Biện pháp cải thiện chất lượng và hiệu quả chế tạo nồi hơi tại Việt Nam

BIỆN PHÁP CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG VÀ HIỆU QUẢ CHẾ TẠO NỒI HƠI TẠI VIỆT NAM

Các công nghệ cải thiện hiệu suất năng lượng (HQNL) đối với nồi hơi công nghiệp đã được biết đến và phát triển rộng rãi, tuy nhiên công việc nghiên cứu thì vẫn đang tiếp tục tiến hành. Khi hiệu suất được cải thiện cùng với áp suất hơi, trong ngành công nghiệp nồi hơi, đa số các bước đột phá trong công nghệ thường về vật liệu mới sử dụng trong chế tạo nồi hơi nhiệt điện cỡ lớn cho phép nhiệt độ và áp suất cao. Đối với các nồi hơi công nghiệp, vì áp suất thường tương đối thấp (chỉ khoảng 20 – 30 bar), việc sử dụng nguyên liệu mới với giá thành cao là không cần thiết, do vậy, cải thiện hiệu suất thường đạt được nhờ vào các kỹ thuật khác.
Các biện pháp cải thiện hiệu suất nồi hơi được liệt kê dưới đây và các giải thích rõ về cách áp dụng ở Việt Nam đối với 10 lựa chọn đầu:
1. Cải thiện hiệu quả đầu đốt: đối với nồi hơi đốt dầu và khí
2. Tăng cường các thiết bị đo và điều khiển nồi hơi
3. Lắp đặt bộ hâm nước và bộ sấy khí
4. Cải thiện trao đổi nhiệt từ khí cháy sang nước
5. Bảo ôn nồi hơi
6. Thu hồi nhiệt từ xả lò
7. Chuyển từ xả lò gián đoạn sang xả lò liên tục
8. Giảm tối thiểu cáu cặn, muội bám trên bề mặt trao đổi nhiệt
9. Kiểm soát quá trình cháy/không khí dư
10. Sử dụng nhiên liệu sạch hơn
11. Kiểm soát xả lò (xả lò tự động)
12. Tối ưu quá trình đốt cháy
13. Dùng quạt để thổi các muội trên bề mặt trao đổi nhiệt
1. Cải thiện hiệu quả đầu đốt
Các đầu đốt cũ, với kích thước không đúng và đã bị hao mòn thường không hiệu quả và gây nên việc cháy chưa hết (phát thải ra khí CO và cacbon chưa đốt cháy hết cao) và cần lượng khí dư cao.
Việc nâng cấp đầu đốt cần xem xét việc kiểm soát phát thải thông thường và theo dõi quá trình cháy phức tạp hơn và khâu kiểm soát là một phần không thể thiếu của việc nâng cấp đầu đốt. Thay thế và nâng cấp các đầu đốt cũng có thể được xem như là một thị trường tiềm năng cần được phát triển tại Việt Nam. Các đầu đốt mới cho tất cả các loại nồi hơi và nhiên liệu là có sẵn trên thị trường và được tập trung vào việc giảm lượng khí thải và nâng cao hiệu quả đầu đốt với hệ cấp đơn hoặc đa nhiên liệu, phát thải khí NOx thấp và cực thấp.
Công nghệ đầu đốt yêu cầu kỹ năng cao và có kinh nghiệm chế tạo, mà các nhà sản xuất Việt Nam hiện chưa đủ năng lực (họ đang đặt hàng mua đầu đốt từ các nhà sản xuất ở phương Tây). Chính vì vây, việc phát triển công nghệ đầu đốt ở Việt Nam là then chốt nếu chúng ta coi việc sản xuất nồi hơi đốt than và sinh khối là quan trọng nhất tại Việt Nam. Tuy nhiên, thị trường nồi hơi cỡ nhỏ được sử dụng trong các khu dân cư đông đúc nơi mà than và sinh khối không được phép sử dụng vẫn đang tồn tại và có thể được giải quyết bởi các công ty chuyên về sản xuất/chế tạo đầu đốt.
2. Tăng cường các thiết bị đo đạc và điều khiển nồi hơi
Các nồi hơi Việt Nam thường được trang bị các thiết bị đo lường và điều khiển nồi hơi ở mức tối thiểu (cơ sở); một bộ điều khiển định vị (hướng) đơn giản, dùng để điều khiển áp suất hơi điều chỉnh van điều tiết nhiên liệu (đối với đầu đốt dầu và khí) được sử dụng phổ biến cho các nồi hơi được sản xuất tại Việt Nam. Đối với các nồi hơi sử dụng nhiên liệu rắn (than và sinh khối), hệ thống điều khiển có khi còn đơn giản hơn, và phụ thuộc nhiều vào điều khiển lưu lượng khí trong quá trình cháy hơn là vào điều khiển lưu lượng nhiên liệu (thường là được vận hành một cách thủ công).
