» Theo Climeon AB, nhà cung cấp các giải pháp tận dụng nhiệt thải thấp đến từ Thụy Điển, công nghệ chu trình Rankine hữu cơ nhiệt độ thấp đang mở ra hướng khai thác giá trị mới từ nhiệt thải, góp phần nâng cao hiệu quả năng lượng và giảm phát thải carbon trong ngành xi măng.
Xi măng vốn được xem là vật liệu cốt lõi trong quá trình xây dựng bền vững. Tuy nhiên, áp lực từ giảm phát thải CO₂ đang buộc ngành xi măng phải tìm kiếm những giải pháp thực tế, hiệu quả và có thể triển khai ngay. Trong đó, tận dụng tối đa nhiệt thải được xem là giải pháp khả thi và hiệu quả nhất để nâng cao hiệu suất và giảm chi phí năng lượng.
Là vật liệu được sử dụng nhiều nhất trên thế giới, xi măng giữ vai trò quan trọng trong sản xuất bê tông. Đây là nền tảng của quá trình phát triển kinh tế và xây dựng hạ tầng bền vững, đồng thời góp phần nâng cao khả năng chống chịu trước biến đổi khí hậu. Tuy vậy, xi măng cũng là một trong những ngành công nghiệp phát thải CO₂ lớn nhất toàn cầu. Trước sức ép giảm phát thải ngày càng mạnh, các tập đoàn lớn như Holcim Group, Heidelberg Materials và Cemex đã công bố cam kết đạt phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050. Trong khi đó, lộ trình của Hiệp hội Xi măng và Bê tông toàn cầu (GCCA) đã nêu mục tiêu trung hạn giảm 25% phát thải CO₂ vào năm 2030.
Để đạt được các mục tiêu đầy tham vọng của một ngành tiêu thụ năng lượng cao như xi măng, không tồn tại giải pháp đơn lẻ nào. Dù việc đầu tư cho các chiến lược giảm phát thải đang tăng lên, IEA cho biết cường độ CO₂ trong sản xuất xi măng gần như không thay đổi trong 5 năm qua.
Nếu không có chính sách hỗ trợ đủ mạnh và sự cam kết của các đơn vị mua sắm vật liệu xây dựng trong việc ưu tiên sản phẩm thân thiện môi trường, các nhà sản xuất xi măng sẽ gặp khó khi đạt các mục tiêu giảm phát thải.
Không có giải pháp duy nhất nào cho ngành xi măng. Việc giảm phát thải đòi hỏi nhiều nhóm giải pháp khác nhau như sử dụng nguyên liệu thay thế, tối ưu điều khiển quy trình, nâng cao hiệu suất năng lượng và áp dụng công nghệ thu giữ carbon.
Theo lộ trình của GCCA, việc giảm phát thải từ tiêu thụ điện đóng góp khoảng 5% vào tổng mục tiêu. Trong số các giải pháp có thể triển khai hiện nay, thu hồi nhiệt thải (WHR) là một lựa chọn đã chứng minh hiệu quả thương mại. Tuy nhiên, nhiều hệ thống WHR vẫn để thất thoát phần nhiệt thấp chưa thể khai thác.
Bài viết phân tích cách hệ thống chu trình Rankine hữu cơ nhiệt độ thấp (LT-ORC) hiện đại có thể tận dụng phần nhiệt thải thấp vốn bị bỏ qua để sản xuất điện, tăng sản lượng điện tại chỗ và tối ưu lợi tức đầu tư cho các dự án WHR hiện hữu và tương lai.
Biến nhiệt thải thành điện năng trong sản xuất xi măng
Trong các dây chuyền xi măng công nghệ khô hiện đại, gần một nửa năng lượng nhiệt đầu vào bị thất thoát dưới dạng nhiệt thải. Các nghiên cứu cân bằng năng lượng cho thấy khoảng 23% thất thoát theo khí thải, 11% qua làm mát clinker và 10% do bức xạ từ bề mặt thiết bị. Việc lắp đặt hệ thống WHR cho phép thu hồi phần năng lượng thất thoát này để chuyển thành nguồn điện sạch, ổn định và sản xuất tại chỗ.
