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.

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.