Công nghệ thu hồi nhiệt thải cải thiện hiệu suất năng lượng thế nào?

Về bản chất, thu hồi nhiệt không làm cho quá trình tạo ra năng lượng mới. Nó làm tăng mức sử dụng hữu ích của năng lượng đã được đưa vào hệ thống. Nhiệt thu hồi có thể quay trở lại chính công đoạn sinh nhiệt, chuyển sang công đoạn khác có nhu cầu nhiệt, hoặc được biến đổi thành điện. Hiệu suất năng lượng vì thế được cải thiện khi một đơn vị nhiên liệu hoặc điện đầu vào tạo ra nhiều giá trị hữu ích hơn trước.

Thu hồi nhiệt thải làm giảm năng lượng đầu vào cho cùng một sản lượng

Cơ chế trực tiếp nhất là thay thế một phần năng lượng mà thiết bị vốn phải lấy từ nhiên liệu, điện hoặc hơi mới. Ví dụ, khí thải nóng từ lò có thể truyền nhiệt cho không khí cấp vào buồng đốt, nguyên liệu đầu vào hoặc nước cấp. Khi dòng đầu vào đã được gia nhiệt trước, thiết bị chính chỉ phải cung cấp phần nhiệt còn thiếu để đạt nhiệt độ vận hành.

Giả sử một quá trình cần 100 đơn vị năng lượng đầu vào và 30 đơn vị rời hệ thống dưới dạng nhiệt thải. Nếu một hệ thống trao đổi nhiệt có thể lấy lại 10 đơn vị và sử dụng hiệu quả chúng để thay thế nhiệt cấp mới, quá trình không còn phải mua hoặc tạo ra toàn bộ 100 đơn vị từ nguồn sơ cấp để duy trì cùng nhiệm vụ nhiệt. Đây là ví dụ cân bằng năng lượng để minh họa cơ chế; mức tiết kiệm thực tế không thể suy ra chỉ từ tỷ lệ nhiệt thu hồi vì còn có tổn thất truyền nhiệt, phụ tải phụ trợ và điều kiện vận hành.

Thu hồi trực tiếp thường có lợi về mặt năng lượng vì tránh thêm một bước chuyển đổi. Thay vì biến nhiệt thành điện rồi dùng điện tạo nhiệt trở lại, năng lượng nhiệt được chuyển thẳng từ nơi dư sang nơi cần. Các ứng dụng như gia nhiệt trước không khí cháy, nước cấp, nguyên liệu, nước nóng hoặc dòng công nghệ đều dựa trên nguyên tắc này. DOE cũng xác định các mục đích sử dụng phổ biến của nhiệt thu hồi gồm gia nhiệt trước không khí cháy, nước cấp và tải công nghệ, tạo hơi, sưởi và phát điện.

Điều kiện quan trọng là phải tồn tại một “bể nhận nhiệt” phù hợp. Một nguồn nhiệt lớn không tự động tạo ra tiết kiệm lớn nếu nhà máy không có dòng vật chất hoặc nhu cầu nhiệt tương ứng tại cùng thời điểm.

Hiệu quả tăng mạnh khi nhiệt được tái sử dụng ở cấp nhiệt độ phù hợp

Không phải mọi joule nhiệt thải đều có giá trị sử dụng như nhau. Nhiệt độ quyết định phần lớn khả năng thực hiện công hữu ích và khả năng truyền nhiệt sang một dòng khác. Một dòng khí nóng ở nhiệt độ rất cao thường có nhiều lựa chọn thu hồi hơn nước làm mát chỉ cao hơn môi trường một khoảng nhỏ.

DOE phân biệt rõ “lượng nhiệt” và “chất lượng nhiệt”. Lượng nhiệt phụ thuộc vào lưu lượng và enthalpy của dòng thải, còn chất lượng liên quan chặt chẽ đến nhiệt độ. Muốn truyền nhiệt thụ động, nhiệt độ nguồn phải cao hơn nhiệt độ của dòng nhận; chênh lệch nhiệt độ càng nhỏ thì diện tích trao đổi nhiệt và các yêu cầu thiết kế thường càng trở nên quan trọng.

