Luan van he thon dien sinh khoi

Năng lượng sinh khối là vật liệu hữu cơ dự trữ ánh sáng mặt trời dưới dạng năng lượng hoá học. Khi được đốt cháy, năng lượng hoá học này được giải phóng dưới dạng nhiệt. Thực tế năng lượng sinh khối là nguồn năng lượng lớn tại các quốc gia đang phát triển.

Chương 1

TỔNG QUAN

Mục tiêu chương này trình bày tổng quan hướng nghiên cứu, cơ sở khoa học,thực tiễn của đề tài, xác định mục tiêu, phạm vi hướng nghiên cứu, phương phápnghiên cứu khoa học

Nội dung: giới thiệu sơ đồ khối hệ thống đồng phát điện và nhiệt của nhàmáy điện turbine hơi nước sử dụng nguyên liệu bã mía đốt lò hơi, nhu cầu nănglượng thế giới, phân tích biến đổi khí hậu do các nguồn tài nguyên gây ra, hệ thốngnăng lượng Việt Nam, phân tích tiềm năng nguồn năng lượng tái tạo bã mía tại ViệtNam

1.1 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài

Hệ thống đồng phát đã phát triển mạnh tại các quốc gia châu âu từ nhữngnăm 1960 với các nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu đốt dầu DO, than đá Sau

đó nguồn nhiên liệu hóa thạch dạng này dần dần cạn kiệt người ta đã tìm kiếmnguồn nhiên liệu thay thế đảm bảo chất thải khí CO2, NOx, SOx…ra môi trườngkhông gây ô nhiễm Để đáp ứng nhu cầu trên, năng lượng mặt trời, năng lượng gió,năng lượng địa nhiệt, năng lượng thủy triều, năng lượng biomass…được sử dụngthay thế Trong đề tài này trình bày hướng nghiên cứu về lĩnh vực năng lượng táitạo biomass cụ thể là nguồn nguyên liệu bã mía, sản phẩm trong nông nghiệp cóđược từ các nhà máy mía đường, chất thải rắn tái tạo năng lượng có ích như phânhữu cơ làm phân bón cho các loại cây nông nghiệp, chất thải khí CO2 không gâyhiệu ứng nhà kính

Một số quốc gia có các nhà máy mía đường công suất lớn như: Ấn độ,Brazin, Trung quốc, Pháp, Đan mạch, Úc, Thái lan… đã thành công trong lĩnh vựcnày Đối với Việt Nam chúng ta thì sao? Cả nước có 43 nhà máy mía đường chỉđược vài nhà máy công suất lớn với công nghệ tiến tiến như: nhà máy đường thôTây Ninh, nhà máy đường Bourbon Tây Ninh, nhà máy đường Khánh Hòa, nhàmáy đường Lam Sơn Quảng Ngãi, nhà máy đường Nghệ An, nhà máy đường Gia

Lai…số còn lại công nghệ lạc hậu Đất nước chúng ta có tiềm năng nguồn tàinguyên này rất lớn, nếu đầu tư, qui hoạch, phân bố tốt diện tích trồng mía cả 3miền: miền bắc, miền trung, miền nam, thì các nhà máy mía đường sẽ cung cấp mộtlượng lớn kWh cho hệ thống điện quốc gia.

Nguồn tài nguyên năng lượng biomass của các nhà máy mía đường tại ViệtNam dồi dào, cung cấp khoảng 200 MW (theo thống kê EVN, 2006) cho hệ thốngnăng lượng đất nước Bã mía là sản phẩm chất thải rắn ở các nhà máy mía đường,

sử dụng làm nhiên liệu đốt lò hơi, cung cấp hơi cho turbine hơi nước kéo máy phátđiện, năng lượng sơ cấp đã chuyển đổi thành dạng năng lượng sử dụng hiệu quả.Điện năng phát ra sử dụng hệ thống điện nội bộ nhà máy và bán điện thương phẩmcho EVN, phần nhiệt năng sau khi ra khỏi turbine được sử dụng vào qui trình sảnxuất đường và điều chế ethanol Tro là chất thải của bã mía được sản xuất thànhphân bón hữu cơ phục vụ cho cây trồng nông nghiệp và công nghiệp Mật sử dụngđiều chế ethanol cung cấp làm nhiên liệu sạch cho các động cơ ôtô Vì vậy hiệu suất

hệ thống đồng phát của các nhà máy mía đường cao, không gây hiệu ứng nhà kính

Với nhu cầu sử dụng điện tại Việt Nam tăng nhanh trong tương lai, việc đầu

tư hoặc cải tiến hệ thống đồng phát tại các nhà máy đường, là để tăng hiệu suất,cung cấp điện thương phẩm cho lưới quốc gia Bởi cải tiến hệ thống đồng pháttrong các nhà máy mía đường là tiềm năng sản xuất lượng điện năng dư cung cấpcho hệ thống điện quốc gia trong tương lai

Những phân tích ở trên là lý do đề tài được chọn

1.2 Mục tiêu của đề tài

Chứng minh tính khả thi của mô hình hệ thống đồng phát điện và nhiệt với

bã mía tại Việt Nam

1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài

- Phân tích, kiểm chứng, trình bày mô hình hệ thống đồng phát điện và nhiệtcủa 43 nhà máy mía đường tại Việt Nam

- Phạm vi đề tài nghiên cứu hệ thống đồng phát điện và nhiệt của các nhàmía đường, nhiên liệu đốt lò hơi bằng bã mía tại Việt Nam

- Đề ra hướng phát triển ứng dụng đề tài với các nhà máy giấy, chế biến gỗ,dệt, hóa chất tại Việt Nam, sử dụng nhiên liệu biomass.

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu, đọc tài liệu trong và ngoài nước

- Phân tích kỹ thuật, công nghệ các nhà máy đường trong nước

- Sử dụng chu trình Rankine biện luận hiệu suất nhà máy điện

- Sử dụng định luật 1 nhiệt động lực học, định luật 2 nhiệt động lực học,thành lập các phương trình cân bằng năng lượng từng khối trong hệ thống

- Sử dụng phần mềm matlab tính toán, mô phỏng, và phần mềm Microsoftexcel vẽ đồ thị, tính toán bảng tính ở chương 3, chương 4

1.5 Nội dung

- Chương 1: Tổng quan

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết

- Chương 3: Mô hình hóa và mô phỏng hệ thồng đồng phát với bã mía

- Chương 4: Ứng dụng hệ thống đồng phát với nhà máy đường thô Tây Ninhthuộc Công ty cổ phần đường Biên Hòa

- Chương 5: Kết luận

1.6 Hệ thống đồng phát điện và nhiệt (COGEN)

Đồng phát là hệ thống đồng thời phát ra liên tục hai dạng năng lượng hữu íchđiện và nhiệt từ một nhà máy duy nhất, sử dụng nguồn năng lượng sơ cấp

Hình 1.1 khối năng lượng sơ cấp (ngõ vào hệ thống) là nguồn năng lượng táitạo biomass (nhiên liệu bã mía), nhiên liệu chính đối với các nhà máy mía đường.Khối năng lượng chuyển đổi gồm 2 khối con: lò hơi và turbine (turbine đối áp,turbine ngưng trích hơi) Khối năng lượng phân phối gồm 3 khối con: phụ tải điện(máy phát điện không đồng bộ 3 pha), phụ tải nhiệt (thiết bị gia nhiệt nước mía,thiết bị bốc hơi, thiết bị nầu đường, thiết bị điều chế ethanol), khí thải Khối nănglượng sử dụng gồm 3 khối con: khối điện năng sử dụng nhà máy, điện năng thươngphẩm, khối qui trình sản xuất đường và điều chế ethanol, khối gia nhiệt nước nóng

và khối hâm nóng không khí trước khi vào lò hơi

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ đồng phát điện và nhiệt

1.7 Đặc điểm hệ thống đồng phát

Giả sử chúng ta có hệ thống năng lượng như hình 1.2, gồm 3 máy phát điện(2 máy phát công suất lớn, 1 máy phát (COGEN), 1 trạm phân phối, 1 hệ thốngtruyền tải, hệ thống phân phối, và phụ tải Hình 1.2 so sánh giữa nhà máy điệntruyền thống và nhà máy điện sử dụng hệ thống đồng phát, đây chỉ là vấn đề phânbiệt tổng thể , không phân tích cụ thể về chỉ tiêu kỹ thuật, chỉ tiêu kinh tế của hệthống điện

