng thể lên khoảng 76% (so với 49% của hệ thống sản xuất điện và nhiệt riêng rẽ). Mở rộng sang hệ thống đồng phát ba chức năng (Trigeneration) khi kết hợp thêm máy lạnh hấp thụ.
  • Phân loại nguồn nhiệt xả thải (WHR): Chia thành 3 dải nhiệt độ: nhiệt độ cao (> 400°C), nhiệt độ trung bình (100°C – 400°C) và nhiệt độ thấp (< 100°C). Nhiệt lượng dòng khí thải được xác định theo công thức: $$Q = V \times \rho \times C_p \times \Delta T$$ Trong đó: $Q$ là nhiệt dung dòng khí (J), $V$ là lưu lượng thể tích ($m^3/s$), $\rho$ là khối lượng riêng ($kg/m^3$), $C_p$ là nhiệt dung riêng ở áp suất không đổi ($J/kg \cdot K$), và $\Delta T$ là hiệu số nhiệt độ của môi chất (K).
  • Các chu trình nhiệt động chuyển hóa nhiệt - điện:
    • Chu trình Rankine hơi nước (Steam Rankine Cycle - SRC): Ứng dụng phổ biến cho nguồn nhiệt khí thải nhiệt độ cao (> 500°C, thường từ 650°C – 700°C).
    • Chu trình Rankine hữu cơ (Organic Rankine Cycle - ORC): Hoạt động theo nguyên lý Clausius-Rankine nhưng sử dụng môi chất hữu cơ có khối lượng phân tử cao, nhiệt độ sôi và áp suất tới hạn thấp, tối ưu cho dải nhiệt thải trung bình và thấp (< 400°C).
    • Chu trình Kalina: Biến thể của chu trình Rankine sử dụng hỗn hợp hai cấu tử nước và amoniac ($H_2O - NH_3$), có nhiệt độ sôi thay đổi trong quá trình bay hơi, giúp giảm thiểu tổn thất truyền nhiệt tại thiết bị bay hơi và bình ngưng tụ.
  • Cơ sở tính toán lò hơi thu hồi nhiệt (HRSG): Dựa trên việc xác định hai thông số điều khiển quan trọng là điểm chốt (Pinch point - chênh lệch giữa nhiệt độ khí ra khỏi dàn bay hơi và nhiệt độ bão hòa của môi chất) và điểm tiếp cận (Approach point - chênh lệch giữa nhiệt độ bão hòa và nhiệt độ chất lỏng vào dàn bay hơi), với giá trị thiết kế kinh tế nằm trong dải từ 10°C đến 15°C.

Khung pháp lý

Đồ án viện dẫn và căn cứ vào Quyết định số 56/QĐ-TTg ngày 18/8/2020 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Chiến lược phát triển vật liệu xây dựng Việt Nam thời kỳ 2021 – 2030, định hướng đến năm 2050. Quyết định đặt ra mục tiêu bắt buộc: đến hết năm 2025, 100% các dây chuyền sản xuất clinker xi măng có công suất thiết kế từ 2.500 tấn clinker/ngày trở lên phải hoàn thành lắp đặt và vận hành hệ thống phát điện tận dụng nhiệt khí thải.

Phương pháp nghiên cứu

Tác giả kết hợp đồng bộ các phương pháp nghiên cứu kỹ thuật năng lượng:

  1. Phương pháp thống kê, phân tích và tổng hợp dữ liệu: Khảo sát hiện trạng tiêu thụ điện, than, phát thải khí nhà kính và công nghệ sản xuất của ngành xi măng Việt Nam và quốc tế; thu thập thông số kỹ thuật thực tế từ các nhà máy xi măng đang vận hành.
  2. Phương pháp cân bằng nhiệt và năng lượng (Energy Balance): Lập hệ phương trình bảo toàn năng lượng cho từng thiết bị trao đổi nhiệt thuộc hai nhóm lò hơi AQC (thu hồi nhiệt khí thải làm mát clinker) và SP (thu hồi nhiệt tháp trao đổi nhiệt sơ bộ), xác định entanpi ($h$), lưu lượng khối lượng ($\dot{m}$) và công suất phát điện của tuabin hơi.
  3. Phương pháp phân tích Exergy (Exergy Analysis): Đánh giá mức độ suy thoái chất lượng năng lượng và tốc độ phá hủy exergy ($\sum Ex_{dest}$) trong các thiết bị: tuabin, máy bơm, bình ngưng, bộ quá nhiệt (SH), thiết bị bay hơi (Eva), bộ tiết kiệm (Eco) và bộ xả khí (Dea).
  4. Phương pháp đánh giá môi trường: Tính toán khối lượng phát thải $CO_2$ gián tiếp giảm thiểu được khi thay thế điện lưới quốc gia bằng nguồn điện tự phát từ nhiệt thải, gắn với hàm chi phí phạt phát thải.
  5. Phương pháp phân tích kinh tế kỹ thuật: Sử dụng các chỉ số tài chính động bao gồm Chi phí hàng năm đồng nhất tương đương (EUAC), Lợi ích tương đối hàng năm (RAB), Giá trị hiện tại ròng (NPW) và xác định thời gian hoàn vốn đầu tư ($p$).

