Nghiên Cứu Hệ Thống Phát Điện Tận Dụng Nhiệt Thừa Tại Nhà Máy Xi Măng.pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM K THUT
THNH PH H CH MINH

/81917+&6
/ầ91.+ẩ1+


1*+,ầ1&8+7+1*3+ẩ7,171'1*
1+,77+$7,1+ơ0ẩ<;,01*




1*ơ1+.7+87,1

SKC007445

Tp. H Chớ Minh, thỏng 


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ VĂN KHÁNH

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN TẬN DỤNG
NHIỆT THỪA TẠI NHÀ MÁY XI MĂNG

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ VĂN KHÁNH

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN TẬN DỤNG
NHIỆT THỪA TẠI NHÀ MÁY XI MĂNG

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 6052020
Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS LÊ CHÍ KIÊN

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2017


QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI


i


ii

iii


iv


v


vi


vii


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: Lê Văn Khánh

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 20/11/1976

Nơi sinh: Đồng Tháp

Quê quán: Phú Long, Châu Thành, Đồng Tháp

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở: Lô 7, Căn 62, Nguyễn Bỉnh Khiêm, Vĩnh Quang, Tp Rạch Giá, Kiên Giang
Điện thoại: 0983529208
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung cấp:
Hệ đào tạo:
Nơi học (trường, thành phố):
Ngành học:
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy. Thời gian đào tạo từ tháng 09/1994 đến tháng 08/1999
Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Cần Thơ.
Ngành học: Điện tử.
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Mạch điện tử, Kỹ thuật số và vi xử lý,
Lý thuyết mạch.
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Tháng 8/1999 tại Trường
Đại học Cần Thơ.
III. Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI
HỌC:
Thời gian

Nơi công tác

Từ tháng 03/2000 đến Trường Cao đẳng kinh tế
nay

Kỹ thuật Kiên Giang

viii

Công việc đảm nhiệm

Giảng viên


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ cơng trình nào khác
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 09 năm 2017
Người cam đoan
Lê Văn Khánh

ix


LỜI CẢM ƠN
Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy PGS.TS. Lê Chí Kiên đã tận tình hướng
dẫn tơi trong suốt thời gian thực hiện luận văn.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các Thầy/Cô đang giảng dạy tại Khoa
Điện – Điện tử của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã
tận tâm giảng dạy và giúp đỡ tơi hồn thành tốt chương trình học tập.
Xin gửi lời đồng cảm ơn đến các anh em đồng nghiệp, các anh em cùng lớp đã
chia sẻ trao đổi kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực
hiện đề tài.
Xin kính chúc sức khỏe và chân thành cảm ơn !
Trân trọng !
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 09 năm 2017
Người viết

Lê Văn Khánh

x


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Nhu cầu điện năng trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng ngày càng lớn.
Việc sử dụng các nguồn điện phân tán nhằm hỗ trợ các nhà máy điện trở nên vô cùng
quan trọng. Áp dụng các giải pháp kỹ thuật sử dụng nguồn khí thải để phát điện trong
các nhà máy công nghiệp sản xuất giấy, xi măng, mía đường,... tạo nên những bước đột
phá trong công nghệ sản xuất điện năng.
Hiện tại các nhà máy xi măng đang phát ra một lượng nhiệt khí thải rất lớn,
lượng nhiệt khí thải này chủ yếu tại tháp trao đổi nhiệt và thiết bị làm nguội clinker với
lưu lượng và nhiệt độ khá cao, điều này sẽ gây ra sự lãng phí, đặc biệt là ơ nhiễm mơi
trường
Luận văn này nghiên cứu lượng nhiệt khí thải thực tế tại nhà máy xi măng, sau
đó tính tốn tính khả thi của dự án phát điện tận dụng nhiệt thừa, dự án này sẽ mang lại
hai lợi ích đó là kinh tế và mơi trường.
Theo kết quả khảo sát, một nhà máy xi măng có cơng suất 4300 tấn clinker/ngày
thì lượng khí nóng thải ra tại tháp tiền nung là 226260 m3/giờ tại nhiệt độ 365oC; tại
thiết bị làm nguội clinker là 168000 m3/giờ tại nhiệt độ 366oC. Với lượng khí này nếu
thu hồi rồi đưa vào nồi hơi để phát điện thì tác giá tính tốn cơng suất của máy phát có
thể lên đến 7,1MW đồng thời giảm thiểu lượng khí CO2 thải ra mơi trường là 43313
tấn khí CO2/năm
Từ khố: Phát điện sử dụng nhiệt thừa, phát điện, nhiệt thừa.

