Nguồn năng lượng trên thế giới đang ngày càng trở nên cạn kiệt và xuất hiện nhiều vấn đề ô nhiễm môi trường nghiêm trọng do sử dụng quá nhiều năng lượng. Hạn chế lớn nhất của việc sử dụng năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch là gây ra ô nhiễm môi trường do sự phát thải SO₂, CO_x, NO_x…

Tại các nhà máy sản xuất phần nhiệt năng thất thoát khá lớn theo khí thải, nước thải hoặc làm nguội máy… và thoát ra môi trường, góp phần làm 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 sản xuất công nghiệp sinh ra có thể giảm đáng kể lượng tiêu hao nguyên, nhiên liệu. 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.

Chính vì vậy, việc thu hồi nhiệt từ khí thải và nước thải để sử dụng trở lại giúp hiệu suất sử dụng nhiệt năng của các dây truyền công nghiệp có thể đạt tới hơn 90%.

Viện nghiên cứu cơ khí - Bộ Công thương đã thực hiện đề tài cấp Bộ: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy không khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất của lò hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện công suất 300MW”, ký hiệu:151-07.RD/HĐ-KHCN do kỹ sư: Phạm Văn Quế và cộng sự thực hiện. Đề tài này đã có những nghiên cứu và chỉ ra rằng trong các thiết bị đốt nhiệt độ khói thải ra khỏi lò rất cao (trên 1000 độ C) nên người ta thường dùng khói này để gia nhiệt không khí, nhưng vì nhiệt độ khói rất cao nên đòi hỏi kim loại chế tạo phải là thép hợp kim chịu nhiệt phù hợp.

Công nghệ sản xuất kẽm oxit bằng phương pháp hoàn nguyên oxi hóa tại Trung tâm Triển khai công nghệ sử dụng than antranxit (than cục 3) để cấp nhiệt, than cốc được phối liệu với nguyên liệu và phụ gia (tạo viên) để làm tác nhân hoàn nguyên oxit kẽm trong nguyên liệu. Than cục 3 đƣợc cháy theo lớp cố định, đặc điểm của quá trình cháy theo lớp là không khí được đưa vào buồng lửa đi qua lớp than đã rải đều trên mặt ghi, khi đi qua lớp than tiến hành phản ứng cháy, sau đó tạo thành khói nóng (sản phẩm cháy) đi vào buồng lửa. Trong quá trình cháy theo lớp, lớp nhiên liệu đang khí hóa hoặc đang cháy sẽ nằm cố định trên mặt ghi hoặc chuyển động cưỡng bức theo ghi và suốt trong quá trình cháy đều không rời khỏi mặt ghi. Quá trình cháy của than bao gồm các giai đoạn sau: bốc hơi ẩm, bốc chất bốc, chất bốc bốc cháy (gọi là giai đoạn bắt lửa), cháy cốc và tạo xỉ. Giai đoạn bắt lửa và cháy kiệt sớm hay muộn, hoàn hảo hay không hoàn hảo là yếu tố quyết định đến hiệu suất cháy của buồng lửa. Như chúng ta đã biết, than cục antranxit có hiệu suất cháy kém hơn, khó bắt lửa hơn, do vậy việc nâng cao nhiệt độ ban đầu của dòng không khí cấp có thể giảm được lượng nhiệt cần thiết để đạt tới trạng thái bắt lửa, làm cho sự bắt lửa xảy ra sớm hơn. Thông thường đối với than ít chất bốc như antranxit, nếu sử dụng không khí nóng nhiệt độ cao (38-420 độ C) để cung cấp cho quá trình đốt than thì sẽ làm cho than dễ bắt lửa. Tại buồng đốt của lò hoàn nguyên oxi hóa, nhiệt độ đạt khoảng 120-1250 độ C, quá trình hoàn nguyên oxi kẽm sảy ra, kẽm oxit trong nguyên liệu được hoàn nguyên tạo thành hơn kẽm, hơi kẽm sinh ra được bay sang buồng oxi hóa, tại buồng oxi hóa nhiệt độ khoảng 110-1150 độ C, hơi kẽm kết hợp với oxi tạo thành kẽm oxit, đến cuối buồng oxi hóa, kẽm oxit đƣợc giảm nhiệt dần, sau đó được vận chuyển qua kênh dẫn có làm mát bằng nước, sau đó kẽm oxit được vận chuyển, trao đổi qua hệ thống phân cấp sản phẩm làm bằng inox 304. Cuối cùng kẽm oxit được thu tại buồng thu sản phẩm, tại đây nhiệt độ khoảng 60-80 độ C, nhiệt độ này càng thấp thì tuổi thọ của túi vải lọc thu sản phẩm càng cao.