Nguồn dữ liệu

  • Số liệu sản xuất, công suất thiết kế và xuất nhập khẩu của Hiệp hội Xi măng Việt Nam (VNCA, 2018).
  • Số liệu tiêu thụ năng lượng quốc gia từ Báo cáo Thống kê Năng lượng Việt Nam năm 2015.
  • Dữ liệu kiểm kê phát thải khí nhà kính từ Báo cáo cập nhật hai năm một lần lần thứ 2 của Việt Nam gửi UNFCCC (2nd BUR, 2013).
  • Dữ liệu công nghệ giảm phát thải từ Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA, 2009).
  • Báo cáo kỹ thuật và thực nghiệm của các tổ chức/hãng thiết bị: Tổ chức châu Âu về Hiệu quả năng lượng, Spirax Sarco, Maxxtec.
  • Dữ liệu vận hành thực tế tại các nhà máy: Dây chuyền 2 & 3 Xi măng Thành Thắng, Xi măng Xuân Thành, Xi măng La Hiên và Vicem Bút Sơn.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về hệ thống đồng phát và thu hồi nhiệt xả thải

Chương này tập trung làm rõ các khái niệm nền tảng, phân tích lợi ích, nhận diện các rào cản triển khai hệ thống đồng phát (CHP) và thu hồi nhiệt thải (WHR) trên thế giới và tại Việt Nam:

  • Khái niệm và hiệu suất CHP: CHP là công nghệ kết hợp nhiệt và điện từ một nguồn nhiên liệu duy nhất. Các nhà máy điện truyền thống thường chỉ đạt hiệu suất biến đổi điện năng khoảng 30%, phần nhiệt dư bị xả bỏ qua tháp làm mát hoặc ống khói. Trong khi đó, hệ thống CHP có thể nâng tổng hiệu suất sử dụng năng lượng lên mức 76% (so với 49% khi sản xuất điện và nhiệt riêng biệt). Mặc dù chi phí đầu tư xây dựng nhà máy CHP cao hơn từ 10% đến 25% so với nhà máy điện thông thường, công nghệ này giúp tiết kiệm đáng kể năng lượng sơ cấp. Hệ thống đồng phát ba chức năng (Trigeneration) mở rộng sản xuất đồng thời điện, nhiệt sưởi ấm và nước lạnh làm mát nhờ tích hợp máy lạnh hấp thụ.
  • Lợi ích đa mục tiêu:
    • Môi trường: Giảm tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch, giảm phát thải khí nhà kính $CO_2$ và giảm tổn thất truyền tải trên lưới điện quốc gia nhờ cung cấp điện tại chỗ.
    • Tài chính: Cắt giảm chi phí mua điện lưới, giảm chi phí đầu tư nâng cấp đường dây truyền tải, tạo nguồn thu bổ sung từ việc bán điện dư hoặc bán nhiệt thương phẩm.
    • Vận hành: Tăng hiệu quả năng lượng tổng thể, giảm tải công suất cho hệ thống lò hơi đốt trực tiếp và giảm gánh nặng làm mát của tháp giải nhiệt (giảm lưu lượng nước tuần hoàn, quạt gió và hóa chất xử lý nước).
  • Rào cản triển khai: Đồ án chỉ ra các rào cản lớn gồm: biến động giá mua nhiên liệu hóa thạch; tính cạnh tranh thấp tại các khu vực có giá bán điện lưới rẻ; suất vốn đầu tư ban đầu cao; nhu cầu nhiệt sưởi ấm mang tính mùa vụ ngắn hạn; khung chính sách hỗ trợ và cơ sở hạ tầng kỹ thuật chưa đồng bộ; nhận thức của doanh nghiệp còn hạn chế.
  • Tiềm năng thu hồi nhiệt thải công nghiệp: Khoảng 20% đến 50% năng lượng tiêu thụ công nghiệp bị xả thải dưới dạng nhiệt. Toàn cầu lãng phí khoảng 4.000 TWh nhiệt mỗi năm, tương đương mức phát thải 2.800 triệu tấn $CO_2$. Theo Tổ chức châu Âu về Hiệu quả năng lượng, tiềm năng thu hồi nhiệt thải công nghiệp có thể cắt giảm 250 triệu tấn $CO_2$/năm.
  • Thực tiễn ngành sản xuất xi măng: Ngành xi măng tiêu thụ khoảng 75% nhiệt năng và 25% điện năng; 26% nhiệt lượng đầu vào bị thất thoát qua đối lưu, bức xạ, khói lò và ghi làm nguội clinker. Trên thế giới đã có hơn 850 nhà máy lắp đặt hệ thống WHR, trong đó riêng Trung Quốc chiếm 739 nhà máy (chủ yếu sử dụng chu trình Rankine hơi nước cổ điển). Tại Việt Nam, nhiều doanh nghiệp tiên phong đã thu được hiệu quả rõ rệt:
    • Tập đoàn Xi măng Thành Thắng: Năm 2017 lắp đặt trạm phát điện nhiệt dư công suất 7,5 MW tại dây chuyền 2; năm 2019 tiếp tục lắp đặt trạm 7,5 MW tại dây chuyền 3. Cả hai hệ thống vận hành đạt 100% công suất thiết kế, sản xuất khoảng 160 triệu kWh/năm, giá trị sản lượng điện năm 2020 đạt 190 tỷ đồng.
    • Công ty CP Xi măng Xuân Thành: Năm 2020 sản xuất 160 triệu kWh điện từ nhiệt dư, tự đáp ứng trên 30% tổng nhu cầu điện năng của toàn bộ nhà máy.
    • Vicem Bút Sơn: Đang triển khai dự án phát điện nhiệt dư công suất 12 MW theo định hướng của Quyết định 56/QĐ-TTg.

