Nghiên Cứu Đề Xuất Thông Số Nhà Máy Nhiệt Điện Tận Dụng Nhiệt Khí Thải Từ Lò Nung Xi Măng

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu công nghệ nhiệt nghiên cứu đề xuất thông số nhà máy nhiệt điện tận dụng nhiệt khí thải từ lò nung, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Cao Thái Nguyên
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Tuyên
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ nhiệt
• Đề tài: Nghiên cứu, đề xuất thông số nhà máy nhiệt điện tận dụng nhiệt khí thải từ lò nung nhà máy xi măng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• Trang bìa
• Nhiệm vụ luận văn thạc sĩ
• Lời cảm ơn
• Tóm tắt luận văn
• Lời cam đoan
• Danh sách hình vẽ
• Danh mục các kí hiệu
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tình hình nghiên cứu ứng dụng trên thế giới
• 1.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng trong nước
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.4. Nội dung nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Giới hạn đề tài
• 1.7. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: THU HỒI NHIỆT THẢI TỪ NHÀ MÁY XI MĂNG
• 2.1. Nguồn nhiệt thải tại lò nung
• 2.1.1. Quá trình sản xuất xi măng theo phương pháp khô
• 2.1.2. Quá trình sản xuất clinker
• 2.1.3. Nguồn nhiệt khí thải sau tháp trao đổi nhiệt
• 2.1.4. Nguồn nhiệt khí thải sau thiết bị làm mát clinker
• 2.2. Phương án tận dụng nhiệt khí thải
• 2.2.1. Phương án chỉ tận dụng nhiệt khí thải từ tháp trao đổi nhiệt của lò nung
• 2.2.2. Phương án tận dụng nhiệt thải từ cả tháp trao đổi nhiệt và bộ phận làm lạnh clinker
• 2.3. Một số sơ đồ thu hồi nhiệt thải phát điện đang sử dụng
• 2.3.1. Sơ đồ tận dụng nhiệt khí thải của nhà máy xi măng Hà Tiên 2
• 2.3.2. Sơ đồ quá nhiệt song song không có bình phân ly
• 2.3.3. Sơ đồ quá nhiệt song song có một bình phân ly
• 2.3.4. Sơ đồ quá nhiệt song song có hai bình phân ly
• 2.4. Các thiết bị chính của hệ thống
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ TÍNH TOÁN
• 3.1. Xác định áp suất ngưng tụ
• 3.2. Ảnh hưởng của thông số hơi ban đầu
• 3.3. Đường giãn nở của hơi trong tuabin
• 3.4. Phương pháp tối ưu điểm kẹp
• 3.5. Lựa chọn cặp thông số kết đôi ban đầu
• 4. CHƯƠNG 4: XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ HƠI BAN ĐẦU
• 4.1. Các thông số ban đầu
• 4.1.1. Các thông số ban đầu thay đổi
• 4.1.2. Các thông số cố định
• 4.2. Sơ đồ trao đổi nhiệt lò hơi SP
• 4.3. Sơ đồ trao đổi nhiệt lò hơi AQC
• 4.4. Thông số nhiệt tại bộ góp từ hai lò hơi SP và AQC
• 4.5. Thông số nhiệt ở tuabin
• 4.6. Thông số nhiệt bình phân ly
• 4.7. Phần mềm tính toán và sơ đồ khối tính toán
• 4.7.1. Phần mềm tính toán
• 4.7.1.1. Giới thiệu phần mềm tính toán
• 4.7.2. Sơ đồ khối tính toán
• 4.8. Kết quả tính toán
• 4.9. Lựa chọn thông số tối ưu
• KẾT QUẢ VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• Phụ lục 1: Chương trình tính toán
• Phụ lục 2: Đồ thị i – s
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Tổng quan về đề tài nghiên cứu

Luận văn tập trung vào việc nghiên cứu tận dụng nhiệt khí thải từ lò nung xi măng để phát điện, nhằm tối ưu hóa hiệu suất năng lượng và giảm thiểu tác động môi trường. Semantic LSI keyword: 'tận dụng nhiệt khí thải', Salient Keyword: 'lò nung xi măng', Salient LSI keyword: 'phát điện', Semantic Entity: 'nhà máy nhiệt điện', Salient Entity: 'xi măng', Close Entity: 'nhiệt khí thải'. Nghiên cứu này đặt ra mục tiêu đề xuất các thông số kỹ thuật tối ưu cho nhà máy nhiệt điện, đồng thời phân tích các phương pháp tính toán và xây dựng chương trình hỗ trợ quá trình này.

1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Trên thế giới, việc tận dụng nhiệt khí thải từ lò nung xi măng đã được áp dụng rộng rãi, đặc biệt tại các nước phát triển như Trung Quốc, Nhật Bản và Hoa Kỳ. Semantic LSI keyword: 'nhiệt khí thải', Salient Keyword: 'lò nung xi măng', Salient LSI keyword: 'phát điện', Semantic Entity: 'nhà máy xi măng', Salient Entity: 'Trung Quốc', Close Entity: 'nhiệt thải'. Ví dụ, tại Nhà máy Xi măng Jingyang (Trung Quốc), hệ thống thu hồi nhiệt thải đã giúp phát điện với công suất lên đến 20.700 kW, đáp ứng nhu cầu điện năng của nhà máy và giảm thiểu lượng khí thải ra môi trường.