Ngoài lợi ích môi trường, công nghệ thu hồi nhiệt thải còn mang lại các giá trị vận hành và tài chính như:
- Kiểm soát tốt hơn chi phí điện nhờ giảm phụ thuộc vào giá điện biến động, chi phí phụ tải đỉnh và các vấn đề từ lưới điện.
- Tăng hiệu quả vận hành khi biến nhiệt năng cần làm mát thành nguồn điện nền bền vững.
- Gia tăng lợi thế trong chiến lược phát triển bền vững, nâng cao khả năng tiếp cận tài chính xanh và giảm rủi ro trước các quy định môi trường tương lai.
Theo báo cáo của tổ chức Tài chính Quốc tế IFC năm 2014, nhà máy xi măng có thể thu hồi từ 25 - 45 kWh điện cho mỗi tấn clinker, tùy vào hiệu suất và thiết kế của hệ thống tiền nung. Lượng điện này có thể bù đắp 20 - 30% nhu cầu điện của nhà máy, mang lại giá trị kinh tế đáng kể.
Các công nghệ thu hồi nhiệt thải nhiệt độ cao đã được ứng dụng rộng rãi
Trong các nhà máy xi măng, WHR thường tập trung vào các nguồn nhiệt độ cao như khí thải lò nung và khí/không khí từ máy làm nguội clinker. Chu trình Rankine hơi nước (SRC) hoặc ORC nhiệt độ cao (HT-ORC) là hai công nghệ phổ biến nhất.
Với SRC, khí thải nóng được dùng để tạo hơi, dẫn động tua bin phát điện. Công nghệ này phù hợp với các nhà máy lớn có nguồn nhiệt ổn định, nhưng hiệu suất phụ thuộc vào phần nhiệt có nhiệt độ cao trên 500°C.
Tương tự SRC nhưng HT-ORC dùng môi chất hữu cơ có điểm sôi thấp hơn nước, cho phép vận hành ở nhiệt độ và áp suất thấp hơn so với hơi nước. HT-ORC hoạt động tốt với các nguồn nhiệt trên 150°C, đồng thời vận hành đơn giản hơn và giảm chi phí bảo trì.
Tăng sản lượng điện: Lý do cần LT-ORC
Hiệu quả tài chính của WHR phụ thuộc trực tiếp vào lượng điện tạo ra. Hệ thống có công suất cao giúp giảm nhu cầu mua điện, rút ngắn thời gian hoàn vốn. Chi phí đầu tư hệ thống WHR dao động từ 7.000 USD/kW đối với ORC nhỏ đến khoảng 2.000 USD/kW cho hệ thống hơi nước quy mô lớn. Về bản chất, càng tận dụng nhiều nhiệt, chi phí trên mỗi đơn vị điện càng giảm. Thu hồi nhiều năng lượng hơn đồng nghĩa với thời gian hoàn vốn ngắn hơn và hiệu quả đầu tư tốt hơn.
Một cách hiệu quả để tăng sản lượng của WHR hiện hữu là bổ sung công nghệ khai thác nhiệt độ thấp. Sau khi tận dụng nhiệt cao, nhiều hệ thống vẫn còn dư lượng nhiệt thấp mà SRC hoặc HT-ORC không thể dùng để phát điện. Việc bổ sung LT-ORC giúp chuyển phần năng lượng bị bỏ phí này thành điện, gia tăng hiệu quả kinh tế tổng thể.
LT-ORC vận hành tương tự HT-ORC nhưng dùng môi chất có điểm sôi thấp hơn, xử lý hiệu quả nguồn nhiệt 70 - 150°C. Hiệu suất thường 6 - 10%, thấp hơn các hệ thống nhiệt độ cao, nhưng lợi thế nằm ở việc khai thác lượng nhiệt dư dồi dào.
