Tác giả: Mirko Ferrari, Công ty Turboden
Đăng trên Tạp chí World Cement số tháng 3/2024, Tr. 49-53
Người dịch: Nguyễn Thị Kim Lan
Trong bài viết này, Mirko Ferrari, Kỹ sư bán hàng về Thu hồi Nhiệt Công nghiệp tại Công ty Turboden, trình bày nghiên cứu về vai trò của công nghệ thu hồi nhiệt thừa ORC như là một công cụ khử carbon cho ngành xi măng.
Ngành xi măng toàn cầu đang phải đối mặt với một trong những thách thức khó khăn nhất khi đề cập đến vấn đề liên quan đến sự phát triển bền vững. Một mặt, ngành xi măng tiếp tục phải đáp ứng nhu cầu xi măng trên toàn cầu mà thường tăng lên hàng năm, và một mặt, ngành này phải khử giảm phát thải khí CO2 sinh ra trong quá trình sản xuất.
Tính đến đầu năm 2024, khoảng 145 quốc gia trên thế giới đã công bố hoặc đang xem xét cân nhắc các mục tiêu thuần bằng 0. Đối với các quốc gia Châu Âu, thách thức này là phải đạt thuần bằng 0 vào năm 2050.
Tuy nhiên, theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), cường độ CO2 trực tiếp của quá trình sản xuất xi măng (được đo bằng tấn CO2/tấn xi măng sản xuất ra) hầu như không thay đổi trong 5 năm qua, so với mức giảm cần thiết hàng năm 4% vào năm 2030, phù hợp với kịch bản NZE vào năm 2050.
Thu hồi nhiệt thừa
Khi tính đến điều này, việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng của nhà máy sản xuất xi măng là một trong những giải pháp nhanh nhất và hiệu quả nhất để giảm bớt mức tiêu hao nhiên liệu trên toàn cầu và nhờ đó sẽ giảm được lượng phát thải CO2 có liên quan (Phạm vi 2 – Phát thải gián tiếp).
Nó đảm bảo một cách hợp lý rằng việc áp dụng các phương pháp thu hồi nhiệt thừa (WHR) được coi là cách đơn giản nhất để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong quá trình sản xuất clinker, vì nó có thể sản xuất điện lên tới 30% lượng điện tiêu thụ của nhà máy xi măng. Điều này đạt được là nhờ khai thác nguồn năng lượng nhiệt có trong dòng khí nóng. Ngược lại, nguồn năng lượng này sẽ không chỉ bị lãng phí, mà nó sẽ yêu cầu phải sử dụng những nguồn tài nguyên có giá trị, như nước hoặc điện, cho quá trình xử lý và làm nguội các dòng khí này.
Trong 15 năm 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 quan trọng và đảm bảo so với Chu trình Rankine Hơi thông thường. Việc không ngừng cải tiến các giải pháp kỹ thuật, nâng cao năng lực cạnh tranh kinh tế, và sự tập trung ngày càng tăng trên toàn cầu vào một môi trường xanh hơn và bền vững hơn đã khiến cho thu hồi nhiệt thông qua ORC ngày càng trở nên hấp dẫn hơn. Các chính phủ trên khắp thế giới cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy sự thay đổi này hướng tới các hoạt động bền vững.
Trong giai đoạn từ 2022-2023, Turbodan, một công ty Tập đoàn Công nghiệp Nặng Mitsubishi và một công ty cung cấp hàng đầu các nhà máy ORC cho ứng dụng nhiệt độ trung bình/cao trong các ngành công nghiệp tiêu tốn nhiều năng lượng, đã nhận được sáu dự án mới chỉ riêng trong ngành xi măng. Thành công này cho thấy sức hấp dẫn ngày càng tăng đối với các nhà máy xi măng sử dụng công nghệ ORC.
Trong khi các chiến lược khác có thể được thực thi để khử giảm phát thải carbon từ các nhà máy xi măng, như là việc chuyển hướng sang các nhiên liệu thấp carbon, nâng cao hiệu quả sử dụng nguyên vật liệu, và các công nghệ thu gom carbon, thì WHR từ quá trình sản xuất nổi lên như là một trong những giải pháp hữu hiệu và hiệu quả nhất để ngay lập tức đưa các nhà máy xi măng trở nên bền vững hơn và được hưởng lợi về mặt tài chính. Kết hợp WHR với các công nghệ khác sẽ là quan trọng đối với các nhà máy xi măng trong tương lai.