Chương 2. Tổng quan về nhà máy xi măng và nguồn nhiệt xả thải

Chương 2 đi sâu phân tích đặc thù công nghệ sản xuất, cơ cấu tiêu thụ năng lượng và kiểm kê các dòng nhiệt xả thải trong công nghiệp xi măng Việt Nam:

  • Hiện trạng ngành xi măng Việt Nam: Hình thành từ năm 1899 tại Hải Phòng. Tính đến năm 2017, toàn quốc có 84 dây chuyền lò quay clinker, đóng góp 2% GDP và 6% giá trị sản lượng công nghiệp cả nước. Tổng công suất lắp đặt clinker đạt 268.650 tấn/ngày; tổng sản lượng xi măng đạt khoảng 85,2 triệu tấn (70% tiêu thụ nội địa, 30% xuất khẩu sang các thị trường chính như Bangladesh - chiếm 50% xuất khẩu, Philippines, Trung Quốc, Đài Loan).
  • Cơ cấu tiêu thụ năng lượng và phát thải:
    • Năm 2015, ngành xi măng tiêu thụ 12,8% tổng lượng than và gần 5% tổng điện năng của toàn ngành công nghiệp Việt Nam.
    • Tổng phát thải khí nhà kính của ngành xi măng khoảng 46 triệu tấn $CO_2$ tđ (chiếm 15,68% tổng phát thải quốc gia), bao gồm 28 triệu tấn phát thải từ phản sinh hóa nung phân hủy đá vôi ($CaCO_3 \xrightarrow{t^o} CaO + CO_2$) và 18 triệu tấn phát thải từ quá trình đốt nhiên liệu than và tiêu thụ điện lưới.
  • Quy trình sản xuất và nguồn nhiệt thải: Quy trình sản xuất gồm 3 công đoạn chính: (1) Chuẩn bị nguyên, nhiên liệu; (2) Nung luyện clinker; (3) Nghiền và đóng bao xi măng. Trong đó, công đoạn nung clinker tiêu thụ tới 80% tổng năng lượng của nhà máy.
    • Khí thoát ra từ tháp trao đổi nhiệt sơ bộ (Suspension Preheater - SP): nhiệt độ dao động từ 300°C – 350°C (đối với tháp sấy sơ bộ 4 tầng xyclon) hoặc 200°C – 300°C (đối với tháp 5 – 6 tầng xyclon).
    • Khí nóng từ thiết bị làm nguội clinker (Air Quenching Cooler - AQC): clinker rời lò quay ở nhiệt độ khoảng 1.000°C được làm lạnh nhanh xuống 100°C – 120°C bằng không khí, tạo ra lượng lớn khí nóng dư thừa ở nhiệt độ 200°C – 300°C.
    • Định mức phát điện: Việc thu hồi nhiệt từ hai nguồn SP và AQC có thể tạo ra 25 – 27 kWh điện cho mỗi tấn clinker đối với dây chuyền hiện đại, và có thể đạt tới 36 – 40 kWh/tấn clinker đối với các dây chuyền cũ có tổn thất nhiệt lớn hơn.
  • Dữ liệu thực tế tại Nhà máy Xi măng La Hiên: Nhà máy vận hành 4 dây chuyền sản xuất, tiêu thụ bình quân hàng năm 111,85 triệu kWh điện và 135.774 tấn than. Dây chuyền sản xuất clinker lò quay phương pháp khô công suất 800 tấn clinker/ngày có lưu lượng khí tháp trao đổi nhiệt đạt 51.500 $Nm^3/h$ (ở nhiệt độ 330°C cần làm mát xuống 120°C); dây chuyền số 4 có lưu lượng khí tháp đạt 103.000 $Nm^3/h$. Khí dư máy làm nguội clinker có nhiệt độ 300°C – 310°C cần làm mát xuống 220°C. Cơ cấu phụ tải điện cho thấy các trạm nghiền (nghiền nguyên liệu, nghiền xi măng) kết hợp cùng hệ thống lò nung chiếm hơn 90% tổng điện năng tiêu thụ toàn nhà máy.

