Nghiên cứu nâng cao hiệu quả sử dụng nhiệt năng ở nhà máy xi măng bình phước bằng phương pháp exergy

TÓM TẮT Luận văn nghiên cứu sử dụng phương pháp exergy nhằm đánh giá hiệu quả sử dụng nhiệt năng của Nhà máy xi măng Bình Phước.. Trong quy trình sản xuất, năng lượng cung cấp toàn bộ cá

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

HOÀNG NGỌC LINH

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ SỬ

DỤNG NHIỆT NĂNG Ở NHÀ MÁY XI MĂNG

BÌNH PHƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP EXERGY

Chuyên ngành : KỸ THUẬT NHIỆT

Mã số : 6052.0115

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 06 NĂM 2018

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC

BÁCH KHOA - ĐHQG - TPHCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: GS, TS LÊ CHÍ HIỆP

Chữ ký

TS TẠ ĐĂNG KHOA Chữ ký

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS HÀ ANH TÙNG

Chữ ký

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS ĐẶNG THÀNH TRUNG

Chữ ký

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM Ngày tháng năm 2016 Thành phần hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm: 1 TS NGUYỄN THẾ BẢO

2 TS TRẦN VĂN HƯNG

3 TS HÀ ANH TÙNG

4 PGS.TS ĐẶNG THÀNH TRUNG

5 TS LÊ MINH NHỰT Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: HOÀNG NGỌC LINH MSHV: 1570317

Ngày, tháng, năm sinh: 22-12-1985 Nơi sinh: KHÁNH HÒA Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt Mã số: 60520115 

I TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NHIỆT NĂNG Ở NHÀ MÁY XI MĂNG BÌNH PHƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP EXERGY

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

 Tìm hiểu vấn đề sử dụng nhiệt năng của Nhà máy xi măng Bình Phước

 Đánh giá hiệu quả sử dụng nhiệt năng của Nhà máy bằng phương pháp exergy

 Đề xuất các giải pháp kỹ thuật

 Tính kinh tế cho từng giải pháp kỹ thuật

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/06/2018

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn luận văn của tôi là GS.TS Lê Chí Hiệp và TS Tạ Đăng Khoa đã nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các Thầy Cô trong bộ môn Công nghệ nhiệt đã giảng dạy cho tôi trong thời gian qua Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô trong Khoa Cơ Khí đã tích cực tạo điều kiện, giúp đỡ và hướng dẫn cho tôi học tập nghiên cứu trong suốt khóa học này

Cuối cùng cho tôi được gửi lời cảm ơn đến gia đình, đồng nghiệp và bạn bè

đã động viên, giúp đỡ và khuyến khích tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Ngày 12 Tháng 16 Năm 2018

HOÀNG NGỌC LINH

TÓM TẮT

Luận văn nghiên cứu sử dụng phương pháp exergy nhằm đánh giá hiệu quả

sử dụng nhiệt năng của Nhà máy xi măng Bình Phước Từ đó đưa ra các giải pháp

kỹ thuật với mục tiêu nâng cao hiệu quả sử dụng nhiệt năng của Nhà máy Kết quả thu được sau khi thực hiện giải pháp giúp thu hồi tối đa khoảng 68,4% lượng exergy thất thoát qua khói thải từ preheater và khí nóng từ cooler

Abstract

This thesis studies about the exergy analysis technique application to assess the thermal efficiency of Binh Phuoc cement plant Then set out the technical solutions with the goal of increasing thermal efficiency After implementing the solutions, 68,4% of exergy loss via preheater exhaust gas and cooling vent can be recovered

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan rằng, nội dung của luận văn này là kết quả làm việc của tôi dưới sự hướng dẫn của Thầy tôi là GS.TS Lê Chí Hiệp và TS Tạ Đăng Khoa, ngoại trừ các phần tham khảo từ các tài liệu khác, được ghi rõ trong luận văn

Tp.HCM, Ngày 12 tháng 06 năm 2018

HOÀNG NGỌC LINH

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Tổng quan ngành sản xuất xi măng 1

1.1.1 Giới thiệu ngành sản xuất xi măng trong nước 1

1.1.2 Ngành xi măng thế giới 3

1.1.3 Trình độ công nghệ và năng lực sản xuất trong nước 4

1.1.4 Quy trình sản xuất xi măng 6

1.1.5 Tiêu thụ năng lượng 10

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 13

1.3 Mục tiêu của đề tài 15

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 15

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 16

CHƯƠNG 2: TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI 17

2.1 Sử dụng phương pháp phân tích năng lượng 18

2.2 Sử dụng phương pháp phân tích exergy 21

2.3 Sử dụng kết hợp phương pháp phân tích năng lượng và phân tích exergy 24

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP EXERGY 27

3.1 Giới thiệu 27

3.2 Các quá trình nhiệt và hóa học 28

3.3 Exergy của dòng nhiệt 29

3.4 Cân bằng exergy 32

3.5 Phương pháp phân tích exergy 34

CHƯƠNG 4: HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TẠI NHÀ MÁY XI MĂNG BÌNH PHƯỚC 38