- Giảm tổn thất điện trên đường truyền tải, qua đó tiết kiệm nhiên liệu

- Tăng khả năng sử dụng các nguồn nhiên liệu địa phương

- Tăng độ linh hoạt của hệ thống và khả năng sử dụng các nguồn năng lượng cóthể tái tạo như sinh khối thu được từ phế thải công nghiệp và nông nghiệp

- Giảm chi phí năng lượng, tạo ưu điểm cạnh tranh cho các ngành công nghiệp

- Giảm nhập khẩu nhiên liệu

- Hiệu suất cao, tiết kiệm 25 - 30% năng lượng

- Giảm phát tán khí thải CO2

Hình 1.2 Đồng phát trong hệ thống điện tập trung 1.8 Nhu cầu năng lượng thế giới

Hầu hết nhu cầu năng lượng của thế giới được cung cấp bởi nhiên liệu hóathạch là dầu, khí đốt tự nhiên và than đá (hình 1.3) Việc cung cấp năng lượng chínhtrong năm 2006 là hơn 80%, trong khi năng lượng tái tạo vẫn chiếm một tỷ lệ nhỏ.Nguồn tài nguyên hóa thạch là hữu hạn, phân phối không đồng đều Việc khai thác,sản xuất, chuyển đổi các dạng năng lượng sẽ phát thải chất gây ô nhiễm địa phươngtạo nên hiệu ứng nhà kính, tác động thay đổi khí hậu toàn cầu

Giải quyết vấn đề tính bền vững và hữu ích Năm 1987 báo cáo Brundtland

Uỷ ban Môi trường thế giới và Phát triển, gọi là “ tương lai của chúng ta”, cảnh báothế giới tính cấp bách về việc tiến bộ và phát triển kinh tế có thể được duy trì,không làm cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên hoặc thiệt hại môi trường Báo cáo cungcấp một tuyên bố quan trọng về phát triển bền vững, xác định "phát triển đáp ứngnhu cầu của hiện tại không ảnh hưởng đến khả năng của các thế hệ tương lai”, Đểđáp ứng nhu cầu đó, hệ thống năng lượng hiện nay không bền vững Chúng đã gópphần phát triển xã hội sau cuộc cách mạng công nghiệp và chịu trách nhiệm về cáctiêu chuẩn sống hiện nay Điều đó sẽ gây ra suy giảm trong một vài thế kỷ tới, cácnguồn tài nguyên quý giá được hình thành từ vài triệu năm trước

Hình 1.3 Năng lượng thế giới năm 2006 (nguồn IEA, 2008)

Hình 1.4 Nhu cầu năng lượng thế giới 1980-2030 (nguồn IEA, 2008)

1.9 Biến đổi khí hậu

Hiệu ứng nhà kính là kết quả từ "sự bẩn của cửa kính hồng ngoại trongkhông khí" bằng một số dấu vết khí quyển, cho phép bức xạ mặt trời đến được bềmặt của trái đất, nhưng ngăn cản, hạn chế dòng chảy của các luồng bức xạ hồngngoại từ trái đất ra ngoài bầu khí quyển Những dấu vết các chất khí trong khíquyển hấp thụ và bức xạ gửi đi, có khả năng lưu trữ một số nhiệt trong khí quyển,

do đó sản xuất một lưới nóng lên của bề mặt Các khí nhà kính quan trọng nhất là

hơi nước và CO2 Hai yếu tố làm thay đổi cuộc sống con người thế kỷ 19, các quátrình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch lớn, và nạn phá rừng liên tục xảy ra trên cácchâu lục là nguyên nhân gây hiệu ứng nhà kính.

Hình 1.5 Hiệu ứng nhà kính (nguồn IEA, 2008)

Khoảng một tỷ năm là thời gian cần thiết để tạo ra các nguồn tài nguyên hóathạch, mà chúng ta đang đốt cháy trong một vài thế kỷ Việc so sánh giữa các thời

kỳ hình thành và cạn kiệt cho thấy tỷ lệ tiêu thụ khoảng 2000000 lần nhanh hơn quátrình hình thành Nạn phá rừng và đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch gây ra trên bềmặt trái đất giảm khả năng hấp thụ CO2 trong khí quyển của thực vật, mặt khác phátthải lượng lớn carbon mà đã được cố định từ khí quyển dưới hình thức CO2 Kết quảnồng độ khí quyển của CO2 đã tăng từ 280 ppm trong thời kỳ tiền công nghiệp đến

385 ppm trong năm 2008 Sự gia tăng này, cùng với sự gia tăng tương tự các loạikhí khác như CH4, N2O, O3 và N2O tầng đối lưu, gây ra hiệu ứng nhà kính tăng, tức

là sự gia tăng bắt buộc trong bức xạ nhà kính do hấp thụ bức xạ hồng ngoại tăngtrên bề mặt trái đất, do đó trái đất đang nóng dần lên

Nồng độ CO2 dự kiến tăng trong thế kỷ 21, dẫn đến tăng nhiệt độ, khí hậu,môi trường và kinh tế, tác động đến đời sống, xã hội Các hiện tượng xảy ra trongđiều kiện khí hậu biến đổi

Tăng mực nước biển toàn cầu, mất dần các sông băng ở vùng bắc cực

Gia tăng lượng mưa trung bình hàng năm trên toàn cầu.

Thay đổi thời tiết, khí hậu hàng ngày, biến đổi theo mùa hàng năm, thay đổitần số, cường độ và thời gian của các sự vật, hiện tượng

Thay đổi sinh thái, tăng nguy cơ tuyệt chủng của một số cá thể ở đại dương

Có khả năng thay đổi đột ngột hệ thống vật lý và sinh học

Tóm lại, biến đổi khí hậu sẽ tăng mối đe dọa đến sức khỏe loài người, đặcbiệt trong các quần thể động thực vật

1.10 Hệ thống năng lượng việt nam

Hệ thống điện, truyền tải và phân phối tại Việt Nam chủ yếu được cung cấpbởi Điện lực Việt Nam (EVN), độc quyền nhà nước quản lý Thành lập vào tháng

10 năm 1994 theo Bộ Công nghiệp.Vào cuối năm 2005 công suất hệ thống điện

11340 MW, trong đó điện lực Việt Nam chiếm khoảng 78%, số còn lại doanhnghiệp tư nhân trong và ngoài nước sản xuất điện độc lập

Các hệ thống điện Việt Nam hiện tại bao gồm: năng lượng khí đốt dựa trên nhà máy nhiệt điện (39%), các nhà máy thủy điện (37%), và nhà máy nhiệt điện đốtthan Truyền tải và phân phối điện tại Việt Nam tổn thất vẫn còn cao, ngay cả khi đãgiảm mạnh từ 22% trong 1995, 12% vào năm 2005 EVN đã phát triển một kếhoạch để giảm tổn thất truyền tải và phân phối điện đến dưới 8% vào năm 2025(nguồn EVN 2006)

Sự phát triển của ngành năng lượng điện tại Việt Nam được quản lý bằngcách sử dụng điện quy hoạch phát triển, trong đó ước tính nhu cầu điện và kế hoạchtổng thể phát triển của ngành điện trong một khoảng thời gian 10 năm, có tính đến

10 năm tiếp theo Quy hoạch phát triển điện được chấp thuận của Thủ tướng Chínhphủ vào tháng 7 năm 2007 Dự án bổ sung công suất thêm hơn 10000 MW đượcyêu cầu giữa năm 2005 và 2010 để đáp ứng ngày càng tăng nhanh nhu cầu cho phụtải điện

Hình 1.5 trình bày lịch sử và dự báo nhu cầu năng lượng điện tại Việt Nam từnăm 1990, khi Chính phủ Việt Nam phát động một cuộc cải cách toàn diện Cảicách này đã giúp cải thiện đời sống nhân dân, và đã thúc đẩy sự phát triển của nền

kinh tế quốc gia Giá trị sản xuất trong nước (GDP) tại Việt Nam đã trải qua tốc độtăng trưởng 8,2%/năm trong 1991 - 1995, tốc độ tăng trưởng kinh tế mạnh.

