TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Ngành công nghiệp xi măng có tiềm năng tiết kiệm năng lượng rất lớn, với khả năng đạt tới 50% theo các nghiên cứu toàn cầu Tuy nhiên, vấn đề tiết kiệm năng lượng trong ngành này, đặc biệt là tại Việt Nam, vẫn đang là một chủ đề "nóng" trong các hội thảo về tiết kiệm năng lượng Hiện tại, vẫn chưa có quyết sách và đường lối thực sự hiệu quả để giải quyết vấn đề này.
Sự gia tăng bất cập giữa nhu cầu sử dụng năng lượng và khả năng cung cấp, cùng với những kêu gọi về biến đổi khí hậu và mất cân bằng sinh thái, đã thúc đẩy các quốc gia ban hành chính sách tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường Việt Nam, với tốc độ phát triển mạnh mẽ, đang đối mặt với nhu cầu năng lượng ngày càng cao, trong khi nguồn cung lại thiếu hụt nghiêm trọng và tốc độ xây dựng nhà máy điện không đủ đáp ứng Ngành xi măng, một trong những lĩnh vực kinh tế quan trọng, không chỉ đóng góp lớn vào sự phát triển của đất nước mà còn tiêu thụ một lượng điện năng rất lớn trong sản xuất.
Trong bối cảnh nguồn năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch như than và dầu mỏ đang dần cạn kiệt, việc tiết kiệm và sử dụng hiệu quả năng lượng trở nên cấp bách Tại Thái Lan, 80% nhà máy xi măng đã áp dụng công nghệ phát điện tận dụng khí nhiệt thừa, trong khi ở Trung Quốc, từ năm 2009, Chính phủ yêu cầu các dự án mới phải có hệ thống phát điện nhiệt dư.
Các nhà máy xi măng có tiềm năng lớn trong việc ứng dụng công nghệ tận thu nhiệt thải để phát điện Hiện nay, nhiều đơn vị thuộc Tổng công ty công nghiệp Xi măng Việt Nam (Vicem) như Công ty xi măng Hà Tiên 1 và Hà Tiên 2 đang triển khai các dự án này Việc tận dụng nhiệt thải không chỉ giảm áp lực cho lưới điện quốc gia mà còn giúp các nhà máy tự cung cấp năng lượng và giảm lượng khí thải ra môi trường.
Theo các chuyên gia, để sản xuất một tấn xi măng, cần tiêu tốn hơn 100 kWh điện Hiện nay, với sản lượng xi măng và lượng nhiệt khí thải không được tận dụng, Việt Nam đang lãng phí gần 5 triệu kWh điện mỗi ngày Nếu tất cả các nhà máy xi măng lò quay hệ khô được trang bị hệ thống phát điện tận dụng nhiệt khí thải, có thể thu hồi khoảng 25% lượng điện tiêu thụ từ lưới điện, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường đáng kể.
Việc lựa chọn nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu hệ thống phát điện tận dụng nhiệt thừa tại nhà máy xi măng” là cần thiết và cấp bách do những lý do đã nêu.
Hình 1.1: Nhà máy xi măng tại Kiên Lương
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước:
Trong những năm gần đây, nhiều nhóm nghiên cứu trong nước đã tiến hành các nghiên cứu về phương án phát điện từ nhiệt thừa trong các nhà máy công nghiệp, đặc biệt là trong ngành sản xuất xi măng.
- Năm 2001, các tác giả Lê Quốc Khánh và Trương Duy Vĩnh đã có nghiên cứu về
Công ty Bóng đèn Phích nước Rạng Đông đang nghiên cứu tận dụng nhiệt thừa từ khói thải lò nấu thủy tinh để phát điện, nhằm giảm chi phí nhiên liệu cho sản xuất Trong ngành sành sứ và thủy tinh, chi phí nhiên liệu, chủ yếu là dầu FO, chiếm tỷ trọng lớn trong giá thành sản phẩm Việc thải khói với nhiệt độ cao ra môi trường không chỉ lãng phí mà còn gây ô nhiễm Đề tài này, được thực hiện với sự hợp tác của Hội KHKT Nhiệt Việt Nam, được đánh giá có ý nghĩa thực tiễn cao và có thể áp dụng cho nhiều cơ sở khác.
Vào đầu năm 2015, Đinh Quang Huy đã hoàn thành đề tài “Nghiên cứu thiết kế và xây dựng lò sấy sơ cấp gạch ngói tận dụng nhiệt khí thải lò nung”, được thực hiện bởi Hội Gốm sứ Xây dựng Đề tài đã được Hội đồng KHKT chuyên ngành Bộ Xây dựng nghiệm thu với mức độ hoàn thành xuất sắc vào ngày 20/1 Nhóm nghiên cứu đã thiết kế và lắp dựng lò sấy sơ cấp tại nhà máy gạch tuynel Bá Hiến (Vĩnh Phúc), cho phép giảm độ ẩm của gạch từ 20-22% xuống độ ẩm trung bình, mang lại kết quả tích cực.
Để đạt được cường độ mộc cần thiết, cần duy trì độ ẩm từ 10 - 12%, cho phép xếp tối đa 19 lớp gạch tiêu chuẩn lên xe goòng để đưa vào hầm sấy thứ cấp Trong lò sấy sơ cấp, nhóm nghiên cứu đã tính toán các yếu tố như tác nhân sấy (hỗn hợp khí nóng và khói lò) và lượng nhiệt cần thiết để đạt độ ẩm tiêu chuẩn cho gạch mộc Điểm nổi bật của lò sấy này là hệ thống quạt tuần hoàn với khả năng đảo gió đa chiều, tạo ra các luồng gió rối trong lò Điều này giúp tăng cường sự trao đổi nhiệt và độ ẩm, cho phép vật liệu khô nhanh và đều, đồng thời tối ưu hóa năng lượng sấy và tăng cường giải phóng ẩm từ bề mặt vật liệu ra môi trường.
Vào năm 2013, Dương Hòa An và Nguyễn Thị Thanh Thủy đã nghiên cứu về "Phương án phát điện sử dụng nhiệt thừa trong nhà máy xi măng La Hiên" Nhà máy này có 4 dây chuyền sản xuất, tiêu thụ khoảng 111,85 triệu kWh điện và 135,774 tấn than mỗi năm Lượng nhiệt thất thoát lớn gây lãng phí và ô nhiễm môi trường Do đó, tác giả đã tính toán, phân tích và đề xuất các phương án phát điện tận dụng nhiệt thải một cách hiệu quả.
1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Vào năm 2010, tác giả SK.ANWAR BASHA đã tiến hành nghiên cứu về việc tận dụng nhiệt thải để sản xuất điện năng Ông chỉ ra rằng trong các ngành công nghiệp nặng, hàng ngày có một lượng lớn không khí nóng được thải ra, gây lãng phí và ô nhiễm môi trường Do đó, cần thiết phải tìm ra giải pháp khai thác nguồn nhiệt thải này để tạo ra điện năng và đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Tác giả Gupta và cộng sự đã nghiên cứu về “nhà máy điện tận dụng nhiệt thải”, chỉ ra rằng trong một nhà máy xi măng, khoảng 35% nhiệt bị mất, chủ yếu từ tháp trao đổi nhiệt và khí thải làm mát, tương đương với 70 - 75 MW năng lượng nhiệt Năng lượng này có thể được khai thác thông qua việc lắp đặt hệ thống thu hồi nhiệt để quay tuốc bin và phát điện, tạo ra nhà máy điện tận dụng nhiệt thải (Waste Heat Recovery Power Plant - WHRPP).
Năm 2013, Chris Williams và cộng sự đã nghiên cứu về việc tận dụng nhiệt thải tại khu liên hợp thép để phát điện, cho thấy hàng năm tiết kiệm khoảng 12MWh điện và giảm 52,500 tấn khí CO2 thải ra môi trường.
Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài
Công nghệ sản xuất xi măng hiện nay chủ yếu sử dụng than và điện, dẫn đến việc phát sinh khí thải và bụi lớn ở nhiệt độ cao, gây ô nhiễm môi trường và lãng phí năng lượng Để cải thiện hiệu quả sản xuất và giảm ô nhiễm, các nhà máy xi măng cần đầu tư vào hệ thống phát điện tận dụng nhiệt khí thải Theo tính toán, sản xuất một tấn xi măng tiêu tốn hơn 100 kWh điện, và nếu các nhà máy xi măng lò quay hệ khô tại Việt Nam được trang bị hệ thống này, tổng công suất có thể đạt khoảng 200 MW, giúp giảm 25% lượng điện tiêu thụ từ lưới điện và giảm đáng kể ô nhiễm môi trường.
Do vậy, việc triển khai hệ thống tận dụng nhiệt khí thải lò nung để phát điện tại nhà máy xi măng là vô cùng cần thiết
Nghiên cứu lượng nhiệt dư thừa giúp phát triển các phương án thu hồi và phát điện hiệu quả, từ đó không chỉ nâng cao hiệu quả kinh tế mà còn góp phần 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.
Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu của nghiên cứu là khảo sát và phân tích lượng nhiệt thừa thải ra môi trường tại tháp tiền nung và thiết bị làm nguội clinker của nhà máy xi măng Từ đó, nghiên cứu sẽ tính toán tính khả thi cho phương án phát điện từ việc tận dụng nhiệt thừa tại nhà máy xi măng.
Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
- Nghiên cứu công nghệ nhà máy nhiệt điện, nồi hơi, tuabin…
- Nghiên cứu dây chuyền công nghệ sản xuất xi măng tại nhà máy ở huyện Kiên Lương, tỉnh Kiên Giang
- Nghiên cứu lượng nhiệt thoát ra tại khu vực tháp tiền nung và khu vực làm nguội clinker
- Tính toán tính khả thi của hệ thống phát điện tận dụng nhiệt thừa
- Đề xuất lắp đặt hệ thống phát điện tận dụng nhiệt thừa
Phương pháp nghiên cứu
- Đi khảo sát thực tế tại nhà máy xi măng
- Phân tích, tính toán và đề xuất lắp đặt hệ thống
Nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu gồm có 5 chương như sau:
- 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
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 đã chứng minh tính khả thi của hệ thống phát điện sử dụng nhiệt thừa tại nhà máy xi măng, góp phần 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
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu đề tài
Hiện nay, sự gia tăng số lượng nhà máy sản xuất đòi hỏi nguồn điện ổn định, trong khi nguồn điện tại Việt Nam đang thiếu hụt và có giá thành cao Một giải pháp hiệu quả là tận dụng lượng nhiệt thải ra từ các nhà máy để tự phát điện Dù lượng điện sản xuất không lớn, nhưng nó giúp tiết kiệm chi phí cho nhà máy và giảm thiểu ô nhiễm môi trường xung quanh.
Sản xuất xi măng tiêu thụ nhiều năng lượng than và điện, gây ra khí thải và bụi ở nhiệt độ cao, đặc biệt tại tầng tháp sấy sơ bộ và ghi làm nguội clinker Quá trình này không chỉ ô nhiễm môi trường mà còn lãng phí năng lượng, làm giảm hiệu quả sản xuất Để tận dụng khí thải và tái tạo năng lượng, các nhà máy xi măng cần đầu tư vào hệ thống phát điện sử dụng nhiệt khí thải Theo tính toán, sản xuất một tấn xi măng tiêu hao hơn 100 kWh điện; nếu tất cả các nhà máy xi măng lò quay hệ khô tại Việt Nam được trang bị hệ thống này, tổng công suất các trạm phát điện có thể đạt khoảng 200 MW, giảm 25% lượng điện tiêu thụ từ lưới điện và giảm đáng kể ô nhiễm môi trường.
Triển khai hệ thống tận dụng nhiệt khí thải từ lò nung để phát điện đã mang lại nhiều lợi ích trực tiếp, giúp giảm giá thành sản phẩm và nâng cao sức cạnh tranh Điều này đặc biệt phù hợp với ngành sản xuất xi măng, vốn tiêu tốn nhiều năng lượng và có tác động lớn đến môi trường.
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]
Stt Thông số kinh tế kĩ thuật của trạm phát điện Đơn vị
Chỉ số cho các lò nung (tấn clinker/ ngày) 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 - 380 o C với khối lượng lớn 2000 -
Lò nung clinker có công suất 4000 tấn/ngày thải ra 10 triệu m³ khí thải với nồng độ bụi từ 50 - 100 mg/Nm³, gây ra hiệu ứng nhà kính và ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Tuy nhiên, khi khí thải này được xử lý qua hệ thống hấp thụ nhiệt và chuyển đổi thành điện năng, nhiệt độ có thể giảm xuống 100 độ, góp phần giảm thiểu tác động xấu đến môi trường.
- 200 o C và giảm nồng độ bụi trong khí thải xuống mức 30 mg/Nm 3 sẽ góp phần cải thiện môi trường, giảm hiệu ứng nhà kính
Việc tận dụng khí thải từ lò nung clinker để phát điện có thể tiết kiệm từ 340 đến 420g than tiêu chuẩn cho mỗi kWh Đối với lò nung clinker có công suất 4000 tấn/ngày, lượng điện phát ra sẽ rất đáng kể.
50 triệu kWh sẽ tiết kiệm được từ 17000 - 21000 t/năm than tiêu chuẩn.
Nguyên lý hoạt động của nhà máy điện sử dụng chu trình tuốc bin hơi nước
Trên thế giới hiện nay, nhiều loại nhà máy điện đã được xây dựng để chuyển đổi các dạng năng lượng thiên nhiên thành điện năng Tuy nhiên, mức độ hiện đại và giá thành điện năng của các nhà máy này rất khác nhau, phụ thuộc vào thời gian nghiên cứu và phát triển Đối với các nước đang phát triển như Việt Nam, do nền công nghiệp chưa phát triển mạnh và tiềm năng kinh tế còn hạn chế, chủ yếu tập trung vào việc xây dựng nhà máy nhiệt điện sử dụng tuốc bin hơi hoặc chu trình hỗn hợp để biến đổi năng lượng từ nhiên liệu thành điện năng.
2.2.1 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 2.1 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 và ngưng tụ thành nước (quá trình 2 - 3) diễn ra không hoàn toàn, khi hơi ở trạng thái 3 vẫn duy trì tính chất bão hòa Điều này dẫn đến khả năng tích riêng rất lớn, do đó cần thực hiện quá trình nén đoạn nhiệt để xử lý hơi ẩm hiệu quả.
3 - 4, cần phải có máy nén kích thước rất lớn và tiêu hao công rất lớn
Nhiệt độ tới hạn của nước thấp dẫn đến độ chênh nhiệt giữa nguồn nóng và nguồn lạnh trong chu trình không lớn, làm giảm công suất của chu trình Hơi nước trong tuốc bin có độ ẩm cao, với các giọt ẩm lớn va chạm vào cánh tuốc bin, gây ra hiện tượng xâm thực.
Hình 2.1: Chu trình Carno hơi nước 2.2.2 Sơ đồ thiết bị và đồ thị chu trình nhà máy điện
Mặc dù chu trình Carnot có hiệu suất nhiệt cao, nhưng nó gặp phải một số nhược điểm khi áp dụng cho khí thực Do đó, trong thực tế, chu trình Carnot không được sử dụng mà thay vào đó là chu trình Renkin, một chu trình cải tiến gần gũi với chu trình này Chu trình Renkin hoạt động theo chiều thuận, chuyển đổi nhiệt năng thành công.
Chu trình Renkin là một quá trình nhiệt quan trọng trong các nhà máy nhiệt điện, sử dụng nước và hơi nước làm môi chất làm việc Tất cả thiết bị trong các nhà máy này đều tương tự nhau, ngoại trừ thiết bị sinh hơi Trong thiết bị sinh hơi, nước được đun nóng để chuyển thành hơi, với nồi hơi là thiết bị chủ yếu trong nhà máy nhiệt điện, nơi nước nhận nhiệt từ quá trình đốt cháy nhiên liệu Đối với nhà máy điện mặt trời và địa nhiệt, nước hấp thụ nhiệt từ năng lượng mặt trời hoặc nhiệt năng trong lòng đất Trong khi đó, tại các nhà máy điện nguyên tử, thiết bị sinh hơi là thiết bị trao đổi nhiệt, nơi nước nhận nhiệt từ chất tải nhiệt trong lò phản ứng hạt nhân.
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 2.2
Nước ngưng trong bình ngưng IV (trạng thái 2’ trên đồ thị) có áp suất p2, được bơm V bơm vào thiết bị sinh hơi I, khiến áp suất tăng từ p2 đến p2’-3 Trong thiết bị sinh hơi, nước trong các ống nhận nhiệt từ quá trình cháy, làm nhiệt độ tăng đến điểm sôi (quá trình 3 - 4), sau đó hóa hơi (quá trình 4 - 5) và trở 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 không đổi p = const Hơi ra khỏi bộ quá nhiệt II (trạng thái 1) có thông số p1, t1 và đi vào tuốc bin III, nơi hơi dãn nở thành trạng thái 2 với nhiệt độ t2 (quá trình chuyển đổi nhiệt năng thành cơ năng - quá trình 1 - 2) và sinh công Hơi ra khỏi tuốc bin có thông số p2, t2, sau đó vào bình ngưng IV, nơi nó ngưng tụ thành nước (quá trình 2 - 2’), rồi lại được bơm V bơm trở về lò Quá trình nén trong bơm có thể coi là quá trình nén đẳng tích do nước không chịu nén và thể tích ít thay đổi.
