Kinh nghiệm tiết kiệm 30% điện năng tiêu thụ của lò nung clinker (P2)
(ximang.vn) Trong những năm gần đây, ngành xi măng toàn châu Âu đã trải qua một giai đoạn chuyển đổi để tăng cường hiệu quả sử dụng nhiên liệu trong lò nung clinker. Hơn nữa, nhiệt năng của khí thải lò đã được tận dụng nhiều hơn cho sấy sơ bộ nguyên liệu và nhiên liệu cấp, cùng với việc tối ưu hóa các hệ thống làm nguội clinker để thu hồi được nhiều nhiệt hơn đưa trở lại lò nung, tất cả đã mang lại kết quả là giảm tiêu hao nhiên liệu.
>> Kinh nghiệm tiết kiệm 30% điện năng tiêu thụ của lò nung clinker (P1)
Các thiết bị giãn nở dùng cho phát điện
Thu hồi nhiệt từ khí thải để phát điện bằng thiết bị giãn nở kiểu tuốc bin theo Chu trình Rankine đã được ứng dụng hiệu quả, với nhiều công nghệ để lắp đặt một nhà máy điện cố định WHR trong mặt bằng nhà máy và trở thành bắt buộc đối với các nhà máy xi măng ở Trung Quốc. Tại Châu Á, số lượng các nhà máy xi măng lớn, có nhiệt độ nhiệt khí thải cao hơn 300°C đang tăng nhanh, có thể thu được mức hoàn vốn đầu tư cao hơn do lắp đặt các hệ thống WHR phát điện tuốc bin hơi nước. Việc gia tăng các ưu việt về công nghệ và thương mại của các hệ Chu trình Rankine Hữu cơ (ORC) đã tạo ra một công nghệ WHR cạnh tranh với hệ Chu trình Rankine hơi nước truyền thống, khi nhiệt độ làm việc thực tế thấp hơn 300°C.
Độ chênh giữa nhiệt độ của nguồn nhiệt khí thải và nhiệt độ vận hành tối thiểu của công nghệ thiết bị giãn nở được lựa chọn sẽ xác định hiệu suất phát điện. Độ chênh nhiệt độ giữa đầu vào và đầu ra thiết bị giãn nở càng lớn, thì hiệu suất phát điện càng cao.
Dải nhiệt độ vận hành thực tế khi thu hồi nhiệt sẽ quyết định công nghệ của thiết bị giãn nở được sử dụng.
Các thiết bị giãn nở kiểu tuốc bin (hoặc là kiểu hướng trục hoặc là kiểu hướng kính) có hiệu suất tương đối cao trong khoảng 12 ÷ 18% phụ thuộc vào nhiệt độ đầu vào thực tế và loại môi chất làm lạnh, nhưng lại kém linh hoạt trong các vùng nhiệt độ thấp. Nhiệt độ nguồn nhiệt thu hồi có thể nằm trong khoảng 150 - 300°C. Các tuốc bin rất hiệu quả, nhưng môi chất làm lạnh phải ở trạng thái hơi quá nhiệt trước khi đi vào tuốc bin tốc độ cao.
Khi nhiệt độ đầu vào thấp hơn, thì các ORC có thiết bị giãn nở kiểu trục quay có thể được sử dụng thay cho tuốc bin. Công nghệ trục quay cho phép một lượng chất lỏng làm mát nhất định đi vào thiết bị giãn nở mà không làm hư hại nó. Điều này cho phép thu hồi nhiệt năng của các nguồn nhiệt có nhiệt độ dao động trong dải thấp. Hiệu suất của hệ này thấp hơn so với hiệu suất của thiết bị giãn nở tuốc bin (khoảng 6 ÷ 9%), tuy nhiên hệ thống này chắc chắn hơn và ít nhạy cảm với các biến động trong điều kiện vận hành. Thiết bị giãn nở kiểu trục quay cũng thích hợp cho các hệ thống hơi nước qui mô nhỏ, linh hoạt hơn đối với hệ thống có hơi nước lẫn nhiều pha lỏng và cho phép một lượng lớn hơn các hạt nước có trong dòng khí thải khi đi qua thiết bị giãn nở; yếu tố này có thể gây hư hỏng mạnh hệ tuốc bin hơi.
