Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu hệ thống phát điện tận dụng nhiệt thừa tại nhà máy xi măng

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu hệ thống phát điện tận dụng nhiệt thừa tại nhà máy xi măng, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh

• Tác giả: Lê Văn Khánh
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Chí Kiên
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện – Điện tử
• Đề tài: Nghiên Cứu Hệ Thống Phát Điện Tận Dụng Nhiệt Thừa Tại Nhà Máy Xi Măng
• Loại tài liệu: Luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• MỤC LỤC
• DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH CÁC HÌNH
• DANH SÁCH CÁC BẢNG
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.2. Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài
• 1.3. Mục tiêu của đề tài
• 1.4. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Nội dung nghiên cứu
• 1.7. Điểm mới của đề tài
• 1.8. Kết quả dự kiến
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Giới thiệu đề tài
• 2.2. Nguyên lý hoạt động của nhà máy điện sử dụng chu trình tuốc bin hơi nước
• 2.3. Chu trình Carno hơi nước
• 2.4. Sơ đồ thiết bị và đồ thị chu trình nhà máy điện
• 2.5. Vai trò của nồi hơi trong sản xuất điện
• 2.6. Bộ quá nhiệt
• 2.7. Bộ hâm nước
• 2.8. Tuốc bin nhiều tầng
• 2.9. Chất lượng nước và hơi của lò
• 2.10. Mục đích của việc xử lý nước. Các phương pháp xử lý nước cho lò
• 3. CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH NHÀ MÁY XI MĂNG
• 3.1. Sơ đồ công nghệ sản xuất xi măng
• 3.2. Các công đoạn của qui trình sản xuất xi măng
• 3.3. Khai thác đá vôi
• 3.4. Khai thác đất sét
• 3.5. Vận chuyển và đồng nhất nguyên liệu sơ bộ
• 3.6. Nghiền nguyên liệu
• 3.7. Đồng nhất bột sống
• 3.8. Công nghệ lò nung
• 3.9. Thiết bị làm nguội clinker
• 3.10. Nghiền xi măng
• 3.11. Tồn trữ xi măng, đóng bao, xuất hàng
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN TÍNH KHẢ THI VÀ ĐỀ XUẤT LẮP ĐẶT HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN TẬN DỤNG NHIỆT THỪA
• 4.1. Tính toán tính khả thi của hệ thống phát điện tận dụng nhiệt thừa
• 4.2. Khảo sát thực tế nhà máy xi măng
• 4.3. Tính enthalpy trung bình của hỗn hợp hơi từ 2 nồi hơi
• 4.4. Tính các thông số của hơi quá nhiệt từ hai nồi hơi đi vào tuốc bin
• 4.5. Tính công suất của tuốc bin
• 4.6. Tính lượng giảm phát thải CO2 do hệ thống mang lại
• 4.7. Kết quả tổng hợp
• 4.8. Bảng so sánh trước và sau khi lắp đặt hệ thống
• 4.9. Đề xuất lắp đặt hệ thống phát điện tận dụng nhiệt thừa
• 4.10. Phân tích tính khả thi
• 4.11. Sơ đồ cấu trúc hệ thống phát điện
• 4.12. Các thiết bị chính của hệ thống phát điện
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN
• 5.1. Hướng nghiên cứu phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu phát điện từ nhiệt thừa tại nhà máy xi măng

Nghiên cứu phát điện từ nhiệt thừa tại nhà máy xi măng đang trở thành một xu hướng quan trọng trong ngành công nghiệp. Với nhu cầu điện năng ngày càng tăng, việc tận dụng nguồn năng lượng này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Các nhà máy xi măng thường phát thải một lượng lớn nhiệt khí thải, chủ yếu từ quá trình sản xuất, điều này tạo ra cơ hội lớn để phát điện. Việc nghiên cứu và áp dụng công nghệ phát điện từ nhiệt thừa sẽ mang lại lợi ích kinh tế và môi trường đáng kể.

1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về phát điện từ nhiệt thừa

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tận dụng nhiệt thừa trong các nhà máy xi măng có thể giảm thiểu ô nhiễm và tiết kiệm năng lượng. Các quốc gia như Thái Lan và Trung Quốc đã áp dụng công nghệ này thành công, cho thấy tiềm năng lớn trong việc phát điện từ nhiệt thừa.

1.2. Ý nghĩa của việc phát điện từ nhiệt thừa trong ngành xi măng

Việc phát điện từ nhiệt thừa không chỉ giúp giảm chi phí năng lượng cho nhà máy mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh biến đổi khí hậu và ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng.

II. Vấn đề và thách thức trong việc phát điện từ nhiệt thừa

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc phát điện từ nhiệt thừa tại nhà máy xi măng cũng gặp phải một số thách thức. Đầu tiên, cần có sự đầu tư ban đầu lớn cho hệ thống thu hồi nhiệt và thiết bị phát điện. Thứ hai, việc bảo trì và vận hành hệ thống cũng đòi hỏi kỹ thuật cao và chi phí duy trì. Cuối cùng, cần có sự hỗ trợ từ chính phủ và các chính sách khuyến khích để thúc đẩy việc áp dụng công nghệ này.