Hình 1.6 Lịch sử và dự báo năng lượng điện, nhu cầu tiêu thụ điện, phụ tải đỉnh tại

Việt Nam 1995 - 2030 (nguồn từ cơ quan năng lượng 2006)

Vì lý do đó nhu cầu điện đã tăng 13,5% so với cùng kỳ Sau đó nhu cầu đãtăng trưởng nhanh hơn, bởi 14%, trong giai đoạn 1995 - 2005, cùng với phát triểnkinh tế Quy hoạch được xây dựng dựa trên bối cảnh phát triển vùng, và phân tíchcác ngành kinh tế khác nhau, so sánh bằng cách sử dụng dự báo ba phương pháp:hồi quy, độ đàn hồi và cường độ Theo kế hoạch này, các nhu cầu điện dự kiến sẽtăng 15%/năm trong bối cảnh nhu cầu thấp, và bằng 18% /năm trong bối cảnh nhucầu cao giai đoạn 2010 - 2030

1.11 Nhu cầu năng lượng tái tạo việt nam

Tiềm năng năng lượng tái tạo được phân loại khác nhau: lý thuyết, kỹ thuật,kinh tế Tiềm năng lý thuyết được định nghĩa năng lượng tối đa, mà có thể đượckhai thác trong một vùng chỉ xem xét hạn chế nhiệt động lực học Tiềm năng kỹthuật được xác định bởi năng lượng, có thể được mang lại sử dụng công nghệ hiện

có, do đó phụ thuộc vào thời gian đánh giá Tiềm năng kinh tế được xác định bởinăng lượng có thể được mang lại bằng cách qui hoạch nhu cầu năng lượng khả thi

Cơ sở hạ tầng, kỹ thuật và các khía cạnh kinh tế (chi phí các nguồn năng lượng thaythế cạnh tranh) xác định các giới hạn về tiềm năng kinh tế Bảng 1.1 minh họa tổngquan Việt Nam có nhiều nguồn năng lượng tái tạo chưa được khai thác đầy đủ.

Bảng 1.1 Đánh giá tiềm năng năng lượng tái tạo tại Việt Nam (nguồn EVN

1.12 Năng lượng sinh khối

Nguồn tài nguyên sinh khối có thể được sử dụng để phát điện bao gồm: rơmlúa, bã mía, vỏ trấu, cà phê, vỏ dừa, gỗ và lượng dư cây trồng, với một tiềm năngđạt công suất 1000 - 1600 MW

Năng lượng sinh khối là vật liệu hữu cơ dự trữ ánh sáng mặt trời dưới dạngnăng lượng hoá học Khi được đốt cháy, năng lượng hoá học này được giải phóngdưới dạng nhiệt Thực tế năng lượng sinh khối là nguồn năng lượng lớn tại các quốcgia đang phát triển

Lợi ích môi trường, an ninh năng lượng thực sự của năng lượng sinh khốixuất hiện, khi con người sử dụng một lượng lớn năng lượng sinh khối để sản xuấtđiện năng, nhiệt và các loại nhiên liệu sinh học khác, do đó giảm sử dụng nhiên liệuhoá thạch Khi thực vật sinh trưởng, chúng hấp thụ CO2 trong môi trường và dự trữ

nó thông qua quá trình quang hợp Một lượng CO2 tương đương được giải phóngkhi thực vật bị phân huỷ tự nhiên hoặc đốt cháy Điều đó có nghĩa là năng lượngsinh khối không đóng góp vào quá trình phát thải khí nhà kính

Trong đề tài này năng lượng sinh khối sử dụng là bã mía Nhiên liệu bã míakhông chứa lưu huỳnh, khi đốt cháy không phát thải các oxit lưu huỳnh Sử dụng bãmía không làm tăng thêm các khí thải gây hiệu ứng nhà kính bởi lượng CO2 phátthải ra khi đốt, tương ứng với lượng CO2 đã được cây mía hấp thụ trong quá trìnhsinh trưởng Bã mía không chứa clo, do vậy có thể sử dụng được trong các lò hơihiệu suất cao.

1.13 Khảo sát tiềm năng bã mía tại Việt Nam

1.13.1 Công suất và trình độ công nghệ

Cả nước có 43 nhà máy đường với công suất thiết kế 82450 tấn đườngmía/ngày hình 1.7

8 nhà máy nhỏ (100 - 900 tấn mía/ngày), với tổng công suất thiết kế của

4450 tấ /ngày, chiếm 5,4% công suất cả nước Các nhà máy này có trang thiết bị ởmức trung bình và thấp so với thế giới

22 nhà máy vừa (1000 - 1500 tấn mía/ngày) với tổng công suất thiết kế

27000 tấn mía/ngày, chiếm 32,7% Hầu hết các nhà máy sử dụng thiết bị TrungQuốc và Ấn Độ

13 nhà máy lớn (2000 - 8000 tấn mía/ngày) với tổng công suất thiết kế 51000tấn mía/ngày, chiếm 61,9%, những nhà máy lớn với thiết bị chất lượng tốt

1.13.2 Vị trí của 43 nhà máy đường trong cả nước

Ở các tỉnh phía Bắc khu vực ven biển, có 12 nhà máy với tổng số công suấtthiết kế 26850 tấn mía/ngày, chiếm 32,6% công suất cả nước

Trong khu vực ven biển miền Trung và Tây Nguyên, có 15 nhà máy với tổngcông suất thiết kế 23450 tấn mía/ngày, chiếm 28,4% công suất cả nước

Ở khu vực phía Nam, có 16 nhà máy với tổng công suất thiết kế 32150 tấnmía/ngày, chiếm 39,0% công suất cả nước

Theo ngành kinh tế: 32 nhà máy quốc doanh với tổng công suất thiết kế

43350 tấn mía/ngày, chiếm 52,6% công suất cả nước, 4 nhà máy với tổng công suấtthiết kế 12000 tấn mía/ngày, chiếm 14,7% công suất cả nước, 7 nhà máy liên doanh

có vốn nước ngoài 100% và tổng công suất thiết kế 27100 mía/ngày, chiếm 32,7%công suất cả nước.

Hình 1.7 Bản đồ địa lý các nhà máy đường tại Việt Nam

(nguồn ngân hàng thế giới 2001)

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Mục tiêu chương này phân tích các biến của mô hình đồng phát, để làm cơ

sở tính toán, mô phỏng chương 3, chương 4

Nội dung: chu trình rankine, biện luận, ứng dụng chu trình rankine trong cácnhà máy mía đường, các phương trình cân bằng năng lượng trong hệ thống Phântích, tính toán các trạng thái, kinh tế mô hình đồng phát

2.1 Chu trình Rankine

Chu trình Carno có một số nhược điểm khi áp dụng cho khí thực, nên thực tếngười ta áp dụng chu trình cải tiến gần với chu trình này gọi là chu trình Rankine.Chu trình Rankine là chu trình thuận chiều, biến nhiệt thành công

Chu trình Rankine là chu trình nhiệt được ứng dụng trong tất cả các lọai nhàmáy nhiệt điện, môi chất làm việc trong chu trình là nước và hơi nước Tất cả cácthiết bị của các nhà máy nhiệt điện đều giống nhau trừ thiết bị sinh hơi Trong thiết

bị sinh hơi, nước nhận nhiệt để biến thành hơi Đối với nhà máy nhiệt điện, thiết bịsinh hơi là lò hơi, trong đó nước nhận nhiệt từ quá trình đốt cháy nhiên liệu hóathạch (dầu, than đá,), hoặc nguồn năng lượng tái tạo biomass Đối với nhà máyđiện mặt trời hoặc địa nhiệt, nước nhận nhiệt từ năng lượng mặt trời hoặc từ nhiệtnăng trong lòng đất Đối với nhà máy điện nguyên tử, thiết bị sinh hơi là thiết bịtrao đổi nhiệt, trong đó nước nhận nhiệt từ chất tải nhiệt trong lò phản ứng hạt nhân