2.3.1 Vai trò của nồi hơi trong sản xuất điện
Nồi hơi là thiết bị quan trọng trong quá trình chuyển đổi năng lượng, nơi nhiên liệu được đốt cháy để tạo ra nhiệt lượng Nhiệt lượng này sẽ làm nước sôi và biến thành hơi, chuyển đổi năng lượng của nhiên liệu thành nhiệt năng của dòng hơi.
Trong nhà máy điện, nồi hơi đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất hơi nước, cung cấp năng lượng cho tuốc bin và từ đó tạo ra điện năng Để đảm bảo hiệu quả, nồi hơi cần hoạt động với công suất lớn, sản xuất hơi quá nhiệt với áp suất và nhiệt độ cao.
Nhiên liệu sử dụng trong nồi hơi có thể bao gồm nhiên liệu rắn như than, củi và bã mía, hoặc nhiên liệu lỏng như dầu nặng (FO) và dầu diezen (DO), cũng như nhiên liệu khí.
Dàn ống buồng lửa và cụm pheston của nồi hơi tuần hoàn được kết nối trực tiếp với bao hơi nằm ngang trên đỉnh lò hoặc thông qua các ống góp trung gian Nước cấp từ bộ hâm nước được đưa vào bao hơi, sau đó chảy xuống qua các ống nước xuống và ống góp dưới để vào dàn ống buồng lửa, nơi nước nhận nhiệt và biến thành hơi Dòng hỗn hợp hơi và nước sinh ra trong các ống sinh hơi sẽ được dẫn vào bao hơi, nơi hơi được tách ra khỏi nước và chuyển sang bộ quá nhiệt.
Vai trò của bộ quá nhiệt
Bộ quá nhiệt là thiết bị chuyển đổi hơi bão hòa thành hơi quá nhiệt, giúp sấy khô hơi hiệu quả hơn Hơi quá nhiệt có nhiệt độ cao hơn, dẫn đến lượng nhiệt tích lũy trong một đơn vị khối lượng lớn hơn nhiều so với hơi bão hòa ở cùng áp suất Do đó, khi công suất máy tương đương, việc sử dụng hơi quá nhiệt sẽ giúp giảm kích thước máy so với máy sử dụng hơi bão hòa.
Cấu tạo của bộ quá nhiệt
Bộ quá nhiệt được chế tạo từ các ống xoắn nối với ống góp, với ống xoắn có đường kính từ 32-45 mm Những ống thép này được uốn gấp khúc, như thể hiện trong hình 2.3.
Để sản xuất hơi quá nhiệt với nhiệt độ cao lên đến 560 o C, bộ quá nhiệt cần được đặt trong khu vực có nhiệt độ khói trên 700 o C Điều này đảm bảo rằng cả nhiệt độ hơi trong ống và nhiệt độ khói bên ngoài ống đều đạt mức cao, yêu cầu sử dụng ống thép hợp kim cho bộ quá nhiệt Kích thước của bộ quá nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ của hơi quá nhiệt, và về cấu tạo, bộ quá nhiệt có thể được chia thành ba loại khác nhau.
Bộ quá nhiệt đối lưu là thiết bị nhận nhiệt chủ yếu qua quá trình đối lưu từ dòng khói, được lắp đặt trên đoạn đường khói nằm ngang phía sau cụm pheston Thiết bị này được sử dụng cho các nồi hơi với nhiệt độ hơi quá nhiệt tối đa không vượt quá 510 o C Cấu tạo của bộ quá nhiệt đối lưu được minh họa trong hình 2.5.
Tuốc bin nhiều tầng
Trong các nhà máy điện và trung tâm nhiệt điện, việc sử dụng tuốc bin công suất lớn là cần thiết để kéo những máy phát điện công suất lớn, yêu cầu lưu lượng hơi và thông số hơi cao Mỗi tầng tuốc bin chỉ có thể đạt hiệu suất tối ưu ở một nhiệt độ nhất định Do đó, để đạt hiệu suất cao ở nhiệt độ lớn, cần sử dụng hơi trong một dãy các tầng tuốc bin đặt liên tiếp, được gọi là tuốc bin nhiều tầng.
Trong tuốc bin nhiều tầng, tầng đầu tiên được gọi là tầng tốc độ, trong khi các tầng tiếp theo là tầng áp lực và tầng sinh công Tầng tốc độ hoạt động theo nguyên tắc xung lực, tạo ra động năng lớn khi hơi ra khỏi tầng với tốc độ cao, từ đó sinh công cho các tầng tiếp theo Bên cạnh đó, tầng này còn có nhiệm vụ điều chỉnh lưu lượng hơi vào tuốc bin khi phụ tải thay đổi, nên còn được gọi là tầng điều chỉnh Các tầng áp lực có thể được chế tạo theo kiểu tầng xung lực hoặc phản lực.
Tầng tốc độ trong tuốc bin có thể là tầng một cấp tốc độ hoặc tầng kép với hai cấp tốc độ Tầng kép này bao gồm một dãy ống phun và hai dãy cánh động, cùng với một dãy cánh hướng để điều hướng dòng hơi Loại tuốc bin này nổi bật với cấu trúc đơn giản, độ bền cao và chi phí thấp, dễ vận hành Tuy nhiên, nó có hiệu suất thấp và công suất đơn vị nhỏ, nên thường được sử dụng để kéo các thiết bị phụ như bơm nước cấp và quạt khói.
Tầng có hai cấp tốc độ được sử dụng phổ biến trong các tuốc bin, đặc biệt là tuốc bin có thông số cao, nhờ vào khả năng tạo ra nhiệt giáng lớn Điều này giúp giảm số tầng cần thiết và giảm yêu cầu về độ bền của kim loại cho các tầng hạ áp, từ đó làm giảm khối lượng và giá thành thiết bị.
Tuốc bin được phân loại thành hai loại chính dựa trên nguyên tắc hoạt động: tuốc bin xung lực, hoạt động theo nguyên tắc xung lực, và tuốc bin phản lực, hoạt động theo nguyên tắc phản lực.
Máy phát điện
Máy phát điện là thiết bị chuyển đổi cơ năng thành điện năng dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ Nguồn cơ năng có thể đến từ nhiều nguồn như động cơ tuốc bin hơi, tuốc bin khí, động cơ đốt trong, tuốc bin gió và các nguồn khác.
Máy phát điện có thể sử dụng nhiều loại nhiên liệu khác nhau, bao gồm diesel, xăng, propan (dạng lỏng hoặc khí) và khí thiên nhiên Động cơ nhỏ thường sử dụng xăng, trong khi các động cơ lớn hơn thường chạy bằng dầu diesel, propan lỏng, khí propane hoặc khí tự nhiên Ngoài ra, một số máy phát điện còn có khả năng hoạt động với nguồn nhiên liệu kép, bao gồm cả diesel và khí đốt.
Máy phát điện đóng vai trò quan trọng trong hệ thống cung cấp điện, thực hiện ba chức năng chính là phát điện, chỉnh lưu và hiệu chỉnh điện áp.
Máy phát điện xoay chiều là thiết bị chuyển đổi năng lượng cơ học thành điện năng, bao gồm các bộ phận tĩnh và di động Các thành phần này hoạt động phối hợp, tạo ra chuyển động tương đối giữa từ trường và điện, từ đó sản sinh ra điện năng.
Stato/phần cảm - Đây là thành phần không thể di chuyển Nó gồm một tập hợp các dây dẫn điện quấn lại thành dạng cuộn trên một lõi sắt
Roto/Phần ứng - Đây là thành phần chuyển động tạo ra một từ trường quay, trong ba cách sau đây:
- Cảm ứng: được biết đến như bộ dao điện không tiếp xúc trượt và thường được sử dụng trong các máy phát điện lớn
- Nam châm vĩnh cửu: phổ biến trong các máy phát điện nhỏ
- Bộ kích từ: kích từ bằng dòng điện 1 chiều nhỏ để thêm sinh lực cho roto thông qua chổi điện
Roto tạo ra chuyển động từ xung quanh stato, tạo ra sự khác biệt điện áp giữa các cuộn dây của stato, từ đó sinh ra dòng cảm ứng bên trong máy phát điện.
Sau đây là những yếu tố bạn cần nhớ khi đánh giá khả năng phát điện của một máy phát điện:
Máy phát điện một pha bao gồm stato, có thể là phần ứng hoặc phần cảm, và roto, cũng có thể là phần cảm hoặc phần ứng, cùng với bộ góp gồm hai vành khuyên và các thanh quét Nguyên tắc hoạt động của máy phát điện xoay chiều một pha là khi roto quay, suất điện động biến thiên sẽ xuất hiện trong mạch Khi suất điện động xoay chiều này được đưa ra ngoài, dòng điện xoay chiều sẽ được tạo ra trong mạch ngoài.