2.1. Chi phí đầu tư và bảo trì hệ thống phát điện

Chi phí đầu tư cho hệ thống phát điện từ nhiệt thừa có thể cao, nhưng lợi ích lâu dài từ việc tiết kiệm năng lượng và giảm ô nhiễm sẽ bù đắp cho chi phí này. Việc bảo trì hệ thống cũng cần được chú trọng để đảm bảo hiệu suất hoạt động.

2.2. Cần có chính sách hỗ trợ từ chính phủ

Chính phủ cần có các chính sách khuyến khích và hỗ trợ tài chính cho các nhà máy xi măng trong việc đầu tư vào công nghệ phát điện từ nhiệt thừa. Điều này sẽ giúp thúc đẩy sự phát triển bền vững trong ngành công nghiệp.

III. Phương pháp nghiên cứu và giải pháp phát điện từ nhiệt thừa

Để nghiên cứu khả năng phát điện từ nhiệt thừa, cần thực hiện khảo sát thực tế tại các nhà máy xi măng. Phương pháp nghiên cứu bao gồm thu thập dữ liệu về lượng nhiệt thải ra, phân tích tính khả thi của hệ thống phát điện và đề xuất giải pháp lắp đặt hệ thống. Các giải pháp công nghệ hiện đại như hệ thống thu hồi nhiệt và tuabin hơi nước sẽ được áp dụng để tối ưu hóa hiệu suất phát điện.

3.1. Khảo sát thực tế tại nhà máy xi măng

Khảo sát thực tế sẽ giúp xác định lượng nhiệt thải ra từ các thiết bị trong nhà máy, từ đó tính toán khả năng phát điện. Việc này cũng giúp phát hiện các vấn đề tiềm ẩn trong quá trình sản xuất.

3.2. Đề xuất giải pháp lắp đặt hệ thống phát điện

Dựa trên kết quả khảo sát, các giải pháp lắp đặt hệ thống phát điện sẽ được đề xuất. Hệ thống này cần được thiết kế để tối ưu hóa việc thu hồi nhiệt và phát điện, đồng thời đảm bảo an toàn và hiệu quả.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu phát điện từ nhiệt thừa

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc phát điện từ nhiệt thừa tại nhà máy xi măng có thể mang lại hiệu quả kinh tế cao. Một nhà máy xi măng có công suất lớn có thể thu hồi được hàng triệu kWh điện mỗi năm từ nhiệt thải. Điều này không chỉ giúp giảm chi phí năng lượng mà còn giảm thiểu lượng khí CO2 thải ra môi trường. Các ứng dụng thực tiễn từ nghiên cứu này có thể được nhân rộng cho các nhà máy khác trong ngành công nghiệp.

4.1. Kết quả khảo sát và tính toán khả thi

Kết quả khảo sát cho thấy lượng nhiệt thải ra từ nhà máy xi măng là rất lớn, đủ để phát điện với công suất lên đến 7,1MW. Điều này chứng tỏ tính khả thi của dự án phát điện từ nhiệt thừa.

4.2. Lợi ích kinh tế và môi trường từ việc phát điện

Việc phát điện từ nhiệt thừa không chỉ giúp tiết kiệm chi phí cho nhà máy mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Lượng khí CO2 thải ra có thể giảm đáng kể, góp phần bảo vệ môi trường sống.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu phát điện từ nhiệt thừa

Nghiên cứu phát điện từ nhiệt thừa tại nhà máy xi măng là một hướng đi đúng đắn trong việc tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường. Tương lai của công nghệ này rất hứa hẹn, với khả năng áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp. Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các giải pháp công nghệ mới để tối ưu hóa hiệu suất phát điện từ nhiệt thừa.

5.1. Tương lai của công nghệ phát điện từ nhiệt thừa

Công nghệ phát điện từ nhiệt thừa sẽ tiếp tục phát triển và được áp dụng rộng rãi trong các nhà máy xi măng. Điều này sẽ giúp giảm thiểu ô nhiễm và tiết kiệm năng lượng cho ngành công nghiệp.

5.2. Khuyến nghị cho các nhà máy xi măng

Các nhà máy xi măng nên xem xét đầu tư vào công nghệ phát điện từ nhiệt thừa để tối ưu hóa hiệu suất sản xuất và giảm thiểu tác động đến môi trường. Việc này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp sản xuất xi măng là một trong những lĩnh vực tiêu thụ năng lượng trọng điểm, với định mức tiêu hao trung bình trên 100 kWh điện cho mỗi tấn sản phẩm. Tại Việt Nam, do chưa tận dụng triệt để nguồn nhiệt khí thải lò nung, ước tính mỗi ngày toàn ngành lãng phí gần 5 triệu kWh điện ra môi trường tự nhiên. Khí thải phát sinh từ công đoạn nung luyện clinker thường mang nhiệt lượng rất cao, dao động từ 350°C đến 380°C tại tháp trao đổi nhiệt tầng tiền nung và thiết bị làm nguội clinker. Thực trạng này không chỉ làm gia tăng chi phí sản xuất và phụ thuộc nặng nề vào lưới điện quốc gia, mà còn phát thải lượng lớn bụi cùng khí nhà kính gây biến đổi khí hậu.

