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.

    1. 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 - 3800C 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 2500C 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 1350C 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 - 3000C 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.

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

    3. 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.

   3.8. 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.

   4. Hiệu quả kinh tế kỹ thuật của dự án sử dụng nhiệt thừa của lò nung clinker để phát điện.

    Từ những năm 70 của thế kỷ trước một số quốc gia đã nghiên cứu thiết kế các trạm sử dụng nhiệt thừa ở nhiệt độ thấp của lò nung clinker để phát điện. Đặc biệt là ở Nhật Bản, kỹ thuật này đã trở nên thành thục, người Nhật đã nghiên cứu, liên tục cải tiến, chế tạo các loại nồi hơi tận dụng nhiệt dư và các turbine hơi nước sử dụng loại hơi nước có chất lượng vừa và thấp (kiểu khí vào có áp lực hỗn hợp). Thực tiễn vận hành trên 10 năm của hàng chục nhà máy đã chứng minh rằng kỹ thuật thành thục, đáng tin cậy và có tính linh hoạt cao.

     Trung Quốc đã nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị đồng bộ cho các trạm phát điện sử dụng nhiệt dư, trang bị cho hàng chục nhà máy sản xuất xi măng trong nước từ loại lò nung clinker 1200 tấn/ngày đến 2500 tấn/ngày, 4000 tấn/ngày, 5000 tấn/ngày với tháp trao đổi nhiệt 4 tầng, 5 tầng với công suất máy phát điện 2500 Kw, 4500 Kw, 7500 Kw, 9000 Kw nhiệt dư nhiệt độ thấp sẽ phát ra được 34 - 40 Kwh/1 tấn clinker với giá chi phí thấp từ 1-1,5 cent/Kwh đã góp phần giảm tối đa giá thành sản xuất xi măng, đồng thời đã góp phần tiết kiệm năng lượng quốc gia, bảo vệ môi trường, đem lại lợi ích kinh tế xã hội cao.

    Một nhà máy xi măng với lò nung 4000 tấn clinker/ngày với công nghệ NSP, xây dựng trạm sử dụng nhiệt dư để phát điện có công suất 7000 Kw với vốn đầu tư toàn bộ xấp xỉ 6-7 triệu USD, sẽ phát điện 50 triệu Kwh/năm, tự cung cấp cho sản xuất nhà máy trên 30% nhu cầu điện toàn nhà máy với giá chi phí sản xuất 1 - 1,5 cent/Kwh, lợi nhuận hàng năm 1,5 - 2 triệu USD, thời gian thu hồi vốn dưới 3 năm.

    Bảng tổng hợp các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật chủ yếu của trạm phát điện cho các loại công suất lò nung clinker

    - Khí thải của lò nung clinker ở nhiệt độ 350 - 3800C với khối lượng lớn 2000 - 2500 m3/tấn clinker, với lò nung có công suất 4000 tấn clinker/ngày sẽ thải ra 10 triệu m3/ngày với nồng độ bụi từ 50 - 100 mg/Nm3 sẽ gây hiệu ứng nhà kính, ô nhiễm môi trường sinh thái nghiêm trọng. Nhưng khi nó được qua hệ thống hấp thụ nhiệt và chuyển thành điện năng của trạm sử dụng nhiệt dư để phát điện làm giảm nhiệt độ 100 - 2000C và giảm nồng độ bụi trong khí thải xuống mức 30mg/Nm³ sẽ góp phần cải thiện môi trường, giảm hiệu ứng nhà kính.

    - Khí thải sau khi qua hệ thống hấp thụ nhiệt vào công đoạn phía sau với nhiệt độ thấp giúp cho các thiết bị hoạt động ổn định hơn, giảm hư hỏng, tăng tuổi thọ máy nghiền bột sống, quạt gió, lọc bụi, tĩnh điện, hiệu suất lọc bụi tăng. Lượng bụi thu hồi từ nồi hơi được đưa vào silô tồn trữ góp phần tăng sản lượng.

    - Sử dụng khí thải của lò nung clinker để phát điện sẽ tiết kiệm được lượng nhiên liệu 340 - 420g than tiêu chuẩn/Kwh. Với lò nung clinker 4000t/ngày, lượng phát điện 50 triệu Kwh sẽ tiết kiệm được từ 17.000t -  21.000t/năm than tiêu chuẩn.

Kết luận:

    Sử dụng nhiệt khí thải với nhiệt độ thấp của lò nung clinker để phát điện đã được nhiều nước ứng dụng, có hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao, là giải pháp tối ưu để tiết kiệm năng lượng.

     Ở nước ta, từ tháng 3/2002 đã đưa vào sử dụng dự án “Tận dụng nhiệt khí thải lò quay để phát điện” tại nhà máy Xi măng Hà Tiên II do tổ chức NEDO của Nhật Bản tài trợ, hãng Kawasaki 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 2950 Kw. Sau 4,5 năm vận hành sản xuất từ 3/2002 đến 10/2006 tổng lượng điện đã phát ra 85.019.800 Kwh, tổng lượng điện cung cấp cho dây chuyền sản xuất xi măng 71.936.240Kwh, đem lại hiệu quả kinh tế tối ưu. Sau khi trừ các khoản chi phí (chưa tính khấu hao thiết bị) thu về 68,5 tỷ đồng, thời gian hoàn vốn là 3,2 năm. Đây là dự án có hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao, bảo đảm nguồn năng lượng ổn định cho sản xuất, tiết kiệm năng lượng, cải thiện môi trường sinh thái. Nhưng đã 5 năm trôi qua, dự án thí điểm này vẫn chưa được Tổng Công ty Xi măng Việt Nam, các công ty xi măng ứng dụng vào các nhà máy.

     Trong bối cảnh hiện nay, tình trạng thiếu điện ở nước ta xảy ra trầm trọng. Do đó vấn đề tiết kiệm điện, sử dụng nhiệt thải của lò nung clinker để phát điện là vấn đề rất cấp bách, cần được triển khai đầu tư khẩn trương cho tất cả các nhà máy xi măng lò quay.

     Đến năm 2010 sản lượng xi măng của nước ta sẽ đạt 50 triệu tấn/năm, sẽ tiêu thụ lượng điện 5 tỷ Kwh/năm. Nếu tất cả các nhà máy xi măng lò quay đều xây dựng trạm sử dụng nhiệt dư để phát điện sẽ làm ra nguồn điện rất lớn xấp xỉ 1,5 tỷ Kwh/năm, tự cung cấp khoảng 30% điện năng dùng cho ngành xi măng, góp phần giải quyết nạn thiếu điện của quốc gia và sẽ đem lại lợi nhuận cho ngành công nghiệp xi măng 55-60 triệu USD/năm. Đồng thời tiết kiệm được lượng than tiêu chuẩn rất lớn 500.000t - 630.000 t/năm.

    Đây là dự án có hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao, đề nghị Chính phủ có chính sách khuyến khích các công ty xi măng đầu tư các trạm sử dụng nhiệt dư lò nung clinker để phát điện theo chính sách cải thiện môi trường sinh thái, tiết kiệm năng lượng. Các ngân hàng hỗ trợ cho vay vốn, bảo lãnh để nhập một số thiết bị của nước ngoài. Các công ty cơ khí trong nước vươn lên sản xuất một số thiết bị trong dây chuyền sản xuất để giảm lượng nhập  khẩu
 

TS. Trần Văn Huynh - Chủ tịch Hội Vật liệu xây dựng Việt Nam

(Theo VLXDDD số 3 tháng 5/2007)