Khai thác giá trị của nhiệt thừa trong quá trình sản xuất xi măng
Trong bài viết này, các chuyên gia Công ty GEA Bischoff, đã bàn luận về vai trò của các hệ thống thu hồi nhiệt thừa trong việc tận dụng khí thải máy làm nguội clinker để nâng cao hiệu suất năng lượng và giảm bớt chi phí vận hành trong các nhà máy xi măng. Việc tận dụng các nguồn nhiệt thừa cho thấy tiềm năng đáng kể đối với quá trình chuyển đổi năng lượng đang diễn ra và cuối cùng là đòn bẩy để tối ưu hóa các chi phí vận hành.
Ở nhiều nhà máy xi măng, những lượng lớn năng lượng nhiệt chưa được sử dụng vẫn đang được xả vào khí quyển. Những nguồn năng lượng nhiệt chính chưa sử dụng nói trên là khí nóng thải ra từ các lò nung PH/calciner và khí thải chưa được thu hồi từ các ghi làm nguội clinker.
Khí nóng từ lò nung vẫn chủ yếu được làm nguội thông qua quá trình làm nguội bằng nước ở tháp điều hòa khí thải để vận hành hiệu quả máy nghiền liệu và các bộ lọc. Kết quả là, mức nhiệt độ của năng lượng nhiệt có sẵn giảm xuống, khiến cho nó không thể sử dụng hiệu quả được nữa. Một ví dụ về điều này có thể là quá trình sản xuất điện năng bằng tuabin chu trình Rankine hữu cơ (ORC).
Liên quan đến nhiệt thừa sinh ra trong máy làm nguội clinker đã nói đến ở trên, hoặc các thiết bị lọc bụi tĩnh điện được vận hành nóng (ESPs) hoặc các lọc bụi túi được sử dụng cho khử giảm phát thải. Trong trường hợp ESP, khí nóng thường đi thẳng tới ống khói ở nhiệt độ tối thiểu 300°C mà không được thu hồi nhiệt. Trong trường hợp lọc bụi túi, các máy làm nguội bằng gió - khí là giải pháp được sử dụng rộng rãi phát tán năng lượng nhiệt vào khí quyển.
Có một số giải pháp để tránh được sự lãng phí này và sử dụng năng lượng nhiệt trong các dòng khí khác nhau ở nhà máy xi măng. Bài viết này sẽ trình bày cụ thể giải pháp khả thi.
Heidelberg Materials AG đã quyết định thay thế các nhiên liệu hóa thạch bằng bùn thải để vận hành lò nung tại một trong số các nhà máy xi măng của công ty ở North Rhine - Westfalia, Đức. Bùn thải được sấy khô sơ bộ bằng cơ học có sẵn cho việc thay thế này. Tuy nhiên, việc sấy khô bằng nhiệt là cần thiết để vận hành hiệu quả. Thay vì sử dụng các nhiên liệu hóa thạch hoặc điện năng, mà vẫn để lại dấu chân carbon trong trung hạn, quyết định sử dụng nhiệt thừa từ phía máy làm nguội clinker đã được đưa ra.
Hệ thống hiện có có một máy làm nguội bằng không khí - không khí phía thượng nguồn dành cho lọc bụi túi và năng lượng nhiệt của khí thải máy làm nguội clinker thì được phát tán vào trong khí quyển, không được sử dụng. Tuy nhiên, để vận hành an toàn và vì mục đích đơn giản hóa, máy làm nguội bằng không khí - không khí hiện có vẫn được giữ lại. Trong trường hợp máy sấy bùn thải ngừng hoạt động, hệ thống hiện có có thể được sử dụng để làm nguội khí thải máy làm nguội clinker cho vận hành an toàn lọc bụi túi.
Khí nóng từ lò nung vẫn chủ yếu được làm nguội thông qua quá trình làm nguội bằng nước ở tháp điều hòa khí thải để vận hành hiệu quả máy nghiền liệu và các bộ lọc. Kết quả là, mức nhiệt độ của năng lượng nhiệt có sẵn giảm xuống, khiến cho nó không thể sử dụng hiệu quả được nữa. Một ví dụ về điều này có thể là quá trình sản xuất điện năng bằng tuabin chu trình Rankine hữu cơ (ORC).