Trước thách thức đó, công trình nghiên cứu tập trung đánh giá tiềm năng nhiệt thừa và tính toán tính khả thi kỹ thuật - kinh tế của việc lắp đặt hệ thống phát điện tận dụng nhiệt khí thải (Waste Heat Recovery Power Plant - WHRPP) tại nhà máy xi măng Kiên Lương, tỉnh Kiên Giang với công suất lò nung 4.300 tấn clinker/ngày. Nghiên cứu xác lập các thông số nhiệt động thực tế, phân tích enthalpy dòng khí bụi để thiết kế cấu trúc trạm phát điện tối ưu.

Kết quả tính toán khẳng định khả năng thu hồi nhiệt để vận hành máy phát điện có công suất lên đến 7,1 MW, cung ứng 50.000 MWh điện sạch mỗi năm và giảm phát thải 43.313 tấn CO2/năm. Nếu mô hình này được nhân rộng cho toàn bộ các nhà máy xi măng lò quay hệ khô trên cả nước, tổng công suất phát điện dự kiến đạt tới 200 MW, đáp ứng khoảng 25% tổng nhu cầu điện năng tự dùng của toàn ngành xi măng Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết chu trình nhiệt động Rankine cải tiến từ chu trình Carnot lý tưởng cho môi chất nước và hơi nước. Khác với chu trình nhiệt điện đốt than truyền thống, nguồn cấp nhiệt cho chu trình Rankine ở đây là năng lượng nhiệt thải từ dòng khói lò xi măng. Nước ngưng sau khi qua bình ngưng và bơm cấp được gia nhiệt lần lượt qua bộ hâm nước (Economizer), dàn ống sinh hơi bão hòa (Evaporator) và bộ quá nhiệt (Superheater) để tạo thành dòng hơi quá nhiệt ở áp suất 1,6 bar với nhiệt độ từ 310°C đến 330°C. Dòng hơi này giãn nở sinh công trong tuabin hơi nhiều tầng (kết hợp tầng tốc độ xung lực và các tầng áp lực phản lực) để kéo máy phát điện xoay chiều ba pha đồng bộ.

Bên cạnh đó, nghiên cứu tích hợp lý thuyết truyền nhiệt đối lưu - bức xạ và phương pháp nhiệt dung phân tử phụ thuộc nhiệt độ nhằm xác định chính xác enthalpy biến thiên của hỗn hợp khí đa thành phần (gồm O2, CO2, H2O, N2) và bụi clinker theo nhiệt độ tuyệt đối Kelvin. Hệ số bão hòa vôi (LSF) và chất lượng nước cấp lò hơi (khử cứng, phốt phát hóa, khử khí oxy hòa tan) cũng được vận dụng làm nền tảng kiểm soát an toàn vận hành, chống hiện tượng đóng cáu cặn canxi và magiê trên bề mặt trao đổi nhiệt.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu khảo sát thực nghiệm liên tục tại dây chuyền sản xuất clinker của nhà máy xi măng Kiên Lương trong mốc thời gian 6 tháng. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 10 chu kỳ đo lường độc lập ở các trạng thái vận hành ổn định và biến động phụ tải với năng suất trung bình 4.308,67 tấn clinker/ngày. Phương pháp chọn mẫu là đo đạc ngẫu nhiên phân tầng tại các mặt cắt ống dẫn khí chính của tháp tiền nung (SP) và ghi làm nguội clinker (AQC).

Thiết bị đo chuyên dụng thu thập các biến số: áp suất khí (-76,35 mbar tại SP; -5,51 mbar tại AQC), nhiệt độ dòng khí, lưu lượng thể tích và thành phần phần trăm thể tích các chất khí. Nghiên cứu lựa chọn phương pháp phân tích giải tích nhiệt động học kết hợp thuật toán vi phân enthalpy từng cấu tử thay vì tính toán đại số đơn giản. Lý do lựa chọn là phương pháp này giúp định lượng chính xác phần nhiệt lượng chứa trong hạt bụi lơ lửng, loại bỏ sai số khi nhiệt dung riêng thay đổi liên tục theo nhiệt độ làm việc, từ đó đảm bảo độ tin cậy tuyệt đối cho mô hình thiết kế trạm phát điện.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Khảo sát thực nghiệm 10 lần đo tại dây chuyền nung clinker ghi nhận các thông số vật lý và nhiệt động quan trọng:

• Khí thải tháp tiền nung (SP): Lưu lượng thể tích đạt trung bình 266.260 Nm3/h tại nhiệt độ 365,7°C, nồng độ bụi là 76,8 g/Nm3 (tương đương 0,111 kg bụi/kg clinker). Thành phần khí gồm 31,0% CO2, 56,8% N2, 10,0% H2O và 2,2% O2. Tổng enthalpy dòng khí nóng có lẫn bụi đi vào nồi hơi SP đạt 557,39 kJ/Nm3. Khi ra khỏi nồi hơi ở nhiệt độ 215°C, enthalpy giảm còn 290,49 kJ/Nm3, giải phóng lượng nhiệt hữu ích rất lớn.
• Khí thải thiết bị làm nguội clinker (AQC): Lưu lượng trung bình đạt 168.627 Nm3/h tại nhiệt độ 366,3°C, nồng độ bụi 31,2 g/Nm3 với lưu lượng bụi 5,7 tấn/giờ. Dòng khí chứa 19,7% O2, 70,3% N2 và 10,0% H2O, mang nguồn nhiệt dồi dào sẵn sàng đưa vào nồi hơi thứ cấp.
• Công suất phát điện và tỷ lệ tự dùng: Hệ thống kết hợp 2 nồi hơi SP và AQC sinh ra lượng hơi quá nhiệt đủ để vận hành tổ máy tuabin - máy phát có công suất định mức 7,5 MW và công suất vận hành bình quân 7,1 MW. Với thời gian hoạt động 7.200 giờ/năm, sản lượng điện phát ra đạt hơn 50 triệu kWh/năm, đáp ứng hơn 25% nhu cầu tiêu thụ điện của toàn nhà máy.
• Hiệu quả bảo vệ môi trường: Dự án giúp cắt giảm 43.313 tấn CO2 phát thải mỗi năm, đồng thời hạ nhiệt độ khí thải từ trên 365°C xuống còn 100°C - 215°C và giảm nồng độ bụi từ mức 50 - 100 mg/Nm3 xuống dưới 30 mg/Nm3 (giảm hơn 50% lượng bụi mịn ra môi trường).

Thảo luận kết quả

Các thông số nhiệt động của chu trình Rankine được thể hiện sinh động qua đồ thị nhiệt độ - entropy (T-s) và sơ đồ cân bằng năng lượng Sankey. Đồ thị T-s minh chứng rằng việc giãn nở hơi quá nhiệt qua các tầng tuabin giúp khai thác tối đa độ giảm nhiệt giáng mà không gây ngưng tụ ẩm sớm ở các tầng cánh cuối, bảo vệ tuabin khỏi hiện tượng xâm thực cơ học.

Nguyên nhân cốt lõi giúp hệ thống đạt hiệu suất cao là cấu hình hồi nhiệt kép: kết hợp nhiệt khí thải tháp tiền nung SP (nhiệt độ cao, giàu CO2) với nhiệt khí làm nguội AQC (nhiệt độ cao, không chứa CO2) để hòa chung dòng hơi quá nhiệt vào tuabin ngưng hơi. Kết quả này tương đồng với các kết luận của Gupta và cộng sự khi chỉ ra rằng khoảng 35% lượng nhiệt nung clinker (tương đương 70 - 75 MW nhiệt) có thể thu hồi. Đồng thời, kết quả tính toán tại Kiên Lương hoàn toàn phù hợp với nghiên cứu của Dương Hòa An và Nguyễn Thị Thanh Thủy tại Nhà máy Xi măng La Hiên.

Về mặt kinh tế, với tổng mức đầu tư từ 6 đến 7 triệu USD cho dây chuyền 4.000 - 4.300 tấn clinker/ngày, giá thành phát điện chỉ dao động khoảng 200 - 300 VNĐ/kWh. Thời gian thu hồi vốn thực tế chỉ mất từ 2,5 đến 3 năm và giúp tiết kiệm từ 17.000 đến 21.000 tấn than tiêu chuẩn mỗi năm, chứng minh tính vượt trội về mặt tài chính so với nhiều dạng năng lượng tái tạo khác.

