Báo cáo môn Cơ sở kinh tế năng lượng - Tận dụng nhiệt khí thải của nhà máy xi măng để sản xuất điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KINH TẾ VÀ QUẢN LÝ _______˜˜˜ & ™™™________ THẢO LUẬN BỘ MÔN: CƠ SỞ KINH TẾ NĂNG LƯỢNG Đề tài: Tận dụng nhiệt khí thải của nhà máy xi măng để sản xuất điện Giảng viên: TS. Phạm Thị Thu Hà Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 6: Mai Văn Chiến 20114203 Vũ Đức Hướng 20114081 Đỗ Thị Việt Nga 20114308 Trần Thị Nhung 20114322 Nguyễn Thị Thanh Thủy 20114416 Nguyễn Văn Tùng 20114345 Mã lớp: 46648 HÀ NỘI - 2012 LỜI NÓI ĐẦU Xi măng là một vật liệu thiết yếu của xã hội hiện đại, do nó là một thành phần vô cùng quan trọng của bê tông, nó tạo ra nguyên liệu chính để xây dựng nhà cửa hoặc cơ sở hạ tầng. Chính vì vậy, nhu cầu tiêu thụ xi măng toàn cầu ngày càng tăng, nước ta cũng không phải là một ngoại lệ. Hơn nữa, xi măng lại là một ngành công nghiệp cơ bản và là một trong những ngành được hình thành sớm nhất ở Việt Nam nên đây là một ngành có tiềm năng khá lớn. Đến nay, nước ta đã có trên 100 công ty, đơn vị lớn nhỏ tham gia trực tiếp vào sản xuất và phục vụ sản xuất xi măng, và sẽ tiếp tục phát triển. Mỗi quá trình sản xuất bao giờ cũng gắn liền với việc xử lý chất thải, bởi sản xuất phải đi liền với bảo vệ môi trường. Trong ngành xi măng cũng vậy, thực tế ngày nay, các nhà máy xi măng đều phải đối mặt với một vấn đề cấp thiết đó là làm thế nào để xử lý một cách tốt nhất lượng chất thải ra môi trường bên ngoài trong quá trình sản xuất. Vì thế, vấn đề đặt ra là làm thế nào để lượng khí thải là nhỏ nhất, cũng như tận dụng tối đa nguồn nguyên nhiên liệu. Điều đó không những làm giảm chi phí sản xuất mà còn bảo vệ môi trường, bảo vệ sức khỏe con người đồng thời tiết kiệm được chi phí xử lý chất thải. Hiện nay, nguồn năng lượng ngày càng cạn kiệt, bên cạnh đó khoa học kĩ thuật lại ngày càng phát triển. Ngành công nghiệp xi măng là một trong những ngành công nghiệp tiêu hao năng lượng rất lớn. Để sản xuất ra một tấn clinker theo công nghệ lò nung tiên tiến phải tiêu tốn 90 - 100kWh điện. Song bên cạnh đó, công ty xi măng thải ra ngoài không khí lượng khí thải khoảng 2.500m3 – 2.800m3 ở nhiệt độ từ 350oC – 380oC/tấn clinker, đây là một con số không hề nhỏ. Và đó cũng là sự lãng phí năng lượng rất lớn trong ngành xi măng, năng lượng này hoàn toàn có thể tận dụng được để đáp ứng cho một nhà máy phát điện công suất nhỏ. Ngoài ra, khí thải của một tấn clinker có nồng độ bụi trung bình 50mg/Nm3 còn gây ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính. Quá trình tận dụng khí thải có thể giảm đáng kể vấn đề này. Vì vậy, chúng em chọn đề tài: “Tận dụng nhiệt khí thải của nhà máy xi măng để sản xuất điện” làm đề tài nghiên cứu thảo luận. MỤC LỤC CHƯƠNG I: XI MĂNG VÀ KHÁI QUÁT CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG Khái quát về xi măng. Khái niệm: Xi măng là một loại bột mịn, màu xám, tạo hồ sau vài giờ trộn với nước và sau vài ngày sẽ cứng lại thành một nguyên liệu rắn và đặc. Hầu hết các loại xi măng được sản xuất trên thế giới được trộn với cát, cốt liệu, nước, và được sử dụng làm bê tông và vữa. Xi măng được làm bằng đá vôi kết hợp với hàm lượng nhỏ các nguyên liệu khác (như đất sét) được nung trong lò ở nhiệt độ tới 1.450°C. Chất rắn ra lò, được gọi là “clinker”, được nghiền với một lượng nhỏ thạch cao thành một hỗn hợp bột có tên “xi măng portland thông thường” – đây là loại xi măng được sử dụng phổ biến nhất (thường gọi là OPC). Hiện nay đang có hàng loạt các nhà máy sản xuất xi măng lớn, nhỏ với nhiều kiểu lò nung có các tính năng khác nhau, sản xuất ra một số lượng xi măng vô cùng lớn, theo các số liệu thống kê của website USGS (U.S Geological Survey – Cục khảo sát địa chất Hoa Kỳ): năm 2010: sản lượng xi măng trên thế giới đạt 3.3 tỉ tấn; năm 2011: sản lượng xi măng xuất khẩu trên thế giới đạt 3.4 tỉ tấn, trong đó các quốc gia có sản lượng lớn nhất là Trung Quốc (2 tỉ tấn), Ấn Độ (210 triệu tấn) và Mỹ (68.4 triệu tấn). Tại Việt Nam, xi măng là một trong những ngành công nghiệp được hình thành sớm nhất (cùng với các ngành