3.4.1 Các phương pháp tiết kiệm chi phí năng lượng:
Chi phí năng lượng giờ đây đã và đang trở thành vấn đề cấp bách với hầu hết các doanh nghiệp khi mà chi phí sản xuất là một trong những khâu quan trọng tạo nên sức cạnh tranh của mỗi doanh nghiệp. Điều này càng trở nên đúng hơn trong bối cảnh nguồn năng lượng trên thế giới đang ngày càng cạn kiệt và một loạt các vấn đề liên quan đến phí tài nguyên và các vấn đề ô nhiễm môi trường do sử dụng quá nhiều năng lượng.
3.4.1.1Năng lượng và các vấn đề ảnh hưởng đến môi trường: Năng lượng là một dạng vật chất có khả năng sinh công và được sinh ra từ nhiều nguồn khác nhau. Năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch như: than đá, than bùn, dầu hỏa và khí tự nhiên. Năng lượng tái tạo như thủy năng, gió, ánh sáng mặt trời v.v. Các nước trên thế giới tiêu thụ điện năng chủ yếu từ các nguồn năng lượng như than, dầu, khí tự nhiên, năng lượng nguyên tử, địa nhiệt v.v.
Hạn chế lớn nhất của việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch nói chung, than và dầu khí nói riêng là gây ra ô nhiễm môi trường do sự phát thải SO2, COx, NOx ... Tính trên một đơn vị nhiệt lượng phát ra thì đốt than phát thải nhiều chất ô nhiễm hơn các nhiên liệu hóa thạch khác (dầu, khí). Chính vì vậy, việc đốt than, dầu đã gián tiếp góp phần làm biến đổi khí hậu, suy thoái môi trường toàn cầu mà nổi bật là hiện tượng hiệu ứng nhà kính và mưa axít. Những nơi xảy ra sự cố tràn dầu và nước thải công nghiệp thì có benzen, toluen rất độc, trực tiếp đe dọa sự sống của động thực vật; polyclorua diphenyl phát tán và tích tụ vào cơ thể cá rồi qua người gây ra nhiều bệnh nguy hiểm, trong đó có bệnh ung thư.
3.4.1.2Tiết kiệm năng lượng
Một trong những yếu tố ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp tới sự phát triển nền kinh tế đồng thời đảm bảo môi trường bền vững của Việt Nam là vấn đề sử dụng năng lượng, đặc biệt là sử dụng hợp lý và tiết kiệm các nguồn năng lượng. Trong chu trình chuyển hóa lý tưởng thì năng lượng được bảo toàn, nghĩa là không có tổn thất trong tất cả các khâu chuyển hóa năng lượng. Trong thực tế bao giờ cũng xảy ra các tổn thất trong từng khâu chuyển hóa. Làm giảm tổn thất trong các quá trình chuyển hóa được gọi là tiết kiệm năng lượng. Tiết kiệm năng lượng là đảm bảo thỏa mãn nhu cầu năng lượng của các quá trình sản xuất, dịch vụ và sinh hoạt với mức tiêu thụ năng lượng ít nhất và hiệu quả kinh tế cao nhất. Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả nhằm thực hiện chủ trương của Đảng và Nhà nước về tiết kiệm nguồn tài nguyên thiên nhiên, đảm bảo sự phát triển bền vững của quốc gia, đồng thời giảm chi phí năng lượng, tăng khả năng cạnh tranh, cải thiện chất lượng hàng hóa và tăng lợi nhuận cho doanh nghiệp.
Hiện nay, một số doanh nghiệp đã và đang thực hiện chương trình tiết kiệm và sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng bằng các biện pháp chủ yếu sau:
• Cải tiến, hợp lý hóa quá trình đốt nhiên liệu; gia nhiệt, làm lạnh và chuyển hóa nhiệt năng;
• Giảm tổn thất điện năng trong quá trình truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện năng;
• Thu hồi năng lượng của chu trình thải để sử dụng lại như thu hồi nhiệt từ khói thải để sấy sản phẩm hoặc phát điện;
• Giảm tiêu thụ năng lượng bằng cách sử dụng thiết bị và/hoặc công nghệ có hiệu suất cao như sử dụng đèn, động cơ, lò hơi... có hiệu suất cao, hoặc dùng công nghệ khô thay cho công nghệ ướt trong sản xuất xi măng...
• Giảm tiêu thụ năng lượng nhờ hợp lý hóa quá trình sản xuất do đó nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng;
• Phát triển, sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo (mặt trời, gió, thủy triều, địa nhiệt...) để tiết kiệm các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí đốt.