Liên quan đến nhiệt thừa sinh ra trong máy làm nguội clinker đã nói đến ở trên, hoặc các thiết bị lọc bụi tĩnh điện được vận hành nóng (ESPs) hoặc các lọc bụi túi được sử dụng cho khử giảm phát thải. Trong trường hợp ESP, khí nóng thường đi thẳng tới ống khói ở nhiệt độ tối thiểu 300°C mà không được thu hồi nhiệt. Trong trường hợp lọc bụi túi, các máy làm nguội bằng gió - khí là giải pháp được sử dụng rộng rãi phát tán năng lượng nhiệt vào khí quyển.
Có một số giải pháp để tránh được sự lãng phí này và sử dụng năng lượng nhiệt trong các dòng khí khác nhau ở nhà máy xi măng. Bài viết này sẽ trình bày cụ thể giải pháp khả thi.
Heidelberg Materials AG đã quyết định thay thế các nhiên liệu hóa thạch bằng bùn thải để vận hành lò nung tại một trong số các nhà máy xi măng của công ty ở North Rhine - Westfalia, Đức. Bùn thải được sấy khô sơ bộ bằng cơ học có sẵn cho việc thay thế này. Tuy nhiên, việc sấy khô bằng nhiệt là cần thiết để vận hành hiệu quả. Thay vì sử dụng các nhiên liệu hóa thạch hoặc điện năng, mà vẫn để lại dấu chân carbon trong trung hạn, quyết định sử dụng nhiệt thừa từ phía máy làm nguội clinker đã được đưa ra.
Hệ thống hiện có có một máy làm nguội bằng không khí - không khí phía thượng nguồn dành cho lọc bụi túi và năng lượng nhiệt của khí thải máy làm nguội clinker thì được phát tán vào trong khí quyển, không được sử dụng. Tuy nhiên, để vận hành an toàn và vì mục đích đơn giản hóa, máy làm nguội bằng không khí - không khí hiện có vẫn được giữ lại. Trong trường hợp máy sấy bùn thải ngừng hoạt động, hệ thống hiện có có thể được sử dụng để làm nguội khí thải máy làm nguội clinker cho vận hành an toàn lọc bụi túi.
Các máy bơm bơm nước vào bộ trao đổi nhiệt và máy sấy bùn thải.
Hệ thống thu hồi nhiệt thừa mới (WHR) của nhà máy xi măng đã được GEA lắp đặt song song với máy làm nguội bằng không khí - không khí. Nhờ điều chỉnh chụp đầu vào của máy làm nguội bằng không khí - không khí hiện có để đấu nối với hệ thống WHR mới, đã được xác định vị trí đấu nối lý tưởng khi xem xét đến van điều tiết cửa cách ly. Vận dụng kinh nghiệm của GEA về bụi clinker, tốc độ khí đã được xác định để mang lại khả năng truyền nhiệt hiệu quả và giảm thiểu sự mài mòn trên các đường ống bộ trao đổi nhiệt (HX) mới do bụi mài mòn gây ra.
Để linh hoạt cho các hoạt động vận hành trong tương lai, thiết kế các cụm ống kiểu ngăn kéo của GEA đã được sử dụng, khiến cho dễ dàng nâng cấp cải tạo hệ thống thu hồi nhiệt khi cần thiết sau này. Khí thải máy làm nguội clinker thường biến động về nhiệt độ, khiến cho nó cần phải được giám sát và kiểm soát chặt chẽ nguồn năng lượng nhiệt đầu vào chu trình nước tuần hoàn để đảm bảo nó không bị quá nhiệt. Việc không điều chỉnh hợp lý năng lượng nhiệt đầu vào nước có thể dẫn đến việc sinh hơi và dẫn đến nguy cơ tạo ra bọt khí trong các máy bơm tuần hoàn hoặc tệ hơn, như búa hơi.
