Tiết kiệm năng lượng trong hệ thống lò hơi và mạng nhiệt

Lò hơi và  mạng nhiệt là hệ thống không thể thiếu trong nhiều cơ sở sản xuất  công nghiệp thực phẩm, dệt may, hóa chất ... Với nhiệm vụ chủ yếu là sản xuất và phân phối hơi nước cho các nhu cầu về sấy, gia nhiệt, nấu, thanh trùng và đôi khi là cả nhu cầu phát điện trong các nhà máy sử dụng công nghệ đồng phát, lò hơi và mạng nhiệt là khu vực tiêu thụ đáng kể các loại nhiên liệu như than, dầu, khí đốt và đôi khi là cả nhiên liệu sinh khối.

Hệ thống lò hơi và mạng nhiệt là một hệ thống khá phức tạp trong các nhà máy với hệ thống ống dẫn, hệ thống van và thiết bị sử dụng chằng chịt.

Sơ  đồ cơ bản của một hệ  thống lò hơi, mạng nhiệt

Lò hơi, hệ thống phân phối hơi nước là hệ thống các đường ống, van và các thiết bị phụ có nhiệm vụ phân phối hơi nước tới các hộ tiêu thụ và giảm áp suất hơi nước đến áp suất cần thiết tại hộ tiêu thụ riêng biệt. Hơi nước sau khi sử dụng và trao đổi nhiệt cho các nhu cầu cần thiết thì biến đổi thành nước ngưng. Nước ngưng này có nhiệt độ cao và là nước sạch có thể được đưa trở lại lò hơi để biến đổi thành hơi.

Như vậy, để tiết kiệm năng lượng trong hệ thống lò  hơi, mạng nhiệt sẽ bao gồm việc tối ưu hóa quá trình cháy trong lò, tối ưu hóa quá trình trao đổi nhiệt trong lò và giảm tổn thất nhiệt ra ngoài môi trường, tận dụng nhiệt thừa của khói thải. Một số vấn đề sau có thể được nêu ra như những khả năng phổ biến trong việc tiết kiệm năng lượng trong các lò hơi tại các cơ sở sản xuất.

Tổ chức tốt quá trình cháy trong buồng đốt

Các thí nghiệm cân bằng năng lượng trong các lò hơi đốt than cho thấy tổn thất do cháy không hết chiếm khoảng 20 - 30 % tiêu hao năng lượng trong lò. Việc phân tích các mẫu xỉ than cho thấy hàm lượng các bon còn lại trong xỉ có thể từ 15 đến 35% và cá biệt một số nơi có thể lên đến 50%. Việc tổ chức tốt quá trình cháy trong buồng đốt bao gồm các hoạt động: Đảm bảo độ ẩm hợp lý của than. Than cám sử dụng trong các lò đốt ghi thường được tưới thêm nước để đảm bảo tính liên kết giữa các hạt than giúp giữ nhiệt và làm cho quá trình cháy tốt hơn. Tuy nhiên, việc tưới nhiều nước làm giảm nhiệt trị của than và lượng than cháy không hết tăng lên do mất nhiệt cho việc bốc hơi nước.

Giảm hệ số không khí thừa xuống thấp nhất có thể. Hệ số không khí thừa là lượng không khí cấp vào phục vụ cho quá trình cháy nhiều hơn lượng cần thiết lý thuyết cho hoạt động cháy. Lượng không khí thừa này là cần thiết để đảm bảo có đủ oxy tiếp xúc với nhiên liệu trong quá trình cháy tuy nhiên nếu thừa nhiều quá nó sẽ làm giảm nhiệt lượng buồng đốt khiến cho quá trình cháy khó khăn hơn và làm tăng tổn thất nhiệt do khói thải. Hệ số không khí thừa có thể xác định được bằng việc đo nồng độ oxy và CO2 trong khói thải.