xi


ABSTRACT
Power demand in the world in general and Vietnam in particular has been
increasing. The use of scattered sources of power to support power plants has become

extremely important. The application of technical solutions using waste heat for power
generation in industrial plants to manufacture paper, cement, sugar has created
breakthroughs in the technology of power generation.
At present, cement plants emit a huge amount of waste heat. This waste heat is
mainly in the preheater and clinker cooler with high flow and temperature. This will
cause waste and,especially, environmental pollution.
This thesis studies the actual amount of waste heat at the cement plant, then
calculates the feasibility of the power generation project making use of waste heat.
This project will bring in both economic and environmental benefits.
According to the survey results, a cement plant with a capacity of 4300 tons of
clinker a day, the amount of hot gas discharged from the preheater tower is 226260
m3/h at 365oC; The clinker cooler is 168000 m3/h at 366oC. With this amount of hot
gas recovered and put into the boiler to generate electricity, the authors calculate the
capacity of the generator can be up to 7.1MW while reducing CO2 emissions into the
environment is 43313 tons of CO2 per year
Keywords: Using of waste heat power generation, power generation, excess heat.

xii


MỤC LỤC
Trang
LÝ LỊCH KHOA HỌC ................................................................................................ viii
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... ix
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. x
TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................................ xi
ABSTRACT .................................................................................................................. xii
MỤC LỤC .................................................................................................................. xiii
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................... xvi
DANH SÁCH CÁC HÌNH ......................................................................................... xvii

DANH SÁCH CÁC BẢNG ....................................................................................... xviii
Chương 1 TỔNG QUAN ............................................................................................ 1
1.1.

Đặt vấn đề ............................................................................................................. 1

1.2.

Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước ........................................................... 3
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước: .............................................................. 3
1.2.2. Tình hình nghiên cứu ngồi nước ............................................................... 4

1.3.

Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài ...................... 5

1.4.

Mục tiêu của đề tài ................................................................................................ 5

1.5.

Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài ........................................................................... 5

1.6.

Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................... 6

1.7.

Nội dung nghiên cứu ............................................................................................. 6

1.8.

Điểm mới của đề tài .............................................................................................. 6

1.9.

Kết quả dự kiến ..................................................................................................... 6

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................ 7
2.1.

Giới thiệu đề tài ..................................................................................................... 7

2.2.

Nguyên lý hoạt động của nhà máy điện sử dụng chu trình tuốc bin hơi nước ..... 9
2.2.1. Chu trình Carno hơi nước ........................................................................... 9
2.2.2. Sơ đồ thiết bị và đồ thị chu trình nhà máy điện ........................................ 10
xiii


2.3.

Nồi hơi ................................................................................................................ 11
2.3.1. Vai trò của nồi hơi trong sản xuất điện ..................................................... 11
2.3.2. Bao hơi ...................................................................................................... 12
2.3.3. Bộ quá nhiệt .............................................................................................. 12
2.3.4. Bộ hâm nước ............................................................................................. 14

2.4.

Tuốc bin nhiều tầng ............................................................................................ 14

2.5.

Máy phát điện...................................................................................................... 15

2.6.

Chất lượng nước và hơi của lị ............................................................................ 16
2.6.1. Mục đích của việc xử lý nước................................................................... 16
2.6.2. Các phương pháp xử lý nước cho lị ......................................................... 17

Chương 3 PHÂN TÍCH NHÀ MÁY XI MĂNG .................................................... 19
3.1.

Sơ đồ công nghệ sản xuất xi măng .................................................................... 19

3.2.

