ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRỮỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HOÀNG NGỌC LINH

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ SỬ
DỤNG NHIỆT NĂNG Ở NHÀ MÁY XI MĂNG
BÌNH PHƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP EXERGY

Chuyên ngành
Mã số

: KỸ THUẬT NHIỆT
: 6052.0115

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 06 NẢM 2018


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC
BÁCH KHOA - ĐHQG - TPHCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học:

GS, TS. LÊ CHÍ HIỆP

Chữ ký ........................
TS. TẠ ĐĂNG KHOA

Chữ ký ......
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. HÀ ANH TÙNG


Ngày, tháng, năm sinh: 22-12-1985 ......................................... Nơi sinh: KHÁNH HÒA
Chuyên ngành:

Kỹ thuật nhiệt .................................... Mã số: 60520115

I. TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NHIỆT NĂNG Ở NHÀ
MÁY XI MĂNG BÌNH PHƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP EXERGY
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
•

Tìm hiểu vấn đề sử dụng nhiệt năng của Nhà máy xi mãng Bình Phước.

•

Đánh giá hiệu quả sử dụng nhiệt năng của Nhà máy bằng phương pháp exergy.

•

Đề xuất các giải pháp kỳ thuật

•

Tính kinh tế cho từng giải pháp kỳ thuật

III.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:


GS.TS Lê Chí Hiệp và TS. Tạ Đăng Khoa đã nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn
thành luận văn. Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các Thầy Cô trong bộ môn Công
nghệ nhiệt đã giảng dạy cho tôi trong thời gian qua. Tôi cũng xin chân thảnh cảm ơn
các Thầy Cô trong Khoa Cơ Khí đã tích cực tạo điều kiện, giúp đỡ và hướng dẫn cho
tôi học tập nghiên cứu trong suốt khóa học này.
Cuối cùng cho tôi được gửi lời cảm ơn đến gia đình, đồng nghiệp và bạn bè đã
động viên, giúp đỡ và khuyến khích tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Ngày 12 Thảng 16 Năm 2018

HOÀNG NGỌC LINH


TÓM TẮT
Luận văn nghiên cứu sử dụng phương pháp exergy nhằm đánh giá hiệu quả sử
dụng nhiệt năng của Nhà máy xi măng Bình Phước. Từ đó đưa ra các giải pháp kỹ thuật
với mục tiêu nâng cao hiệu quả sử dụng nhiệt năng của Nhà máy. Ket quả thu được sau
khi thực hiện giải pháp giúp thu hồi tối đa khoảng 68,4% lượng exergy thất thoát qua
khói thải từ preheater và khí nóng từ cooler.

Abstract
This thesis studies about the exergy analysis technique application to assess the
thermal efficiency of Binh Phuoc cement plant. Then set out the technical solutions with
the goal of increasing thermal efficiency. After implementing the solutions, 68,4% of
exergy loss via preheater exhaust gas and cooling vent can be recovered.


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan rằng, nội dung của luận văn này là kết quả làm việc của tôi dưới
sự hướng dẫn của Thầy tôi là GS.TS Lê Chí Hiệp và TS. Tạ Đăng Khoa, ngoại trừ các
phần tham khảo từ các tài liệu khác, được ghi rõ trong luận văn.


1.3

Mục tiêu của đề tài .....................................................................................15

1.4

Đối tuợng và phạm vi nghiên cứu ..............................................................15

1.5

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài....................................................16

CHƯƠNG 2:

TÌNH HÌNH NGHIÊN cứu TRÊN THẾ GIỚI ................................. 17

2.1 Sử dụng phuong pháp phân tích năng luợng ................................................18
2.2 Sử dụng phuong pháp phân tích exergy .......................................................21
2.3 Sử dụng kết họp phuong pháp phân tích năng luợng và phân tích exergy..24
CHƯƠNG 3:

cơ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP EXERGY.................. 27