Máy phát điện xoay chiều ba pha bao gồm hai phần chính: stato, là nam châm điện, và roto, gồm ba cuộn dây giống nhau được đặt lệch nhau 120 độ Khi roto quay, sẽ xuất hiện điện động cảm ứng xoay chiều trên các cuộn dây, và khi điện động này được đưa ra ngoài, nó tạo ra dòng điện xoay chiều ba pha trong mạch ngoài.
Chất lượng nước và hơi của lò
2.6.1 Mục đích của việc xử lý nước
Sự làm việc chắc chắn và ổn định của nồi hơi phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng nước cấp cho lò để sinh hơi
Trong các nhà máy điện, nước cung cấp cho nồi hơi chủ yếu là nước từ hơi ngưng tụ, nhưng luôn có tổn thất hơi và nước ngưng trong quá trình hoạt động Mặc dù chu trình nhiệt lý thuyết là kín và lượng môi chất không đổi, thực tế có nhiều yếu tố làm mất nước như xả đáy lò, sử dụng cho sinh hoạt, thoát hơi qua van an toàn, và rò rỉ qua các khe hở Do đó, lượng nước ngưng từ bình ngưng trở về thường nhỏ hơn lượng nước cấp cho lò, dẫn đến nhu cầu bổ sung nước từ các nguồn tự nhiên như ao, hồ để bù đắp cho các tổn thất này.
Nước thiên nhiên chứa nhiều tạp chất, đặc biệt là muối canxi, magiê và các muối cứng khác Khi lò hoạt động, nước sôi và bốc hơi, các muối này tách ra và hình thành bùn hoặc cáu tinh thể bám vào vách ống của nồi hơi Những cáu bùn này có hệ số dẫn nhiệt rất thấp, thấp hơn hàng trăm lần so với kim loại, dẫn đến việc giảm khả năng truyền nhiệt từ khói đến chất lỏng trong ống Kết quả là, môi chất nhận nhiệt kém hơn, tăng tổn thất nhiệt qua khói thải, làm giảm hiệu suất lò và tăng lượng tiêu hao nhiên liệu.
2.6.2 Các phương pháp xử lý nước cho lò
Xử lý nước trước khi đưa vào lò
Xử lý nước là quá trình loại bỏ tạp chất cơ học và giảm độ cứng của nước, bao gồm hai bước chính: xử lý cơ học và xử lý độ cứng Mục tiêu của phương pháp này là giảm thiểu tối đa các chất tan và không tan trong nước, nhằm ngăn ngừa hiện tượng cáu cặn trong lò Tùy thuộc vào chất lượng nước tự nhiên và yêu cầu của lò, các biện pháp xử lý sẽ được áp dụng khác nhau.
Xử lý nước cơ học là phương pháp sử dụng bể lắng và bình lọc cơ khí để loại bỏ các tạp chất lơ lửng trong nước Tuy nhiên, phương pháp này chỉ có khả năng loại bỏ các tạp chất cơ khí mà không xử lý được các chất ô nhiễm khác.
Xử lý độ cứng nước là quá trình giảm thiểu nồng độ các tạp chất có khả năng tạo thành cáu hòa tan Để khử độ cứng, có thể sử dụng hóa chất hoặc phương pháp trao đổi ion anion.
Xử lý nước bên trong lò
Phương pháp xử lý nước bên trong lò dựa trên hai nguyên tắc sau:
Phương pháp nhiệt được áp dụng để phân hủy nhiệt các chất hòa tan, từ đó tạo ra những chất khó tan Những chất này sẽ tách ra thành pha rắn dưới dạng bùn và được xả ra khỏi lò thông qua biện pháp xả lò.
Sử dụng các chất chống đóng cáu trong lò giúp tách các tạp chất ra dưới dạng bùn, từ đó dễ dàng xả ra khỏi lò Điều này đảm bảo rằng nước trong lò không còn khả năng đóng cáu Những chất thường được sử dụng để chống đóng cáu cho lò bao gồm:
Dùng hóa chất như: NaOH, Na2CO3, Na3PO4.12H2O gọi là phương pháp phốt phát hóa nước lò
Sử dụng các chất có khả năng lơ lửng trong nước giúp tạo ra các trung tâm tinh thể hóa, từ đó hạn chế quá trình tinh thể hóa của pha cứng trên bề mặt kim loại.
Việc sử dụng các chất khi đưa vào lò sẽ tạo ra một lớp màng mỏng bao phủ bề mặt kim loại, giúp hạn chế quá trình tinh thể hóa trên bề mặt này.
PHÂN TÍCH NHÀ MÁY XI MĂNG
Sơ đồ công nghệ sản xuất xi măng
Qui trình sản xuất xi măng được trình bày trong hình 3.1
Các công đoạn của qui trình sản xuất xi măng
3.2.1 Khai thác đá vôi Đá vôi được khai thác tại núi đá vôi bằng cách nổ mìn với kích cở khoảng 1 m, sau đó được vận chuyển vào máy nghiền thô Máy nghiền thô có nhiệm vụ hạ kích thước những viên đá này thành 120mm trở xuống trước khi cho vào trạm phối liệu với đất sét Máy nghiền thô có thể là dạng máy nghiền hàm ếch, máy nghiền dạng va đập v.v
Hình 3.1: Sơ đồ công nghệ chung
3.2.2 Khai thác đất sét Đất sét được khai thác từ mỏ sét bằng máy cào đất kiểu gầu múc và sau đó được vận chuyển băng tải phối liệu với đá vôi
Hình 3.2: Máy cào sét 3.2.3 Vận chuyển và đồng nhất nguyên liệu sơ bộ
Trước khi phối liệu, đá vôi và đất sét được cân băng định lượng để kiểm soát chính xác lượng nguyên liệu đưa vào băng tải Tại băng tải, hai loại nguyên liệu này được trộn đều trước khi chuyển đến máy đánh đống và kho chứa.
Trước khi đưa vào máy đánh đống, đá vôi và đất sét được phân tích bằng máy phân tích nhanh bằng tia nơ-trôn Gam-ma đã hoạt hóa, cung cấp phân tích đầy đủ thành phần hóa học của vật liệu Máy hoạt động bằng cách phóng nơ-trôn vào liệu, làm cho các hạt nhân phân tử trong đá vôi và đất sét giải phóng năng lượng dưới dạng tia gam-ma Mỗi nguyên tố có quang phổ tia gam-ma đặc trưng, cho phép máy tính P.G.N.A.A mô tả chính xác các nguyên tố hóa học và tỷ lệ của chúng trong liệu thô Thiết bị này thực hiện phân tích trực tuyến theo thời gian thực, giúp thiết lập quy trình chuẩn bị mẫu và phân tích dễ dàng P.G.N.A.A cũng cung cấp mô tả chính xác về thành phần hóa học của toàn bộ đống liệu, cho phép nhân viên phòng thí nghiệm điều chỉnh tỷ lệ liệu cấp vào để duy trì hệ số vôi bão hòa (LSF) ở mức đúng hoặc hơi thấp hơn giá trị đặt.
LSF cho biết tỷ lệ của CaO (vôi) có trong liệu kết hợp với Al2O3, SiO2 và Fe2O3
Trong quá trình nung, các thành phần như Alumina, Silica và Iron oxides đóng vai trò quan trọng Khi chỉ số LSF lớn hơn 100%, lượng vôi trong liệu sẽ dư thừa, dẫn đến sự hình thành vôi tự do (free lime) không phản ứng với các ô-xít khác, gây ra hiện tượng nứt do giãn nở trong bê-tông Ngược lại, nếu LSF thấp, lượng vôi không đủ để phản ứng với các ô-xít, dẫn đến thiếu hụt các thành phần khoáng cần thiết cho độ cứng của xi măng.
Để đồng nhất nguyên liệu sơ bộ, đá vôi và đất sét được đánh đống nhằm tạo ra bột liệu đồng nhất Có nhiều phương pháp đánh đống khác nhau, bao gồm phương pháp chevron (đánh đống hình chữ V xếp lớp), phương pháp windrow (đánh đống hình chữ V song song) và phương pháp conical (đánh đống kiểu hình cone).
Máy cào liệu kiểu cầu trục hoạt động ở mặt trước của đống nguyên liệu, lấy liệu theo hướng vuông góc với chiều đánh đống Thiết bị này bao gồm một cái cào có các răng và một xích cào Góc nghiêng của cào nhỏ hơn góc nghỉ của liệu trong đống, giúp cào di chuyển tới lui ngang qua mặt trước, làm cho liệu rơi xuống chân đống Sau đó, xích cào sẽ kéo liệu đến băng tải để chuyển đến máy nghiền bột sống.
