Đặt vấn đề Nhiệt thải là nhiệt phát sinh trong quá trình đốt cháy nhiên liệu hoặc phản ứng hoá học và được thải ra ngoài môi trường, chúng không được tái sử dụng một cách hữu ích cho các mục đích kinh tế. Vấn đề chính mà chúng ta cần quan tâm là “giá trị” chứ không phải khối lượng nhiệt thải. Cơ chế để tân dụng nhiệt thải này phụ thuộc vào nhiệt độ của khí thải Hoạt động của các lò hơi, lò nung, lò luyện và động cơ thường phát sinh ra một lượng lớn khí thải rất nóng. Nếu một phần nhiệt thải này được tận dụng thì chúng ta có thể tiết kiệm được một lượng nhiên liệu đáng kể.
Chúng ta không thể thu hồi được toàn bộ nhưng có thể thu hồi được phần lớn năng lượng trong khí thải. Hiện nay nguồn năng lượng này được tận dụng để dùng vào nhiều mục đích khác nhau: Sản xuất hơi, điện năng, điều hoà không khí hay làm lạnh không khí cấp vào động cơ. Ví dụ về hệ thống tận dụng nhiệt khí thải lò nung clinker phát điện ở Nhà máy xi măng Hà Tiên 2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống: khí thải từ lò quay có nhiệt độ từ 350 – 3800C được dẫn vào nồi hơi thực hiện trao đổi nhiệt tạo ra hơi quá nhiệt.
Dùng hơi quá nhiệt quay turbine dẫn động máy phát điện. Phần khí sau khi đã qua trao đổi nhiệt còn khoảng 2300C được đưa về sấy liệu cho máy nghiền bột sống. Khi lò nung hoạt động bình thường với công suất 3.000 tấn clinker/năm, nhà máy phát được 3 MW điện. Ngoài hiệu quả chính là thu hồi lượng nhiệt thải từ lò nung để phát điện làm giảm chi phí tiêu thụ điện năng, hệ thống thu hồi nhiệt thải còn có những tác dụng phụ tích cực như: Hệ thống đã hấp thụ nhiệt và chuyển thành điện năng, làm giảm nhiệt độ ở đầu vào của các thiết bị thuộc công đoạn phía sau giúp các thiết bị hoạt động ổn định hơn, giảm hư hỏng, tăng tuổi thọ máy nghiền bột sống, quạt gió KK15-KM02, lọc bụi tĩnh điện.
1 Khi tận dụng nhiệt thải, cần xem xét trước hết là chất lượng nhiệt thải. Dựa vào loại quy trình, có thể tận dụng nhiệt thải tại bất kỳ nhiệt độ nào từ nhiệt độ thấp của nước làm mát đến nhiệt độ cao của khí thải trong lò luyện ,lò nung công nghiệp, động cơ. Thông thường, nhiệt độ cao hơn tương ứng với tận dụng nhiệt chất lượng cao hơn và lợi nhuận so với chi phí cao hơn. Trong bất kỳ nghiên cứu về tận dụng nhiệt thải nào cũng vô cùng cần thiết phải có ứng dụng của nhiệt được tận dụng.
Những ví dụ điển hình về sử dụng nhiệt thu hồi bao gồm gia nhiệt sơ bộ không khí đốt, sưởi hoặc gia nhiệt sơ bộ nước cấp nồi hơi hay nước trong quy trình sản xuất. - Chất lượng và tiềm năng sử dụng :[8] Khi xem xét tiềm năng tân dụng nhiệt, nên ghi lại tất cả các nguồn thải khả thi, chất lượng và tiềm năng sử dụng của chúng (xem Bảng 1. Nguồn nhiệt thải và chất lượng STT Nguồn nhiệt thải Chất lượng nhiệt thải và tiềm năng sử dụng 1 Nhiệt tại ống khói khí thải Nhiệt độ càng cao giá trị tiềm năng thu hồi nhiệt càng lớn 2 Nhiệt trong dòng hơi Cũng giống như nhiệt tại khói lò nhưng khi ngưng tụ lại cũng có thể thu hồi nhiệt ẩn 3 Nhiệt bức xạ & đối lưu thất thoát từ Nếu được tận dụng, có thể sử dụng để sưởi nhà bề mặt ngoài của thiết bị hoặc gia nhiệt sơ bộ không khí 4 Thất thoát nhiệt trong nước làm Cấp thấp – sẽ hữu ích nếu trao đổi nhiệt với mát nước tự nhiên đi vào 5 Thất thoát nhiệt trong quá trình 1. Cấp cao nếu có thể tận dụng để giảm nhu cầu cung cấp nước làm mát hoặc thải làm lạnh nước làm mát 2.