Sơ đồ thiết bị của chu trình nhà máy nhiệt điện được trình bày trên hình 2.1

a, gồm các thiết bị chính để biến đổi năng lượng là lò hơi, turbine, bình ngưng, máybơm cùng một số thiết bị phụ khác Đồ thị T - s của chu trình được biểu diễn trênhình 2.1 b

Nước ngưng trong bình ngưng (trạng thái 2’ trên đồ thị) có thông số P 2 , T 2,

s 2 , được bơm vào thiết bị sinh hơi, áp suất tăng từ P 2 đến áp suất P 1 (quá trình 2’- 3).Trong thiết bị sinh hơi, nước trong các ống sinh hơi nhận nhiệt tỏa ra từ quá trìnhcháy, nhiệt độ tăng lên đến điểm sôi (quá trình 3 - 4), hoá hơi (quá trình 4 - 5) và trởthành hơi quá nhiệt ở bộ quá nhiệt (quá trình 5 - 1) Quá trình 3 - 4 - 5 - 1 là quá

trình hóa hơi đẳng áp ở áp suất P 1 không đổi Hơi ra khỏi bộ quá nhiệt (ở trạng thái

1) có thông số P 1 , T 1 đi vào turbine, ở đây hơi dãn nở đoạn nhiệt đến trạng thái 2,biến nhiệt năng thành cơ năng (quá trình 1 - 2) và sinh công trong turbine Hơi ra

khỏi turbine có thông số P 2 , T 2, đi vào bình ngưng, ngưng tụ thành nước (quá trình 2

- 2’), rồi lại được bơm trở về lò Quá trình nén đoạn nhiệt trong bơm có thể xem làquá trình nén đẳng tích vì nước không chịu nén (thể tích ít thay đổi)

2.2 Biện luận chu trình Rankine

Xét phương trình 2.2, để tăng hiệu suất

+ η th = (1- T L / T H ) tăng thì tỉ số T L / T H giảm, khi T L giảm, nghĩa là giảm nhiệt

độ trung bình T L của quá trình nhả nhiệt trong bình ngưng

+ η th = (1- T L / T H ) tăng thì tỉ số T L / T H giảm, khi T H tăng, nghĩa là tăng nhiệt

độ trung bình T H của quá trình cấp nhiệt trong lò hơi.

2.2.1 Giảm nhiệt độ trung bình của quá trình nhả nhiệt T L

4 1

3 2 4

1

3 4 2

)(

)(

)(

h h

h h h

h

h h h h Q

out th

T

T q

Hình 2.2 a, biểu diễn chu trình Rankine có áp suất cuối giảm từ P 2 xuống P 20,

khi nhiệt độ T 1 và áp suất P 1 không thay đổi Giảm áp suất ngưng tụ P 2 của hơi trong

bình ngưng, thì nhiệt độ bão hòa T s cũng giảm theo, do đó nhiệt độ trung bình T L

của quá trình nhả nhiệt giảm xuống Theo (2.2) thì hiệu suât nhiệt η th của chu trình

tăng lên Tuy nhiên, nhiệt độ T s bị giới hạn bởi nhiệt độ nguồn lạnh (nhiệt độ nướclàm mát trong bình ngưng), do đó áp suất cuối của chu trình cũng không thể xuốngquá thấp, thường từ 2 kPa đến 5 kPa tùy theo điều kiện khí hậu từng vùng Mặt

khác, khi giảm áp suất P 2 xuống, thì độ ẩm của hơi ở các tầng cuối turbine cũnggiảm xuống, sẽ làm giảm hiệu suất và tuổi thọ turbine, do đó cũng làm giảm hiệusuất chung của toàn nhà máy

Hình 2.2 Đặc tính chu trình Rankine a, b, c

2.2.2 Tăng nhiệt độ trung bình của quá trình cấp nhiệt T H

Theo (2.2 b) ta thấy khi nhiệt độ trung bình T H của quá trình cấp nhiệt 3 4

-5 - 1 tăng lên, thì hiệu suất η th chu trình sẽ tăng lên Để nâng nhiệt độ trung bình của

quá trình cấp nhiệt T H , có thể tăng áp suất đầu P 1 hoặc nhiệt độ đầu T 1 Nếu giữ

nguyên áp suất hơi quá nhiệt P 1 và áp suất cuối P 2 , tăng nhiệt độ đầu T 1 (hình 2.2 b)

thì nhiệt độ trung bình T H của quá trình cấp nhiệt 3 - 4 -5 - 1 cũng tăng lên Nếu giữ

nguyên nhiệt độ hơi quá nhiệt T 1 và áp suất cuối P 2 , tăng áp suất đầu P 1 (hình 2.2 c)

thì nhiệt độ sôi của quá trình 4 - 5 tăng, do đó nhiệt độ trung bình T H của quá trình

cấp nhiệt 3 - 4 -5 - 1 cũng tăng lên trong khi T L giữ nguyên, dẫn đến hiệu suất nhiệt

η th của chu trình tăng lên

Khi tăng nhiệt độ ban đầu thì độ ẩm giảm, nhưng tăng áp suất đầu thì độ ẩmtăng Do đó trên thực tế người ta thường tăng đồng thời cả áp suất và nhiệt độ đầu

để tăng hiệu suất chu trình mà độ ẩm không tăng, nên hiệu suất của chu trìnhRankine thực tế sẽ tăng lên Chính vì vậy, ứng với một giá trị áp suất đầu người ta

sẽ chọn nhiệt độ đầu tương ứng, hai thông số này gọi là thông số kết đôi (phụ lục C,phụ lục D)

2.3 Ứng dụng chu trình Rankine

2.3.1 Chu trình trích hơi gia nhiệt nước cấp

Một biện pháp khác để nâng cao hiệu suất chu trình Rankine là trích mộtphần hơi từ turbine để gia nhiệt nung nước cấp trước khi bơm nước cấp cho lò Sơ

đồ thiết bị chu trình gia nhiệt hâm nước cấp được biểu diễn trên hình 2.3

Hình 2.3 Chu trình Rankine gia nhiệt nước cấp 2.3.2 Chu trình quá nhiệt hơi trung gian

Như đã phân tích ở trên, để nâng cao hiệu suất chu trình của nhà máy ta cóthể tăng đồng thời cả áp suất và nhiệt độ đầu của hơi quá nhiệt Nhưng thực tế

không thể tăng nhiệt độ T 0 lên mãi được, vì bị hạn chế bởi sức bền của kim loại chế

tạo các thiết bị, nếu chỉ tăng áp suất P 0 lên, độ ẩm của hơi cuối turbine tăng, làmgiảm hiệu suất turbine, tăng khả năng mài mòn và ăn mòn các cánh turbine Đểkhắc phục tình trạng này, người ta cho hơi dãn nở sinh công trong một số tầng đầucủa turbine rồi đưa trở lại lò hơi quá nhiệt một lần nữa (gọi là quá nhiệt hơi trung

gian) để tăng nhiệt độ hơi, sau đó đưa trở lại các tầng tiếp theo của turbine và tiếp

tục dãn nở sinh công đến áp suất cuối P out

Hình 2.4 biểu diễn sơ đồ nguyên lý của chu trình có quá nhiệt hơi trung gian.Mục đích của quá nhiệt trung gian là giảm bớt độ ẩm cuối turbine và tăng nhiệt độhơi vào các tầng tiếp theo Nhiệt độ hơi ra khỏi bộ quá nhiệt trung gian có thể lênđến bằng nhiệt độ hơi ban đầu trước khi vào turbine

Hình 2.4 Chu trình Rankine quá nhiệt trung gian hơi

Quá nhiệt trung gian đem lại hiệu quả tối đa chỉ khi áp suất hơi đi quá nhiệt

trung gian bằng (0,25 - 0,3) áp suất hơi mới P 2

2.4 Phương trình cân bằng khối lượng

Cân bằng khối lượng của hệ là nguyên tắc cơ bản phân tích nhiệt động học

2.5 Phương trình cân bằng năng lượng

Định luật thứ nhất nhiệt động lực học cân bằng năng lượng của 1 hệ

)2

()

2(

2 2

o

o o e

o i

i i i i

cv Q W m h V gz m h V gz

dt

dE

++

−+++

−

Trong đó

+E, Q, W , t là năng lượng, nhiệt lượng, công, thời gian

+ h, V, g, z là enthalpy riêng, thể tích, trọng lực, chiều cao.

