1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước:
Trong những năm vừa qua các nhóm nghiên cứu trong nước có khá nhiều nghiên cứu về phương án phát điện tận dụng nhiệt thừa trong các nhà máy công nghiệp, đặc biệt là nhà máy sản xuất xi măng:
- Năm 2001, các tác giả Lê Quốc Khánh và Trương Duy Vĩnh đã có nghiên cứu về
“Tận dụng nhiệt thừa của khói thải lị nấu thuỷ tinh tại cơng ty bóng đèn phích nước Rạng Đơng để phát điện” [1], theo nghiên cứu thì trong ngành sành sứ, thuỷ tinh, chi phí nhiên liệu cho các lị nấu thuỷ tinh chiếm tỷ trọng khá lớn trong giá thành sản phẩm, các lò này đều đốt bằng dầu FO, nhiệt độ khói thải khá cao được thải ra ngồi trời rất lãng phí và gây ơ nhiễm môi trường. Đề tài cấp Bộ do cơng ty Bóng đèn Phích nước Rạng Đông phối hợp với hội KHKT Nhiệt Việt Nam thực hiện được đánh giá là có ý nghĩa thực tế cao và có thể mở rộng việc nghiên cứu cho các cơ sở khác
- Đầu năm 2015, tác giả Đinh Quang Huy đã nghiệm thu đề tài “Nghiên cứu thiết kế
và xây dựng lị sấy sơ cấp gạch ngói tận dụng nhiệt khí thải lị nung” [2]. Đề tài do Hội Gốm sứ Xây dựng chủ trì thực hiện và KS Đinh Quang Huy - Chủ nhiệm Đề tài, đã được Hội đồng KHKT chuyên ngànhh Bộ Xây dựng nghiệm thu vào ngày 20/1 với mức độ hoàn thành xuất sắc. Theo đề tài thì nhóm nghiên cứu của Hiệp hội gốm sứ xây dựng tiến hành thiết kế, lắp dựng lò sấy sơ cấp tận dụng nhiệt thừa của lò nung tại nhà máy gạch tuynel Bá Hiến (Vĩnh Phúc) mang lại kết quả tốt. Lò sấy sơ cấp cho phép sấy gạch từ độ ẩm tạo hình (20 - 22%) xuống đến độ ẩm trung bình (10 - 12%) cho đủ cường độ mộc cần thiết để có thể xếp lên xe gng với chiều cao xếp tối đa tới 19 lớp gạch tiêu chuẩn để đưa vào hầm sấy thứ cấp. Trong lò sấy sơ cấp, nhóm nghiên cứu đã tính tốn tác nhân sấy (hỗn hợp khí nóng và khói lị), tính tốn lượng nhiệt cần thiết để sấy gạch mộc đạt đến độ ẩm tiêu chuẩn. Điểm khác biệt của lị sấy này là có hệ thống quạt tuần hồn, đảo gió đa chiều bố trí theo các
hướng khác nhau. Khác biệt đó đã tạo nên các luồng gió rối di chuyển trong lị sấy, làm cho sự trao đổi nhiệt và độ ẩm được tăng cường giúp cho vật liệu khô nhanh và đều cả trong lẫn ngoài, năng lượng sấy được tận dụng triệt để, sự giải phóng ẩm ở bề mặt vật liệu ra môi trường được tăng cường hơn.