Không có bất kỳ yêu cầu cụ thể nào đối với việc đo lường. Trên thực tế, có rất ít thiết bị đo lường cần thiết phục vụ cho vận hành nồi hơi một cách an toàn. Tuy nhiên, nếu tối ưu hóa hiệu suất nồi hơi hoặc tối thiểu mức phát thải (CO, NOx, và CO) được yêu cầu, một số thiết bị/dụng cụ đo lường phù hợp cần được trang bị thêm, như bộ cảm ứng nhiệt độ và kiểm soát Oxy. Hơn nữa, thiết bị đo lường có thể giúp tạo ra hiệu suất cao hơn. Nếu một bộ kiểm soát CO được lắp đặt, người vận hành nồi hơi có thể hiệu chỉnh tối ưu quá trình để tạo ra vận hành đồng bộ với mức không khí dư tối thiểu mà không tạo ra thêm khí CO.
Tối ưu hóa quá trình đốt cháy và trang bị thiết bị đo lường & điều khiển nồi hơi có thể không hoàn toàn kinh tế trong tất cả mọi trường hợp. Thường thì các nồi hơi cỡ lớn, hiệu quả kinh tế của việc trang bị thêm thiết bị đo và điều khiển và tối ưu đã được chứng minh. Bên cạnh đó, nồi hơi đốt than hoặc sinh khối cũng là những ứng viên tốt hơn để áp dụng hệ thống tối ưu và đo lường & điểu khiển nồi hơi hơn là nồi hơi đốt khí tự nhiên vì các thông số hoạt động của chúng (chất lượng nhiên liệu) có thể đa dạng và rất khó để kiểm soát.
Do phát thải CO là một mối quan tâm lớn của Chính phủ Việt Nam và các nhà chế tạo nồi hơi, một số yêu cầu của Chính phủ như quy định lắp đặt bộ cảm biến CO để điều khiển phát thải của khói lò cần được các nhà nhà chế tạo áp dụng và là một biện pháp để hạn chế phát thải CO. Bộ cảm ứng này còn được sử dụng để tối ưu quá trình đốt cháy và nâng cao hiệu suất nồi hơi.
3. Lắp đặt bộ hâm nước và sấy khí
Bộ sấy khí không được sử dụng rộng rãi vì chúng liên quan đến các quy định gần đây về NOx (nhiệt độ cao trong quá trình đốt cháy thúc đẩy sự hình thành của NO). Do vậy, rất nhiều các nồi hơi đốt khí và dầu không có bộ sấy khí. Như vậy, bộ hâm nước là biện pháp thay thế được ưa chuộng vì chúng không gây ảnh hưởng mạnh đến nhiệt độ không khí cháy và do vậy không tạo nên NOx.
Bộ hâm nước thường có hình ống với bề mặt thuận tiện để trao đổi nhiệt, được dùng để hâm nóng nước cấp nồi hơi trước khi nước đi vào bộ trống của nồi hơi hoặc bề mặt lò. Bộ hâm nước cũng làm giảm độ sốc nhiệt và dao động mạnh về nhiệt độ nước vì nước cấp đi vào bộ trống và vách tường nước. Giống như các thiết bị xử lý ga/khí, bộ hâm nước và sấy khí cũng sẽ gây ra sụt áp đối với hệ thống. Bên cạnh đó, nhiệt độ khí thải gần với hoặc dưới điểm đọng sương axít cũng dẫn đến những nghi ngại về hiện tượng ngưng tụ hoặc gỉ sét mà các nhà sản xuất phải đặc biệt quan tâm xử lý.
Một điểm bổ sung là tiềm năng của thị trường lắp đặt bộ hâm nước và sấy khí đối với các nồi hơi có thể được Chính phủ tạo ra bằng cách đưa ra các biện pháp yêu cầu các chủ DNCN sử dụng nồi hơi phải nâng cấp hiệu suất nồi hơi, như đã đề cập ở trên.
4. Cải thiện việc trao đổi nhiệt từ khí cháy sang nước
Trong các nồi hơi ống lửa, khí cháy thường thay đổi từ một chế độ dòng chảy rối khi vào các ống, tới một chế độ dòng chảy song song, với lớp cách ly có khí mát trải dọc chiều dài ống. Lớp cách ly này có một tác động kháng trở đối với việc trao đổi nhiệt.
