Nghiên cứu, đề xuất thông số nhà máy nhiệt điện tận dụng nhiệt khí thải từ lò nung nhà máy xi măng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CAO THÁI NGUYÊN

NGHIÊN CỨU, ĐỀ XUẤT THÔNG SỐ NHÀ MÁY
NHIỆT ĐIỆN TẬN DỤNG NHIỆT KHÍ THẢI TỪ LỊ NUNG
NHÀ MÁY XI MĂNG

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ NHIỆT
Mã số: 605280

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07 NĂM 2013


ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CAO THÁI NGUYÊN

NGHIÊN CỨU, ĐỀ XUẤT THÔNG SỐ NHÀ MÁY
NHIỆT ĐIỆN TẬN DỤNG NHIỆT KHÍ THẢI TỪ LỊ NUNG
NHÀ MÁY XI MĂNG

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ NHIỆT
Mã số: 605280

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07 NĂM 2013
Trang i


Thuyết Minh Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN VĂN TUYÊN
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. BÙI NGỌC HÙNG
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. BÙI TRUNG THÀNH
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày 26 tháng 07 năm 2013
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc
sĩ)
1. GS.TS. Lê Chí Hiệp – Chủ tịch Hội đồng.
2. TS. Hà Anh Tùng – Thư ký hội đồng.
3. TS. Bùi Ngọc Hùng – Ủy viên, Giáo viên phản biện 1.
4. TS. Bùi Trung Thành – Ủy viên, Giáo viên phản biện 2.
5. TS. Nguyễn Văn Tuyên – Ủy viên, Giáo viên hướng dẫn khoa học.
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

TRƢỞNG KHOA CƠ KHÍ

GS. TS. LÊ CHÍ HIỆP

HVTT: Cao Thái Nguyên

Trang ii


Thuyết Minh Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƢỜNG 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: Cao Thái Nguyên.......................................... MSHV: 09060400 .........
Ngày, tháng, năm sinh: 15/05/1984 ........................................... Nơi sinh: Bình Định ......
Chun ngành: Cơng Nghệ Nhiệt.............................................. Mã số: 605280..............
I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu, đề xuất thơng số nhà máy nhiệt điện tận dụng nhiệt
khí thải từ lò nung nhà máy xi măng.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Nghiên cứu các nguồn nhiệt thải của nhà máy.
- Chọn sơ đồ nhiệt hệ thống thu hồi nhiệt thải.
- Nghiên cứu phương pháp tính tốn sơ đồ nhiệt.
- Xây dựng chương trình tính tốn.

- Đề xuất thơng số tối ưu cho chu trình nhiệt.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/01/2013
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/06/2013
V. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên):
TS. NGUYỄN VĂN TUYÊN

Tp. HCM, ngày 29 tháng 07 năm 2013
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TS. Nguyễn Văn Tuyên

GS.TS. Lê Chí Hiệp
TRƢỞNG KHOA CƠ KHÍ
(Họ tên và chữ ký)

HVTT: Cao Thái Nguyên

Trang iii


Thuyết Minh Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến q thầy cơ, giảng viên

Khoa Cơ Khí trƣờng Đại Học Bách khoa TPHCM mà đặc biệt là quý thầy cô
ở bộ môn Công Nghệ Nhiệt Lạnh đã cung cấp cho em những kiến thức quý báu
trong thời gian học tại trường, không chỉ đơn thuần về mảng kiến thức chun
mơn mà cịn những kiến thức kinh nghiệm trong thực tế, bổ ích trong suốt q
trình em học tập tại nhà trường.
Em cũng gởi lời tri ân đến TS. Nguyễn Văn Tuyên nguời đã trực tiếp
giảng giải và hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp.
Đồng thời em cũng xin cảm ơn quý thầy cô trong hội đồng phản biện luận văn
đã đọc và cho em những nhận xét, câu hỏi giúp em có cái nhìn sâu hơn và thực
tế hơn về đề tài mà em đang thực hiện cũng như những sai sót mà em mắc phải
trong q trình hồn thành luận văn.
Cuối cùng em gởi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã động viên em
trong suốt q trình hồn thành luận văn tốt nghiệp.

TP.HCM, Tháng 07 năm 2013
Học viên
Cao Thái Nguyên

HVTT: Cao Thái Nguyên

Trang iv


Thuyết Minh Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Nguồn nhiệt thải từ các nhà máy xi măng xả bỏ ra ngồi vẫn ln có một
tiềm năng tận dụng tiếp. Vì thế mà có nhiều đề tài nghiên cứu được thực hiện để

thu hồi nguồn nhiệt thải tốt nhất và ứng dụng trong thực tế đạt hiệu quả cao
nhất.
Luận văn này đề cập tới vấn đề thu hồi nhiệt thải từ lò nung của nhà máy
xi măng ở Việt Nam để phát điện. Cụ thể:
 Nghiên cứu so sánh ưu nhược điểm một số sơ đồ thu hồi nhiệt thải phát
điện tại các nhà máy xi măng.
 Lựa chọn sơ đồ nhiệt phù hợp với quy mô và điều kiện Việt Nam.
 Tính tốn sơ đồ nhiệt của nhà máy nhiệt điện khí thải đã lựa chọn.
 Nghiên cứu đề xuất thơng số hơi nước hợp lí cho chu trình nhiệt.
Ngồi những kết quả nghiên cứu theo những nội dung trên, luận văn còn
đề ra những hướng phát triển mới và có thể làm bước khởi đầu cho những
nghiên cứu sâu hơn về đề tài lò hơi tận dụng nhiệt khí thải.

