Cùng với việc xây dựng nhanh và phổ biến các hệ thống thu hồi nhiệt thải (Waste Heat Recovery-WHR) trong công nghiệp xi măng, nhiều nhà sản xuất không chắc chắn việc nên lựa chọn hệ thống nhiệt động lực và thiết bị công nghệ nào cho các điều kiện vận hành cụ thể của họ. Công ty Nanjing Kisen International Engineering chia sẻ một số kinh nghiệm sâu sắc tích lũy được qua việc vận hành khoảng 200 dự án nhà máy phát điện WHR tại Trung Quốc và nước ngoài.


>> Kinh nghiệm thu hồi nhiệt thải (Part 1/2)

Các thông số hệ thống nhiệt động lực học
Hiệu suất của hệ thống WHR và sản lượng điện chịu ảnh hưởng trực tiếp của áp suất và nhiệt độ của dòng hơi trong nồi hơi WHR. Khi chọn các thông số hơi nước nhằm thu hồi được tối đa lượng nhiệt thải, thì nhiệt độ và lưu lượng của dòng gió thải cần phải được xem xét kỹ lưỡng.

Không có quan hệ cứng là điện năng phát ra sẽ lớn hơn nếu như áp suất hơi nước cao hơn (giả thiết rằng không tăng tiêu thụ nhiệt của lò nung). Về lý thuyết, khi nhiệt độ hoặc áp suất hơi nước trong tuốc-bin cao hơn thì công suất phát điện của hệ thống sẽ lớn hơn.

Tuy nhiên, trong trường hợp phát điện bằng WHR, điện năng được phát ra từ hệ thống thu hồi nhiệt gió thải (thực tế là cố định đối với một dây chuyền sản xuất clinker), thì việc tăng cao các thông số chính (nhiệt độ và áp suất) của hơi nước sẽ làm giảm lưu lượng của dòng hơi chính và sẽ có lợi về mặt lưu lượng của dòng hơi có nhiệt độ thấp. Vì công suất điện phát đầu ra của dòng hơi áp suất thấp là thấp hơn dòng hơi chính, nên sẽ sản xuất ra được ít điện năng hơn so với hệ thống có thông số thấp, trong đó lưu lượng dòng hơi chính giảm xuống dưới điểm cân bằng.

Ngoài ra, lượng hơi bổ sung vào tuốc-bin sẽ bằng khoảng 10 ÷ 30% dòng hơi chính để bảo đảm tính khả thi và độ tin cậy của thiết kế tuốc-bin và vận hành. Nếu các thông số của dòng hơi chính tăng lên quá cao, thì lưu lượng dòng hơi bổ sung (hơi áp suất thấp) sẽ quá lớn, cần phải cắt hoàn toàn dòng hơi áp suất thấp đi vào tuốc-bin và giảm công suất đầu ra. Tuy nhiên, việc chọn thông số dòng hơi cần được cân nhắc đến cân bằng lưu lượng và áp suất hơi, xem xét độ linh hoạt của hệ thống nhiệt động lực học nhằm thích ứng với sự biến động dải rộng của nhiệt độ gió thải. Các nghiên cứu và kinh nghiệm của NKK cho thấy áp suất dòng hơi tốt nhất nằm trong khoảng 0,8 ÷ 1,6 MPa.

Thực tế cho thấy hệ thống áp suất kép khi sử dụng sẽ làm giảm nhiệt độ gió đầu ra của nồi hơi AQC, song cân nhắc việc giảm này được xác định dựa trên quan điểm đầu tư. Nhiệt độ phù hợp là dưới 100oC nhưng phải cao hơn 30oC so với nhiệt độ của nước cấp vào nồi hơi, mặt khác khi diện tích bề mặt trao đổi nhiệt tăng lên quá nhiều sẽ làm cho chi phí đầu tư tăng mạnh. Ngoài ra, nhiệt độ gió đầu ra nồi hơi AQC cũng cần phải xem xét, cân nhắc cùng với yêu cầu nhiệt độ đầu vào tối thiểu của thiết bị lọc bụi.