3.1 Giới thiệu ......................................................................................................27
3.2 Các quá trình nhiệt và hóa học .....................................................................28
3.3 Exergy của dòng nhiệt..................................................................................29
3.4 Cân bằng exergy ..........................................................................................32
3.5 Phucmg pháp phân tích exergy ....................................................................34
CHƯƠNG 4: HIỆN TRẠNG sử DỤNG NĂNG LƯỢNG TẠI NHÀ MÁY XI

5.3.1 Đe xuất giải pháp ............................................................................... 68
5.3.2 Phân tích Lợi ích - Chi phỉ ................................................................. 72
5.4 Đánh giá hiệu quả của giải pháp .................................................................. 73
5.4.1 Khắc phục khỉ tươi xâm nhập vào tháp trao đoi nhiệt ....................... 73
5.4.2 Thu hồi khỉ thải từ cooler cấp cho béc đốt chỉnh của lò nung ........... 74
5.4.3 Thu hồi nhiệt thải đế phát điện........................................................... 75
5.5 Phân tích tài chính dự án .............................................................................. 76
5.5.1 Vốn đầu tư và các chi phỉ ................................................................... 77
5.5.2 Tiềm năng tiết kiệm của dự án ........................................................... 77
5.5.3 Tiêu chỉ đảnh giả của dự án đầu tư.................................................... 77
5.6 Nghiên cứu điển hĩnh .................................................................................. 79
5.6.1 Nhà mảy xi măng Kiên Lương ............................................................ 80
5.6.2 Nhà mảy xi măng Công Thanh ........................................................... 85
5.6.3 Nhà mảy xi măng Holcim ................................................................... 86


5.6.4 Nhà máy xi mãng Chinfon ......................................................................... 88
CHƯƠNG 6:

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN cứu TIẾP THEO ................. 90

6.1 Kết luận về kết quả đạt đuợc và chua đạt đuợc ........................................... 90
6.1.1 ..................................................................................................
Kết quả đạt được .......................................................................................... 90
6.1.2 Kết quả chưa đạt được ...................................................................... 90
6.2 Huớng nghiên cứu tiếp theo ........................................................................ 91
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 92


DANH MỤC HÌNH

Hình 4.15 Cân bằng nhiệt hệ thống lò nung ............................................................... 61
Hình 4.16 Sơ đồ nguyên lý hệ thống THNT để phát điện ........................................... 63
Hình 5.1 Phần trăm Oxy tại 2 vị tri. ........................................................................... 64
Hỉnh 5.2 Một số điểm cần kiểm tra rò ri tại tháp trao đổi nhiệt ................................ 64
Hình 5.3 Lò nung và 2 cụm béc đốt ............................................................................ 66
Hỉnh 5.4 Sơ đồ nguyên lý đề xuất cấp gió nóng cho hệ thong lò nung ...................... 67
Hình 5.5 Nguyên lý của quá trình thu hồi nhiệt thải để sản xuất điện ....................... 70
Hình 5.6 Sơ đồ đề xuất giải pháp ...............................................................................71
Hình 5.7 Sơ đồ nguyên lý tuabin phát điện.................................................................71
Hình 5.8 Sơ đồ của WHRSG ....................................................................................... 75
Hình 5.9 Sơ đồ nguyên lý hệ thong THNT Nhà máy Kiên Lương .............................. 81
Hình 5.10 Hình ảnh thực tế thiết bị hệ thong THNT Nhà máy Kiên Lương ............... 82
Hình 5.11 Tiềm năng tiết kiệm khi lắp đặt hệ thong THNT........................................ 84


Hình 5.13 Hệ thống thu hồi nhiệt thải để phát điện................................................... 87
Hình 5.14 Nhà máy xi mãng Chinfon......................................................................... 88