than, dệt, đường sắt). Ngày 25/12/1889, nhà máy xi măng đầu tiên của ngành xi măng Việt Nam đã được khởi công xây dựng tại Hải Phòng. Và từ đó cho đến nay, nước ta đã có khoảng hơn 90 công ty, đơn vị tham gia trực tiếp vào quá trình sản xuất và phục vụ sản xuất xi măng trong cả nước, trong đó có: 12 công ty là thành viên của Tổng công ty xi măng Việt Nam, 5 công ty liên doanh, 54 công ty xi măng vừa và nhỏ, và khoảng 20 đơn vị cung ứng khác (theo website VNCA – Hiệp hội xi măng Việt Nam). Sản lượng xi măng của Việt Nam theo số liệu của VNCA: năm 2010 sản xuất đạt 55 triệu tấn, năm 2011 đạt hơn 56 triệu tấn, 9 tháng đầu năm 2012 sản xuất đạt khoảng 34.6 triệu tấn. Khái quát quy trình sản xuất xi măng ở Việt Nam. Quy trình sản xuất xi măng có thể được chia thành ba công đoạn chính là: Công đoạn chuẩn bị nguyên, nhiên liệu. Công đoạn nung clinker. Công đoạn nghiền và đóng bao xi măng. Quy trình sản xuất xi măng được tóm tắt trong hình 1: Hình 1: Quy trình công nghệ sản xuất xi măng Tùy theo đặc điềm của lò nung clinker người ta phân ra thành: công nghệ sản xuất xi măng bằng lò quay phương pháp ướt, công nghệ sản xuất xi măng bằng lò quay phương pháp khô và công nghệ sản xuất xi măng bằng lò đứng. Hình 2: Lò quay trong sản xuất xi măng Hình 3: Lò đứng trong sản xuất xi măng Bảng 1: Khái quát quy trình sản xuất xi măng bằng 3 công nghệ CHỈ TIÊU CÔNG NGHỆ CÔNG NGHỆ LÒ ĐỨNG CÔNG NGHỆ LÒ QUAY ƯỚT CÔNG NGHỆ LÒ QUAY KHÔ 1. Nguyên lí làm việc -Làm việc gián đoạn. -Phối liệu được cấp vào theo từng mẻ, đi từ trên xuống. -Quá trình tạo khoáng diễn ra theo chiều cao của lò và trong từng viên phối liệu. -Làm việc liên tục. -Phối liệu được nạp từ đầu cao của lò, đảo trộn đều theo vòng quay của lò. -Quá trình tạo khoáng được diễn ra theo chiều dài lò. -Công suất lớn (có thể đạt 3.000-5.800 tấn clinker/ngày). -Làm việc liên tục. -Tương tự lò quay ướt. - Tương tự lò quay ướt. - Tương tự lò quay ướt. 2. Phối liệu -Đá vôi, đất sét, phụ gia, xỉ pirit. -Thêm phụ gia khoáng hóa photphorit-ở dạng viên, độ ẩm 14%, trộn lẫn vào nhau. -Tương tự công nghệ lò đứng. -Phối liệu dạng bùn, độ ẩm 40%, phối liệu không trộn lẫn than. -Tương tự công nghệ lò đứng. -Phối liệu đưa vào dạng bột mịn, độ ẩm 1-2%, và không trộn lẫn với nhau. 3. Nhiên liệu -Chỉ dung nhiên liệu rắn (than). -Tiêu tốn nhiều nhiên liệu trên một đơn vị sản phẩm lớn. - Có thể dùng than hoặc dầu, khí. -Tiêu tốn nhiên liệu trên một đơn vị sản phẩm là lớn nhất. -Tương tự lò quay ướt. -Tiêu tốn nhiên liệu trên một đơn vị sản phẩm là nhỏ nhất. 4.Quá trình nung -Sử dụng lò đứng. -Phải trải qua giai đoạn sấy giảm độ ẩm từ 40% xuống 2%. -Sử dụng lò quay. -Tương tự lò đứng. -Sử dụng lò quay -Lò quay khô có hệ thống trao đổi nhiệt, tháp xyclon. 5. Nhiệt độ và chất lượng -Nhiệt độ lò rất khó đạt tới 1.450ºC. -Chất lượng không tốt và ổn định. -Nhiệt độ nung 1.450ºC. -Chất lượng sản phẩm tốt và ổn định. -Tương tự lò quay ướt. -Chất lượng tốt và ổn định. 6. Mức độ gây ô nhiễm -Lượng khí thải gây ô nhiễm lớn, đặc biêt công nghệ này thải ra một lượng HF- chất khí rất độc hại, cần công nghệ xử lí hiện đại và chi phí cao. -Lượng khí thải gây ô nhiễm là lớn nhất do sử dụng rất nhiều nhiên liệu. -Lượng khí thải gây ô nhiễm là nhỏ nhất. Tóm lại, có thể thấy được ưu, nhược điểm của các công nghệ này trong bảng dưới đây: Bảng 2: So sánh các công nghệ lò nung clinker xi măng CÔNG NGHỆ ƯU ĐIỂM NHƯỢC ĐIỂM Lò quay ướt -Phối liệu nghiền mịn, chất. -Lượng clinker cao. -Lò dài, tốn diện tích. -Tiêu tốn nhiều năng lượng. Lò quay khô -Tốn ít năng lượng. -Lò ngắn, đỡ tốn diện tích, mặt bằng. -Tốn nhiều năng lượng nghiền. Lò đứng -Ðầu tư rẻ. -Chất lượng clinker không ổn định. -Tốn nhiều năng lượng. -Năng suất thấp. Hiện nay nguồn năng lượng ngày càng cạn kiệt, bên cạnh đó, khoa học kĩ thuật ngày càng phát triển cho phép khắc phục những nhược điểm, đồng thời phát huy những ưu điểm vượt trội của công nghệ lò quay khô. Vì thế xu thế phát triển trên thế giới là công nghệ sản xuất clinker xi măng bằng công nghệ lò quay khô. Các yếu tố trong quá trình sản xuất xi măng ảnh hưởng đến sự phát thải. Trong quá trình