Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp sản xuất đường mía đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế nhiều quốc gia, trong đó Việt Nam là một trong những nước có tiềm năng phát triển ngành này. Theo ước tính, năng lượng tiêu thụ trong các nhà máy đường chủ yếu là điện, hơi và nhiệt, trong đó hơi sử dụng chiếm tỷ trọng lớn nhất, đặc biệt là hơi áp suất cao, trung áp và hơi bão hòa áp suất thấp. Tuy nhiên, hiện nay các nhà máy đường trong nước còn nhiều hạn chế về thiết bị, trình độ tự động hóa thấp, dẫn đến tiêu hao hơi lớn, khoảng 55-60 tấn hơi/100 tấn mía, làm tăng chi phí sản xuất và giảm khả năng cạnh tranh so với sản phẩm nhập khẩu.

Luận văn tập trung nghiên cứu các biện pháp tiết kiệm năng lượng hơi trong công nghệ sản xuất đường, đặc biệt áp dụng cho Nhà máy đường Tuy Hòa, tỉnh Phú Yên với công suất 1500 tấn mía/ngày. Mục tiêu cụ thể là khảo sát các công đoạn gia nhiệt, cô đặc và nấu đường, tính toán lượng hơi tiêu thụ cho từng công đoạn, từ đó đề xuất phương án sử dụng hơi tiết kiệm nhất nhằm giảm tiêu hao năng lượng, nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm giá thành sản phẩm. Nghiên cứu có phạm vi thời gian thực hiện trong giai đoạn hiện tại tại Nhà máy đường Tuy Hòa, với ý nghĩa thiết thực trong việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong ngành công nghiệp mía đường Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về:

  • Công nghệ sản xuất đường mía: Quá trình thu hoạch, xử lý mía, tách nước mía, cô đặc và nấu đường theo phương pháp sulphit hóa axit tính, với các công đoạn làm sạch, gia nhiệt, cô đặc và kết tinh đường.
  • Hệ thống hơi trong công nghiệp: Phân loại hơi áp suất cao, trung áp và bão hòa áp suất thấp; nguyên lý hoạt động của hệ thống hơi nhiều nồi (multi-effect evaporator) và hệ thống cô đặc nhiều nồi.
  • Nguyên lý tiết kiệm năng lượng hơi: Sử dụng hơi thừa (hơi thở) thay thế cho hơi tươi, nguyên lý cân bằng vật chất và năng lượng trong hệ thống hơi, nguyên lý cân bằng nhiệt và truyền nhiệt trong thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm và dạng ống.
  • Các khái niệm chính: Hiệu suất truyền nhiệt, tổn thất nhiệt do bốc hơi và thoát hơi, cân bằng hơi trong hệ thống, áp suất chân không, nhiệt độ sôi của dung dịch đường, nhiệt độ hơi bão hòa.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu thực tế tại Nhà máy đường Tuy Hòa, bao gồm công suất, lượng mía chế biến, lượng hơi tiêu thụ, nhiệt độ, áp suất hơi, thành phần dung dịch đường và các thông số vận hành thiết bị.
  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phương pháp cân bằng vật chất và năng lượng để tính toán lượng hơi tiêu thụ cho từng công đoạn gia nhiệt, cô đặc và nấu đường. Áp dụng mô hình tính toán trên phần mềm Excel và Turbo Pascal để mô phỏng các phương án sử dụng hơi khác nhau.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong vòng khoảng 6 tháng, bao gồm khảo sát hiện trạng, thu thập số liệu, phân tích và tính toán, đề xuất phương án và đánh giá hiệu quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tiêu hao hơi hiện tại tại Nhà máy Tuy Hòa: Lượng hơi tiêu hao trung bình khoảng 0,55 - 0,6 tấn hơi/tấn mía, cao hơn so với mức tiêu hao lý tưởng trong ngành (khoảng 0,45 - 0,55 tấn hơi/tấn mía). Tiêu hao hơi chủ yếu tập trung ở các công đoạn gia nhiệt, cô đặc và nấu đường, chiếm tới 73,96% tổng lượng hơi tiêu hao.

