Tác giả: Mirko Ferrari, Công ty Turboden
Đăng trên Tạp chí World Cement số tháng 11/2023, Tr. 44 – 50
Người dịch: Nguyễn Thị Kim Lan.
Trong bài viết này, Mirko Ferrari – Kỹ sư Năng lượng đã làm việc tại Công ty Turboden từ năm 2020 và là kỹ sư bán hàng về Thu hồi Nhiệt Công nghiệp tập trung chủ yếu vào các ngành công nghiệp tiêu hao nhiều năng lượng như các quy trình sản xuất xi măng, kính, và sắt thép – trình bày rõ các khía cạnh của việc thu hồi nhiệt thừa, chỉ ra tiềm năng đối với công nghệ chu trình Rankine hữu cơ để xử lý dấu chân carbon trong ngành xi măng.
Trong thập kỷ qua, ngành xi măng đã chứng kiến sự xuất hiện của công nghệ chu trình Rankine hữu cơ (ORC) như là một giải pháp thay thế khả thi và an toàn cho chu trình Rankine hơi thông thường (SRC). Việc cải tiến liên tục các giải pháp kỹ thuật, nâng cao tính cạnh tranh kinh tế, và sự tập trung ngày càng nhiều vào việc xây dựng một môi trường xanh hơn và bền vững hơn trên toàn cầu cũng đã khiến cho việc thu hồi nhiệt thông qua ORC ngày càng trở nên hấp dẫn. Các chính phủ trên thế giới cũng đã đóng một vai trò đáng kể trong việc thúc đẩy sự chuyển đổi này hướng tới các hoạt động bền vững.
Để xử lý phát thải xi măng, các khu vực pháp lý khác nhau như Liên Minh Châu Âu (bao gồm cả Hiệp hội Thương mại Tự do Châu Âu), Canada, và Hàn Quốc đã triển khai các phương án định giá. Trung Quốc chiếm phần lớn (~55% theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế [IEA] sản lượng xi măng toàn cầu vào năm 2021, mới đây cũng đã đưa ra một cơ chế định giá cho các phát thải xi măng, có khả năng sớm nhất là vào năm 2023.
Năm 2022, Turboden, một công ty cung cấp các giải pháp ORC cho các ứng dụng nhiệt độ trung bình/cao trong các ngành công nghiệp tiêu tốn nhiều năng lượng, đã đảm bảo 4 dự án mới trong ngành xi măng và một số dự án khác sẽ được hoàn thành trong năm nay. Thành tựu này nhấn mạnh sự hấp dẫn ngày càng tăng của thu hồi nhiệt thừa sử dụng công nghệ ORC.
Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế, cường độ phát thải CO2 trực tiếp của quá trình sản xuất xi măng (được đo bằng tấn CO2/tấn xi măng sản xuất ra) đã tăng lên ở mức xấp xỉe 1,5%/năm từ năm 2015 đến năm 2021. Điều này tương phản với mức giảm cần thiết hàng năm là 3% cho đến năm 2030, như đã nêu trong Kịch bản Phát Thải Ròng bằng 0 vào năm 2050.
Trong khi có thể thực hiện các chương trình khác để giảm thiểu phát thải carbon ở các nhà máy xi măng, như các công nghệ thu gom carbon, chuyển sang các nhiên liệu thấp carbon hơn, và nâng cao hiệu quả sử dụng nguyên vật liệu, thu hồi nhiệt thừa (WHR) từ quá trình sản xuất được biết đến như là một trong những cách thức hiệu quả nhất để ngay lập tức đưa các nhà máy xi măng trở nên bền vững hơn và mang lại lợi ích về mặt tài chính. Một trạm WHR có thể sản xuất lên tới 30% năng lượng điện tiêu hao của một nhà máy xi măng. Việc kết hợp WHR với các công nghệ khác sẽ là quan trọng đối với các nhà máy xi măng trong tương lai.
Được biết các nhà máy xi măng tiêu thụ một lượng lớn năng lượng cho quá trình sấy và nghiền nguyên liệu. Các quá trình này tạo ra một lượng nhiệt thừa đáng kể như là một phụ phẩm. Bằng cách thu gom và tận dụng nhiệt thừa này để phát điện hoặc cả điện năng và nhiệt năng ở dạng nước nóng (lên đến 110oC), các nhà máy xi măng có thể tận hưởng một vài lợi ích, bao gồm:
► Nâng cao hiệu quả sử dụng: Thực hiện giải pháp ORC có thể giúp các nhà máy xi măng nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng tổng thể của họ lên bằng cách khai thác năng lượng nhiệt được tạo ra trong quá trình sản xuất mà nếu không sẽ được phát tán vào trong môi trường.