sản xuất vận hành lò nung sẽ phát sinh một lượng khí thải và bụi khá lớn ở nhiệt độ cao (khoảng 300°C), chủ yếu tại tầng tháp sấy sơ bộ pH và ghi làm nguội clinker. Quá trình này vừa gây ô nhiễm môi trường, vừa lãng phí năng lượng, từ đó giảm hiệu quả sản xuất. Cụ thể: Hình 4: Sự phát thải trong các công đoạn sản xuất xi măng Phát thải bụi: Các điểm phát thải bụi chính cần kể đến đó là máy nghiền nguyên liệu, hệ thống lò, bộ phận làm mát clinker và nghiền xi măng, hệ thống điểm đổ của các thiết bị vận chuyển... Có thể áp dụng các biện pháp phòng ngừa để giảm phát thải bụi ngay tại nguồn. Kiểm soát và giảm thiểu phát thải bụi trong một nhà máy xi măng hiện đại là chương trình cần cả đầu tư và thực hành quản lý đầy đủ chứ không chỉ đơn thuần vấn đề về kỹ thuật. Phát thải NOx: Là hệ quả không tránh được của quá trình cháy nhiệt độ cao, với một phần nhỏ là do thành phần của nhiên liệu và nguyên liệu. Có thể được giảm thiểu bằng một số giải pháp sản xuất sạch hơn (giảm lượng oxi trong lò, hạ nhiệt độ nung) và được xử lý bằng nhiều phương pháp. Phát thải SO2: Do lưu huỳnh trong nguyên liệu thô và nhiên liệu tham gia quá trình cháy trong lò nung. Lưu huỳnh trong nguyên liệu thô như sunfua (hoặc hợp chất lưu huỳnh hữu cơ) ở nhiệt độ thấp (ví dụ 400–600°C) và có thế dẫn đến phát thải SO2 đáng kể trong ống khói. Giải pháp lựa chọn nguyên liệu thô và nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh thấp là giải pháp giảm thiểu tại nguồn. Phát thải CO2: - Trước kia CO2 không được xem là khí gây ô nhiễm, kể từ khi nghị định thư Kyoto xác định CO2 là khí nhà kính có tác động quan trọng tới hiện tượng biến đổi khí hậu thì CO2 được quan tâm nhiều. - Nguồn phát thải CO2 bao gồm các nguồn sau: + Quá trình chuyển hóa canxi cacbonat của nguyên liệu thành canxi oxit và quá trình cháy các bon hữu cơ có trong nguyên liệu thô. + Quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch . Như vậy, tổng phát thải CO2 sẽ phụ thuộc vào: + Quy trình sản xuất (hiệu suất của các quá trình sản xuất chính và phụ). + Nhiên liệu sử dụng. + Tỉ lệ clinker/xi măng. Suất phát thải CO2 là 0,9 đến 1 kg/kg clinker xám tương ứng với suất tiêu thụ năng lượng riêng khoảng 800 đến 1.200 kcal/kg clinker tùy thuộc vào nhiên liệu sử dụng. Đối với clinker trắng, suất phát thải này là cao hơn do phải sử dụng nhiều năng lượng hơn. Phát thải CO2 từ quá trình chuyển hóa canxi cacbonat của nguyên liệu thành canxi oxit chiếm tới 60%. Do đó giảm lượng clinker trong xi măng sẽ giảm đáng kể phát thải CO2. Phát thải CO2 từ quá trình cháy trong công nghiệp xi măng đã giảm được khoảng 30% trong 25 năm qua nhờ áp dụng các lò nung có hiệu suất cao hơn. Nước thải: Đối với các nhà máy xi măng sử dụng công nghệ lò quay phương pháp khô, nước sử dụng trong quá trình sản xuất xi măng thường chỉ dùng cho mục đích làm mát. Trong quá trình sản xuất xi măng, một phần nước bị bay hơi và phần còn lại thì tuần hoàn sử dụng lại. Nước thải không phải là vấn đề môi trường đáng quan tâm của một nhà máy sản xuất xi măng sử dụng công nghệ này. Đối với nhà máy sử dụng phương pháp ướt hoặc xử lý bụi bằng phương pháp rửa khí (lọc bụi ướt) thì nước thải cần lưu tâm hơn. Chất thải rắn: Chất thải rắn trong nhà máy xi măng bao gồm bụi, cặn thu được từ thiết bị làm sạch khí chứa kiềm cao và có thể chứa lượng nhỏ các tạp chất như kim loại nằm trong thành phần của nguyên liệu. Ngoài ra còn lượng bụi tách ra từ hệ thống lò nung có thể chứa kiềm, sunfat và clo cao như bụi lọc – trong vài trường hợp không thể tuần hoàn vào quá trình sản xuất. Thông thường, toàn bộ bụi lò được quay lại quá trình sản xuất, nhưng trong một số trường hợp, một phần bị loại ra và thải bỏ. Với cả hai loại bụi, cần có sự xử lý và thải bỏ đặc biệt để tránh làm ô nhiễm đất và nguồn nước. Ngoài ra còn chất thải rắn từ bao bì nguyên liệu, bao xi măng thành phẩm hỏng với lượng không lớn. Các chất thải này thường được Công ty Môi trường thu gom vận chuyển và thải bỏ. Thực trạng các nhà máy sản xuất xi măng tại nước ta hiện nay. Các nhà máy xây dựng từ những năm 80 có công nghệ thuộc loại trung bình như xi măng Hoàng