1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, ngành xi măng đang phát triển mạnh mẽ, nhưng vẫn còn nhiều thách thức về hiệu suất năng lượng và bảo vệ môi trường. Semantic LSI keyword: 'xi măng Việt Nam', Salient Keyword: 'nhiệt khí thải', Salient LSI keyword: 'phát điện', Semantic Entity: 'Tổng công ty xi măng', Salient Entity: 'Việt Nam', Close Entity: 'nhiệt thải'. Các doanh nghiệp trong ngành đang tích cực tìm kiếm giải pháp tận dụng nhiệt thải để phát điện, nhằm giảm chi phí sản xuất và nâng cao khả năng cạnh tranh trên thị trường quốc tế.

II. Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu định tính và định lượng để phân tích các nguồn nhiệt thải từ lò nung xi măng. Semantic LSI keyword: 'phương pháp nghiên cứu', Salient Keyword: 'nhiệt khí thải', Salient LSI keyword: 'lò nung xi măng', Semantic Entity: 'nhà máy nhiệt điện', Salient Entity: 'xi măng', Close Entity: 'nhiệt thải'. Các bước nghiên cứu bao gồm: khảo sát hiện trạng, lựa chọn sơ đồ nhiệt, tính toán thông số kỹ thuật và đề xuất giải pháp tối ưu.

2.1. Khảo sát hiện trạng

Nghiên cứu tiến hành khảo sát các nguồn nhiệt thải từ lò nung xi măng, bao gồm nhiệt khí thải từ tháp trao đổi nhiệt và thiết bị làm mát clinker. Semantic LSI keyword: 'nhiệt khí thải', Salient Keyword: 'lò nung xi măng', Salient LSI keyword: 'tháp trao đổi nhiệt', Semantic Entity: 'nhà máy xi măng', Salient Entity: 'clinker', Close Entity: 'nhiệt thải'. Kết quả khảo sát cho thấy tiềm năng lớn trong việc tận dụng nhiệt thải để phát điện.

2.2. Lựa chọn sơ đồ nhiệt

Dựa trên kết quả khảo sát, nghiên cứu đề xuất các sơ đồ nhiệt phù hợp với điều kiện Việt Nam. Semantic LSI keyword: 'sơ đồ nhiệt', Salient Keyword: 'nhiệt khí thải', Salient LSI keyword: 'phát điện', Semantic Entity: 'nhà máy nhiệt điện', Salient Entity: 'xi măng', Close Entity: 'nhiệt thải'. Các sơ đồ này được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất thu hồi nhiệt và giảm thiểu chi phí đầu tư.

III. Kết quả và kiến nghị

Luận văn đã đề xuất các thông số kỹ thuật tối ưu cho nhà máy nhiệt điện tận dụng nhiệt khí thải từ lò nung xi măng. Semantic LSI keyword: 'thông số kỹ thuật', Salient Keyword: 'nhiệt khí thải', Salient LSI keyword: 'phát điện', Semantic Entity: 'nhà máy nhiệt điện', Salient Entity: 'xi măng', Close Entity: 'nhiệt thải'. Các kết quả nghiên cứu cho thấy tiềm năng lớn trong việc ứng dụng công nghệ này tại Việt Nam, đồng thời đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo để nâng cao hiệu quả.

3.1. Kết quả nghiên cứu

Nghiên cứu đã xác định được các thông số tối ưu cho chu trình nhiệt, bao gồm áp suất và nhiệt độ hơi nước. Semantic LSI keyword: 'chu trình nhiệt', Salient Keyword: 'nhiệt khí thải', Salient LSI keyword: 'phát điện', Semantic Entity: 'nhà máy nhiệt điện', Salient Entity: 'xi măng', Close Entity: 'nhiệt thải'. Các thông số này giúp tối ưu hóa hiệu suất phát điện và giảm thiểu chi phí vận hành.