Trong các nhà máy xi-măng hiện đại, lò và máy nghiền bột sống hoạt động như một khối liên kết chặt chẽ Hàm lượng liệu cấp cho máy nghiền thay đổi tùy thuộc vào thành phần hóa học của liệu thô và bụi lò thu hồi từ lò và tháp tiền nung Quá trình nghiền và sấy diễn ra đồng thời, với khí nóng chủ yếu được cung cấp từ lò và tháp tiền nung Buồng đốt phụ chỉ được sử dụng khi cần khởi động hoặc khi không đủ khí nóng từ lò Bột sống sau khi nghiền sẽ đi qua bộ phân ly động và được thu hồi bụi qua hai giai đoạn Đầu tiên, khí nóng được hút qua các cyclone, nơi mà dòng khí thay đổi chiều, làm giảm tốc độ và khiến bụi lắng xuống Bụi sau đó được đưa về dây chuyền qua các phễu cấp liệu xoay và vào silô đồng nhất Các cyclone là bộ lọc có hiệu suất thấp, do đó bụi mịn sẽ theo khí nóng ra ngoài và được thu hồi bởi lọc bụi túi.
Liệu sau khi ra khỏi máy nghiền bột sống sẽ đi vào silo chứa, silo chứa có 3 nhiệm vụ chính:
- Chứa nguyên - vật liệu (store materials)
- Bảo vệ nguyên - vật liệu (guar materials)
- Đồng nhất vật liệu (homogenizing materials)
Lò nung là phần quan trọng nhất trong nhà máy xi măng, với mục tiêu chính là giảm thiểu thời gian dừng và tối đa hóa thời gian hoạt động Lò được cấu tạo từ vỏ thép hình trụ và bên trong được lót gạch chịu nhiệt để bảo vệ khỏi quá nhiệt và hư hại do khí và liệu nóng Tuy nhiên, gạch hoặc bê tông chịu nhiệt cũng được sử dụng trong các ống và cyclone ở tháp tiền nung, nơi tiếp xúc với bột nóng có tính ăn mòn Dưới điều kiện vận hành ổn định, vật liệu chịu nhiệt thường được thay thế sau 10-14 tháng, trong khi các nhà máy mới có thể yêu cầu thay thế thường xuyên hơn.
Xung quanh chu vi ngoài của lò, các vành (băng đai) được lắp đặt để hỗ trợ và giảm thiểu biến dạng của vỏ lò do tiếp xúc với các con lăn Các băng đai này có khe hở với vỏ lò, cho phép sự giãn nở nhiệt Lò được nâng đỡ bởi ba cột bê tông, gọi là bệ đỡ Hệ thống truyền động của lò bao gồm cơ cấu bánh răng pinion và motor, cho phép lò quay với vận tốc từ 2-4 vòng/phút Lò còn có độ nghiêng nhất định.
Khoảng 3,5% (~2 o) cộng với sự quay lò sẽ khiến liệu trượt về phía vùng nung Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra theo chiều ngược lại, khi liệu và khí nóng di chuyển ngược chiều nhau.
Quá trình nung được chia thành 3 giai đọan rõ rệt:
Vùng can xi hóa (calcining zone): liệu đạt đến nhiệt độ 900 o C và CO2 được tách ra
Vùng chuyển tiếp (transition zone): liệu đạt đến nhiệt độ 1150 o C và bắt đầu hóa lỏng
Vùng nung (burning zone) trong quá trình sản xuất clinker đạt nhiệt độ lên đến 1450 o C, nơi bột nóng chuyển hóa thành clinker Biên giới giữa các pha này không cố định và có thể thay đổi dựa trên đặc tính hóa học của nguyên liệu thô cũng như biên dạng nhiệt (heat profile) - biểu đồ nhiệt độ tại các vị trí trong lò.
Clinker thường có kích thước hạt từ 10 đến 40mm và có cấu trúc phức tạp với nhiều pha kết tinh và pha thủy tinh Chất lượng của clinker quyết định các tính chất của ximăng pooclăng, trong khi phụ gia chỉ điều chỉnh những tính chất này.
Chất lượng clinker được xác định bởi thành phần hóa học và khoáng vật của nó, sự lựa chọn nguyên liệu phối trộn, cũng như các điều kiện nung và quy trình làm nguội clinker.
Tại tháp trao đổi nhiệt, khí nóng với nhiệt độ từ 350 o C đến 360 o C được thải ra môi trường với lưu lượng khoảng 270.000 m³/giờ Do đó, cần tận dụng lượng nhiệt này để đưa vào hệ thống phát điện nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng.
3.2.7 Thiết bị làm nguội clinker
Hình 3.4: Thiết bị làm nguội clinker
Thực trạng
Trong quá trình vận hành lò nung, một lượng lớn khí thải và bụi được phát sinh ở nhiệt độ cao khoảng 360°C, chủ yếu tại tầng tháp sấy sơ bộ và thiết bị làm nguội clinker Hiện tượng này không chỉ gây ô nhiễm môi trường mà còn dẫn đến lãng phí năng lượng, làm giảm hiệu quả sản xuất.
Các nguồn phát thải bụi chính trong ngành công nghiệp xi măng bao gồm máy nghiền nguyên liệu, hệ thống lò, bộ phận làm mát clinker, quá trình nghiền xi măng và các điểm đổ của thiết bị vận chuyển.
- Có thể áp dụng các biện pháp phòng ngừa để giảm phát thải bụi ngay tại nguồn
- Là hệ quả không tránh được của quá trình cháy ở nhiệt độ cao, với một phần nhỏ là do thành phần của nhiên liệu và nguyên liệu
Việc giảm thiểu ô nhiễm có thể đạt được thông qua các giải pháp sản xuất sạch hơn như giảm lượng oxy trong lò và hạ nhiệt độ nung Bên cạnh đó, ô nhiễm cũng có thể được xử lý hiệu quả bằng nhiều phương pháp khác nhau.
Lưu huỳnh có trong nguyên liệu thô và nhiên liệu khi cháy trong lò nung có thể tạo ra khí SO2 Khi nguyên liệu chứa sunfua hoặc hợp chất lưu huỳnh hữu cơ được đốt ở nhiệt độ thấp (khoảng 400–600C), quá trình này có khả năng dẫn đến phát thải SO2 đáng kể qua ống khói.
- Giải pháp lựa chọn nguyên liệu thô và nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh thấp là giải pháp giảm thiểu tại nguồn
Trước đây, CO2 không được coi là khí ô nhiễm, nhưng từ khi Nghị định thư Kyoto công nhận CO2 là khí nhà kính có ảnh hưởng lớn đến biến đổi khí hậu, sự quan tâm đối với CO2 đã gia tăng đáng kể.
- Nguồn phát thải CO2 bao gồm các nguồn sau:
+ Quá trình chuyển hóa canxi cacbonat của nguyên liệu thành canxi oxit và quá trình cháy các bon hữu cơ có trong nguyên liệu thô
+ Quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch
Suất phát thải CO2 từ clinker xám dao động từ 0,9 đến 1 kg/kg, tương ứng với mức tiêu thụ năng lượng riêng khoảng 800 đến 1.200 kcal/kg clinker, tùy thuộc vào loại nhiên liệu sử dụng Trong khi đó, clinker trắng có suất phát thải CO2 cao hơn do yêu cầu sử dụng năng lượng nhiều hơn.
Quá trình chuyển hóa canxi cacbonat thành canxi oxit trong sản xuất xi măng gây ra tới 60% phát thải CO2 Do đó, việc giảm lượng clinker trong xi măng sẽ góp phần đáng kể vào việc giảm phát thải CO2 Trong 25 năm qua, nhờ áp dụng các lò nung hiệu suất cao hơn, ngành công nghiệp xi măng đã giảm được khoảng 30% lượng phát thải CO2 từ quá trình cháy.
Khi sản xuất một tấn clinker, nhà máy xi măng thải ra từ 2.500m³ đến 2.800m³ khí thải ở nhiệt độ từ 350°C đến 380°C, với nồng độ bụi trung bình 50mg/Nm³ Vì vậy, cần thiết phải áp dụng các biện pháp thu hồi nhiệt thải để giảm thiểu tác động môi trường.
Triệt để tận dụng các nguồn năng lượng dư thừa trong dây chuyền sản xuất clinker
Hàng năm, sản lượng điện lớn được tạo ra giúp giảm chi phí sản xuất xi măng, từ đó nâng cao tính cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường.
Góp phần vào quá trình chung cắt giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính, bảo vệ môi trường.
TÍNH TOÁN TÍNH KHẢ THI VÀ ĐỀ XUẤT LẮP ĐẶT HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN TẬN DỤNG NHIỆT THỪA
Tính toán tính khả thi của hệ thống phát điện tận dụng nhiệt thừa [7]
4.1.1 Khảo sát thực tế nhà máy xi măng
Nhà máy xi măng tại Kiên Giang, với công suất lò quay 4500 tấn/ngày, thải ra bụi và khí nóng từ khu vực tháp tiền nung và khu vực làm nguội clinker Để có số liệu cụ thể cho việc tính toán, chúng tôi đã tiến hành khảo sát thực tế và ghi nhận các thông số trong bảng 4.1, 4.2 và 4.3.