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Giải pháp TKNL trong nhà máy quy trình khô............................................ 19
Bảng 2.2 Giải pháp TKNL trong nhà máy quy trình ướt ............................................ 20
Bảng 2.3 Entalpy và exergy của khí thải từ quy trình sản xuất Clinker .................... 22
Bàng 2.4 Cân bằng năng lượng và exergy của preheater-precalciner ...................... 24
Bảng 2.5 Cân bằng năng lượng và exergy của lò nung .............................................. 25
Bảng 2.6 Cân bằng năng lượng và exergy của toàn bộ quá trình .............................. 26
Bảng 3.1 Các thành phần exergy ............................................................................... 28
Bảng 4.1 Thông số lò nung ........................................................................................ 47
Bảng 4.2 Nhiệt thải sau làm mát Clinker ................................................................... 47
Bảng 4.3 Thông sổ vận hành lò nung ........................................................................ 48
Bảng 4.4 Thành phần hóa học của nguyên liệu cấp vào lò nung % kg ..................... 53

Nhiệt

độ của dòng ở điều kiện cân bằng giới hạn với môi truờng (K)

E

Tổng exergy (kj)

Ehòa trộn

Exergy hòa trộn của 1 dòng khí (kj)

Ehóa Exergy hóa (kj)
Eiý

Exergy lý (kj)

C,

Hiệu suất exergy

|i°

Thế hóa liên quan đến trạng thái tiêu chuẩn (kj)

ịio° Thế hóa của trạng thái môi truờng liên quan đến trạng thái tiêu chuẩn (kj)

c

Nồng độ của vật chất ở trạng thái tiêu chuẩn

Việt Nam (ngày 25/12/1889 khởi công xây dựng nhà máy xi măng đầu tiên tại Hải
Phòng). Đen nay đã có khoảng 90 công ty, đơn vị tham gia trực tiếp sản xuất và phục
vụ sản xuất, trong đó khoảng 33 thành viên thuộc Tổng công ty Xi măng Việt Nam
(VICEM), 5 công ty liên doanh, và hơn 50 công ty nhỏ và các trạm nghiền.
Hiện tại, ở Việt Nam có 2 nguồn cung cấp xi măng cho thị trường là: nguồn sản
xuất trong nước và nguồn xi măng nghiền từ clinker nhập khẩu. Năm 2001 tiêu thụ xi
măng ở Việt Nam là 16,38 triệu tấn, nhưng đến năm 2008 tiêu thụ là 40,1 triệu tấn, năm
2009 tiêu thụ khoảng 45,3 triệu tấn và năm 2010 tiêu thụ khoảng 51 triệu tấn. Tốc độ
tăng trong tiêu thụ xi măng ở Việt Nam từ năm 2001 đến năm 2010 trung bĩnh khoảng
15,7%/năm, trong những năm từ 2006 đến nay trung bĩnh tăng 11 %/năm. Trong những
năm qua, ngành xi măng đã đóng góp một phần không nhỏ vào tốc độ tăng trưởng kinh
tế Việt Nam, trung bĩnh chiếm 10% - 12% GDP.
Theo đánh giá, từ năm 2000 - 2009, lượng xi măng sản xuất trong nước vẫn
không đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ nội địa do việc xây dựng phát triển mạnh. Tuy
nhiên, đến hết năm 2010, tống số dây chuyền sản xuất xi măng đã đầu tư và khai thác
là 106 với tổng công suất thiết kế đạt 66,04 triệu tấn/năm.
• 59 dây chuyền công nghệ lò quay với tống công suất thiết kế là 62,56 triệu tấn.
• 47 dây chuyền công nghệ lò đứng với công suất thiết kế khoảng 3,84 triệu tấn.
Dưới đây là số liệu về sản xuất và tiêu thụ xi măng của Việt Nam giai đoạn
2000-2010:

1


Bảng 1.1: Hiện trạng sản xuất và sử dụng xi mãng của VN giai đoạn 2000 - 2010
(Triệu tấn)