3.2. Kiến nghị

Luận văn đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo, bao gồm cải tiến công nghệ thu hồi nhiệt thải và ứng dụng các giải pháp tự động hóa trong quản lý năng lượng. Semantic LSI keyword: 'công nghệ thu hồi nhiệt', Salient Keyword: 'nhiệt khí thải', Salient LSI keyword: 'phát điện', Semantic Entity: 'nhà máy nhiệt điện', Salient Entity: 'xi măng', Close Entity: 'nhiệt thải'. Các kiến nghị này nhằm nâng cao hiệu quả và tính khả thi của dự án trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp sản xuất xi măng đóng vai trò nền tảng trong quá trình phát triển hạ tầng và kinh tế tại Việt Nam, đặc biệt khi tốc độ đô thị hóa cả nước duy trì ở mức 30% đến 33% mỗi năm và nhu cầu tiêu thụ xi măng tăng trưởng trên 11% hàng năm. Tuy nhiên, đây cũng là một trong những ngành tiêu tốn năng lượng hóa thạch lớn nhất, với nhiệt độ nung clinker trong lò quay dao động từ 1450°C đến 1500°C và mức tiêu hao nhiệt khoảng 3,32 GJ cho mỗi tấn clinker. Trong bối cảnh hội nhập quốc tế sau khi gia nhập Tổ chức Thương mại Thế giới (WTO) và thực hiện Quyết định số 108/2005/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ về quy hoạch phát triển công nghiệp xi măng, áp lực cạnh tranh về giá thành sản xuất cũng như yêu cầu giảm thiểu khí thải nhà kính (CO2, SO2) trở nên vô cùng cấp thiết.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm là việc các dây chuyền sản xuất clinker hiện nay đang xả bỏ một lượng nhiệt dư khổng lồ ra môi trường thông qua hai nguồn chính: khí thải sau tháp trao đổi nhiệt với lưu lượng khoảng 242.000 m3/h ở nhiệt độ từ 320°C đến 360°C và khí nóng sau thiết bị làm mát clinker với lưu lượng khoảng 89.000 m3/h ở nhiệt độ 360°C. Mục tiêu cụ thể của luận văn là nghiên cứu, phân tích các nguồn nhiệt thải, lựa chọn sơ đồ nhiệt thu hồi nhiệt tối ưu phù hợp với điều kiện Việt Nam, xây dựng chương trình mô phỏng tính toán và đề xuất cặp thông số hơi nước ban đầu tối ưu cho chu trình nhiệt điện tuabin hơi.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các nhà máy sản xuất clinker công nghệ khô tại Việt Nam với dải công suất từ 2.500 đến 10.000 tấn clinker/ngày. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp các nhà máy tự cung ứng từ 20% đến 30% tổng lượng điện năng tiêu thụ, tạo ra công suất phát điện từ 2,95 MW đến 18 MW tùy quy mô lò nung, đồng thời giảm thiểu hàng ngàn tấn phát thải bụi và khí nóng ra môi trường sinh thái mỗi năm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn vận dụng nền tảng nhiệt động lực học kỹ thuật và lý thuyết truyền nhiệt hiện đại để khảo sát chu trình nhiệt của trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải (Waste Heat Recovery - WHR). Hai lý thuyết cốt lõi được áp dụng xuyên suốt bao gồm: Lý thuyết chu trình nhiệt động Rankine với quá trình giãn nở hơi nước trong tuabin ngưng tụ trên đồ thị i-s (Enthalpy - Entropy) và Lý thuyết truyền nhiệt biến đổi pha kết hợp Phương pháp tối ưu điểm kẹp (Pinch Point Technology).

Hệ thống mô hình nghiên cứu bao gồm 4 khái niệm kỹ thuật trọng tâm:

1. Lò hơi thu hồi nhiệt tháp trao đổi nhiệt (Suspension Preheater boiler - SP): Thiết bị trao đổi nhiệt ống nước đặt tại đuôi lò, tận dụng dòng khói thải 320°C đến 360°C để sinh hơi quá nhiệt.
2. Lò hơi thu hồi nhiệt làm nguội clinker (Air Quenching Cooler boiler - AQC): Thiết bị lắp đặt tại đầu lò, tận dụng gió nóng 360°C sau buồng lắng bụi.
3. Chu trình quá nhiệt song song có bình phân ly: Mô hình kết hợp đồng thời hai nguồn nhiệt từ lò hơi SP và AQC, sử dụng bình phân ly (flash tank) để tạo thêm hơi bão hòa cấp vào tầng hạ áp của tuabin hơi.
4. Cặp thông số hơi ban đầu kết đôi (p0, t0): Tập hợp các giá trị áp suất và nhiệt độ hơi vào tuabin thỏa mãn điều kiện độ ẩm cuối dòng hơi giãn nở không vượt quá ngưỡng cho phép 12%.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thứ cấp từ các công trình phát điện nhiệt thải thực tế trong và ngoài nước, bao gồm hệ thống trạm phát điện 20.700 kW tại Nhà máy xi măng Jingyang (sản lượng phát điện đạt 150 triệu kWh/năm), trạm phát điện 2.950 kW tại Nhà máy xi măng Hà Tiên 2 (đã phát thành công 105 triệu kWh sau 7 năm vận hành), cùng các số liệu vận hành của Nhà máy xi măng Holcim Hòn Chông (công suất 6,3 MW) và Nhà máy xi măng Công Thanh (công suất giai đoạn một 4,5 MW, giai đoạn hai 18 MW).

Cỡ mẫu nghiên cứu được xác lập thông qua việc khảo sát 8 trường hợp biến thiên thông số nhiệt động kết đôi của dòng hơi vào tuabin. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu có chủ đích dựa trên dải thông số công nghệ tiêu chuẩn của các lò nung clinker công suất 3.000 tấn/ngày tại Việt Nam. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích mô phỏng số trên môi trường phần mềm LabVIEW kết hợp giải tích nhiệt động học là nhằm đảm bảo tính toán đồng thời các phương trình cân bằng nhiệt phức tạp, xác định chính xác điểm kẹp, đường giãn nở thực tế và suất tiêu hao nhiệt trong thời gian ngắn với độ tin cậy cao. Quá trình tính toán, lập trình và xử lý dữ liệu được tiến hành liên tục và hoàn thành trong khung thời gian từ tháng 01/2013 đến tháng 06/2013.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích giải tích và mô phỏng số trên 8 bộ thông số kết đôi đã mang lại các phát hiện kỹ thuật mang tính đột phá:

1. Ưu thế vượt trội của sơ đồ quá nhiệt song song có một bình phân ly: Việc kết hợp đồng thời lò hơi SP (lưu lượng 242.000 m3/h) và lò hơi AQC (lưu lượng 89.000 m3/h) thông qua một bình phân ly giúp tăng sản lượng hơi bão hòa cấp cho tầng hạ áp tuabin thêm khoảng 15% đến 20% so với sơ đồ không có bình phân ly, đồng thời cấu trúc vận hành gọn gàng và chi phí đầu tư thấp hơn đáng kể so với phương án hai bình phân ly.
2. Xác lập áp suất ngưng tụ tối ưu cho điều kiện Việt Nam: Luận văn đã tính toán và chứng minh giá trị áp suất ngưng tụ tại bình ngưng pk = 0,008 MPa (tương đương 0,08 bar) là giá trị tối ưu nhất. Với nhiệt độ nước làm mát đầu vào tn1 = 30°C, nhiệt độ nước ra 40°C, độ chênh lệch nhiệt độ đầu ra bình ngưng Δt2 = 7°C và độ chênh nhiệt độ bão hòa δtn = 3°C đến 5°C, nhiệt độ bão hòa đạt ngưỡng 40°C đến 42°C, giúp khai thác tối đa nhiệt giáng của tuabin.
3. Kiểm soát độ ẩm hơi thoát cuối tuabin: Nghiên cứu xác định giới hạn độ ẩm hơi cuối quá trình giãn nở thực tế trong tuabin luôn được khống chế dưới mức 12%. Kết quả phân tích cho thấy nếu độ ẩm tăng thêm 1% thì hiệu suất tầng cánh cuối sẽ giảm từ 0,5% đến 1%, đồng thời làm tăng tốc độ ăn mòn cánh tuabin.
4. Hiệu suất chuyển đổi chu trình: Với các thông số cố định gồm hiệu suất trong tương đối của tuabin ηoi = 0,82, hiệu suất máy phát điện ηg = 0,97, hiệu suất cơ khí ηm = 0,98 và tổn thất nhiệt ra môi trường 2%, hệ thống cho phép tạo ra công suất điện hữu ích trung bình từ 3,0 MW đến 3,5 MW cho dây chuyền clinker 3.000 tấn/ngày.

Thảo luận kết quả

Các kết quả tính toán có thể được minh họa trực quan thông qua đồ thị truyền nhiệt t-F (biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ môi chất và diện tích bề mặt trao đổi nhiệt) cùng đồ thị giãn nở hơi nước i-s. Trên đồ thị t-F của lò hơi SP và AQC, khoảng cách nhiệt độ tại điểm kẹp (Pinch Point) đóng vai trò quyết định: nếu chọn độ chênh điểm kẹp quá nhỏ sẽ làm tăng vọt diện tích bề mặt trao đổi nhiệt F dẫn đến chi phí kim loại đắt đỏ, ngược lại nếu độ chênh điểm kẹp quá lớn sẽ làm giảm khả năng thu hồi nhiệt năng từ dòng khí thải.

Khi khảo sát sự thay đổi của các cặp thông số kết đôi (p0, t0), nguyên nhân dẫn đến sự biến thiên hiệu suất nhiệt đã được làm sáng tỏ. Khi áp suất hơi ban đầu p0 tăng ở nhiệt độ t0 không đổi, khối lượng riêng của hơi tăng làm giảm chiều cao cánh tuabin và tăng tổn thất ma sát ở hai đầu cánh, khiến hiệu suất tương đối trong ηoi có xu hướng suy giảm và độ ẩm cuối tăng nhanh. Ngược lại, khi tăng nhiệt độ hơi ban đầu t0 ở áp suất p0 không đổi, thể tích riêng tăng giúp giảm tổn thất ma sát, độ ẩm cuối giảm rõ rệt và nâng cao hiệu suất nhiệt toàn chu trình.

So sánh với các nghiên cứu tại Trung Quốc và Nhật Bản, kết quả của luận văn hoàn toàn tương thích về mặt bản chất nhiệt động học, nhưng đã tinh chỉnh các thông số đầu vào phù hợp với nguồn nước giải nhiệt nhiệt độ cao (30°C) và nồng độ bụi cao đặc thù của công nghệ sản xuất clinker tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu khoa học và thực nghiệm tính toán, tác giả đưa ra 4 nhóm giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao cho ngành sản xuất xi măng:

1. Chuẩn hóa sơ đồ công nghệ chu trình nhiệt: Đề nghị các Tổng công ty và nhà máy xi măng (đặc biệt là Tổng công ty Xi măng Việt Nam - Vicem) khi đầu tư mới hoặc cải tạo dây chuyền từ 2.500 tấn clinker/ngày trở lên cần áp dụng sơ đồ quá nhiệt song song có một bình phân ly kết hợp hai lò hơi SP và AQC. Mục tiêu đạt hiệu suất thu hồi nhiệt trên 85% và sản lượng điện tự dùng đạt tối thiểu 35 kWh/tấn clinker, triển khai trong lộ trình từ 12 đến 24 tháng.
2. Thiết lập chế độ vận hành thông số hơi tối ưu: Đội ngũ kỹ sư vận hành nhà máy nhiệt điện khí thải cần kiểm soát nghiêm ngặt áp suất làm việc của bình ngưng ở giá trị pk = 0,008 MPa, duy trì độ chênh lệch nhiệt độ điểm kẹp tại dàn sinh hơi ở mức hợp lý và khống chế độ ẩm dòng hơi thoát ra khỏi tuabin không vượt quá ngưỡng 12% nhằm bảo vệ cánh động cơ khí và duy trì tuổi thọ thiết bị trên 20 năm.
3. Tích hợp phần mềm LabVIEW vào hệ thống điều khiển DCS: Ban quản lý kỹ thuật các nhà máy cần triển khai ứng dụng module tính toán tự động dựa trên mã nguồn LabVIEW đã xây dựng vào hệ thống điều khiển phân tán (DCS) của nhà máy trong vòng 6 tháng, giúp tự động giám sát, tính toán các điểm nhiệt động và tự động điều chỉnh lưu lượng nước cấp khi công suất lò quay dao động từ 80% đến 110% tải định mức.
4. Nâng cấp hệ thống xử lý nước cấp và xả cặn tự động: Bộ phận cơ điện cần đầu tư hệ thống khử khí hòa tan (O2, CO2) bằng phương pháp định lượng hóa chất chuyên dụng, kiểm soát lưu lượng xả cặn liên tục theo độ dẫn điện dưới 2% tổng lưu lượng hơi, nhằm ngăn ngừa triệt để hiện tượng đóng cặn và ăn mòn kim loại trong ống trao đổi nhiệt của lò hơi SP và AQC.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung nghiên cứu và chương trình tính toán của luận văn mang lại giá trị khoa học và ứng dụng thực tiễn sâu rộng cho 4 nhóm đối tượng chính:

1. Kỹ sư vận hành và cán bộ quản lý năng lượng tại các nhà máy xi măng: Cung cấp quy trình tính toán, phương pháp giám sát các điểm kẹp nhiệt độ và hướng dẫn thiết lập chế độ vận hành tuabin ngưng tụ đạt hiệu suất phát điện cao nhất trong thực tế sản xuất.
2. Các đơn vị tư vấn thiết kế và nhà thầu EPC ngành nhiệt điện - công nghiệp: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuẩn xác để tính toán cân bằng nhiệt, lựa chọn diện tích truyền nhiệt cho lò hơi SP, AQC và định cỡ công suất máy phát điện từ 3 MW đến 20 MW cho các dự án thu hồi nhiệt thải công nghiệp.
3. Cơ quan quản lý nhà nước và viện nghiên cứu chính sách năng lượng: Hỗ trợ cơ sở dữ liệu kỹ thuật phục vụ việc xây dựng quy chuẩn kỹ thuật quốc gia, đánh giá tiềm năng tiết kiệm năng lượng và thẩm định các dự án cơ chế phát triển sạch (CDM) theo định hướng phát triển bền vững của chính phủ.
4. Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Công nghệ Nhiệt - Lạnh: Cung cấp case study học thuật hoàn chỉnh kết hợp giữa nhiệt động lực học lý thuyết, đồ thị i-s, tính toán thủy nhiệt lò hơi và kỹ thuật lập trình giao diện mô phỏng trên nền tảng LabVIEW.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao áp suất bình ngưng trong luận văn được cố định ở mức pk = 0,008 MPa? Giá trị pk = 0,008 MPa (tương đương 0,08 bar) được xác lập dựa trên điều kiện khí hậu thực tế tại Việt Nam với nguồn nước làm mát đầu vào khoảng 30°C và đầu ra khoảng 40°C. Độ chênh lệch nhiệt độ bão hòa từ 3°C đến 5°C đưa nhiệt độ ngưng tụ về khoảng 40°C đến 42°C, tạo áp suất chân không tối ưu giúp tăng tối đa công sinh ra mà không làm đội chi phí thiết bị làm mát.

2. Hệ thống thu hồi nhiệt thải lò nung có thể đóng góp bao nhiêu sản lượng điện cho nhà máy? Tùy thuộc vào công suất lò nung, hệ thống có thể cung cấp từ 3 MW (đối với lò 3.000 tấn clinker/ngày như Nhà máy xi măng Hà Tiên 2) đến 18 MW (đối với lò 10.000 tấn clinker/ngày như Nhà máy xi măng Công Thanh), đáp ứng trung bình 20% đến 30% tổng nhu cầu điện năng của toàn nhà máy.

3. Điểm khác biệt lớn nhất giữa sơ đồ có một bình phân ly và không có bình phân ly là gì? Sơ đồ có một bình phân ly cho phép tận dụng lượng nước nóng từ bộ hâm của lò hơi SP đưa vào bình phân ly để sinh thêm hơi bão hòa cấp vào phần hạ áp của tuabin. Giải pháp này giúp tăng lưu lượng hơi giãn nở trong tuabin, nâng cao công suất phát điện thêm 15% đến 20% so với sơ đồ không có bình phân ly.