4.1 Giới thiệu tổng quan nhà máy xi măng Bình Phước 38

- Hệ thống khai thác đá và đất sét 39

- Hệ thống sản xuất và tồn trữ Clinker 40

- Hệ thống sản xuất xi măng 41

4.2 Sử dụng nhiệt năng tại Nhà máy xi măng Bình Phước 43

4.3 Quá trình nung Clinker 46

4.4 Thu thập dữ liệu phục vụ cho các kỹ thuật phân tích 47

4.5 Tính toán cân bằng exergy 50

4.5.1 Exergy: thế công của năng lượng 50

4.5.2 Các phương trình đã áp dụng vào phân tích exergy trong sản xuất xi măng 51

4.5.3 Exergy hóa học của quá trình vôi hóa 53

4.5.4 Exergy hóa học của nhiên liệu 54

4.6 So sánh với tính toán cân bằng năng lượng 58

4.7 Đề xuất các giải pháp kỹ thuật 62

CHƯƠNG 5: PHÂN TÍCH GIẢI PHÁP CẢI THIỆN HIỆU SUẤT NĂNG LƯỢNG VÀ HIỆU SUẤT EXERGY 64

5.1 Khắc phục triệt để khí tươi xâm nhập vào tháp trao đổi nhiệt 64

5.1.1 Đề xuất giải pháp 64

5.1.2 Phân tích Lợi ích – Chi phí 65

5.2 Tận dụng nhiệt thải sau làm mát Clinker cấp gió nóng cho béc đốt chính 66

5.2.1 Đề xuất giải pháp 66

5.2.2 Phân tích Lợi ích – Chi phí 67

5.3 Thu hồi nhiệt thải cấp cho hệ thống phát điện 68

5.3.1 Đề xuất giải pháp 68

5.3.2 Phân tích Lợi ích – Chi phí 72

5.4 Đánh giá hiệu quả của giải pháp 73

5.4.1 Khắc phục khí tươi xâm nhập vào tháp trao đổi nhiệt 73

5.4.2 Thu hồi khí thải từ cooler cấp cho béc đốt chính của lò nung 74

5.4.3 Thu hồi nhiệt thải để phát điện 75

5.5 Phân tích tài chính dự án 76

5.5.1 Vốn đầu tư và các chi phí 77

5.5.2 Tiềm năng tiết kiệm của dự án 77

5.5.3 Tiêu chí đánh giá của dự án đầu tư 77

5.6 Nghiên cứu điển hình 79

5.6.1 Nhà máy xi măng Kiên Lương 80

5.6.2 Nhà máy xi măng Công Thanh 85

5.6.3 Nhà máy xi măng Holcim 86

5.6.4 Nhà máy xi măng Chinfon 88

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 90

6.1 Kết luận về kết quả đạt được và chưa đạt được 90

6.1.1 Kết quả đạt được 90

6.1.2 Kết quả chưa đạt được 90

6.2 Hướng nghiên cứu tiếp theo 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Hiện trạng sản xuất và tiêu thụ xi măng của Việt Nam từ 2000-2010 2

Hình 1.2 Tiêu thụ xi măng trên thế giới 3

Hình 1.3 Quy trình sản xuất xi măng 7

Hình 1.4 Tỉ lệ chi phí năng lượng của 1 nhà máy năm 2012 13

Hình 2.1 Quy trình sản xuất clinker 21

Hình 2.2 Biểu đồ Sankey cân bằng exergy 23

Hình 3.1 Lịch sử exergy 27

Hình 3.2 Các thành phần exergy 28

Hình 3.3 Xác định các trạng thái 29

Hình 3.4 Chu trình Carnot với nhiệt độ trên nhiệt độ môi trường 30

Hình 3.5 Chu trình Carnot với nhiệt độ dưới nhiệt độ môi trường 31

Hình 3.6 Nguồn nóng với nguồn nhiệt hiện và nhiệt ẩn 32

Hình 3.7 Biểu đồ Grassmann của một hệ thống hoặc quá trình 33

Hình 3.8 Phương pháp phân tích exergy 35

Hình 4.1 Sơ đồ bố trí mặt bằng của nhà máy xi măng Bình Phước 38

Hình 4.2 Giai đoạn chuẩn bị phối liệu và hình ảnh cối đập 39

Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý chung giai đoạn nghiền bột sống 40

Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý chung giai đoạn nung Clinker 40

Hình 4.5 Thiết bị nghiền xi măng 41

Hình 4.6 Máy đóng bao Haver - Boecker 42

Hình 4.7 Tỉ lệ chi phí năng lượng của Nhà máy xi măng Bình Phước 43

Hình 4.8 Lò nung Polysius và tháp trao đổi nhiệt 45

Hình 4.9 Kho chứa than và kho nguyên liệu 45

Hình 4.10 Clinker sau khi nung 46

Hình 4.11 Màn hình điều khiển hệ thống lò nung 49

Hình 4.12 Biểu đồ giản lược hệ thống lò nung 49

Hình 4.13 Cân bằng exergy 50

Hình 4.14 Cân bằng exergy cho hệ thống lò nung 58

Hình 4.15 Cân bằng nhiệt hệ thống lò nung 61

Hình 4.16 Sơ đồ nguyên lý hệ thống THNT để phát điện 63

Hình 5.1 Phần trăm Oxy tại 2 vị trí 64

Hình 5.2 Một số điểm cần kiểm tra rò rỉ tại tháp trao đổi nhiệt 64

Hình 5.3 Lò nung và 2 cụm béc đốt 66

Hình 5.4 Sơ đồ nguyên lý đề xuất cấp gió nóng cho hệ thống lò nung 67

Hình 5.5 Nguyên lý của quá trình thu hồi nhiệt thải để sản xuất điện 70

Hình 5.6 Sơ đồ đề xuất giải pháp 71

Hình 5.7 Sơ đồ nguyên lý tuabin phát điện 71

Hình 5.8 Sơ đồ của WHRSG 75

Hình 5.9 Sơ đồ nguyên lý hệ thống THNT Nhà máy Kiên Lương 81

Hình 5.10 Hình ảnh thực tế thiết bị hệ thống THNT Nhà máy Kiên Lương 82

Hình 5.11 Tiềm năng tiết kiệm khi lắp đặt hệ thống THNT 84

Hình 5.13 Hệ thống thu hồi nhiệt thải để phát điện 87

Hình 5.14 Nhà máy xi măng Chinfon 88

DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Giải pháp TKNL trong nhà máy quy trình khô 19