Chương 3. Tính toán, lựa chọn hệ thống đồng phát và hệ thống thu hồi nhiệt xả thải cho nhà máy xi măng

Chương 3 trình bày các nội dung tính toán kỹ thuật trọng tâm của đồ án:

                                                                                 [ Bình ngưng ]
                                                                                 [ Bơm tuần hoàn ]
  • Lựa chọn chu trình nhiệt động lực học: So sánh đặc tính ba chu trình:
    • Chu trình Rankine hơi nước (SRC): Yêu cầu nhiệt độ khí thải cao (> 500°C). Khi áp dụng ở dải nhiệt thấp, áp suất hơi thấp dẫn đến thể tích riêng lớn, đòi hỏi kích thước tuabin và đường ống cồng kềnh, độ ẩm cuối quá trình giãn nở cao dễ gây ăn mòn cánh tuabin.
    • Chu trình Rankine hữu cơ (ORC): Sử dụng môi chất hữu cơ có khối lượng phân tử lớn, nhiệt dung riêng và nhiệt hóa hơi thấp, áp suất hơi bão hòa cao ở nhiệt độ thấp. Chu trình này cho phép thu hồi hiệu quả nguồn nhiệt dưới 400°C, giảm kích thước tuabin, không gây ăn mòn cánh tuabin và có tính mô-đun hóa cao.
    • Chu trình Kalina: Sử dụng hỗn hợp nước – amoniac với nhiệt độ sôi thay đổi trong suốt quá trình nhận nhiệt, giúp đồ thị nhiệt độ môi chất bám sát đường cong làm mát của dòng khí thải, làm giảm tổn thất truyền nhiệt không thuận nghịch và mang lại hiệu suất nhiệt cao hơn Rankine tiêu chuẩn.
  • Phân tích thiết bị truyền nhiệt:
    • Bộ gia nhiệt sơ bộ không khí (Air Preheaters): Phân tích dạng tấm song song và dạng bó ống nhiệt độc lập nhằm ngăn ngừa nhiễm bẩn chéo giữa các dòng khí.
    • Bộ tiết kiệm (Economizer): Bố trí các cụm ống có cánh vây kim loại để tăng cường diện tích bề mặt truyền nhiệt. Theo nghiên cứu của Spirax Sarco, lắp đặt bộ tiết kiệm giúp tăng 1% hiệu suất lò hơi khi giảm mỗi 5°C nhiệt độ khí thải, giảm 5% – 10% tiêu hao nhiên liệu với thời gian hoàn vốn dưới 2 năm. Nghiên cứu của Maxxtec cũng chứng minh việc hạ 140°C nhiệt độ khói lò giúp tiết kiệm 7% nhiên liệu. Các bộ tiết kiệm sâu sử dụng vật liệu chịu axit như Teflon, ống carbon và thép không gỉ.
    • Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm và ống dẫn nhiệt (Heat pipe): Ống nhiệt vận hành theo chu trình kín gồm 3 đoạn (bay hơi, đoạn nhiệt, ngưng tụ) sử dụng các chất lỏng công tác như nước, axeton, metanol, amoniac hoặc natri.
    • Máy thu hồi nhiệt tạo hơi nước (HRSG): Cấu tạo gồm ba phần tử: bộ tiết kiệm, thiết bị bay hơi và bộ quá nhiệt. Dòng khí thải chuyển động thẳng đứng vuông góc với chùm ống nằm ngang (dòng chảy chéo). Xác định khoảng chênh lệch nhiệt độ điểm chốt ($T_{pinch}$) và điểm tiếp cận ($T_{app}$) kinh tế từ 10°C đến 15°C.
  • Mô hình hóa chu trình thu hồi nhiệt cho nhà máy có 2 dây chuyền sản xuất:
    • Hệ thống tích hợp 5 lò hơi thu hồi nhiệt: Khí nóng từ thiết bị làm nguội clinker của lò 1 và lò 2 lần lượt đi vào nồi hơi AQC1 và AQC2; khí nóng từ các xyclon tháp trao đổi nhiệt của dây chuyền 1 đi vào lò hơi SP1 và SP2, còn của dây chuyền 2 đi vào lò hơi SP3.
