Tiết
kiệm năng lượng luôn là một lĩnh vực kỹ thuật được giới công nghệ quan
tâm. Trong những năm qua lĩnh vực này đã đạt được các kết quả hết sức
khả quan. Nhờ việc sử dụng kỹ thuật thu hồi nhiệt từ khí thải và nước
thải để sử dụng trở lại, hiệu suất sử dụng nhiệt năng của các dây chuyền
công nghiệp có thể đạt tới trên 90%, điều mà cuối thế kỷ 20 rất ít
người coi là hiện thực.
Các nhà máy nhiệt
điện, luyện kim, xi măng, hóa chất, gạch, gốm sứ, dệt, nhuộm, ép nhựa,
chế biến thực phẩm, đường, cà phê, chè… đều có các lò đốt sử dụng than,
dầu, gas hoặc điện năng để tạo ra nhiệt độ cao trong quá trính sản xuất.
Lượng nhiên liệu thực sự hữu ích thường chỉ chiếm một phần nhỏ trong
tổng số nhiên liệu bị đốt cháy. Điều này không những gây lãng phí tài
nguyên, mà còn ảnh hưởng nghiêm trọng tới môi trường và khí quyển trái
đất. Phần nhiệt lượng thực sự góp phần tạo thành sản phẩm thường chỉ từ
5% tới 30%. Hầu hết phần nhiệt năng còn lại đi theo khí thải, nước thải
hoặc nước làm nguội máy… và thoát ra môi trường, góp phần làm cho trái
đất nóng lên. Nếu tận dụng triệt để nhiệt lượng sinh ra từ các quá trình
đốt, lượng CO2 và SO2 cùng các chất
khí độc hại do công nghiệp sinh ra có thể giảm từ 50% tới 80%. Hiện
tượng nhiệt độ trái đất nóng lên và các hiện tượng thay đổi khí hậu khác
cũng có thể được hạn chế đáng kể nếu áp dụng triệt để các biện pháp tận
dụng năng lượng.
Với các thiết bị thu hồi nhiệt hiện đại, người ta có thể tận dụng hầu hết nhiệt năng thải ra để đưa trở lại quá trình sản xuất.
Nguyên lý hoạt động của thiết bị thu hồi nhiệt
Quá trình tái sử
dụng nhiệt thải gồm nhiều công đoạn kỹ thuật khác nhau. Công đoạn chính
trong khi tái sử dụng nhiệt năng là việc thu hồi nhiệt. Qua đó nhiệt
năng thải ra được chuyển tới một quá trình khác, trực tiếp hoặc qua một
phương tiện trung gian. Có rất nhiều dạng trao đổi nhiệt với các phương
tiện trung gian khác nhau và áp dụng cho các trường hợp sử dụng khác
nhau. Thông thường lượng nhiệt năng thu hồi được sử dụng ngay ở gần đó,
dòng khí thải sẽ được sử dụng để làm nóng không gian và sấy nóng không
khí cung cấp cho sự cháy. Với những quá trình công nghệ không liên tục,
sự thải ra nhiệt và sự tái sử dụng nhiệt không thể thực hiện đồng thời
được, nhiệt lượng thu hồi cần đưa vào những ngăn giữ nhiệt hoặc những
thiết bị trao đổi nhiệt.
Các thiết bị thu
hồi nhiệt thường có một hệ thống trao đổi nhiệt giữa khí thải hoặc nước
từ nhà máy thải ra với không khí sạch, nước sạch đi vào nhà máy. Hệ
thống trao đổi nhiệt có thể cấu tạo bởi các tấm chuyên chở nhiệt, các
ống vận chuyển nhiệt tuần hoàn, các ống vận chuyển nhiệt theo nguyên lý
mao dẫn, các ống vận chuyển nhiệt theo nguyên lý trọng lực, rotor hấp
thụ nhiệt, máy bơm nhiệt, hoặc trao đổi nhiệt theo nguyên tắc dòng ngược
chiều như hình vẽ trên.
Thu hồi nhiệt theo nguyên tắc dòng ngược chiều
Đây là phương pháp có hiệu quả cao và được áp dụng trong rất nhiều quá trình công nghệ.
Theo cách này
nhiệt năng được truyền từ khí thải hoặc nước thải qua không khí sạch
hoặc nước sạch trong một buồng trao đổi nhiêt. Không khí sạch đã sấy
nóng sẽ được chuyển qua một công đoạn sản xuất khác có yêu cầu nhiệt độ
thấp hơn, hoặc bơm vào lò để cung cấp cho sự đốt cháy nhiên liệu, làm
cho quá trình đốt cháy nhanh hơn, triệt để hơn và tốn ít nhiên liệu hơn.
Nước sạch sau khi được làm nóng cũng sẽ được chuyển sang một công đoạn
sản xuất cần nước nóng khác hoặc được bơm vào nồi hơi.
Buồng trao đổi
nhiệt là một không gian chạy dài được bao bọc bằng vật liệu cách nhiệt,
bên trong có các ống bằng kim loại dẫn nhiệt với các cánh tản nhiệt ở cả
mặt trong và mặt ngoài. Khí thải có nhiệt độ cao được bơm vào từ một
đầu của buồng trao đổi nhiệt và thoát ra ở đầu kia. Không khí sạch được
bơm vào các ống kim loại trong buồng trao đổi nhiệt từ phía đầu ra của
khí thải và thoát ra một đường ống riêng ở phía đầu vào của khí thải.
Việc thu hồi nhiệt từ nước thải cũng thực hiện như vây. Đồng thời với
việc thu hồi nhiệt, các nhà máy có nồi hơi còn thu hồi được hàng triệu
lít nước ngưng tụ để sử dụng lại.
