Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
1
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỂ TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG ĐIỆN
TRONG XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP Ngành: TƢ̣ ĐỘ NG HÓ A
Học viên: TRỊNH VĂN TOÀN
Ngƣời HD Khoa học: PGS.TS. BÙI QUỐC KHÁNH
THÁI NGUYÊN – 2012
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
2
3
có hệ thống tháp trao đổi nhiệt và canxiner, mức tiêu thụ nhiệt khoảng 700 kcal/kg
clinker.
Tuỳ thuộc vào bản chất, chất lƣợng nguyên liệu sản xuất và quá trình công
nghệ và thiết bị mà năng lƣợng tiêu tốn để sản xuất ra 1 tấn clinker, xi mănglà khác
nhau. Trong quá trình sản xuất xi măng, các hộ tiêu thụ năng lƣợng chính gồm nhiệt
để sấy khô nguyên liệu và nung clinke, điện tiêu thụ cho chế biến nguyên liệu và
nung clinke; điện dùng để xử lý nguyên liệu thụ, nhiệt để sấy khô các phụ gia trong
quá trình sản xuất xi măng. Việc tiêu thụ năng lƣợng do nung clinke chiếm 70% -
80% tổng tiêu thụ năng lƣợng. Điện đƣợc dùng cho các máy nghiền nguyên liệu,
quạt đốt lò, động cơ quay lò, quạt làm nguội clinke, nghiền clinke.
Trong nhà máy sản xuất xi măng, các khu vực/ công đoạn tiêu thụ năng lƣợng chính
nhƣ sau:
- Khai thác và vận chuyển nguyên liệu thô
- Chuẩn bị nguyên liệu
- Chuẩn bị nhiên liệu
- Sấy, nghiền nguyên nhiên liệu
- Lò nung
- Làm nguội clinke
- Nghiền xi măng
Ngoài ra cũng có năng lƣợng sử dụng ở các khu vực phụ, các công đoạn phụ
trợ nhƣ chiếu sáng, thiết bị văn phòng…
Và quá trình sản xuất clinker chiếm khoảng 70 - 80% tổng năng lƣợng để sản
xuất xi măng, nên việc giảm tỷ lệ của clinker trong sản phẩm xi măng với các phụ
gia có thể làm giảm đáng kể năng lƣợng sử dụng trong quá trình sản xuất xi măng.
Kinh nghiệm ở châu Âu đó sử dụng phụ gia đối với xi măng porland hỗn hợp (CEM
II) lên tới 35% là tro bay và 65% là clinker; xi măng xỉ lò cao (CEM III/A), có 65%
là xỉ lò cao và 35% là clinker.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
5
- Nghiền xi măng: Tiêu thụ năng lƣợng trong nghiền xi măng phụ thuộc vào loại xi
măng đƣợc sản xuất, đƣợc đo bằng độ cứng và độ mịn Blaine (cm2/g). Điện tiêu thụ
cho nghiền xi măng khoảng 16 kWh/ tấn với xi măng nghiền đến độ mịn 3200
cm2/g và xi măng có độ mịn 3500 cm2/g cao hơn khoảng 8% (17,3 kWh/ tấn); xi
măng có độ mịn 4000 cm2/g cao hơn 20% so với xi măng 3200 cm2/g (19,2 kWh/
tấn) và xi măng 4200 cm2/g cao hơn 24% (19,8 kWh/ tấn).
- Các công đoạn phụ trợ và băng tải bên trong nhà máy: Tổng lƣợng điện sử dụng
cho các công đoạn phụ trợ vào khoảng 10 kWh/ tấn clinker. Điện sử dụng cho băng
tải khoảng 1 – 2 kWh/ tấn xi măng. Chiếu sáng, thiết bị văn phòng và các thiết bị
điện khác sử dụng khoảng 1,2% lƣợng điện của nhà máy.