Đề xuất và khuyến nghị

• Lắp đặt hệ thống nồi hơi tận dụng nhiệt kép SP và AQC: Tổng công ty Công nghiệp Xi măng Việt Nam (Vicem) cùng ban lãnh đạo các nhà máy xi măng cần phê duyệt thiết kế và lắp đặt 01 nồi hơi đứng tại tháp SP và 01 nồi hơi tại buồng làm nguội AQC, hoàn thành trong mốc thời gian 12 - 18 tháng để đạt công suất phát điện mục tiêu 7,1 - 7,5 MW.
• Tích hợp bộ điều khiển tuabin kỹ thuật số hiện đại: Đội ngũ kỹ sư cơ điện nhà máy triển khai tích hợp bộ điều tốc kỹ thuật số chuyên dụng (như Woodward 505) và hệ thống phân phối điều khiển DCS nhằm tự động hóa quá trình hòa đồng bộ lưới điện, kiểm soát áp suất hơi vào tuabin ổn định ở mức 1,6 bar, duy trì thời gian vận hành liên tục 7.200 giờ/năm.
• Nâng cấp hệ thống xử lý nước và khử khí cấp lò: Phòng Công nghệ kỹ thuật thực hiện cải tạo dây chuyền làm mềm nước bằng phương pháp trao đổi ion hai cấp kết hợp khử khí nhiệt độ cao, bảo đảm nồng độ oxy hòa tan trong nước cấp dưới 0,02 mg/lít và độ cứng đạt chuẩn nhằm triệt tiêu hoàn toàn nguy cơ đóng cáu cặn trong suốt vòng đời thiết bị 20 năm.
• Ban hành quy chuẩn bắt buộc và hỗ trợ tín dụng xanh: Bộ Xây dựng phối hợp với Bộ Tài nguyên và Môi trường thiết lập quy định bắt buộc trang bị trạm phát điện nhiệt thừa đối với tất cả các dây chuyền sản xuất xi măng có công suất từ 2.500 tấn clinker/ngày trở lên, đồng thời hỗ trợ doanh nghiệp đăng ký chứng chỉ giảm phát thải carbon (CERs) để thương mại hóa 43.313 tấn CO2 cắt giảm mỗi năm trên thị trường tín chỉ carbon quốc tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Ban lãnh đạo và giám đốc kỹ thuật các doanh nghiệp xi măng: Tiếp cận bức tranh toàn diện về bài toán kinh tế - kỹ thuật, các chỉ số hoàn vốn (2,5 - 3 năm), suất đầu tư (6 - 7 triệu USD) và tiềm năng cắt giảm 25% chi phí tiền điện để đưa ra quyết định đầu tư chính xác.
• Kỹ sư thiết kế nhiệt điện và kỹ sư vận hành nhà máy công nghiệp: Khai thác trọn bộ công thức nhiệt động phân tử, phương pháp tính enthalpy dòng khí bụi thực tế và cấu hình thiết bị tuabin - nồi hơi - máy phát để áp dụng trực tiếp vào công tác thiết kế, giám sát thi công và bảo trì trạm WHRPP.
• Cơ quan hoạch định chính sách năng lượng và môi trường: Sử dụng các số liệu thực chứng về giảm 43.313 tấn CO2/năm và tiềm năng 200 MW công suất toàn quốc để xây dựng chiến lược chuyển dịch năng lượng xanh và chương trình sử dụng năng lượng tiết kiệm, hiệu quả quốc gia.
• Giảng viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Năng lượng: Sử dụng dữ liệu đo đạc thực nghiệm 10 chu kỳ tại Kiên Lương và mô hình toán nhiệt động làm tài liệu tham khảo giảng dạy, nghiên cứu mở rộng sang các ngành công nghiệp phát thải nhiệt lớn khác như luyện kim, gốm sứ và sản xuất giấy.

Câu hỏi thường gặp

• Hiệu quả tài chính cụ thể của hệ thống phát điện nhiệt thừa tại nhà máy xi măng là gì? Hệ thống tạo ra sản lượng điện 50 triệu kWh/năm với chi phí sản xuất cực thấp, chỉ 200 - 300 VNĐ/kWh. So với giá điện lưới công nghiệp hiện hành, trạm phát điện giúp nhà máy tự chủ 25% nhu cầu năng lượng, tiết kiệm hàng chục tỷ đồng mỗi năm và hoàn vốn đầu tư 6 - 7 triệu USD trong vòng 2,5 - 3 năm.

• Nồng độ bụi khói lò rất cao có gây mài mòn và hư hại nồi hơi thu hồi nhiệt không? Khảo sát cho thấy nồng độ bụi tại tháp SP lên tới 76,8 g/Nm3. Tuy nhiên, thiết kế nồi hơi tận dụng nhiệt sử dụng kết cấu ống trơn khoảng cách rộng, bố trí phễu thu hồi bụi clinker dưới đáy và trang bị hệ thống thổi bụi tự động bằng khí nén hoặc sóng âm, giúp bảo vệ dàn ống và nâng cao tuổi thọ thiết bị.

• Điểm khác biệt cốt lõi giữa chu trình Rankine của trạm nhiệt thừa và nhà máy nhiệt điện đốt than là gì? Trạm phát điện nhiệt thừa không sử dụng buồng đốt nhiên liệu độc lập mà tận dụng trực tiếp nhiệt khói thải 365°C - 366°C từ tháp tiền nung và làm nguội clinker. Môi chất hơi sinh ra ở áp suất trung bình 1,6 bar được dẫn vào tuabin ngưng hơi để phát điện mà không tốn thêm bất kỳ chi phí than hay dầu nào.

