Công nghệ sử dụng nhiệt thải từ sản xuất xi măng.doc

Công nghệ sử dụng nhiệt thải từ sản xuất xi măng

MỤC LỤC

PHẦN I: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG

I Giới thiệu chung về ngành công nghiệp xi măng ở Việt Nam và trên thế giới

Xi măng là ngành công nghiệp góp phần không nhỏ vào tốc độ tăng trưởng kinh tế của Việt Nam Tuy vậy, đứng trước tình trạng giá nguyên nhiên liệu như xăng, dầu, điện liên tục tăng giá như hiện nay ngành công nghiệp này cũng đang gặp phải nhiều khó khăn Đổi mới công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng, sử dụng năng lượng hiệu quả luôn là tiêu chí Tổng Công ty Công nghiệp Xi măng Việt Nam (VICEM) luôn hướng đến.

Thực hiện chương trình “Mục tiêu quốc gia về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả” của Bộ Công Thương, trong những năm qua VICEM đã tập trung chỉ đạo nghiên cứu các giải pháp quản lý và công nghệ nhằm mục tiêu giảm tiêu hao năng lượng nhiệt và điện trong các dây chuyền sản xuất xi măng Với sự nỗ lực của toàn thể cán bộ nhân viên các công ty thành viên trong toàn VICEM trong thời gian

qua ngành công nghiệp xi măng đã có nhiều dự án, cải tiến giảm tiêu thụ năng lượng đáng kể, đưa xi măng Việt Nam nâng cao sức cạnh tranh trên thị trường.

Ngành Công nghiệp xi măng là một ngành tiêu hao năng lượng rất lớn, để sản xuất ra một tấn clinker theo công nghệ lò nung tiên tiến phải tiêu tốn 730.000- 800.000 kcal tương đương với 110-120kg than tiêu chuẩn, đồng thời thải ra ngoài không khí lượng khí thải rất lớn 2500 - 2800m3 ở nhiệt độ từ 350-3800C với nồng độ bụi trung bình 50mg/Nm3 gây ô nhiễm môi trường, hiệu ứng nhà kính Để sản xuất ra một tấn xi măng phải tiêu tốn 90-100Kwh điện.

Trong những năm gần đây, nhiều nước trên thế giới đã không ngừng nghiên cứu công nghệ cải tiến kỹ thuật, cải tiến thiết bị để tiết kiệm năng lượng Cải tiến lò nung từ một tháp tiền nung trao đổi nhiệt lên hai tháp, từ 4 tầng lên 5,6 tầng với calciner hiệu suất cao, tối ưu hoá hệ thống gió 3, để góp phần đáng kể việc giảm tiêu hao nhiên liệu nung luyện clinker với định mức thấp hơn 720 Kcal/kg clinker Đồng thời thiết kế cải tiến thiết bị nghiền nguyên liệu, nghiền than, nghiền xi măng Từ nghiền bi sang nghiền con lăn, nghiền đứng, nghiền Horomill với hệ thống thiết bị phân ly hiệu suất cao, giảm tiêu hao điện năng dưới định mức 90 Kwh/tấn xi măng.

Trong những năm gần đây, nhiều công ty xi măng trên thế giới đã tận dụng nhiệt thải của lò nung clinker để phát điện, tự cung cấp gần 30% nhu cầu điện để sản xuất xi măng, đồng thời đã góp phần quan trọng, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, hiệu ứng nhà kính, là giải pháp tối ưu.

II: Tìm hiểu về công nghệ sản xuất xi măngSản xuất xi măng

5)Nghiền thô

Nghiền thô - các vật liệu thô được nghiền và sấy trong máy nghiền con lăn Những con lăn lớn được lắp trên một bàn xoay và vật liệu thô được nghiền cho đến khi chúng đủ mịn để chuyển đến silo đồng nhất bằng không khí.

6)Túi lọc bụi

Túi lọc bụi - bao gồm nhiều túi lọc bằng vải hoặc nỉ để tách các hạt mịn từ khí thải lò Gas thải từ nhiều lò nung được dùng để sấy vật liệu thô, vì vậy cải thiện việc sử dụng năng lượng hiệu quả của nhà máy.

7)Gia nhiệt

Gia nhiệt - những cy-lon gia nhiệt sẽ nâng nhiệt độ của bột liệu thô lên cao trước khi vào lò nung Điều này làm gia tăng hiệu quả sử dụng nhiệt của lò nung vì bột liệu đã được vôi hóa 20 - 40% khi bắt đầu vào lò

8)Lò nung

Lò nung - lò nung được thiết kế để tối đa hiệu quả của sự truyền nhiệt từ nhiên liệu đến vật liệu thô Trong tháp gia nhiệt, vật liệu thô được nung nhanh chóng đến nhiệt độ khoảng 1000oC, ở nhiệt độ này đá vôi chuyển sang dạng nóng chảy

Trong lò quay, nhiệt độ lên đến khoảng 2000oC Tại nhiệt độ này, các khoáng nóng chảy kết hợp để hình thành các tinh thể silicat canxi - lanh ke xi măng

9)Máy làm lạnh

Máy làm lạnh - lanh ke nóng chảy được làm lạnh một cách nhanh nhất Không khí xung quanh dùng làm lạnh lanh ke được thổi vào lò nung, khi không khí bị đốt cháy để đảm bảo hiệu quả cao của sự sinh ra nhiệt.

PHẦN II: THU HỒI NHIỆT TRONG CÔNG NGHIỆP & THU HỒI NHIỆT TRONG CÔNG NGHIỆP XI MĂNG

I: Nguyên lý thu hồi nhiệt trong công nghiệp

Tiết kiệm năng lượng luôn là một lĩnh vực kỹ thuật được giới công nghệ quan tâm Trong những năm qua, lĩnh vực này đã đạt được kết quả hết sức khả

quan Nhờ việc sử dụng kỹ thuật thu hồi nhiệt từ khí thải và nước thải để sử

dụng trở lại, hiệu suất sử dụng nhiệt năng của các dây chuyền công nghiệp có

thể đạt tới trên 90%, điều mà cuối thế kỷ 20 rất ít người coi là hiện thực.

Các nhà máy nhiệt điện, luyện kim, xi măng, hóa chất, gạch, gốm sứ, dệt, nhuộm, ép nhựa, chế biến thực phẩm, đường, cà phê, chè đều có các lò đốt sử dụng than, dầu, gas hoặc điện năng để tạo ra nhiệt độ cao trong quá trình sản xuất.

Lượng nhiên liệu thực sự hữu ích thường chỉ chiếm một phần nhỏ trong

tổng số nhiên liệu bị đốt cháy Điều này không những gây lãng phí tài nguyên, mà còn ảnh hưởng nghiêm trọng tới môi trường và khí quyển trái đất Phần nhiệt lượng thực sự góp phần tạo thành sản phẩm thường chỉ từ 5% tới 30% Hầu hết phần nhiệt năng còn lại đi theo khí thải, nước thải hoặc nước làm

nguội máy và thoát ra môi trường, góp phần làm cho trái đất nóng lên Nếu

tận dụng triệt để nhiệt lượng sinh ra từ các quá trình đốt, lượng CO2 và SO2 cùng các chất khí độc hại do công nghiệp sinh ra có thể giảm từ 50% tới 80% Hiện

tượng nhiệt độ trái đất nóng lên và các hiện tượng thay đổi khí hậu khác cũng có thể được hạn chế đáng kể nếu áp dụng triệt để các biện pháp tiết kiệm nhiên liệu Với các thiết bị thu hồi nhiệt hiện đại, người ta có thể tận dụng hầu hết nhiệt năng thải ra để đưa trở lại quá trình sản xuất.

1 Nguyên lý hoạt động của thiết bị thu hồi nhiệt

Quá trình tái sử dụng nhiệt thải gồm nhiều công đoạn kỹ thuật khác nhau Công đoạn chính trong khi tái sử dụng nhiệt năng là việc thu hồi nhiệt Qua đó nhiệt năng thải ra được chuyển tới một quá trình khác, trực tiếp hoặc qua một phương tiện trung gian Có rất nhiều dạng trao đổi nhiệt với các phương tiện trung gian khác nhau và áp dụng cho các trường hợp sử dụng khác nhau Thông thường lượng nhiệt năng thu hồi được sử dụng ngay ở gần đó, dòng khí thải sẽ được sử dụng để làm nóng không gian và sấy nóng không khí cung cấp cho sự cháy Với những quá trình công nghệ không liên tục, sự thải ra nhiệt và sự tái sử dụng nhiệt không thể thực hiện đồng thời được, nhiệt lượng thu hồi cần đưa vào những ngăn giữ nhiệt hoặc những thiết bị trao đổi nhiệt.

Các thiết bị thu hồi nhiệt thường có một hệ thống trao đổi nhiệt giữa khí thải hoặc nước từ nhà máy thải ra với không khí sạch, nước sạch đi vào nhà máy Hệ thống trao đổi nhiệt có thể cấu tạo bởi: các tấm chuyên chở nhiệt, các ống vận

chuyển nhiệt tuần hoàn, các ống vận chuyển nhiệt theo nguyên lý mao dẫn, các ống vận chuyển nhiệt theo nguyên lý trọng lực, rotor hấp thụ nhiệt, máy bơm nhiệt, trao đổi nhiệt theo nguyên tắc dòng ngược chiều (xem sơ đồ)

a Thu hồi nhiệt theo nguyên tắc dòng ngược chiều

Đây là phương pháp có hiệu quả cao và được áp dụng trong rất nhiều quá trình công nghệ.

Theo cách này nhiệt năng được truyền từ khí thải hoặc nước thải qua không khí sạch hoặc nước sạch trong một buồng trao đổi nhiệt Không khí sạch đã sấy nóng sẽ được chuyển qua một công đoạn sản xuất khác có yêu cầu nhiệt độ thấp hơn, hoặc bơm vào lò để cung cấp cho sự đốt cháy nhiên liệu, làm cho quá trình đốt cháy nhanh hơn, triệt để hơn và tốn ít nhiên liệu hơn Nước sạch sau khi được làm nóng cũng sẽ được chuyển sang một công đoạn sản xuất cần nước nóng khác hoặc được bơm vào nồi hơi.

Buồng trao đổi nhiệt là một không gian chạy dài được bao bọc bằng vật liệu cách nhiệt, bên trong có các ống bằng kim loại dẫn nhiệt với các cánh tản nhiệt ở cả mặt trong và mặt ngoài Khí thải có nhiệt độ cao được bơm vào từ một đầu của buồng trao đổi nhiệt và thoát ra ở đầu kia Không khí sạch được bơm vào các ống kim loại trong buồng trao đổi nhiệt từ phía đầu ra của khí thải và thoát ra một đường ống riêng ở phía đầu vào của khí thải Việc thu hồi nhiệt từ nước thải cũng thực hiện như vậy Đồng thời với việc thu hồi nhiệt, các nhà máy có nồi hơi còn thu hồi được hàng triệu lít nước ngưng tụ để sử dụng lại.

Sơ đồ thiết bị thu hồi nhiệt theo nguyên tắc dòng ngược chiềub Hiệu suất các thiết bị thu hồi nhiệt

Hệ thống trên đây đã được áp dụng từ những năm giữa thế kỷ 20 Tuy nhiên, lúc đầu hiệu quả thu hồi nhiệt còn rất thấp, giá nhiên liệu cũng còn thấp và giá thành thiết bị rất cao nên ít được áp dụng Trong những năm gần đây, ngành sản xuất vật liệu và thiết bị thu hồi nhiệt đã đạt được những tiến bộ đáng kể, đồng thời tương quan giữa giá nhiên liệu và giá thiết bị đã thay đổi rất nhiều, nên các thiết bị thu hồi nhiệt được rất nhiều, nhà công nghệ sử dụng.

Hiệu suất của thiết bị thu hồi nhiệt phụ thuộc vào kích thước và cấu tạo buồng trao đổi nhiệt, vật liệu làm ra thiết bị, vào nhiệt độ của nước thải, khí thải và

các đặc điểm của quá trình sản xuất Các thiết bị thu hồi nhiệt theo nguyên tắc dòng ngược chiều cho phép thu hồi tới 80% nhiệt lượng trong khí thải và nước thải, đưa hiệu quả sử dụng nhiên liệu lên tới trên 90% Việc tái sử dụng

nhiệt năng để sưởi ấm trong sinh hoạt ở các nước xứ lạnh cũng đã được thực hiện từ nhiều năm nay Hãng Vailand chuyên sản xuất các thiết bị dùng gas hoặc dầu để đun nước cung cấp cho lò sưởi và sinh hoạt đã tung ra thị trường loại thiết bị có kèm hệ thống tái sử dụng nhiệt từ khí thải với hiệu suất nhiệt 95% Ở các vùng lạnh, không khí từ các khu văn phòng, khách sạn và nhà ở thoát ra theo hệ thống thông gió cũng mang theo một nhiệt lượng đáng kể và cũng được thu hồi để sưởi nóng không khí sạch trước khi bơm vào nhà

II: Sử dụng nhiệt thải trong ngành công nghiệp xi măng1 Biến nhiệt thải ống khói thành điện năng

Kỹ sư tua-bin Daniel Stinger và kỹ sư xăng dầu Farouk Mian (Mỹ) đã thiết

kế một hệ thống cực kỳ đơn giản để sử dụng hầu hết loại nhiệt thải này Hệ thống này không sử dụng hơi nước mà dùng hơi propane để quay tua-bin, giúp tăng

hiệu quả của các nhà máy điện, đồng thời giảm lượng khí phát thải.

Hơi nước được sử dụng để quay máy phát điện phải được điều áp và nâng tới nhiệt độ 650 độ C Điều đó có nghĩa là không thể sử dụng nhiệt của các loại khí dưới 450 độ C trong ống khói để sản xuất điện Đây là một trong những lý do tại sao hiệu suất tổng thể của nhà máy điện sử dụng nhiên liệu hoá thạch chỉ ở khoảng 35% Nhiều nhà máy hoá chất và lọc dầu cũng thải nhiệt thải ở nhiệt độ thấp.

Không giống nước, propane có điểm sôi thấp hơn Nhiệt trong ống khói sẽ được sử dụng để bốc hơi propane lỏng đã được điều áp Hơi propane sẽ được dẫn tới tua-bin, làm quay tua-bin để tạo điện năng Do hơi propane vẫn chứa nhiều nhiệt sau khi nó thoát khỏi tua-bin nên hai nhà nghiên cứu đã thiết kế một tua-bin thứ hai Nhiệt đi ra từ tua-bin thứ nhất tiếp tục làm bốc hơi propane và hơi đó làm quay tua-bin thứ hai.

Theo tính toán, các nhà máy điện sử dụng hai tua-bin như trên có thể tăng hiệu suất từ 35% tới 60% Thậm chí, nếu chỉ có 20% nhiệt thải công nghiệp được biến thành điện năng theo cách trên, nó sẽ làm tăng thêm trên 200 gigawatt điện cho nước Mỹ, chiếm gầm 20% tổng nhu cầu điện của quốc gia này Hệ thống sẽ sản xuất điện năng với chi phi ngang bằng điện từ các tua-bin hơi nước bình thường Nhiều điện hơn từ cùng một lượng nhiên liệu đồng nghĩa với ít khí CO2 phát thải hơn.

Một lợi thế khác của hệ thống là làm lạnh khí thải trong ống khói xuống chừng 55 độ C, do đó nhiều chất ô nhiễm như thuỷ ngân ô-xit, hoặc cadmium ô-xit sẽ ngưng tụ bên trong ống khói Từ đây, chúng được thu thập để xử lý an toàn, không phát tán ra môi trường xung quanh Joseph Roop, một nhà kinh tế tại Bộ Năng lượng Mỹ cho biết giải pháp này mở ra khả năng bắt giữ nhiệt phẩm cấp thấp mà chúng ta hiện chưa khai thác chút nào.

Các nhà nghiên cứu trên đã thành lập Công ty Wow Energy ở Texas để cấp phép bản quyền công nghệ này cho ngành điện năng ngay khi nhận được bằng sáng chế Hệ thống sẽ giúp ngành điện sử dụng các nguồn nhiệt dưới 450 độ C, bao gồm phần lớn nhiệt thải công nghiệp BP và Chevron Texaco rất quan tâm tới hệ thống ăn nhiệt này trong nhà máy của họ.

2 Sử dụng nhiệt thải của lò nung Clinker để phát điện

Ngành Công nghiệp xi măng là một ngành tiêu hao năng lượng rất lớn, để sản xuất ra một tấn clinker theo công nghệ lò nung tiên tiến phải tiêu tốn 730.000-

không khí lượng khí thải rất lớn 2500 - 2800m3 ở nhiệt độ từ 350-380 ◦Cvới nồng độ bụi trung bình 50mg/Nm3 gây ô nhiễm môi trường, hiệu ứng nhà kính Để sản xuất ra một tấn xi măng phải tiêu tốn 90-100Kwh điện.

Trong những năm gần đây, nhiều nước trên thế giới đã không ngừng nghiên

cứu công nghệ cải tiến kỹ thuật, cải tiến thiết bị để tiết kiệm năng lượng Cải tiến lò nung từ một tháp tiền nung trao đổi nhiệt lên hai tháp, từ 4 tầng lên 5,6 tầng với calciner hiệu suất cao, tối ưu hoá hệ thống gió 3, để góp phần đáng kể việc giảm tiêu hao nhiên liệu nung luyện clinker với định mức thấp hơn 720 Kcal/kg clinker Đồng thời thiết kế cải tiến thiết bị nghiền nguyên liệu, nghiền than, nghiền xi măng Từ nghiền bi sang nghiền con lăn, nghiền đứng, nghiền Horomill với hệ thống thiết bị phân ly hiệu suất cao, giảm tiêu hao điện năng dưới định mức 90 Kwh/tấn xi măng.

Trong những năm gần đây, nhiều công ty xi măng trên thế giới đã tận dụng

nhiệt thải của lò nung clinker để phát điện, tự cung cấp gần 30% nhu cầu điện để sản xuất xi măng, đồng thời đã góp phần quan trọng, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, hiệu ứng nhà kính, là giải pháp tối ưu.

a Sơ lược nguyên lý công nghệ sử dụng nhiệt thải ở nhiệt độ thấp của lò nung clinker để phát điện:

- Gió nóng có nhiệt độ cao 300 - 3500C ra khỏi máy làm nguội clinker sau khi qua máy lọc bụi phân ly, 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 350 - 380°C 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 250°C 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 2 đoạn, đoạn I là đoạn sản sinh ra hơi nước, đoạn II là đoạn sinh ra nước nóng Nước bão hoà ở nhiệt độ 135°C do nồi hơi sinh ra sẽ được cấp vào đoạn I của nồi hơi AQC và cho nồi hơi SP, hơi nước quá nhiệt 1,6 MPa - 300°C 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, 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 (10) Kv của trạm biến áp tổng, máy sẽ vận hành mạnh song song với mạch điện tại chỗ.

b Sơ đồ công nghệ trạm sử dụng nhiệt thải để phát điện:

c Những thiết bị chính của trạm:

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: 3.1 Nồi hơi nhiệt dư đầu lò AQC để sử dụng khí thải của máy làm nguội clinker 3.2 Nồi hơi nhiệt dư đuôi lò SP để sử dụng khí thải ra từ tháp trao đổi nhiệt 3.3 Turbine hơi nước kiểu phù hợp với trạm điện.

3.4 Máy phát điện đồng bộ với turbine hơi nước là máy phát điện xoay chiều thông thường.

3.5 Hệ thống nước làm nguội tuần hoàn, đáp ứng nhu cầu sử dụng nước làm nguội của trạm điện.

3.6 Trang bị một hệ thống xử lý nước bằng phương pháp hoá học gồm bộ thiết bị lọc 2 cấp nối tiếp để đáp ứng nhu cầu nước dùng cho nồi hơi của trạm điện.

3.7 Trang bị một hệ thống điều khiển máy tính DCS đồng bộ nhằm đáp ứng nhu cầu vận hành của trạm điện.