ABSTRACT
There is always a reusable potential from the disposal reusing waste heat
of cement plants. Therefore, there have been many theses on the ways to use the
heat up and apply in real to get the best effects.
This thesis addresses the possibility of producing electricity from the
waste heat of cement kilns in Vietnam. More specifically, it focuses on:
 Research on strengths and weaknesses of models of capturing heat and
generating power at some cement plants.
 Choosing a thermoelectric solution suitable in the conditions of Vietnam.
 Calculations of the thermoelectric process of the selected power plant.
 Recommended specifications for the thermal cycle.
In addition to the above discussions, the thesis also put forward
recommendations for further research on steam boilers using waste heat.
HVTT: Cao Thái Nguyên

Trang v

Thuyết Minh Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên

LỜI CAM ĐOAN
Trong luận văn này ngoài những kết quả, những trích dẫn từ những nguồn
tài liệu tham khảo mà tơi đã nêu trong luận văn. Tôi xin cam đoan những nội
dung cịn lại trong luận văn là do chính tơi thực hiện, khơng sao chép trái phép
bất kì tài liệu nào khác. Nội dung này chưa được người khác thực hiện, phát
hành và đăng trên các tạp chí khoa học kỹ thuật trong nước cũng như quốc tế.
Mà tất cả những nội dung đều do tôi làm. Tôi cam đoan những gì tơi viết, tơi
hồn tồn chịu trách nhiệm.
Tác giả luận văn

Cao Thái Nguyên

HVTT: Cao Thái Nguyên

Trang vi


Thuyết Minh Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên

MỤC LỤC
Đề mục

Trang

Trang bìa.................................................................................................................. i
Nhiệm vụ luận văn thạc sĩ ...................................................................................... iii
Lời cảm ơn.............................................................................................................. iv
Tóm tắt luận văn ..................................................................................................... v
Lời cam đoan .......................................................................................................... vi
Mục lục .................................................................................................................. vii
Danh sách hình vẽ .................................................................................................. x
Danh mục các kí hiệu ............................................................................................ xii
Nội dung

Trang

Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU................................... 01
1.1. Đặt vấn đề............................................................................................. 01
1.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng trên thế giới ...................................... 02
1.3. Tình hình nghiên cứu ứng dụng trong nước ........................................ 05
1.4. Mục tiêu nghiên cứu............................................................................. 09
1.5. Nội dung nghiên cứu ............................................................................ 09
1.6. Phương pháp nghiên cứu...................................................................... 09
1.7. Giới hạn đề tài ...................................................................................... 09
1.8. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài ................................ 09
Chƣơng 2. THU HỒI NHIỆT THẢI TỪ NHÀ MÁY XI MĂNG................... 10
2.1. Nguồn nhiệt thải tại lị nung ................................................................. 10
2.1.1. Q trình sản xuất xi măng theo phương pháp khô ..................... 10
2.1.2. Quá trình sản xuất clinker ............................................................ 12
2.1.3. Nguồn nhiệt khí thải sau tháp trao đổi nhiệt ................................ 14
2.1.4. Nguồn nhiệt khí thải sau thiết bị làm mát clinker ........................ 14
2.2. Phương án tận dụng nhiệt khí thải ...................................................... 14

HVTT: Cao Thái Nguyên

Trang vii


Thuyết Minh Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên

2.2.1.Phương án chỉ tận dụng nhiệt khí thải từ tháp trao đổi nhiệt của lò
nung ..................................................................................................................... 14
2.2.2.Phương án tận dụng nhiệt thải từ cả tháp trao đổi nhiệt và bộ
phận làm lạnh clinker ............................................................................................ 15
2.3. Một số sơ đồ thu hồi nhiệt thải phát điện đang sử dụng ...................... 16
2.3.1. Sơ đồ tận dụng nhiệt khí thải của nhà máy xi măng Hà Tiên 2 ... 16
2.3.2. Sơ đồ quá nhiệt song song khơng có bình phân ly ...................... 18
2.3.3. Sơ đồ q nhiệt song song có một bình phân ly .......................... 19
2.3.4. Sơ đồ quá nhiệt song song có hai bình phân ly............................ 21
2.4. Chọn sơ đồ nhiệt .................................................................................. 22
2.5. Các thiết bị chính của hệ thống ............................................................ 23
Chƣơng 3. CƠ SỞ TÍNH TỐN ........................................................................ 31
3.1. Xác định áp suất ngưng tụ . .................................................................. 31
3.2. Ảnh hưởng của thông số hơi ban đầu .................................................. 32
3.3. Đường giãn nở của hơi trong tuabin .................................................... 34
3.4. Phương pháp tối ưu điểm kẹp .............................................................. 35
3.5. Lựa chọn cặp thông số kết đôi ban đầu ................................................ 36
Chƣơng 4. XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ HƠI BAN ĐẦU ..................................... 37
4.1. Các thông số ban đầu ........................................................................... 37
4.1.1. Các thông số ban đầu thay đổi ....................................................... 37
4.1.2. Các thông số cố định ...................................................................... 37