• Dự án đóng góp vào việc bảo vệ môi trường và ứng phó biến đổi khí hậu ra sao? Nhờ thay thế 50 triệu kWh điện lưới mỗi năm và tiết kiệm 17.000 - 21.000 tấn than tiêu chuẩn, dự án cắt giảm trực tiếp 43.313 tấn khí CO2 thải vào khí quyển. Đồng thời, hệ thống hạ nhiệt độ dòng khói thải xuống hơn 150°C và giảm nồng độ bụi phát thải xuống dưới 30 mg/Nm3.

• Dây chuyền sản xuất clinker cần đáp ứng điều kiện quy mô nào để lắp đặt hệ thống hiệu quả? Để đạt điểm hòa vốn tối ưu, nhà máy cần vận hành lò quay hệ khô công suất tối thiểu từ 2.500 tấn clinker/ngày trở lên, lưu lượng khí thải ổn định ở dải nhiệt độ trên 300°C và thời gian hoạt động của lò nung đạt từ 7.000 đến 7.200 giờ mỗi năm.

Kết luận

• Đã định lượng chính xác nguồn nhiệt dư tại nhà máy xi măng Kiên Lương với lưu lượng khí tháp SP đạt 266.260 Nm3/h (365,7°C) và ghi AQC đạt 168.627 Nm3/h (366,3°C).
• Chứng minh tính khả thi kỹ thuật của mô hình phát điện chu trình Rankine công suất 7,1 MW, tự cấp 25% nhu cầu điện năng cho toàn bộ dây chuyền sản xuất clinker.
• Khẳng định giá trị kinh tế và môi trường vượt bậc: tiết kiệm đến 21.000 tấn than tiêu chuẩn/năm, hoàn vốn sau 2,5 - 3 năm và cắt giảm 43.313 tấn khí nhà kính CO2/năm.
• Đề xuất lộ trình công nghệ rõ ràng với thời gian triển khai lắp đặt từ 12 đến 18 tháng, sẵn sàng nhân rộng cho hệ thống lò nung trên toàn quốc với tiềm năng công suất 200 MW.
• Kêu gọi các doanh nghiệp sản xuất xi măng và cơ quan quản lý nhà nước nhanh chóng xúc tiến đầu tư hệ thống phát điện nhiệt thải, thúc đẩy mục tiêu phát triển bền vững và trung hòa carbon cho ngành công nghiệp Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan - Chương 2: Cơ sở lý thuyết - Chương 3: Phân tích nhà máy xi măng - Chương 4: Tính toán tính khả thi và đề xuất lắp đặt hệ thống phát điện tận dụng nhiệt thừa - Chương 5: Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển 1. Điểm mới của đề tài - Phân tích lượng nhiệt dư thừa thực tế tại nhà máy xi măng để tính toán tính khả thi của hệ thống phát điện tận dụng nhiệt thừa. - Lập phần mềm tính toán để từ đó có thể áp dụng nhân rộng cho các nhà máy xi măng khác. Kết quả dự kiến - Mô hình toán học chứng minh tính khả thi của hệ thống phát điện tận dụng nhiệt thừa tại nhà máy xi măng nhằm mang lại hiệu quả kinh tế và đặc biệt giảm thiểu ô nhiễm môi trường - Tài liệu và kết quả nghiên cứu có thể được phục vụ nghiên cứu ở mức độ cao hơn HVTH: Lê Văn Khánh Trang 6 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.

Lê Chí Kiên Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Giới thiệu đề tài Hiện nay các nhà máy sản xuất được xây dựng ngày càng nhiều. Trong nhà máy sản xuất nhất thiết phải có sử dụng điện, mà nguồn điện của Việt Nam hiện nay lại thiếu, giá thành cao. Trong khi đó lượng nhiệt thải ra môi trường của các nhà máy sản xuất cũng khá cao, vậy tại sao chúng ta không tự phát điện cho bản thân nhà máy bằng chính lượng nhiệt thải này.

Tuy lượng điện phát ra không nhiều nhưng cũng đã góp phần tiết kiệm cho nhà máy một cách đáng kể. Bên cạnh đó, việc này cũng làm giảm sự ô nhiễm môi trường xung quanh. Sản xuất xi măng luôn gắn liền với tiêu thụ năng lượng than và điện. Trong quá trình sản xuất vận hành lò nung sẽ phát sinh một lượng khí thải và bụi khá lớn ở nhiệt độ cao (khoảng 360oC), chủ yếu tại tầng tháp sấy sơ bộ và ghi làm nguội clinker.