Chi phí đầu tư so với chi phí vận hành
Các hệ thống WHR được điều khiển tự động. Mọi thiết bị chủ yếu được điều khiển bởi hệ thống điều khiển phân tán (DCS). Tuy nhiên, không giống như vòng lưu chất hoạt động đóng kín trong hệ thống phát điện ORC, các hệ thống WHR bằng hơi nước cần phải kiểm tra chất lượng nước thường xuyên – lên tới 03 lần mỗi ngày, bao gồm kiểm tra mức độ nhiễm bẩn nước, độ PH và hàm lượng silic, ngoài ra cần tiến hành bảo dưỡng và kiểm tra thường xuyên.
Một hệ thống WHR tuốc bin hơi nước công suất 5MW hoặc lớn hơn sẽ cần ít nhất là 07 nhân viên làm công tác vận hành và bảo dưỡng kỹ thuật. Trong đó, có một kỹ sư trực ca, 02 nhân viên vận hành nồi hơi và 02 nhân viên vận hành tuốc bin (một người vận hành DCS, một người vận hành máy tại hiện trường). Chi phí vận hành và bảo trì một hệ thống ORC ước tính bằng một phần tư chi phí vận hành và bảo trì hệ thống tuốc bin hơi nước, phụ thuộc vào lưu chất hoạt động được sử dụng trong mạch vòng năng lượng sơ cấp của thiết bị trao đổi nhiệt khí thải và phương pháp làm mát mạch vòng ngưng tụ.
Các hệ thống tuốc bin hơi có chi phí đầu tư trên 01MW thấp hơn so với các hệ thống ORC trên cùng một qui mô phát điện tối thiểu; tuy nhiên, chi phí vận hành của hệ tuốc bin hơi lại cao hơn nhiều. Sự chênh lệch về chi phí vận hành ở đây là rất lớn, khi so sánh với chi phí nhân công kỹ thuật lành nghề ở Trung Quốc và Châu Á so với Châu Âu.
Hoàn vốn đầu tư
Đến nay, những thách thức về vận hành khi tích hợp hệ thống và mức hoàn vốn đầu tư thấp hơn so với các dự án đầu tư cạnh tranh là các nguyên nhân làm cho công nghệ WHR chậm được chấp nhận tại Châu Âu. Mức hoàn vốn đầu tư của một hệ thống WHR sẽ phụ thuộc vào nhiều biến số.
Đa số qui mô công suất lò nung tại Châu Âu đều thấp hơn 3000 T/ngày - không đem lại lợi ích kinh tế về qui mô, còn ở Trung Quốc, chi phí đầu tư giảm thấp do trang bị hệ WHR phát điện tuốc bin hơi cỡ lớn – thời gian hoàn vốn đâu tư điển hình lên tới 05 năm, không có các ưu đãi và trợ giá.
Các biến số có tác động lớn đến mức hoàn vốn đầu tư đó là chi phí phân phối điện và số giờ vận hành của nhà máy hàng năm. Việc xác định các biến số này đối với sản lượng phát điện thực tế hàng năm của hệ thống WHR và các giá trị tiết kiệm điện có liên quan khác, so với các chi phí đầu tư và chi phí vận hành của một dự án chìa khóa trao tay trọn gói, sẽ xác định được mức hoàn vốn đầu tư. Khi mức hoàn vốn đầu tư thấp, Người vận hành lò nung có thể phải cân nhắc việc lựa chọn Thỏa thuận mua điện (PPA), cũng phải tin cậy như một Hợp đồng dịch vụ cung cấp năng lượng (ESCo). Căn cứ vào lựa chọn quản lý tài chính này, các chi phí đầu tư và chi phí vận hành sẽ được đáp ứng bởi một nguồn vốn đầu tư sạch của đối tác thứ ba. Lựa chọn quản lý tài chính này cho phép người vận hành lò nung mua điện với mức giá được chiết khấu và thu được lợi ích từ khử giảm phát thải carbon mà không bị mất chi phí đầu tư hoặc chi phí vận hành và các rủi ro công nghệ có liên quan, đổi lại sẽ cung cấp được một lượng năng lượng nhiệt thừa tối thiểu đã thỏa thuận mỗi năm.