- Năm 2013 tác giả Dương Hòa An và Nguyễn Thị Thanh Thủy đã có cơng trình nghiên cứu về “Phương án phát điện sử dụng nhiệt thừa trong nhà máy xi măng La Hiên” [3]. Theo tác giả thì nhà máy xi măng La Hiên có 4 dây chuyền sản xuất, mỗi năm tiêu thụ khoảng 111,85 triệu kWh điện và khoảng 135,774 tấn than và với lượng nhiệt thất thoát ra bên ngồi rất lớn làm gây lãng phí và ơ nhiễm mơi trường, cho nên tác giả đã tính tốn, phân tích và đưa ra các phương án phát điện tận dụng nhiệt thải rất hiệu quả
1.2.2. Tình hình nghiên cứu ngồi nước
- Năm 2010, tác giả SK.ANWAR BASHA đã có nghiên cứu về “nhiệt thải để tạo ra
điện năng” [4]. Theo tác giả thì hàng ngày, hàng giờ tại các ngành cơng nghiệp nặng có một lượng khơng khí lớn với nhiệt độ rất cao được thải ra mơi trường, gây ra lãng phí và làm ơ nhiễm mơi trường, vì vậy cần tìm ra giải pháp để tận dụng lượng nhiệt thải này nhằm tạo ra điện năng, đồng thời hạn chế được vấn đề ô nhiễm môi trường
- Tác giả Gupta và cộng sự đã có cơng trình nghiên cứu về “nhà máy điện tận dụng
nhiệt thải” [5], theo tác giả thì trong một nhà máy xi măng, gần 35% nhiệt bị mất, chủ yếu từ tháp trao đổi nhiệt và các loại khí thải làm mát, điều này tương ứng với khoảng 70 - 75 MW năng lượng nhiệt. Năng lượng này có thể được khai thác bằng cách lắp đặt một hệ thống thu hồi nhiệt để làm quay tuốc bin nhằm phát ra điện (Waste heat recovery power plant – WHRPP).
- Năm 2013, tác giả Chris Williams và cộng sự đã có cơng trình nghiên cứu về “Tận dụng nhiệt thải tại khu liên hợp thép để phát điện” [6]. Kết quả cơng trình nghiên cứu cho thấy hàng năm đã tiết kiệm được khoảng 12MWh điện, đồng thời giảm được khoảng 52,500 tấn khí CO2 thải ra mơi trường.
1.3. Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài
Công nghệ sản xuất xi măng hiện nay sử dụng nguồn năng lượng chính là than và điện. Trong quá trình sản xuất vận hành lị nung sẽ phát sinh một lượng khí thải và bụi khá lớn ở nhiệt độ cao (khoảng 360oC), chủ yếu tại tầng tháp tiền nung và làm nguội Clinker. Quá trình này vừa gây ơ nhiễm mơi trường, vừa lãng phí năng lượng, từ đó giảm hiệu quả sản xuất. Ðể tận dụng lượng khí thải và tái tạo thành năng lượng cung cấp cho sản xuất, các nhà máy xi măng cần đầu tư hệ thống phát điện tận dụng nhiệt khí thải. Theo tính tốn, để sản xuất ra một tấn xi măng phải tiêu hao hơn 100 kWh điện. Với sản lượng sản xuất xi măng như hiện nay và nếu tất cả các nhà máy xi măng lị quay hệ khơ của Việt Nam được trang bị hệ thống phát điện tận dụng nhiệt khí thải thì tổng cơng suất các trạm phát điện đạt khoảng 200 MW, giảm được khoảng 25% lượng điện tiêu thụ từ lưới điện, đồng thời giảm đáng kể tình trạng ơ nhiễm mơi trường.
Do vậy, việc triển khai hệ thống tận dụng nhiệt khí thải lị nung để phát điện tại nhà máy xi măng là vô cùng cần thiết.
Nghiên cứu lượng nhiệt dư thừa để đưa ra các phương án thu hồi và phát điện nhằm mang lại hiệu quả kinh tế và đặc biệt giảm thiểu ô nhiễm môi trường
Tài liệu và kết quả nghiên cứu có thể được phục vụ nghiên cứu ở mức độ cao hơn.
1.4. Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu của đề tài là đi khảo sát, nghiên cứu lượng nhiệt dư thừa đang thải ra môi trường tại tháp tiền nung và tại thiết bị làm nguội clinker của nhà máy xi măng để từ đó tính tốn tính khả thi cho phương án phát điện tận dụng nhiệt thừa từ nhà máy xi măng.
1.5. 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
- Nghiên cứu lượng nhiệt thoát ra tại khu vực tháp tiền nung và khu vực làm nguội clinker
- Tính tốn tính khả thi của hệ thống phát điện tận dụng nhiệt thừa - Đề xuất lắp đặt hệ thống phát điện tận dụng nhiệt thừa
1.6. Phương pháp nghiên cứu
- Tham khảo tài liệu
- Đi khảo sát thực tế tại nhà máy xi măng
- Phân tích, tính tốn và đề xuất lắp đặt hệ thống
1.7. Nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu gồm có 5 chương như sau:
- Chương 1: Tổng quan
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết
- Chương 3: Phân tích nhà máy xi măng
- Chương 4: Tính tốn tính khả thi và đề xuất lắp đặt hệ thống phát điện tận dụng nhiệt thừa
- Chương 5: Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển
1.8. Điểm mới của đề tài
- Phân tích lượng nhiệt dư thừa thực tế tại nhà máy xi măng để tính tốn tính khả thi của hệ thống phát điện tận dụng nhiệt thừa.
