LỜI MỞ ĐẦU Năm 2021 cùng với sự bùng nổ của cuộc Cách mạng 4.0, đã thúc đẩy tốc độ phát triển kinh tế và xã hội, tốc độ đô thị hóa diễn ra nhanh chóng cùng với quy mô lớn, các nhà máy áp dụng nhiều công nghệ, máy móc kỹ thuật cao vào quá trình sản xuất. Chính những điều này đã làm tăng nhu cầu sử dụng điện để phục vụ cho sinh hoạt và hoạt động sản xuất tăng lên một cách nhanh chóng. Vì vậy gây ra tình trạng thiếu điện sử dụng vào khung giờ cao điểm không chỉ ở trong nước mà nó còn xảy ra ở toàn thế giới. Mặc dù, đã được áp dụng nhiều nguồn năng lượng để sản xuất điện nhưng sản lượng điện sản xuất ra vẫn không đủ để đáp ứng nhu cầu.
Vậy nên việc hoạt động các nhà máy nhiệt điện để cung cấp lượng điện thiếu hụt nhanh đã khiến việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch tăng lên, lượng phát thải khí CO2 gây hiệu ứng nhà kính cũng tăng theo. Với tốc độ xây dựng đô thị và các nhà máy ngày càng tăng lên, nhu cầu sử dụng vật liệu xây dựng cụ thể là xi măng tăng mạnh. Do đó đã thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp sản xuất xi măng, nhà máy hoạt động với công suất cao, sản lượng sản xuất lớn đáp ứng nhu cầu sử dụng. Một nhà máy xi măng hoạt động sẽ gắn liền với tiêu thụ năng lượng điện và than rất lớn.
Trong quá trình vận hành lò nung sẽ phát sinh lượng khí thải và lượng bụi khá lớn ở nhiệt độ cao (khoảng 300oC), quá trình này vừa gây ô nhiễm môi trường, vừa lãng phí năng lượng làm giảm hiệu quả sản xuất của nhà máy. Do đó cần lắp đặt hệ thống đồng phát và thu hồi nhiệt thải vào các nhà máy sản xuất xi măng để thu hồi lượng nhiệt thải sử dụng mới mục đích hữu ích, để nâng cao hiệu quả hoạt động của nhà máy. Một nhà máy sản xuất xi măng hoạt động với sản lượng thành phẩm xi măng lớn sẽ thải ra lượng khí thải rất lớn kéo theo việc tiêu thụ nhiên liệu than và điện rất lớn. Việc tận dụng nhiệt thải bằng hệ thống đồng phát và thu hồi nhiệt thải để phát điện sẽ giúp đáp ứng được từ 20 – 30 % lượng điện tiêu thụ cho sản xuất.
Những lợi ích kinh tế mà hệ thống này mang lại rất lớn, góp phần cho nhà máy sản xuất chủ động nguồn điện trong sản xuất, tối ưu hóa thiết bị, nhanh chóng thu hồi vốn, đặc biệt sẽ làm giảm áp lực cho hệ thống điện quốc gia. Đặc biệt trong bối cảnh hiện nay, dịch bệnh vẫn tồn tại, hoạt động sản xuất của các nước trên thế giới vừa trở lại, tình trạng thiếu điện sản xuất xảy ra nhiều, giá cả nhiên liệu đầu vào như than và điện không ngừng tăng khiến các công ty sản xuất càng phải tính toán, tiết kiệm tối đa chi phí. Vì vậy để tận dụng nguồn nhiệt thừa để phát điện đang được các công ty xi măng tích cực triển khai nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình sản xuất, tiết kiệm điện năng cho quốc gia và giảm lượng khí thải phát thải ra môi trường. 9 Từ những tình hình hiện trạng trên, nên em đã thực hiện đồ án “Lựa chọn hệ thống đồng phát và thu hồi nhiệt thải cho nhà máy xi măng”.