Kết luận
Vì ngày càng có nhiều nhà vận hành lò xi măng xem hệ thống WHR như là một giải pháp để giảm bớt tiêu thụ điện năng và phát thải carbon, các phương pháp tích hợp và các lựa chọn công nghệ phát điện liên tục được phát triển. Việc bảo đảm, hỗ trợ cho người vận hành lò nung xem xét/cân nhắc các công nghệ và kỹ thuật tốt nhất hiện có là chìa khóa để giảm thiểu rủi ro khi tích hợp hệ thống WHR vào dây chuyền sản xuất, đồng thời đạt được mức hoàn vốn đầu tư lớn nhất trong vòng đời nhà máy.
Các thiết bị giãn nở dùng cho phát điện
Thu hồi nhiệt từ khí thải để phát điện bằng thiết bị giãn nở kiểu tuốc bin theo Chu trình Rankine đã được ứng dụng hiệu quả, với nhiều công nghệ để lắp đặt một nhà máy điện cố định WHR trong mặt bằng nhà máy và trở thành bắt buộc đối với các nhà máy xi măng ở Trung Quốc. Tại Châu Á, số lượng các nhà máy xi măng lớn, có nhiệt độ nhiệt khí thải cao hơn 300°C đang tăng nhanh, có thể thu được mức hoàn vốn đầu tư cao hơn do lắp đặt các hệ thống WHR phát điện tuốc bin hơi nước. Việc gia tăng các ưu việt về công nghệ và thương mại của các hệ Chu trình Rankine Hữu cơ (ORC) đã tạo ra một công nghệ WHR cạnh tranh với hệ Chu trình Rankine hơi nước truyền thống, khi nhiệt độ làm việc thực tế thấp hơn 300°C.Độ chênh giữa nhiệt độ của nguồn nhiệt khí thải và nhiệt độ vận hành tối thiểu của công nghệ thiết bị giãn nở được lựa chọn sẽ xác định hiệu suất phát điện. Độ chênh nhiệt độ giữa đầu vào và đầu ra thiết bị giãn nở càng lớn, thì hiệu suất phát điện càng cao.
Dải nhiệt độ vận hành thực tế khi thu hồi nhiệt sẽ quyết định công nghệ của thiết bị giãn nở được sử dụng.
Các thiết bị giãn nở kiểu tuốc bin (hoặc là kiểu hướng trục hoặc là kiểu hướng kính) có hiệu suất tương đối cao trong khoảng 12 ÷ 18% phụ thuộc vào nhiệt độ đầu vào thực tế và loại môi chất làm lạnh, nhưng lại kém linh hoạt trong các vùng nhiệt độ thấp. Nhiệt độ nguồn nhiệt thu hồi có thể nằm trong khoảng 150 - 300°C. Các tuốc bin rất hiệu quả, nhưng môi chất làm lạnh phải ở trạng thái hơi quá nhiệt trước khi đi vào tuốc bin tốc độ cao.
Khi nhiệt độ đầu vào thấp hơn, thì các ORC có thiết bị giãn nở kiểu trục quay có thể được sử dụng thay cho tuốc bin. Công nghệ trục quay cho phép một lượng chất lỏng làm mát nhất định đi vào thiết bị giãn nở mà không làm hư hại nó. Điều này cho phép thu hồi nhiệt năng của các nguồn nhiệt có nhiệt độ dao động trong dải thấp. Hiệu suất của hệ này thấp hơn so với hiệu suất của thiết bị giãn nở tuốc bin (khoảng 6 ÷ 9%), tuy nhiên hệ thống này chắc chắn hơn và ít nhạy cảm với các biến động trong điều kiện vận hành. Thiết bị giãn nở kiểu trục quay cũng thích hợp cho các hệ thống hơi nước qui mô nhỏ, linh hoạt hơn đối với hệ thống có hơi nước lẫn nhiều pha lỏng và cho phép một lượng lớn hơn các hạt nước có trong dòng khí thải khi đi qua thiết bị giãn nở; yếu tố này có thể gây hư hỏng mạnh hệ tuốc bin hơi.
Chi phí đầu tư so với chi phí vận hành
Các hệ thống WHR được điều khiển tự động. Mọi thiết bị chủ yếu được điều khiển bởi hệ thống điều khiển phân tán (DCS). Tuy nhiên, không giống như vòng lưu chất hoạt động đóng kín trong hệ thống phát điện ORC, các hệ thống WHR bằng hơi nước cần phải kiểm tra chất lượng nước thường xuyên – lên tới 03 lần mỗi ngày, bao gồm kiểm tra mức độ nhiễm bẩn nước, độ PH và hàm lượng silic, ngoài ra cần tiến hành bảo dưỡng và kiểm tra thường xuyên.
