Thu Hồi Nhiệt Thải

Thu hồi nhiệt thải là gì?

“Thu hồi nhiệt thải” là quá trình “tích hợp nhiệt”, tức là tái sử dụng năng lượng nhiệt mà lẽ ra sẽ bị thải bỏ hoặc đơn giản là xả vào khí quyển. Bằng cách thu hồi nhiệt thải, các nhà máy có thể giảm chi phí năng lượng và lượng khí thải CO₂, đồng thời nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng.

Ví dụ điển hình về thu hồi nhiệt thải

Nhiều sản phẩm tiêu dùng thông thường cũng áp dụng thu hồi nhiệt thải. Ví dụ, xe ô tô tăng áp (turbo) do nhiều hãng xe cung cấp.

Ở xe thông thường không tăng áp, động cơ đốt trong xả khí nóng qua ống xả sau khi đốt cháy nhiên liệu. Khí này chứa cả nhiệt năng và động năng—một phần trong số đó có thể được thu hồi. Động cơ tăng áp dẫn khí nóng qua một tuabin, giúp quay máy nén khí. Khí nén được đưa vào buồng đốt cùng với hơi xăng, giúp đốt cháy hiệu quả hơn và tạo ra nhiều công suất hơn với mức tiêu thụ nhiên liệu thấp hơn.

Lợi ích năng lượng từ việc thu hồi nhiệt thải công nghiệp cũng tương tự, và một số ví dụ sẽ được phân tích trong bài viết này.

Bộ tiết kiệm nhiệt (Economizer)

Bộ tiết kiệm nhiệt khói thải (stack economizer), thường dùng để đun nước, là một trong những loại thu hồi nhiệt thải đơn giản nhất. Nhân viên nhà máy có thể quen thuộc với thiết bị này. Bộ tiết kiệm nhiệt khói thải lò hơi sử dụng nhiệt năng từ khí thải trong quá trình gia nhiệt để đun nước cấp cho lò hơi, giảm lượng năng lượng cần thiết để tạo hơi. Theo Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, lắp đặt bộ tiết kiệm nước cấp lò hơi có thể nâng cao hiệu suất nhiệt của lò và giảm tiêu thụ nhiên liệu từ 5–10%.

Lò hơi thu hồi nhiệt thải (Waste Heat Boiler – WHB)

Sử dụng nguyên lý tương tự bộ tiết kiệm nhiệt, lò hơi thu hồi nhiệt thải tận dụng nhiệt sinh ra từ lò nung hoặc các phản ứng hóa học tỏa nhiệt trong nhà máy công nghiệp. Những nơi này có thể chứa một lượng năng lượng đáng kể không nên bị lãng phí. Thay vào đó, năng lượng này có thể được thu hồi để tạo hơi nước áp suất thấp đến trung bình trong lò hơi thu hồi nhiệt thải (WHB). WHB cũng có thể dùng để làm mát chất lỏng công nghệ cần được làm nguội để vận chuyển hoặc lưu trữ, đồng thời tạo hơi nước từ nhiệt đó.

Hơi nước tạo ra từ WHB có thể dùng để gia nhiệt hoặc vận hành tuabin phát điện, nén hơi hoặc bơm chất lỏng. Hơi từ WHB có thể chứa nhiều hơi ẩm, vì vậy nên lắp đặt bộ tách hơi hiệu suất cao và bẫy hơi để đảm bảo WHB cung cấp hơi chất lượng tối ưu cho quy trình nhận.

Bộ sinh hơi thu hồi nhiệt (Heat Recovery Steam Generator – HRSG)

Nhiều nhà máy công nghiệp hiệu suất cao với hệ thống đồng phát (cogeneration) hoặc chu trình hỗn hợp (combined cycle) sử dụng tuabin khí (về cơ bản là động cơ phản lực) để phát điện, sau đó tạo hơi nước từ nhiệt thải bằng bộ sinh hơi thu hồi nhiệt (HRSG). Phần này sẽ giải thích cách quy trình này hoạt động và HRSG được sử dụng như thế nào.