- Cải tạo Quạt và tối ƣu hóa trong các lò nung: Điều chỉnh cửa vào của quạt lò sẽ
làm giảm giảm tổn thất ma sát và tổn thất áp suất khi dòng khí đi qua đƣờng ống
dẫn và do đó sẽ tiết kiệm năng lƣợng.Tiết kiệm năng lƣợng từ giải pháp này tuy nhỏ
nhƣng có lợi do chi phí đầu tƣkhông đáng kể.
Lợi ích: Giải pháp sẽ giúp tiết kiệm năng lƣợng và tăng tuổi thọ của lò. Nhà máy xi
măng Chittor của Công ty Chittorgarh ở Ấn Độ đó cải tạo đƣờng dẫn khí vào của
quạt làm mát bằng cách tăng đƣờng kính để giảm tổn thất ma sát và áp suất của
dòng khí đi qua. Giải pháp đó tiết kiệm 0.048 kWh/t clinker (6 kW). Chi phí chỉ có
5,4 đồng/ tấn clinker).Ngoài ra làm tăng tuổi thọ của lò sẽ là một lợi ích về kinh tế
lớn.
Thu hồi nhiệt thải để phát điện sử dụng cho sản xuất clinker: Nhiệt thải từ lò nung,
hệ thống làm mát clinker sẽ đƣợc thu hồi sản xuất hơi để chạy tuabin phát điện. Thu
hồi nhiệt thải (WHR) trong sản xuất xi măng để phát điện là một trong những biện
pháp hiệu quả tiết kiệm năng lƣợng đó đƣợc áp dụng ở nhiều quốc gia. Ở Việt nam,
tình trạng khan hiếm điện sẽ là một thách thức cho doanh nghiệp trong giảm tiêu
thụ điện, đây là giải pháp có thể giải quyết đƣợc thách thức này. Tùy vào sự khác
8
9.5
18
Giải pháp này có thời gian hoàn vốn đầu tƣ ngắn, hiệu quả kinh tế và môi trƣờng
cao nên hiện nay đƣợc xếp ƣu tiên trong các giải pháp hiệu quả năng lƣợng của
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
7
công nghiệp xi măng. Chi phí đầu tƣ cho một hệ thống nhƣ vậy ƣớc tính từ 1,25
triệu USD/MW.
Lợi ích
- Dự án thu hồi nhiệt thải có thể cung cấp cho nhà máy xi măng 25 - 30% nhu cầu
điện sản xuất.
- Dựa trên các trƣờng hợp đó thực hiện, giải pháp này có thể tiết kiệm tới 22
kWh/tấn clinker. Công nghệ sản xuất xi măng hiện nay sử dụng nguồn năng lƣợng
chính là than và điện. Đá vôi, đất sét sau khi đập, sấy và nghiền sơ bộ đƣợc chuyển
vào lò nung clinker ở nhiệt độ 1.450oC, sau khi nung xong sẽ tiến hành làm nguội
và đƣa vào nghiền thành phẩm. Đây là hai công đoạn quan trọng nhất của quy trình
sản xuất xi măng. Trong quá trình sản xuất, một lƣợng nhiệt khí thải và bụi khá lớn
đó thải ra làm ô nhiễm môi trƣờng, lãng phí năng lƣợng, lãng phí nguồn tài nguyên
và giảm hiệu quả đầu tƣ.
Tiềm năng tiết kiệm năng lƣợng 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
lƣợng của ngành xi măng nói chung và Việt Nam nói riêng hiện là vấn đề "nóng" tại
các hội thảo về tiết kiệm năng lƣợng, nhƣng vẫn chƣa có quyết sách cũng nhƣ
đƣờng lối thực sự hiệu quả để giải quyết vấn đề này. Trong khi đó, các giải pháp
TKNL trong ngành xi măng là rất khả thi.
