Tái sử dụng nhiệt năng trong công nghiệp

Tiết kiệm năng lượng luôn là một lĩnh vực kỹ thuật được giới công nghệ quan tâm. Trong những năm qua lĩnh vực này đã đạt được các kết quả hết sức khả quan. Nhờ việc sử dụng kỹ thuật thu hồi nhiệt từ khí thải và nước thải để sử dụng trở lại, hiệu suất sử dụng nhiệt năng của các dây chuyền công nghiệp có thể đạt tới trên 90%, điều mà tới nay còn ít người coi là hiện thực.

Các nhà máy nhiệt điện, luyện kim, xi măng, hóa chất, gạch, gốm sứ, thủy tinh, dệt, nhuộm, ép nhựa, chế biến thực phẩm, đường, rượu, bia, cà phê, chè… đều có các lò đốt sử dụng than, dầu, gas hoặc điện năng để tạo ra nhiệt độ cao trong quá trính sản xuất. Lượng nhiệt thực sự góp phần tạo thành sản phẩm thường chỉ từ 5% tới 30% tổng số nhiệt năng sinh ra khi nhiên liệu bị đốt cháy. Hầu hết phần nhiệt năng còn lại đi theo khí thải, nước thải hoặc nước làm mát máy… và thoát ra môi trường, góp phần làm cho Trái Đất nóng lên. Điều này không những gây lãng phí tài nguyên, mà còn ảnh hưởng nghiêm trọng tới môi trường và khí quyển Trái Đất. Nếu tận dụng triệt để nhiệt lượng sinh ra từ các quá trình đốt, lượng CO2 cùng các chất khí độc hại do công nghiệp sinh ra có thể giảm từ

50% tới 80%. Hiện tượng Trái Đất nóng lên và các hiện tượng thay đổi khí hậu khác sẽ được hạn chế đáng kể nếu áp dụng triệt để các biện pháp tận dụng năng lượng.Với các thiết bị thu hồi nhiệt hiện đại, người ta có thể tận dụng hầu hết nhiệt năng thải ra để đưatrở lại quá trình sản xuất.

1.  Nguyên lý hoạt động của thiết bị thu hồi nhiệt.

Công đoạn chính trong hệ thống tái sử dụng nhiệt năng là việc thu hồi nhiệt từ khí thải và nước thải để làm nóng không khí sạch hoặc nước sạch trước khi dẫn tới một công đoạn sản xuất khác có yêu cầu nhiệt độ thấp hơn, hoặc không khí nóng sẽ được cung cấp cho sự cháy trong lò, làm cho quá trình đốt cháy nhanh hơn, triệt để hơn và tốn ít nhiên liệu hơn, đồng thời nhiệt độ cháy cũng ổn định hơn, do đó chất lượng sản phẩm cũng đảm bảo hơn. Nước sạch sau khi được làm nóng cũng sẽ được chuyển sang một công đoạn sản xuất khác hoặc được bơm vào nồi hơi.

Có nhiều cách thu hồi nhiệt với các thiết bị khác nhau và áp dụng cho các trường hợp sử dụng khác nhau. Các thiết bị thu hồi nhiệt thường có một hệ thống trao đổi nhiệt giữa khí thải hoặc nước từ nhà máy thải ra với không khí sạch, nước sạch đi vào nhà máy. Thiết bị trao đổi nhiệt có thể cấu tạo bởi các tấm chuyên chở nhiệt, các ống vận chuyển nhiệt tuần hoàn, các ống vận chuyển nhiệt theo nguyên lý mao dẫn, các ống vận chuyển nhiệt theo nguyên lý trọng lực, rotor hấp thụ nhiệt, máy bơm nhiệt, hoặc trao đổi nhiệt theo phương pháp dòng ngược chiều… Mỗi phương pháp trao đổi nhiệt chỉ thích hợp với một khoảng nhiệt độ nhất định và một số ngành sản xuất nhất định.

2.  Thu hồi nhiệt theo phương pháp dòng ngược chiều
   

Hình 1: Sơ đồ thiết bị thu hồi nhiệt theo phương pháp dòng ngược chiều.

Đây là phương pháp có hiệu quả cao và được áp dụng trong nhiều quá trình công nghệ, khi nhiệt độ khí thải không quá cao và chênh lệch nhiệt độ giữa khí thải và khí trời không quá nhỏ. Theo cách này nhiệt năng được truyền từ khí thải hoặc nước thải qua không khí sạch hoặc nước sạch trong một buồng trao đổi nhiệt (hình1).

Hình 2 : Một buồng trao đổi nhiệt trong quá trình chế tạo

Buồng trao đổi nhiệt là một không gian chạy dài được bao bọc bằng vật liệu cách nhiệt, bên trong có cácống bằng hợp kim có độ dẫn nhiệt rất cao (Hình 2).

Khí thải có nhiệt độ cao được bơm vào từ một đầu của buồng trao đổi nhiệt và thoát ra ở đầu kia. Không khí sạch được bơm vào các ống kim loại trong buồng trao đổi nhiệt từ phía đầu ra của khí thải và theo một đường ống riêng ở phía đầu vào của khí thải dẫn tới nơi sử dụng. Việc thu hồi nhiệt từ nước thải cũng thực hiện như vậy. Đồng thời với việc thu hồi nhiệt, các nhà máy có nồi hơi còn thu hồi được hầu hết nước ngưng tụ để sử dụng lại.