- Lập phần mềm tính tốn để từ đó có thể áp dụng nhân rộng cho các nhà máy xi
măng khác.
1.9. Kết quả dự kiến
- Mơ hình tốn học chứng minh tính khả thi của hệ thống phát điện tận dụng nhiệt thừa tại nhà máy xi măng nhằm mang lại hiệu quả kinh tế và đặc biệt giảm thiểu ô nhiễm môi trường
Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Giới thiệu đề tài
Hiện nay các nhà máy sản xuất được xây dựng ngày càng nhiều. Trong nhà máy sản xuất nhất thiết phải có sử dụng điện, mà nguồn điện của Việt Nam hiện nay lại thiếu, giá thành cao. Trong khi đó lượng nhiệt thải ra mơi trường của các nhà máy sản xuất cũng khá cao, vậy tại sao chúng ta không tự phát điện cho bản thân nhà máy bằng chính lượng nhiệt thải này. Tuy lượng điện phát ra không nhiều nhưng cũng đã góp phần tiết kiệm cho nhà máy một cách đáng kể. Bên cạnh đó, việc này cũng làm giảm sự ô nhiễm môi trường xung quanh.
Sản xuất xi măng luôn gắn liền với tiêu thụ năng lượng than và điện. Trong quá trình sản xuất vận hành lị nung sẽ phát sinh một lượng khí thải và bụi khá lớn ở nhiệt độ cao (khoảng 360oC), chủ yếu tại tầng tháp sấy sơ bộ và ghi làm nguội clinker. Quá trình này vừa gây ơ nhiễm mơi trường, vừa lãng phí năng lượng, từ đó giảm hiệu quả sản xuất. Để tận dụng lượng khí thải và tái tạo thành năng lượng cung cấp cho sản xuất, các nhà máy xi măng cần đầu tư hệ thống phát điện tận dụng nhiệt khí thải. Theo tính tốn, để sản xuất ra một tấn xi măng phải tiêu hao hơn 100 kWh điện. Với sản lượng sản xuất xi măng như hiện nay và nếu tất cả các nhà máy xi măng lị quay hệ khơ của Việt Nam được trang bị hệ thống phát điện tận dụng nhiệt khí thải thì tổng cơng suất các trạm phát điện đạt khoảng 200 MW, giảm được khoảng 25% lượng điện tiêu thụ từ lưới điện, đồng thời giảm đáng kể tình trạng ơ nhiễm mơi trường.
Việc triển khai hệ thống tận dụng nhiệt khí thải lị nung để phát điện đã mang lại nhiều lợi ích trực tiếp làm giảm giá thành và nâng cao sức cạnh tranh của sản phẩm rất phù hợp với sản xuất xi măng, một ngành tiêu hao nhiều năng lượng và ảnh hưởng môi trường.
Bảng 2.1: Tổng hợp các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật chủ yếu của trạm phát điện cho các
loại cơng suất lị 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 Cơng suất phát điện bình qn 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 lị nung clinker ở nhiệt độ 350 - 380oC với khối lượng lớn 2000 - 2500 m3/tấn clinker, với lị nung có cơng suất 4000 tấn clinker/ngày sẽ thải ra 10 triệu m3/ngày với nồng độ bụi từ 50 - 100 mg/Nm3 sẽ gây hiệu ứng nhà kính, ơ nhiễm mơi trường sinh thái nghiêm trọng. Nhưng khi nó được qua hệ thống hấp thụ nhiệt và chuyển thành điện năng của trạm sử dụng nhiệt dư để phát điện làm giảm nhiệt độ 100 - 200oC và giảm nồng độ bụi trong khí thải xuống mức 30 mg/Nm3 sẽ góp phần cải thiện môi trường, giảm hiệu ứng nhà kính.
Sử dụng khí thải của lị nung clinker để phát điện sẽ tiết kiệm được lượng nhiên liệu 340 – 420g than tiêu chuẩn/kWh. Với lò nung clinker 4000 t/ngày, lượng phát điện 50 triệu kWh sẽ tiết kiệm được từ 17000 - 21000 t/năm than tiêu chuẩn.