Để có được một chế độ dòng chảy rối trong các ống, việc sử dụng “bộ gây rối dòng” có thể giúp tìm lại được các đặc tính trao đổi nhiệt của chế độ dòng chảy rối bằng cách tạo ra “dòng chảy rối” trong các ống. Trên thực tế, bộ gây rối là thiết bị đơn giản (bộ ngăn, lưới dao, dây cuộn) được đặt vào các ống khí để “phá hủy” đường biên song song, kết quả là làm gia tăng trao đổi nhiệt đối lưu.
Việc triển khai công nghệ này đòi hỏi sự thay đổi trong thiết kế nồi hơi và có thể phải đưa vào sử dụng các công cụ phần mềm phục vụ trao đổi nhiệt để tính toán lại cân bằng nhiệt trong lò và ống lửa. Kết quả mang lại là khí thải khi thoát ra có nhiệt độ thấp và do vậy hiệu suất nồi hơi được cải thiện. Đối với các nồi hơi ống lửa, bộ gây rối dòng là một lựa chọn thay thế ít tốn kém hơn so với bộ hâm nước và sấy khí. Bộ gây rối thường được cài đặt trên cánh cửa cuối cùng của nồi hơi.
Cải thiện hiệu suất từ việc áp dụng các bộ gây rối dòng là kết quả của sự gia tăng trao đổi nhiệt từ khí thải, do vậy tạo ra nhiệt độ khí thải thấp khi thoát ra lò hơi. Các nhà chế tạo Việt Nam có thể dễ dàng sử dụng công nghệ này để cải thiện hiệu suất nồi hơi đốt dầu và khí ga. Ảnh hưởng của việc vận chuyển tro xỉ nên được kiểm tra đối với các nồi hơi sử dụng sinh khối và đốt than.
5. Bảo ôn nồi hơi
Diện tích bề mặt ngoài của các nồi hơi cỡ lớn có thể liên quan vì lượng nhiệt tổn thất đáng kể có thể xảy ra thông qua vỏ nồi hơi. Bảo ôn đúng cách là rất quan trọng để tối thiểu hóa nhiệt bị tổn thất bằng cách sử dụng vật liệu lót bảo ôn cho nồi hơi làm vật liệu chủ yếu. Lượng nhiệt bị tổn thất bằng cách này sẽ được duy trì ở mức độ ít thay đổi kể cả khi nồi hơi được vận hành ở nhiều tốc độ cháy khác nhau, và như là kết quả, và dẫn đến một tỷ lệ cao hơn trên tổng tổn thất nhiệt tại chế độ cháy thấp nhất. Việc bảo ôn được áp dụng đúng cách có thể làm giảm năng lượng bị tổn thất tùy thuộc vào loại, độ dày và điều kiện của việc bảo ôn hiện tại. Tổn thất bức xạ cũng có chiều hướng tăng lên do giảm tải và có thể sẽ lên đến 7% đối với các hộ sử dụng nhỏ hoặc lớn hơn vận hành ở tải thấp.
Thực hiện biện pháp này tương đối đơn giản và có thể dễ dàng triển khai bởi các nhà sản xuất nồi hơi Việt Nam. Tiềm năng dành cho một thị trường thay thế bảo ôn cho các nồi hơi cũng tương đối hấp dẫn.
6. Thu hồi nhiệt từ xả lò
Xả lò là một hành động cần thiết để duy trì chất lượng của nước. Tần suất xả lò phụ thuộc vào các điều kiện đặc biệt của từng cơ sở và chất lượng nước cấp mới. Việc xả lò cũng chứa năng lượng và cần được tận dụng không nên lãng phí. Nhiệt thải này có thể được thu hồi bằng một bộ trao đổi nhiệt, bồn bay hơi, hoặc là kết hợp giữa bồn bay hơi và bộ trao đổi nhiệt. Lượng hơi sau đó có được tại áp suất thấp thường sẽ được sử dụng trong các bộ khử khí. Việc làm mát nước xả lò cũng có lợi ích là làm giảm nhiệt độ của các chất lỏng được thải ra hệ thống cống. Những nồi hơi thực hiện quá trình xả lò liên tục vượt quá 5% tỷ lệ hơi là những nồi hơi ứng viên rất tốt cho việc xem xét thực hiện thu hồi nhiệt thải từ xả lò.
Biện pháp này đơn giản và không gây khó khăn về mặt tài chính cho các doanh nghiệp chế tạo Việt Nam.