Hệ thống lò nung clinker và hệ thống nghiền là 2 vị trí trọng yếu để tiết kiệm
năng lƣợng trong sản xuất xi măng bằng lò quay, phƣơng pháp khô kiểu mới, năng
thải. Giải pháp này sử dụng các biện pháp thích hợp, giảm lƣợng NOx tại đầu ra của
calciner, từ đó giảm thiểu lƣợng khí thải NOx của toàn bộ dây chuyền. Nhiên liệu
trong calciner cháy triệt để và vật liệu cũng đƣợc phân huỷ triệt để, nhiệt độ đầu ra
của hệ thống trao đổi nhiệt thấp xuống. Giải pháp này có thể thực hiện mục tiêu
giảm thải và tiết kiệm năng lƣợng của hệ thống trao đổi nhiệt.
Tại hệ thống lò quay, nhiệt lƣợng cháy của nhiên liệu làm nâng nhiệt độ
nguyên liệu, làm thành phần cacbonat canxi hoàn toàn bị phân huỷ thành oxit canxi
sau đó cùng với các thành phần khác đƣợc nung luyện ở nhiệt độ 1400
o
C thiêu kết
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
9
thành clinker. Thông qua rất nhiều chứng minh thực tiễn, loại lò quay ngắn hai bệ
đỡ có tỷ lệ chiều dài và đƣờng kính L/D < 12,5 ngày càng thu hút đƣợc quan tâm vì
yếu tố tiết kiệm nhiệt nung và năng suất riêng của lò khá cao.
Ƣu điểm nổi trội của loại lò ngắn hai bệ đỡ là tiết kiệm năng lƣợng, tổn thất
toả nhiệt chênh lệch so sánh với lò cùng quy cách vào khoảng 16.7 kJ (4kCal/kg
clinker), ngoài ra cũng có hàng loạt ƣu điểm về chi phí sản xuất thiết bị, chi phí xây
dựng thấp. Ghi làm nguội (Cooler), công dụng của ghi làm nguội là sử dụng gió mát
để làm nguội clinker có nhiệt độ cao xuống nhiệt độ thấp. Khi đó, gió nguội bị gia
nhiệt nóng lên trở thành gió II. Gió II vào lò để đốt nhiên liệu, giảm nhiệt lƣợng
thoát ra ngoài, từ đó giảm tổn thất năng lƣợng.
Ghi làm nguội trải qua thế hệ thứ I với thông gió trong buồng gió lớn, thế hệ
thứ II với thông gió trong buồng gió nhỏ, thế hệ thứ III với dầm phụt khí cấp gió,
đến thế hệ thứ IV với thông gió đơn nguyên theo hƣớng đứng. Ghi làm nguội khụng
liệu kiểu hành tiến thế hệ IV tránh đƣợc clinker lọt qua ghi rơi xuống tạo thành trở
lực theo hƣớng đứng, có lợi cho việc thông gió đều đặn. Hiệu suất thu hồi nhiệt của
ghi làm nguội thế hệ IV trên 74%, so với mức vận hành thực tế hiện nay của ghi thế
tăng năng suất nghiền, đồng thời làm tăng độ mịn của sản phẩm, giảm tiêu hao năng
lƣợng nghiền.
1.1.2. Vai trò của quạt điện trong nhà máy gạch tuynel
1.1.2.1.Quy trình công nghệ nhà máy gạch tuynel
Với sự phát triển mau chóng của kinh tế thị trƣờng, cơ sở hạ tầng đƣợc chú
trọng đầu tƣ khiến nhu cấu vật liệu xây dựng vài năm gần đây tăng vọt. Chỉ nói
riêng ngành gạch xây dựng, hàng loạt nhà máy gạch sử dụng công nghệ lò Tuynel
ra đời. Đây là dạng lò nung dạng ống trụ hình chữ nhật đặt nằm. Đây là kiểu lò
nung liên tục với buồng đốt cố định, gạch mộc đƣợc chất trên các xe goong và lần
lƣợt di chuyển qua một buồng đốt cố định. Kiểu lò này đƣợc sử dụng phổ biến nhất
ở các nƣớc phát triển và hiện tại lò tuy Tuynel đó đƣợc tự động cao và đƣợc đánh
giá thích hợp cho điều kiện sản xuất công nghiệp và quy mô lớn.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
11
Hình 1.2.Sơ đồ công nghệ sản xuất gạch lò Tuynel
Nguyên lý hoạt động của lò nung Tuynel là Sản phẩm nung đƣợc đặt trên các
toa xe goong chuyển động ngƣợc chiều với chiều chuyển động của khí nóng. Trong
quá trình nung, nhiệt khí thải lò nung đƣợc tái sử dụng cho lò sấy qua hệ thống quạt
và kênh dẫn khí nóng đƣợc hút ba đầu lò. Đặc tính này làm hiệu suất sử dụng năng
lƣợng của lò tăng cao, góp phần cải thiện môi trƣờng trong lò nung công nghiệp.