3. Hiệu suất các thiết bị thu hồi nhiệt

Hệ thống như trên đã được áp dụng từ những năm giữa thế kỷ 20. Tuy nhiên lúc đầu hiệu quả thu hồi nhiệt còn rất thấp, giá nhiên liệu cũng còn thấp và giá thành thiết bị rất cao nên ít được áp dụng. Trong những năm gần đây ngành sản xuất vật liệu và thiết bị thu hồi nhiệt đã đạt được những tiến bộ vượt bực, đồng thời tương quan giữa giá nhiên liệu và giá thiết bị đã thay đổi rất nhiều nên các thiết bị thu hồi nhiệt được rất nhiều nhà công nghệ sử dụng.

Hiệu suất của thiết bị thu hồi nhiệt phụ thuộc vào kích thước và cấu tạo buồng trao đổi nhiệt, chất lượng vật liệu làm ra thiết bị, vào nhiệt độ của nước thải, khí thải và các đặc điểm của quá trình sản xuất. Các thiết bị thu hồi nhiệt theo nguyên tắc dòng ngược chiều cho phép thu hồi tới 80% nhiệt lượng trong khí thải và nước thải, đưa hiệu quả sử dụng nhiên liệu lên tới trên 90%. Hãng Vailand (EU) chuyên sản xuất các thiết bị dùng gas hoặc dầu để đun nước cung cấp cho lò sưởi và sinh hoạt đã tung ra thị trường loại thiết bị có kèm hệ thống tái sử dụng nhiệt từ khí thải với hiệu suất nhiệt

95%. Việc tái sử dụng nhiệt năng để sưởi ấm trong sinh hoạt ở các nước xứ lạnh cũng đã được thực hiện từ nhiều năm nay. Không khí từ các khu văn phòng, khách sạn và nhà ở thoát ra theo ống thông gió cũng mang theo một nhiệt lượng đáng kể và cũng được thu hồi để sưởi nóng không khí sạch trước khi bơm vào nhà.

4. Sau bao lâu thì thu hồi được vốn

Việc tái sử dụng nhiệt năng không chỉ giảm thiểu chi phí năng lượng thông qua việc giảm bớt nhiên liệu đưa vào ban đầu, mà còn làm giảm chi phí đầu tư cho các lò đốt, ống khói và tháp lạnh… Các dây chuyền công nghiệp được thiết kế mới trong những năm gần đây thường có hệ thống thiết bị tái sử dụng nhiệt đồng bộ với khu vực đốt nhiên liệu, nồi hơi và hệ thống thoát khí thải, nước thải. Phần tiết kiệm chi phí do việc thu nhỏ lò đốt, thu nhỏ các ống khói, ống thoát khí thải… còn lớn hơn toàn bộ chi phí cho hệ thống thiết bị tái sử dụng nhiệt.

Hình 3: Thiết bị thu hồi nhiệt nhà máy nhựa Laufenberg.

Trước đây nhà máy nhựa Laufenberg (Đức) hàng năm tiêu thụ cho sản xuất một lượng khí đốt trị giá 2 triệu Euro. Sau khi lắp đặt hệ thống thiết bị tái sử dụng nhiệt (hình 3,4) với tổng chi phí 150 ngàn Euro, mức tiêu thụ nhiên liệu đã hạ xuống còn 1/3, mỗi năm tiết kiệm khoảng 1,4 triệu Euro. Tái sử dụng nhiệt năng trong công nghiệp không phải là một công nghệ mới mẻ và xa lạ. Ngay ở Việt Nam công nghệ này đã được áp dụng tại nhiều nhà máy từ hàng chục năm nay. Tại Công ty thép Việt Nhật (Hải Phòng) cũng có một buồng trao đổi nhiệt được xây dựng ngay từ đầu cùng với dây chuyền sản xuất. Năm 2008 buồng trao đổi nhiệt bị hư hỏng do sự cố kỹ thuật trong lò nung, lượng dầu tiêu thụ từ 10 tấn / ngày đã tăng lên 27 tấn 1 ngày nên nhà máy phải đặt lại buồng trao đổi nhiệt khác, đưa mức tiêu thụ dầu trở lại 10 tấn / ngày như trước khi xẩy ra sự cố. Hình 4 là buồng trao đổi nhiêt mới được thay thế. Ảnh chụp ngày 09.04.2009 tại Công ty thép Việt Nhật.

Hình 4 : Buồng trao đổi nhiệt nhà máy thép Việt Nhật Hải Phòng. Bên trái là đường ống đưa khí thải hết nhiệt ra  ống  khói.  Phía  trên  bên  trái  là đường   dẫn  không khí vào buồng trao đổi nhiệt, bên phải là đường dẫn không khí sạch đã được sấy nóng thổi vào lò. Thiết bị này đã đưa mức iêu thụ dầu từ 27 tấn xuống 10 tấn 1 ngày  (tiết kiệm 63% chất đốt)

Hình 5 : Thiết bị TSDNN tại Nhà máy Bia .

Hình 6 : Sơ đồ bố trí thiết bị TSDNN tại Nhà máy Bia

5.   Kết luận

Việc áp dụng các biện pháp tái sử dụng nhiệt năng trong những năm qua ở các nước công nghiệp đã tạo nên một cuộc cách mạng về kỹ thuật nhiệt, góp phần giúp nhiều hãng công nghiệp hạ đáng kể giá thành sản phẩm, giành lại thị trường tiêu thụ và thoát ra khỏi nguy cơ phá sản. Một số nước còn áp dụng chính sách tài chính đặc biệt hỗ trợ cho các hãng áp dụng công nghệ tái sử dụng nhiệt năng trong thời gian đầu. Các nước có lượng khí thải cao rất coi trọng công nghệ này, xem như một biện pháp hàng đầu để giảm thiểu lượng CO2,  thực hiện nghị định thư Kyoto về bảo vệ khí quyển Trái Đất. Các nhà công nghiệp Việt Nam cần nắm bắt công nghệ hết sức lợi ích này để hạ giá thành và tăng sức cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời góp phần cải thiện môi trường khí quyển.