Tuy nhiên, việc giảm hệ số không khí thừa không phải chỉ đơn giản là giảm lượng không khí cấp vào buồng đốt mà điều quan trọng là tổ chức quá trình cháy sao cho sự tiếp xúc giữa không khí và nhiên liệu ở trạng thái tốt nhất bằng cách cải tạo ghi đốt, cải tạo phương pháp trang than và cấp không khí theo vùng trong lò. Thông thường, với nhiên liệu lỏng và khí, hệ số không khí thừa đòi hỏi thấp hơn so với nhiên liệu rắn.

Đảm bảo buồng đốt kín để tránh lọt không khí lạnh vào buồng đốt làm giảm nhiệt độ buồng đốt ảnh hưởng đến quá trình cháy trong lò. Áp suất buồng đốt nên duy trì ở mức 8 – 10 mm H2O. Để làm được điều này, việc điều chỉnh lưu lượng quạt gió và quạt hút khói một cách tối ưu là cần thiết. Việc lắp biến tần cho quạt gió và quạt khói có thể đạt được hai tác dụng là tiết kiệm điện cho quạt và dễ dàng hơn trong việc điều chỉnh lưu lượng quạt.

Tối ưu hóa quá trình trao đổi nhiệt trong lò

Lò hơi có hiệu suất cao là lò hơi có thể chuyển tải càng nhiều càng tốt lượng nhiệt sinh ra trong quá trình cháy thành lượng nhiệt có ích nhằm biến đổi nước thành hơi nước. Việc trao đổi nhiệt giữa khói sinh ra trong quá trình cháy và nước được thực hiện qua các bề mặt trao đổi nhiệt là các vách kim loại ngăn cách giữa khói và nước. Kết cấu của các lò hơi thường tìm cách tăng cường một cách tối đa diện tích trao đổi nhiệt này trong một khoảng không gian hữu hạn nhằm đạt được hiệu suất cao. Đảm bảo nước vào lò là nước đã xử lý loại bỏ các thành phần cáu cặn.

Hiện nay ở Việt Nam vẫn còn khá nhiều cơ sở sử dụng nước máy bình thường, nước giếng khoan và đôi khi là nước sông cung cấp trực tiếp cho lò hơi. Những lò hơi sử dụng nước như vậy thường bị giảm hiệu suất rất nhanh theo thời gian và có biểu hiện rõ rệt là nhiệt độ khói thoát ra khỏi lò tăng lên và nếu vẫn tiếp tục như vậy thì sẽ đến lúc lò không sản xuất được hơi có áp suất như yêu cầu.

Lúc bấy giờ khi tháo lò ra thì sẽ thấy một lớp cáu cặn bám khá dầy trong các vách kim loại của lò. Việc vệ sinh lớp cáu cặn là cần thiết để giúp lò hoạt động bình thường trở lại. Tuy nhiên nếu ta cung cấp cho lò nước đã xử lý loại bỏ cáu cặn bằng các hệ thống xử lý nước sử dụng cation thì việc phải dừng lò để vệ sinh sẽ rất ít và lò luôn được hoạt động ở hiệu suất cao. Điều này giúp tiết kiệm nhiên liệu đáng kể cho lò hơi.

Duy trì một lịch trình xả lò hợp lý. Việc nước cấp vào lò và bốc thành hơi sẽ dẫn đến lượng nước còn tồn tại trong lò có hàm lượng các vật chất hòa tan ngày càng tăng. Khi nồng độ các vật chất hòa tan này lớn quá nó sẽ trở thành cáu cặn bám trên thành vách kim loại. Việc xả lò một cách định kỳ và liên tục đồng thời bổ sung nước mới giúp cho nồng độ các chất hòa tan trong nước lò không lớn quá mức cho phép. Tuy nhiên khi xả lò ta cũng tổn thất một lượng nhiệt đã được sử dụng để đun nóng nước, bởi vậy cần có lịch trình xả lò một cách hợp lý và tối ưu.  