Hãy xem lại ví dụ về động cơ ô tô tăng áp, nhưng thay bằng động cơ phản lực. Tuabin khí/động cơ phản lực được đốt bằng khí tự nhiên, và khí thải của nó chứa hơi cực nóng mà lẽ ra sẽ bị xả thẳng vào khí quyển nếu không thu hồi một phần nhiệt và động năng. Vậy, làm thế nào để tận dụng nhiệt thải này như trong xe tăng áp?

Khí nóng thải ra cần làm quay một tuabin khác, vì vậy khí thải được dẫn qua HRSG để tạo hơi quá nhiệt, làm quay tuabin hơi nước phía sau. Tuabin này có thể vận hành máy phát điện (hệ thống chu trình hỗn hợp) hoặc chỉ sử dụng hơi nước cho các ứng dụng công nghệ (đồng phát nhiệt điện – CHP).

HRSG có thể có một bình hơi đơn (như trong hình minh họa dưới đây) hoặc nhiều bình hơi với nhiều áp suất khác nhau. Có cả loại không đốt bổ sung (tuần hoàn tự nhiên) và loại có đốt bổ sung trong ống (duct firing), giúp tăng sản lượng và chất lượng hơi, thậm chí tạo hơi quá nhiệt và công suất lớn hơn ở tuabin.

Máy làm lạnh hấp thụ (Absorption Chiller)

Một số hệ thống CHP tiết kiệm năng lượng có thể bổ sung làm lạnh bằng cách sử dụng máy làm lạnh hấp thụ chạy bằng hơi nước tạo ra từ nhiệt thải.

Cơ chế của máy làm lạnh hấp thụ có thể được chia thành các giai đoạn sau:

1. Dung dịch hấp thụ loãng (60% muối lithium bromide, 40% nước) được gia nhiệt sơ bộ bằng nước ngưng khi di chuyển từ bộ hấp thụ đến bộ sinh hơi.
2. Trong bộ sinh hơi, dung dịch hấp thụ được đun nóng bằng hơi, khiến một phần nước trong đó bay hơi, làm dung dịch trở nên đậm đặc hơn.
3. Dung dịch hấp thụ đậm đặc chảy ngược xuống bộ hấp thụ để thu thêm nước trong chu trình tuần hoàn liên tục. Đồng thời, hơi nước di chuyển đến bộ ngưng tụ.
4. Trong bộ ngưng tụ, nước làm mát khiến hơi ngưng tụ thành chất lỏng và chảy xuống bộ bay hơi, nơi có áp suất gần chân không.
5. Trước khi vào bộ bay hơi, nước ngưng đi qua van tiết lưu hoặc van giãn nở. Sự hạn chế dòng chảy này khiến nước lại bay hơi thành sương lạnh ở 4.5°C [40°F]—đây là nơi xảy ra quá trình làm lạnh. Hơi lạnh này hấp thụ nhiệt từ vòng nước lạnh, giảm nhiệt độ của nó khoảng 5°C [9°F].
6. Sương lạnh nóng lên khi hấp thụ nhiệt từ vòng nước lạnh, nhưng dung dịch muối đậm đặc trong bộ hấp thụ hút nước vào, tạo áp suất gần chân không trong bộ bay hơi.

Các bộ phận chính:

• Bộ bay hơi: Làm lạnh thực tế xảy ra ở đây. Nước đi qua van, tạo sương lạnh. Phun lên vòng nước lạnh, nó hấp thụ nhiệt và làm mát môi chất.
• Bộ hấp thụ: Dung dịch hấp thụ đậm đặc hút sương nước từ bộ bay hơi, tạo áp suất gần chân không đồng thời làm loãng dung dịch.
• Bộ sinh hơi: Hỗn hợp hấp thụ 60/40% được đun nóng, làm bay hơi nước, phần dung dịch đậm đặc (đã tái tạo) quay lại bộ hấp thụ.
• Bộ ngưng tụ: Hơi nước từ bộ sinh hơi được ngưng tụ bằng cách truyền nhiệt cho nước làm mát.

Nén nhiệt hơi (Steam Thermocompression)

Nén nhiệt là một phương pháp thu hồi nhiệt khác, có thể tận dụng năng lượng từ dòng thải như hơi nước áp suất thấp. Đây là quá trình trộn hơi áp suất cao và thấp để tạo ra áp suất trung gian bằng thiết bị nén hơi như Hệ thống máy nén nhiệt hơi (xem hình dưới).