► Tiết kiệm chi phí: Việc lắp đặt hệ thống ORC có thể mang lại những khoản tiết kiệm chi phí cho các nhà máy xi măng thông qua việc giảm thiểu năng lượng họ phải mua từ lưới điện quốc gia cho các hoạt động của nhà máy, nhờ vậy giảm được hóa đơn năng lượng. Ngoài ra, điều lý tưởng nhất là các nhà máy xi măng có lắp đặt hệ thống ORC có thể chốt giá điện cho toàn bộ tuổi thọ của hệ thống, loại bỏ các rủi ro liên quan tới những biến động trên thị trường năng lượng. Hơn nữa, chi phí năng lượng trung bình (LCOE) của hệ thống WHR cơ bản là thấp hơn so với các nguồn năng lượng tái tạo khác như mặt trời và gió. Nhờ sử dụng hệ thống ORC, các nhà máy xi măng cũng có thể làm nguội khí đốt tạo ra trong quá trình sản xuất điện, loại bỏ nhu cầu đối với các bộ trao đổi nhiệt khí – khí tiêu tốn nhiều năng lượng hoặc nước ở các tháp điều hòa khí thải. Điều này đặc biệt phù hợp ở các quốc gia đang gặp phải vấn nạn khan hiếm nước cần được giải quyết.
► Nâng cao tính cạnh tranh: với việc ngày càng tập trung vào tính bền vững và hiệu quả năng lượng, các nhà máy xi măng đang thực hiện cam kết của họ đối với việc khử giảm dấu chân carbon sẽ có vị thế tốt hơn trên thị trường.
► Những lợi ích về môi trường: Theo IEA, ngành xi măng chịu trách nhiệm đối với gần 7% lượng phát thải CO2 trên toàn cầu. Nhờ giảm thiểu mức năng lượng tiêu hao và phát thải carbon thông qua công nghệ ORC, các nhà máy xi măng có thể góp phần vào nỗ lực của toàn cầu nhằm giảm thiểu biến đổi khí và giảm thiểu tác động của họ lên môi trường.
► Giảm thiểu tiêu hao nhiên liệu hóa thạch: trong các nhà máy xi măng có các trạm phát điện, điện năng sản xuất ra bằng hệ thống ORC được sử dụng để cấp điện cho các phụ tải nội bộ, nhờ đó giảm thiểu nhu cầu đối với năng lượng được sản xuất ra thông qua các phương tiện ít thân thiện với môi trường hơn. Điều này dẫn đến giảm bớt hóa đơn năng lượng và giảm thiểu phát thải carbon trên toàn cầu.
Các nhà máy xi măng về cơ bản có hai nguồn nhiệt năng có thể thu hồi và có thể tận dụng được thông qua hệ thống ORC: khí thải từ các tháp sấy sơ bộ và gió nóng từ máy làm nguội clinker. Turboden đã lắp đặt nhiều hệ thống ORC ở các nhà máy xi măng, thu hồi năng lượng từ một hoặc cả hai nguồn. Công suất điện năng của các hệ thống này nằm trong khoảng từ 1 – 11 Mwe, tùy thuộc vào các điều kiện nguồn nhiệt có thể khai thác được. Tuy nhiên, Turboden có thể cung cấp các hệ thống với năng lượng cơ học từ 600 kWe lên đến 20 Mwe từ một tua-bin đơn lẻ.
Khí thải hay gió nóng từ quá trình đi vào bộ trao đổi nhiệt thu hồi để chuyển nhiệt năng trong dòng khí sang véc-tơ nhiệt, điển hình là dầu nhiệt. Bộ trao đổi nhiệt được thiết kế dành riêng cho xử lý hiệu quả các điều kiện riêng của dòng khí, kiểm soát các chất gây ô nhiễm và bụi thường có mặt trong dòng khí. Véc-tơ nhiệt sau đó truyền nhiệt năng vào lưu chất làm việc của ORC, thường là cyclopentan cho các ứng dụng nhà máy xi măng (là lưu chất làm việc phù hợp nhất với các đặc tính nguồn nhiệt về nhiệt độ). Cyclopentan bay hơi và đi vào tua-bin (sản phẩm cốt lõi của Turboden), tạo ra năng lượng cơ học cần thiết để chuyển hóa thành điện năng thông qua một bộ phát điện được kết nối. Hơi giãn nở sau đó đi qua bộ trao đổi nhiệt bên trong được gọi là bộ tái sinh, ở đây nó giải phóng nhiệt sang pha lỏng tới từ phía đối diện. Phía sau bộ tái sinh, hơi đi vào thiết bị ngưng, ở đây nó được làm nguội thêm và trở lại pha lỏng. Quá trình ngưng tụ này có thể xảy ra thông qua chu trình nước làm mát hoặc bằng cách tận dụng trực tiếp không khí xung quanh. Trong trường hợp tận dụng trực tiếp không khí xung quanh, sẽ không tiêu hao n ước cho vận hành thiết bị ORC, một lợi thế quan trọng ở những vùng khan hiếm nước. Lưu chất làm việc của ORC liên tục được bơm về qua bộ tái sinh tới thiết bị bay hơi, hoàn thành chu trình của nó.