Cấp thấp nếu bộ phận làm lạnh được sử dụng như một bơm nhiệt 6 Nhiệt trong các sản phẩm ra khỏi Chất lượng phụ thuộc vào nhiệt độ quy trình 7 Nhiệt trong các chất thải dạng khí Kém, nếu bị ô nhiễm nặng và do vậy cần có và dạng lỏng ra khỏi quy trình thiết bị trao đổi nhiệt hợp kim 2 - Tiềm năng tận dụng nhiệt thải đối với các quy trình công nghiệp khác nhau: Có thể tân dụng nhiệt thải từ các quy trình công nghiệp khác nhau. Có sự phân biệt rõ giữa nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình và nhiệt độ cao của nhiệt thải.2 cho biết nhiệt độ của khí thải từ các thiết bị xử lý công nghiệp trong vùng nhiệt độ cao. Tất cả các kết quả này đều từ quy trình đốt nhiên liệu trực tiếp.2: Nhiệt độ nhiệt thải trong vùng nhiệt độ cao từ các nguồn khác nhau 0 Loại thiết bị Nhiệt độ ( C) Lò tinh luyện niken 1370 – 1650 Lò tinh luyện nhôm 650 – 760 Lò tinh luyện kẽm 760 – 1100 Lò tinh luyện đồng 760 – 815 Lò nung thép 925 – 1050 Lò phản xạ đồng 900 – 1100 Lò đáy bằng ngoài trời 650 – 700 Lò nung xi măng (quy trình sấy) 620 – 730 Lò nung chảy thủy tinh 1000 – 1550 Nhà máy hydro 650 – 1000 Lò thiêu kết chất thải rắn 650 – 1000 Lò thiêu kết hút khói 650 – 1450 Bảng 1.3 cho biết nhiệt độ của khí thải từ các thiết bị xử lý công nghiệp trong vùng nhiệt độ trung bình. Hầu hết nhiệt thải trong vùng nhiệt độ này đều đến từ khí xả của các bộ phận trong quy trình đốt trực tiếp.
Nhiệt độ nhiệt thải điển hình trong vùng nhiệt độ trung bình từ các nguồn khác nhau 0 Loại thiết bị Nhiệt độ ( C) Xả nồi hơi 230 – 480 Xả tuabin khí 370 – 540 Xả động cơ pittông 315 – 600 Xả động cơ pittông (tuabin chịu tải) 230 – 370 Lò xử lý nhiệt 425 – 650 Lò nướng và sấy 230 – 600 Máy cán nghiền xúc tác 425 – 650 Hệ thống làm mát lò ủ 425 - 650 Bảng 1.4 liệt kê một số nguồn nhiệt trong vùng nhiệt độ thấp. Trong vùng nhiệt độ này, thường không thực tiễn khi tách công sinh ra từ nguồn mặc dù hoàn toàn có thể loại trừ sản sinh hơi nếu có nhu cầu về hơi áp suất thấp. Nhiệt thải nhiệt độ thấp có thể có ích trong trường hợp bổ sung cho mục đích gia nhiệt sơ bộ.4: Nhiệt độ nhiệt thải điển hình trong vùng nhiệt độ thấp từ các nguồn khác nhau 0 Nguồn Nhiệt độ C Ngưng hơi từ quy trình 55-88 Nước làm mát từ: Cửa lò luyện 32-55 Giá đỡ 32-88 Máy hàn 32-88 Máy đúc áp lực 32-88 Lò ủ 66-230 Khuôn định hình 27-88 Máy nén khí 27-50 Bơm 27-88 Thiết bị ngưng tụ làm lạnh và điều hòa không khí 32-43 Thiết bị ngưng tụ lắng chất lỏng 32-88 Lò sấy khô, sấy và nướng 93-320 Chất lỏng Xử lý nóng 32-232 Chất rắn xử lý nóng 93-232 4 Bảng 1. Các ứng dụng và thiết bị thu hồi nhiệt thải Thiết bị thu hồi Vùng Nguồn phổ biến Những ứng dụng nhiệt Nhiệt độ phổ biến Device Thiết bị thu hồi H Khí xả lò hơi hoặc lò Gia nhiệt sơ bộ nhiệt bức xạ thiêu không khí đốt cháy Thiết bị thu hồi