Thạch, Hà Tiên, lò nung clinker có công suất 3.000-3.300 tấn clinker/ngày, sử dụng than và dầu, tiêu hao nhiệt năng clinker còn cao 780-830kcal/kg clinker, tiêu hao điện năng 115-120kWh/tấn xi măng, nồng độ bụi thải ra ngoài còn lên tới 200-250mg/Nm3. Tiếp thu công nghệ tiên tiến của thế giới vào đầu thập niên 90 chúng ta đã đầu tư các nhà máy xi măng lò quay sản xuất theo phương pháp khô công suất 4.000 tấn clinker/ngày như xi măng Chin Fon Hải Phòng, xi măng Sao Mai, xi măng Bút Sơn, xi măng Hoàng Mai và xi măng Nghi Sơn với lò nung 5.800 tấn clinker/ngày. Hiện nay, ba công ty sản xuất theo phương pháp ướt là: Hải Phòng có bốn lò và công suất mỗi lò là 270 tấn clinker/ngày. Xi măng Hà Tiên với hai lò nung 400 tấn clinker/ngày. Bỉm Sơn với một lò nung 1.750 tấn clinker/ngày. Tổng công suất clinker là 1.114 triệu tấn/năm chiếm 7,5% sản lượng clinker toàn ngành: trong đó Bỉm Sơn là 550.000 tấn/năm, Hải Phòng là 324.000 tấn/năm, Hà Tiên là 240.000 tấn/năm. Các nhà máy xi măng lò quay sản xuất theo phương pháp khô với sản lượng là 10.8 triệu tấn clinker /năm chiếm tỉ trong 76% clinker toàn ngành. Theo như tính toán của các chuyên gia, tất cả các lò xi măng khi hoạt động đã thải ra khoảng 5% khí thải cacbonic trên toàn thế giới. Lượng khí thải này gấp đôi lượng thải ra từ các động cơ phản lực của toàn bộ ngành hàng không dân dụng. Để sản xuất ra một tấn xi măng sẽ có 720kg CO2 bị đổ vào không khí sau những công đoạn nung nguyên liệu. Vì vậy, trong năm 2011 vừa qua tổng sản lượng khí CO2 thải ra môi trường bên ngoài khoảng 2.248x109 kg. Không chỉ thế, đây còn quy trình sản xuất lãng phí nhiên liệu và năng lượng đáng kể. Để sản xuất một tấn xi măng sẽ tiêu hao 100kWh điện. Điển hình như nhà máy xi măng Hạ Long, sản lượng xi măng mà nhà máy sản xuất được trong một ngày khoảng 5.200.000 tấn đồng thời lượng khí thải mà nhà máy thải ra môi trường vào khoảng 3.733 tấn khí CO2, lượng điện tiêu thụ khoảng 520000kWh/ngày. CHƯƠNG II: TẬN DỤNG NHIỆT KHÍ THẢI CỦA NHÀ MÁY XI MĂNG ĐỂ SẢN XUẤT ĐIỆN Công nghệ tận dụng nhiệt khí thải của nhà máy xi măng để sản xuất điện. Khi sản xuất ra một tấn clinker, nhà máy xi măng thải ra ngoài không khí lượng khí thải rất lớn 2.500m3 – 2.800m3 ở nhiệt độ từ 350oC -380oC với nồng độ bụi trung bình 50mg/Nm3. Do đó cần phải có những biện pháp thu hồi nhiệt thải, mục đích: Triệt để tận dụng các nguồn năng lượng dư thừa trong dây chuyền sản xuất clinker. Hàng năm có thể tạo được một sản lượng điện lớn, góp phần làm giảm chi phí sản xuất xi măng và nâng cao tính cạnh tranh của sản phẩm của nhà máy trên thị trường. Góp phần vào quá trình chung cắt giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính, bảo vệ môi trường. Hình 5: Nguyên lý của quá trình thu hồi nhiệt thải để sản xuất điện Ghi chú: ST: Turbine hơi nước Make-up water: nước cấp bổ sung Condensate: nước ngưng SP boiler: nồi hơi đuôi lò AQC boiler: nồi hơi nhiệt dư đầu Trong nhà máy sản xuất xi măng có hai khu vực có thể tận dụng được lượng nhiệt thừa để sản xuất điện đó là khu vực tháp trao đổi nhiệt tận dụng lượng nhiệt từ khí thải của tháp trao đổi nhiệt và khu vực làm lạnh clinker. Khí nóng có nhiệt độ cao 300oC - 360oC ra khỏi máy làm nguội clinker sau khi qua máy lọc bụi phân li, hiệu suất cao được dẫn đến nồi hơi nhiệt dư ở đầu lò (nồi hơi AQC) sau đó được dẫn vào hệ thống thoát khí đầu lò. Bụi thu về từ thiết bị lọc bụi và nồi hơi AQC được đưa vào hệ thống vận chuyển clinker đầu lò. Khí thải nhiệt độ cao 320oC - 360oC từ tháp trao đổi nhiệt đuôi lò được dẫn đến nồi hơi đuôi lò (nồi hơi SP). Khí thải ra từ nồi hơi ở nhiệt độ thấp 97oC – 250oC được dẫn đến máy sấy, nghiền nguyên liệu. Bụi thu hồi từ nồi hơi đuôi lò sẽ được đưa vào hệ thống dẫn bụi của lò nung. Bề mặt tiếp nhận nhiệt của nồi hơi AQC được phân ra làm hai đoạn, đoạn I là đoạn sản sinh ra hơi nước, đoạn II là đoạn sinh ra nước nóng. Đoạn II nhận nguồn nước cấp bổ sung có nhiệt độ 40oC. Nước bão hoà ở nhiệt độ 180oC do đoạn II nồi hơi sinh ra sẽ được cấp vào đoạn I của nồi hơi AQC và nồi hơi SP, hơi nước quá nhiệt 1.1 MPa, 330oC do đoạn I nồi hơi AQC sản