2.6 Phương trình cân bằng entropy

Lượng entropy được gắn liền với tổn thất của hệ thống Entropy được pháttrong chu trình ký hiệu S gen

dt

dS T

Q s

m s

m

k k

k i

i i o

2.7 Phương trình cân bằng exergy

Exergy luôn biến đổi trong hệ thống Exergy là công lớn nhất đạt được từ hệthống ở trạng thái nào đó Hiểu một cách khác, exergy là công thuân nghịch đượcxác định đầu tiên, công có ích lớn nhất có thể thu được khi chế độ làm việc của 1chu trình giữa 2 trạng thái xác lập Một thuật ngữ khác“exergy distruction” đượcđịnh nghĩa là tổn thất thế năng Phương trình cân bằng exergy

d o

o o i

i i

cv cv

j

j j

dt

dV p W Q T

T dt

+ j , 0 là giá trị đặc tính tại trạng thái j, giá trị đặc tính xung quanh.

Exergy vật lý tại trạng thái xác lập

) z z ( g V V ) s s ( T ) h

−+

) x ln(

x T R x

P out bằng áp suất của phụ tải nhiệt, P out được gọi là áp suất đối áp, thường lớn hơn

áp suất khí quyển Ở turbine đối áp, hơi đi vào turbine dãn nở từ áp suất P 0 đến áp

suất P out , sinh công trong turbine để kéo máy phát sản xuất điện năng

Công suất điện turbine sản xuất ra phụ thuộc vào lượng hơi m in đi quaturbine tức là lượng hơi mà phụ tải nhiệt yêu cầu, nói cách khác lượng điện sản xuất

ra phụ thuộc lượng nhiệt phụ tải nhiệt yêu cầu

Như vậy muốn đảm bảo đồng thời được yêu cầu của cả phụ tải điện và nhiệtthì phải bổ sung thêm một turbine ngưng hơi để đảm bảo cung cấp điện khi phụ tảinhiệt tạm ngừng dùng hơi (lượng hơi qua Turbine đối áp bằng không)

Turbine hơi đối áp chỉ thích hợp khi nhu cầu điện thấp hơn nhu cầu nhiệt.Nhu cầu điện không thể điều chỉnh, mà phụ thuộc nhu cầu nhiệt.

2.8.2 Turbine ngưng trích hơi (CEST)

Hình 2.6 Turbine ngưng trích hơi

Khi dùng turbine ngưng trích hơi, lưu lượng hơi trích có thể điều chỉnh được.Loại turbine này đã khắc phục được nhược điểm của turbine đối áp, phụ tải điện vànhiệt không phụ thuộc vào nhau Sơ đồ nguyên lý của turbine ngưng hơi có một cửatrích điều chỉnh được biểu diễn trên hình 2.6 Loại turbine ngưng hơi có cửa trích

điều chỉnh, hơi quá nhiệt có thông số P 0 , V 0, lưu lượng m in đi vào phần cao áp giãn

nở và sinh công ở trong đó đến áp suất P 1, sản xuất ra một lượng điện tương ứng là

m , lượng hơi còn lại m2 tiếp tục đi vào phần hạ áp, giãn nở sinh công trong phần

hạ áp đến áp suất P 3, sinh ra trong phần hạ áp một lượng điện W e ,2, sau đó đi vàobình ngưng Turbine ngưng trích có phạm vi điều chỉnh rộng, có thể điều chỉnh nhucầu nhiệt, hoặc điều chỉnh nhu cầu điện

2.8.3 Tính toán các trạng thái trong mô hình hệ thống đồng phát

Lò hơi sử dụng nhiên liệu đốt bã mía hoàn toàn sau khi dùng nhiên liệu dầu

FO để khởi động lò hơi, hơi áp suất cao nhiệt độ đạt đến giá trị thiết kế của hệ

thống, giãn nở sinh công trong turbine ngưng trích hơi, thoát ra ngoài chia làm 2nhánh: 1 nhánh đến phụ tải nhiệt về bể cung cấp nước lò hơi, 1 nhánh đến bìnhngưng về bơm 1 Các thành phần trong hệ thống đồng phát được tính theo côngthức bên dưới.

Hình 2.7 Mô hình cơ bản của hệ thống đồng phát 2.8.3.1 Bơm ngưng 1

Phương trình cân bằng khối lượng tại bơm 1

2 2 1

Tại áp suất P 1 tra bảng đặc tính chất lỏng bão hòa, tìm h 1 =h f , v 1 =v f

Bây giờ ta tính được h2

1 1

2.8.3.2 Bơm 2 cung cấp nước lò hơi

Tính tương tự các bước như pump1, pump2 được tính

Tại áp suất P 3 tra bảng đặc tính chất lỏng bão hòa, tìm h 3 =h f , v 3 =v f

Theo chu trình Rankine đồ thị T-s, tại trạng thái 4 đến trạng thái 5 áp suất không đổi

5

4 P

3 2

m

Qin =  −

Vì P 5 , T 5 biết trước nên tại trạng thái 5 tra bảng đặc tính hơi bão hòa h 5 =h f , s 5 =s f

)(h5 h4

2.8.3.4 Turbine

Công của turbine được tính: áp dụng phương trình cân bằng khối lượng vànăng lượng trong turbine

7 7 6 6 5

Vì P 5 , T 5 , biết trước nên tại trạng thái 5 tra bảng đặc tính hơi bão hòa h 5 =h f ,

s 5 =s f Mặt khác m 5 , m 6 , cho trước nên ta tính được tỉ lệ

1()

Với s5 =s6 =s7 theo chu trình Rankine

Khi biết được độ ẩm ta tính được enthalpy tại trạng thái đó

6h Q m h

8 8 6

))(

1()(

8 6 6

7 6 5

6 5 5

h h m

h h y m h h m Q

2.8.3.7 Nhiên liệu ngõ vào

Nhiên liệu ngõ vào tính theo tỉ lệ năng lượng nhiệt thiết kế lò hơi và nhiệt trị

in

load net

turb net W W W

W =  −  −  : Công thực hiện của hệ thống

load

Q : Lượng nhiệt dùng cho qui trình xử lý nhà máy

2.9 Kinh tế của đồng phát

Yếu tố chính của đồng phát là nhu cầu nhiệt được sử dụng Do đó chủ yếukinh tế đồng phát được tác động bởi chí phí tổng dự án của nhà máy điện.

Chi phí dự án gồm: chi phí đầu tư và chi phí sản xuất Chi phí đầu tư chọnđơn vị tiền tệ dollar, tỉ lệ chi phí đầu tư đơn vị trên số kWh được phát của nhà máy.Chi phí sản xuất tính hàng năm theo kWh Chi phí sản xuất gồm các thành phần

Tổng(a+b+c) $ đã sử dụng mỗi thời đoạn

Chi phí sản xuất = (2.22)

Tổng số kWh phát điện mỗi thời đoạn

Trong đó

a: lượng tiêu hao cố định của chi phí đầu tư ($)

b: chi phí nhiên liệu ($)

c: chi phí vận hành và bảo dưỡng ($)

Thời gian (thời đoạn) phát điện được tính 1 năm

Với 1 nhà máy phát điện đồng phát, điều quan trọng tính chi phí sản xuấtđiện như lượng dư chi phí phát nhiệt, so sánh nó với chi phí điện khi bên mua từ 1dịch vụ Vì vậy hệ số vận hành ( POF), được xác định cho tất cả nhà máy điện đồngphát

Tổng năng lượng được phát bởi nhà máy theo thời gian của mỗi thời đoạn

7000 h/năm

Chi phí dư của điện năng với nhà máy đồng phát hiện nay cho phép thu được

từ chi phí điện năng

P F

F OM

OM r

C

7000

1)]

()(

Trong đó

C: chi phí đầu tư (dollar $)

r: lượng tiêu hao cố định hàng năm dựa vào chi phí đầu tư, thành phần C

OM = chi phí bảo trì và vận hành hàng năm, $/năm

F: chi phí nhiên liệu hàng năm, $ / năm

P: công suất định mức của nhà máy điện, kW

co, h: chỉ số dưới là đồng phát (cogeneration) và nhiệt (process heat).