    • Môi chất lỏng sau khi được gia nhiệt sơ bộ tại bộ tiết kiệm của AQC1 được phân nhánh cấp sang bao hơi của SP1 và SP2; tương tự, môi chất từ bộ tiết kiệm AQC2 được cấp sang bao hơi SP3. Toàn bộ hơi quá nhiệt từ AQC1, AQC2, SP1, SP2 và SP3 được gom chung vào đường ống chính dẫn vào tuabin hơi để sản xuất điện năng.
    • Công suất phát điện tuabin xác định theo công thức: $W_{turb} = \dot{m} (h_{in} - h_{out})$.
  • Hệ phương trình cân bằng năng lượng: Thiết lập chi tiết cho từng phần tử:
    • Tại bộ quá nhiệt AQC: $\dot{m}{air} C{p,air} (T_D - T_E) = \dot{m}{AQC} (h{SH,out} - h_{SH,in})$
    • Tại thiết bị bay hơi AQC: $\dot{m}{air} C{p,air} (T_E - T_F) = \dot{m}{AQC} (h{sat,v} - h_{sat,l}) + \dot{m}{AQC} (h{sat,l} - h_{Eco,out})$
    • Xác định nhiệt độ tiếp cận và điểm chốt: $T_7 = T_{sat} - T_{app}$; $T_F = T_{sat} + T_{pinch}$
    • Tại bộ tiết kiệm và bộ xả khí: Lập cân bằng nhiệt truyền từ dòng khí sang môi chất lỏng và tính toán công suất bơm có tính đến tổn thất áp suất 5% và tổn thất chất lỏng 2%.
    • Tại các nồi hơi SP1, SP2, SP3: Thiết lập phương trình cân bằng năng lượng riêng biệt cho từng bộ quá nhiệt và thiết bị bay hơi theo lưu lượng khói lò $\dot{m}g$ và nhiệt dung riêng $C{p,g}$.
  • Phân tích Exergy:
    • Tổng exergy của dòng môi chất: $Ex = Ex_{PH} + Ex_{KN} + Ex_{PT} + Ex_{CH}$ (bỏ qua hiệu ứng điện, từ, sức căng bề mặt và phản ứng hạt nhân).
    • Phương trình phá hủy exergy tổng thể: $Ex_{dest} = I = Ex_{heat} - Ex_{work} + Ex_{mass,in} - Ex_{mass,out}$.
    • Xác định tốc độ phá hủy exergy cho từng cụm thiết bị: $I_{total} = I_{pump} + I_{AQC1} + I_{AQC2} + I_{SP1} + I_{SP2} + I_{SP3} + I_{turb} + I_{cond} + I_{exh}$.
  • Phân tích tác động môi trường:
    • Chi phí phạt phát thải và lượng phát thải giảm thiểu được xác định qua công thức: $$C_{em} = \left[ E_{b,i} \times t_{operation} \times \phi_{CO_2,ele} \right] \times \psi_{em}$$ Trong đó: $E_{b,i}$ là công suất điện tự phát giảm mua từ lưới (kW); $t_{operation}$ là số giờ vận hành trong năm (hr); $\phi_{CO_2,ele}$ là hệ số phát thải $CO_2$ trên 1 kWh điện lưới ($kg CO_2/kWh$); $\psi_{em}$ là đơn giá chi phí phạt phát thải ($/kg $CO_2$).
  • Phân tích kinh tế kỹ thuật:
    • Chi phí hàng năm đồng nhất tương đương (EUAC): $$EUAC = P(A/P, i%, n) - SV(A/F, i%, n)$$ Với $P$ là vốn đầu tư ban đầu, $SV$ là giá trị thanh lý còn lại, $i$ là suất chiết khấu, $n$ là tuổi thọ dự án.
    • Lợi ích tương đối hàng năm (RAB): $$RAB = TAC_{trad} - TAC_{WHRPG} = -\sum_{j=1}^P (EUAC + M)j + \sum{i=1}^T (E_{b,i} \times \varphi_{e,b,i} \times \tau_i) + C_{em}$$ Biểu thị chênh lệch giữa tổng chi phí mua điện truyền thống ($TAC_{trad}$) và chi phí vận hành hệ thống phát điện nhiệt dư ($TAC_{WHRPG}$).
    • Giá trị hiện tại ròng (NPW) và thời gian hoàn vốn ($p$): $$NPW = -\Delta C_{in} - \Delta C_{O&M}(P/A, i%, p) + \Delta I(P/A, i%, p) + \Delta S(P/F, i%, p) = 0$$

