Công nghệ phát điện thu hồi nhiệt thừa (WHR) là một loại công nghệ thu hồi và sử đụng nhiệt thừa và khí thải từ các quá trình công nghệ liên quan đến xi măng, sắt thép, luyện cốc, carbon, silicon công nghiệp, và các tua-bin khí và các đường ống ở đây là nồi hơi WHR để sinh hơi, đẩy tua-bin và phát điện.

Trong nhà máy xi măng, nguồn nhiệt thừa thường bao gồm khí thải từ đầu ra sấy sơ bộ, khí nóng từ máy làm nguội clinker, nhiệt bức xạ từ lò quay và khí thải nóng từ các hệ thống bypass, nếu có.

Có hai loại công nghệ WHR chính trên thị trường là: hệ thống chu trình Rankine hơi nước (SRC) và hệ thống chu trình Rankine dung môi hữu cơ (ORC). Các nguyên lý làm việc của hai loại công nghệ này là giống nhau vì cả hai đều dựa vào chu trình Rankine nhưng chúng sử dụng phương thức làm việc khác nhau. Đối với hệ thống SRC, phương tiện làm việc là nước và hơi, phù hợp vói các nhà máy có nguồn cung cấp nước sạch dồi dào. Trái lại, hệ thống ORC, do phương tiện làm việc là dầu nhiệt và chất lỏng hữu cơ, đặc biệt phù họp với các nhà máy bị thiếu nguồn cung cấp nước. Đối với các nhà máy xi măng có nhiệt độ khí thải thấp hơn 400°C, hiệu suất của cả hai hệ thống này gần như giống nhau.

Các công nghệ WHR dựa vào SRC mới nhất

SRC là một công nghệ WHR rất phát triển trong ngành xi măng và đã được áp dụng cho 97% dự án đã hoàn thành. Với công nghệ thế hệ thứ 3 của minh, Sinoma-EC đã cải thiện đáng kể hiệu suất, sự thông minh, độ tin cậy và các khía cạnh khác của sản phẩm thông qua đổi mới về công nghệ.

Nguồn khí thải từ quá trình sản xuất xi măng.


Nồi hơi AQC tích hợp với máy làm nguội.

Hiệu suất cao

Các hệ thống lò nung có sấy sơ bộ 6 tầng và máy làm nguội kiểu ghi thế hệ thứ 4 có mức tiêu hao nhiệt rất thấp. Trong trường hợp này, hệ thống WHR được thiết kế với công nghệ thế hệ thứ 3 có thể vẫn đạt được tổng mức phát điện là 28 - 30 kWh/t clinker, với mức tiêu hao điện năng của hệ thống WHR sẽ là thấp hơn 5,5%, mang lại mức phát điện ròng 27 - 28 kWh/t. Các hệ thống lò cũ hơn với nhiệt độ khí thải cao hơn thường có mức phát điện ròng là khoảng 34 kWh/t.

Khả năng tích hợp cao

Là một công đoạn phụ trợ của dây chuyền sản xuất xi măng, các thiết kế WHR trước đây là các phần bổ sung tùy chọn có thể được đưa vào mà không phải thay đổi thiết kế cơ bản của dây chuyền xi măng. Trong thế hệ thứ 3 của hệ thống WHR, Sinoma-EC đã đưa ra thiết kế tích hợp mới cho hệ thống phát điện WHR và sản xuất xi măng. Thiết kế này xử lý nồi hơi WHR như là một bộ phận của dây chuyền sản xuất xi măng, cho phép cải thiện phần bố trí nồi hơi và nâng cao hiệu suất thiết bị.

Trong hệ thống WHR thế hệ thứ 3, nồi hơi máy làm nguội bằng khí (AQC) là một bộ phận của máy làm nguội và được bố trí trên cùng móng và sàn thao tác với máy làm nguội clinker. Nồi hơi AQC sử dụng cửa nạp khí vào ở dưới đáy được đặt trực tiếp lên phía trên ghi làm nguội và được đấu nối với nhau bằng một đường ống được chích ở giữa. So với thế hệ cuối cùng của các hệ thống WHR, đường ống dẫn khí đầu vào nồi hơi ngắn hơn và thất thoát nhiệt độ cũng như độ sụt áp đều thấp hơn.

Nồi hơi sấy sơ bộ (PH) tiếp nhận khí thải từ đầu ra công đoạn sấy sơ bộ và hoạt động cùng với hệ thống lò nung. Nhiệt độ khí thải được thiết kế để có thể kiểm soát được và thấp hơn 180°C.