sinh ra sẽ là hơi nước chính, sau khi kết hợp với hơi nước quá nhiệt có cùng tham số do nồi hơi SP sinh ra sẽ cùng vào turbine hơi nước. Dùng hơi quá nhiệt quay turbine dẫn động máy phát điện. Nước ngưng tụ của turbine sẽ được bơm vào đoạn nước nóng của nồi hơi AQC (đoạn II); sau khi tăng nhiệt, nước sẽ cấp cho nồi hơi. Máy phát điện là loại máy xoay chiều thông thường. Thông qua thanh cái 6/10kV của trạm biến áp tổng, máy sẽ vận hành mạnh song song với mạch điện tại chỗ. Trên cơ sở nghiên cứu phân tích, xác định các thông số về nhiệt của lò nung clinker, khối lượng khí thải ở đầu lò và cuối lò, nhiệt độ, áp suất, lượng khí cần thiết để sấy, nghiền nguyên liệu, cung cấp các tham số kỹ thuật tin cậy để xây dựng trạm phát điện, chọn lựa một phương án khoa học và chính xác, chọn lựa thiết bị thích hợp, đồng bộ có công suất phù hợp. Có thể nêu lên một số thiết bị chính sau đây: Nồi hơi nhiệt dư đầu lò AQC để sử dụng khí thải của máy làm nguội clinker. Nồi hơi nhiệt dư đuôi lò SP để sử dụng khí thải ra từ tháp trao đổi nhiệt. Turbine hơi nước kiểu phù hợp với trạm điện. Máy phát điện đồng bộ với turbine hơi nước là máy phát điện xoay chiều thông thường. Hệ thống nước làm nguội tuần hoàn, đáp ứng nhu cầu sử dụng nước làm nguội của trạm điện. Trang bị một hệ thống xử lý nước bằng phương pháp hoá học gồm bộ thiết bị lọc hai cấp nối tiếp để đáp ứng nhu cầu nước dùng cho nồi hơi của trạm điện. Trang bị một hệ thống điều khiển máy tính DCS đồng bộ nhằm đáp ứng nhu cầu vận hành của trạm điện. Trang thiết bị hệ thống dẫn tải khí nóng từ tháp trao đổi nhiệt về nồi hơi SP, khí thải từ máy làm nguội clinker về nồi hơi AQC, hệ thống dẫn hơi nước quá nhiệt về turbine khí, hệ thống cấp nước, đường dây dẫn tải điện. Thực trạng áp dụng công nghệ tận dụng nhiệt khí thải của nhà máy xi măng để sản xuất điện tại nước ta. Vào năm 2002, dự án tận dụng nhiệt khí thải lò quay để phát điện tại nhà máy xi măng Hà Tiên 2 do tổ chức NEDO của Nhật Bản tài trợ, hãng Kawasaki thiết kế và cung cấp thiết bị nồi hơi, turbine, máy phát điện và các thiết bị điện, thiết bị xử lý nước với công suất phát điện 2.950 kW đã được áp dụng. Sau bốn năm xây dựng và qua giai đoạn chạy thử có tải, đầu năm 2002 công nghệ tận dụng nhiệt khí thải lò quay để phát điện chính thức được đưa vào sử dụng. Năm 2009, qua bảy năm hoạt động, trạm phát điện nhiệt khí thải tại nhà máy xi măng Hà Tiên 2 đã phát ra 105 triệu kWh điện. Không những vậy, tận dụng hệ thống nhiệt khí thải còn giúp tiết kiệm được khoảng trên 2 triệu lít dầu sấy nhiên liệu mỗi năm, giảm nhiệt độ đầu vào và ra của máy nghiền liệu và lọc bụi tĩnh điện, giúp máy nghiền nguyên liệu hoạt động ổn định và nâng cao năng suất thêm khoảng 10-15 tấn/h, hiệu suất lọc bụi cũng được cải thiện, mang lại lợi ích to lớn trên các phương diện kinh tế - xã hội, tiết kiệm năng lượng, bảo vệ môi trường, làm giảm đáng kể giá thành sản phẩm. Hệ thống thiết bị của trạm phát điện làm việc ổn định, không ảnh hưởng tới quy trình sản xuất xi măng. Theo như nghiên cứu, nếu như tất cả các dây chuyền xi măng được trang bị hệ thống phát điện tận dụng nhiệt khí thải thì công suất hệ thống này có thể đạt đến khoảng 200MW, bằng công suất một nhà máy điện cỡ lớn và phát ra một lượng điện chiếm tới gần 20% lượng điện tiêu thụ từ lưới điện, có thể giảm thiểu một lượng lớn điện năng sử dụng. Đây là một con số khá lớn đối với một ngành công nghiệp có hiệu suất tiêu hao năng lượng lớn như ngành xi măng. Với thành công bước đầu áp dụng tại nhà máy xi măng Hà Tiên 2, hiện nay, Vicem đang tích cực triển khai lập dự án đầu tư xây dựng các trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải lò nung tại các nhà máy xi măng thành viên như: Hoàng Thạch, Bỉm Sơn, Bình Phước, Tam Ðiệp... Mới đây, tại TP.HCM, ngày 09/11/2012: Sau gần 1.5 năm từ khi khởi công vào tháng 5/2011, công ty TNHH Xi măng Holcim Việt Nam (HVL) đã khánh thành Trạm Phát điện Tận dụng Năng lượng Nhiệt thải công suất 6,3 MW - một trong những mô hình phát điện tận dụng nhiệt thải đầu tiên tại Việt Nam tại nhà máy xi măng Hòn Chông, huyện Kiên Lương, tỉnh Kiên Giang. Dự