Các cơng đoạn của qui trình sản xuất xi măng ................................................... 19
3.2.1. Khai thác đá vôi ........................................................................................ 19
3.2.2. Khai thác đất sét ........................................................................................ 20
3.2.3. Vận chuyển và đồng nhất nguyên liệu sơ bộ ............................................ 20
3.2.4. Nghiền nguyên liệu ................................................................................... 21
3.2.5. Đồng nhất bột sống ................................................................................... 22
3.2.6. Cơng nghệ lị nung .................................................................................... 22
3.2.7. Thiết bị làm nguội clinker......................................................................... 25

3.2.8. Trữ clinker ................................................................................................ 26
3.2.9. Nghiền xi măng ......................................................................................... 26
3.2.10. Tồn trữ xi măng, đóng bao, xuất hàng ...................................................... 27

3.3.

Thực trạng ........................................................................................................... 27

Chương 4 TÍNH TỐN TÍNH KHẢ THI VÀ ĐỀ XUẤT LẮP ĐẶT HỆ THỐNG
PHÁT ĐIỆN TẬN DỤNG NHIỆT THỪA................................................................ 30
4.1.

Tính tốn tính khả thi của hệ thống phát điện tận dụng nhiệt thừa [7] ............... 30
4.1.1. Khảo sát thực tế nhà máy xi măng ............................................................ 30
xiv


4.1.2. Tính enthalpy trung bình của hỗn hợp hơi từ 2 nồi hơi ............................ 33
4.1.3. Tính các thơng số của hơi quá nhiệt từ hai nồi hơi đi vào tuốc bin .......... 46
4.1.4. Tính cơng suất của tuốc bin ...................................................................... 47
4.1.5. Tính lượng giảm phát thải CO2 do hệ thống mang lại .............................. 48
4.1.6. Kết quả tổng hợp ....................................................................................... 49
4.1.7. Bảng so sánh trước và sau khi lắp đặt hệ thống........................................ 53
4.2.

Đề xuất lắp đặt hệ thống phát điện tận dụng nhiệt thừa...................................... 54
4.2.1. Phân tích tính khả thi ................................................................................ 54
4.2.2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống phát điện............................................................. 55
4.2.3. Các thiết bị chính của hệ thống phát điện ................................................. 55

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN ................. 69
5.1.

Kết luận ............................................................................................................... 69

5.2.

Hướng nghiên cứu phát triển .............................................................................. 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 70
PHỤ LỤC [7] ................................................................................................................. 71
Bảng PL 1: Hệ số các giai đoạn chuyển hoá của nguồn nhiệt thải đối với chất khí ..... 71
Bảng PL 2: Hệ số các giai đoạn chuyển hoá của nguồn nhiệt thải đối với chất rắn ..... 71
Bảng PL 3: Bảng tra thông số enthapy tại nhiệt độ T = 190oC ..................................... 71
Bảng PL 4: Bảng tra thông số enthapy tại áp suất P = 1,6 bar và nhiệt độ T = 330oC . 72
Bảng PL 5: Bảng tra thông số enthapy tại áp suất P = 1,6 bar và nhiệt độ T = 310oC . 72
Bảng PL 6: Bảng tra thông số enthapy tại nhiệt độ T = 42oC ....................................... 72
Bảng PL 7: Bảng tra thông số enthapy tại nhiệt độ T = 195oC ..................................... 73
Bảng PL 8: Bảng tra nhiệt độ tại áp suất P = 1,5 bar và enthapy H = 3121,1kJ/kg...... 73
Bảng PL 9: Bảng tra thông số enthapy tại áp suất P = 0,008 bar và nhiệt độ T = 42oC 73
Bảng PL 10: Hệ số các giai đoạn chuyển hoá của nguồn nhiệt thải đối với chất rắn ... 73

xv


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
 SP (Suspensive Pre-heater): Khu vực tháp tiền nung
 AQC (Air Quenching Cooler): Khu vực làm nguội clinker
 Blowdown: tháo cặn
 Superheater: ống sinh hơi quá nhiệt