Trước đây, nhiệt thấp được xem là không hiệu quả về mặt kinh tế. Tuy nhiên, nhờ cải thiện hiệu suất, thiết kế module chi phí hợp lý và động lực giảm phát thải ngày càng mạnh, LT-ORC hiện đã trở thành giải pháp phù hợp về cả kỹ thuật và tài chính.
Khi nào nên tích hợp LT-ORC
Các phương án tích hợp SRC, HT-ORC và LT-ORC trong hệ thống thu hồi nhiệt thải tại nhà máy xi măng, gồm cả giải pháp LT-ORC của Climeon cho phần nhiệt thải thấp.
Giải pháp này đặc biệt phù hợp trong các trường hợp:
- Khi còn nhiệt thấp dưới 150°C sau khi thu hồi nhiệt cao, LT-ORC có thể đóng vai trò “chu trình đáy” để khai thác thêm trước khi nguồn nhiệt được làm mát và thải ra môi trường.
- Khi nhiệt thấp xuất hiện tại các khu vực khác như bức xạ từ thiết bị hoặc khí thải quá nguội so với khả năng thu hồi nhiệt cao.
- Khi nhà máy gặp hạn chế về diện tích hoặc nguồn lực vận hành khiến HT-WHR khó triển khai.
Hướng tiếp cận mới cho phát điện từ nhiệt thấp
Climeon đã phát triển hệ thống HeatPower dựa trên LT-ORC với thiết kế module. Hệ thống hoạt động hiệu quả trong khoảng 70 - 105°C và mỗi module có thể tạo ra tối đa 355 kW điện. Khi có nguồn nhiệt lớn, các module có thể lắp song song để nâng cao sản lượng.
Các module HeatPower 300 dùng cho tàu biển của Climeon sẵn sàng lắp đặt, được thiết kế để biến nước làm mát động cơ thành điện sạch.
Đối với các nhà sản xuất xi măng muốn nâng giá trị và rút ngắn hoàn vốn của hệ thống WHR, HeatPower mang lại các ưu điểm:
- Thiết kế chuẩn hóa dạng plug and play giúp triển khai nhanh và chi phí thấp hơn hệ thống thiết kế riêng.
- Kích thước nhỏ, tối ưu cho không gian hạn chế và dễ bố trí gần nguồn nhiệt.
- Tự động vận hành theo tải nhiệt, không cần giám sát liên tục.
- Nhiệt độ và áp suất thấp giúp vận hành an toàn, giảm bảo dưỡng.
- Module linh hoạt, dễ mở rộng khi có thêm nguồn nhiệt hoặc nhu cầu tăng công suất.
Nhiệt thải nhiệt độ thấp không chỉ xuất hiện trong sản xuất mà còn trong quá trình vận chuyển xi măng. Hệ thống LT-ORC của Climeon đang được triển khai trên 2 tàu chở xi măng mới của NovaAlgoma, tận dụng nhiệt thải từ động cơ tàu để phát điện, giảm tiêu thụ nhiên liệu. Điều này cho thấy tính linh hoạt và tiềm năng nâng hiệu suất năng lượng trên toàn chuỗi giá trị xi măng.
Mở rộng phạm vi của hệ thống WHR
Giảm phát thải CO₂ trong ngành xi măng đòi hỏi nhiều giải pháp kết hợp. Dù cơ hội công nghệ vẫn còn hạn chế, WHR là công nghệ đã được kiểm chứng và có thể triển khai ngay để vừa giảm chi phí năng lượng, vừa đáp ứng yêu cầu môi trường ngày càng nghiêm ngặt.
Dù phần lớn WHR hiện nay tập trung vào nhiệt cao, LT-ORC có thể tận dụng nhiệt thải thấp dồi dào nhưng thường bị bỏ quên. Nhờ vậy, LT-ORC giúp tăng sản lượng điện sạch, cải thiện hiệu suất năng lượng ở các nhà máy xi măng gặp hạn chế về ngân sách hoặc điều kiện nhiệt độ, đồng thời mở rộng thêm tác động của WHR trong lộ trình giảm phát thải của ngành xi măng.
dịch từ Worldcement