  2. Phân phối hơi trong hệ thống nhiều nồi: Hệ thống hơi nhiều nồi 4 và 5 nồi được khảo sát cho thấy hiệu suất truyền nhiệt và phân phối hơi chưa tối ưu, với tổn thất nhiệt do bốc hơi và thoát hơi chiếm khoảng 9,8% tổng nhiệt lượng cung cấp cho hệ thống 4 nồi.

  3. Ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ hơi: Việc duy trì áp suất chân không ở mức 630 - 660 mmHg tại nồi cuối cùng giúp giữ nhiệt độ sôi dung dịch đường ở khoảng 52 - 56°C, hạn chế sự phân hủy đường và giảm tổn thất nhiệt. Áp suất và nhiệt độ hơi đầu vào ảnh hưởng trực tiếp đến lượng hơi tiêu hao và hiệu suất truyền nhiệt.

  4. Phương án sử dụng hơi thở thay thế hơi tươi: Sử dụng hơi thở (hơi thừa) thay cho hơi tươi trong các công đoạn gia nhiệt và cô đặc có thể tiết kiệm được khoảng 10-15% lượng hơi tiêu hao, đồng thời giảm chi phí nhiên liệu và tăng hiệu quả sản xuất.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến tiêu hao hơi lớn là do hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt chưa được tối ưu, phân phối hơi không đồng đều và áp suất hơi không được duy trì ổn định. So sánh với các nghiên cứu trong ngành công nghiệp đường tại Đài Loan và các nước phát triển, mức tiêu hao hơi tại Nhà máy Tuy Hòa còn cao hơn khoảng 10-15%, cho thấy tiềm năng cải tiến lớn.

Việc áp dụng hệ thống hơi nhiều nồi với cân bằng nhiệt hợp lý, kết hợp với sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm có hiệu suất truyền nhiệt cao (khoảng 1279 - 1686 W/m².K đối với dung dịch sạch) giúp nâng cao hiệu quả truyền nhiệt, giảm tổn thất nhiệt do bốc hơi và thoát hơi. Ngoài ra, việc kiểm soát nhiệt độ và áp suất hơi trong từng nồi cô đặc giúp hạn chế sự phân hủy đường, giảm tổn thất chất lượng sản phẩm.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân phối hơi trong hệ thống nhiều nồi, bảng so sánh hiệu suất truyền nhiệt của các thiết bị trao đổi nhiệt, và biểu đồ tiêu hao hơi theo từng phương án sử dụng hơi thở và hơi tươi.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa hệ thống hơi nhiều nồi: Điều chỉnh áp suất chân không và nhiệt độ hơi đầu vào, duy trì áp suất chân không ở mức 630 - 660 mmHg tại nồi cuối cùng để giảm tổn thất nhiệt và bảo vệ chất lượng đường. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng; Chủ thể: Ban kỹ thuật nhà máy.

  2. Sử dụng hơi thở thay thế hơi tươi: Áp dụng phương án sử dụng hơi thở trong các công đoạn gia nhiệt và cô đặc nhằm tiết kiệm 10-15% lượng hơi tiêu hao. Thời gian thực hiện: 6 tháng; Chủ thể: Phòng vận hành và bảo trì.

  3. Nâng cấp thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm: Thay thế hoặc bổ sung thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm có hiệu suất truyền nhiệt cao, giảm tổn thất nhiệt do bốc hơi và thoát hơi. Thời gian thực hiện: 12 tháng; Chủ thể: Ban đầu tư và kỹ thuật.

  4. Kiểm soát và xử lý nước ngưng: Thu hồi và tuần hoàn nước ngưng để giảm tổn thất nhiệt, đồng thời xử lý nước ngưng để tránh hiện tượng đóng cặn và ăn mòn thiết bị. Thời gian thực hiện: 6 tháng; Chủ thể: Phòng môi trường và kỹ thuật.