4.2. Sơ đồ trao đổi nhiệt lò hơi SP .............................................................. 38
4.3. Sơ đồ trao đổi nhiệt lị hơi AQC .......................................................... 39
4.4. Thơng số nhiệt tại bộ góp từ hai lị hơi SP và AQC ............................ 40
4.5. Thông số nhiệt ở tuabin........................................................................ 41
4.6. Thông số nhiệt bình phân ly ................................................................. 42
4.7. Phần mềm tính tốn và sơ đồ khối tính tốn ........................................ 43
4.7.1. Phần mềm tính tốn ........................................................................ 43
4.7.2. Giới thiệu phần mềm tính tốn....................................................... 43
HVTT: Cao Thái Nguyên

Trang viii


Thuyết Minh Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên

4.7.3. Sơ đồ khối tính tốn ....................................................................... 51
4.8. Kết quả tính tốn .................................................................................. 52
4.9. Lựa chọn thơng số tối ưu...................................................................... 67
Chƣơng 5. KẾT QUẢ VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................ 69
5.1. Kết luận ............................................................................................... 69
5.2. Kiến nghị ............................................................................................. 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 70
Phụ lục 1: Chương trình tính tốn ......................................................................... 72
Phụ lục 2: Đồ thị i – s ........................................................................................... 84
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ................................................................................ 85

HVTT: Cao Thái Nguyên

Trang ix


Thuyết Minh Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Nội dung

Trang

Hình chƣơng 1 ...................................................................................................... 1
Hình 1.1: Nhà máy xi măng ở Trung Quốc .......................................................... 03
Hình 1.2: Cơng ty xi măng Đài Loan .................................................................... 04
Hình 1.3: Biểu diễn mối quan hệ công suất phát điện và clinker của nhà máy .... 04
Hình 1.4: Nhu cầu tiêu thụ xi măng và tốc độ tăng trưởng hàng năm của ngành
xi măng .................................................................................................................. 05
Hình 1.5: Nhà máy xi măng Hà Tiên 2 ................................................................. 07
Hình 1.6: Nhà máy xi măng Cơng Thanh ............................................................. 08
Hình 1.7: Hệ thống nhà máy Holcim Hịn Chơng................................................. 08
Hình chƣơng 2 ..................................................................................................... 10
Hình 2.1: Sơ đồ quá trình sản xuất xi măng .......................................................... 10
Hình 2.2: Thành phần hóa học của clinker ........................................................... 12
Hình 2.3: Nung clinker .......................................................................................... 13
Hình 2.4: Sơ đồ tận dụng nhiệt thải từ tháp trao đổi nhiệt .................................... 15
Hình 2.5: Sơ đồ tận dụng nhiệt thải từ tháp trao đổi nhiệt và bộ phận làm nguội
clinker .................................................................................................................... 16
Hình 2.6: Sơ đồ tận dụng nhiệt khí thải của nhà máy xi măng Hà Tiên 2 ............ 17
Hình 2.7: Sơ đồ q nhiệt song song khơng có bình phân ly ............................... 18

Hình 2.8: Sơ đồ quá nhiệt song song tận dụng nhiệt khí thải có một bình phân ly20
Hình 2.9: Sơ đồ quá nhiệt song song tận dụng nhiệt khí thải có hai bình phân ly 21
Hình 2.10: Lị hơi SP............................................................................................. 24
Hình 2.11: Lị hơi AQC......................................................................................... 25
Hình 2.12: Tuabin cơng suất 3 MW ...................................................................... 27
Hình 2.13: Sơ đồ nhiệt bình ngưng ....................................................................... 28
Hình 2.14: Sơ đồ nhiệt bình khử khí ..................................................................... 29