2.2. Nguyên lý hoạt động của nhà máy điện sử dụng chu trình tuốc bin hơi nước
Hiện nay, trên thế giới người ta đã xây dựng được tất cả các loại nhà máy điện biến đổi các dạng năng lượng thiên nhiên thành điện năng. Tuy nhiên sự hoàn thiện, mức độ hiện đại và giá thành điện năng của các loại nhà máy điện đó rất khác nhau, tùy thuộc vào thời gian được nghiên cứu phát triển loại hình nhà máy điện đó. Đối với những nước đang phát triển như Việt Nam, do nền cơng nghiệp cịn chậm phát triển, tiềm năng về kinh tế cịn yếu do đó xây dựng chủ yếu nhà máy nhiệt điện dùng tuốc bin hơi hoặc dùng chu trình hỗn hợp, trong đó biến đổi năng lượng của nhiên liệu thành điện năng.
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 hịa 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 hịa 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, ngưng tụ thành nước (quá trình 2 - 3) là quá trình
ngưng tụ thực hiện khơng hồn toàn, hơi ở trang thái 3 vẫn là hơi bão hịa, có thể tích riêng rất lớn, do đó để thực hiện q trình nén đoạn nhiệt hơi ẩm theo quá trình 3 - 4, cần phải có máy nén kích thước rất lớn và tiêu hao cơng rất lớn.
Nhiệt độ tới hạn của nước thấp nên độ chênh nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh của chu trình khơng lớn lắm, do đó cơng của chu trình nhỏ.
Độ ẩm của hơi trong tuốc bin cao, các giọt ẩm có kích thước lớn sẽ và đập vào cánh tuốc bin gây ra hiện tượng xâm thực tuốc bin.
Hình 2.1: Chu trình Carno hơi nước 2.2.2. Sơ đồ thiết bị và đồ thị chu trình nhà máy điện 2.2.2. Sơ đồ thiết bị và đồ thị chu trình nhà máy điện
Như chúng ta đã biết, tuy có hiệu suất nhiệt cao nhưng chu trình Carno có một số nhược điểm như đã nêu ở trên khi áp dụng cho khí thực, nên trong thực tế người ta khơng áp dụng chu trình Carno mà áp dụng một chu trình cải tiến gần với chu trình này gọi là chu trình Renkin. Chu trình Renkin là chu trình thuận chiều, biến nhiệt thành cơng.
Chu trình Renkin là chu trình nhiệt được áp dụng trong tất cả các loại nhà máy nhiệt điện, mơi chất làm việc trong chu trình là nước và hơi nước. Tất cả các thiết bị của các nhà máy nhiệt điện đều giống nhau trừ thiết bị sinh hơi I. Trong thiết bị sinh hơi, nước nhận nhiệt để biến thành hơi. Đối với nhà máy nhiệt điện, thiết bị sinh hơi là nồi hơi, trong đó nước nhận nhiệt từ q trình đốt cháy nhiên liệu.
Đối với nhà máy điện mặt trời hoặc địa nhiệt, nước nhận nhiệt từ năng lượng mặt trời hoặc từ nhiệt năng trong lòng đất. Đối với nhà máy điện nguyên tử, thiết bị sinh hơi là thiết bị trao đổi nhiệt, trong đó nước nhận nhiệt từ chất tải nhiệt trong lò phản ứng hạt nhân ra.
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 (ở trạng thái 2’ trên đồ thị) có thơng số p2, được bơm V bơm vào thiết bị sinh hơi I, áp suất tăng từ p2 đến áp suất p2’-3). Trong thiết bị sinh hơi, nước trong các ống sinh hơi nhận nhiệt tỏa ra từ quá trình cháy, nhiệt độ tăng lên đến sơi (q trình 3 - 4), hố hơi (q trình 4 - 5) và thành hơi quá nhiệt trong bộ quá nhiệt II (quá trình 5 - 1). Quá trình 3 – 4 – 5 – 1 là q trình hóa hơi đẳng áp ở áp suất p = const. Hơi ra khỏi bộ quá nhiệt II (ở trạng thái 1) có thơng số p1, t1 đi vào tuốc