Các hệ thống phát điện theo chu trình Kalina trong các ứng dụng tận dụng nhiệt thừa (P1)

Trong Chu trình Kalina, một chất lỏng hai thành phần được sử dụng để tách phần hữu ích ra khỏi nguồn nhiệt. Các nguồn nhiệt cấp thấp tiêu biểu là những nguồn nhiệt liên quan tới nhiệt thải từ các quá trình công nghệ như luyện thép và chế tạo xi măng là các quá trình tiêu tốn nhiều năng lượng và việc tận dụng nhiệt thừa của các quá trình này có thể gây tác động đáng kể tới hiệu quả năng lượng. Các hệ thống Chu trình Kalina khác nhau hiện đang hoạt động trên toàn thế giới được mô tả ngắn gọn và các thông số vận hành thực tế được xem xét trong điều kiện các nguyên tắc cơ bản theo công nghệ liên quan tới việc sử dụng hơi khí ammonia làm chất lỏng làm việc. Hiệu quả các nguyên liệu được sử dụng trong quá trình chế tạo các thành phần khác nhau trong một hệ thống Chu trình Kalina được đánh giá và tính phù hợp của các cơ cấu suy biến tiềm tàng sẽ được mô tả ngắn gọn. Điều đó sẽ cho thấy rằng công nghệ này hiện đã vượt trước giai đoạn mà tính sẵn có cao có thể đạt được dễ dàng trong các điều kiện môi trường vận hành khác nhau. Khả năng phát triển ứng dụng của công nghệ Chu trình Kalina để tận dụng nhiệt thừa trong ngành xi măng sẽ được trình bày những nét chính.

Rất nhiều quy trình công nghệ lớn tiêu tốn rất nhiều năng lượng và khả năng để tận dụng nhiệt thừa phát điện có thể mang lại lợi thế lớn trong việc giảm tiêu hao năng lượng. Ngoài ra, các hệ thống thu hồi năng lượng hiệu quả hỗ trợ xu hướng phát triển bền vững chung và nâng cao hiệu quả năng lượng. Việc trích phần hữu ích ra khỏi nguồn nhiệt cấp thấp cần có công nghệ sáng tạo. Các Chu trình Kalina đã được thiết kế để trích năng lượng nhiệt hiệu quả từ các nguồn nhiệt như nhiệt thừa và giếng khoan địa nhiệt. Các hệ thống có tính cạnh tranh như Chu trình Rankine hữu cơ đã được biết đến là ít hiệu quả trong các ứng dụng này. Kết quả là Tổ chức Phát triển Năng lượng Quốc gia (National Energy Development Organisation - NEDO) ở Nhật Bản đã xác định Chu trình Kalina là một trong số các công nghệ phù hợp nhất cho việc nâng cao hơn hiệu quả năng lượng trong ngành công nghiệp luyện thép của Nhật Bản.

Các hệ thống Chu trình Kalina hiện đang hoạt động trong các ứng dụng phát điện tận dụng nhiệt thừa và địa nhiệt trên toàn thế giới. Vì nhu cầu về hiệu suất sử dụng năng lượng cao hơn làm tăng khả năng chống chọi lại các hiệu ứng khí nhà kính độc hại, người ta dự đoán rằng nhu cầu đối với loại công nghệ này sẽ tăng lên.

Trong bài viết này, hiệu quả của các nhà máy phát điện theo chu trình Kalina đang hoạt động để thu hồi năng lượng nhiệt trong các loại ứng dụng khác nhau sẽ được xem xét và các chi tiết đặc tính kỹ thuật của hệ thống sẽ được trình bày. Mục đích là để cung cấp một cái nhìn tổng thể về tình trạng hiện thời của công nghệ này trong các ứng dụng quan trọng trên toàn thế giới. Một ấn phẩm trước đây đã được nêu trong phần giới thiệu chung.

Chu trình Kalina: Tổng quan về mặt kỹ thuật

Quy trình công nghệ theo Chu trình Kalina sử dụng một hỗn hợp chất lỏng làm việc gồm có am¬monia và nước cùng với các quá trình độc quyền sử dụng và đã được cấp bằng sáng chế để thay đổi hàm lượng ammonia trong suốt hệ thống và cho các bước thu hồi nhiệt để làm tăng hiệu suất. Việc sử dụng ammonia cho phép sử dụng hiệu quả các dòng nhiệt thừa để đun sôi khởi động với nhiệt độ thấp hơn.

Hỗn hợp chất lỏng cho phép thành phần của chất lỏng làm việc thay đổi thông qua việc sử dụng quá trình chưng cất, tạo ra một hàm lượng giàu hơn đi qua Thiết bị sinh hơi nhiệt thu hồi (HRVG) và thành phần loãng hơn trong thiết bị ngưng thấp áp. Vì trọng lượng phân tử khí ammonia gần bằng với trọng lượng phân tử nước, có thể sử dụng một tua-bin đối áp tiêu chuẩn.