Để linh hoạt cho các hoạt động vận hành trong tương lai, thiết kế các cụm ống kiểu ngăn kéo của GEA đã được sử dụng, khiến cho dễ dàng nâng cấp cải tạo hệ thống thu hồi nhiệt khi cần thiết sau này. Khí thải máy làm nguội clinker thường biến động về nhiệt độ, khiến cho nó cần phải được giám sát và kiểm soát chặt chẽ nguồn năng lượng nhiệt đầu vào chu trình nước tuần hoàn để đảm bảo nó không bị quá nhiệt. Việc không điều chỉnh hợp lý năng lượng nhiệt đầu vào nước có thể dẫn đến việc sinh hơi và dẫn đến nguy cơ tạo ra bọt khí trong các máy bơm tuần hoàn hoặc tệ hơn, như búa hơi.
Sơ đồ cơ bản của mạch vòng truyền nhiệt.
Vấn đề này đã được giải quyết bằng một mạch điều khiển hai cấp trong đó cả van điều tiết nhánh phụ (bypass) lẫn van điều tiết đầu ra của bộ trao đổi nhiệt đều là các van điều tiết loại điều biến. Khi vận hành, van điều tiết nhánh phụ sẽ mở ra trước tiên, đưa thêm khí tới máy làm nguội bằng không khí - không khí. Nếu như lượng khí này không đủ, van điều tiết đầu ra khi đó có thể đóng lại, tạo ra độ sụt áp cao hơn trên bộ trao đổi nhiệt khí - nước mới lắp đặt để đưa thêm nhiều khí hơn tới máy làm nguội bằng không khí - không khí, do đó làm giảm năng lượng nhiệt truyền vào chu trình nước tuần hoàn.
Trong bộ trao đổi nhiệt mới lắp đặt, nước được hâm nóng tới nhiệt độ phù hợp cho máy sấy khô bùn thải. Nhờ có kinh nghiệm về thu hồi nhiệt thừa của GEA kể từ đầu những năm 2000, mọi chú ý đã được thực hiện ngay từ giai đoạn thiết kế kỹ thuật để vừa phù hợp với các quy định hiện hành vừa đáp ứng mọi nhu cầu về an toàn trong vận hành. Ví dụ, việc có hai máy bơm nước nóng dự phòng đầy đủ dùng trong trường hợp một bơm bị hỏng. Cũng vậy, để duy trì nước ở trạng thái lỏng, nước được tạo áp bằng khí nitơ trong bình giãn nở. Để hoàn thiện tất cả, mạch vòng truyền nhiệt đã được trang bị không chỉ toàn bộc ác dụng cụ đo lường cần thiết mà còn cả các van giảm áp an toàn.
Nhà máy đã được đưa vào vận hành thành công trong tháng 8/2022, GEA đã cung cấp các đường ống dẫn khí mới, các van điều tiết, bộ trao đổi nhiệt, và mạch vòng truyền nhiệt. Kể từ đó, nhà máy đã hoạt động, truyền những lượng nhiệt phù hợp tới máy sấy khô bùn thải theo tốc độ dòng lưu lượng bùn thải yêu cầu sẽ được sấy khô. Kết quả là, chủ đầu tư có thể giảm thiểu tổng lượng dấu chân carbon trong quá trình sản xuất nhờ thay thế nhiên liệu hóa thạch bằng bùn thải.
Điều quan trọng cần phải lưu ý đó là trường hợp của khách hàng này chỉ miêu tả được một trong số nhiều trường hợp mà nhiệt thừa từ các nhà máy xi măng có thể tận dụng được. Việc lựa chọn đúng đắn cho mỗi trường hợp phụ thuộc vào rất nhiều điều kiện ràng buộc riêng của nhà máy như chỉ nêu ra ở đây hai trường hợp là thay thế các nhiên liệu hóa thạch hoặc chi phí điện năng.