Ngoài ra, hệ thống kết cấu của lò cũng tƣơng đối vững chắc, vùng chịu lửa ở chế độ
tĩnh tại và ổn định không có dao động nhiệt, giúp tăng tuổi thọ của lò.
1.1.2.2. Vai trò của quạt điện trong nhà máy gạch tuynel
Hiện nay, tất cả các nhà máy sản xuất vẫn sử dụng hệ thống quạt thổi khí nóng
từ lò nung sang lò sấy để lấy lƣợng nhiệt thừa trong quá trình nung quay trở lại để sấy
sản phẩm gạch mộc. Ngoài ra quạt cũng có nhiệm vụ hút các loại khí thải độc hại phát
sinh trong quá trình sấy và nung và thải ra ngoài qua hệ thống ống khói.
sản xuất của nhà máy. Vỡ tầm quan trọng của độ tincậy của quạt nên những nhà
thiết kế quạt rất dè dặt trong việc thiếtkế. Và phải chịu trách nhiệm cho độ tin cậy
của quạt nên nhà thiết kếcó xu hƣớng bù đắp cho sự không chắc chắn trong thiết
kếbằng cách tăng thêm công suất cho quạt. Nhƣng việc quạt quá công suất làm tăng
chi phí vận hành trong khi lại làm giảm độ tin cậy của quạt.
2.2.Các thành phần của hệ thống quạt
Một hệ thống quạt thông thƣờng bao gồm một quạt, một động cơ điện, hệ
thống điều khiển động cơ, ống dẫn khí, thiết bị kiểm soát dòng khí và thiết bị điều
khiển (bộ lọc,bộ làm mát, bộ trao đổi nhiệt,…) nhƣ hình vẽ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
14 Hình 2.1. Hệ thống quạt điện công nghiệp
2.2.1.Động cơ
Hầu hết quạt công nghiệp đều chuyền đổng bằng động cơ xoay chiều, hầu
hết đều là động cơ ba pha, 220 hoặc 380 vôn.
2.2.2.Hệ thống truyền động
Hệ thống truyền động thƣờng là thiết bị cho cơ hội tiết kiệm năng lƣợng và
giảm chi phí toàn hệ thống. Có hai loại truyền động cơ bản là: trực tiếp và sử dụng
đai. Hộp giảm tốc cũng đƣợc sử dụng nhƣng ít phổ biến hơn. Truyền động trực tiếp
thì quạt đƣợc nối trực tiếp với trục động cơ, kiểu này đơn giản nhƣng kém linh hoạt
trong việc thay đổi tốc độ. Truyền động qua đai là loại phổ biến nhất (đai có nhiều
Đường khí ra
Bộ trao đổi
nhiệt
Bộ điều khiển động
thống,
Một phƣơng pháp khác nữa là điều chỉnh tốc độ quạt. Tốc độ quạt có quan hệ
tuyến tính bậc nhất với lƣu lƣợng, bậc hai với áp lực và bậc ba với năng lƣợng cung
cấp. Bằng cách làm giảm hay tăng tốc độ quạt, công suất đầu sẽ đáp ứng đƣợc nhu
cầu của hệ thống. Nói chung, phƣơng pháp điều khiển lƣu lƣợng quạt bằng thay đổi
tốc độ là phƣơng án mang lại hiệu quả cao nhất.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
16
Hình 2.2. Thiết bị điều khiển luồng không khí
2.2.5.Thiết bị sử dụng đầu cuối
Các thiết bị khác phổ biến thƣờng gặp trong hệ thống điều hòa không khí bao
gồm các thiết bị dùng để điều chỉnh luồng khí đạt đƣợc một tính chất nhất định. Bộ
thao đổi nhiệt dùng để gia nhiệt cho luồng không khí đạt đến một nhiệt độ nhất định
hoặc là làm giảm độ ẩm.Bộ lọc thƣờng dùng để loại bỏ những chất hoặc những khí
không mong muốn, hệ thống điều hòa không khí ảnh hƣởng trực tiếp đến hiệu suất
của quạt và nó làm tăng lực cản hệ thống và trong một số trƣờng hợp làm thay đổi
mật độ. Bộ lọc thƣờng là loại Cyclone hoặc là lƣới luôn làm giảm áp suất hệ thống.