M-H Lò ủ hoặc ủ đều, lò nung Gia nhiệt sơ bộ nhiệt đối lưu chảy, mỏ đốt sau, thiết bị không khí đốt cháy thiêu khí, mỏ đốt ống bức xạ, lò gia nhiệt lại Máy thu hồi nhiệt H Lò nung chảy thép và Gia nhiệt sơ bộ của lò luyện thủy tinh không khí đốt cháy Bánh xe nhiệt kim L-M Lò sấy khô và sấy, khí xả Gia nhiệt sơ bộ loại lò hơi không khí đốt cháy, Sưởi Bánh xe nhiệt gốm M-H Khí xả lò thiêu hoặc nồi Gia nhiệt sơ bộ hơi lớn hơn không khí đốt cháy Máy thu hồi nhiệt L-M Khí xả lò hơi Gia nhiệt sơ bộ nước kiểu ống có cánh bổ sung cho nồi hơi tản nhiệt Máy thu hồi nhiệt L Nước ngưng làm lạnh, hơi Dòng chất lỏng cần kiểu ống bọc thải, nước ngưng chưng gia nhiệt cất, chất làm lạnh từ động cơ, thiết bị nén khí, giá đỡ Đường ống nhiệt L-M Lò sấy, nướng và sấy khô, Gia nhiệt sơ bộ Hơi thải, máy sấy không không khí cháy, gia khí, lò nung và lò lửa quặt nhiệt sơ bộ nước bổ sung cho nồi hơi, sản sinh hơi, nước nóng , sưởi Nồi hơi nhiệt thải M-H Khí thải từ tuabin khí, Sản sinh hơi hoặc động cơ pittông, lò thiêu nước nóng và lò luyện 5 Trong những đề tài nghiên cứu về tận dụng nhiệt thải, tận dụng nhiệt thải bằng hệ thống thu hồi nhiệt đang là cách tốt nhất để phục hồi nhiệt thải và tiết kiệm nhiên liệu.
Sự phục hồi và sử dụng nhiệt thải không chỉ bảo tồn nhiên liệu , nhiên liệu hóa thạch thường mà còn làm giảm lượng nhiệt thải và hiêu ứng nhà kính đối với môi trường. Với Việt Nam là một quốc gia có nền công nghiệp đang phát triển. Cùng với xu hướng đó là sự phát triển mạnh mẽ của mạng lưới giao thông và phương tiện vận tải. Theo số liệu thống kê tháng 09/2012 của Cục Đăng kiểm Việt Nam, số lượng phương tiện giao thông vận tải đường bộ, đường thủy và xe máy trong cả nước như sau: 1.432 ôtô đang lưu hành, 2.225 xe máy sản xuất lắp ráp mới năm 2012, 258.080 tàu sông các loại, 1.
100 % tàu thủy được trang bị động cơ diesel, 100 % xe máy được trang bị động cơ xăng, khoảng 65 % ôtô được trang bị động cơ diesel và khoảng 35 % ô tô được trang bị động cơ xăng. Hai loại động cơ đốt trong kể trên hoàn toàn đáp ứng yêu cầu với chức năng là nguồn động lực cho ôtô nói riêng và các loại phương tiện cơ giới tự hành nói chung. Ví dụ , hãy xem xét động cơ đốt trong với hiệu suất nhiệt của chu trình là: 30 48%. Nhiệt lượng do khí xả mang đi chiếm 2025% tổng nhiệt sinh ra trong buồng cháy động cơ, ngoài ra nhiệt do nước làm mát thải ra chiếm khoảng 10% đến16% tổng nhiệt lượng sinh ra trong buồng đốt.
Do đó, khí thải sẽ có nhiệt độ cao.Với một nguồn nhiệt thải lớn như vậy nếu biệt tân dụng nó vào mục đích khác nhau thì sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố Hệ thống tận dụng nhiệt thải trên thế giới và trong nước đã có nhiều đề tài nghiên cứu cho nhiều mục đích khác nhau như : 1. Trong nước - GS.LêViết Lượng, NCS.Nguyễn Ngọc Hải, KS.