Bảng 2.1 Chi phí đầu tư, hiệu suất, khí thải với các nguồn năng lượng (nguồn EVN

2.10 Kết luận chương 2

Hệ thống đồng phát của nhà máy mía đường làm việc dựa theo chu trìnhRankine hơi nước Để nâng cao hiệu suất kết hợp trích hơi gia nhiệt nước cấp và

quá nhiệt hơi trung gian (η th = (1- T L / T H))

Cân bằng khối lượng, và cân bằng năng lượng của 1 hệ thống là nguyên tắc

cơ bản tính toán các tham biến trong hệ nhiệt động học

Tham biến nhiên liệu ngõ vào, hiệu suất phát điện, hiệu suất nhiệt, tỷ lệ điện

và nhiệt, hiệu suất đồng phát ngõ ra là các thông số chính khi nghiên cứu, khảo sát 1

hệ thống đồng phát

Yếu tố chính của đồng phát là nhu cầu nhiệt được sử dụng Do đó hiệu suấtđồng phát tăng Chi phí đầu tư nhà máy điện năng lượng bã mía 850$/kW giá thànhthấp tận dụng nguồn năng lượng sơ cấp tại địa phương

Nội dung: mô hình nghiên cứu, qui trình sản suất của nhà máy mía đường,các trường hợp nghiên cứu, mô hình hóa, mô phỏng hệ thống bằng phần mềmMatlab 7.7.0 (R2008b), tính toán hiệu suất đồng phát, tỷ lệ điện, nhiệt ngõ ra, chiphí đầu tư dự án, lượng phát thải CO2.

3.1 Mô hình nghiên cứu

Hình 3.1 Mô hình nhà máy điện

Trong mô hình hình 3.1 thể hình đầy đủ các thành phần hệ thống nhà máymía đường tại Việt nam hiện nay, gồm 2 loại turbine: turbine đối áp và turbinengưng trích hơi Ngoài ra còn có động cơ nhiệt, loại turbine hơi dùng cho các thiết

bị ép, dao chặt, búa đập mía…để xét hệ thống đơn giản, các thông số (P, T, V, h,

s,m, x) thiết bị này coi như bằng không Bộ tiết kiệm lấy nhiệt từ ngõ ra của khí thải,

bộ hâm nước trước khi vào lò hơi, bộ hâm không khí mục đích tăng hiệu suất hệ

thống, các thông số coi như bằng không, vì liên quan đến phương trình truyền nhiệt,phương trình trao đổi nhiệt là lĩnh vực tính toán phức tạp.

Bảng 3.1 Giải thích các trạng thái mô hình nhà máy điện

3 nước vào bộ tiết kiệm (bộ trao đổi nhiệt)

5 hơi quá nhiệt ngõ ra từ lò hơi đến turbine

8, 9 hơi quá nhiệt vào, ra turbine truyền động cơ khí dùng máy chặt, nghiền, ép

11 hơi quá nhiệt trích từ turbine cấp nhiệt cho phụ tải nhiệt

12 hơi ngõ ra từ turbine thực hiện quá trình ngưng tụ

15 ngõ ra kết hợp hơi nước áp suất cao đến phụ tải nhiệt

16 ngõ vào kết hợp hơi nước áp suất cao đến phụ tải nhiệt

17 nhiệt ngõ vào cho qui trình sản xuất đường, chế biến ethanol

18 nước ngưng từ sản xuất đường, chế biến ethanol trở về bể chứa

20 xả dư hơi nước từ lượng hơi của quá trình hơi nước áp suất cao

21 tổn thất nước ngưng từ qui trình sản xuất đường, chế biến ethanol

23, 24 quạt bơm không khí vào lò hơi

28,29,30,31 khí thải thoát ra từ lò hơi mang lượng nhiệt cao

• Các bước qui trình hình 3.1

+ (1, 2): nước từ bể chứa cung cấp cho lò hơi thông qua bơm chính, tại đây

áp suất nước tăng trên áp suất vận hành lò hơi

+ (2, 3, 2, 13): điều áp ngõ ra nước của bơm đi vào bộ phận nung nóng, tạiđây nước được nung nóng bởi khí thải từ lò hơi, một số nước điều áp có thể đi quavan de-superheater, trở thành hơi áp suất cao bởi nhiệt khí thải lò hơi, làm nước đạtđến trạng thái hơi bão hòa dùng sản xuất đường, chế biến ethanol

+ (3, 4): nước được nung nóng bởi khí thải lò hơi

+ (4, 5, 20): nước được nung nóng trong lò hơi đạt đến điểm sôi, hơi áp suấtcao đi vào turbine sinh công kéo máy phát 3 pha, một phần hơi bị tổn thất

+ (6, 7): van bypass dùng điều áp phụ tải nhiệt.

+ (8, 9): turbine tiêu biểu cho tất cả các loại động cơ nhiệt sử dụng máy chặt,nghiền, ép công suất cao trong nhà máy

+ (10, 11, 12): turbine tiêu biểu cho tất cả các loại turbine kéo máy phát điện,một phần hơi được trích dùng cho phụ tải nhiệt nhà máy tại 11, trường hợp áp suấthơi dưới áp suất khí quyển (1bar) thì thoát ra tại 12

+ (12, 13, 14): hơi thoát 12 được ngưng đạt đến trạng thái nước bão hòa,bơm về bể nước cung cấp lò hơi

+ (7, 9, 11, 20, 15): hơi thoát ra từ van bypass, turbine, gia nhiệt nước Nếunhư nhu cầu hơi phụ tải nhiệt áp suất cao hơn hơi áp suất thấp turbine thì hơi thoát

ra van điều áp tại 20

+ (15, 16, 17): khí thải kết hợp thiết bị hơi áp suất cao có thể ở trạng thái quánhiệt

+ (17, 21, 18): hơi bão hòa áp suất thấp vào nhà máy tại 17 và thoát ra tại 16trong trạng thái lỏng bảo hòa, tổn thất ngưng hơi phụ tại nhiệt tại 21

+ (18, 19, 14, 1): ngưng hơi của phụ tải nhiệt đi vào bể chứa cung cấp cho lòhơi tại 18, nước trở về được bổ sung bù hơi áp suất cao được hút tại 20, tổn thấtngưng hơi phụ tải nhiệt tại 21, tổn thất hơi của lò hơi tại 22

+ (23, 24, 25): không khí được đưa vào lò hơi nhờ quạt hút, không khí đi qua

lò hơi được nung nóng trước khi vào lò hơi nhờ nhiệt khí thải

+ (26, 27, 28): bã mía đến lò hơi tại 26, được đốt lò hơi tại 25, khí thải lò hơitại 28

+ (28, 29, 30, 31): khí thải lò hơi mang 1 lượng nhiệt cao, vì vậy dùng bộtrao đổi nhiệt để thu nhiệt nung nóng không khí và nước trước khi cung cấp cho lòhơi, mục đích tăng hiệu suất lò hơi

Turbine hơi nước áp suất cao được mở rộng thành nhiều turbine thành phần:

áp suất cao, áp suất trung bình và áp suất thấp Ngoài turbine kéo máy phát điệntrong nhà máy, còn có một số turbine dùng như: dao chặt, búa đập, che ép Trong

nghiên cứu này chỉ xét mô hình nhà máy đường turbine hơi nước kéo máy phátđiện, và turbine cơ khí

Đặc trưng với các nhà máy mía đường công suất lò hơi nhỏ từ 20 Tsteam/h đến

40 Tsteam/h sử dụng turbine đối áp, hơi nước thoát ra khỏi turbine gần bằng áp suấtkhí quyển, và được sử dụng trực tiếp cho qui trình nấu đường, điều chế ethanol.Trường hợp áp suất hơi quá thấp tại các khâu xử lý đường, thì van bypass sẽ tựđộng điều áp cho phụ tải nhiệt