2000

2001


23,6

26,9 32,3

44

54

Tiêu thụ

13,62

16,48

20,5

24,38

26,5

28,2

32,1

35,8 39,9

45,3

51


2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

■ Sản lượng sản xuất

Tiêu thụ thực tế

Hình 1.1 Hiện trạng sản xuất và tiêu thụ xi mãng của Việt Nam từ 2000 - 2010
Như vậy, sản lượng sản xuất xi măng trong các năm 2008 - 2010 liên tục tăng.
Đen năm 2010, năng lực sản xuất xi măng đã vượt nhu cầu.
Hiện nay sản phấm xi măng trên thị trường có nhiều loại, tuy nhiên thông dụng
vẫn gồm hai loại sản phấm chính là:
• Xi măng Portland chỉ gồm thành phần chính là clinker và phụ gia thạch cao, được
ký hiệu theo dạng PC30, PC40, PC50.
• Xi măng Portland hỗn hợp ngoài thành phần chính là clinker và thạch cao, còn
một số thành phần phụ gia khác như đá puzzoland, xỉ lò. Trên thị trường các loại
xi măng này có tên gọi PCB30, PCB40.


2D 10

Hình 1.2 Tiêu thụ xi măng trên thế giới [7]
Theo dự báo nhu cầu sử dụng xi măng từ nay đến năm 2020: Tăng hàng năm
3,6% năm nhu cầu sử dụng xi măng có sự chênh lệch lớn giữa các khu vực trên thế giới
(nhu cầu các nước đang phát triển 4,3% năm, riêng châu Á bĩnh quân 5%/năm, các nước
phát triển xấp xỉ 1%/năm).

3


Hiện nay đã xuất hiện tình trạng dư thừa công suất của các nhà máy là phổ biến
ở Đông Âu, Đông Nam Á. Các nước tiêu thụ lớn xi măng trong những năm qua phải kể
đến: Trung Quốc, Ấn Độ, Mỹ, Nhật bản, Hàn Quốc, Nga, Tây Ban Nha, Italya, Braxin,
Iran, Mê hy cô, Thổ Nhĩ Kỳ, Việt Nam, Ai Cập, Pháp, Đức...
1.1.3 Trình độ công nghệ và năng lực sản xuất trong nước
Số nhà máy xi măng trên toàn Việt Nam được chia thành 3 nhóm chính: nhóm
trực thuộc Tổng công ty công nghiệp xi măng Việt Nam, các đơn vị liên doanh với nước
ngoài và các nhà máy xi măng được những tập đoàn và công ty tư nhân tự đầu tư xây
dựng. Tổng cộng trên cả nước có gần 100 nhà máy sản xuất xi măng.
Hiện nay, Việt Nam tồn tại song song hai loại công nghệ sản xuất xi măng:
• Công nghệ sản xuất xi măng lò đứng
• Công nghệ sản xuất xi măng lò quay
Công nghệ sản xuất xi măng lò đứng: chủ yếu là lò đứng nhập từ Trung Quốc,
phát triển mạnh từ thập kỷ 80 thế kỷ trước. Bên cạnh hạn chế về năng suất của mỗi lò
(đạt 80.000 tấn/năm), lò đứng còn bị hạn chế về việc nâng cao chất lượng sản phẩm.
Thị trường hiện còn chấp nhận xi măng lò đứng sử dụng cho các công trình xây dựng
nhỏ. Tuy nhiên, theo quy hoạch tổng thể phát hiển công nghiệp ngành xi măng ở Việt
Nam, tất cả các lò đứng và lò quay phương pháp ướt sẽ phải đóng cửa vào năm 2020.
Công nghệ sản xuất xi măng lò quay: có nguồn cung cấp thiết bị chủ yếu là Châu


Nhà máy xi măng

Địa điểm

1

Hoàng Thạch

Hải Duơng

4.000

2

Nghi sơn

Thanh Hóa

4.300

3

Bỉm Sơn

Thanh Hóa

4.000

4


Tam Điệp

Ninh Bình

1.400

8

Hải Phòng

Hải Phòng

1.400

9

Phúc Son

Hải Duong

4.000

10

Holcim

Kiên Giang

3.600


Đẻ
ta

_jT

MSy dập
am

Điên

Điẽn

VOI

Gắadịnh lư&ng

ĩ
Điện

±

____________________

Cản đinh
lưựng
ị
Mày rĩghiế-n
liệu
V

T

Điên

ŨẾlcinei'
V

Đẽn

Lủ Sưng
clinker

Điên

Lảm riguòi

ZZTZ

~^r~
Siki clinker
__ ___ ____ I

Nghiền

xi
mang

- — ~3f ----------- — -------------------- r " T

Thach cao

liệu thô (đất sét) cũng có thể cần được sấy để việc pha trộn và đập hiệu quả hơn.
• Nguyên liệu được chuyển đến băng tải
Băng tải - vật liệu thô được vận chuyển riêng biệt từ mỏ bằng những băng tải,
xe goòng hoặc những biện pháp hậu cần thích hợp khác đến nhà máy.