Những lợi ích của việc tận dụng nhiệt thừa
Bằng việc thu gom và tận dụng nhiệt thừa để phát điện (hoặc cả điện và nhiệt điện ở dạng nước nóng lên đến 110oC), các nhà máy xi măng có thể tận hưởng một số lợi ích, bao gồm:
► 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 nhờ giảm bớt năng lượng họ phải mua về từ lưới điện quốc gia cho hoạt động sản xuất của nhà máy, nhờ đó giảm bớt hóa đơn năng lượng. Ngoài ra, các nhà máy xi măng lắp đặt hệ thống ORC về cơ bản có thể chốt được giá điện cho toàn bộ vòng đời của hệ thống, loại bỏ các rủi ro liên quan tới những biến động trên thị trường năng lượng. Chi phí Năng lượng Cân bằng (LCOE) của WHR thường thấp hơn so với các nguồn năng lượng tái chế khác như năng lượng mặt trời hoặc năng lượng gió mà thường không ổn định và phụ thuộc vào các điều kiện bên ngoài. Nhờ sử dụng hệ thống ORC, các nhà máy xi măng cũng có thể làm nguội khí đốt sinh ra trong quá trình phát điện, loại bỏ nhu cầu về các bộ trao đổi nhiệt khí-khí tiêu hao điện năng hoặc nước ở các tháp điều hòa. Việc loại bỏ nhu cầu về nước đặc biệt phù hợp ở các quốc gia mà tình trạng khan hiếm nước đang là một vấn đề thực sự.
► Nâng cao hiệu quả sử dụng: Việc áp dụng giải pháp ORC khiến cho các nhà máy xi măng có thể nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng tổng thể của họ nhờ khai thác nguồn nhiệt năng sinh ra trong quá trình sản xuất mà nếu không sẽ được phát tán vào trong môi trường.
► Nâng cao tính cạnh tranh: Với việc ngày càng tập trung vào tính bền vững và hiệu quả sử dụng năng lượng, các nhà máy xi măng mà đang chứng tỏ cam kết khử giảm dấu chân carbon của họ sẽ có vị thế tốt hơn trên thị trường.
► Những lợi ích về môi trường: Ngành xi măng chịu trách nhiệm đối với khoảng ~7% lượng phát thải CO2 trên toàn cầu, theo IEA cho biết. Nhờ giảm bớt năng lượng tiêu hao và lượng phát thải CO2 thông qua công nghệ ORC, các nhà máy xi măng có thể góp phần vào những nỗ lực toàn cầu nhằm giảm bớt biến đổi khí hậu và giảm thiểu tác động của chúng tới môi trường.
► Giảm bớt mức tiêu hao nhiên liệu hóa thạch ở các nhà máy xi măng bằng các máy phát điện. Điện sản xuất ra bằng hệ thống ORC được sử dụng để cấp điện cho các phụ tải nội bộ, nhờ đó giảm bớt nhu cầu năng lượng được tạo ra thông qua các phương tiện ít thân thiện với môi trường hơn. Điều này giúp giảm bớt hóa đơn năng lượng và giảm bớt lượng phát thải carbon trên toàn cầu.
Quy trình hệ thống
Các nhà máy xi măng thường có hai nguồn nhiệt năng có thể thu hồi cho sử dụng thông qua hệ thống ORC: khí thải từ tháp sấy sơ bộ và khí nóng từ máy làm nguội clinker. Turboden đã lắp đặt nhiều hệ thống ORC cho các nhà máy xi măng, thu hồi năng lượng từ một hoặc cả hai nguồn này. Sản lượng điện của các hệ thống này là từ 1-11 MWe, tùy thuộc vào các điều kiện nguồn nhiệt có thể khai thác được. Tuy nhiên, Turboden có thể chào các hệ thống có năng lượng cơ học từ 600 kWe đến 20 MWe từ một tua-bin đơn; công ty đã thực hiện thành công hơn 400 ORCs trên khắp thế giới trong các lĩnh vực khác nhau.
Khí thải hoặc khí nóng từ quá trình đi vào bộ trao đổi thu hồi nhiệt, truyền nhiệt năng trong dòng khí tới một vector nhiệt, thường là dầu nhiệt. Bộ trao đổi nhiệt được thiết kế cho xử lý hiệu quả các điều kiện riêng của dòng khí đốt, kiểm soát các chất gây ô nhiễm và bụi thường có mặt trong khí đốt. Vector nhiệt sau đó truyền nhiệt năng tới lưu chất hoạt động ORC, thường là cyclopentan cho các ứng dụng nhà máy xi măng (là lưu chất hoạt động phù hợp nhất với các đặc tính nguồn nhiệt về nhiệt độ). Cyclopentane bay hơi và đi vào tua-bin, sản phẩm cốt lõi của Turboden, tạo ra năng lượng cơ học cần thiết mà sẽ được chuyển hóa thành điện năng bằng một máy phát điện được kết nối.