HVTT: Cao Thái Ngun

Trang x


Thuyết Minh Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên

Hình chƣơng 3 ..................................................................................................... 31
Hình 3.1: Sơ đồ trao đổi nhiệt trong bình ngưng .................................................. 32
Hình 3.2: Ảnh hưởng của nhiệt độ hơi ban đầu .................................................... 33
Hình 3.3: Ảnh hưởng của áp suất hơi ban đầu ...................................................... 33
Hình 3.4: Đường giãn nở hơi trong tuabin ............................................................ 35
Hình 3.5: Đồ thị t – F thể hiện giá trị điểm kẹp .................................................... 36
Hình chƣơng 4 ..................................................................................................... 37
Hình 4.1: Đồ thị t – F biểu diễn quá trình trao đổi nhiệt tại nồi hơi SP................ 38
Hình 4.2: Đồ thị t – F biểu diễn quá trình trao đổi nhiệt tại nồi hơi AQC............ 39
Hình 4.3: Tổng hợp hai dòng hơi quá nhiệt tại bộ góp ......................................... 40
Hình 4.4: Sơ đồ nhiệt tuabin ................................................................................. 41
Hình 4.5: Sơ đồ nhiệt bình phân ly ....................................................................... 42
Hình 4.6: Giao diện người dùng............................................................................ 46

Hình 4.7: Block diagram ....................................................................................... 47
Hình 4.8: Các dạng dây nối ................................................................................... 47
Hình 4.9: Tạo connector cho các Icon của chương trình con ............................... 48
Hình 4.10: Các hàm chuyển giữa number và string .............................................. 49
Hình 4.11: Các khối của thao tác với mảng .......................................................... 50
Hình 4.12: Sơ đồ khối tính tốn ............................................................................ 51
Hình 4.13: Đồ thị biểu diễn các điểm đặc trưng trong tuabin trường hợp 1......... 54
Hình 4.14: Đồ thị biểu diễn các điểm đặc trưng trong tuabin trường hợp 2......... 56
Hình 4.15: Đồ thị biểu diễn các điểm đặc trưng trong tuabin trường hợp 3......... 58
Hình 4.16: Đồ thị biểu diễn các điểm đặc trưng trong tuabin trường hợp 4......... 60
Hình 4.17: Đồ thị biểu diễn các điểm đặc trưng trong tuabin trường hợp 5......... 62
Hình 4.18: Đồ thị biểu diễn các điểm đặc trưng trong tuabin trường hợp 6......... 63
Hình 4.19: Đồ thị biểu diễn các điểm đặc trưng trong tuabin trường hợp 7......... 65
Hình 4.20: Đồ thị biểu diễn các điểm đặc trưng trong tuabin trường hợp 8......... 66

HVTT: Cao Thái Nguyên

Trang xi


Thuyết Minh Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU
- WTO: Worrld Trade Organnization, Tổ chức Thương mại Thế giới
- AQC: Air Quenching Cooler, là lò hơi dùng để tận dụng nhiệt thải từ
thiết bị làm mát clinker
- SP ≡ HP: Suspension Preheater, là lò hơi dùng để tận dụng nhiệt thải từ
tháp trao đổi nhiệt

- ECO: Economizer, ống gia nhiệt nước sơ bộ
- DSH: dàn sinh hơi
- BQN: bộ quá nhiệt
- PP: Pinch Point, điểm kẹp
- qn: Quá nhiệt
- pl: Phân ly
- đv: Đưa vào
- LabVIEW: Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench

HVTT: Cao Thái Nguyên

Trang xii


Thuyết Minh Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên

Chƣơng 1

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1.1. Đặt vấn đề
Ngày nay cùng với xu thế hòa nhập chung của thế giới Việt Nam cũng đã
hịa mình vào biển lớn là gia nhập WTO. Điều này đặt Việt Nam đứng trước
những cơ hội và thách thức. Cơ hội là giúp chúng ta có thể tự do mua bán trên
thị trường thế giới. Trong những năm gần đây Việt Nam đã tận dụng rất tốt cơ
hội này và đạt mức tăng trưởng bình qn khá cao trên 6.5%/năm. Thách thức
đó là khi hịa nhập với thị trường chung thì chúng ta phải tuân thủ theo quy luật
cạnh tranh chung. Nếu không thay đổi theo kịp sự thay đổi của thế giới thì dần
dần chúng ta sẽ tụt hậu rất xa.

Trình độ phát triển khoa học cơng nghệ của chúng ta cịn lạc hậu so với
khu vực và thế giới. Tuy hiện nay chúng ta có một số lợi thế nhất định trong môi
trường cạnh tranh: giá nhân công rẻ, nguyên liệu rẻ…Nhưng nếu xét về lâu dài
thì lợi thế này sẽ khơng cịn. Do đó nếu chúng ta khơng tiến hành cải tiến và đổi
mới dần công nghệ ngay từ bây giờ thì trong tương lai khả năng cạnh tranh của
Việt Nam trên trường thế giới sẽ khơng cịn.
Chính vấn đề trên đặt ra cho ngành khoa học và công nghệ Việt Nam
nhiều thách thức, địi hỏi khơng ngừng cải tiến kỹ thuật cơng nghệ và từng bước
ứng dụng nó vào thực tiễn nhằm giúp các doanh nghiệp nâng cao khả năng cạnh
tranh trên trường quốc tế.
Năng lượng là một trong những yếu tố quan trọng cho sự tồn tại và phát
triển của xã hội cũng như duy trì mọi sự sống trên trái đất. Trong nhiều thập kỉ
qua, việc tiêu thụ năng lượng trên thế giới tăng lên cùng với sự phát triển kinh
tế, trong đó nhiên liệu hóa thạch như dầu thơ, than đá, khí thiên nhiên,… chiếm
đa số nguồn năng lượng tiêu thụ. Đa số những nguồn năng lượng này là không
tái sinh, và chúng bị cạn kiệt dần trong tương lai.