Một sơ đồ quá trình tiêu biểu của một nhà máy phát điện tận dụng nhệit thừa công nghệ theo chu trình Kalina được trình bày ở Hình 1, trong đó các màu sắc thể hiện các hàm lượng ammonia khác nhau và các số chỉ ra các điều kiện dòng lưu lượng duy nhất. Một hỗn hợp giàu nước và ammonia sẽ được đun sôi và quá nhiệt trong HRVG và hơi quá nhiệt sẽ trương nở qua một tua-bin đối áp. Khí thải của tua-bin rất giàu (hàm lượng ammonia cao) để ngưng tụ, do vậy sau đó khí thải này sẽ được làm nguội và hoà tan với các chất cặn từ thiết bị tách hơi/thiết bị chống ngưng tụ và sau đó được ngưng tụ hoàn toàn. Lúc này, phần chất lỏng làm việc được đưa tới thiết bị tách hơi/ thiết bị chống ngưng tụ thông qua các bộ trao đổi nhiệt thu hồi và phần chất lỏng làm việc được trộn với dòng hơi có hàm lượng ammonia cao từ thiết bị tách hơi/ thiết bị chống ngưng tụ. Quá trình này lưu trữ chất lỏng làm việc tới hàm lượng nước – ammonia tối ưu cho giai đoạn thu hồi nhiệt của chu trình. Chất lỏng làm việc sau đó được ngưng tụ và quay trở về các thiết bị HRVG.



Hệ thống phụ Chưng cất và Ngưng tụ (DCSS) bao gồm thiết bị chống ngưng tụ/ thiết bị tách hơi, các bộ trao đổi nhiệt thu hồi, thiết bị ngưng và hệ thống điều khiển. Hệ thống này cung cấp chức năng quan trọng tạo ra hàm lượng nước – am¬monia cao cho giai đoạn thu hồi nhiệt và một hàm lượng nước – ammonia thấp ở giai đoạn ngưng tụ.

Đặc điểm riêng biệt của Chu trình Kalina đó là chất lỏng làm việc được hình thành ít nhất với hai thành phần khác nhau với các điểm sôi khác nhau. Vì một hỗn hợp có hai thành phần sẽ sôi trên một dải nhiệt độ và tỉ lệ giữa hai thành phần này có thể thay đổi ở các bộ phận khác nhau trong hệ thống, tổng hiệu suất sẽ làm tăng hiệu quả nhiệt động lực của quá trình.

Trái với Chu trình Rankine, việc đun sôi phi đẳng nhiệt là kết quả của việc sử dụng một hỗn hợp chất lỏng hai thành phần có thể thay đổi tạo ra sự kết hợp hoàn hảo với các đặc tính nhiệt học của thiết bị HRVG do đó có thể trích được nhiều nhiệt hơn từ nguồn năng lượng để nâng cao hiệu quả quá trình công nghệ. Tương tự xem xét đối với cuối giai đoạn ngưng tụ của chu trình phát điện. Bằng cách lựa chọn tỷ lệ phù hợp của hai thành phần tạo thành chất lỏng làm việc, có thể điều chỉnh điểm sôi phù hợp với nhiệt độ của nguồn nhiệt và trích được lượng nhiệt tối đa. Với đặc điểm này, việc có thể tận dụng độ chênh nhiệt độ giữa nguồn nhiệt và thiết bị làm nguội, quá trình này rất lý tưởng phù hợp với việc tách phần hữu ích ra khỏi các nguồn nhiệt cấp thấp như nhiệt thừa công nghệ. Hiệu suất cải thiện tới 50% đạt được đối với loại ứng dụng này. Số liệu hiển thị từ các thiết bị trình diễn ban đầu đã cung cấp các thông tin cần thiết cho việc xác nhận mô hình nhiệt động học của Tiến sỹ Alexan-der Kalina và các đồng sự của ông ở Exergy Inc. Các kết quả nghiên cứu của họ cũng đã có thể thiết lập nên các kỹ thuật điều khiển và vận hành, đặc biệt trong các điều kiện khởi động và trong quá trình chất tải. Ngoài ra, sự tiếp xúc lâu dài của các nguyên liệu dự phòng với các môi trường am-monia – hơi đã được kiểm soát. Điều này làm cho các nguyên liệu có đặc điểm của các điều kiện vận hành thực tế để bổ sung cho các số liệu tương tự đạt được ở trong phòng thí nghiệm.

Cùng với các thông tin này tạo ra cơ sở cho việc thực hiện rộng rãi hơn công nghệ theo Chu trình Kalina ở các ứng dụng thương mại khác nhau. Kết quả là một số nhà máy hiện đang vận hành thành công trên thế giới sử dụng các nguồn nhiệt khác nhau. Toàn bộ các nhà máy này cho thấy các kết quả đạt được về hiệu suất liên quan tới Chu trình Rankine thường như đã được dự đoán bằng phần mềm thiết lập mô hình nhiệt động học. Các chi tiết ngắn gọn về các thiết bị khác nhau được trình bày trong Bảng 1.



Theo bài dịch của Nguyễn Kim Lan - CCID
MD Mirolli, Recurrent Engineering LLC & TB Gibbons,
Consultant in materials technology