Hơi giãn nở sau đó đi qua bộ trao đổi nhiệt bên trong được gọi là thiết bị tái sinh, trong đó nó giải phóng nhiệt vào pha lỏng đi tới từ phía đối diện. Phía sau thiết bị tái sinh, hơi đi vào bộ ngưng, trong đó nó được làm mát thêm và quay trở lại pha lỏng. Sự ngưng tụ này có thể xảy ra qua một vòng tuần hoàn nước giải nhiệt hoặc qua việc sử dụng trực tiếp không khí bên ngoài. Trong trường hợp sử dụng trực tiếp không khí bên ngoài, sẽ không tiêu thụ nước cho vận hành nhà máy ORC, một lợi thế đáng kể ở những vùng khan hiếm nước. Lưu chất hoạt động ORC được bơm liên tục trở lại qua thiết bị tái sinh tới giàn bay hơi, hoàn thành chu kỳ của nó.
Những lợi thế của ORC
So với các giải pháp thu hồi nhiệt khác như Chu trình Rankine Hơi thông thường, công nghệ ORC có một số lợi thế. Nó cho thấy tính linh hoạt trong quá trình vận hành, như nó có thể xử lý nhiệt năng đầu vào trong khoảng từ 20-110% mức đầu vào theo thiết kế, đồng thời đảm bảo duy trì hiệu quả sử dụng cao sát với mức thiết kế.
Nhờ khả năng tương thích này, các tua-bin ORC vẫn là một phương án lựa chọn khả thi cho các nhà máy xi măng khi xem xét tích hợp các công nghệ Thu gom Carbon như oxyfuel (nhiên liệu ô-xy), hoặc các quá trình tỏa nhiệt khác, và thu gom sau đốt. Các tua-bin này có thể vận hành với hiệu suất cao cả trước và sau khi điều chỉnh dây chuyền lò nung.
Trong trường hợp các công nghệ CCS khác, như thu gom sau đốt nổi tiếng bằng amin, Turboden đã lên ý tưởng cho máy bơm nhiệt lớn của mình. Giải pháp này sản sinh ra hơi nhiệt độ cao để hỗ trợ quá trình thu gom carbon, ngược lại hơi sẽ được sinh ra bằng cách đốt các nhiên liệu hóa thạch truyền thống.
Bên cạnh việc cung cấp LHP cho bất kỳ công nghệ CCS nào dựa vào amin, Turboden, một bộ phận của Tập đoàn Công nghiệp Nặng Mitsubishi, một công ty nổi tiếng với loại amin độc quyền riêng, có thể hỗ trợ khách hàng bằng giải pháp CCS hoàn chỉnh.
Các hệ thống của Turboden cũng được vận hành tự động, loại bỏ nhu cầu đối với nhân viên thường trực tại nhà máy, cho phép các nhân viên vận hành nhà máy xi măng tập trung vào công việc chính của họ.
Hệ thống WHR được lắp đặt vào nhánh phụ với hệ thống xử lý khí hiện có, đảm bảo không làm gián đoạn quá trình sản xuất clinker kể cả khi hệ thống WHR dừng hoạt động. Hơn nữa, khi so sánh với các công nghệ năng lượng xanh khác như quang điện mặt trời, WHR có hiệu quả kinh tế cao hơn do mức tận dụng cao hơn (về cơ bản, nó có thể hoạt động trong toàn bộ thời gian hoạt động của nhà máy xi măng, mang lại sản lượng kWh hàng năm cao hơn) và yêu cầu không gian ít hơn nhiều.
Trong những năm gần đây, sự biến động về chi phí năng lượng đã chứng tỏ khả năng tác động tới các doanh nghiệp của nó, kể cả trên các thị trường đang phát triển. WHR với ORC đã phát triển thành một công nghệ hoàn thiện và đã được chứng minh thực tế có thể đảm bảo giá điện cố định cho toàn bộ vòng đời của nhà máy. Điều này bảo vệ được ít nhất một phần các nhà máy xi măng, như đã thấy trong những năm trước với các hệ thống ORC của Turboden hiện có, từ những mức giá năng lượng cao nhất và biến động đột ngột và khó lường.
Kết luận
Với việc giá điện và giá khí đốt tăng lên ở rất nhiều quốc gia, việc tăng thuế carbon đối với phát thải CO2 (đã thực hiện ở nhiều quốc gia), và tính sẵn sàng của các biện pháp khuyến khích nhằm mục đích khử carbon công nghiệp, rào cản chi phí trong lịch sử mà đã cản trở việc đầu tư vào can thiệp khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng ở các nhà máy xi măng 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. Dựa vào kinh nghiệm chuyên môn trong ngành trong hơn một thập kỷ và mang đến sự linh hoạt để sản xuất ra điện hoặc nhiệt có nhiệt độ cao căn cứ vào yêu cầu của dự án, Turboden sẵn sàng đón nhận thách thức này và dẫn đầu lĩnh vực này hướng tới một tương lai bền vững hơn.