Tối ưu hóa hệ thống

Trong những năm qua, NKK liên tục tối ưu hóa các hệ thống WHR và hiện nay đã có trên 20 bằng sáng chế trong lĩnh vực này. Dưới đây là một số ví dụ trong số những sáng chế/ cải tiến đó.

Nồi hơi lật ngược có khoang lắng cặn gắn liền

NKK đã nghiên cứu cơ chế lắng đọng tro bụi và gây mài mòn, từ đó công ty đã tiến hành 02 cải tiến thiết kế nồi hơi AQC gốc.
Trước hết, công ty đã thay thế khoang lắng cặn lắp độc lập bên ngoài bằng một khoang lắng cặn gắn liền hợp khối. Khoang này phân tách ra một lượng lớn bụi trước khi dòng gió nóng đi qua bề mặt gia nhiệt, vì vậy, chỉ có một lượng nhỏ bụi đi vào nồi hơi.

Mặt khác, nồi hơi AQC được đặt quay “lộn ngược”, tạo ra dòng gió đi từ đáy tới đỉnh theo thiết kế/ sáng chế của NKK - nồi hơi AQC được lật ngược (xem hình 6). Khi dòng gió nóng từ đáy đi lên đỉnh nồi hơi sẽ làm giảm tốc độ chuyển động của các hạt bụi. Tốc độ các hạt bụi là nhân tố quan trọng nhất gây ra hiện tượng mài mòn (độ mài mòn tỷ lệ với lũy thừa 2 của tốc độ hạt) và độ mài mòn sẽ giảm đi đáng kể.

Với 02 cải tiến kỹ thuật ở trên, nồi hơi AQC được lật ngược của NKK có 04 ưu điểm cơ bản như sau:

- Giảm đáng kể không gian yêu cầu, đây là một vấn đề đặc biệt quan trọng khi cải tạo một nhà máy hiện có;
- Do không cần lắp khoang lắng cặn bên ngoài, nên chi phí đầu tư sẽ thấp hơn, bao gồm cả việc giảm chi phí về công tác bảo ôn cách nhiệt và xây lớp lót chống mài mòn;
- Do không có khoang lắng cặn bên ngoài và giảm bớt được một số đường ống dẫn khí, giảm bớt tổn thất nhiệt, do đó làm tăng nhiệt độ gió nóng ở đầu vào AQC lên khoảng 10 ÷ 15oC;
- Trở lực của hệ thống động học gió nóng được giảm đi khoảng 500Pa, hạ thấp phụ tải của quạt hút, của thiết bị lọc bụi bên ngoài, xuống điểm làm việc thấp hơn tương ứng.

Nồi hơi AQC được cấp bằng sáng chế lần đầu tiên của NKK, đã đưa vào vận hành được trên 06 năm và kể từ đó đến nay vẫn hoạt động hiệu quả.

Nhà máy Bursa ở Thổ Nhĩ Kỳ

Một nhà sản xuất xi măng, đã thu được lợi ích to lớn từ việc lắp đặt nồi hơi AQC lật ngược của NKK, đó là nhà máy xi măng Bursa của Thổ Nhĩ Kỳ (xem hình 7). Nhà máy có không gian hạn hẹp, trên đó đã xây dựng 02 dây chuyền sản xuất clinker, có công suất 2000 T/ngày và 1850 T/ngày.

Có một diện tích lớn nằm cạnh dây chuyền 2200 T/ngày của nhà máy, được dành cho xưởng bảo trì kỹ thuật và do vậy, việc lắp đặt nồi hơi AQC được tiến hành trong một diện tích nhỏ hơn (8,6 x 16,7m), trong đó cũng có một không gian đủ lớn cần thiết để vận hành một cầu trục mini. Nồi hơi AQC của NKK được lắp đặt cố định hoàn toàn trong không gian này.