3.4.1.3Tiềm năng tiết kiệm năng lượng
Tiềm năng tiết kiệm năng lượng của doanh nghiệp phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố, như trình độ công nghệ, hệ thống quản lý và nhận thức của người lao động về việc sử dụng năng lượng. Một số tiêu chí thường được dùng để đánh giá trình độ công nghệ trong các doanh nghiệp như: Tuổi thọ trung bình của thiết bị; Hiệu suất thiết bị; Loại nhiên liệu sử dụng; Chi phí năng lượng cho đơn vị sản phẩm; Mức độ cơ khí và tự động hóa; Trình độ tổ chức quản lý; Năng suất lao động; Lợi nhuận, hiệu quả sản xuất...
Tiềm năng tiết kiệm năng lượng của một số máy móc, thiết bị trong doanh nghiệp có thể kể đến như sau:
• Trong thiết bị lò hơi: tận dụng nhiệt của hơi, nước hoặc khói thải để gia nhiệt nước cấp hoặc sấy không khí; tối ưu hóa quá trình đốt bằng thiết bị công nghệ hiện đại; sửa chữa và bảo dưỡng thiết bị hợp lý, kiểm soát sức hút buồng lửa...
• Trong hệ thống phân phối hơi: giảm áp suất hơi đến mức thấp nhất có thể; giảm tổn thất nhiệt rò rỉ và tăng cường bảo ôn đường ống hơi; thiết kế hệ thống hơi thích hợp; lắp đặt và bảo dưỡng bẫy hơi đúng quy cách; tạo lỗ thông khí...
• Trong hệ thống điều hòa không khí: bảo ôn đường ống lạnh, bảo dưỡng làm vệ sinh tháp giải nhiệt, điều khiển phụ tải, tối ưu hóa chế độ sử dụng điều hòa.
• Trong các động cơ điện: chọn động cơ có công suất phù hợp là loại động cơ có hiệu suất cao, không để động cơ vận hành quá non tải, chọn phương pháp khởi động và điều chỉnh tốc độ hợp lý...
• Trong các máy biến áp: không để máy biến áp làm việc ở chế độ không tải hoặc quá non tải (nên sử dụng tải nằm trong khoảng từ 40-70% dung lượng máy biến áp), nâng cao hệ số công suất của tải để giảm tổn hao ngắn mạch trong máy biến áp, điều chỉnh tỷ số biến áp để hạ điện áp đầu ra, chọn máy có hiệu suất cao...
• Thay thế bóng đèn sợi tóc bằng đèn huỳnh quang mang lại tiết kiệm lớn nhất (tới 80%), cải tiến động cơ điện cho phép tiết kiệm 4%. Hiện đại hóa các bộ chỉnh lưu (bộ biến tần) và giảm bớt sử dụng điện năng cho sấy nóng và biến đổi nhiệt năng mang lại tiết kiệm đáng kể (tới 20%). Khả năng tiết kiệm năng lượng trong công tác hàn là đáng kể (tới 15%) nhưng tỷ lệ của công việc hàn trong tổng tiêu thụ điện năng lại nhỏ (chỉ 4%).
• Trong hệ thống chiếu sáng: thay thế các bóng đèn hiệu suất phát quang thấp bằng loại đèn mới có hiệu suất cao hơn; thay chấn lưu sắt từ bằng loại điện tử có thể tiết kiệm được từ 3 đến 7W/chấn lưu, sử dụng tối đa ánh sáng tự nhiên, thiết bị điều khiển đóng cắt tự động, lắp đặt những công tắc thông minh để bật tắt đèn hợp lý, lắp tụ song song với mỗi bóng để giảm tổn thất trên đường dây, hạ thấp chiều cao treo đèn xuống vị trí thích hợp...
• Trong hệ thống phân phối nhiệt: bọc bảo ôn hoặc tái bảo ôn các bộ phận sinh nhiệt, tận dụng nhiệt khói thải;
Tiềm năng tiết kiệm năng lượng được đánh giá theo 3 mức đầu tư: ngắn hạn, trung hạn và dài hạn.
• Đầu tư ngắn hạn là thực hiện các biện pháp chủ yếu như cải tiến chế độ quản lý năng lượng, tổ chức sản xuất hợp lý, sửa chữa nhỏ, cải thiện quy trình vận hành, bảo dưỡng, chuyển thiết bị phụ trợ sang chế độ kinh tế, chuyển máy biến áp non tải sang chế độ dự phòng nguội, hạn chế sử dụng điện năng để sưởi nóng, chèn kín cửa kính, kẽ hở cửa ra vào, hoàn thiện bảo ôn đường ống cung cấp nhiệt, rửa và làm sạch thiết bị thu nhiệt, cách nhiệt tốt tủ lạnh... Các biện pháp về tiết kiệm năng lượng với chi phí nhỏ chỉ chiếm dưới 5% tổng tiềm năng tiết kiệm năng lượng. Các biện pháp này
• Đầu tư trung hạn bao gồm cải tạo, nâng cấp hoặc đổi mới từng phần các thiết bị đang làm việc nhằm nâng cao hiệu quả năng lượng, như thay đổi bảo ôn, thu hồi nhiệt, thay thế các bộ phận đã cũ, thay thế các động cơ điện non tải và áp dụng bộ truyền động điều chỉnh kiểu tần số ở các công trình có phụ tải biến động... Các biện pháp chi phí trung bình cho công tác tiết kiệm năng lượng thường chiếm tới 15 - 20% tổng tiềm năng tiết kiệm năng lượng, thực hiện trong khoảng từ 1-2 năm và được hoàn vốn trong 3 năm. Để thực thi các biện pháp chi phí trung bình cần có kế hoạch chi tiết và lập các bản vẽ thi công.