HVTT: Cao Thái Nguyên

Trang 1


Thuyết Minh Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên

Do vậy việc sử dụng những nguồn năng lượng mới để thay thế cho nguồn
năng lượng hóa thạch là điều đang được các nhà nghiên cứu quan tâm để nhằm
hạn chế khả năng cạn kiệt của chúng.
Chính vì lí do đó mà việc tận dụng các nguồn nhiệt thải tại các cơng ty,

nhà máy xí nghiệp là rất cần thiết để đáp ứng cho nhu cầu thiếu hụt năng lượng
hiện nay.
Trong các nguồn nhiệt đó thì nguồn nhiệt có khả năng thu hồi từ nhà máy
xi măng là rất lớn: có thể phát điện để đáp ứng một phần không nhỏ nhu cầu
điện của nhà máy.
Việc tận dụng các nguồn nhiệt thải một cách hiệu quả và hợp lý sẽ mang
lại các lợi ích sau:
- Tiết kiệm nhiên liệu: trong một quy trình sản xuất có thể có nhiều cơng đoạn
cần đến nguồn nhiệt năng, do đó có thể tận dụng nhiệt thải của công đoạn này để
cung cấp cho công đoạn khác nhằm giảm lượng tiêu hao nhiên liệu cung cấp cho
tồn hệ thống.
- Tăng tính kinh tế của hệ thống, khai thác tối đa năng suất làm việc của hệ
thống so với trước đây.
- Góp phần bảo vệ mơi trường: việc giảm đi lượng tiêu hao nhiên liệu cũng đồng
nghĩa với việc giảm lượng khí thải CO2, SO2…ra mơi trường.
1.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng trên thế giới
Trên thế giới thì việc tận dụng nhiệt thải tại nhà máy xi măng đã được ứng
dụng từ nhiều năm trước, nhất là các nước phát triển. Việc tận dụng nhiệt khí
thải nhà máy xi măng được áp dụng rộng rãi để phát điện ở Trung Quốc, Nhật
Bản, Hoa Kỳ, …
Nhà máy sản xuất xi măng Trung Quốc đóng vai trị quan trọng trong việc
phát triển công nghệ tận dụng nhiệt thải để phát điện. Đất nước này sản xuất
1,65 tỷ tấn xi măng năm 2009, chiếm hơn 50% sản lượng xi măng thế giới. Một
mặt, ngành công nghiệp này đang tăng cường cơ cấu lại thông qua việc sáp
nhập, giải thể và xố bỏ cơng suất lạc hậu. Mặt khác, nó tích cực áp dụng các
HVTT: Cao Thái Ngun

Trang 2

Thuyết Minh Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên

chính sách nhằm giảm tiêu hao năng lượng, cải thiện việc tận dụng chất thải, và
bảo vệ các khu bảo tồn địa chất và môi trường bằng cách xây dựng các trạm
phát điện nhiệt thải.

Hình 1.1: Nhà máy xi măng ở Trung Quốc
Phát điện nhiệt thải tại Nhà máy Xi măng Jingyang:
Hai dây chuyền nung phương pháp khô tại Nhà máy Xi măng Jingyang,
mỗi dây chuyền có cơng suất clinker 5000 tấn/ngày. Nhiệt độ của khí thốt ra từ
silo tầng trên của tháp trao đổi nhiệt vào khoảng 320oC và nhiệt độ khí thải từ
buồng làm nguội clinker vào khoảng 350oC.
Tiêu hao nhiệt của lò nung hiện nay là 3,32 GJ/tấn clinker. Một máy phát
điện và các hệ tuabin có cơng suất thiết kế bằng 20700 kW. Điện sản xuất ra
được dùng trực tiếp trong nhà máy xi măng và về có thể phát lên lưới điện cơng.
Cơng suất lý thuyết hàng năm phát điện nhiệt thải của nhà máy này vào khoảng
150 triệu kWh/năm.

HVTT: Cao Thái Nguyên

Trang 3


Thuyết Minh Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên

Thu hồi nhiệt thải nhà máy xi măng để phát điện của Đài Loan

Hình 1.2: Cơng ty xi măng Đài Loan
Nhà máy điện nhiệt khí thải này tận dụng khí thải buồng tiền nung (PH)
và khí từ thiết bị làm nguội (AQC) để phát điện. Nồi hơi tiền nung (PH boiler) là
nồi hơi dùng khí thải từ thiết bị làm nguội được lắp đặt các đường ống từ buồng
tiền nung và thiết bị làm nguội. Hơi nước sinh ra từ các nồi hơi này được chuyển
tới tuabin hơi nước và phát điện.