Điều này dẫn đến nguyên tắc ghép nhiệt độ: trước hết nên dùng nguồn nhiệt có nhiệt độ đủ cao cho nhu cầu nhiệt có cấp nhiệt tương ứng, rồi tận dụng phần nhiệt còn lại cho các nhu cầu nhiệt độ thấp hơn nếu khả thi. Một dòng khí thải nóng chẳng hạn có thể thích hợp để gia nhiệt nguyên liệu hoặc không khí cháy, trong khi nhiệt cấp thấp hơn có thể phù hợp với nước nóng hoặc tiền gia nhiệt.

Nếu cố dùng nhiệt cấp thấp cho một nhiệm vụ cần nhiệt độ cao, hệ thống có thể phải bổ sung quá nhiều năng lượng hoặc không đạt được nhiệt độ yêu cầu. Khi đó, lượng nhiệt tồn tại về mặt cân bằng năng lượng vẫn lớn nhưng phần thực sự hữu ích lại nhỏ. Đây là lý do đánh giá công nghệ thu hồi nhiệt thải không nên chỉ hỏi “có bao nhiêu nhiệt bị mất” mà phải hỏi thêm “nhiệt đó ở nhiệt độ nào và có nơi nào sử dụng được ở nhiệt độ đó”.

Trao đổi nhiệt, bơm nhiệt và phát điện tận dụng các cấp nhiệt thải khác nhau

Công nghệ thích hợp phụ thuộc vào cách năng lượng thu hồi sẽ được sử dụng. Với nguồn nhiệt đủ cao và có nhu cầu nhiệt trực tiếp, bộ trao đổi nhiệt, recuperator, regenerator, economizer hoặc nồi hơi thu hồi có thể chuyển năng lượng sang không khí, nước, hơi hoặc dòng công nghệ khác.

Khi nhiệt thải có nhiệt độ thấp hơn mức mà quá trình nhận yêu cầu, bơm nhiệt công nghiệp có thể nâng nhiệt lên một cấp hữu ích hơn. Bơm nhiệt không “khuếch đại” năng lượng miễn phí; nó tiêu thụ công, thường là điện, để chuyển nhiệt từ mức nhiệt độ thấp sang mức cao hơn. Lợi ích năng lượng xuất hiện khi tổng nhiệt hữu ích cung cấp nhờ hệ thống lớn hơn đáng kể so với lượng năng lượng sơ cấp cần cho phương án tạo nhiệt thay thế. DOE xem bơm nhiệt công nghiệp là một trong các hướng quản lý nhiệt thải nhằm giảm nhu cầu năng lượng ròng của hệ thống quá trình.

Một lựa chọn khác là waste heat to power, tức chuyển nhiệt thải thành điện bằng chu trình hơi, Organic Rankine Cycle hoặc công nghệ chuyển đổi phù hợp. Điện tạo ra có thể được dùng tại chỗ mà không cần đốt thêm nhiên liệu cho chính lượng điện đó. Tuy nhiên, chuyển nhiệt thành điện luôn có giới hạn hiệu suất nhiệt động; vì vậy, nếu nhà máy có một nhu cầu nhiệt trực tiếp phù hợp, sử dụng nhiệt trực tiếp có thể tránh được tổn thất của bước chuyển đổi sang điện.

Waste heat to power trở nên đặc biệt có giá trị khi nguồn nhiệt tồn tại ổn định nhưng không có nhu cầu nhiệt thích hợp gần đó. DOE ghi nhận các hệ thống này thu nhiệt từ khí thải hoặc quá trình công nghiệp để sản xuất điện, qua đó tận dụng năng lượng nhiệt vốn sẽ bị thải bỏ.