Công nghệ hồi lưu khí thải

Trong trường hợp hệ thống ghi làm nguội clinker đạt hiệu quả làm nguội cao, nhưng nhiệt độ gió nóng ở khu vực giữa điểm chích nhiệt lại thấp (nghĩa là, chỉ đạt đến 300oC), thì hiệu suất của hệ thống WHR có thể cải thiện nâng cao. Để đạt mục tiêu này, NKK đã phát triển công nghệ hồi lưu khí thải (xem hình 8). NKK đã ứng dụng thành công công nghệ này vào dây chuyền 5000 tấn/ngày tại nhà máy xi măng Huaihai, ở Trung Quốc.

Công nghệ phân luồng gió trong hệ thống ghi làm nguội

Do nhiệt độ và lưu lượng khí thải tác động trực tiếp đến công suất phát điện của hệ thống WHR và điều kiện an toàn vận hành, nên việc điều chỉnh dòng khí thải của hệ thống ghi làm nguội là rất quan trọng. NKK đã phân tích đặc tính của dòng gió nóng trong hệ ghi làm nguội clinker và kết quả là, nhóm nghiên cứu phát triển của Công ty Nanjing Kisen International Engineering đã sáng chế ra công nghệ phân luồng gió trung gian (xem hình 9 và 10). Công nghệ mới này cho phép thay đổi vị trí chích gió nóng, lưu lượng và nhiệt độ gió nóng trong hệ ghi làm nguội clinker, phù hợp với các thay đổi của điều kiện vận hành.

Điều chỉnh nhiệt độ đầu vào nồi hơi AQC

Đối với các dự án có biến động lớn về nhiệt độ gió nóng trong hệ ghi làm nguội clinker, NKK đã lắp đặt một đường ống gió điều chỉnh được và một van điều tiết nhằm ổn định nhiệt độ gió đầu vào nồi hơi AQC trong phạm vi dải điều chỉnh (xem hình 11). Điều này bảo đảm cho vận hành an toàn hệ thống phát điện WHR.

Làm mát gió hỗn hợp

Công nghệ làm mát gió hỗn hợp thích hợp cho các khu vực hiếm/ thiếu nước. Trong công nghệ này, một bình ngưng kiểu bay hơi được ghép nối tiếp hoặc song song với bình ngưng làm mát gió đi qua nồi hơi AQC (xem hình 12). Kỹ thuật này kết hợp các ưu điểm của ACC tiết kiệm nước tạo ra khả năng phát điện ổn định trong mùa hè.

Ngoài ra, kỹ thuật này cũng đã giải quyết được điểm hạn chế của tổ máy phát tuốc-bin sử dụng hệ thống ACC đó là không thể chạy đầy tải được trong mùa hè. Bình ngưng kiểu bay hơi sẽ dừng hẳn khi nhiệt độ môi trường hạ xuống thấp hoặc nước không đủ yêu cầu. Khi nhiệt độ môi trường đạt đến điểm đặt, thì bình ngưng sẽ khởi động và nước tiêu thụ sẽ được giảm đến mức tối thiểu.

Kết luận

Việc lựa chọn một hệ thống nhiệt động lực học thích hợp cho hệ thống WHR phụ thuộc chủ yếu vào các tham số của dòng gió/ khí thải, ví dụ, hệ thống nhiệt động áp suất đơn được khuyến nghị khi nhiệt thải có thể tận dụng được hoàn toàn.

Hệ thống nhiệt động lực WHR không ảnh hưởng đến tiêu hao nhiệt năng của dây chuyền sản xuất clinker, do đó việc nâng công suất điện năng phát ra bằng cách tăng tiêu hao nhiệt năng trong dây chuyền sản xuất clinker sẽ gây lãng phí năng lượng.

Dây chuyền sản xuất clinker và hệ thống phát điện WHR phải được xem xét một cách toàn diện. Việc vận hành hiệu quả và ổn định cả hai hệ thống là yêu cầu bắt buộc để đạt được công suất phát điện tối đa.