Một hệ thống WHR tuốc bin hơi nước công suất 5MW hoặc lớn hơn sẽ cần ít nhất là 07 nhân viên làm công tác vận hành và bảo dưỡng kỹ thuật. Trong đó, có một kỹ sư trực ca, 02 nhân viên vận hành nồi hơi và 02 nhân viên vận hành tuốc bin (một người vận hành DCS, một người vận hành máy tại hiện trường). Chi phí vận hành và bảo trì một hệ thống ORC ước tính bằng một phần tư chi phí vận hành và bảo trì hệ thống tuốc bin hơi nước, phụ thuộc vào lưu chất hoạt động được sử dụng trong mạch vòng năng lượng sơ cấp của thiết bị trao đổi nhiệt khí thải và phương pháp làm mát mạch vòng ngưng tụ.
Các hệ thống tuốc bin hơi có chi phí đầu tư trên 01MW thấp hơn so với các hệ thống ORC trên cùng một qui mô phát điện tối thiểu; tuy nhiên, chi phí vận hành của hệ tuốc bin hơi lại cao hơn nhiều. Sự chênh lệch về chi phí vận hành ở đây là rất lớn, khi so sánh với chi phí nhân công kỹ thuật lành nghề ở Trung Quốc và Châu Á so với Châu Âu.
Hoàn vốn đầu tư
Đến nay, những thách thức về vận hành khi tích hợp hệ thống và mức hoàn vốn đầu tư thấp hơn so với các dự án đầu tư cạnh tranh là các nguyên nhân làm cho công nghệ WHR chậm được chấp nhận tại Châu Âu. Mức hoàn vốn đầu tư của một hệ thống WHR sẽ phụ thuộc vào nhiều biến số.
Đa số qui mô công suất lò nung tại Châu Âu đều thấp hơn 3000 T/ngày - không đem lại lợi ích kinh tế về qui mô, còn ở Trung Quốc, chi phí đầu tư giảm thấp do trang bị hệ WHR phát điện tuốc bin hơi cỡ lớn – thời gian hoàn vốn đâu tư điển hình lên tới 05 năm, không có các ưu đãi và trợ giá.
Các biến số có tác động lớn đến mức hoàn vốn đầu tư đó là chi phí phân phối điện và số giờ vận hành của nhà máy hàng năm. Việc xác định các biến số này đối với sản lượng phát điện thực tế hàng năm của hệ thống WHR và các giá trị tiết kiệm điện có liên quan khác, so với các chi phí đầu tư và chi phí vận hành của một dự án chìa khóa trao tay trọn gói, sẽ xác định được mức hoàn vốn đầu tư. Khi mức hoàn vốn đầu tư thấp, Người vận hành lò nung có thể phải cân nhắc việc lựa chọn Thỏa thuận mua điện (PPA), cũng phải tin cậy như một Hợp đồng dịch vụ cung cấp năng lượng (ESCo). Căn cứ vào lựa chọn quản lý tài chính này, các chi phí đầu tư và chi phí vận hành sẽ được đáp ứng bởi một nguồn vốn đầu tư sạch của đối tác thứ ba. Lựa chọn quản lý tài chính này cho phép người vận hành lò nung mua điện với mức giá được chiết khấu và thu được lợi ích từ khử giảm phát thải carbon mà không bị mất chi phí đầu tư hoặc chi phí vận hành và các rủi ro công nghệ có liên quan, đổi lại sẽ cung cấp được một lượng năng lượng nhiệt thừa tối thiểu đã thỏa thuận mỗi năm.
Kết luận
Vì ngày càng có nhiều nhà vận hành lò xi măng xem hệ thống WHR như là một giải pháp để giảm bớt tiêu thụ điện năng và phát thải carbon, các phương pháp tích hợp và các lựa chọn công nghệ phát điện liên tục được phát triển. Việc bảo đảm, hỗ trợ cho người vận hành lò nung xem xét/cân nhắc các công nghệ và kỹ thuật tốt nhất hiện có là chìa khóa để giảm thiểu rủi ro khi tích hợp hệ thống WHR vào dây chuyền sản xuất, đồng thời đạt được mức hoàn vốn đầu tư lớn nhất trong vòng đời nhà máy.
Quỳnh Trang (Theo TTKHKT Xi măng)