Tận dụng nhiệt thừa khói thải. Trong các lò hơi công nghiệp nhỏ, do thiết kế chỉ có hệ thống sinh hơi nên trong nhiều trường hợp khói thải ra khỏi lò còn có nhiệt độ cao. Nhiệt độ khói thải cao là biểu hiện của việc chưa tận dụng hết nhiệt lượng sinh ra từ quá trình cháy nhiên liệu.

Khi nhiệt độ khói thải cao hơn 250oC, ta có thể nghĩ đến việc tận dụng nhiệt thừa khói thải cho các mục đích khác nhau như để hâm nước trước khi đưa vào lò, để sấy không khí cung cấp cho lò, để sấy dầu FO đối với các lò hơi đốt dầu hoặc có thể tận dụng để cho các mục đích khác trong quá trình sản xuất như cung cấp nước nóng cho tắm giặc hoặc một công đoạn sản xuất nào đó.

Việc tận dụng nhiệt thừa khói thải không nên làm nhiệt độ khói giảm xuống thấp hơn 120 oC do nhiệt độ khói thấp sẽ dễ dẫn đến ăn mòn các đường ống dẫn khói và gây ô nhiễm môi trường xung quanh khi thời tiết lạnh và ẩm.

Đối với hệ thống phân phối hơi

Với nhiệm vụ  phân phối hơi đến từng điểm tiêu thụ, hệ  thống phân phối hơi là các đường ống, van, cút nối, mặt bích nối v.v. Hệ thống này thường bị tổn thất nhiệt qua vách ống dẫn ra môi trường bên ngoài và tổn thất hơi qua các mối nối bị xì hở và các lỗ thủng trên đường ống do ăn mòn, mài mòn. Giải pháp đối với hệ thống này là luôn luôn lưu ý đảm bảo việc bọc cách nhiệt các đường ống và tốt nhất là bọc cách nhiệt cả các van, cút nối với những kết cấu bao che đặc biệt. các điểm xì hở luôn phải được bịt kín càng sớm càng tốt.

Điểm đặc biệt quan trọng trong việc bọc cách nhiệt là lớp cách nhiệt luôn phải đảm bảo không bị ướt, thấm nước bởi lẽ điều này sẽ làm tăng lên mạnh mẽ tổn thất nhiệt ra ngoài môi trường do nước có hệ số trao đổi nhiệt cao gấp 10 lần không khí. Việc bọc cách nhiệt do đó cần có lớp bao che bên ngoài và bảo vệ tốt đặc biệt ở những phần đường ống lộ ra ngoài trời.

Việc tổn thất nhiệt ra môi trường ngoài việc gây ra hao phí năng lượng thì còn là nguyên nhân gây ra hiện tượng thủy kích ăn mòn các đường ống dẫn hơi. Việc xì hở tại các van, cút nối thường là do quá trình sử dụng lâu dài có các yếu tố ăn mòn, mài mòn gây ra đặc biệt là tại các cơ cấu có chuyển động như các lô sấy của nhà máy giấy hoặc dệt nhuộm. Việc các doanh nghiệp tận dụng các thiết bị cũ, thiết bị rẻ tiền chất lượng thấp cũng làm gia tăng việc xì hở gây ra tổn thất hơi.

Việc tổn thất hơi và nhiệt qua hệ thống phân phối hơi thường khó xác định được hậu quả về mặt kinh tế nên ít được các doanh nghiệp chú ý điều chỉnh thường xuyên tuy nhiên hậu quả của nó bao gồm việc tổn thất năng lượng, gây ra môi trường làm việc khó nhọc cho công nhân vận hành, tạo hình ảnh xấu cho doanh nghiệp, thiết bị nhanh hỏng và đôi khi yêu cầu phải đầu tư thêm lò hơi để có thể cung cấp đủ hơi cho việc tăng một chút về sản lượng sản xuất.