Hình 1.3: Biểu diễn mối quan hệ cơng suất phát điện và clinker của nhà máy
HVTT: Cao Thái Nguyên

Trang 4


Thuyết Minh Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên

1.3. Tình hình nghiên cứu ứng dụng trong nƣớc
Xây dựng là ngành đóng vai trị quan trọng trong q trình phát triển kinh
tế của Việt Nam do Việt Nam đang trong q trình hồn thiện hạ tầng kinh tế và
kiến trúc xã hội. Triển vọng tăng trưởng của ngành xây dựng là nhân tố hỗ trợ
tích cực cho ngành xi măng phát triển. Tốc độ đơ thị hóa nhanh trung bình
khoảng 30 – 33%/năm, cùng với việc phát triển và hoàn thiện cơ sở hạ tầng dẫn
đến tốc độ tăng trưởng của ngành công nghiệp xây dựng thường lớn hơn tốc độ
tăng trưởng của nền kinh tế. Trong đó, ngành xi măng duy trì tốc độ tăng trưởng
ổn định hơn và dự kiến ở mức trên 11%/năm từ nay đến năm 2015.
Mức độ cạnh tranh của các doanh nghiệp trong ngành xi măng còn ở mức
thấp và vai trò chi phối tập trung chủ yếu ở Tổng Công ty xi măng Việt Nam.
Tuy vậy, cạnh tranh trong ngành sẽ gia tăng mạnh khi các dự án mới đi vào hoạt

động. Ngành xi măng từ tình trạng thiếu hụt xi măng trước đây sẽ chuyển sang
dư thừa năng lực sản xuất kể từ năm 2010.
Các doanh nghiệp trong ngành xi măng có tỷ suất lợi nhuận thấp do chi
phí nguyên vật liệu tăng cao, nhất là đối với những doanh nghiệp phải phụ thuộc
vào nguồn clinker nhập khẩu, trong khi giá bán xi măng chịu sự điều tiết của
chính phủ. Do đó dẫn đến nhu cầu là phải tiết kiệm năng lượng.

Hình 1.4: Nhu cầu tiêu thụ xi măng và tốc độ tăng trưởng hàng năm ngành xi măng
HVTT: Cao Thái Nguyên

Trang 5


Thuyết Minh Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên

Tổng công ty xi măng Việt Nam là một doanh nghiệp hạng đặc biệt của
nền kinh tế nước nhà do vậy không thể không tiết kiệm năng lượng. Đứng trước
xu hướng hội nhập, những năm gần đây Tổng công ty đã chủ động nắm bắt cơ
hội mới, đón trước những thách thức trở ngại, trên cơ sở đó xác định cho mình
hướng đi và những giải pháp tích cực để chủ động nâng cao khả năng cạnh tranh
khi hội nhập.
Để tăng quy mô phát triển của ngành xi măng Việt Nam thì cần có những
giải pháp cần thiết nâng cao khả năng cạnh tranh khi hội nhập kinh tế - quốc tế:
+ Đầu tư phát triển kỹ thuật sản xuất theo hướng quy mơ lớn, tự động hóa
cao: Với mục tiêu phát triển ngành công nghiệp xi măng đến năm 2010 và định
hướng đến năm 2020 "... đưa ngành xi măng Việt Nam thành một nghành cơng
nghiệp mạnh, có cơng nghệ hiện đại, đủ sức cạnh tranh trên thị trường trong
nước và quốc tế trong tiến trình hội nhập." được xác định trong Quyết định

108/2005/QĐ-TTg ngày 16-5-2005 khi Thủ tướng Chính phủ phê duyệt quy
hoạch phát triển công nghiệp xi măng Việt Nam.
+ Xây dựng đồng bộ lực lượng lao động có đủ trình độ quản lý, vận hành
các cơ sở sản xuất hiện đại, hoạt động trong nền kinh tế thị trường hội nhập.
+ Mở rộng thị trường, thực hiện tốt nhiệm vụ bình ổn giá cả xi măng trên
phạm vi tồn quốc.
+ Giữ vững vai trị làm cơng cụ để Nhà nước điều tiết vĩ mô nền kinh tế,
Trong thời gian tới, để làm tốt vai trò chủ đạo này chúng tôi thấy tổng công ty
cần làm tốt hơn nữa nhiệm vụ là trung tâm tư vấn đầu tư cho các thành phần
kinh tế và các địa phương muốn phát triển sản xuất xi măng.
Hiện nay nước ta và nước ngoài đang phối hợp với nhau để tận dụng nhiệt
khí thải từ các nhà máy xi măng đạt hiệu quả cao. Điển hình là cuộc họp tại Hà
Nội vừa qua, Tổng công ty Công nghiệp xi măng Việt Nam (Vicem) phối hợp
với Công ty JFE Engineering Corporation (Nhật Bản) và Công ty Pratt &
Whitney Power Systems - PWPS (Mỹ) tổ chức Hội thảo về "Công nghệ thu hồi