4. Tại sao độ ẩm hơi ở các tầng cánh cuối tuabin bắt buộc phải khống chế dưới 12%? Khi độ ẩm vượt quá 12%, các giọt nước ngưng li ti tách ra khỏi dòng hơi sẽ va đập với vận tốc cực lớn vào cánh động tuabin, gây rỗ bề mặt và xói mòn cánh nhanh chóng. Hơn nữa, cứ mỗi 1% độ ẩm tăng thêm trong dòng hơi sẽ làm suy giảm từ 0,5% đến 1% hiệu suất làm việc của các tầng cánh cuối.

5. Việc tối ưu hóa giá trị điểm kẹp (Pinch Point) mang lại lợi ích gì trong thiết kế lò hơi? Điểm kẹp xác định độ chênh nhiệt độ nhỏ nhất giữa dòng khí thải nóng và nước sôi trong dàn sinh hơi. Tối ưu hóa điểm kẹp giúp nhà thiết kế cân bằng hoàn hảo giữa chi phí đầu tư bề mặt truyền nhiệt và hiệu quả thu hồi nhiệt năng từ lưu lượng 242.000 m3/h khí thải SP và 89.000 m3/h khí nóng AQC.

Kết luận

• Luận văn đã phân tích toàn diện hai nguồn phát thải nhiệt lớn của nhà máy sản xuất clinker gồm khí thải tháp trao đổi SP (320°C - 360°C, 242.000 m3/h) và khí làm nguội clinker AQC (360°C, 89.000 m3/h).
• Lựa chọn và hoàn thiện sơ đồ nhiệt công nghệ quá nhiệt song song có một bình phân ly, chứng minh tính vượt trội về hiệu suất nhiệt động và tính khả thi kinh tế trong điều kiện Việt Nam.
• Xác định bộ thông số chuẩn hóa gồm áp suất ngưng tụ pk = 0,008 MPa, độ ẩm hơi cuối dưới 12%, hiệu suất trong tương đối ηoi = 0,82 và hiệu suất máy phát ηg = 0,97.
• Xây dựng thành công bộ chương trình tính toán và mô phỏng trên nền tảng LabVIEW, cho phép khảo sát nhanh chóng các cặp thông số kết đôi (p0, t0) của dòng hơi vào tuabin.
• Khẳng định giải pháp tận dụng nhiệt thải phát điện giúp cắt giảm 20% đến 30% chi phí điện lưới, giảm áp lực thiếu hụt năng lượng và hạn chế đáng kể lượng phát thải khí nhà kính.

Đóng góp chính của công trình là cung cấp một công cụ giải tích - mô phỏng tin cậy và cơ sở dữ liệu thông số nhiệt động chuẩn xác cho việc thiết kế, vận hành nhà máy nhiệt điện khí thải xi măng. Bước phát triển tiếp theo cần mở rộng khảo sát bài toán tối ưu hóa tổng thể chi phí vòng đời thiết bị (LCC) kết hợp đánh giá dao động nhiệt độ khí thải theo chu kỳ mùa trong năm. Quý bạn đọc, kỹ sư và nhà quản lý quan tâm đến giải pháp tối ưu hóa chu trình nhiệt thu hồi năng lượng có thể khai thác trực tiếp cơ sở dữ liệu và thuật toán của luận văn để áp dụng vào các dự án công nghiệp thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Ngày nay cùng với xu thế hòa nhập chung của thế giới Việt Nam cũng đã hòa mình vào biển lớn là gia nhập WTO. Điều này đặt Việt Nam đứng trước những cơ hội và thách thức. Cơ hội là giúp chúng ta có thể tự do mua bán trên thị trường thế giới. Trong những năm gần đây Việt Nam đã tận dụng rất tốt cơ hội này và đạt mức tăng trưởng bình quân khá cao trên 6.

Thách thức đó là khi hòa nhập với thị trường chung thì chúng ta phải tuân thủ theo quy luật cạnh tranh chung. Nếu không thay đổi theo kịp sự thay đổi của thế giới thì dần dần chúng ta sẽ tụt hậu rất xa. Trình độ phát triển khoa học công nghệ của chúng ta còn lạc hậu so với khu vực và thế giới. Tuy hiện nay chúng ta có một số lợi thế nhất định trong môi trường cạnh tranh: giá nhân công rẻ, nguyên liệu rẻ…Nhưng nếu xét về lâu dài thì lợi thế này sẽ không còn.

Do đó nếu chúng ta không tiến hành cải tiến và đổi mới dần công nghệ ngay từ bây giờ thì trong tương lai khả năng cạnh tranh của Việt Nam trên trường thế giới sẽ không còn. Chính vấn đề trên đặt ra cho ngành khoa học và công nghệ Việt Nam nhiều thách thức, đòi hỏi không ngừng cải tiến kỹ thuật công nghệ và từng bước ứng dụng nó vào thực tiễn nhằm giúp các doanh nghiệp nâng cao khả năng cạnh tranh trên trường quốc tế. Năng lượng là một trong những yếu tố quan trọng cho sự tồn tại và phát triển của xã hội cũng như duy trì mọi sự sống trên trái đất. Trong nhiều thập kỉ qua, việc tiêu thụ năng lượng trên thế giới tăng lên cùng với sự phát triển kinh tế, trong đó nhiên liệu hóa thạch như dầu thô, than đá, khí thiên nhiên,… chiếm đa số nguồn năng lượng tiêu thụ.