Hiệu suất thực tế phụ thuộc đồng thời vào nhiệt độ, lưu lượng và thời gian vận hành

Nhiệt độ cao chưa đủ để khẳng định một dự án thu hồi nhiệt sẽ hiệu quả. Công suất nhiệt khả dụng còn phụ thuộc vào khối lượng dòng thải, nhiệt dung hoặc enthalpy của dòng, mức nhiệt có thể hạ xuống an toàn và số giờ mà nguồn nhiệt thực sự xuất hiện.

Một lò tạo ra khí thải rất nóng nhưng chỉ hoạt động ngắt quãng có thể cho tổng năng lượng thu hồi hàng năm thấp hơn một nguồn nhiệt vừa phải nhưng vận hành liên tục. Tương tự, nguồn và tải nhận phải trùng nhau về thời gian. Nếu nhiệt thải xuất hiện lúc không có nhu cầu sử dụng, cần lưu trữ nhiệt hoặc một phương án sử dụng khác; nếu không, phần năng lượng đó vẫn không được tận dụng.

Thành phần của dòng thải cũng có thể giới hạn mức thu hồi. Bụi, hơi ẩm, chất ăn mòn hoặc các chất có khả năng ngưng tụ có thể gây fouling, ăn mòn và suy giảm truyền nhiệt. Trong một số hệ thống, không thể hạ nhiệt độ khí thải tùy ý vì khi xuống dưới một ngưỡng nhất định có thể xuất hiện ngưng tụ hoặc vấn đề vật liệu. DOE vì thế đưa nhiệt lượng, nhiệt độ, thành phần dòng thải, nhiệt độ tối thiểu cho phép và lịch vận hành vào nhóm thông số cốt lõi khi đánh giá tính khả thi của thu hồi nhiệt.

Các yếu tố này giải thích vì sao “thu hồi được 100% nhiệt thải” không phải mục tiêu thực tế. Một phần năng lượng không thể thu hồi do giới hạn nhiệt động, chênh lệch nhiệt độ, tổn thất trao đổi nhiệt, yêu cầu vận hành và chi phí thiết bị. Hiệu suất tốt phải được đánh giá trên phần nhiệt có thể thu hồi và sử dụng hữu ích, không phải trên toàn bộ nhiệt được xác định là thất thoát.

Tích hợp nhiệt đúng chỗ quyết định hiệu suất của toàn hệ thống

Một bộ trao đổi nhiệt riêng lẻ có thể có hiệu suất truyền nhiệt cao nhưng chưa chắc làm hiệu suất toàn nhà máy tăng tương ứng. Chỉ số quan trọng hơn là hệ thống sau cải tiến cần bao nhiêu năng lượng sơ cấp để tạo ra cùng sản lượng và chất lượng sản phẩm.

Ví dụ, nếu nhiệt thu hồi làm giảm tiêu thụ nhiên liệu của một lò nhưng đồng thời cần quạt công suất lớn, bơm tuần hoàn, làm sạch thường xuyên hoặc thiết bị làm mát bổ sung, phần điện và năng lượng phụ trợ này phải được đưa vào cân bằng. Tương tự, thu hồi nhiệt quá mức có thể làm thay đổi áp suất khí thải, ảnh hưởng vận hành thiết bị hoặc tạo thêm trở lực cho hệ thống.

Do đó, một dự án tốt thường bắt đầu bằng cân bằng năng lượng: xác định nguồn nhiệt, mức nhiệt độ, lưu lượng, thời gian xuất hiện và tổn thất; sau đó lập bản đồ các tải có thể nhận nhiệt. Phương án nên ưu tiên nơi mà nhiệt thu hồi thay thế trực tiếp một nhu cầu năng lượng hiện hữu và có thời gian vận hành đồng bộ.