Hiệu suất các thiết bị thu hồi nhiệt
Hệ thống trên đây
đã được áp dụng từ những năm giữa thế kỷ 20. Tuy nhiên lúc đầu hiệu quả
thu hồi nhiệt còn rất thấp, giá nhiên liệu cũng còn thấp và giá thành
thiết bị rất cao nên ít được áp dụng. Trong những năm gần đây ngành sản
xuất vật liệu và thiết bị thu hồi nhiệt đã đạt được những tiến bộ đáng
kể, đồng thời tương quan giữa giá nhiên liệu và giá thiết bị đã thay đổi
rất nhiều nên các thiết bị thu hồi nhiệt được rất nhiều nhà công nghệ
sử dụng.
Hiệu suất của
thiết bị thu hồi nhiệt phụ thuộc vào kích thước và cấu tạo buồng trao
đổi nhiêt, vật liệu làm ra thiết bị, vào nhiệt độ của nước thải, khí
thải và các đặc điểm của quá trình sản xuất. Các thiết bị thu hồi nhiệt
theo nguyên tắc dòng ngược chiều cho phép thu hồi tới 80% nhiệt lượng
trong khí thải và nước thải, đưa hiệu quả sử dụng nhiên liệu lên tới
trên 90%. Việc tái sử dụng nhiệt năng để sưởi ấm trong sinh hoạt ở các
nước sứ lạnh cũng đã được thực hiện từ nhiều năm nay. Hãng Vailand
chuyên sản xuất các thiết bị dùng gas hoặc dầu để đun nước cung cấp cho
lò sưởi và sinh hoạt đã tung ra thị trường loại thiết bị có kèm hệ thống
tái sử dụng nhiệt từ khí thải với hiệu suất nhiệt 95%. Ở các vùng lạnh,
không khí từ các khu văn phòng, khách sạn và nhà ở thoát ra theo hệ
thống thông gió cũng mang theo một nhiệt lượng đáng kể và cũng được thu
hồi để sưởi nóng không khí sạch trước khi bơm vào nhà.
Sau bao lâu thì thu hồi được vốn
Việc tái sử dụng
nhiệt năng không chỉ giảm thiểu chi phí năng lượng thông qua việc giảm
bớt nhiên liêu đưa vào ban đầu, mà còn làm giảm bớt chi phí đầu tư cho
các lò đốt và hệ thống ống khói, tháp lạnh… Các dây chuyền công nghiệp
được xây dựng mới trong những năm gần đây thường có hệ thống thiết bị
tái sử dụng nhiệt, thiết kế đồng bộ với khu vực đốt nhiên liệu, nồi hơi
và hệ thống khí thải, nước thải. Phần tiết kiệm chi phí do việc thu nhỏ
lò đốt, thu nhỏ các ống khói, ống thoát khí thải… còn lớn hơn toàn bộ
chi phí cho hệ thống tái sử dụng nhiệt.
Trước đây nhà máy
cán nhựa Laufenberg (CHLB Đức) hàng năm tiêu thụ cho sản xuất một lượng
khí đốt trị giá 2 triệu Euro. Sau khi lắp đặt 3 hệ thống thiết bị tái sử
dụng nhiệt với tổng chi phí 150 ngàn Euro, đã hạ mức tiêu thụ nhiên
liệu xuống còn 1/3, tiết kiệm mỗi năm khoảng 1,4 triệu Euro.
Công ty cổ phần
dệt nhuộm TH (Q. Tân Bình - TP HCM) tiêu thụ mỗi ngày 4 tấn than. Hãng
Đức Simon nhận lời lắp đắt cho công ty TH. hệ thống tái sử dụng nhiệt
năng và cam kết sẽ hạ 50% mức tiêu thụ than hiện nay. Với số tiền để ra
từ 50% nhiên liệu tiết kiệm được trong 72 ngày Công ty TH. đã có thể
trang trải toàn bộ chi phí xây dựng hệ thống thu hồi nhiệt. Một hệ thống
tái sử dụng nhiệt khác có quy mô và các chỉ tiêu kỹ thuật tương đương
như vậy sẽ đươc lắp đặt tại Công ty Gốm sứ PH (Bình Dương). Giám đốc
hãng Đức, ông Simon cho biết mức tiết kiệm thực tế sẽ khoảng 75%, nhưng
ông chỉ hứa ở mức 50% để lường trước mọi khó khăn trong quá trình chuyển
giao công nghệ.
Kết luận
Việc áp dụng các
biện pháp tái sử dụng nhiệt năng trong những năm qua ở các nước công
nghiệp đã tạo nên một cuộc cách mạng về kỹ thuật nhiệt, góp phần giúp
nhiều hãng công nghiệp hạ đáng kể giá thành sản phẩm, giành lại thị
trường tiêu thụ và thoát ra khỏi nguy cơ phá sản. Một số nước còn áp
dụng chính sách tài chính đặc biệt hỗ trợ cho các hãng áp dụng công nghệ
tái sử dụng nhiệt năng trong thời gian đầu. Các nước có lượng khí thải
cao rất coi trọng công nghệ này, xem như một biện pháp hàng đầu để giảm
thiểu lượng CO2, thực hiện nghị định thư Kyoto về bảo vệ khí quyển trái
đất.
Các doanh nghiệp
công nghiệp Việt nam cần nắm bắt công nghệ hết sức lợi ích này để hạ giá
thành và tăng sức cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời góp phần cải thiện
môi trường khí quyển.
Tác giả bài báo sẽ
tiếp tục giới thiệu các biện pháp tái sử dụng năng lượng và các trường
hợp áp dụng khác trong các bài báo tiếp theo.