Trong bộ trao đổi nhiệt mới lắp đặt, nước được hâm nóng tới nhiệt độ phù hợp cho máy sấy khô bùn thải. Nhờ có kinh nghiệm về thu hồi nhiệt thừa của GEA kể từ đầu những năm 2000, mọi chú ý đã được thực hiện ngay từ giai đoạn thiết kế kỹ thuật để vừa phù hợp với các quy định hiện hành vừa đáp ứng mọi nhu cầu về an toàn trong vận hành. Ví dụ, việc có hai máy bơm nước nóng dự phòng đầy đủ dùng trong trường hợp một bơm bị hỏng. Cũng vậy, để duy trì nước ở trạng thái lỏng, nước được tạo áp bằng khí nitơ trong bình giãn nở. Để hoàn thiện tất cả, mạch vòng truyền nhiệt đã được trang bị không chỉ toàn bộc ác dụng cụ đo lường cần thiết mà còn cả các van giảm áp an toàn.
Nhà máy đã được đưa vào vận hành thành công trong tháng 8/2022, GEA đã cung cấp các đường ống dẫn khí mới, các van điều tiết, bộ trao đổi nhiệt, và mạch vòng truyền nhiệt. Kể từ đó, nhà máy đã hoạt động, truyền những lượng nhiệt phù hợp tới máy sấy khô bùn thải theo tốc độ dòng lưu lượng bùn thải yêu cầu sẽ được sấy khô. Kết quả là, chủ đầu tư có thể giảm thiểu tổng lượng dấu chân carbon trong quá trình sản xuất nhờ thay thế nhiên liệu hóa thạch bằng bùn thải.
Điều quan trọng cần phải lưu ý đó là trường hợp của khách hàng này chỉ miêu tả được một trong số nhiều trường hợp mà nhiệt thừa từ các nhà máy xi măng có thể tận dụng được. Việc lựa chọn đúng đắn cho mỗi trường hợp phụ thuộc vào rất nhiều điều kiện ràng buộc riêng của nhà máy như chỉ nêu ra ở đây hai trường hợp là thay thế các nhiên liệu hóa thạch hoặc chi phí điện năng.
Bộ trao đổi nhiệt khí nước mới được lắp đặt của GEA tại cơ sở của Heidelberg Material.
Nhiệt thừa cũng có thể được sử dụng để sản xuất điện thông qua chu trình hơi hoặc chu trình Rankine hữu cơ hoặc để cấp cho mạng lưới sưởi ấm trong khu vực cũng như để phục vụ các phục đích sấy khô khác ngoài việc sấy khô bùn thải.
Triển vọng tương lai hướng tới việc sử dụng nhiệt thu hồi cho đun sôi lại amin ở các nhà máy thu gom carbon. Khi nói đến việc đưa ra sự lựa chọn đúng đắn, các chủ đầu tư nhà máy có vô số phương án lựa chọn để lựa chọn và mỗi nhà máy đều có những yêu cầu và các điều kiện ràng buộc đặc biệt mà cần phải được cân nhắc xem xét trước khi đưa ra quyết định - đây là lý do tại sao một đối tác có trình độ chuyên môn, kinh nghiệm, và nguồn tài liệu tham khảo vững chắc là sự lựa chọn phù hợp.
Triển vọng tương lai hướng tới việc sử dụng nhiệt thu hồi cho đun sôi lại amin ở các nhà máy thu gom carbon. Khi nói đến việc đưa ra sự lựa chọn đúng đắn, các chủ đầu tư nhà máy có vô số phương án lựa chọn để lựa chọn và mỗi nhà máy đều có những yêu cầu và các điều kiện ràng buộc đặc biệt mà cần phải được cân nhắc xem xét trước khi đưa ra quyết định - đây là lý do tại sao một đối tác có trình độ chuyên môn, kinh nghiệm, và nguồn tài liệu tham khảo vững chắc là sự lựa chọn phù hợp.
Jens Lange và Daniel Loerwald, Công ty GEA Bischoff
Nguyễn Thị Kim Lan dịch từ World Cement Magazine số tháng 11/2023
VLXD.org
Nguyễn Thị Kim Lan dịch từ World Cement Magazine số tháng 11/2023
VLXD.org