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính và các thông số kỹ thuật tổng hợp

Qua việc khảo sát và mô hình hóa tính toán, tác giả đã tổng hợp các chỉ tiêu kỹ thuật và hiệu quả kinh tế - năng lượng của hệ thống thu hồi nhiệt thải trong ngành xi măng:

Thông số / Chỉ tiêu kỹ thuật Giá trị trích xuất từ nghiên cứu Ghi chú / Điều kiện áp dụng
Nhiệt năng tiêu hao sản xuất xi măng 3 – 5 GJ/tấn xi măng Toàn bộ quy trình công nghệ
Điện năng tiêu hao sản xuất clinker 90 – 100 kWh/tấn clinker Dây chuyền lò quay tiên tiến
Nhiệt độ khí thải tháp sấy sơ bộ (SP) 300°C – 350°C (hệ 4 tầng)
200°C – 300°C (hệ 5–6 tầng)		 Lưu lượng 2.500 – 2.800 $m^3$/tấn clinker
Nhiệt độ khí dư bộ làm nguội clinker (AQC) 200°C – 300°C Làm lạnh clinker từ 1.000°C xuống 100°C – 120°C
Nồng độ bụi trong khí thải lò xi măng 50 $mg/Nm^3$ (4 – 18 hạt/acf) Bụi bẩn cao hơn nhiều so với nhiệt điện than (1–2 hạt/acf)
Tiềm năng phát điện nhiệt dư 25 – 27 kWh/tấn clinker (lò mới)
36 – 40 kWh/tấn clinker (lò cũ)		 Bù đắp 20% – 30% nhu cầu điện nhà máy
Hiệu suất tổng thể hệ thống CHP 76% So với 49% của hệ thống sản xuất điện - nhiệt riêng biệt
Hiệu quả bộ tiết kiệm nhiệt (Economizer) Tăng 1% hiệu suất khi hạ 5°C nhiệt khói Giảm 5% – 10% nhiên liệu, hoàn vốn < 2 năm
Thông số chênh lệch nhiệt độ HRSG 10°C – 15°C Áp dụng cho cả điểm chốt ($T_{pinch}$) và tiếp cận ($T_{app}$)
Sản lượng điện phát thực tế (Thành Thắng) 160 triệu kWh/năm (doanh thu 190 tỷ đồng) 2 tổ máy 7,5 MW (dây chuyền 2 và 3)
Tỷ lệ tự chủ điện năng thực tế (Xuân Thành) > 30% tổng điện năng nhà máy Sản lượng đạt 160 triệu kWh/năm (2020)

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Về mặt công nghệ: Đề xuất lựa chọn chu trình Rankine hữu cơ (ORC) ho