Trong nhiều hệ thống hiệu suất làm việc là kết quả trực tiếp của việc không chú ý
làm sạch hệ thống lọc.Lọc cyclone loại bỏ tạp chất bằng cách nhanh chóng chuyển
hƣớng dòng không khí vì vậy những phân tử nặng không có khả năng chuyển dòng
khí nhanh sẽ bị giữ lại. Mặc dù lọc cyclone lọc không hiệu quả bằng lọc lƣới nhƣng
chúng đòi hỏi bảo trì ít hơn, hoạt động tin cậy hơn.
2.2.6.Quạt
2.2.6.1.Phân loại
Căn cứ vào áp suất quạt tạo ra ta chia thành các loại sau:
a, quạt thấp áp, đến 1000N/m
2
N
=1200÷4000
Trong đó vòng quay riờng đƣợc tính theo công thức:
n
N
=13.n√Q/H
3/4
với:
n- vòng quay trục quạt, vg/ph
H-chiều cao cột áp, mm H
2
O
Q- lƣu lƣợng của quạt, m
3
/s
Vòng quay riêng của quạt là vòng quay với chế độ tối ƣu nó có lƣu lƣợng 1
m
3
/s, áp suất 30 mm H
2
O vỡ 30
3/4
=13.
Có hai loại quạt chính: Ly tâm và hƣớng trục. Các loại quạt này khác nhau
về hƣớng của luồng khí qua quạt. Quạt ly tâm sử dụng các cánh xoay để tăng vận
tốc luồng không khí, khi đó không khí sẽ di chuyển từ trục ra tới đầu cánh quạt làm
gia tăng động lực. Động lực này sẽ chuyển thành áp lực sau đó dần tăng lên trƣớc
khi ra ngoài qua đƣờng xả.
Quạt ly tâm thƣờng dùng trong trƣờng hợp liên quan tới áp lực cao.Chúng
thƣờng sử dụng khi yêu cầu dòng không khí (độ ẩm và bụi cao). Sử dụng để di
H= H
d
+ H
t
, m
H
d
=C
2
2
/2.g, m
H
t
=P
2
-P
1
/ñ
k
.g, m
Trong đó:
C
2
- vân tốc không khí ở cửa đẩy, m/s
P
2
- áp suất không khí ở cửa đẩy do quạt tạo ra, N/m
2
P
ρ
k
- khối lƣợng riêng của chất khí ở điều kiện làm việc của quạt, kg/m
3
g- gia tốc trọng trƣờng, m/s
2
ç- hệ số hiệu dụng của quạt
ç= 60- 75%
khi ta đổi áp lực của chất khí sang chiều cao là mm H
2
O theo điều kiện trên ta sẽ có
côngρ thức tính công suất đặt lên trục quạt là:
g. ρ
k
.H
k
=g. ñ.H
N=9.81.Q.H/1000 ç, kW
Trong đó: Q, m
3
/s; H, mm H
2
O
2.2.6.2. Các đặc tính số đo của quạt
Đặc tính số đo là các đƣờng cong biểu diễn quan hệ giữa lƣu lƣợng Q ới các
đại lƣợng chiều cao cột áp H, công suất N và hiệu suất ç của quạt với số vòng quay
không đổi n, vg/ph
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
2
/4, m
2
U= đ.D.n/60, m/s
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
21
Nếu với chế độ làm việc tƣơng tự mà đo đƣợc các lƣu lƣợng của các quạt băng nhau