án đầu tư trị giá gần 28 triệu USD này là một trong những nỗ lực của HVL nhằm thực hiện cam kết Phát triển Bền vững thông qua sử dụng hiệu quả năng lượng và nguyên nhiên liệu thay thế. Lễ khánh thành có sự tham gia của chính quyền địa phương tỉnh Kiên Giang; Đại sứ quán Thụy Sĩ và Lãnh sự quán Trung Quốc; nhà thầu xây dựng và lắp đặt Sinoma, Lilama 18 JSC, Econ và Vĩnh Trí. Trạm Phát điện Tận dụng Năng lượng Nhiệt thải đã mang lại nhiều lợi ích về mặt kinh tế, xã hội và môi trường: Về mặt kinh tế, với công suất phát điện 6,3 MW, trạm có khả năng đáp ứng 25% nhu cầu điện năng cho toàn bộ nhà máy Hòn Chông, tương đương với nhu cầu điện cho 18.300 hộ gia đình trong một năm (giả sử nhu cầu tiêu thụ là 6,6 kWh/hộ/ngày). Về mặt xã hội, lượng điện năng từ trạm giúp HVL giảm sử dụng điện từ mạng lưới điện quốc gia, hạ bớt áp lực từ tình trạng thiếu điện hiện nay. Về mặt môi trường, hoạt động của trạm giúp hạn chế tác động đến môi trường nhờ giảm phát thải khoảng 25.300 tấn CO2 /năm hoặc tiêu thụ 9.000 tấn than/năm hoặc 6.450 tấn dầu/năm để sản xuất lượng điện năng tương đương. "Hệ thống tái sử dụng nhiệt thải này sẽ giúp Holcim toàn cầu đạt được mục tiêu giảm 25% khí thải CO2 từ nay đến hết năm 2015 mà Tập đoàn tình nguyện cam kết, dựa vào con số năm 1990. Tính đến hết 2010, Holcim toàn cầu tự hào đã đạt được 23% lượng cắt giảm CO2. Đây là giải pháp thiết thực hướng tới bảo vệ môi trường và phát triển bền vững mà Ban Lãnh Đạo Công ty Holcim mong đợi" Ông Gary Schutz – Tổng Giám đốc HVL chia sẻ. Công nghệ tận dụng năng lượng nhiệt thải này cho phép chuyển nhiệt lượng của nhiệt thải thành điện năng sạch. Nhiệt thải được lấy từ hai nguồn: 1) Khí thải từ tháp tiền nung (preheater) khoảng 360oC. 2) Khí thải từ khu vực làm mát clinker (clinker cooler) khoảng 340oC. Sau đó, nhiệt thải đi qua khu vực chưng cất (boiler) để đun sôi nước và tạo ra hơi nước quá nhiệt. Hơi quá nhiệt có áp suất cao làm quay turbine và máy phát điện tạo ra năng lượng điện. Tiếp theo, hơi nước được ngưng tụ thành nước và đưa trở lại khu vực chưng cất nước để tái sử dụng. Một phần lượng nhiệt lượng nhiệt còn lại của khí thải từ tháp tiền nung (khoảng 215oC) sẽ được đưa qua máy nghiền bột sống và máy nghiền than để sấy nguyên liệu. Một số hình ảnh về Trạm Phát điện Tận dụng Năng lượng Nhiệt thải của công ty TNHH Xi măng Holcim Việt Nam. Hình 6: Bên trong trung tâm phát điện của nhà máy Holcim Hình 7: Nhà máy phát điện tận dụng nhiệt khí thải CHƯƠNG III. ĐÁNH GIÁ CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ TẬN DỤNG NHIỆT KHÍ THẢI CỦA NHÀ MÁY XI MĂNG ĐỂ SẢN XUẤT ĐIỆN Ưu, nhược điểm của công nghệ tận dụng nhiệt khí thải của nhà máy xi măng để sản xuất điện. Ưu điểm: Giảm lượng khí thải độc hại ra môi trường. Tiết kiệm chi phí điện cho nguồn điện quốc gia (Do nhiệt thải xi măng sẽ được sử dụng vào quy trình phát điện nên nó đã sinh ra một nguồn điện năng cố định có thể tự nuôi chính nó). VD1: Tổng Công ty Xi măng Công nghiệp Việt Nam (VICEM) đã triển khai thành công dự án “Tận dụng nhiệt khí thải lò quay” để phát điện tại nhà máy xi măng Hà Tiên 2 do Tổ chức NEDO của Nhật Bản tài trợ, hãng Kawassaki thiết kế và cung cấp thiết bị nồi hơi, máy turbine, máy phát điện và các thiết bị điện, thiết bị xử lý nước, công suất phát điện 2.950 kW. Qua 7 năm hoạt động, trạm phát điện nhiệt khí thải tại nhà máy đã phát ra 105 triệu kWh, mang lại lợi ích rõ rệt trên các phương diện kinh tế-xã hội, tiết kiệm năng lượng, bảo vệ môi trường và giảm đáng kể giá thành sản xuất xi măng công nghiệp. Hệ thống thiết bị của trạm phát điện làm việc ổn định, không ảnh hưởng đến quá trình sản xuất xi măng. Chỉ tính riêng từ tháng 3/2002 đến tháng 10/2006, công nghệ trên đã cung cấp được tổng lượng điện gần 72 triệu kWh cho các dây chuyền sản xuất tại Công ty Xi măng Hà Tiên 2. Không chỉ tiết kiệm điện năng, trong thời gian tới tháng 7/2004 đến tháng 10/2006, Công ty còn tiết kiệm trên 2,1 triệu lít dầu ADO từ việc sấy nhiên liệu. Hệ thống phát điện này còn giúp giảm nhiệt độ đầu vào và đầu ra của máy nghiền nguyên liệu và lọc bụi điện, giúp cho máy nghiền nguyên liệu hoạt động ổn định và gián tiếp nâng năng suất máy nghiền thêm khoảng 10-15 tấn/giờ, hiệu suất lọc bụi cũng được cải thiện. Để tận dụng lượng khí thải ra môi trường và tái tạo thành nguồn năng lượng cung cấp cho sản xuất, các nhà máy xi măng cần được trang bị hệ thống phát điện tận dụng nhiệt khí thải. VD2: Công ty XM Holcim đã đầu tư một trạm điện tận dụng nhiệt khí thải lò nung có công suất 6,3MW với tổng mức đầu tư 28 triệu USD cho nhà máy XM Hòn Chông (trong đó có 10 triệu USD dành cho giai đoạn bảo trì nhà máy). Theo tính toán trạm điện này có thể sản xuất được khoảng 44 triệu kWh điện/năm, tiết kiệm khoảng 9 nghìn tấn than hoặc 6.500 tấn dầu mỗi năm đồng thời cắt giảm được đến 25.300 tấn khí CO2 hàng năm. Với mức đầu tư tương đương khoảng 570 tỷ đồng thì đây quả là con số không nhỏ. Áp lực thị trường, trả nợ đầu tư, trượt giá ngoại tệ khiến các nhà đầu tư dù rất muốn nhưng cũng đành để kế hoạch lại phía sau. Nhược điểm : Kinh phí nhiều: VD1: Đầu tháng 1-2011, Công ty TNHH Xi măng Holcim Việt Nam (HVL) đã ký kết hợp đồng vay vốn với Ngân hàng Standard Chartered và hợp đồng thi công với nhà thầu Sinoma Energy (Trung Quốc) để xây dựng một trạm phát điện từ việc tận dụng nhiệt thải của hệ thống lò nung tại Nhà máy xi măng Hòn Chông (Kiên Giang) của HVL. Trạm điện này có công suất 6.3 MW, tổng vốn đầu tư khoảng 28 triệu USD (trong đó có 10 triệu USD dành cho giai đoạn bảo trì nhà máy) tương đương khoảng 570 tỷ đồng. Hiệu quả chưa cao : VD2: Theo tính toán, để sản xuất ra một tấn xi măng phải tiêu hao khoảng 80kWh điện, nếu tất cả các nhà máy xi măng lò quay hệ khô hiện có ở nước ta được trang bị hệ thống phát điện tận dụng nhiệt khí thải thì tổng công suất các trạm phát điện đạt khoảng 200MW, giảm được khoảng xấp xỉ 20% lượng điện tiêu thụ từ lưới điện. Tuy nhiên, đây là một con số rất nhỏ so lượng điện tiêu hao của các doanh nghiệp. Các giải pháp cụ thể. Được biết ở ta, ngành xi măng đang đẩy mạnh sản xuất điện từ nhiệt thừa, rác thải. Với việc Chính phủ phê duyệt Chiến lược sản xuất sạch hơn trong công nghiệp đến năm 2020, tầm nhìn 2025, những giải pháp và công nghệ mới thân thiện mới môi trường ngày càng trở nên quan trọng và cần thiết hơn bao giờ hết. Ông Nguyễn Ngọc Anh, Tổng Giám đốc Tổng Công ty Công nghiệp Xi măng Việt Nam (Vicem) cho biết, định hướng trong thời gian tới, tất cả các nhà máy xi măng mới có công suất lò nung từ 2.500 tấn clinker/ngày trở lên bắt buộc phải đầu tư hệ thông thiết bị tận dụng nhiệt thừa khí thải để phát điện. Một phần trong kế hoạch hiện thực hóa việc này, ngày 30/6 vừa qua, Vicem đã phối hợp với Đại sứ quán Đan Mạch tổ chức cho Tập đoàn FLSmidth giới thiệu lần đầu tiên tới 150 doanh nghiệp sản xuất xi măng tại Việt Nam hai công nghệ tiết kiệm năng lượng tiên tiến. Đó là hệ thống sản xuất điện từ thu hồi nhiệt thừa trong sản xuất xi măng và đốt rác thải. "Nếu áp dụng, công nghệ này có thể góp phần giảm bớt 30% lượng tiêu thụ điện và năng lượng của các nhà máy xi măng", Tổng Giám đốc FLSmidth tại Việt Nam, ông Rune Hurttia khẳng định. Các nhà máy xi-măng tiêu thụ lượng điện và nguyên, nhiên liệu lớn, vì vậy cần phát triển các nhà máy sử dụng công nghệ tiên tiến với mức độ tự động hóa cao, tiết kiệm nguyên liệu, năng lượng trong sản xuất, nhằm bảo đảm ổn định sản xuất và giá thành hợp lý, đủ sức cạnh tranh trên thị trường. Bên cạnh đó, cần có lộ trình phù hợp để chuyển đổi công nghệ sản xuất xi măng lò đứng sang lò quay, tiến tới xóa bỏ các nhà máy xi măng lò đứng. Một vấn đề quan trọng về công nghệ khi triển khai xây dựng các nhà máy xi măng là hệ thống tận dụng nhiệt khí thải để phát điện (trước đây Quy hoạch 108 có đề cập nhưng thực hiện còn yếu). Bộ Xây dựng đã có văn bản yêu cầu các nhà máy công suất 2.500 tấn clinker/ngày đang hoạt động phải tự sản xuất khoảng 20% sản lượng điện cho mình vào năm 2014. Các nhà máy xây dựng mới công suất từ 2.500 tấn/ngày trở lên buộc phải đầu tư hệ thống thiết bị sử dụng nhiệt khí thải để phát điện đồng thời với đầu tư dây chuyền sản xuất chính. Quy định này cần được giám sát thực hiện một cách nghiêm túc. Để bảo đảm sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp xi măng, ngoài các định mức về tiêu hao nguyên, nhiên liệu, điện năng, cần có thêm những tiêu chuẩn về nồng độ bụi khí thải, mật độ cây xanh, diện tích dân cư chung quanh nhà máy, phương án hoàn nguyên mỏ sau khai thác.. Ngoài ra, việc phát triển công nghiệp xi măng cũng cần gắn kết chặt chẽ với việc phát triển các ngành khác như: giao thông, khoa học-công nghệ...; nhất là ngành cơ khí chế tạo. Hiện ngành cơ khí trong nước đã có thể sản xuất được các chi tiết, phụ tùng thay thế cho việc sửa chữa, giảm tỷ lệ nhập khẩu. Cần nghiên cứu cơ chế thích hợp để các doanh nghiệp cơ khí trong nước có thể chế tạo các dây chuyền sản xuất xi măng lớn đồng bộ. Bên cạnh đó, Nhà nước cần có chính sách thúc đẩy hơn nữa các chương trình tiêu thụ xi măng như: Làm đường cao tốc bằng xi măng, xây dựng các khu đô thị... nhằm bảo đảm đầu ra cũng như tạo sự yên tâm cho các nhà đầu tư. KẾT LUẬN Như vậy, việc tận dụng nhiệt khí thải của nhà máy xi măng để sản xuất điện có ý nghĩa vô cùng to lớn, không chỉ trong ngành xi măng mà còn cho môi trường không khí xung quanh chúng ta. Nó không chỉ giúp các nhà máy xi măng tiết kiệm được nguyên nhiện liệu trong quá trình sản xuất mà còn giảm được một lượng lớn khí thải độc hại ra môi trường ngoài. Cụ thể: Nó có thể tiết kiệm được 53.634 tấn than nếu dùng làm nhiên liệu cho nhà máy nhiệt điện tạo ra sản lượng điện tương đương, đồng thời giảm được lượng lớn các loại khí như NOx, SOx, CO2 Ngoài ra còn có thể bán CO2 cho các nước cần mua theo cơ chế CDM (Clean Development Mechanism – Cơ chế sản xuất sạch hơn). Áp dụng quy trình công nghệ sản xuất xi măng mới và tận dụng nhiệt khí thải để sản xuất điện sẽ giúp doanh nghiệp giảm chi phí sản xuất, tăng chất lượng sản phẩm, thúc đẩy nền công nghiệp xi măng phát triển. Mặt khác, sử dụng công nghệ này doanh nghiệp còn giảm được một lượng khí thải độc hại ra môi trường – một vấn đề cấp thiết hiện nay. Ứng dụng công nghệ này cho nền công nghiệp xi măng ở nước ta với sản lượng 52 triệu tấn thì tiết kiệm được 1.638.000 MWh/năm, và 7.280.000 tấn than/năm. Tuy nhiên, việc áp dụng công nghệ này vẫn còn nhiều hạn chế như: chi phí đầu tư, vận hành, bảo dưỡng cao, chưa được ứng dụng rộng rãi trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Vì vậy, kinh nghiệm vận hành chưa được nhiều, độ tin cậy và tính ổn định chưa được kiểm chứng. Do đó, nhà nước ta nên có các biện pháp tích cực để khuyến khích các doanh nghiệp sản xuất xi măng áp dụng công nghệ này. Qua quá trình nghiên cứu đề tài này, chúng em đã tích lũy được nhiều kiến thức cơ bản về xi măng và quy trình công nghệ sản xuất xi măng, công nghệ tận dụng nhiệt khí thải của nhà máy xi măng để sản xuất điện. Do là lần đầu nghiên cứu nên đề tài này không thể tránh khỏi thiếu sót, vì vậy chúng em mong cô sẽ đóng góp và sửa chữa để đề tài được hoàn thiện hơn, góp phần giúp chúng em nâng cao hiểu biết, từ đó có thể góp một phần nhỏ bé công sức của mình trong xây dựng đất nước ngày càng giàu đẹp. Chúng em xin chân thành cảm ơn cô! DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Xi măng. Website: Wikipedia: Tài liệu hướng dẫn Sản xuất sạch hơn ngành xi măng. Hợp phần sản xuất sạch hơn trong công nghiệp (Bộ Công Thương, 04/2011). Sáng kiến phát triển bền vững ngành công nghiệp xi măng. World Business Council for Sustainable Development - Hội đồng doanh nghiệp thế giới vì sự phát triển bền vững, 7/2002. Bảng số liệu: U.S Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, January 2012 - Tóm tắt lượng hàng hóa khoáng sản, tháng 1/2012. Website: USGS (U.S Geological Survey – Cục khảo sát địa chất Hoa Kỳ): Website Hiệp hội xi măng Việt Nam (VNCA): Website Tổng công ty công nghiệp xi măng Việt Nam (Vicem): Website Công ty TNHH xi măng Holcim Việt Nam: Bài báo: Tận dụng nhiệt thừa khí thải để phát điện: Mũi tên trúng nhiều đích. Website Tổng công ty điện lực miền Trung: Báo cáo: Công nghệ sản xuất xi măng lò quay khô và các vẫn đề môi trường. Tài liệu: Ô nhiễm môi trường - đề tài "xi măng" (khí thải). Website: Và một số bài báo của các website khác.