Hiệu quả ở cấp nhà máy có thể đáng kể nhưng không có một tỷ lệ tiết kiệm chung áp dụng cho mọi cơ sở. Chẳng hạn, dự án thu hồi nhiệt tại nhà máy General Mills ở Cedar Rapids được DOE Better Buildings mô tả là dự kiến giảm khoảng 5% tổng mức sử dụng năng lượng của nhà máy. Con số này là kết quả của một dự án và điều kiện cụ thể, không phải benchmark để áp dụng mặc định cho mọi hệ thống thu hồi nhiệt.

Đánh giá hiệu quả thu hồi nhiệt cần dựa trên năng lượng hữu ích ròng

Để xác định công nghệ thu hồi nhiệt thải có thực sự cải thiện hiệu suất hay không, cần so sánh hệ thống trước và sau cải tiến trên cùng một nhiệm vụ sản xuất. Một cách nhìn cơ bản là lấy năng lượng hữu ích tạo ra chia cho tổng năng lượng đầu vào. Khi sản lượng hữu ích giữ nguyên nhưng nhu cầu nhiên liệu hoặc điện mua vào giảm, hiệu suất sử dụng năng lượng đã tăng.

Tuy nhiên, phép đánh giá nên tính theo năng lượng ròng. Nhiệt lấy được tại bộ trao đổi nhiệt chưa phải toàn bộ lợi ích nếu một phần bị mất trên đường ống hoặc phải dùng thêm điện cho quạt, bơm và thiết bị chuyển đổi. Giá trị phù hợp hơn là phần năng lượng sơ cấp thực sự tránh được sau khi trừ các phụ tải bổ sung.

Bốn câu hỏi giúp xác định cơ hội đáng ưu tiên là: nguồn nhiệt có đủ nhiệt độ và công suất không; nguồn có ổn định đủ lâu không; có tải nhận nhiệt phù hợp về nhiệt độ và thời gian không; và năng lượng tiết kiệm ròng có đủ lớn so với tổn thất cùng chi phí tích hợp không. Nếu bốn điều kiện này được đáp ứng, nhiệt vốn rời khỏi hệ thống có thể thay thế một phần năng lượng mới phải mua vào, từ đó cải thiện hiệu suất năng lượng một cách đo lường được.

Điểm cần tránh là đồng nhất “lượng nhiệt thu được” với “lượng nhiên liệu tiết kiệm”. Hai đại lượng chỉ tương đương trong những điều kiện nhất định. Hiệu suất bộ trao đổi nhiệt, nhiệt độ hồi về, tải phụ trợ, biến động sản xuất và phương thức sử dụng nhiệt đều ảnh hưởng đến mức tiết kiệm cuối cùng.

Công nghệ thu hồi nhiệt thải cải thiện hiệu suất năng lượng bằng cách kéo một phần năng lượng đã cấp nhưng chưa tạo giá trị hữu ích trở lại vòng sử dụng. Cách hiệu quả nhất thường là ghép đúng nguồn nhiệt với nhu cầu phù hợp: ưu tiên sử dụng nhiệt trực tiếp khi có thể, nâng cấp nhiệt bằng bơm nhiệt khi cấp nhiệt chưa đủ, hoặc chuyển thành điện khi không có tải nhiệt thích hợp.

Mức cải thiện không được quyết định bởi việc nhà máy “có nhiệt thải” hay không, mà bởi phần nhiệt có thể thu hồi hữu ích sau các giới hạn về nhiệt độ, lưu lượng, thời gian, thành phần dòng thải và nhu cầu sử dụng. Vì vậy, đánh giá đúng phải dựa trên cân bằng năng lượng ròng của toàn hệ thống. Khi cùng một sản lượng được tạo ra với ít nhiên liệu hoặc điện sơ cấp hơn, phần năng lượng từng bị thất thoát đã trở thành tài nguyên và hiệu suất sử dụng năng lượng thực sự được nâng lên.