 Economizer: ống gia nhiệt ban đầu
 Evaporator: ống sinh hơi bão hòa
 CCR (Control Central Room): Phòng điều khiển trung tâm
 CERs: Chứng chỉ giảm phát thải khí nhà kính được chứng nhận
 PAC: Một loại hố chất (Poly Aluminium Chloride)
 PH (Preheater): Tháp tiền nung
 CC (Clinker cooler): Làm nguội clinker

xvi


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Trang
Hình 1.1: Nhà máy xi măng tại Kiên Lương.................................................................... 2
Hình 2.1: Chu trình Carno hơi nước .............................................................................. 10
Hình 2.2: Đồ thị T – s của chu trình NMNĐ ................................................................. 11
Hình 2.3: Nguyên lý cấu tạo của nồi hơi ....................................................................... 13
Hình 3.1: Sơ đồ cơng nghệ chung .................................................................................. 19
Hình 3.2: Máy cào sét .................................................................................................... 20
Hình 3.3: Lị nung clinker .............................................................................................. 24
Hình 4.1: Khu vực lị nung clinker................................................................................. 30
Hình 4.2: Sơ đồ bố trí hệ thống phát điện tận dụng nhiệt thừa ...................................... 55
Hình 4.3: Sơ đồ cấu tạo của nồi hơi ............................................................................... 56
Hình 4.4: Sơ đồ nguyên lý làm việc của nồi hơi ............................................................ 60
Hình 4.5: Cấu tạo của tuốc bin hơi ................................................................................ 63
Hình 4.6: Bộ 505 điều khiển tuốc bin ............................................................................ 64
Hình 4.7: Bộ khởi động tuốc bin .................................................................................... 65
Hình 4.8: Hình dạng máy phát ....................................................................................... 67

xvii

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1: Tổng hợp các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật chủ yếu của trạm phát điện cho các
loại cơng suất lị nung clinker [9]..................................................................................... 8
Bảng 4.1: Kết quả khảo sát lượng khí thải và lượng bụi ............................................... 31
Bảng 4.2: Kết quả đo nhiệt độ và áp suất....................................................................... 31
Bảng 4.3: Kết quả đo phần trăm thể tích các thành phần khơng khí tại SP và AQC..... 32
Bảng 4.4: Kết quả tính tốn nồng độ bụi thải ra mơi trường ......................................... 34
Bảng 4.5: Kết quả tính tốn enthalpy của các thành phần khơng khí đi vào SP............ 36
Bảng 4.6: Kết quả tính tốn enthalpy của khơng khí tươi đi vào SP tại nhiệt độ T....... 36
Bảng 4.7: Kết quả tính tốn enthalpy của các thành phần khơng khí ra khỏi SP .......... 38
Bảng 4.8: Kết quả tính tốn enthalpy của khơng khí tươi đi ra khỏi SP tại nhiệt độ T . 39
Bảng 4.9: Kết quả tính tốn enthalpy của các thành phần khơng khí đi vào AQC........ 41
Bảng 4.10: Kết quả tính tốn enthalpy của khơng khí tươi đi vào AQC ....................... 42
Bảng 4.11: Kết quả tính tốn enthalpy của các thành phần khơng khí ra khỏi AQC .... 44
Bảng 4.12: Kết quả tính tốn enthalpy của khơng khí tươi đi ra khỏi AQC.................. 44
Bảng 4.13: Bảng tổng hợp các thông số của hơi quá nhiệt đi vào tuốc bin ................... 47
Bảng 4.14: Bảng tổng hợp kết quả q trình tính tốn .................................................. 49
Bảng 4.15: Thơng số thiết kế của nồi hơi AQC ............................................................. 58
Bảng 4.16: Bảng đặc tính nhiệt thải của nồi hơi AQC................................................... 59
Bảng 4.17: Thông số hơi quá nhiệt của nồi hơi SP ........................................................ 60
Bảng 4.18: Thông số thiết kế nhiệt thải SP .................................................................... 61
Bảng 4.19: Thông số thiết kế của tuốc bin hơi nước ..................................................... 61
Bảng 4.20: Thơng số kỹ thuật chính của bộ điều chỉnh tuốc bin ................................... 62
Bảng 4.21: Thông số của động cơ khởi động tuốc bin .................................................. 65
Bảng 4.22: Thông số kỹ thuật của bộ ngưng tụ ............................................................. 66
xviii