Đa số những nguồn năng lượng này là không tái sinh, và chúng bị cạn kiệt dần trong tương lai. HVTT: Cao Thái Nguyên Trang 1 Thuyết Minh Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên Do vậy việc sử dụng những nguồn năng lượng mới để thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch là điều đang được các nhà nghiên cứu quan tâm để nhằm hạn chế khả năng cạn kiệt của chúng. Chính vì lí do đó mà việc tận dụng các nguồn nhiệt thải tại các công ty, nhà máy xí nghiệp là rất cần thiết để đáp ứng cho nhu cầu thiếu hụt năng lượng hiện nay. Trong các nguồn nhiệt đó thì nguồn nhiệt có khả năng thu hồi từ nhà máy xi măng là rất lớn: có thể phát điện để đáp ứng một phần không nhỏ nhu cầu điện của nhà máy.

Việc tận dụng các nguồn nhiệt thải một cách hiệu quả và hợp lý sẽ mang lại các lợi ích sau: - Tiết kiệm nhiên liệu: trong một quy trình sản xuất có thể có nhiều công đoạn cần đến nguồn nhiệt năng, do đó có thể tận dụng nhiệt thải của công đoạn này để cung cấp cho công đoạn khác nhằm giảm lượng tiêu hao nhiên liệu cung cấp cho toàn hệ thống. - Tăng tính kinh tế của hệ thống, khai thác tối đa năng suất làm việc của hệ thống so với trước đây. - Góp phần bảo vệ môi trường: việc giảm đi lượng tiêu hao nhiên liệu cũng đồng nghĩa với việc giảm lượng khí thải CO2, SO2…ra môi trường. Tình hình nghiên cứu ứng dụng trên thế giới Trên thế giới thì việc tận dụng nhiệt thải tại nhà máy xi măng đã được ứng dụng từ nhiều năm trước, nhất là các nước phát triển.

Việc tận dụng nhiệt khí thải nhà máy xi măng được áp dụng rộng rãi để phát điện ở Trung Quốc, Nhật Bản, Hoa Kỳ, … Nhà máy sản xuất xi măng Trung Quốc đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển công nghệ tận dụng nhiệt thải để phát điện. Đất nước này sản xuất 1,65 tỷ tấn xi măng năm 2009, chiếm hơn 50% sản lượng xi măng thế giới. Một mặt, ngành công nghiệp này đang tăng cường cơ cấu lại thông qua việc sáp nhập, giải thể và xoá bỏ công suất lạc hậu. Mặt khác, nó tích cực áp dụng các HVTT: Cao Thái Nguyên Trang 2 Thuyết Minh Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên chính sách nhằm giảm tiêu hao năng lượng, cải thiện việc tận dụng chất thải, và bảo vệ các khu bảo tồn địa chất và môi trường bằng cách xây dựng các trạm phát điện nhiệt thải.1: Nhà máy xi măng ở Trung Quốc Phát điện nhiệt thải tại Nhà máy Xi măng Jingyang: Hai dây chuyền nung phương pháp khô tại Nhà máy Xi măng Jingyang, mỗi dây chuyền có công suất clinker 5000 tấn/ngày.

Nhiệt độ của khí thoát ra từ silo tầng trên của tháp trao đổi nhiệt vào khoảng 320oC và nhiệt độ khí thải từ buồng làm nguội clinker vào khoảng 350oC. Tiêu hao nhiệt của lò nung hiện nay là 3,32 GJ/tấn clinker. Một máy phát điện và các hệ tuabin có công suất thiết kế bằng 20700 kW. Điện sản xuất ra được dùng trực tiếp trong nhà máy xi măng và về có thể phát lên lưới điện công.

Công suất lý thuyết hàng năm phát điện nhiệt thải của nhà máy này vào khoảng 150 triệu kWh/năm. HVTT: Cao Thái Nguyên Trang 3 Thuyết Minh Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên Thu hồi nhiệt thải nhà máy xi măng để phát điện của Đài Loan Hình 1.2: Công ty xi măng Đài Loan Nhà máy điện nhiệt khí thải này tận dụng khí thải buồng tiền nung (PH) và khí từ thiết bị làm nguội (AQC) để phát điện. Nồi hơi tiền nung (PH boiler) là nồi hơi dùng khí thải từ thiết bị làm nguội được lắp đặt các đường ống từ buồng tiền nung và thiết bị làm nguội. Hơi nước sinh ra từ các nồi hơi này được chuyển tới tuabin hơi nước và phát điện.3: Biểu diễn mối quan hệ công suất phát điện và clinker của nhà máy HVTT: Cao Thái Nguyên Trang 4 Thuyết Minh Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên 1.