Hình 4.1: Khu vực lò nung clinker
Bảng 4.1: Kết quả khảo sát lượng khí thải và lượng bụi
Tại tháp tiền nung Tại khu vực thiết bị làm nguội clinker
Lượng clinker được sản xuất ra hàng ngày
Lưu lượng khí thải tại tháp tiền nung
Lưu lượng khí thải tại thiết bị làm nguội clinker
Lượng bụi thải ra tại tháp tiền nung
Lượng bụi thải ra tại thiết bị làm nguội clinker
(Nm 3 /h) (kg/kgclinker) (Nm 3 /h) (tấn/giờ: t/h) (tấn/ngày: t/d)
Bảng 4.2: Kết quả đo nhiệt độ và áp suất
Lần đo Tại tháp tiền nung Tại thiết bị làm nguội clinker Nhiệt độ Áp suất Nhiệt độ Áp suất
Bảng 4.3: Kết quả đo phần trăm thể tích các thành phần không khí tại SP và AQC
Phần % thể tích các thành phần không khí đo được tại tháp tiền nung
Phần thể tích các thành phần không khí đo được tại thiết bị làm nguội clinker
% V02 %VC02 %VH20 %VN2 % V02 %VC02 %VH20 %VN2
4.1.2 Tính enthalpy trung bình của hỗn hợp hơi từ 2 nồi hơi
Tính nồng độ bụi thải ra môi trường tại tháp tiền nung (SP) và tại thiết bị làm nguội clinker (AQC)
Nồng độ bụi thải ra môi trường tại tháp tiền nung và thiết bị làm nguội clinker được tính toán theo các biểu thức (4.1) và (4.2) Kết quả được trình bày trong bảng 4.4, cho thấy sự phân tích chi tiết về nồng độ bụi trong quá trình sản xuất.
Nồng độ bụi phát thải từ sản phẩm (msp,dust) được đo bằng đơn vị g/Nm³, trong khi lượng bụi phát thải (msp,dust) tính bằng kg/kg clinker Lượng clinker được sản xuất từ lò nung (mclinker) được ghi nhận theo đơn vị tấn/ngày (t/d).
Vsp: Lưu lượng khí thải ra tại SP – Đơn vị: Nm 3 /h
MAQC,dust: Nồng độ bụi ra khỏi AQC – Đơn vị: g/Nm 3 m AQC,dust: Lượng bụi ra khỏi AQC – Đơn vị: tấn/giờ: t/h
VAQC: Lưu lượng khí thải ra tại AQC – Đơn vị: Nm 3 /h
Bảng 4.4: Kết quả tính toán nồng độ bụi thải ra môi trường
KẾT QUẢ ĐO ĐƯỢC KẾT QUẢ TÍNH
Lưu lượng khí thải tại tháp tiền nung
Lưu lượng khí thải tại thiết bị làm nguội clinker
Lượng bụi thải ra tại tháp tiền nung
Lượng bụi thải ra tại thiết bị làm nguội clinker
Lượng clinker được sản xuất ra hàng ngày
Nồng độ bụi tại tháp tiền nung
Nồng độ bụi tại thiết bị làm nguội clinker
(Nm 3 /h) (Nm 3 /h) (kg/kg clinker ) (tấn/giờ: t/h)
Tính enthalpy và lưu lượng hơi quá nhiệt được tạo ra từ nồi hơi SP
- Enthapy của khí nóng từ tháp tiền nung đi vào nồi hơi SP được tính theo công thức: dust in sp air in sp in sp H H
Trong đó: Hsp,in: Enthapy của khí nóng có lẫn bụi đi vào nồi hơi SP
Hsp,in,air: Enthapy của khí nóng tươi đi vào nồi hơi SP
Hsp,in,dust: Enthapy của bụi đi vào nồi hơi SP
Enthapy của khí nóng tươi đi vào nồi hơi SP được tính theo công thức:
, in air sp in O sp in CO sp in H O sp in N sp H H H H
Trong đó: Hsp,in,O2: Enthapy của thành phần O2 đi vào nồi hơi SP
Hsp,in,CO2: Enthapy của thành phần CO2 đi vào nồi hơi SP
Hsp,in,H2O: Enthapy của thành phần H2O đi vào nồi hơi SP
Hsp,in,N2: Enthapy của thành phần N2 đi vào nồi hơi SP
CO CO CO CO CO CO
Trong đó: T là nhiệt độ tại điểm đang xét – Đơn vị K
A, B, C, D, E, F, H là hệ số các giai đoạn chuyển hoá của nguồn nhiệt đối với chất khí được trình bày trong Bảng PL 1
Bảng 4.5: Kết quả tính toán enthalpy của các thành phần không khí đi vào SP
Enthalpy tại 365.7ºC (kJ/Mol)
Enthalpy tại 20ºC (kJ/Mol)
Dựa vào kết quả phần trăm thể tích của các thành phần không khí đo được tại tháp tiền nung trong bảng 4.3, chúng tôi đã tính toán được enthalpy của không khí tươi ở nhiệt độ 365.7 °C và enthalpy của không khí ở 20 °C Kết quả chi tiết được trình bày trong bảng 4.6.
Bảng 4.6: Kết quả tính toán enthalpy của không khí tươi đi vào SP tại nhiệt độ T
Phần % thể tích các thành phần không khí đo được tại tháp tiền nung
Enthalpy tại 365.7ºC (kJ/Mol)
Enthalpy tại 20ºC (kJ/Mol)
Enthapy của không khí tại nhiệt độ t 11,7133436 -0,16573440
Từ đây ta tính được enthalpy của không khí tươi đi vào nồi hơi SP:
, in air sp in air T sp in air T sp H H
Nm kJ Mol kJ Mol kJ Mol kJ
Enthapy của bụi đi vào nồi hơi SP được tính theo công thức:
H sp in dust dust p in dust (4.10)
%Vdust là tỷ lệ phần trăm thể tích bụi được nêu trong bảng 4.4 Nhiệt độ môi trường tiêu chuẩn được xác định là 20 độ C, trong khi nhiệt độ của bụi tại điểm đang xem xét là 365.7 độ C.
Cp,in,dust là nhiệt dung riêng của hạt bụi đi vào SP, được tính theo công thức 4.11
Với A, B, C, D, E, F, H là hệ số các giai đoạn chuyển hoá của nguồn nhiệt đối với chất rắn được trình bày trong bảng PL 2
Từ đó, ta tính được enthalpy của bụi đi vào nồi hơi SP:
Hsp,in,dust = 27,06902754 kJ/Nm 3
Vậy enthapy của khí nóng từ tháp tiền nung đi vào nồi hơi SP là: dust in sp air in sp in sp H H
- Enthapy của khí nóng khi ra khỏi nồi hơi SP được tính theo công thức: dust out sp air out sp out sp H H
Trong đó: Hsp,out: Enthapy của khí nóng có lẫn bụi đi ra khỏi nồi hơi SP
Hsp,out,air: Enthapy của khí nóng tươi đi ra khỏi nồi hơi SP
Hsp,out,dust: Enthapy của bụi đi ra khỏi nồi hơi SP
Enthapy của khí nóng tươi đi ra khỏi nồi hơi SP được tính theo công thức:
, out air sp out O sp out CO sp out H O sp out N sp H H H H
Trong đó: Hsp,out,O2: Enthapy của thành phần O2 đi ra khỏi nồi hơi SP
Hsp,out,CO2: Enthapy của thành phần CO2 đi ra khỏi nồi hơi SP
Hsp,out,H2O: Enthapy của thành phần H2O đi ra khỏi nồi hơi SP
Hsp,out,N2: Enthapy của thành phần N2 đi ra khỏi nồi hơi SP
CO CO CO CO CO CO
Trong đó: T là nhiệt độ tại điểm đang xét – Đơn vị K (Nhiệt độ khí nóng ra khỏi nồi hơi SP là 215 o C)
A, B, C, D, E, F, H là hệ số các giai đoạn chuyển hoá của nguồn nhiệt đối với chất khí và được trình bày trong bảng PL 1
Enthalpy của các thành phần không khí được tính toán ở nhiệt độ 215 oC và 20 oC, với kết quả được trình bày trong bảng 4.7.
Bảng 4.7: Kết quả tính toán enthalpy của các thành phần không khí ra khỏi SP
Enthalpy tại 215ºC (kJ/Mol)
Enthalpy tại 20ºC (kJ/Mol)
Dựa trên kết quả phần trăm thể tích của các thành phần không khí đo được tại tháp tiền nung trong bảng 4.3, chúng ta có thể tính toán enthalpy của không khí tươi ở nhiệt độ 215 độ C.