HVTT: Cao Thái Nguyên

Trang 6


Thuyết Minh Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên

nhiệt dư để phát điện" dành cho ngành công nghiệp xi măng và các ngành công
nghiệp năng lượng của Việt Nam.
Trong bối cảnh suy giảm của nền kinh tế, doanh nghiệp sẽ càng khó khăn
hơn nếu các khoản chi phí về năng lượng chiếm một phần khơng nhỏ trong sản
xuất. Vì vậy, tiết kiệm năng lượng được coi là việc cần thiết và là yêu cầu tất

yếu cho phát triển bền vững. Đây cũng chính là yếu tố tiên quyết để đảm bảo an
ninh năng lượng cho tương lai, bảo vệ mơi trường và ứng phó với biến đổi khí
hậu tồn cầu.
Năm 2000, Tổ chức phát triển nguồn năng lượng mới NEDO của Nhật đã
tặng cho Việt Nam một hệ thống thiết bị trạm phát điện nhiệt khí thải cơng suất
2.950 kW lắp vào dây chuyền xi măng hệ khơ lị quay công suất clinker 3.000
tấn/ngày tại Nhà máy xi măng Hà Tiên 2. Sau bảy năm hoạt động, trạm phát
điện nhiệt khí thải tại Nhà máy xi măng Hà Tiên 2 đã phát ra 105 triệu kWh.
Hiện nay ở Việt Nam đã thu hồi nhiệt khí thải để phát điện tại ba nhà
máy:
+ Nhà máy xi măng Hà Tiên 2 công suất 1,2 triệu tấn clinker/năm, thu
hồi nhiệt thải của lò hơi SP phát điện 2.950 kW. Thị trấn Kiên Lương - Huyện
Kiên Lương - Tỉnh Kiên Giang.

Hình 1.5: Nhà máy xi măng Hà Tiên 2

HVTT: Cao Thái Nguyên

Trang 7


Thuyết Minh Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên

+ Nhà máy xi măng Cơng Thanh Thanh Hóa: năm 2008, Tập đồn Cơng
Thanh đã đưa vào sử dụng dây chuyền một sản xuất xi măng và clinker ở Thanh
Hóa giai đoạn 1 với công suất 2500 tấn clinker/ngày và giai đoạn 2 sẽ đạt công
suất 10000 tấn clinker/ngày.
- Dây chuyền 1: đã xây dựng hồn thiện nhà máy cơng suất đặt của tuabin hơi là

4,5 MW.
- Dây chuyền 2: hiện đang xây dựng dự án thu hồi nhiệt thải công suất đặt
tuabin hơi 18 MW.

Hình 1.6: Nhà máy xi măng Cơng Thanh
+ Nhà máy xi măng Holcim Hịn Chơng, Xã Bình An, huyện Kiên Lương,
tỉnh Kiên Giang. Nhà máy đã tận dụng năng lượng nhiệt thải cơng suất 6,3 MW.

Hình 1.7: Hệ thống nhà máy Holcim Hịn Chơng
HVTT: Cao Thái Nguyên

Trang 8


Thuyết Minh Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên

1.4. Mục tiêu nghiên cứu
Tầm quan trọng của việc thu hồi nhiệt thải là như vậy tuy nhiên vẫn còn
tồn tại một số sơ đồ nhiệt với các thông số hơi khác nhau mà chưa rõ là thông số
nào cho hiệu quả tốt hơn. Do vậy việc nghiên cứu, đề xuất thơng số nhà máy
nhiệt điện tận dụng nhiệt khí thải từ lò nung nhà máy xi măng là rất cần thiết cho
hiện nay nhằm mục đích là tối ưu hóa các thông số thiết kế để đem lại hiệu quả
tốt nhất trong quá trình thu hồi nhiệt thải ở điều kiện Việt Nam.
1.5. Nội dung nghiên cứu
 Nghiên cứu các nguồn nhiệt thải của nhà máy.
 Chọn sơ đồ nhiệt hệ thống thu hồi nhiệt thải.
 Nghiên cứu phương pháp tính tốn sơ đồ nhiệt.
 Xây dựng chương trình tính tốn.