7. Chuyển từ xả lò gián đoạn sang xả lò liên tục
Xả lò có thể được thực hiện gián đoạn hoặc liên tục. Xả lò gián đoạn được coi là đủ khi nước cấp đặc biệt tinh khiết hoặc nồi hơi không cần cấp nước được xử lý kỹ càng. Xả lò gián đoạn được thực hiện thủ công và vì vậy có thể gây nên dao động lớn trong lịch xả đáy. Việc thực hiện xả lò liên tục được cho xả lò gián đoạn sẽ giúp tiết kiệm nước thải ra từ nồi hơi và do vậy có thể giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể. Biện pháp này có thể được thực hiện dễ dàng bởi các nhà chế tạo nồi hơi.
8. Giảm tối thiểu cáu cặn bám trên bề mặt trao đổi nhiệt
Các bề mặt trao đổi nhiệt trên nồi hơi được tiếp xúc với các khí cháy có nhiệt độ cao và các sản phẩm của quá trình cháy, và thường có dao động trong thành phần giữa các loại nhiên liệu và điều kiện vận hành khác nhau. Việc tạo thành muội và tro từ các nhiên liệu rắn và lỏng, và quá trình không cháy hết cacbon, tất cả đều có khả năng tạo ra muội bề mặt. Các chất ôxít cũng có thể được tạo ra trên bề mặt ống lò. Tất cả các muội bám này thường có liên quan thêm đến các vấn đề về vận hành bao gồm các đầu đốt hoạt động sai chức năng, điều kiện của các bề mặt trao đổi nhiệt, đến dòng chảy của khí ga trong khu vực đốt cháy của nồi hơi. Giảm tối thiểu các muội bám trên bề mặt trao đổi nhiệt là một biện pháp vận hành, nhưng một số nhiên liệu có chứa tro bay cũng bao gồm hệ thống làm sạch (thiết bị thổi muội mà thường sử dụng khí nén hoặc hơi nước) định kỳ loại bỏ sự lắng đọng không thể tránh được mảng bám trên tường lò hơi và ống.
Một số nhiên liệu rắn thường áp dụng các hệ thống thổi tro. Các nồi hơi đốt nhiều nhiên liệu hơn (đa nhiên liệu) thường gặp những vấn đề về muội bám trên bề mặt trao đổi nhiệt hơn.
Đối với các hệ thống thổi tro tiên tiến hơn hoặc các hệ thống thổi tro thông minh (ISS), có sử dụng các tín hiệu phản hồi, như nhiệt độ khí ga tại cửa ra hoặc bộ cảm ứng trao đổi nhiệt để khởi động vận hành, có thể được dùng để cải thiện hiệu quả nồi hơi.
9. Điều chỉnh quá trình đốt cháy/không khí dư
Mục tiêu ban đầu của hệ thống cháy là tối ưu hiệu quả đốt cháy (giảm tối thiểu phát thải khí CO (carbon) chưa cháy hết), và giảm tối thiểu phát thải NOx. Sau khi sử dụng hệ thống, ta có thể cần điều chỉnh thêm quá trình đốt cháy. Hệ thống đốt cháy có thể không giữ được các thông số tối ưu được đặt lúc ban đầu (ví dụ như van tiết lưu) và vì vậy sẽ không còn tối ưu do hao mòn thiết bị.
Thường thì điều chỉnh quá trình đốt cháy là một biện pháp vận hành được thực hiện bởi các nhân viên vận hành nồi hơi hoặc các nhà cung cấp dịch vụ, kỹ sư chuyên dụng. Đối với các nồi hơi cỡ lớn, đặc biệt là các nồi hơi thay đổi điều kiện vận hành (tải) thường xuyên, thì việc lắp đặt một hệ thống tối ưu là rất kinh tế. Trên thị trường có sẵn các hệ thống được cài đặt phần mềm để kiểm soát và tối ưu hiệu quả nồi hơi dựa trên mục tiêu được đề ra của doanh nghiệp sử dụng nồi hơi trong giới hạn các thông số đã được cài đặt sẵn. Một hệ thống tối ưu thường sử dụng các tín hiệu từ bộ cảm ứng được cài đặt tại các điểm trên nồi hơi. Một trong số những thông số quan trọng được kiểm soát kỹ càng là tỷ lệ không khí thừa hoặc tỷ lệ không khí trong dầu.