Bảng 4.23: Thông số kỹ thuật của hệ thống khử khí cho bộ ngưng tụ .......................... 66
Bảng 4.24: Đặc điểm kỹ thuật của bơm nước và khử khí cho nồi hơi........................... 66
Bảng 4.25: Thông số kỹ thuật của máy phát .................................................................. 68
Bảng 4.26: Thơng số kỹ thuật của kích từ máy phát...................................................... 68

xix


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. Lê Chí Kiên

Chương 1 TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Tiềm năng tiết kiệm năng lượng trong công nghiệp xi măng rất lớn. Các nghiên
cứu trên thế giới chỉ ra ngành này 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, nhưng vẫn chưa có quyết sách cũng như đường lối thực sự
hiệu quả để giải quyết vấn đề này.
Với sự gia tăng ngày càng nhiều các bất cập phát sinh giữa nhu cầu sử dụng và
năng lực cung cấp năng lượng, sự kêu gọi của các nước về biến đổi khí hậu, sự mất cân
bằng sinh thái, các quốc gia trên thế giới đã cấp thiết cho ban hành và thực hiện hàng
loạt chính sách liên quan đến vấn đề tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường nhằm
cứu vãn môi trường sống và tương lai tồn tại của nhân loại.
Đối với Việt Nam, một nước đang phát triển rất mạnh mẽ thì nhu cầu sử dụng
năng lượng ngày một cao hơn, trong khi đó nguồn năng lượng này đang thiếu trầm
trọng, tốc độ phát triển các nhà máy điện chưa đáp ứng đủ yêu cầu. Trong đó, xi măng
là một ngành kinh tế quan trọng có đóng góp rất lớn vào quá trình phát triển của đất
nước và cũng là ngành công nghiệp đang sử dụng một lượng điện rất lớn trong quá

trình sản xuất.
Trong điều kiện, năng lượng được sinh ra trong q trình đốt cháy nhiên liệu
hóa thạch (chủ yếu là than và dầu mỏ) đang cạn kiệt và việc tái tạo phải mất hàng triệu
năm sau thì vấn đề tiết kiệm và sử dụng hiệu quả năng lượng rất được quan tâm. Tại
Thái Lan đã có tới 80% các nhà máy xi măng ứng dụng công nghệ phát điện tận dụng
khí nhiệt thừa trong nhà máy xi măng. Ở Trung Quốc, từ năm 2009 Chính phủ cũng
yêu cầu các dự án mới xây dựng cần có hệ thống phát điện nhiệt dư.
Nhìn chung các nhà máy xi măng đều có tiềm năng lớn trong việc ứng dụng
công nghệ tận thu nhiệt thải để phát điện. Được biết, hiện nhiều đơn vị trong hệ thống

HVTH: Lê Văn Khánh

Trang 1


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. Lê Chí Kiên

của Tổng cơng ty công nghiệp Xi măng Việt Nam (Vicem) đang triển khai các dự án
tận dụng nhiệt thải để phát điện như Công ty xi măng Hà Tiên 1, Hà Tiên 2… Với rất
nhiều lợi ích như giảm áp lực điện năng cho lưới điện quốc gia, tự cung cấp năng
lượng cho nhà máy, giảm lượng khí thải ra mơi trường.
Theo tính tốn của các chun gia chun ngành, để sản xuất ra một tấn xi măng
phải tiêu hao trên 100 kWh điện. Với sản lượng xi măng hiện nay và lượng nhiệt khí
thải thừa thất thu, mỗi ngày nước ta lãng phí gần 5 triệu kWh điện. Và nếu tất cả các
nhà máy xi măng lị quay hệ khơ của Việt Nam được trang bị hệ thống phát điện tận
dụng nhiệt khí thải thì sẽ thu lại được một lượng điện chiếm 25% lượng điện tiêu thụ từ
lưới điện của các nhà máy xi măng, chưa kể việc giảm đáng kể tình trạng ơ nhiễm mơi
trường.

Chính vì những lý do trên, việc chọn hướng nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu hệ
thống phát điện tận dụng nhiệt thừa tại nhà máy xi măng” là phù hợp và cấp bách.

Hình 1.1: Nhà máy xi măng tại Kiên Lương

HVTH: Lê Văn Khánh

Trang 2