rr-1 /\

A,

• Irộn vật liệu

1' A

Lớp trộn - đá vôi đã nghiền và đất sét được trộn đồng nhất và lưu kho dự trữ.
Chuẩn bị đưa vào nghiền và sấy trong lò nung.

8


•

Nghiền thô
Nghiền thô - các vật liệu thô được nghiền và sấy trong máy nghiền con lăn.

Những con lăn lớn được lắp trên một bàn xoay và vật liệu thô được nghiền cho đến khi
chúng đủ mịn để chuyển đến silo đồng nhất bằng không khí.
•

Lọc bụi
Túi lọc bụi - bao gồm nhiều túi lọc bằng vải hoặc nỉ để tách các hạt mịn từ khí

• Đóng thành phẩm
Xi măng thành phẩm qua hệ thống cân tự động thông qua các vòi cấp chuyển xi
măng đóng gói dạng bao thành phẩm theo quy cách hoặc xuất xi măng theo dạng xá
cung cấp công trĩnh đang xây dựng.
Trong quy trình sản xuất, năng lượng cung cấp toàn bộ các dây chuyền sản xuất
xi măng gồm chủ yếu là điện năng và nhiên liệu than đá, bên cạnh đó dầu FO cũng được
sử dụng với tỉ lệ không đáng kể (rất nhỏ so với điện năng và than) trong quá trình cấp
nhiệt khởi động lò nung clinker sau một thời gian định kỳ dừng lò để đại tu bảo dưỡng.
1.1.5 Tiêu thụ năng lượng
Sản xuất xi măng là một quá trình tiêu thụ rất nhiều năng lượng. Chi phí năng
lượng chiếm khoảng từ 30 - 40% chi phí sản xuất. Năng lượng sử dụng trong nhả máy
xi măng bao gồm điện cho các thiết bị điện, các động cơ, các máy bơm, quạt, máy nén...
và nhiên liệu sử dụng cho các quá trình sấy, nung... Nhiên liệu chính sử dụng trong nhà
máy xi măng là than, dầu hay khí đốt. Ngoài ra còn có thể sử dụng một số nhiên liệu
thay thế là các chất thải từ các ngành công nghiệp khác như săm lốp, dầu thải, nhựa,
dung môi.. .Công nghệ tốt nhất hiện có trong ngành xi măng là công nghệ lò quay
phương pháp khô hiện đại có hệ thống tháp trao đối nhiệt và canxiner, mức tiêu thụ
nhiệt khoảng 700 kcal/kg clinker.

10


Đe cung cấp nhiệt cho quá trình phân hủy đá vôi, sét, phụ gia thành các ôxit và
tạo nhiệt độ cao để xảy ra phản ứng giữa các ôxit với nhau tạo thành khoáng clinker xi
măng, cần phải đốt nhiên liệu để nung nóng phối liệu đến nhiệt độ khoảng 1.450°c.
Tính chất của nhiên liệu ảnh huởng đến quá trình nung, tính toán phối liệu. Tuy nhiên
việc lựa chọn loại nhiên liệu nào phụ thuộc vào điều kiện thiết bị, công nghệ của từng
nhà máy cụ thể, giá thành sản phẩm và nguồn nguyên liệu có thể cung cấp đuợc cho
nhà máy. Thông thuờng, các nhiên liệu dùng cho công nghiệp sản xuất xi măng gồm 3
loại: nhiên liệu khí, nhiên liệu lỏng, nhiên liệu rắn.