Đối với các thiết bị sử dụng hơi

Đây là khu vực hơi nước được ngưng lại và trong quá trình ngưng, nó truyền một lượng nhiệt lớn cho mục tiêu sử dụng như sấy, nấu, gia nhiệt v.v. Các thiết bị sử dụng hơi này có thể là các loại thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống vỏ, kiểu tấm, kiểu xoáy trôn ốc, các nồi nấu hai vỏ có cánh khuấy, nó cũng có thể là các thiết bị trao đổi nhiệt trực tiếp theo đó hơi nước được phun trực tiếp vào môi chất cần gia nhiệt. Hiệu suất của các thiết bị sử dụng hơi này cũng góp một phần quan trọng vào hiệu suất chung của hệ thống lò hơi, mạng nhiệt. Đây cũng là nơi dễ bị đóng cáu cặn từ phía các môi chất sử dụng nhiệt nên cần được vệ sinh hợp lý cũng như ngăn chặn đóng cáu làm giảm hiệu suất thiết bị.

Để có thể tách nước ngưng ra khỏi hơi trong các thiết bị sử dụng hơi, người ta sử dụng các loại bẫy hơi (steam trap). Hiện nay, có rất nhiều loại bẫy hơi được sử dụng bao gồm có các loại bẫy hơi kiểu phao, kiểu gầu đảo, kiểu tĩnh nhiệt, kiểu nhiệt động, kiểu tiết lưu v.v. Mỗi loại bẫy hơi đều có những ưu nhược điểm riêng cần xem xét sử dụng trong từng tình huống cụ thể. Việc lựa chọn loại bẫy hơi cũng đóng vai trò quan trọng để làm giảm tổn thất hơi, tăng cường hiệu suất thiết bị sử dụng hơi.

Đối với hệ thống thu hồi nước ngưng

Đây là hệ thống quan trọng góp phần tiết kiệm năng lượng cho toàn bộ hệ thống lò hơi, mạng nhiệt do nước ngưng thu hồi về là nước sạch không cần xử lý và nó vẫn còn tồn trữ một lượng nhiệt tương đối lớn. Ở Việt nam, nhiều cơ sở sản xuất không có hệ thống thu hồi nước ngưng nên rất lãng phí năng lượng, nước sạch và hóa chất xử lý nước.

Một hệ thống thu hồi nước ngưng tốt nên có bọc cách nhiệt trong các ống dẫn nước thu hồi, bể chứa nước thu hồi cũng nên được cách nhiệt tốt để đảm bảo không tổn thất nhiệt ra ngoài môi trường. Nước thu hồi về sẽ được cấp vào lò cùng với một lượng nước bổ sung. Khi nhiệt độ nước cấp vào lò tăng lên 6oC ta có thể tăng 1% hiệu suất của hệ thống lò hơi, mạng nhiệt do đó có thể giảm đáng kể nhiên liệu tiêu thụ.

Trên đây là những phương pháp và cách thức cơ bản  để có thể sử dụng năng lượng một cách tiết kiệm và hiệu quả trong các hệ thống lò hơi mạng nhiệt vốn rất phổ biến trong nhiều cơ sở công nghiệp trong cả nước. Các biện pháp và nhận định đưa ra dựa trên việc khảo sát thực tế trên nhiều hệ thống ở các cơ sở sản xuất ở Việt Nam. Vốn là một hệ thống tiêu thụ chủ yếu là năng lượng từ việc đốt nhiên liệu, việc tiết kiệm năng lượng cho hệ thống này sẽ giúp các cơ sở sản xuất giảm chi phí mua nhiên liệu đồng thời giảm các phát thải gây ô nhiễm môi trường không khí xung quanh do giảm được khối lượng nhiên liệu sử dụng.

Việc đảm bảo cách nhiệt tốt cho các cơ cấu có thể phát thải nhiệt ra xung quanh cũng giúp tạo môi trường lao động tốt cho công nhân vận hành trong nhà máy và đem lại hiệu suất lao động cao hơn cho doanh nghiệp.   

TS. Nguyễn Xuân Quang