Turbine ngưng trích hơi với nhà máy công suất lò hơi lớn khoảng 70 Tsteam/hđến 220 Tsteam/h Hơi trích thoát ra từ turbine đến qui trình xử lý phụ tải nhiệt,nhánh còn lại áp suất hơi thấp hơn áp suất khí quyển về bộ ngưng

Một số nhà máy nâng cấp sử dụng song song 2 loại turbine: turbine đối áp

và turbine ngưng trích hơi, hai lò hơi cùng hoạt động công suất khác nhau, nhưng sựphân chia áp suất hơi cao phụ thuộc thiết kế, công nghệ đồng bộ hóa về turbine,máy phát hòa đồng bộ vào hệ thống điện Trường hợp duy nhất lò hơi công suất lớn,đường ống hơi áp lực cao rẽ nhiều nhánh cùng làm việc nhiều turbine Trong nghiêncứu này xét hệ thống gồm 1 lò hơi và 1 turbine phát điện

3.2 Qui trình sản xuất đường và điều chế ethanol trong nhà máy mía đường

Mía bao gồm: nước tỉ lệ khối lượng 73% đến 76%, chất rắn hòa tan 10% đến

16 % và chất xơ khô 11% đến 16% Chất rắn hòa tan là các hợp chất hóa học đượcchiết xuất từ sinh khối thô và sau đó chuyển đổi thành các sản phẩm mong muốn.Trong đó, hợp chất chính được kết tinh đường và sản phẩm ethanol là sucrose, làthành phần chính của chất rắn hòa tan (trên 88% tỉ lệ khối lượng chất rắn hòa tan),phần còn lại được sản xuất glucose, fructose, các muối và các hợp chất hữu cơ khác

Sự chuyển đổi của mía thành hai sản phẩm mong muốn là đường và ethanal, baogồm một chuỗi các hoạt động vật lý và hóa học xảy ra trong qui trình công nghệ nhàmáy

Hình 3.2 Sơ đồ khối qui trình công nghệ

Hình 3.2 biểu diễn qui trình công nghệ sản xuất đường và ethanol, mía đượcđưa vào cầu trục, cầu trục cẩu mía vào máng băm sơ cấp, mía được vận chuyển đếndao chặt sơ cấp, tại đây mía băm nhỏ, đưa vào búa đập công suất lớn, 1 phần nướcmía tách ra, sau đó mía vận chuyển đến giàn che ép, mía đi qua giàn che ép côngsuất lớn, cuối giai đoạn ép mía đã tách hẳn ra 2 thành phần: bã mía và nước mía, bãmía đưa đến lò hơi đốt để thu nhiệt, nước mía được bơm đến khâu xử lý lọc sạch,bằng cách cho dung dịch sulfur hoặc vôi để lắng bùn làm sạch, nước mía được gianhiệt và đưa vào bồn nấu đường để bốc hơi, cô đặc, nước mía trở thành xi rô quakhâu hút chân không, tại đây ta thấy nước mía kết tinh thành đường non, chuyểnđến khâu ly tâm để tách đường và mật, đường được sấy khô chuyển về kho lưu trữ,mật chuyển chuyển về khâu chưng cất ethanol

Các kết quả của cuộc khảo sát trên một số nhà máy đường cho rằng khi ép

1000 kg mía, 250 - 300 kg bã mía với độ ẩm trung bình 50%, giá trị nhiệt 1850kcal/kg được sản xuất Bã mía là nguồn nhiên liệu phù hợp đốt lò hơi để sản xuấthơi quá nhiệt ở nhiệt độ và áp suất cao, vừa sản xuất điện năng, vừa sản xuất nhiệtcung cấp cho công nghệ sản xuất đường và điều chế ethanol Hiện nay, hầu hết cácnhà máy mía đường đã sử dụng công nghệ đồng phát Tỷ lệ sử dụng bã mía để sảnxuất điện và nhiệt trong nhà máy 80% nguồn cung cấp có sẵn Do đó, các nhà máyđường có một lương bã mía dư lên đến 20%, có thể được sử dụng cho mục đíchkhác như sản xuất giấy,ván ép…

Hơi áp suất cao đi vào turbine hơi nước sinh công, kéo máy phát không đồng

3 pha phát điện, công suất tùy thuộc vào công suất lò hơi và công nghệ, hơi ra khỏiturbine áp suất thấp chuyển đến qui trình sản xuất đường và điều chế ethanol Côngsuất điện phát sử dụng trong hệ thống điện nội bộ nhà máy, phần dư bán điệnthương phẩm cho EVN Mục đích chính của hơi áp suất cao dùng để đẩy turbine hơinước, kéo máy phát sản xuất điện cho hệ thống nội bộ nhà máy Hầu hết các nhàmáy mía đường nếu đầu tư công nghệ và thiết bị hiện đại thì phần điện năng sảnxuất dư hòa vào lưới quốc gia Ở Việt nam nhà máy đường Bourbon-Tây Ninh , saukhi vận hành vài năm đã bán điện thương phẩm cho EVN, lý do nhà máy có nguồnnguyên liệu mía ổn định do chính nhà máy qui hoạch đầu tư các nông trường tạiTỉnh Tây Ninh Một số nhà máy đầu tư nhưng chưa khai thác nguồn nguyên liệuvào, dẫn đến phá sản Số còn lại hoặc công suất nhỏ, hoặc thiết bị lạc hậu, sau đónâng cấp lên nên hiệu quả kinh tế thấp

Các nhà máy mía đường độc lập, hơi áp suất cao dùng cho turbine, hơi ápsuất thấp sau khi ra khỏi turbine dùng cho nhu cầu sản xuất đường Hơi áp suất thấpđược bổ sung hoặc điều áp bởi hơi áp suất cao thông qua van điều tiết Tác dụng củavan điều tiết (van bypass) không sinh công có ích, lúc nào hơi áp suất cao cũngnhiều hơn nhu cầu hơi áp suất thấp, lượng dư đó được thải ra ngoài để điều áp hệthống Do đó một số nhà máy đường chưa khai thác tối đa năng lượng ngõ ra

3.3 Các trường hợp nghiên cứu

Để có cơ sở nghiên cứu, thông số một số nhà máy mía đường tại Việt Nam

Bảng 3.2 Thông số nhà máy đường Bourbon Tây Ninh.

Turbine ngưng trích

Bảng 3.3 Thông số nhà máy đường Khánh Hòa.

Bảng 3.4 Thông số nhà máy đường Bến tre.

3.4 Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống đồng phát

3.4.1 Thông số mô hình

Chọn thông số mô hình nhà máy đường Bến tre: m=10 kg/s, P=42 bar,T=4250C, Pnl=3000 tấn/ngày, ηlò hơi=85 %, turbine đối áp, công suất Pturbine=3 MW,

hơi áp suất thấp ngõ ra trích P11= 300 kPa, T=133.60C, hơi áp suất thấp ngõ ra về bộngưng P12=100 kPa, T=45.840C.