20 o C Kết quả được trình bày trong bảng 4.8
Bảng 4.8: Kết quả tính toán enthalpy của không khí tươi đi ra khỏi SP tại nhiệt độ T
Phần % thể tích các thành phần không khí đo được tại tháp tiền nung
Enthalpy tại 215ºC (kJ/Mol)
Enthalpy tại 20ºC (kJ/Mol)
Enthapy của không khí tại nhiệt độ t 6,341210031 -0,16573440
Từ đây ta tính được enthalpy của không khí tươi đi ra khỏi nồi hơi SP:
, out air sp out air T sp out air T sp H H
Nm kJ Mol kJ Mol kJ Mol kJ
Enthapy của bụi đi ra khỏi nồi hơi SP được tính theo công thức:
H sp out dust dust p out dust (4.19)
%Vdust đại diện cho phần trăm thể tích của bụi như được nêu trong bảng 4.4 Nhiệt độ môi trường tiêu chuẩn được xác định là t1 = 20 o C, trong khi nhiệt độ của bụi tại điểm đang xét là t2 = 215 o C.
Cp,out,dust là nhiệt dung riêng của hạt bụi ra khỏi SP, được tính theo công thức 4.20
Với A, B, C, D, E, F, H là hệ số các giai đoạn chuyển hoá của nguồn nhiệt đối với chất rắn và được cho ở bảng PL 2
Từ đó, ta tính được enthalpy của bụi đi ra khỏi nồi hơi SP:
Hsp,out,dust = 14.21199104 (kJ/Nm 3 )
Vậy enthapy của khí nóng đi ra khỏi nồi hơi SP là: dust out sp air out sp out sp H H
- Nhiệt lượng đầu ra của SP boiler được tính bằng công thức:
Q SP Heat V SP SP in SP out
Ta cần thiết kế nhiệt độ và áp suất của hơi quá nhiệt được tạo ra từ SP boiler là
330 o C và 1,6 Mpa Dựa vào số liệu này ta tra bảng PL 4 để tìm được enthapy của hơi quá nhiệt được tạo ra từ SP boiler:
Dựa vào bảng PL 3 ta cũng tìm được enthapy của nước tại nhiệt độ 190 o C (nước này lấy từ tầng hâm nóng của nồi hơi AQC đưa vào)
Hsp,water = 807,6 kJ/kg Vậy lưu lượng của hơi quá nhiệt đi vào tuốc bin từ nồi hơi SP boiler được tính bằng công thức: h )
water sp steam sp heat sp steam sp H H
Tính enthalpy và lưu lượng hơi quá nhiệt được tạo ra từ nồi hơi AQC
- Enthapy của khí nóng từ thiết bị làm nguội clinker đi vào nồi hơi AQC được tính theo công thức: dust in AQC air in AQC in
Trong đó: HAQC,in: Enthapy của khí nóng có lẫn bụi đi vào nồi hơi AQC
HAQC,in,air: Enthapy của khí nóng tươi đi vào nồi hơi AQC
HAQC,in,dust: Enthapy của bụi đi vào nồi hơi AQC
Enthapy của khí nóng tươi đi vào nồi hơi AQC được tính theo công thức:
, in air AQC in O AQC in CO AQC in H O AQC in N
Trong đó: HAQC,in,O2: Enthapy của thành phần O2 đi vào nồi hơi AQC
HAQC,in,CO2: Enthapy của thành phần CO2 đi vào nồi hơi AQC
HAQC,in,H2O: Enthapy của thành phần H2O đi vào nồi hơi AQC
HAQC,in,N2: Enthapy của thành phần N2 đi vào nồi hơi AQC
CO CO CO CO CO CO
Enthalpy của các thành phần không khí tại nhiệt độ 366,3 °C khi vào AQC và tại nhiệt độ chuẩn 20 °C đã được tính toán và kết quả được trình bày trong bảng 4.9.
Bảng 4.9: Kết quả tính toán enthalpy của các thành phần không khí đi vào AQC
Enthalpy tại 20ºC (kJ/Mol)
Dựa vào kết quả phần trăm thể tích các thành phần không khí đo được tại thiết bị làm nguội clinker trong bảng 4.3, chúng tôi đã tính toán được enthalpy của không khí tươi ở nhiệt độ 366.3 °C và 20 °C, cũng như enthalpy của không khí tươi khi đi vào nồi hơi AQC Kết quả chi tiết được trình bày trong bảng 4.10.
Bảng 4.10: Kết quả tính toán enthalpy của không khí tươi đi vào AQC
Phần % thể tích các thành phần không khí đo được tại tháp tiền nung
Enthalpy tại 366.3ºC (kJ/Mol)
Enthalpy tại 20ºC (kJ/Mol)
Enthapy của không khí tại nhiệt độ t 10.35158263 -0.15250807
Từ đây ta tính được enthalpy của không khí tươi đi vào nồi hơi AQC:
, in air AQC in air T AQC in air T
Nm kJ Mol kJ Mol kJ Mol kJ
Enthapy của bụi đi vào nồi hơi AQC được tính theo công thức:
H AQC in dust dust p in dust (4.30)
%Vdust là tỷ lệ phần trăm thể tích bụi vào nồi hơi AQC, với nồng độ bụi tại thiết bị làm nguội clinker được xác định trong bảng 4.4 và đã được thu hồi 60% trước khi vào nồi hơi Nhiệt độ môi trường tiêu chuẩn được lấy là 20 oC, trong khi nhiệt độ của bụi tại điểm xét là 366.3 oC.
Cp,in,dust là nhiệt dung riêng của hạt bụi đi vào AQC, được tính theo công thức 4.31
Với A, B, C, D, E, F, H là hệ số các giai đoạn chuyển hoá của nguồn nhiệt đối với chất rắn và được cho trong Bảng PL 10
Từ đó, ta tính được enthalpy của bụi đi vào nồi hơi AQC:
HAQC,in,dust = 3,86334980 (kJ/Nm 3 ) Vậy enthapy của khí nóng từ thiết bị làm nguội clinker đi vào nồi hơi AQC là: dust in AQC air in AQC in
- Enthapy của khí nóng khi ra khỏi nồi hơi AQC được tính theo công thức: dust out AQC air out AQC out
Trong đó: HAQC,out: Enthapy của khí nóng có lẫn bụi đi ra khỏi nồi hơi AQC
HAQC,out,air: Enthapy của khí nóng tươi đi ra khỏi nồi hơi AQC
HAQC,out,dust: Enthapy của bụi đi ra khỏi nồi hơi AQC
Enthapy của khí nóng tươi đi ra khỏi nồi hơi AQC được tính theo công thức:
, out air AQC out O AQC out CO AQC out H O AQC out N
Trong đó: HAQC,out,O2: Enthapy của thành phần O2 đi ra khỏi nồi hơi AQC
HAQC,out,CO2: Enthapy của thành phần CO2 đi ra khỏi nồi hơi AQC
HAQC,out,H2O: Enthapy của thành phần H2O đi ra khỏi nồi hơi AQC
HAQC,out,N2: Enthapy của thành phần N2 đi ra khỏi nồi hơi AQC
CO CO CO CO CO CO
Trong đó: T là nhiệt độ tại điểm đang xét – Đơn vị K (Nhiệt độ khí nóng ra khỏi nồi hơi AQC là 117 o C)
A, B, C, D, E, F, H là hệ số các giai đoạn chuyển hoá của nguồn nhiệt đối với chất khí và được cho ở bảng PL 1
Enthalpy của các thành phần không khí được tính toán tại nhiệt độ 117 oC, khi ra khỏi AQC, và tại nhiệt độ chuẩn 20 oC Kết quả này được trình bày chi tiết trong bảng 4.11.
Bảng 4.11: Kết quả tính toán enthalpy của các thành phần không khí ra khỏi AQC
Enthalpy tại 117ºC (kJ/Mol)
Enthalpy tại 20ºC (kJ/Mol)
Dựa vào kết quả phần trăm thể tích của các thành phần không khí đo được tại thiết bị làm nguội clinker trong bảng 4.3, chúng tôi đã tính toán được enthalpy của không khí tươi ở nhiệt độ 117 °C và 20 °C Kết quả này được trình bày chi tiết trong bảng 4.12.
Bảng 4.12: Kết quả tính toán enthalpy của không khí tươi đi ra khỏi AQC
Thành phần % thể tích không khí đo được tại thiết bị làm nguội clinker (%)
Enthalpy tại 117ºC (kJ/Mol)
Enthalpy tại 20ºC (kJ/Mol)
N2 70,33333333 2,67893409 -0,14995317 Enthapy của không khí tại nhiệt độ t 2,731155981 -0,15250807
Từ đây ta tính được enthalpy của không khí tươi đi ra khỏi nồi hơi AQC:
, out air AQC out air T AQC out air T
, Nm kJ Mol kJ Mol kJ Mol
Enthapy của bụi đi ra khỏi nồi hơi AQC được tính theo công thức:
H AQC out dust dust p out dust (4.39)
%Vdust đại diện cho tỷ lệ phần trăm thể tích bụi thoát ra từ nồi hơi AQC, trong đó nồng độ bụi tại thiết bị làm nguội clinker được tính theo bảng 4.4 và đã thu hồi 60% trước khi vào nồi hơi AQC Nhiệt độ môi trường tiêu chuẩn được xác định là t1 (20 °C), trong khi nhiệt độ bụi tại điểm đang xem xét là t2 (117 °C).