Quá trình này vừa gây ô nhiễm môi trường, vừa lãng phí năng lượng, từ đó giảm hiệu quả sản xuất. Để tận dụng lượng khí thải và tái tạo thành năng lượng cung cấp cho sản xuất, các nhà máy xi măng cần đầu tư hệ thống phát điện tận dụng nhiệt khí thải. Theo tính toán, để sản xuất ra một tấn xi măng phải tiêu hao hơn 100 kWh điện. Với sản lượng sản xuất xi măng như hiện nay và nếu tất cả các nhà máy xi măng lò quay hệ khô của Việt Nam được trang bị hệ thống phát điện tận dụng nhiệt khí thải thì tổng công suất các trạm phát điện đạt khoảng 200 MW, giảm được khoảng 25% lượng điện tiêu thụ từ lưới điện, đồng thời giảm đáng kể tình trạng ô nhiễm môi trường.

Việc triển khai hệ thống tận dụng nhiệt khí thải lò nung để phát điện đã mang lại nhiều lợi ích trực tiếp làm giảm giá thành và nâng cao sức cạnh tranh của sản phẩm rất phù hợp với sản xuất xi măng, một ngành tiêu hao nhiều năng lượng và ảnh hưởng môi trường. HVTH: Lê Văn Khánh Trang 7 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS. Lê Chí Kiên Bảng 2.1: Tổng hợp các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật chủ yếu của trạm phát điện cho các loại công suất lò nung clinker [9] Chỉ số cho các lò nung Thông số kinh tế kĩ thuật của trạm Stt Đơn vị (tấn clinker/ ngày) phát điện 2500T 4000T 5000T 1 Công suất lắp đặt MW 4,5 7,5 9,0 2 Công suất phát điện bình quân MW 4,0 7,0 8,6 3 Thời gian hoạt động/ năm Giờ 7200 7200 7200 4 Lượng phát điện/ năm MWh 28800 50000 62000 5 Cán bộ kĩ thuật vận hành trạm Người 10 10 10 6 Tổng mức đầu tư Triệu USD 1,0 6 - 7,0 8,0 7 Giá điện trung bình VNĐ/KWh 200-300 200-300 200-300 8 Thời gian thu hồi vốn Năm 2,5 - 3 2,5 - 3 2,5 - 3 Khí thải của lò nung clinker ở nhiệt độ 350 - 380oC với khối lượng lớn 2000 - 2500 m3/tấn clinker, với lò nung có công suất 4000 tấn clinker/ngày sẽ thải ra 10 triệu m3/ngày với nồng độ bụi từ 50 - 100 mg/Nm3 sẽ gây hiệu ứng nhà kính, ô nhiễm môi trường sinh thái nghiêm trọng. Nhưng khi nó được qua hệ thống hấp thụ nhiệt và chuyển thành điện năng của trạm sử dụng nhiệt dư để phát điện làm giảm nhiệt độ 100 - 200oC và giảm nồng độ bụi trong khí thải xuống mức 30 mg/Nm3 sẽ góp phần cải thiện môi trường, giảm hiệu ứng nhà kính.

Sử dụng khí thải của lò nung clinker để phát điện sẽ tiết kiệm được lượng nhiên liệu 340 – 420g than tiêu chuẩn/kWh. Với lò nung clinker 4000 t/ngày, lượng phát điện 50 triệu kWh sẽ tiết kiệm được từ 17000 - 21000 t/năm than tiêu chuẩn. HVTH: Lê Văn Khánh Trang 8 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS. Lê Chí Kiên 2.

Nguyên lý hoạt động của nhà máy điện sử dụng chu trình tuốc bin hơi nước Hiện nay, trên thế giới người ta đã xây dựng được tất cả các loại nhà máy điện biến đổi các dạng năng lượng thiên nhiên thành điện năng. Tuy nhiên sự hoàn thiện, mức độ hiện đại và giá thành điện năng của các loại nhà máy điện đó rất khác nhau, tùy thuộc vào thời gian được nghiên cứu phát triển loại hình nhà máy điện đó. Đối với những nước đang phát triển như Việt Nam, do nền công nghiệp còn chậm phát triển, tiềm năng về kinh tế còn yếu do đó xây dựng chủ yếu nhà máy nhiệt điện dùng tuốc bin hơi hoặc dùng chu trình hỗn hợp, trong đó biến đổi năng lượng của nhiên liệu thành điện năng. Chu trình Carno hơi nước Ở phần nhiệt động ta đã biết chu trình Carno thuận chiều là chu trình có hiệu suất nhiệt cao nhất khi có cùng nhiệt độ nguồn nóng và nguồn lạnh.

Chu trình Carno lý tưởng gồm 2 quá trình đoạn nhiệt và 2 quá trình đẳng nhiệt. Về mặt kỹ thuật, dùng 3 khí thực trong phạm vi bão hòa có thể thực hiện được chu trình Carno và vẫn đạt được hiệu suất nhiệt lớn nhất khi ở cùng phạm vi nhiệt độ. Chu trình Carno áp dụng cho khí thực trong vùng hơi bão hòa được biểu diễn trên hình 2. Tuy nhiên, đối với khí thực và hơi nước thì việc thực hiện chu trình Carno rất khó khăn, vì những lý do sau đây: - Quá trình hơi nhả nhiệt đẳng áp, ngưng tụ thành nước (quá trình 2 - 3) là quá trình ngưng tụ thực hiện không hoàn toàn, hơi ở trang thái 3 vẫn là hơi bão hòa, có thể tích riêng rất lớn, do đó để thực hiện quá trình nén đoạn nhiệt hơi ẩm theo quá trình 3 - 4, cần phải có máy nén kích thước rất lớn và tiêu hao công rất lớn.