Từ những phân tích trên, năm 2017, Trung tâm Triển khai Công nghệ, Viện Công nghệ Xạ hiếm đã được giao đề tài “Thiết kế, chế tạo, lắp đặt và thử nghiệm bộ thu hồi 9 nhiệt của lò hoàn nguyên oxi hóa kẽm tại Trung tâm Triển khai Công nghệ - Viện Công nghệ xạ hiếm” với mục tiêu giải quyết được 2 vấn đề: Giảm nhiệt độ dòng khí, bụi trước khi đi vào hệ thống kênh dẫn, hệ thống phân cấp sản phẩm và buồng thu sản phẩm. Qua đó làm tăng tuổi thọ của túi vải thu sản phẩm, giảm chi phí sản xuất. Tăng nhiệt độ dòng khí sạch thổi vào lò đốt -> giảm tiêu hao lượng than đốt, giảm chi phí sản xuất, tăng sức cạnh tranh trên thị trường. Hiệu suất sử dụng than: Lượng tiêu thụ than sẽ giảm tối thiểu ≥ 5%.

Từ các kết quả nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt của bộ trao đổi nhiệt sử dụng trong lò hoàn nguyên oxi hóa 3A đề tài có một số kết luận như sau:

Đề tài đã tiến hành tính toán thiết kế và chế tạo bộ thu hồi nhiệt phục vụ cho quá trình nghiên cứu, từ kết quả thực tế nhận thấy bộ thu hồi nhiệt có độ tin cậy cao, gần đúng với thực tế. Từ quá trình tính toán thiết kế, đo đạc các thông số thực tế nhiệt độ của khí, bụi tại buồng oxi hóa trước bộ thiết bị trao đổi nhiệt là 1025 độ C, nhiệt độ của khí, bụi sau bộ thu hồi nhiệt là 1000 độ C, do mới lắp bộ thu hồi nhiệt tại một bên tường lò của buồng oxi hóa nên nhiệt độ của khí, bụi đã giảm 20 độ C.

Quá trình trao đổi nhiệt khá tốt, nhiệt độ môi trường là 40 độ C, nhiệt độ sau bộ trao đổi nhiệt tùy thuộc vào lưu lương khí cấp (trên 300 độ C), với lưu lượng khí 1200 m3/h nhiệt độ sau bộ trao đổi nhiệt cũng đạt được 316 độ C. Từ hai kết luận trên cho thấy, bộ thu hồi nhiệt không những có tác dụng trao đổi nhiệt để cung cấp khí nóng cho buồng đốt mà còn có tác dụng làm giảm niệt độ của khí bụi, tăng độ bền cho túi vải lọc tại buồng thu sản phẩm.

Qua tính toán lý thuyết, khi kết nối bộ thu hồi nhiệt vào lò đốt của hệ thống lò hoàn nguyên oxi hóa, nhận thấy có thể giảm được khoảng 4% than so với khi không sử dụng bộ trao đổi nhiệt. Mặt khác, qua nghiên cứu lý thuyết, khi nâng nhiệt độ không khí cấp cho quá trình đốt than antranxit có thể làm giảm được lượng nhiệt cần thiết để đạt tới trạng thái bắt lửa từ đó sẽ làm tăng hiệu suất của quá trình đốt, giảm tiêu hao than, điều này chứng tỏ có thể làm cho lượng than sử dụng cho quá trình đốt than có thể giảm được hơn nữa, đạt 5% như đề tài yêu cầu. Tuy nhiên do điều kiện khách quan không thể thử nghiệm kiểm tra được trên thực tế sản xuất nên chưa chứng minh được là hiệu suất đốt than tăng và lượng tiêu hao than giảm 5%.

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 16768/2019) tại Cục Thông tin KHCNQG.

Đ.T.V (NASATI)