• Đầu tư dài hạn bao gồm nâng cấp thiết bị hoặc thay đổi công nghệ, thiết bị mới. Biện pháp này thường cần vốn đầu tư lớn, thời gian thu hồi vốn dài nên các doanh nghiệp cần phải xem xét kỹ tính khả thi về kinh tế, các yếu tố về môi trường và an toàn sức khỏe nghề nghiệp. Các biện pháp chi phí lớn về tiết kiệm năng lượng về mặt lý thuyết mang lại tới 75% tiềm năng tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên chi phí cho các biện pháp đó là tương đương và trong nhiều trường hợp, vượt quá chi phí xây dựng nhà máy/phân xưởng mới. Sở dĩ có tình trạng đó là vì trong ngành công nghiệp các biện pháp chi phí lớn về tiết kiệm năng lượng liên quan tới việc thay đổi công nghệ của sản xuất chính, đòi hỏi thay thế các thiết bị đắt tiền và chỉ có thể thực hiện khi cải tạo đầu tư mới xí nghiệp.
3.4.2 Các phương pháp tiết kiệm năng lượng:
3.4.2.1Tiết kiệm trong hệ thống hơi:
a ) Tiết kiệm nước sử dụng cho lò hơi:
Khói thải do đốt than đá hoặc dầu FO, bao gồm:
Khói thải do đốt than đá hoặc dầu FO, bao gồm: CO2, COx, SOx, NOx, bụi than và một số chất hữu cơ bay hơi;
Các khói thải này có thể gây các bệnh về đường hô hấp, bệnh phổi. Gây mưa axit do môi trường sinh thái, ăn mòn các công trình bê tông. Khí CO2 gây nên hiệu ứng nhà kính.
Hình 3.5: Quy trình hoạt động của một lò hơi
Từ quy trình hoạt động của lò hơi, ta có lượng nhiệt bị thất thoát trong quá trình hoạt động của lò hơi:
• Khói thải khô
• Hàm lượng hydrogen và độ ẩm trong nguyên liệu. Do phải tốn một lượng nhiệt đáng kể để làm bay hơi nước.
• Độ ẩm trong không khí.
• Đốt cháy nhiên liệu không hoàn toàn do lượng oxy dư không đủ làm sản sinh ra CO, tro,…
• Nhiệt do bức xạ và đối lưu từ bề mặt lò hơi. Tổn thất nhiệt bức
xạ và đối lưu
Khói thải và chất thải rắn Cơ năng dùng
cho bơm, quạt Không khí
Nhiên liệu Nước cấp
Tro Xả đáy và rò rỉ
Hơi nước dùng cho công nghiệp Lò hơi
Hình 3.6: Chu trình hơi tiêu biểu
Các phương án tiết kiệm khói thải lò hơi:
o Kiểm soát tốt quá trình đốt, hạn chế tình trạng thiếu oxy làm sản sinh ra khí CO và các chất độc hại khác.
o Thu hồi nhiệt từ khói thải, một mặt để tránh hiện tượng đọng sương trong ống khói làm hư ống khói, một mặt tiết kiệm lượng dầu sử dụng trong tình trạng tài nguyên đang ngày càng khan hiếm.
o Thu hồi nước xả đáy.
b ) Tính khả thi của các phương án:
• Thu hồi nhiệt từ khói thải:
Các nồi hơi thường được thiết kế có nhiệt độ khói thải khác nhau, từ 175 – 300oC. Tuy nhiên, để tránh tình trạng ăn mòn do đọng sương có trong nhiên liệu, nhiệt độ thường được duy trì khoảng 200 - 220oC.
Để thu hồi nhiệt từ khói thải, công ty đã lắp đặt thêm một bộ trao đổi nhiệt vào trong ống khói đầu ra. Bộ này có nhiệm vụ trao đổi nhiệt giữa nước cấp với khói thải mục đích tăng nhiệt độ nước trước khi đưa vào lò hơi, hạn chế hiện tượng đọng sương trong ống khói.