Bảng 2.2 Giải pháp TKNL trong nhà máy quy trình ướt 20

Bảng 2.3 Entalpy và exergy của khí thải từ quy trình sản xuất Clinker 22

Bảng 2.4 Cân bằng năng lượng và exergy của preheater-precalciner 24

Bảng 2.5 Cân bằng năng lượng và exergy của lò nung 25

Bảng 2.6 Cân bằng năng lượng và exergy của toàn bộ quá trình 26

Bảng 3.1 Các thành phần exergy 28

Bảng 4.1 Thông số lò nung 47

Bảng 4.2 Nhiệt thải sau làm mát Clinker 47

Bảng 4.3 Thông số vận hành lò nung 48

Bảng 4.4 Thành phần hóa học của nguyên liệu cấp vào lò nung % kg 53

Bảng 4.5 Thành phần % khối lượng của than đá sau khi sấy nghiền 54

Bảng 4.6 Exergy của nhiên liệu 55

Bảng 4.7 Thành phần các khí trong khói thải 55

Bảng 4.8 Cân bằng exergy cho các quá trình 56

Bảng 4.9 Tính toán cân bằng năng lượng 58

Bảng 5.1 Lợi ích – Chi phí giải pháp 1 65

Bảng 5.2 Lợi ích – Chi phí giải pháp 2 67

Bảng 5.3 Lợi ích – Chi phí giải pháp 3 72

Bảng 5.4 Thành phần các khí trong khói thải 73

Bảng 5.5 Cân bằng exergy cho WHRSG 75

Bảng 5.6 Phân tích dòng tiền của dự án 78

Bảng 5.7 Suất tiêu thụ điện Nhà máy xi măng Kiên Lương 82

Bảng 5.8 Suất tiêu thụ điện Nhà máy xi măng Bình Phước 83

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

cp Nhiệt dung riêng đẳng áp (kJ/kg.oC)

T Nhiệt độ của dòng ở trạng thái khảo sát (K)

T0 Nhiệt độ của dòng ở điều kiện cân bằng giới hạn với môi trường (K)

E Tổng exergy (kJ)

Ehòa trộn Exergy hòa trộn của 1 dòng khí (kJ)

Ehóa Exergy hóa (kJ)

Elý Exergy lý (kJ)

ς Hiệu suất exergy

µ0 Thế hóa liên quan đến trạng thái tiêu chuẩn (kJ)

µ0 Thế hóa của trạng thái môi trường liên quan đến trạng thái tiêu chuẩn (kJ)

C Nồng độ của vật chất ở trạng thái tiêu chuẩn

C0 Nồng độ của vật chất ở trạng thái môi trường

yi Thành phần mol trong dòng cho trước

y0i Thành phần mol trong điều kiện môi trường cho trước

ΔHR Năng lượng phản ứng (kJ/mol)

ΔGR Năng lượng tự do Gibbs của phản ứng (kJ/mol)

NPV Giá trị hiện tại ròng

IRR Tỉ suất hoàn vốn nội bộ

Thv Thời gian hoàn vốn chiết khấu

B/C Chỉ tiêu phản ánh tỉ lệ doanh thu và chi phí

PVB Giá trị hiện tại các khoản thu

PVC Giá trị hiện tại các khoản chi phí

1

1.1 Tổng quan ngành sản xuất xi măng

1.1.1 Giới thiệu ngành sản xuất xi măng trong nước

Xi măng là một trong những ngành công nghiệp được hình thành sớm nhất ở Việt Nam (ngày 25/12/1889 khởi công xây dựng nhà máy xi măng đầu tiên tại Hải Phòng) Đến nay đã có khoảng 90 công ty, đơn vị tham gia trực tiếp sản xuất và phục

vụ sản xuất, trong đó khoảng 33 thành viên thuộc Tổng công ty Xi măng Việt Nam (VICEM), 5 công ty liên doanh, và hơn 50 công ty nhỏ và các trạm nghiền

Hiện tại, ở Việt Nam có 2 nguồn cung cấp xi măng cho thị trường là: nguồn sản xuất trong nước và nguồn xi măng nghiền từ clinker nhập khẩu Năm 2001 tiêu thụ xi măng ở Việt Nam là 16,38 triệu tấn, nhưng đến năm 2008 tiêu thụ là 40,1 triệu tấn, năm 2009 tiêu thụ khoảng 45,3 triệu tấn và năm 2010 tiêu thụ khoảng 51 triệu tấn Tốc độ tăng trong tiêu thụ xi măng ở Việt Nam từ năm 2001 đến năm 2010 trung bình khoảng 15,7%/năm, trong những năm từ 2006 đến nay trung bình tăng 11%/năm Trong những năm qua, ngành xi măng đã đóng góp một phần không nhỏ vào tốc độ tăng trưởng kinh tế Việt Nam, trung bình chiếm 10% - 12% GDP

Theo đánh giá, từ năm 2000 – 2009, lượng xi măng sản xuất trong nước vẫn không đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ nội địa do việc xây dựng phát triển mạnh Tuy nhiên, đến hết năm 2010, tổng số dây chuyền sản xuất xi măng đã đầu tư và khai thác

là 106 với tổng công suất thiết kế đạt 66,04 triệu tấn/năm

 59 dây chuyền công nghệ lò quay với tổng công suất thiết kế là 62,56 triệu tấn

 47 dây chuyền công nghệ lò đứng với công suất thiết kế khoảng 3,84 triệu tấn Dưới đây là số liệu về sản xuất và tiêu thụ xi măng của Việt Nam giai đoạn

2000 - 2010:

Hình 1.1 Hiện trạng sản xuất và tiêu thụ xi măng của Việt Nam từ 2000 - 2010

Như vậy, sản lượng sản xuất xi măng trong các năm 2008 – 2010 liên tục tăng Đến năm 2010,năng lực sản xuất xi măng đã vượt nhu cầu

Hiện nay sản phẩm xi măng trên thị trường có nhiều loại, tuy nhiên thông dụng vẫn gồm hai loại sản phẩm chính là:

 Xi măng Portland chỉ gồm thành phần chính là clinker và phụ gia thạch cao, được ký hiệu theo dạng PC30, PC40, PC50

 Xi măng Portland hỗn hợp ngoài thành phần chính là clinker và thạch cao, còn một số thành phần phụ gia khác như đá puzzoland, xỉ lò Trên thị trường các loại xi măng này có tên gọi PCB30, PCB40

3

1.1.2 Ngành xi măng thế giới

Trên thế giới hiện nay có khoảng hơn 160 nước sản xuất xi măng, tuy nhiên các nước có ngành công nghiệp xi măng chiếm sản lượng lớn của thế giới thuộc về Trung Quốc, Ấn Độ và một số nước ở khu vực Đông Nam Á là Thái Lan và Indonesia, Việt Nam

Nhu cầu tiêu thụ xi măng trên toàn cầu không ngừng tăng Từ năm 1950 cho đến nay, sản lượng xi măng liên tục tăng cùng với sự phát triển trong công nghệ sản xuất xi măng Lượng xi măng tiêu thụ năm 2005 trên toàn thế giới là 2.283 triệu tấn

và đến năm 2010 đã lên tới 3.294 triệu tấn (hình 1.2)

Hình 1.2 Tiêu thụ xi măng trên thế giới [7]

Theo dự báo nhu cầu sử dụng xi măng từ nay đến năm 2020: Tăng hàng năm 3,6% năm nhu cầu sử dụng xi măng có sự chênh lệch lớn giữa các khu vực trên thế giới (nhu cầu các nước đang phát triển 4,3% năm, riêng châu Á bình quân 5%/năm, các nước phát triển xấp xỉ 1%/năm)

4

Hiện nay đã xuất hiện tình trạng dư thừa công suất của các nhà máy là phổ biến ở Đông Âu, Đông Nam Á Các nước tiêu thụ lớn xi măng trong những năm qua phải kể đến: Trung Quốc, Ấn Độ, Mỹ, Nhật bản, Hàn Quốc, Nga, Tây Ban Nha, Italya, Braxin, Iran, Mê hy cô, Thổ Nhĩ Kỳ, Việt Nam, Ai Cập, Pháp, Đức

1.1.3 Trình độ công nghệ và năng lực sản xuất trong nước

Số nhà máy xi măng trên toàn Việt Nam được chia thành 3 nhóm chính: nhóm trực thuộc Tổng công ty công nghiệp xi măng Việt Nam, các đơn vị liên doanh với nước ngoài và các nhà máy xi măng được những tập đoàn và công ty tư nhân tự đầu

tư xây dựng Tổng cộng trên cả nước có gần 100 nhà máy sản xuất xi măng

Hiện nay, Việt Nam tồn tại song song hai loại công nghệ sản xuất xi măng:

 Công nghệ sản xuất xi măng lò đứng

 Công nghệ sản xuất xi măng lò quay

Công nghệ sản xuất xi măng lò đứng: chủ yếu là lò đứng nhập từ Trung Quốc, phát triển mạnh từ thập kỷ 80 thế kỷ trước Bên cạnh hạn chế về năng suất của mỗi lò (đạt 80.000 tấn/năm), lò đứng còn bị hạn chế về việc nâng cao chất lượng sản phẩm Thị trường hiện còn chấp nhận xi măng lò đứng sử dụng cho các công trình xây dựng nhỏ Tuy nhiên, theo quy hoạch tổng thể phát triển công nghiệp ngành xi măng ở Việt Nam, tất cả các lò đứng và lò quay phương pháp ướt sẽ phải đóng cửa vào năm 2020

Công nghệ sản xuất xi măng lò quay: có nguồn cung cấp thiết bị chủ yếu là Châu Âu, Nhật Bản và Trung Quốc Công nghệ sản xuất xi măng lò quay có công suất lớn nên được cơ giới hóa và tự động hóa cao, tiêu tốn ít nhiên liệu, tiết kiệm nhiên năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường Hiện nay, công nghệ sản xuất

xi măng lò quay đang dần thay thế công nghệ sản xuất xi măng lò đứng và lò quay phương pháp ướt

5

Trong thời gian vừa qua, Việt Nam nhập nhiều dây chuyền sản xuất xi măng

lò quay công suất nhỏ của Trung Quốc (công suất nhỏ hơn 1200 t/d) Các dây chuyền này thường không được đồng bộ, và hệ thống tự động hóa chưa cao, nên tiêu tốn nhiều năng lượng, tổn thất nguyên liệu lớn và gây ô nhiễm môi trường

Trình độ công nghệ của ngành lạc hậu cũ kỹ thừa hưởng của Nga, Pháp, Trung Quốc những năm 50 của thế kỷ trước vẫn còn được sử dụng Hiện nay với các dự án dây chuyền, nhà máy xi măng lớn sẽ thay thế công nghệ cũ, giúp năng lực sản xuất được tăng lên gấp nhiều lần

Cung vượt cầu là tình trạng mà ngành xi măng đang phải đối mặt Vì vậy xuất khẩu xi măng được coi là giải pháp giúp ngành vượt qua giai đoạn khó khăn này Tuy nhiên để nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao khả năng cạnh tranh chính là tăng chất lượng sản phẩm Chủ trương của chính phủ, đến năm 2015 chấm dứt hoạt động của tất cả hệ thống xi măng lò đứng và chuyển sang xi măng lò quay và đến năm 2015 tất cả các nhà máy phải tự túc ít nhất 20% năng lượng điện từ việc tận dụng nguồn nhiệt khí thải thừa

Tổng công suất thiết kế của các nhà máy xi măng Việt Nam là 68,5 triệu tấn Trong đó 11 công ty xi măng lớn chiếm hơn 50%, Hà Tiên 1 có công suất thiết kế lớn nhất với 7,3 triệu tấn/năm Các nhà máy xi măng lớn của Việt Nam được liệt kê trong bảng sau:

Bảng 1.2: Công suất thiết kế của các nhà máy xi măng lớn của Việt Nam

(ngàn tấn)

Theo Hiệp hội Xi măng Việt Nam, năm 2013 sẽ có 6 nhà máy xi măng với công suất 6,72 triệu tấn đi vào hoạt động, tổng công suất cả nước lên trên 75 triệu tấn/năm Đó là Nhà máy XM X18 công suất 1.000 tấn/ngày; Nhà máy XM 12/9 Nghệ

An (XM Dầu khí) công suất 0,6 triệu tấn/năm; Nhà máy XM Trung Sơn – Bình Minh (Hòa Bình) 0,91 triệu tấn/năm; Nhà máy XM Hương Sơn 0,35 triệu tấn/năm; XM Mai Sơn (Sơn La) 0,91 triệu tấn/năm; XM Công Thanh 2 (Thanh Hóa) 3,6 triệu tấn/năm

1.1.4 Quy trình sản xuất xi măng

Quy trình sản xuất xi măng điển hình được trình bày như sau:

7

Hình 1.3 Quy trình sản xuất xi măng

8

Quy trình sản xuất xi măng được tóm tắt qua các công đoạn sau:

 Nguyên liệu: Khai thác từ mỏ

Mỏ - đá vôi, macnơ và đất sét cũng như những vật liệu chứa các oxid nhôm, sắt, canxi, silic được lấy từ mỏ bằng kĩ thuật nổ mìn hay khoan

 Nguyên liệu được chuyển đến máy đập

Máy đập - vật liệu từ mỏ được làm giảm kích thước bằng những máy đập khác nhau Các khối đá được làm giảm kích thước từ 120 cm đến khoảng từ 1,2 – 8 cm Vật liệu thô (đất sét) cũng có thể cần được sấy để việc pha trộn và đập hiệu quả hơn

 Nguyên liệu được chuyển đến băng tải

Băng tải - vật liệu thô được vận chuyển riêng biệt từ mỏ bằng những băng tải,

xe goòng hoặc những biện pháp hậu cần thích hợp khác đến nhà máy

 Trộn vật liệu

Lớp trộn - đá vôi đã nghiền và đất sét được trộn đồng nhất và lưu kho dự trữ Chuẩn bị đưa vào nghiền và sấy trong lò nung

9

 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

 Nung nguyên liệu

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 1.000 0C, ở nhiệt độ này đá vôi chuyển sang dạng nóng chảy

Trong lò quay, nhiệt độ lên đến khoảng 2.000 0C Tại nhiệt độ này, các khoáng nóng chảy kết hợp để hình thành các tinh thể silicat canxi - clinker xi măng

Xi măng thành phẩm qua hệ thống cân tự động thông qua các vòi cấp chuyển

xi măng đóng gói dạng bao thành phẩm theo quy cách hoặc xuất xi măng theo dạng

xá cung cấp công trình đang xây dựng

Trong quy trình sản xuất, năng lượng cung cấp toàn bộ các dây chuyền sản xuất xi măng gồm chủ yếu là điện năng và nhiên liệu than đá, bên cạnh đó dầu FO cũng được sử dụng với tỉ lệ không đáng kể (rất nhỏ so với điện năng và than) trong quá trình cấp nhiệt khởi động lò nung clinker sau một thời gian định kỳ dừng lò để đại tu bảo dưỡng

1.1.5 Tiêu thụ năng lượng

Sản xuất xi măng là một quá trình tiêu thụ rất nhiều năng lượng Chi phí năng lượng chiếm khoảng từ 30 – 40% chi phí sản xuất Năng lượng sử dụng trong nhà máy xi măng bao gồm điện cho các thiết bị điện, các động cơ, các máy bơm, quạt, máy nén… và nhiên liệu sử dụng cho các quá trình sấy, nung… Nhiên liệu chính sử dụng trong nhà máy xi măng là than, dầu hay khí đốt Ngoài ra còn có thể sử dụng một số nhiên liệu thay thế là các chất thải từ các ngành công nghiệp khác như săm lốp, dầu thải, nhựa, dung môi…Công nghệ tốt nhất hiện có trong ngành xi măng là công nghệ lò quay phương pháp khô hiện đại có hệ thống tháp trao đổi nhiệt và canxiner, mức tiêu thụ nhiệt khoảng 700 kcal/kg clinker

11

Để cung cấp nhiệt cho quá trình phân hủy đá vôi, sét, phụ gia thành các ôxit

và tạo nhiệt độ cao để xảy ra phản ứng giữa các ôxit với nhau tạo thành khoáng clinker

xi măng, cần phải đốt nhiên liệu để nung nóng phối liệu đến nhiệt độ khoảng 1.4500C Tính chất của nhiên liệu ảnh hưởng đến quá trình nung, tính toán phối liệu Tuy nhiên việc lựa chọn loại nhiên liệu nào phụ thuộc vào điều kiện thiết bị, công nghệ của từng nhà máy cụ thể, giá thành sản phẩm và nguồn nguyên liệu có thể cung cấp được cho nhà máy Thông thường, các nhiên liệu dùng cho công nghiệp sản xuất xi măng gồm

3 loại: nhiên liệu khí, nhiên liệu lỏng, nhiên liệu rắn

 Nhiên liệu khí:

Đây là loại nhiên liệu tốt nhất vì dễ cháy, thiết bị đốt đơn giản, nhiệt trị cao và không có tro Tuy nhiên, nhiên liệu khí ít được dùng trong công nghệ sản xuất xi măng và thường chỉ được sử dụng khi các nhà máy được xây dựng gần mỏ khí Ở Việt Nam, chỉ có Nhà máy xi măng trắng Thái Bình sử dụng khí tự nhiên ở mỏ khí Tiền Hải để nung clinker, nhưng hiện nay nhà máy này cũng đã chuyển sang nhiên liệu rắn

 Nhiên liệu lỏng:

Nhiên liệu lỏng thường dùng là dầu FO, có nhiệt lượng cao (hơn 9.000 kcal/kg)

và không có tro, dễ cháy Tuy nhiên sử dụng nhiên liệu lỏng yêu cầu thiết bị đốt phức tạp hơn nhiên liệu khí Đặc trưng nhiên liệu lỏng là cháy ở trạng thái lỏng giọt, do đó cần tạo được các hạt dầu có kích thước vài micromet Để đốt được dầu trong lò nung

xi măng, người ta phải sấy dầu trước bằng thiết bị trao đổi nhiệt, tạo cho dầu có nhiệt

độ 100 – 110 0C sau đó phun vào lò Trong thực tế sản xuất tại Việt Nam, sử dụng dầu để nung clinker làm tăng chi phí, do đó dầu hiện nay ít được sử dụng Chủ yếu nhiên liệu khí được dùng trong giai đoạn nhóm lò hoặc đốt kết hợp với than khi cần thiết

12

 Nhiên liệu rắn:

Nhiên liệu rắn thường được sử dụng là than đá (than antraxit), tuy không có các ưu điểm như hai loại trên nhưng lại được dùng phổ biến nhất hiện nay Yêu cầu chất lượng than: - Nhiệt năng ≥ 5.500 kcal/kg - Hàm lượng tro 15 – 25% - Đối với lò quay phương pháp khô, hàm lượng lưu huỳnh trong than thấp Nếu than không đạt được một trong các tính năng kỹ thuật trên, phải phối hợp hai hay nhiều loại than Than dùng cho lò quay phải được sấy khô và nghiền mịn, yêu cầu độ mịn < 5 % còn lại trên sàng 0,08 mm, và độ ẩm W ≤ 1 %

Ngày nay, với tình hình nhiên liệu tự nhiên ngày một khan hiếm, và để giải quyết vấn đề môi trường người ta đã nghiên cứu và thử nghiệm thành công một số phế thải công nghiệp, nông nghiệp làm nhiên liệu đốt cho lò quay xi măng Một số phế thải nông nghiệp được sử dụng như: trấu, xơ dừa Một số phế thải công nghiệp như: săm, lốp ô tô, cặn dầu của quá trình lọc dầu, phế thải của công nghiệp dày da, may mặc Việc tái sử dụng các loại nhiên liệu mang ý nghĩa về môi trường nhiều hơn

là ý nghĩa về kinh tế, đồng thời yêu cầu phải có những thay đổi nhất định trong hệ thống lò nung, nhất là hệ thống đốt

 Điện

Được dùng cho các máy nghiền nguyên liệu, quạt đốt lò, động cơ quay lò, quạt làm nguội clinker, nghiền clinker Ngoài ra còn có điện năng sử dụng ở các khu vực phụ, các công đoạn phụ trợ như khí nén, chiếu sáng, thiết bị văn phòng…

Tỉ lệ chi phí của các dạng năng lượng sử dụng trong 1 nhà máy xi măng trong năm 2012 như sau:

13

Hình 1.4 Tỉ lệ chi phí năng lượng của 1 nhà máy năm 2012

Trong nhà máy sản xuất xi măng, các khu vực/công đoạn tiêu thụ năng lượng chính như sau:

 Khai thác và vận chuyển nguyên liệu thô

 Chuẩn bị nguyên liệu

 Chuẩn bị nhiên liệu

 Sấy, nghiền nguyên nhiên liệu

 Lò nung

 Làm nguội clinke

 Nghiền xi măng

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Thế giới càng phát triển thì nhu cầu năng lượng càng tăng cao Trong thời gian vừa qua, chúng ta đã khai thác sử dụng triệt để nguồn năng lượng hóa thạch Thế nhưng khi nguồn năng lượng này ngày càng cạn kiệt, giá thành của nhiên liệu hóa

14

thạch ngày càng tăng cao Hơn nữa việc sử dụng nguồn năng lượng này là nguyên nhân chính thải lượng khí CO2 gây hiệu ứng nhà kính, và tác động trực tiếp đến môi trường sống của chính con người

Tại Việt Nam, ngành công nghiệp sản xuất xi măng là một ngành công nghiệp trọng điểm, hình thành sớm và chiếm tỉ trọng lớn trên tổng năng lượng các ngành công nghiệp, sản xuất Đứng trước những vấn đề cấp bách về nguồn năng lượng, những ràng buộc của Luật sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả, yêu cầu thực hiện báo cáo năng lượng định kỳ, dữ liệu năng lượng trong ngành sản xuất xi măng được tổng hợp khá đầy đủ Tuy nhiên, các dữ liệu này chủ yếu được phân tích theo hiệu suất sử dụng năng lượng, từ đó đưa ra các đề xuất, giải pháp tiết kiệm năng lượng

Tiềm năng tiết kiệm năng lượng trong công nghiệp xi măng rất lớn, có thể đạt tới 50% Vấn đề tiết kiệm năng lượng của ngành xi măng nói chung và Việt Nam nói riêng hiện là vấn đề "nóng" tại các hội thảo về tiết kiệm năng lượng Tuy nhiên, việc

sử dụng phương pháp phân tích năng lượng không thể hiện được mức độ hiệu quả các nguồn năng lượng được sử dụng Để khắc phục nhược điểm trên, một phương pháp phân tích khác, đã được áp dụng rộng rãi trên phạm vi thế giới, tính toán lượng tổn thất exergy và hiệu suất sử dụng exergy, từ đó định vị được các điểm có exergy

bị phá hủy lớn và đề xuất giải pháp tiết kiệm năng lượng tương ứng

Chính vì vậy, đề tài NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NHIỆT NĂNG Ở NHÀ MÁY XI MĂNG BÌNH PHƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP EXERGYcó ý nghĩa thực tiễn khá lớn, áp dụng tương đối đầy đủ các phương pháp phân tích vào một ngành công nghiệp cụ thể Bên cạnh đó, đề tài này sẽ bổ sung thêm

cơ sở lý thuyết để phân tích, từ đó đề xuất ra áp dụng thực tiễn để nâng cao hiệu quả

sử dụng nhiệt năng cho Nhà máy Xi măng Bình Phước

15

1.3 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu chính của đề tài này là: Áp dụng phương pháp phân tích exergy vào kiểm tra hệ thống mạng lưới nhiệt của nhà máy xi măng Bình Phước (đang vận hành) nhằm xác định tiềm năng tiết kiệm năng lượng Từ đó, đưa ra những giải pháp cần thiết với mục tiêu tối thiểu lượng exergy thất thoát

Đề tài được chia ra thành 3 nội dung chính:

 Kiểm tra mạng lưới nhiệt hiện tại của nhà máy xi măng Bình Phước Tính toán cân bằng exergy và cân bằng năng lượng cho quá trình sản xuất xi măng Nhận xét kết quả phân tích năng lượng và exergy

 Từ kết quả exergy, đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng và exergy, cải thiện những công đoạn gây thất thoát và đề xuất giải pháp để nâng cao exergy của

hệ thống

 Kinh nghiệm thực hiện giải pháp và các vấn đề liên quan đến Lợi ích – Chi phí Thực hiện đánh giá hiệu quả năng lượng và hiệu quả exergy sau khi thực hiện giải pháp

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là vấn đề sử dụng nhiệt

năng của Nhà máy Xi măng Bình Phước

Ngày 26/11/2010, Công ty CP Xi măng Hà Tiên 1 đã đưa Nhà máy Xi măng Bình Phước vào hoạt động Với tổng vốn đầu tư hơn 5.400 tỷ đồng, nhà máy được xây dựng trên diện tích 78 hecta thuộc xã Thanh Lương, huyện Bình Long, tỉnh Bình Phước có công suất 1,3 triệu tấn xi măng/năm và 1,8 triệu tấn clinker/năm Nhà máy hoạt động trên dây chuyền khép kín với công nghệ của hãng Polysius (Đức), đáp ứng các yêu cầu về môi trường theo tiêu chuẩn châu Âu Clinker sản xuất từ Nhà máy Xi măng Bình Phước dự kiến có giá thành rẻ hơn nhập khẩu 15% - 20%

- Phạm vi nghiên cứu: Ứng dụng Kỹ thuật phân tích exergy nhằm tối ưu hóa hiệu quả

sử dụng nhiệt năng cho Nhà máy Xi măng Bình Phước

16

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Ý nghĩa khoa học: Ứng dụng kỹ thuật phân tích exergy vào Nhà máy Xi măng Bình

Phước

- Ý nghĩa về thực tiễn: Đánh giá và đề xuất các giải pháp nhằm giảm thiểu nhu cầu sử

dụng nhiệt năng cho Nhà máy Xi măng Bình Phước

- Nội dung nghiên cứu:

 Trích xuất dữ liệu

 Xây dựng mạng lưới nhiệt thực tế

 Kiểm tra exergy

 Đề xuất các giải pháp

 Tính toán kinh tế cho giải pháp

17

Khái niệm Availability lần đầu tiên được M.I.T sử dụng vào những năm 1940 Availability so sánh trạng thái đang khảo sát và trạng thái chết Sau đó, khái niệm exergy ra đời và được sử dụng ở các nước châu Âu từ những năm 1950 Hiện tượng liên quan đến exergy được Carnot phát hiện lần đầu tiên vào năm 1824 trong mối liên

hệ giữa nhiệt và công Từ đó đưa ra định nghĩa exergy của hệ A là lượng công lý thuyết lớn nhất có thể nhận được khi cho hệ A biến đổi từ trạng thái đang khảo sát đến trạng thái chết

Để khảo sát các quá trình, cân bằng năng lượng là phương pháp cơ bản và truyền thống Tuy nhiên, phương pháp này có những điểm sau:

 Cơ sở khoa học: dựa vào định luật Nhiệt động thứ nhất

 Không thể hiện đầy đủ ảnh hưởng của một số yếu tố khác, mà quan trọng nhất

là chất lượng của nguồn năng lượng và chất lượng của nguồn nhiệt

 Không quan tâm đến chiều hướng diễn ra của quá trình

Chính vì vậy, hiện nay người ta thường dùng phương pháp phân tích exergy

để đánh giá các quá trình kỹ thuật Phương pháp này dựa trên cơ sở khoa học là định luật Nhiệt động thứ nhất và thứ hai để đánh giá các hệ thống nhiệt động theo quan điểm khai thác hiệu quả các nguồn năng lượng được sử dụng

Cả hai phương pháp đều đặt cơ sở dựa trên nền tảng cân bằng vật chất Hiện nay, phương pháp phân tích exergy đã được nghiên cứu, ứng dụng và phát triển trên phạm vi quốc tế trong nhiều lĩnh vực, ngành nghề khác nhau Tuy nhiên, ở Việt Nam, việc sử dụng phương pháp phân tích này ở phạm vi rất hạn chế

để đánh giá các hệ thống Ở phạm vi quốc tế, đã có rất nhiều tài liệu, bài báo, nghiên cứu sử dụng các phương pháp phân tích cho nhà máy xi măng

18

2.1 Sử dụng phương pháp phân tích năng lượng

Tài liệu hướng dẫn “Energy Efficiency Improvement and Cost Saving Opportunities for Cement Making” của nhóm tác giả Ernst Worrell, Katerina Kermeli (Utrecht University), Christina Galitsky (Lawrence Berkeley National Laborator), 08/2013 sử dụng phương pháp phân tích năng lượng

Trong tài liệu này, nhóm tác giả đã phân tích hơn 50 kỹ thuật và giải pháp tiết kiệm năng lượng và đánh giá tiềm năng tiết kiệm năng lượng, mức giảm phát thải CO2, chi phí đầu tư, chi phí vận hành và bảo trì cho mỗi giải pháp Qua quá trình thực hiện đầu tư cải tiến và áp dụng giải pháp tiết kiệm năng lượng trong giai đoạn

từ 1970 đến 2010, tổng năng lượng tiêu thụ trong nhà máy xi măng giảm 1,2% mỗi năm từ 7,3 Mbtu/tấn (năm 1970) xuống còn 4,5 MBtu/tấn (năm 2010) Lượng phát thải CO2 từ năng lượng tiêu thụ và quá trình nung nguyên liệu thô giảm 24%, từ 610

lb C/tấn xi măng (0,31 tC/tấn) xuống còn 469 lb C/tấn xi măng (0,23 tC/tấn) Bảng 2.1 và 2.2 tóm tắt giải pháp và tiềm năng tiết kiệm năng lượng cho nhà máy xi măng với quy trình khô và ướt như sau:

Suất tiêu hao điện năng tiết kiệm (kWh/tấn xi măng)

Chuẩn bị liệu thô

Sử dụng máy ép con lăn áp suất cao - 16,9 - 17,5

Gia tăng công đoạn sấy (từ 5 -> 6) 0,1

Hoàn thiện nghiền

Quản lý năng lượng và điều khiển quy trình - 1,6 - 8,5

Nghiền con lăn áp lực cao - nghiền thô - 5 - 10 Nghiền con lăn áp lực cao - hoàn thiện - 11 - 25

Giải pháp toàn bộ nhà máy

Suất tiêu hao điện năng tiết kiệm (kWh/tấn xi măng)

Chuẩn bị liệu thô

Vệ sinh máy nghiền và định lượng mạch vòng - 8 - 11

Tạo clinker

Quản lý năng lượng và điều khiển hệ thống 0,14 - 0,27 0,0 - 3,9

Chuyển đổi sang lò nung khô tiền canxi hóa 1,7 - 2,7 -8,4

Hoàn thiện nghiền

Quản lý năng lượng và điều khiển quy trình - 1,6 - 8,5

Nghiền con lăn áp lực cao - nghiền thô - 5 - 10 Nghiền con lăn áp lực cao - hoàn thiện - 11 - 25

Giải pháp toàn bộ nhà máy

21

2.2 Sử dụng phương pháp phân tích exergy

Bài báo “Exergy analysis of cement production” của nhóm tác giả C Koroneos, G Roumbas and N Moussiopoulos (Aristotle University of Thessaloniki),

2005 sử dụng phương pháp phân tích exergy

Phương pháp này cho phép đánh giá mức độ không thuận nghịch (irreversibility) và hiệu suất exergy cho quy trình

Hình 2.1 Quy trình sản xuất clinker [4]

22

Phân tích exergy cho quá trình sản xuất xi măng của Hy Lạp như trong bảng sau

Bảng 2.3 Entalpy và exergy của khí thải từ quy trình sản xuất Clinker [4]

Dòng

Lưu lượng (kg/kg clinker)

Nhiệt dung riêng (kJ/kgK)

Nhiệt

độ (°C)

Enthalpy (kJ/kg clinker)

Exergy (kJ/kg clinker)

Đầu vào quy trình

23

Hình 2.2 Biểu đồ Sankey cân bằng exergy [4]

Kết quả tính toán là 50% lượng exergy bị thất thoát mặc dù đã thu hồi một lượng lớn nguồn nhiệt thải

Tổn thất exergy lớn nhất 30% từ mức độ không thuận nghịch trong những công đoạn sau:

 Sấy sơ bộ nguyên liệu thô

 Làm nguội clinker

 Quá trình cháy của than cốc

Lượng tổn thất exergy từ quá trình cháy của than là khá lớn (15%)

24

2.3 Sử dụng kết hợp phương pháp phân tích năng lượng và phân tích exergy

Bài báo “Energy and Exergy Analyses of Egyptian Cement Kiln Plant With Complete Kiln Gas Diversion through by Pass” của tác giả Laila M Farag, (Ceramics Dept National Research Centre, Egypt), 03/2012 đánh giá hiệu quả năng lượng và hiệu suất exergy của một nhà máy xi măng quy trình khô Dựa vào dữ liệu hoạt động thực tế của nhà máy, cân bằng năng lượng và exergy được thiết lập cho tháp sấy sơ

bộ - tiền can xi hóa (preheater-precalciner), lò quay, thiết bị làm nguội dạng lò quay con và cho toàn bộ quy trình

Kết quả tính toán được thể hiện trong các bảng sau:

Bảng 2.4 Cân bằng năng lượng và exergy của preheater-precalciner [13]

Kg

Nhiệt độ

°C

cp kJ/kg⁰C

Năng lượng kJ/kg cli

Exergy kJ/kg cli

25

Bảng 2.5 Cân bằng năng lượng và exergy của lò nung [13]

Đầu vào

Khối lượng

Kg

Nhiệt độ

°C

cp kJ/kg⁰C

Năng lượng kJ/kg cli

Exergy kJ/kg cli

26

Bảng 2.6 Cân bằng năng lượng và exergy của toàn bộ quá trình [13]

Đầu vào

Khối lượng

Năng lượng kJ/kg cli

Exergy kJ/kg cli

Như vậy, hiệu suất năng lượng và exergy của quá trình đạt được tương ứng là 40%

và 25,7% Tổng lượng exergy thu được khoảng 49% tổng exergy đưa vào và tổn thất không thuận nghịch = 2.354 kJ/kg Clinker