Mức độ thông minh cao

Trong thế hệ thứ 3 của hệ thống phát điện WHR, rất nhiều công nghệ đã được áp dụng để nâng cao sự thông minh của hệ thống, bao gồm:

- Công nghệ truyền thông không dây tiên tiến có thể nhận biết các phân tích và quản lý dữ liệu lớn từ xa.

- Một số lượng lớn các camera HD được trang bị để cung cấp giám sát toàn diện hệ thống WHR, mang lại các dự đoán vận hành và bảo trì kịp thời.

- Tối ưu hóa mạch điều chỉnh và hệ thống DEH của WHR cho phép điều khiển tự động các tua-bin.

- Thông qua việc áp dụng xử lý nước hóa chất tự động, số lượng lớn các van hơi và nước được cơ giới hóa hoặc chạy bằng khí nén, các dụng cụ đo lường từ xa, các hệ thống lấy mẫu trực tuyến và thiết bị định lượng tự động, Sinoma-EC có thể sử dụng ít nhân viên vận hành hơn và nâng cao hiệu suất hệ thống.

Kết quả của việc tư động hóa này là mỗi ca làm việc chỉ cần một người vận hành là đủ để vận hành toàn bộ hệ thống WHR.

Độ tin cậy cao

Xét đến nhiệt độ khí thấp từ đầu ra sấy sơ bộ 6 tầng, kết hợp với công nghệ nung quá nhiệt sử dụng khí nóng từ máy làm nguội clinker để nung quá nhiệt hơi chất lượng thấp từ nồi hơi PH. Bằng cách này, người ta biết đến việc sử dụng nhiều bước các nguồn nhiệt thừa và nâng cao hiệu suất chu kỳ nhiệt. Đồng thời, các thiết bị chất lượng cao và các phương pháp khử bụi phù hợp đảm bảo vận hành an toàn và ổn đinh hệ thống WHR.

Phát thải thấp carbon

Lấy dây chuyền sản xuất clinker xi măng công suất 9.000 tấn/ngày làm ví dụ, sau khi hệ thống WHR được đưa vào vận hành, công suất phát điện năm là khoảng 79,3 triệu kW. So sánh với việc sử dụng phương pháp phát điện dùng nhiệt lượng thông thường, hệ thống WHR tiết kiệm được 24.423 tấn than tiêu chuẩn và giảm bớt lượng phát thải carbon dioxide được 51.419 tấn/năm.

Các hệ thống WHR dựa vào ORC

ORC cũng là một công nghệ phát điện phát triển nhưng không giống như SRC, nó ít khi được sử dụng trong các hệ thống WHR trong ngành xi măng. Tuy nhiên, vì công nghệ này có thể giảm đáng kể lượng nước tiêu hao do đó nó ngày càng được ưa thích sử dụng ở những khu vực có nguồn tài nguyên nước bị hạn chế.

Trong các hệ thống WHR dựa vào ORC, các phương tiện làm việc là dầu nhiệt và chất lỏng hữu cơ. Thông thường, quá trình ORC bao gồm 3 phần: nhiệt thừa thu hồi được từ nhà máy bằng dầu nhiệt, nhiệt trao đổi giữa dầu nhiệt và chất lỏng hữu cơ và chu kỳ hữu cơ để phát điện.

Căn cứ vào các thông số vật lý của chất lỏng hữu cơ, không giống như hệ thống SRC sẽ không bị nguy cơ ăn mòn cánh (tua-bin). Nếu như AQC được sử dụng cho hệ thống làm mát sẽ không tiêu hao nước trong toàn bộ nhà máy WHR. Một đặc điểm nữa của ORC đó là nó có thể khôi phục nhiệt thừa chất lượng thấp hơn, ví dụ khí đốt với nhiệt độ dưới 150°C.

Giám sát tại phòng Điều hành trung tâm.


Cấu hình hệ thống ORC.

Do đó, công nghệ WHR dựa vào ORC là phù hơp hơn cho các khu vực khan hiếm nước hoặc có các nguồn nhiệt thừa chất lượng thấp.

Kết luận

Trong tương lai, số lượng các công nghệ xanh và carbon thấp ngày càng gia tăng như năng lượng mặt trời, sức gió, địa nhiệt và lưu trữ năng lượng sẽ được sử dụng trong nhà máy xi măng xử lý song song với các hệ thống WHR. Mục đích cuối cùng là đạt được sự cân bằng giữa nhà cung cấp điện và người sử dụng điện thông qua một hệ thống quản lý năng lượng thông minh.
 

Theo Tao Junpu, Sinoma-EC
Nguyễn Thị Kim Lan dịch từ World Cement Magazine số tháng 5/2023
ximang.vn