So với các giải pháp thu hồi nhiệt khác như chu trình Rankine hơi thông thường, công nghệ ORC bộc lộ một số lợi điểm. Nó cho thấy sự linh hoạt trong quá trình vận hành, vì nó có thể xử lý năng lượng nhiệt đầu vào từ 10-110% đầu vào thiết kế, trong khi vẫn đảm bảo năng suất gần sát với mức thiết kế. Ngoài ra, các hệ thống ORC vận hành tự động, không cần nhân viên thường trực có mặt tại nhà máy, giúp các nhân viên vận hành nhà máy xi măng tập trung vào công việc chính của họ. Vì tất cả những lý do này, cùng với những lý do khác, đã thúc đẩy chủ đầu tư nhà máy Medcem lựa chọn công nghệ Turboden cho dây chuyền sản xuất clinker thứ hai của mình. Quyết định này đã được đưa ra cho dù thực tế là dây chuyền khác trong cùng nhà máy đã được trang bị một tua-bin SRC.
Hệ thống thu hồi nhiệt thừa được lắp đặt vào nhánh phụ đến dây chuyền xử lý khí đốt hiện có, đảm bảo không làm gián đoạn quá trình sản xuất clinker kể cả khi hệ thống thu hồi nhiệt thừa phải dừng hoạt động. Hơn nữa, khi so sánh với các công nghệ năng lượng xanh khác như quang điện mặt trời (PV), WHR có hiệu quả kinh tế cao hơn do mức tận dụng cao hơn (điều lý tưởng là nó có thể hoạt động trong toàn bộ thời gian hoạt động của nhà máy xi măng, mang lại mức sản lượng kWh hàng năm cao hơn) và cần ít không gian hơn.
Trong những năm gần đây, sự biến động về chi phí năng lượng đã chứng tỏ khả năng tác động tới các doanh nghiệm của chúng, kể cả trên các thị trường đang phát triển. WHR với ORC đã phát triển thành một công nghệ thực thụ và đã được chứng minh qua thực tế rằng nó có thể đảm bảo giá điện cố định cho toàn bộ tuổi thọ của nhà máy. Điều này bảo vệ các nhà máy xi măng, như đã quan sát thấy trong những năm trước với các hệ thống ORC Turboden hiện có, khỏi các mức giá năng lượng cao ngất ngưởng và biến động đột ngột, khó lường.
Kể từ khi gia nhập vào tập đoàn Mitsubishi Heavy Industries vào năm 2013, Turboden đã chuyển giao hơn 40 năm kinh nghiệm chuyên môn thiết kế hệ thống ORC cho tập đoàn.
Công ty hiện hưởng lợi từ sự hỗ trợ rất nhiều về tài chính và kỹ thuật từ công ty mẹ, đưa ra những đảm bảo chắc chắn cho khách hàng của mình.
Ngoài ra, vì Turboden là một bộ phận của công ty Nhật Bản, nên có thể tận dụng Cơ chế Tín dụng Chung (JCM). JCM cung cấp các cơ hội cho Turboden để tiếp cận và hưởng lợi từ những ưu đãi và hỗ trợ từ chính phủ Nhật Bản cho các dự án liên quan tới khử giảm phát thải và phát triển bền vững ở các quốc gia đối tác (kể từ tháng 4/2023, 26 quốc gia đã tham gia vào cơ chế này).
Kết luận
Với giá bán điện đang tăng lên ở nhiều quốc gia, khó có thể trở lại mức trước đại dịch do áp dụng các công nghệ phát điện xanh hơn nhưng đắt tiền hơn, việc áp đặt các loại thuế carbon lên phát thải CO2 (đã được triển khai thực hiện ở nhiều quốc gia), và sự sẵn có của các biện pháp khuyến khích nhằm mục đích khử cacbon trong công nghiệp, rào cản chi phí lịch sử cản trở đầu tư vào thu hồi nhiệt cho các nhà máy xi măng thông qua công nghệ ORC đang ngày càng trở nên mong manh. Việc theo đuổi một thế giới bền vững hơn cuối cùng sẽ phá vỡ rào cản này, thu hút thêm nhiều nhà máy xi măng đầu tư vào các giải pháp thông minh và hiệu quả để nâng cao hiệu suất của họ. Với hơn một thập kỷ kinh nghiệm trong ngành, Turboden sẵn sàng đón nhận thử thách này và dẫn dắt ngành hướng tới một tương lai xanh hơn.