3.4.2 Các điều kiện mô hình

Xét mô hình hệ thống ở trạng thái xác lập

Hơi quá nhiệt tại ngõ ra của lò hơi ở trạng thái bão hòa

Hệ thống đường ống giữa các thành phần hệ thống giả sử được cách nhiệthoàn toàn, ngoại trừ phụ tải

Hơi chuyển đến tải nhiệt giả sử được ngưng hoàn toàn ở trạng thái nước bãohòa tại áp suất khí quyển 1,013 bar

Bơm ngưng sẽ bù tổn thất áp suất lưu động từ phụ tải nhiệt trở về lò hơi.Giả sử độ sụt áp suất qua tất cả các đường ống được xem không đáng kể.Nhiệt trao đổi giả sử hoàn toàn cách ly

Hơi ở trạng thái trao đổi nhiệt giả sử ngưng hoàn toàn tại đoạn ống ngõ ra.Tổn thất nhiệt xảy ra bể nước cung cấp theo như truyền và đối lưu nhiệt

3.4.3 Công thức tính toán hệ thống

Toàn bộ công thức tính toán sử dụng mục 2.8.3 chương 2, và mục 4.5.5chương 4, cơ sở để viết chương trình trên tập tin BTdongphat.m

3.4.4 Kết quả mô phỏng matlab

Kết quả chương trình tính toán các biến ngõ vào và ngõ ra của hệ thống đồng

phát nhà máy đường Bến Tre chương trình viết trên tập tin BTdongphat.m bằng

phần mềm Matlab 7.7.0.471 (R2008b), phụ lục A Đồ thị được vẽ phần mềmMicrosoft excel (2007) khi thay đổi phụ tải nhiệt từ 0.01 đến 1

Bảng 3.5 Kết quả mô phỏng matlab khi thay đổi phụ tải nhiệt

Bảng 3.5 cho thấy khi thay đổi lưu lượng phụ tải (m_pro) từ 0.10 đến 0.50,

tỷ lệ điện nhiệt (PHR) lớn hơn 1, đối với các nhà máy mía đường thường nhu cầu sửdụng điện thấp hơn nhu cầu nhiệt, trong khoảng thay đổi này lượng tiêu tốn nhiênliệu lớn m_fuel=4,7886 kg/s, hiệu suất đồng phát nhỏ, bởi vì hiệu suất nhiệt phụ tảigiảm Như vậy biến ngõ vào có trị số lớn, biến ngõ ra trị số bé không kinh tế, hiệuquả sử dụng năng lượng không cao

Hiệu suất phát điện giảm n_electrical =26,52% khi phụ tải nhiệt đạt 100%,lượng nhiên liệu bã mía đốt lò hơi là nhỏ nhất m_fuel=3,7816 kg/s

Hiệu suất nhiệt đạt n_thermal=43,04%, khi đó hiệu suất đồng phát lớn nhấtn_cogeneration=69,56%

Hình 3.3 Đồ thị nhiên liệu bã mía hệ đồng phát Bến Tre

Đồ thị hình 3.3 truc x là m_pro phụ tải nhiệt thay đổi 10-100%, trục y làm_fuel thay đổi từ 4,7886-3,7816 kg/s

Hình 3.4 Đồ thị hiệu suất điện hệ đồng phát Bến Tre

Đồ thị hình 3.4 truc x là m_pro phụ tải nhiệt thay đổi 10-100%, trục y làn_electrical thay đổi từ 49,58-26,52%

Hình 3.5 Đồ thị hiệu suất nhiệt hệ đồng phát Bến Tre

Đồ thị hình 3.5 truc x là m_pro phụ tải nhiệt thay đổi 10-100%, trục y làn_thermal thay đổi từ 8,02-43,04%

Hình 3.6 Đồ thị tỷ lệ điện và nhiệt ngõ ra hệ đồng phát Bến Tre

Đồ thị hình 3.6 truc x là m_pro phụ tải nhiệt thay đổi 10-100%, trục y làPHR thay đổi từ 6,1853-0,6163

Hình 3.7 Đồ thị hiệu suất hệ đồng phát Bến Tre

Đồ thị hình 3.7 truc x là m_pro phụ tải nhiệt thay đổi 10-100%, trục y làn_cogeneration thay đổi từ 57,59-69,56%

3.5 Tác động môi trường

Các nhà máy mía đường không dẫn đến bất kỳ tác động với môi trường.+ Ô nhiễm không khí

Lò hơi được trang bị các thiết bị kết tủa bụi, đảm bảo khí thải và nồng độ bụitrong môi trường phù hợp với quy định của Việt Nam Tác động ô nhiễm không khí

là không đáng kể

+ Ô nhiễm nước

Nước cần thiết cho sự kết hợp các thành phần của hệ thống được sử dụng đểlàm mát do đó, nước thải không gây ô nhiễm môi trường Chỉ có nước thải nhỏ sẽđược thải ra từ lò hơi và nó được xử lý tại nhà máy Vì vậy sẽ không có tác độngđáng kể

+ Tiếng ồn

Tất cả các thiết bị quay của tuabin, lò hơi và máy phát điện kết hợp phát điệnđang được lựa chọn theo đáp ứng tiêu chuẩn Việt Nam về mức độ tiếng ồn

3.6 Phương pháp tính toán cơ bản về khí thải

Đây là một nhà máy điện nhỏ, sử dụng sinh khối và cung cấp điện cho lướiđiện quốc gia Vì vậy hệ số phát thải trung bình của lưới điện được tính bình quângiữa biên độ hoạt động và biên độ xây dựng

Efac = (OM + BM) / 2

Trong đó:

+ Efac: hệ số phát thải trung bình (kg CO2/kWh)

+ OM: biên độ hoạt động (kg CO2/kWh) Biên độ hoạt động là hệ số phátthải trung bình tất cả các nhà máy điện cung cấp điện cho lưới điện được đốt cháynhiên liệu hóa thạch

+ BM: biên độ xây dựng (kg CO2/kWh) Biên độ xây dựng là hệ số phát thảitrung bình các nhà máy điện phát điện bổ sung lên lưới điện quốc gia, bằng 20%

3.6.1 Công thức tính toán lượng khí thải

Khí nhà kính phát thải tại cơ sở được tính bằng tích số giữa lượng điện năng(kWh), tạo ra từ nguồn tài nguyên năng lượng tái tạo, cung cấp điện khí hóa cholưới điện với hệ số khí nhà kính dựa trên các nguồn tài nguyên năng lượng của lướiđiện

Khí nhà kính phát thải tại cơ sở được tính

+ El : điện năng sản xuất nhà máy điện cung cấp cho lưới điện (MWh)

Hệ số phát thải trung bình biên độ hoạt động và biên độ xây dựng được tính

EF = (Esou x k x EFsou x ρ x (CO2 / C) / η) / Σ E

Trong đó:

+ EF: hệ số phát thải trung bình (kg CO2/kWh)

+ Esou: điện hàng năm sản xuất của từng nhà máy điện (MWh)

+ k: hệ số chuyển đổi năng lượng: 1 MWh = 3,6 x10-3TJ

+ EFsou: hệ số phát thải của từng nhà máy điện (t C / TJ)

+ Than đá = 26,8, DO = 20,2, FO = 21,1, khí = 15,3

+ ρ: hệ số cacbon hóa Than đá = 0,98, dầu = 0,99; khí = 0,995

+ CO2/C = 44/12

+ η: hiệu suất phát điện (%)

+ Biên độ hoạt động: than đá = 26,9, DO = 30,3, FO = 31,5, khí tự nhiên =33,2, khí hỗn hợp = 28,9

+ Biên độ xây dựng: sử dụng các dữ liệu nhà máy điện mới

+ Σ E: Tổng số điện năng sản xuất của nhà máy điện (MWh)

3.6.2 Tính toán hệ số phát thải đối với biên độ hoạt động

Dựa trên dữ liệu trung bình dự kiến trong 3 năm 2004-2006

Bảng 3.6 Hệ số phát thải các loại nhà máy điện năm 2004-2006

Loại nhà máy

điện

Sản xuất điện (MWh/năm)

Hiệu suất (%) Hệ số phát thải

(t C/TJ)

Phát thải(t CO 2 /năm)

3.6.3 Tính toán hệ số phát thải đối với biên độ xây dựng

Bởi vì tính toán cho các nguồn năng lượng nhỏ là không thể, do đó biên độxây dựng được tính toán với 5 nhà máy điện lớn, được đưa vào hoạt động trước năm

2005, dữ liệu sử dụng của EVN

Bảng 3.7 Hệ số phát thải 5 nhà máy điện hoạt động năm 2005

Tên nhà

máy điện

Công suất (MW)

Sản xuất điện (MWh/year)

Loại nhà

suất (%)

Hệ số phát thải (tC/TJ)

Khí thải (tCO2/year)

Hệ số phát thải khí nhà kính

Efac = (0,774+0,42) / 2 = 0,597 kgCO2/kWh

3.7 Tính toán lượng khí thải CO2 của nhà máy đường Bến Tre