Mục tiêu của đồ án chính là dựa vào sản lượng nhiệt thải của nhà máy để tính toán, lựa chọn được công nghệ, xác định được quy mô công suất phù hợp của hệ thống đồng phát và thu hồi nhiệt thải cho một nhà máy xi măng. Theo đó sẽ xác định được khả năng đáp ứng nhu cầu của hệ thống đối với nhà máy, đánh giá được hiệu suất hoạt động của hệ thống. Tổng quan về hệ thống đồng phát và thu hồi nhiệt xả thải 1. Tổng quan về hệ thống đồng phát Với sự phát triển công nghiệp nhanh chóng sẽ kéo theo nhu cầu sử dụng năng lưởng rất lớn và một trong đó là nguồn năng lượng điện năng.
Hiện nay điện năng do các nhà máy nhiệt điện cung cấp vẫn chiếm tỷ lệ lớn dẫn đến việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch cũng tăng theo làm cho lượng phát thải khí CO2 tăng lên, gây ô nhiễm môi trường. Sự tăng giá của nhiên liệu hóa thạch ngày càng nhanh, khiến giá điện bị đẩy sẽ làm tăng chi phí cho sản xuất. Để khắc phục những vấn đề này thì công nghệ đồng phát và thu hồi nhiệt được phát triển tái sử dụng nguồn nhiệt thải làm giảm lượng khí phát thải ra ngoài trường, tự cung cấp một phần điện năng cho quá trình sản xuất, nâng cao hiệu quả hoạt động, giảm chi phí cho nhà máy, bảo vệ môi trường xung quanh. Khái niệm về hệ thống đồng phát Hệ thống đồng phát hay chính là công nghệ kết hợp nhiệt và điện (Combined Heat and Power – CHP), công nghệ này sẽ sử dụng nhiệt sinh ra từ năng lượng của nhiên liệu hóa thạch để biến đổi thành điện năng và phần nhiệt thải của quá trình này sẽ dùng để sưởi ấm.
Đây là quá trình sản xuất đồng thời điện và nhiệt từ một nguồn nhiên liệu duy nhất 1. Công nghệ đồng phát sinh ra để giảm thiểu sự nóng lên toàn cầu do khí khải từ việc sử dụng năng lượng nhiên liệu hóa thạch để sưởi ấm. Các nhà máy điện thường chỉ biến đổi năng lượng của nhiên liệu hóa thạch với hiệu suất ở khoảng 30% và phần năng lượng của quá trình sẽ được xả thải ra môi trường thông qua các tháp làm mát và ống xả. Nếu nhiệt thải ở dưới mức 30oC thích hợp để sưởi ấm cho những mô hình sản xuất nông nghiệp và những hệ thống sưởi quy mô nhỏ, không phù hợp với các hệ thống sưởi quy mô lớn.
Với các nhà máy CHP, lượng nhiệt thải đáp ứng được nhu cầu về nhiệt, nó được sử dụng để sưởi ấm cho một số tòa nhà bằng các hệ thống ống sưởi khu vực (District Heating-DH), có thể gọi công nghệ này là CHPDH. Với việc đầu tư xây dựng kiểu CHP sẽ tốn thêm chi phí xây dựng từ 10-25% so với xây dựng một nhà máy điện thông thường. Các nhà máy kiểu CHP tiết kiệm năng lượng sơ cấp hơn so với các nhà máy sản xuất nhiệt và điện riêng biệt. Nhiên liệu có thể dùng để cung cấp năng lượng cho nhà máy CHP như nhiên liệu hóa thạch, hạt nhân, chất thải và nhiên liệu tái tạo.2 Hiện nay công nghệ đồng phát được ứng dụng để tái sử dụng nhiệt thải để sản xuất nước lạnh, nước nóng, hoặc chạy các máy lạnh hấp thụ.
Mô hình đồng phát ba chức 11 năng hiện nay đang được quan tâm khi có thể sử dụng nhiệt thải để sản xuất được kết hợp. Hệ thống đồng phát ba chức năng 3.1 trình bày sơ đồ các phần tử chính của hệ thống đồng phát ba chức năng. Đồng phát 3 chức năng (Trigeneration) là một phần mở rộng của đồng phát liên quan đến việc sản xuất đồng thời điện, sưởi ấm và làm mát. Hệ thống đồng phát 3 chức năng bao gồm một máy làm lạnh hấp thụ (hoặc thiết bị làm lạnh chạy bằng nhiệt khác) chuyển nhiệt thải thành nước lạnh để làm lạnh.