thông qua việc sử dụng số đo ở công thức trên thì gọi là hệ số lƣu lƣợng Q
’
Q
’
=Q/K
Q
hay Q=Q
’
.K
Q
với quạt ly tâm thì số đo cột áp K
H
là:
K
H
=ñ.U
2
, kg/m.s
N
Hay là: N=K
N
. N
’
nếu N là KW thì: N
’
=1000.N/K
N
Thông qua các hệ số không số đo có thể xác định hệ số hiệu dụng của quạt
ç=Q
’
.H
’/
/N
Ƣu điểm cơ bản của các hệ số không số đo là đánh giá đặc tính của quạt với ít đại
lƣợng. Đó là các hệ số Q
’
và H
’
tƣơng ứng với hệ số hiệu dụng lớn nhất. Khi chọn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
22
quạt (bơm) làm việc ở chế độ tối ƣu, có lƣợng và cột áp mong muốn thì chỉ cần
chọn đƣờng kính và số vòng quay của guồng động là đủ.
P
a
- áp suất khí quyển
P
h
-áp suất tại của hút guồng động
P
đ
- áp suất tại cửa đẩy của guồng động
H
đ
’
-tổn thất áp lực động năng ở cửa đẩy
H
đ
-tổn thất động năng ở cửa đẩy;
H
ä
- tổn thất trở lực đƣờng ống;
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
23
H
t
- tổn thất trở lực tĩnh;
H- tổng tốn thất trở lực :
H=H
đ
+H
- tổng trở cục bộ trên ống hút;
W- vận tốc dòng lƣu thể đi trong ống, m/s
Ñ- khối lƣợng riêng của lƣu thể, kg/m
3
H
t
- cũng có thể tính từ công thức:
H
t
=
ZRl.
, mm H
2
O
Trong đó: l-chiều dài của đoạn ống có cùng đƣờng kính, m
R- hệ số ma sát trên mỗi mét ống, phụ thuộc vào tiết diện ống và lƣu lƣợng của khí,
m
OmmH 2
Z=
2
2
.
W
, mm H
K
/1000.ç
P
a
=P
h
- áp suất khí quyển bằng áp suất hút
P
đ
- áp suất đẩy
P
đ
=P
h
+ ρ
k
.g.(H
t
+H
đ
), mm H
2
O
Có nhiều trƣờng hợp quạt làm việc với chế độ vừa đẩy vừa hút. Các phép tính
cũng tính tƣơng tự nhƣ trên. Điều chỉnh lƣu lƣợng quạt có thể bằng các cách sau:
dùng van, thay đổi số vòng quay, chỉnh góc nghiêng của cánh guồng hay cánh của
bộ dẫn hƣớng
a. Điều chỉnh lƣu lƣợng bằng van
Đây là phƣơng pháp đơn giản nhất, tiện lợi vì vậy nó đƣợc ứng dụng rộng rãi.
Van có thể đặt ở ống đẩy hoặc ống hút. Đặt ở ống hút thì kinh tế hơn. Khi đóng bớt
chỉ áp dụng đƣợc cho quạt hƣớng trục, và cũng phải chế tạo trƣớc để có thể điều
chỉnh đƣợc.
2.2.6.5. Sự làm việc song song và nối tiếp của quạt
Quá trình làm việc song song hay nối tiếp của các quạt nhƣ hình vẽ:
H
A
H
1
H
2
Q
H
ä
=H
t
Q-H
Q
1
Q
2
1
2
Copyright: Tài liệu đại học ©