Tình hình nghiên cứu ứng dụng trong nƣớc Xây dựng là ngành đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển kinh tế của Việt Nam do Việt Nam đang trong quá trình hoàn thiện hạ tầng kinh tế và kiến trúc xã hội. Triển vọng tăng trưởng của ngành xây dựng là nhân tố hỗ trợ tích cực cho ngành xi măng phát triển. Tốc độ đô thị hóa nhanh trung bình khoảng 30 – 33%/năm, cùng với việc phát triển và hoàn thiện cơ sở hạ tầng dẫn đến tốc độ tăng trưởng của ngành công nghiệp xây dựng thường lớn hơn tốc độ tăng trưởng của nền kinh tế. Trong đó, ngành xi măng duy trì tốc độ tăng trưởng ổn định hơn và dự kiến ở mức trên 11%/năm từ nay đến năm 2015.

Mức độ cạnh tranh của các doanh nghiệp trong ngành xi măng còn ở mức thấp và vai trò chi phối tập trung chủ yếu ở Tổng Công ty xi măng Việt Nam. Tuy vậy, cạnh tranh trong ngành sẽ gia tăng mạnh khi các dự án mới đi vào hoạt động. Ngành xi măng từ tình trạng thiếu hụt xi măng trước đây sẽ chuyển sang dư thừa năng lực sản xuất kể từ năm 2010. Các doanh nghiệp trong ngành xi măng có tỷ suất lợi nhuận thấp do chi phí nguyên vật liệu tăng cao, nhất là đối với những doanh nghiệp phải phụ thuộc vào nguồn clinker nhập khẩu, trong khi giá bán xi măng chịu sự điều tiết của chính phủ.

Do đó dẫn đến nhu cầu là phải tiết kiệm năng lượng.4: Nhu cầu tiêu thụ xi măng và tốc độ tăng trưởng hàng năm ngành xi măng HVTT: Cao Thái Nguyên Trang 5 Thuyết Minh Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên Tổng công ty xi măng Việt Nam là một doanh nghiệp hạng đặc biệt của nền kinh tế nước nhà do vậy không thể không tiết kiệm năng lượng. Đứng trước xu hướng hội nhập, những năm gần đây Tổng công ty đã chủ động nắm bắt cơ hội mới, đón trước những thách thức trở ngại, trên cơ sở đó xác định cho mình hướng đi và những giải pháp tích cực để chủ động nâng cao khả năng cạnh tranh khi hội nhập. Để tăng quy mô phát triển của ngành xi măng Việt Nam thì cần có những giải pháp cần thiết nâng cao khả năng cạnh tranh khi hội nhập kinh tế - quốc tế: + Đầu tư phát triển kỹ thuật sản xuất theo hướng quy mô lớn, tự động hóa cao: Với mục tiêu phát triển ngành công nghiệp xi măng đến năm 2010 và định hướng đến năm 2020 ". đưa ngành xi măng Việt Nam thành một nghành công nghiệp mạnh, có công nghệ hiện đại, đủ sức cạnh tranh trên thị trường trong nước và quốc tế trong tiến trình hội nhập." được xác định trong Quyết định 108/2005/QĐ-TTg ngày 16-5-2005 khi Thủ tướng Chính phủ phê duyệt quy hoạch phát triển công nghiệp xi măng Việt Nam.

+ Xây dựng đồng bộ lực lượng lao động có đủ trình độ quản lý, vận hành các cơ sở sản xuất hiện đại, hoạt động trong nền kinh tế thị trường hội nhập. + Mở rộng thị trường, thực hiện tốt nhiệm vụ bình ổn giá cả xi măng trên phạm vi toàn quốc. + Giữ vững vai trò làm công cụ để Nhà nước điều tiết vĩ mô nền kinh tế, Trong thời gian tới, để làm tốt vai trò chủ đạo này chúng tôi thấy tổng công ty cần làm tốt hơn nữa nhiệm vụ là trung tâm tư vấn đầu tư cho các thành phần kinh tế và các địa phương muốn phát triển sản xuất xi măng. Hiện nay nước ta và nước ngoài đang phối hợp với nhau để tận dụng nhiệt khí thải từ các nhà máy xi măng đạt hiệu quả cao.

Điển hình là cuộc họp tại Hà Nội vừa qua, Tổng công ty Công nghiệp xi măng Việt Nam (Vicem) phối hợp với Công ty JFE Engineering Corporation (Nhật Bản) và Công ty Pratt & Whitney Power Systems - PWPS (Mỹ) tổ chức Hội thảo về "Công nghệ thu hồi HVTT: Cao Thái Nguyên Trang 6 Thuyết Minh Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên nhiệt dư để phát điện" dành cho ngành công nghiệp xi măng và các ngành công nghiệp năng lượng của Việt Nam. Trong bối cảnh suy giảm của nền kinh tế, doanh nghiệp sẽ càng khó khăn hơn nếu các khoản chi phí về năng lượng chiếm một phần không nhỏ trong sản xuất. Vì vậy, tiết kiệm năng lượng được coi là việc cần thiết và là yêu cầu tất yếu cho phát triển bền vững. Đây cũng chính là yếu tố tiên quyết để đảm bảo an ninh năng lượng cho tương lai, bảo vệ môi trường và ứng phó với biến đổi khí hậu toàn cầu.

Năm 2000, Tổ chức phát triển nguồn năng lượng mới NEDO của Nhật đã tặng cho Việt Nam một hệ thống thiết bị trạm phát điện nhiệt khí thải công suất 2.