Nhiệt độ tới hạn của nước thấp nên độ chênh nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh của chu trình không lớn lắm, do đó công của chu trình nhỏ. Độ ẩm của hơi trong tuốc bin cao, các giọt ẩm có kích thước lớn sẽ và đập vào cánh tuốc bin gây ra hiện tượng xâm thực tuốc bin. HVTH: Lê Văn Khánh Trang 9 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS. Lê Chí Kiên Hình 2.1: Chu trình Carno hơi nước 2.

Sơ đồ thiết bị và đồ thị chu trình nhà máy điện Như chúng ta đã biết, tuy có hiệu suất nhiệt cao nhưng chu trình Carno có một số nhược điểm như đã nêu ở trên khi áp dụng cho khí thực, nên trong thực tế người ta không áp dụng chu trình Carno mà áp dụng một chu trình cải tiến gần với chu trình này gọi là chu trình Renkin. Chu trình Renkin là chu trình thuận chiều, biến nhiệt thành công. Chu trình Renkin là chu trình nhiệt được áp dụng trong tất cả các loại nhà máy nhiệt điện, môi chất làm việc trong chu trình là nước và hơi nước. Tất cả các thiết bị của các nhà máy nhiệt điện đều giống nhau trừ thiết bị sinh hơi I.

Trong thiết bị sinh hơi, nước nhận nhiệt để biến thành hơi. Đối với nhà máy nhiệt điện, thiết bị sinh hơi là nồi hơi, trong đó nước nhận nhiệt từ quá trình đốt cháy nhiên liệu. Đối với nhà máy điện mặt trời hoặc địa nhiệt, nước nhận nhiệt từ năng lượng mặt trời hoặc từ nhiệt năng trong lòng đất. Đối với nhà máy điện nguyên tử, thiết bị sinh hơi là thiết bị trao đổi nhiệt, trong đó nước nhận nhiệt từ chất tải nhiệt trong lò phản ứng hạt nhân ra.

HVTH: Lê Văn Khánh Trang 10 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS. Lê Chí Kiên Hình 2.2: Đồ thị T – s của chu trình NMNĐ Sơ đồ thiết bị của chu trình nhà máy nhiệt điện và đồ thị T-s của chu trình được trình bày trên hình 2. Nước ngưng trong bình ngưng IV (ở trạng thái 2’ trên đồ thị) có thông số p2, được bơm V bơm vào thiết bị sinh hơi I, áp suất tăng từ p2 đến áp suất p2’-3). Trong thiết bị sinh hơi, nước trong các ống sinh hơi nhận nhiệt tỏa ra từ quá trình cháy, nhiệt độ tăng lên đến sôi (quá trình 3 - 4), hoá hơi (quá trình 4 - 5) và thành hơi quá nhiệt trong bộ quá nhiệt II (quá trình 5 - 1).

Quá trình 3 – 4 – 5 – 1 là quá trình hóa hơi đẳng áp ở áp suất p = const. Hơi ra khỏi bộ quá nhiệt II (ở trạng thái 1) có thông số p1, t1 đi vào tuốc bin III, ở đây hơi dãn nở đoạn nhiệt đến trạng 2, t2 (quá trình nhiệt năng thành cơ năng (quá trình 1 - 2) và sinh công trong tuốc bin. Hơi ra khỏi tuốc bin có thông số p2, t2, đi vào bình ngưng IV, ngưng tụ thành nước (quá trình 2 - 2’), rồi lại được bơm V bơm trở về lò. Quá trình nén đoạn nhiệt trong bơm có thể xem là quá trình nén đẳng tích vì nước không chịu nén (thể tích ít thay đổi).

Vai trò của nồi hơi trong sản xuất điện Nồi hơi là thiết bị trong đó xảy ra quá trình đốt cháy nhiên liệu, nhiệt lượng tỏa ra sẽ biến nước thành hơi, biến năng lượng của nhiên liệu thành nhiệt năng của dòng hơi. HVTH: Lê Văn Khánh Trang 11 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS. Lê Chí Kiên Trong nhà máy điện, nồi hơi sản xuất ra hơi để làm quay tuốc bin, phục vụ cho việc sản xuất điện năng, đòi hỏi phải có công suất lớn, hơi là hơi quá nhiệt có áp suất và nhiệt độ cao. Nhiên liệu đốt trong nồi hơi có thể là nhiên liệu rắn như than, củi, bã mía, có thể là nhiên liệu lỏng như dầu nặng (FO), dầu diezen (DO) hoặc nhiên liệu khí.