 Đề xuất thơng số tối ưu cho chu trình nhiệt.
1.6. Phƣơng pháp nghiên cứu
 Dùng các phương trình tính toán về kỹ thuật để nghiên cứu khả năng tận
dụng nhiệt khí thải từ nhà máy xi măng.
 Tính tốn và tối ưu hóa thơng số sơ đồ nhiệt của nhà máy.
 Viết chương trình tính tốn để khảo sát sự biến thiên của thông số đầu vào
của tuabin ảnh hưởng đến hiệu suất tận dụng nhiệt khí thải.
1.7. Giới hạn đề tài
Đề tài này xây dựng chương trình tính tốn thơng số thiết kế sơ đồ nhiệt
của nhà máy nhằm đề suất thông số hơi nước tối ưu về mặt kỹ thuật chứ chưa
xem xét tới tối ưu về mặt kinh tế, do bởi việc khảo sát giá thành hệ thống là rất
phức tạp và tác giả luận văn khơng có điều kiện tiếp cận.
1.8. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
- Hỗ trợ đánh giá về mặt kỹ thuật khả năng tận dụng nhiệt khí thải trong thực tế.
- Tối ưu thơng số đầu vào của tuabin nhằm mục đích đem lại hiệu quả lớn nhất
từ hệ thống thu hồi nhiệt thải lựa chọn.
- Khả năng áp dụng cho hệ thống tương tự khác.
HVTT: Cao Thái Nguyên

Trang 9


Thuyết Minh Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên

Chƣơng 2

THU HỒI NHIỆT THẢI TỪ NHÀ MÁY XI MĂNG
2.1. Nguồn nhiệt thải tại lị nung

Hình 2.1: Sơ đồ q trình sản xuất xi măng

2.1.1. Quá trình sản xuất xi măng theo phƣơng pháp khô

HVTT: Cao Thái Nguyên

Trang 10


Thuyết Minh Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên

- Nguồn ngun liệu chính: Đá vơi, đất sét và phụ gia laterit, phụ gia sản xuất xi
măng gồm thạch cao, puzolan và phụ gia trơ.
- Nhiên liệu: chủ yếu là dùng than, phương pháp đốt bột than là theo kiểu phun
Q trình sản xuất xi măng theo phương pháp khơ trải qua bốn công đoạn:
a. Xử lý nguyên liệu thô
Nguyên liệu đá vơi, đất sét và xỉ tất cả hịa trộn và đưa vào máy nghiền,
sau đó máy nghiền tự động nghiền nhỏ nguyên liệu ra theo kích thước yêu cầu.
Sau khi nghiền xong đất sét khô và đá khô được đưa qua hệ thống cân tự động
rồi đưa qua hệ thống nghiền thô một lần nữa trước khi đưa vào bộ phận silo trộn
cho hai loại nguyên liệu đá vôi và đất sét được trộn đều với nhau rồi đưa đến
tháp trao đổi nhiệt.
Sau khi nguồn nguyên liệu được silo trộn xong đưa qua tháp trao đổi
nhiệt, khí thải sau tháp trao đổi nhiệt sẽ đưa ngay về bộ phận lọc bụi thực hiện
quá trình lọc bụi đảm bảo điều kiện mơi trường và thải qua ống khói thải ra
ngồi.
b. Q trình nung clinker

Liệu clinker được nung trong lị quay. Nhiệt độ tại vùng nung đạt tới
(1450 – 1500)oC.
c. Q trình hồn tất
Sau khi thực hiện q trình nung, clinker được hòa trộn với thạch cao đưa
qua hệ thống cân tự động. Khi cân tự động xong sẽ đưa qua máy nghiền xi măng
hòa trộn với xi măng postland để tạo thành xi măng postland và một phần đưa
qua cân tự động rồi đưa vào thùng trộn với các phụ gia thành những loại khác
nhau.
d. Quá trình vận chuyển
Sau khi sản phẩm được hoàn thành sẽ đưa qua các bộ phận đóng gói và
vận chuyển đến thị trường tiêu thụ bằng nhiều phương tiện khác nhau. Có thể
bằng phương tiện như: xe tải, tàu hỏa, tàu thủy…

HVTT: Cao Thái Nguyên

Trang 11


Thuyết Minh Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: TS Nguyễn Văn Tuyên

2.1.2. Quá trình sản xuất clinker

STT

Thành phần

Phần trăm, %

1

SiO2

21 – 22

2

Al2O3

5 – 5,5

3

Fe2O3

4 – 4,5

4

CaO

65,5 – 66,2

5

MgO

1,5 Max

6

SO3

1,0 Max

7

Độ ẩm

0,5 Max

Hình 2.2: Thành phần hóa học của Clinker
 Chuẩn bị nguyên nhiên liệu:
- Nguyên liệu (đá vôi, chất thải công nghiệp, bùn thải, bột mài, tro lị đốt...).
Chất thải cơng nghiệp được xử lý sơ bộ như: được phân loại, phơi khô, trộn
đều... Nguyên liệu đạt yêu cầu kỹ thuật được tập kết về khu vực nghiền liệu.
- Nguyên liệu được định lượng sau đó được đổ vào máy nghiền. Khí nóng thu
hồi từ khí thải lị quay được phun vào máy nghiền tạo thành hệ thống sấy nghiền
HVTT: Cao Thái Nguyên

Trang 12