Cp,out,dust là nhiệt dung riêng của hạt bụi ra khỏi AQC, được tính theo công thức 4.40
Với A, B, C, D, E, F, H là hệ số các giai đoạn chuyển hoá của nguồn nhiệt đối với chất rắn và được cho ở bảng PL 2
Từ đó, ta tính được enthalpy của bụi đi ra khỏi nồi hơi AQC:
HAQC,out,dust = 0,97201450 kJ/Nm 3 Vậy enthapy của khí nóng đi ra khỏi nồi hơi AQC là: dust out AQC air out AQC out
- Nhiệt lượng đầu ra của AQC boiler được tính bằng công thức:
Q AQC Heat V AQC AQC in AQC out
Nhiệt độ và áp suất của hơi quá nhiệt từ nồi hơi AQC được thiết kế là 310 °C và 1,6 Mpa Dựa trên các thông số này, chúng ta có thể tham khảo Bảng PL 5 để xác định enthalpy của hơi quá nhiệt từ nồi hơi SP.
Đề xuất lắp đặt hệ thống phát điện tận dụng nhiệt thừa
4.2.1 Phân tích tính khả thi
Kết quả tính toán trong phần 4.1 cho thấy việc lắp đặt hệ thống phát điện tận dụng nhiệt thừa tại nhà máy xi măng là cần thiết và cấp bách, chủ yếu do hai lý do chính.
Giảm thiểu lượng khí CO2 thải ra môi trường là một mục tiêu quan trọng Kết quả tính toán tại nhà máy xi măng trong phần 4.1 cho thấy hàng năm có sự giảm đáng kể lượng khí CO2 phát thải, góp phần bảo vệ môi trường.
Lắp đặt hệ thống tự tạo điện năng cho nhà máy xi măng 4500 tấn clinker/ngày mang lại lợi ích kinh tế đáng kể, với lượng điện năng tự sản xuất lên tới 53.119 MWh Điều này không chỉ giúp giảm chi phí điện năng mà còn nâng cao hiệu quả hoạt động của nhà máy.
1300 đ/KWh thì ta có thể tiết kiệm được khoảng 69 tỉ đồng mỗi năm
4.2.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống phát điện
Dựa trên các phân tích, nồi hơi SP sẽ sử dụng khí nóng từ tháp tiền nung, trong khi nồi hơi AQC sẽ lấy khí nóng từ thiết bị làm nguội clinker để cung cấp năng lượng cho tuốc bin quay, tạo ra điện năng như minh họa trong hình 4.2.
4.2.3 Các thiết bị chính của hệ thống phát điện
Nồi hơi là thiết bị quan trọng trong quá trình sản xuất hơi nước, sử dụng năng lượng hóa học từ nhiên liệu như than, chấu và các chất thải công nghiệp để tạo ra nhiệt Nhiệt năng này cần thiết cho việc nghiền clinker, sau đó được truyền sang nước để biến đổi thành hơi nước Cuối cùng, hơi nước này được sử dụng để sản xuất điện năng thông qua máy phát điện.
Hệ thống phát điện tận dụng nhiệt thừa từ tuốc bin hơi nước được mô tả trong sơ đồ Hình 4.2 Nhiệm vụ chính của nồi hơi là chuyển đổi năng lượng hóa học trong nhiên liệu thành năng lượng nhiệt của hơi nước, do đó nồi hơi còn được gọi là máy phát điện hơi nước.
Nồi hơi nhiệt thải có chức năng tận dụng khí thải từ lò nung xi măng để sản xuất hơi quá nhiệt đạt nhiệt độ và áp suất theo quy định.
Nồi hơi và các ống dẫn khí được bọc lớp cách nhiệt bằng bông thuỷ tinh, bên ngoài có lớp tôn bảo vệ để giữ bông thuỷ tinh Bông thuỷ tinh được tạo thành từ những sợi thuỷ tinh từ đá khoáng, xỉ hoặc thuỷ tinh đã được nấu chảy, mang lại hiệu quả cách nhiệt cao.
Hệ thống phát điện bao gồm hai loại nồi hơi: nồi hơi AQC, sử dụng nhiệt thải từ bộ làm mát clinker, và nồi hơi SP, nồi hơi chính, lấy nhiệt thải từ lò nung clinker.
Nồi hơi AQC là một thiết bị quan trọng được áp dụng chủ yếu để phát điện thông qua phục hồi nhiệt thải từ khu vực làm mát clinker
Nồi hơi nhiệt thải được sử dụng trong dây chuyền sản xuất xi măng, đóng vai trò quan trọng trong việc thu hồi nhiệt thừa để phát điện Thiết bị này nổi bật với khả năng tiết kiệm năng lượng, chi phí thấp, thân thiện với môi trường và thiết kế nhỏ gọn.
Nồi hơi được thiết kế theo chiều dọc với cơ chế lưu thông tự nhiên, nơi nước cấp vào với tốc độ 38.3 t/h được đưa vào tầng đun sôi Tại đây, nước được nung nóng lên 179 oC trước khi chuyển sang bao hơi Từ bao hơi, nước tiếp tục chảy vào tầng bay hơi với tốc độ 12.1 t/h và được đun nóng lên 350 oC, tạo ra hỗn hợp hơi nước và nước Hơi nước bão hòa sau đó được tách ra và dẫn đến bộ quá nhiệt, nơi hơi nước nóng lên và trở thành hơi nước quá nhiệt dưới áp suất cao, sẵn sàng được sử dụng cho tuốc bin.
Các đặc tính kỹ thuật của lò hơi
Nhiệt độ khí thải đầu vào của nồi hơi là 370 o C, giảm xuống 100 o C sau khi đi qua các tầng hơi quá nhiệt, hơi bão hòa và tầng đun sôi Trước khi vào nồi hơi, khí thải được lọc qua bộ lọc bụi gió xoáy trên bộ làm mát clinker để nâng cao hiệu quả nhiệt và đảm bảo hoạt động an toàn, ổn định Việc áp dụng ống tròn cho các chức năng trao đổi nhiệt của thiết bị tạo hơi bão hòa, hơi quá nhiệt và đun sôi nước giúp tối ưu hóa việc tận dụng khí thải, tăng cường dòng chảy và trao đổi nhiệt Điều này không chỉ giảm thiểu sự hao mòn của ống mà còn giảm tần suất bảo trì.
Tất cả các bề mặt gia nhiệt được bố trí tách rời, với khoảng cách giữa các dãy ống được tính toán chính xác để đảm bảo vận tốc khí tối ưu và hiệu quả trao đổi nhiệt đạt yêu cầu Thông số thiết kế của nồi hơi AQC được trình bày trong bảng 4.15.
Bảng 4.15: Thông số thiết kế của nồi hơi AQC
Stt Tên Đơn vị Thông số Đặc điểm hơi nước
1 Tốc độ hơi nước ra t/h 12.1
2 Áp suất hơi nước MPa 1.5
3 Áp suất làm việc cao nhất MPa 1.8
5 Nhiệt độ nước cấp vào (từ lò nung) o C 250
6 Tỉ lệ xả đáy bao hơi % 3
7 Áp suất đường ống chịu được MPa 2.97 Đặc điểm nước nóng
2 Áp suất nước ra MPa 2.6
4 Nhiệt độ nước cấp vào o C 42
5 Áp suất đường ống chịu được MPa 3
Nồi hơi và ống hơi được bảo vệ bởi vỏ nhẹ làm từ tấm sợi alumino silicate chịu lửa, bên ngoài được bọc một lớp bông thủy tinh dày để cách nhiệt hiệu quả với môi trường xung quanh.
Mật độ bụi trong nhiệt thải của nồi hơi AQC rất cao, vì vậy việc lọc bụi trước khi đưa vào nồi hơi là cần thiết Hệ thống lọc bụi quán tính được sử dụng giúp giảm đáng kể lượng bụi trước khi vào nồi hơi Đường ống nhiệt thải vào có đường kính 3.4 m và đặt ở độ cao 16490 mm, trong khi đường ống nhiệt thải ra có đường kính 2600 mm và ở độ cao 4000 mm Đặc tính nhiệt thải của nồi hơi AQC được trình bày trong bảng 4.16.
Bảng 4.16: Bảng đặc tính nhiệt thải của nồi hơi AQC
Stt Tên Đơn vị Thông số
1 Lưu lượng khí vào Nm 3 /h 169000
4 Mật độ khói bụi vào g/Nm 3 31,2