  5. Đào tạo và nâng cao nhận thức vận hành: Tổ chức đào tạo cho công nhân vận hành về kỹ thuật tiết kiệm năng lượng hơi, kiểm soát áp suất và nhiệt độ hơi, vận hành thiết bị hiệu quả. Thời gian thực hiện: liên tục; Chủ thể: Ban quản lý nhân sự và kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và kỹ sư vận hành nhà máy đường: Nắm bắt các biện pháp tiết kiệm năng lượng hơi, tối ưu hóa hệ thống hơi nhiều nồi, nâng cao hiệu quả sản xuất.

  2. Các chuyên gia nghiên cứu và phát triển công nghệ ngành mía đường: Áp dụng các mô hình tính toán cân bằng vật chất và năng lượng, phát triển thiết bị trao đổi nhiệt hiệu suất cao.

  3. Các nhà hoạch định chính sách năng lượng và môi trường: Hiểu rõ về tiềm năng tiết kiệm năng lượng trong ngành công nghiệp đường, từ đó xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển bền vững.

  4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành công nghệ thực phẩm, kỹ thuật nhiệt: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, mô hình tính toán và ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp đường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tiêu hao hơi trong sản xuất đường mía là bao nhiêu?
    Tiêu hao hơi trung bình tại các nhà máy đường Việt Nam khoảng 0,55 - 0,6 tấn hơi/tấn mía, cao hơn mức lý tưởng 0,45 - 0,55 tấn hơi/tấn mía. Việc giảm tiêu hao này giúp giảm chi phí và tăng tính cạnh tranh sản phẩm.

  2. Hệ thống hơi nhiều nồi hoạt động như thế nào?
    Hệ thống hơi nhiều nồi sử dụng hơi áp suất cao để làm bay hơi nước trong dung dịch đường qua nhiều nồi cô đặc liên tiếp, tận dụng nhiệt độ và áp suất giảm dần để tiết kiệm năng lượng.

  3. Làm sao để tiết kiệm năng lượng hơi hiệu quả?
    Sử dụng hơi thở thay thế hơi tươi, duy trì áp suất chân không hợp lý, nâng cấp thiết bị trao đổi nhiệt, thu hồi nước ngưng và đào tạo vận hành là các biện pháp hiệu quả.

  4. Áp suất chân không ảnh hưởng thế nào đến chất lượng đường?
    Áp suất chân không thấp giúp giảm nhiệt độ sôi dung dịch đường, hạn chế sự phân hủy đường và tạo ra sản phẩm chất lượng cao hơn.

  5. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm có ưu điểm gì?
    Thiết bị này có hiệu suất truyền nhiệt cao, diện tích bề mặt lớn, dễ dàng vệ sinh và bảo trì, giúp nâng cao hiệu quả truyền nhiệt và tiết kiệm năng lượng.

Kết luận

  • Tiêu hao hơi trong sản xuất đường tại Nhà máy Tuy Hòa còn cao, chủ yếu do hệ thống hơi và thiết bị trao đổi nhiệt chưa tối ưu.
  • Hệ thống hơi nhiều nồi 4 và 5 nồi được khảo sát cho thấy hiệu suất truyền nhiệt và phân phối hơi chưa đồng đều, gây tổn thất nhiệt đáng kể.
  • Việc duy trì áp suất chân không hợp lý và sử dụng hơi thở thay thế hơi tươi giúp tiết kiệm 10-15% lượng hơi tiêu hao.
  • Nâng cấp thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm và kiểm soát nước ngưng là các giải pháp kỹ thuật quan trọng để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng.
  • Đề xuất thực hiện các biện pháp tiết kiệm năng lượng trong vòng 6-12 tháng nhằm giảm chi phí sản xuất và nâng cao năng lực cạnh tranh của nhà máy.

Hành động tiếp theo: Các nhà quản lý và kỹ sư vận hành nên áp dụng các giải pháp đề xuất, đồng thời tiếp tục nghiên cứu cải tiến công nghệ để phát triển bền vững ngành công nghiệp đường Việt Nam.