Lợi ích mang lại từ hệ thống đồng phát a) Đối với môi trường: - Cải thiện hiệu suất sử dụng nhiên liệu hóa thạch: giảm lượng nhiên liệu hóa thạch cần thiết để cung cấp năng lượng cho nhà máy như vậy sẽ sử dụng tài nguyên ít hơn. - Giảm lượng phát thải khí CO2 : nhờ việc sử dụng ít nhiên liệu hóa thạch và tận dụng nguồn nhiệt thải thì hàm lượng CO2 , nhiệt độ của khí thải giảm xuống trước khi thải ra môi trường. - Giảm tổn thất trên đường dây truyền tải điện: khi xây dựng được hệ thống đồng phát để phát điện thì có thể đáp ứng nhu cầu phục vụ ngay tại chỗ, giảm được khoảng cách từ nơi phát điện đến nơi sử dụng điện. b) Đối với tài chính: - Giảm được chi phí cho năng lượng sơ cấp: cung cấp một phần điện năng sử dụng của nhà máy từ máy phát điện ở hệ thống đồng phát, giảm bớt lượng điện năng mua từ lưới điện quốc gia.
12 - Giảm chi phí để nâng cấp hệ thống dây dẫn điện từ lưới điện vào nhà máy nếu nhu cầu năng lượng có tăng lên. - Giảm sự tác động của khí thải: việc sử dụng ít điện lưới sẽ giảm mức độ khí thải ở các nhà máy nhiệt điện. c) Đối với hiệu quả hoạt động: - Hệ thống đồng phát thu và sử dụng nhiệt thải: phần năng lượng tạo ra bị mất mát dưới dạng nhiệt vào khí quyển, tăng lượng tổng năng lượng hữu ích nhận được từ nguồn năng lượng đầu vào.2 cho thấy hiệu suất tổng thể của hệ thống đồng phát để sản xuất cả nhiệt và điện là 76% còn hiệu suất tổng của hai quá trình sản xuất điện và nhiệt riêng biệt thông thường là 49%. Hiệu suất chuyển đổi nhiệt và điện thông thường so với động cơ đồng phát 1MW 3.
Những rào cản của việc triển khai công nghệ đồng phát đến các nhà máy trên các nước trên thế giới. Việc triển khai quy mô lớn hệ thống đồng phát tại các nhà máy công nghiệp ở các nước trên thế giới không hề đơn giản, nó gặp khá nhiều rào cản, khó khăn. Đề hệ thống đồng phát có thể áp dụng trên quy mô lớn cần khắc phục được những yếu tố sau: - Các nhà đầu tư sẽ hướng các khoản đầu tư vào sản xuất điện đến từ các công ty năng lượng lớn đã có bề dày kinh nghiệm, với một mô hình kinh doanh đơn gản, ít chịu rủi ro. Họ sử dụng mô hình bán được càng nhiều 13 năng lượng dạng sơ cấp hoặc điện có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch càng tốt.
- Giá mua nhiên liệu hóa thạch có sự biến động: Mô hình đồng phát khó phát triển, cạnh tranh được ở những nơi giá điện còn thấp do giá nhiên liệu sản xuất điện thấp. - Một nhà máy kiểu CHP có yêu cầu độ phức tạp cao hơn, chi phí xây dựng sẽ tốn thêm 10-25% chi phí xây dựng nhà máy thông thường. - Khó cạnh tranh được các nhà máy đã xây dựng trước, đã thu hồi đủ vốn đầu tư. - Nhu cầu về nhiệt chưa ổn định, hoặc nhu cầu sử dụng chỉ theo mùa, thời gian ngắn hạn.
- Cơ sở hạ tầng để sử dụng cho hệ thống chưa được xây dựng nhiều, chưa đạt yêu cầu của hệ thống; những chính sách hỗ trợ chưa nhiều.