Hình 3.7: Bộ thu hồi nhiệt loại ống có cánh
Lợi ích của phương án:
Đo đạc hệ thống nồi hơi của công ty và hệ thống hơi ta có được các kết quả như sau:
o Áp suất hơi: 10at, nhiệt độ: 163oC. o Năng suất hơi là 10 tấn/h
o Lượng dầu tiêu thụ so với bảng trên khoảng 720 - 860 lít dầu/h. Ở đây công ty sử dụng dầu FO.
o Dầu FO có tỷ trọng là 0,92 tương đương với lượng dầu sử dụng là 662 – 791 kg dầu/h
o Nhiệt độ nước ngưng hồi về là 96oC.
o Nhiệt độ nước bổ sung bằng nhiệt độ không khí ngoài trời khoảng 30oC, lượng nước ngưng thu hồi được là 3 m3/h.
o Đo đạc khói thải: O2 = 1,8 %; CO = 0%; CO2 = 13,8%, tkhói = 297oC. Với các thông số trên ta có:
Nồng độ CO = 0, quá trình đốt cháy là hoàn toàn. Thành phần O2 dư = 1,8%: đạt yêu cầu
78 , 3 ) ( 100 . 378 e − ω + α − ω = Trong đó: e: tỷ lệ không khí dư.
α: thành phần CO2 trong khói thải.
ω: thành phần không khí dư trong khói thải.
⇒ 3,78 4,31 ) 8 , 13 8 , 1 ( 100 8 , 1 . 378 e − = + − =
Kết luận: về mặt khói thải: tỷ lệ oxy dư và thành phần khói thải là tốt. Tổn thất nhiệt qua khói lò:
% 61 , 5 8 , 13 30 297 29 , 0 CO % T T . 29 , 0 TTN 2 kk lò− = − = =
Ta có tổn thất nhiệt này còn cao, nhiệt độ khói lò còn cao trong khi đó nhiệt độ nhiệt độ khói cần thiết là khoảng 200 – 220oC.
Vì vậy ta phải hạ nhiệt độ khói lò xuống bằng cách gắn thêm bộ trao đổi nhiệt vào trong ống khói:
Nhiệt lượng cần thiết để sản xuất ra 10 tấn hơi mỗi giờ.
[C (T 30) r]
m
Q= p s− +
Trong đó:
m: khối lượng hơi cần thiết, m = 10 000 kg/h Cp = 4,18 KJ/kg.h = 1 Kcal/kg.h
Ts: nhiệt độ hơi, Ts = 163oC.
r: nhiệt hóa hơi ở nhiệt độ Ts, tra bảng 56 trang 441 Sách quá trình và thiết bị công nghệ hóa học tập 10, ta có Ts = 2080 KJ/kg = 497 kcal/kg
Bảng 3.3: Nhiệt trị của một số loại nhiên liệu
Nhiên liệu Nhiệt trị (kcal/kg) Củi, gỗ và phụ phẩm nông, lâm sản 3000 – 4500
Than bùn 2000 – 2870 Than nâu 2870 – 3500 Than đá 5500 Dầu diesel 10200 Dầu FO 9900 Dầu hỏa 10300 Khí thiên nhiên và khí đồng hành 9300 Theo bảng nhiệt trị trên, nhiệt trị của dầu FO là 9900 kcal/kg Lượng dầu tiêu thụ theo lý thuyết:
h / kg 4 , 636 9900 63000000 m= ≈
Lượng dầu tiêu thụ khoảng 662 - 791 kg/h. Hiệu suất lò hơi:
)% 96 80 ( % 100 . ) 791 662 ( 4 , 636 = ÷ ÷ = η
Theo định mức: 1kg dầu FO tương đương 15 kg hơi nước và thải ra môi trường 30 m3 khói thải.
6 , 12 791
10000 = kg hơi nước/kg dầu
Lượng khói thải tương ứng: 23730 m3/h. Lượng khói thải:
ρ = ρ T T P P o o o T , P Trong đó:
ρP,T: khối lượng riêng của không khí ở điều kiện P,T
Lượng khói lò tương đương: 14689 kg/h
Sau khi lắp bộ thu hồi nhiệt, nhiệt độ khói lò lúc đó giảm xuống chuẩn là 200 – 220oC. Lúc đó nhiệt lượng thu hồi được là, với nhiệt dung riêng của khói là 1KJ/kg.oC:
Qth = 14689kg/h x 1 KJ/kgoC x (297 – 220) = 1121053 KJ/h ≈ 270 587 kcal/h Lượng dầu tiết kiệm được do thu hồi nhiệt:
h / kg 33 , 27 9900 270587 mth = =
Lượng khói thải giảm xuống, khi đó ta tiết kiệm được 27,33 kg dầu/h: