ĐÁNH GIÁ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG pdf

Dữ liệu khảo sát cơ bảnTình trạng quản lý năng lượng Lượng năng lượng sử dụng thiết bị nhiệt Cách nhiệt Giảm bức xạ Hệ thống hơi Lò đốt và xả khí thải Thu hồi nhiệt thừa Khảo sát và phân

CNS 04

ĐÁNH GIÁ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG

Nguyễn Kim Thanh

2010

Nội dung

• Các bước chung đo đạc sử dụng năng

lượng

• Nhiên liệu và các vấn đề cơ bản nhiệt

• Đánh giá sử dụng năng lượng của lò hơi

• Bài tập ví dụ

Ví dụ về tiêu thụ năng lượng trong các ngành CN tại Hoa Kỳ

1994 Net Energy Consumption For SIC 20-39:

47% Fuel, 34% Steam, 19% Electricity

34 5,676

Total

1,185 2,634 3,277 3,261 945 2,568 1,303 1,338

100 16,511

Source: Anthony Wright, Oak Ridge National Laboratory, US, 2002

nd P

aper

28 C

hemicals

29 P

etroleum

Ref

ining

32 S

tone/Clay/Glass

33 Primar

y M

etals

Metal-Ba

sed

Durables

Othe

r Man

ufac

turing

Steam Use Dominates Energy Consumption In

Pulp And Paper, Food, And Chemicals

Nội dung kiểm tóan năng lượng

• 1 Kiểm toán sử dụng năng lượng tại nhà máy

Thiết kế cơ bản kiểm toán năng lượng

(1) Thủ tục kiểm toán năng lượng tại nhà máy

(2) Các điểm kiểm toán

(1) Thủ tục…

Phỏng vấn, Phiếu câu hỏi Dụng quan sát vận cụ

hành

Kiểm tra

dữ liệu và báo cáo

Lập báo cáo các biện pháp cải tiến

- Phân tích kết quả đo

- Thảo luận với nhà máy

- Cân bằng nhiệt chi tiết

- Phân tích các kết quả đo đạc chi tiết

- Đề xuất các phương án kỹ thuật cải tiến

- Tính tóan kỹ thuật chi tiết

-Dự báo hiệu quả

- thử lại theo quan điểm kinh tế

xác nhận vấn

đề

Các kết quả khảo sát sơ bộ

ECCJ

Dữ liệu khảo sát cơ bản

Tình trạng quản lý năng lượng Lượng năng lượng sử dụng

thiết bị nhiệt

Cách nhiệt Giảm bức xạ

Hệ thống hơi

Lò đốt và xả khí thải Thu hồi nhiệt thừa

Khảo sát và phân ích hiện trạng các thiết

bị thông thường

Hệ thống bơm cho thiết bị nhiệt Các hệ thống đồng

sản xuất Điều hoà không khí

Các thiết bị nâng cấp và cải tiến

(2) Các điểm chính trong kiểm toán năng lượng

(Examples)

ECCJ

2 Đo đạc

(1) Thiết bị đo (2) Công cụ đo (3,Đo và phân tích dữ liệu)

ECCJ

(1) Thiết bị đo

1 Nhiệt độ:

1-1 Nhiệt kế đo bề mặt (Thermo couple K-type) 1-2 Nhiệt kế đo bức xạ (Infrared )

1-3 Nhiệt kế kết hợp đo độ ẩm (Thermister)

1-4 Cool memory (bộ nhớ bảo ôn)

2 Đo điện: thế và cường độ dòng

Điện kế lọai kẹp

3 Phân tích khí: nồng độ Oxygen meter

4 Bẫy hơi (Steam trap checker)

5 Độ sáng (Illuminance): Digital luxmeter

6 Flow meter, Pressure,vv.

7 Khác: Digital photo camera, etc.

ECCJ

Portable type ultrasonic

flow-meter for liquid

Đo dòng lỏng cầm tay

siêu âm Electromagnetic flow-meter (for

liquid)- cảm biến từ đo dòng lỏng

Ultrasonic flow-meter for gases-

đo dòng khí siêu âm

ECCJ

Flue gas oxygen

analyzer

Phân tích oxy

Radiation thermometer (portable, non-contact type)

Infrared thermal image display unit

Đo hồng ngoại bức xạ

Electricity power meter

Đo điện: cường độ

dòng và thế

(2) Công cụ do - (2/2)

ECCJ

Lò hơi…

Source: www.mae.ncsu.edu ; www.lenntech.com

Lò hơi…

Đốt Dầu

• Thông số về dầu:

– Nhiệt trị cao (ko có hơi nước): 42-43MJ/kg

– Nhiệt trị thấp (có hơi nước): 39.8-41.5MJ/kg

Nhiệt trị (calorific value)

• chỉ năng lượng được tạo ra

• Gross calorific value (GCV): nước đã được ngưng tụ hết

• Net calorific value (NCV): nước không được ngưng tụ hết

Fuel Oil Gross Calorific Value (kCal/kg)

Diesel Oil 10,800 L.D.O (light DO) 10,700 Furnace Oil (FO) 10,500 LSHS (low sulfure heavy stock) 10,600

1kCal=4,1876kJ=1,163kWh

=3,969Btu

 Nhiệt trị của nhiên liệu

• The typical GVCs for various coals are:

Parameter Lignite

(Dry Basis)

Than Ấ

độ Indonesia Than Than Nam Phi

GCV (kCal/kg)

4,500 4,000 5,500 6,000

Đốt than

• Than antracite

- Nhiệt trị cao: 35.Mj/kg hay 9.9kwh/kg

- Nhiệt trị thấp: 34MJ/kg hay 9.4kwh/kg

• Than chất lượng thấp hơn:

- Nhiệt trị cao: 28.6MJ/kg hay 7.9kwh/kg

- Nhiệt trị cao: 27.3MJ/kg hay 7.6kwh/kg

1.0 gigajoule (GJ) = 10 9 joules = 0.948 million Btu =

239 million calories = 278 kWh

1000 Btu/lb = 2.33 GJ/ton

© UNEP 2006

Type of Fuels Nhiên liệu khí (Gaseous Fuels)

Nhiệt trị cao kCal/Nm 3

Tỷ số Air/Fuel

m 3 /m 3

Nhiệt độ ngọn lửa

o C

Tốc độ ngọn lửa m/s

Natural Gas

-So sánh thành phần hóa học giữa các lọai

nhiên liệu (%khối lượng)

16 13 9 8 4

1Kj=0,9478 Btu = 238,8 calorie

1kg = 2,2046 lb

1000J=0,9478 Btu = 238,8 calorie; 1,0 kWh = 3,6 MJ = 3,413 mBtu

1kg = 2,2046 lb

Nhắc lại: các điểm về nhiệt

Enthanpy và truyền nhiệt

H

Hệ số a,b và c của một số khí

Lucht=air=kk xung quanh

• Sự thay đổi phase của nước Nhiệt dung cần thay đổi có thể tính (theo nhiệt độ thay đổi của hệ thống)

Hv=3,154*106 – 2,386*10-3T (j/kg)

• Enthanpy của một số tạo lập:

Các m i liên li trong quá trình ố ệ đố t

Fuel Fuel trừ nước

Volatile components

Solid carbon residue

drying

Flue gas

Nhiệt lượng của hơi nước

• Q steam = m s (h 2 -h 1 )

– Q: nhiệt lượng của hơi nước (Kj/h)

– ms: khối lượng hơi nước (tính theo đầu vào)

(kg-tấn/h)

– h2: enthanpy của hơi nước khi ra khỏi lò hơi

(kJ/kg.tấn);

– h1: anthanpy của nước khi vào lò hơi (KJ/kg.tấn)

• Hiệu quả của lò hơi (theo nhiệt động học bậc 1)

ηt=Qsteam/Qinput

- Qsteam=mfuel.LCV

- LCV: low calorie value cho khí thiên nhiên và GCV cho

các nhiên liệu còn lại.

Tổng quan về cân bằng nhiệt

• Tính toán chính xác được cân bằng nhiệt

là 1 việc khó:

– đầu vào: nhiên liệu tiêu thụ

– Hiệu quả sản xuất và phân phối hơi: có thể, nhưng khó khăn;

– Sử dụng: hầu như không thể tính toán chính xác

• Để thuận tiện hơn thì thực hiện khảo sát tổn thất năng lượng:

– Tổn thất ở nồi hơi;

– Tổn thất theo hệ thống phân phối;

– Sử dụng kém hiệu quả

Cân bằng tổn thất nhiệt cho nồi hơi

• Nhiệt trong hơi

• Tổn thất quá khói lò:

– Tổn thất dạng khô;

– Tổn thất ẩm (H2O và H2);– Do cháy không hoàn toàn

• Tổn thất do bức xạ và đối lưu

Các yếu tố chính của nồi hơi

Buồng đốt

Trao đổi nhiệt

Nhà máy giấy

Sơ đồ dòng nhiệt của nồi hơi

Nước ngưng thu hồi

Bức xạ và đối lưu

Than/

dầu

Tổn thất qua khói lò

Hơi (stream)

Cân bằng tổn thất nhiệt cho nồi hơi

•Các tổn thất điển hình:

– Tổn thất qua bức xạ và đối lưu: 1-2%

– Tổn thất do ẩm trong nhiên liệu: 2%

– Tổn thất do cháy không hoàn toàn:2-3%

– Cp: nhiệt dung riêng của khói lò (=1kJ/kg.k)

– ΔT: chênh lệch nhiệt độ giữa 2 môi trường

Cp của hỗn hợp khí?

Bài tập tính

Tổn thất nhiệt qua khói lò (4)

• Tổn thất nhiệt thay đổi theo lượng ko khí dư

Lưu ý câu hỏi: Ở phần đọc thêm, nhiệt độ khói lò của lò hơi trong khoảng

bao nhiêu là hợp lý, tại sao?

Phân tích mức độ không khí dư

CO2: 14,5-15%; O2: 1-1.5% đối với dầu FO UNEP, 2006

• Một cách dơn giản hoá có thể tính tổn thất qua khói lò của nồi hơi khi đốt than và khi

• Tổn thất qua khói lò (%)=

α *(T ok -T xq )/nồng độ CO2 [%]

Tổn thất qua khói lò (6)

Diễn giải CO2 trong khói lò (1)

• Hàm lượng CO2 khoảng 14-15% không

đánh giá là hiệu suất nồi hơi cao Có

nghĩa là CO có thể rất cao và nguy hiểm

tiềm tàng;

• Hàm lượng CO2: 12-14% sẽ mang ý

nghĩa tốt khi trong khói lò lượng muội ít

(độ Bacharach: 0-3) và CO rất nhỏ

(<500ppm)

Diễn giải O2 trong khói lò

1 Do áp suất âm trong hệ thống nên không

khí rò rỉ vào trong hệ thống là đều bình

thường và không phải là ngoại lệ (tùy

thuộc vị trí đo).

đo sai hoặc ít không khí dư Trong

trường hợp này cần tiến hành phân tích

CO hoặc muội.

CO<500ppm

Mối quan hệ giữa tỷ lệ khí dư và Oxy còn lại trong

Diễn giải về CO trong khói lò

• Hàm lượng CO cao (>500ppm) trong khói

được nguyên nhân;

• Lượng không khí dư thông thường

10-25%

Thành phần khói lò tối ưu cho các loại nhiên liệu

Nhiên liệu O2 (%) CO2 (%) Không khí dư

(%)Khí thiên nhiên

Tổn thất do bức xạ

Tính toán tổn thất do ức xạ phức tạp hơn nhiều so

với các dạng tổn thất khác

Vì thế ở đây có một cách để làm đơn giản hóa

Sơ đồ dưới đây chỉ ra tỷ lệ giữa nhiệt thoát khỏi bề mặt vào môi trường do đối lưu và bức xạ

Tỷ lệ này phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ bề mặt

Sơ đồ này chỉ ra % tổn thất do bức xạ so với tổn

thất do đối lưu ở mọt nhịet độ bề mặt nhất định

Hệ thống phân phối hơi

• Tổ thất do bức xạ và đối lưu

• Bố trí hệ thống phân phối hơi

• Các chỗ rò rĩ

Đối lưu mô tả cơ chế khi không khí xung quanh lạnh hơn bề mặt nóng, lấy bớt nhiệt của bề mặt này Tổn thất đối lưu có thể tính như sau:

Q= F* α * ∆ T

Trong đó:

Q= nhiệt năng tổn thất (W)

F= bề mặt tỏa nhiệt do đối lưu (m2)

∆T= chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và không khí xung quanh (K)

α = hệ số truyền nhiệt (W/m2*K)

Tổn thất do đối lưu

Công thức đơn giản tính tổn thất do đối lưu

Trong đó:

S = tổn thất nhiệt theo đơn vị bề mặt

Công thức này đúng với nhiệt độ bề mặt

Bảo ôn bề mặt nóng

Hướng dẫn bảo ôn bề mặt nóng (chiều dày lớp bảo ôn, mm)

Nhiệt độ Đường kính ống Flat

surfaces

25 50 75 100 150

<100 o C 25 25 50 50 65 50 100-150 25 25 50 50 65 75 150-200 25 40 50 65 75 90 200-250 25 50 50 65 75 90 250-300 25 50 50 75 90 100 Chiều dày lớp bảo ôn nhiệt có thể xác định thông qua cân bằng chi

phí cho các dạng tổn thất nhiệt khác nhau hoặc tiết kiệm nhiệt với chi phí bảo ôn

Rò rỉ hơi

Nếu các chỗ rò rĩ phát hiện được bằng mắt thường thì cần phải khắc phục ngay Ngoài lãng phí nhiệt, rò rĩ

hơi còn dẫn tới giảm áp suất Lượng hơi rò rĩ phụ

thuộc vào kích thứơc lỗ rò và áp lực hơi Bảng sau

đưa ra ước tính tổn thất hơi.

Tổn thất dầu do không bảo ôn bề mặt

Tổn thất dầu do đường ốngkhông bảo ôn

( lít dầu/năm/m chiều dài )

Nhiệt độ( o C) (25

mm) (50 mm) (75 mm) (100 mm) (150 mm) 50

100 150 200 250 300

15 74 160 248 340 482

28 133 288 426 628 895

40 190 410 620 916 1290

50 250 472 786 1182 1628

68 360 680 1136 1713 2428

Tổng chất rắn hòa tan trong nồi hơi và xả đáy

Tổng chất rắn hòa tan (TDS) tối đa, nồng độ cho phép đối với các

loại nồi hơi:

Ngoài bảng dưới, cần tham khỏa thêm hướng dẫn do nhà sản xuất

cung cấp

1 Lancashire 10,000ppm

2 Nồi hơi ống nước (12kg/cm 2 ) 5,000 ppm

3 Nồi hơi, ống nước có bộ gia

nhiệt…, H.P 3,000-3,500 ppm

4 Nồi hơi tiết kiệm nhiên liệu 3,000 ppm

UNIDO, 2000

Ví dụ về xả đáy (blow down)

• Một boiler sử dụng nước có nồng độ chất rắn

hòa tan là 120 mg/l.Theo tiêu chuẩn IS thì nồng

độ TDS không nên vượt quá 3500 mg/l cho nồi nơi vận hành ở 2 MPa Để duy trì hiệu quả họat động công tác xả đáy thường xuyên phải được thực hiện Hỏi phần trăm lượng nước xả đáy

thường kỳ của lò hơi?

Ví dụ về nồi hơi

Sau khi xem xét và nghiên cứu cụ thể sơ đồ dòng vật chất và lợi ích kinh tế của hệ thống nồi hơi, người ta quyết định lắp

đặt thiết bị tận thu nhiệt cho nồi hơi TDA 4000 để thu hồi

một phần tổn thất nhiệt cho qúa trình sản xuất Các chi phí

thực hiện bao gồm mua mới một thiết bị tận thu nhiệt và lắp

đặt

Nhiệt 123,840Kcal

Khói (101 0 C) 185,382Kcal

Bức xạ bên ngoài 17,144Kcal

Cân bằng năng lượng của nồi hơi sau khi thực hiện dự án SXSH

Năng lượng cấp:

2,861,150 Kal

Năng lượng tạo ra:

Hữu dụng: 2,650,560Kcal +Tổn thất:210,590 Kcal Hiệu suất nồi hơi: 92.6%

Hơi 2,526,720Kcal

Định kỳ, xã đáy 8,064Kcal

Ước tính tổn thất do bức xạ

Nhiệt tổn thất thêm do bức xạ

Tổn thất phụ trội do bức xạ (tổn thất do đối lưu 100%)

Tỷ lệ nhiệt tổn thất giữa bức xạ và đối

lưu phụ thuộc vào nhiệt độ của từơng

Ví dụ:

Với nhiệt độ bề mặt là140 o C Thì tổn thất do bức xạ bằng 95% tổn thất do đối lưu

% nước ngưng thu hồi

THU HỒI NƯỚC NGƯNG

Khả năng tiết kiệm do làm nóng sơ bộ không khí

Cải thiện hiệu suất %

Khả năng làm nóng sơ bộ nước cấp

Cải thiện hiệu suất %

Gia nhiệt sơ bộ cho nước cấp o C 0

thông số khác như sau:

– Nhiệt độ nước ngưng ở đường ống tuần hoàn là 70oC.

– Nhiệt độ nước cấp (tự nhiên ban đầu) là 25oC

Câu hỏi

1 Hãy giải thích cách tính tổn thất nhiệt qua khói lò

2 Hãy giải tính cách tính tổn thất do đối lưu

4 Hãy liệt kê các biện pháp kỹ thuật thiết bị trong chống

tổn thất năng lượng?

thiết bị gì?

6 Liệt kê 4 biện pháp quản lý tốt nội vi nào có thể giảm

thiểu tổn thất cho nồi hơi?

nâng cao hiệu quả quá trình đốt

8 Hãy cho biết nhiệt độ thích hợp trong khói lò khi ra

khỏi ống khói nên là khỏang nào? Giải thích

của lớp cặn tạo ra (xem bài đọc)

Mật độ hơi nước theo nhiệt độ o C(vapor density) từ thực nghiệm

Temp (C) Temp (F)

Satured vapor pressure (mmHg)

Saturated vapor density (g/m 3 )

© UNEP 2006

Type of Fuels Liquid Fuels

Typical specifications of fuel oils

(adapted from Thermax India Ltd.)

© UNEP 2006

Type of Fuels Solid Fuels (Physical properties)

Đặc tính của khí thiên nhiên

Nguồn: CLEAVER BROOKS, boiler manufacturer, US

© UNEP 2006

Các cơ hội nâng cao hiệu quả năng lượng

 Gia nhiệt cho dầu trước khi đốt

 Temperature control of combustion

© UNEP 2006

Energy Efficiency Opportunities

 Purpose: to make furnace oil easier

to pump

 Two methods:

• Preheating the entire tank

• Preheating through an outflow heater as the oil flows out

Preheating of Combustion Oil

© UNEP 2006

Energy Efficiency Opportunities

 To prevent overheating

• With reduced or stopped oil flow

• Especially electric heaters

 Using thermostats

Temperature Control of Combustion Oil

© UNEP 2006

Energy Efficiency Opportunities

Sizing and screening of coal

• Important for efficient combustion

• Size reduction through crushing and pulverizing (< 4 - 6 mm)

• Screen to separate fines and small particles

• Magnetic separator for iron pieces in coal

Preparation of Solid Fuels

© UNEP 2006

Energy Efficiency Opportunities

Conditioning of coal:

• Coal fines cause combustion problems

• Segregation can be reduced by conditioning coal with water

• Decrease % unburnt carbon

• Decrease excess air level required

© UNEP 2006

Energy Efficiency Opportunities

Blending of coal

• Used with excessive coal fines

• Blending of lumped coal with coal containing fines

• Limits fines in coal being fired to <25%

• Ensures more uniform coal supply

© UNEP 2006

Energy Efficiency Opportunities

• Assist burner to achieve optimum boiler efficiency through the regulation of fuel supply, air supply, and removal of

combustion gases

• Three controls:

• On/Off control: burner is firing at full rate or it is

turned off

• High/Low/Off control: burners with two firing rates

• Modulating control: matches steam pressure

demand by altering the firing rate

Petroleum Fractions

Fraction Boiling

Point ( o C)

Hãy tính khối lượng khí sinh ra/kg nhiên liệu ở ĐKTC?

Phát thải do sản xuất năng lượng

• Ước tính sơ bộ cho sản xuất điện (nhiệt điện)

• Phát thải theo kwh được tải:

Melting Points and Heat of Fusion

Substance Melting pointK Melting point°C Heat of fusion(103 J/kg)