Không khí dư có thể được điều chỉnh dễ dàng trong các nồi hơi đốt dầu và đốt ga, nhưng đối với các nồi hơi đốt nhiên liệu rắn thì khó hơn, vì việc tiếp liệu thường được làm thủ công bằng cách mở nắp hộp đựng nhiên liệu. Đối với các nồi hơi đốt sinh khối và đốt than, không khí dư được điều chỉnh bởi các van điều tiết tại chỗ quạt đẩy thải nơi mà có thể vận hành thủ công hoặc điều khiển bằng áp lực hơi. Các động cơ quạt đôi khi có biến tần để điều chỉnh tốc độ quạt và các thông số đốt cháy.
Chi phí cho các hệ thống tối ưu đốt cháy tương đối thấp và đặc biệt quan trọng đối với các nồi hơi cỡ lớn tùy theo mức độ dao động tải làm việc. Việc áp dụng đối với các nồi hơi cỡ nhỏ cần được phân tích và thực hiện bởi các nhà chế tạo nồi hơi Việt Nam.
10. Việc sử dụng nhiên liệu sạch hơn
Việc sử dụng nhiên liệu sạch cho nồi hơi cho thấy những lợi ích hấp dẫn về cải thiện hiệu suất và hiệu quả. Tuy nhiên, không phải lúc nào (hoặc do chi phí quá cao) doanh nghiệp cũng có thể lựa chọn các nhiên liệu sạch thay bằng các nhiên liệu có sẵn trên thị trường.
Việc làm sạch nhiên liệu ngay tại khu vực sử dụng nồi hơi cũng tương đối đắt và gây ra chất thải rất khó quản lý và do vậy mang đến thêm nhiều vấn đề. Do vậy, giá nhiên liệu tăng lên đã vô hình chung đẩy khách hàng đến lựa chọn các loại nhiên liệu rẻ hơn và bẩn hơn và giảm hiệu quả cũng như tăng phát thải.
Ở Việt Nam, việc sử dụng nhiên liệu sinh khối để thay thế than và dầu đang ngày càng được quan tâm hơn. Các loại nhiên liệu như trấu, vỏ hạt điều, bã mía và các nhiên liệu sinh khối khác là phụ phẩm từ quy trình sản xuất nông nghiệp và công nghiệp (ví dụ như dầu cọ). Nhiệt trị thấp và giá thành vận tải cao trên một đơn vị năng lượng tạo ra khó khăn cho các kỹ thuật làm sạch để cải thiện hiệu suất nồi hơi và giới hạn việc sử dụng rộng rãi nhiên liệu sinh khối.
Việc sản xuất ra các bánh và viên sinh khối từ gỗ đã được thực hiện trong nhiều thập kỷ qua ở các nước Tây phương nhằm sử dụng các nhiên liệu sinh khối một cách dễ dàng và tiện lợi. Các hệ thống tiếp liệu tự động hoàn toàn dành cho viên gỗ hoặc sinh khối đang được vận hành ở Châu Âu và Mỹ với hiệu quả cao.
Viên/bánh được chế biến tách biệt với quy trình vận hành nồi hơi vì chủ doanh nghiệp sử dụng nồi hơi thường sử dụng viên gỗ sẵn có trên thị trường như một nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu sinh khối dạng thô (ví dụ như khúc gỗ). Công nghệ này có thể sản xuất ra một loại sinh khối mới, nên được nghiên cứu để kiểm chứng việc triển khai thực hiện ở Việt Nam. Các nhà máy chế biến viên cung cấp cho khách hàng có thể được xây dựng ở trong cùng khu vực sản xuất nhiên liệu sinh khối. Các viên sinh khối khi được bán trong các bao tải hoặc thùng hàng dễ vận chuyển hơn là sinh khối thô và cũng giúp tăng hiệu quả nồi hơi.
Đối với các nồi hơi đốt dầu, những công nghệ mới chẳng hạn như vi nhũ tương, hiện đang có sẵn trên thị trường, bảo đảm mang lại 3-5% hiệu suất cải thiện cùng với phát thải sạch hơn và ít muội đọng lại trên bề mặt trao đổi nhiệt hơn.
Các thiết bị vi nhũ tương tạo ra nhũ tương dầu và nước có độ gắn kết trong thời gian dài (thường là nhiều tháng liền) khi được phun vào trong nồi hơi từ đầu đốt, sẽ tạo ra quá trình đốt cháy tối ưu và đồng nhất với rất ít lượng carbon, CO và khói chưa cháy hết tại ống khói thải. Hiệu suất có được đạt 3-5% nhưng một ít nhiên liệu bị mất khi nước bay hơi khỏi nhũ tương.