NGHIÊN CỨU - ỨNG DỤNG

Các hệ thống phát điện theo chu trình Kalina trong các ứng dụng tận dụng nhiệt thừa (P5)

16/09/2013 - 11:26 CH

Với việc kiểm soát hiệu quả chất lượng nước như đã nêu ở trên và lưu ý các mức hàm lượng pH cao liên quan tới môi trường ammonia-hơi, một hệ thống Chu trình Kalina sẽ được hy vọng là ít gặp phải hiện tượng ăn mòn và mài mòn hơn so với ở hệ thống Chu trình Rankine.

Mặt khác người ta cũng đã biết rằng các lớp nitride có thể hình thành trên thép tiếp xúc với môi trường ammonia ở nhiệt độ cao. Một số trong số các yếu tố này sẽ được xem xét thêm trong phần này trong điều kiện môi trường tương đối dễ chịu của Chu trình Kalina.

Mài mòn do cabamat ammonia

Trong các điều kiện nơi mà ammonia (NH3) và carbon dioxide (CO2) có thể phản ứng ở nhiệt độ và áp suất cao, có thể tạo thành cabamat ammo¬nia theo phản ứng sau:

Phản ứng này xảy ra trong quá trình sản xuất urê7.8 khi nhiệt độ đạt khoảng 185oC và áp suất đạt khoảng 140 bara. Nếu như xảy ra hiện tượng ngưng cabamat ammonia, các giọt cabamat có thể có tính ăn mòn cao, có nghĩa là cần lưu tâm đặc biệt tới việc lựa chọn thép để chịu được kiểu suy giảm cấp này. Các hợp kim kép được ưu tiên lựa chọn.

Rõ ràng là nếu như các mức CO2 đủ cao thì kiểu ăn mòn này có thể xảy ra trong các điều kiện môi trường của Chu trình Kalina tuỳ thuộc vào các điều kiện nhiệt độ và áp suất chuẩn xác. Ngoài ra, sự tồn tại của các clo-rua như là các tạp chất trong nước có xu hướng làm cho quá trình mài mòn thêm nghiêm trọng hơn.

Có một số điều không chắc chắn về sự ổn định của cabamat ammonia và bằng chứng nhỏ cho rằng thành phần không ổn định ở nhiệt độ <200oC và áp suất <100 bara. Tuy nhiên, khi các ảnh hưởng do mài mòn có thể quá nghiêm trọng thì sẽ phải thận trọng đối với trường hợp các hệ thống Chu trình Kalina để đảm bảo giảm được nguy cơ tạo thành cabamat càng nhiều càng tốt. Liên quan tới điều này có một bằng chứng cho thấy việc khử khí trong nước bổ sung để tách CO2 ra và khử khoáng để tách clo-rua ra sẽ đảm bảo tránh được bất kỳ sự cố tiềm ẩn nào có thể xảy ra.

Cracking do ứng suất mài mòn (SCC)

Cracking do ứng suất mài mòn (SCC) đã được báo cáo là xảy ra trogn thép ferit sử dụng trong quá trình chế tạo các bể chứa ammonia khan. Các nghiên cứu quy mô lớn đã được thực hiện trong một số năm để nhận biết các yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới kiểu hư hỏng này. Một số thông số quan trọng đã được xác định là có thể có ảnh hưởng đáng kể tới sự xuất hiện hiện tượng cracking cảm ứng do ứng suất.

SCC sẽ xảy ra trong thép ferit thông qua các tổ hợp cụ thể về ứng suất và trong các điều kiện môi trường mài mòn cụ thể khi các điều kiện mài mòn dẫn đến hư hỏng cục bộ trong lớp ô-xit bảo vệ đủ để bắt đầu tạo vết nứt. Sự xuất hiện tượng tượng rỗ mòn hoặc các thể vùi ô-xit có thể đủ để khởi phát quá trình nứt.

Nhìn chung tất cả các rủi ro của SCC trong các bể chứa ammonia dạng lỏng tăng lên với các vật liệu có độ bền kéo cao hơn và cũng tăng lên trong các mối hàn được xử lý nhiệt không đều sau khi hàn. Ngoài ra, xin khẳng định rằng sự tồn tại của ô-xi như là một tạp chất trong ammonia sẽ kích thích SCC.

Cần lưu ý rằng các ứng suất yêu cầu để bắt đầu gây nứt nhìn chung là cao hơn so với các ứng suất gặp phải trong điều kiện vận hành bình thường và có thể là do sự có mặt của các ứng suất dư phát sinh trong quá trình gia công hoặc các mối hàn có độ bền cao hơn mà kết hợp với ứng suất đã cấp, có khả năng đủ để bắt đầu gây nứt, đặc biệt là với sự có mặt của ô-xi.

Một điểm quan trọng mà đã được quan sát thấy rằng sự có mặt của những lượng nước nhỏ (0,2 ppm) như là một tạp chất trong ammonia có tác dụng ngăn chặn quá trình SCC. Theo quan điểm của hệ thống Chu trình Kalina sẽ rất khó đánh giá SCC sẽ là một sự cố sẽ xảy ra trong thực tế và đã quan sát không thấy có bằng chứng về SCC trong bất kỳ nhà máy dựa theo Chu trình Kalina nào đang hoạt động. Nhìn chung thép sử dụng không phải là thép có độ bền cao và SCC phổ biến hơn trong thép có độ bền kéo cao. Ngoài ra, môi trường là một yếu tố của hơi-ammonia và sự tồn tại của nước sẽ có tác dụng ngăn chặn. Vì SCC thường kết hợp với các bề mặt “ẩm”, rủi ro sẽ chỉ xảy ra trong các khu vực có hiện tượng ngưng tụ xảy ra từ pha hơi. Xin xác nhận rằng hàm lượng nước 0,2% sẽ ngăn chặn SCC tới một hàm lượng ô-xi là 1000ppm.

Kết luận

1. Trong thập kỷ qua hoặc tương tự một số nhà máy điện dựa theo Chu trình Kalina đã được đưa vào vận hành để phát điện từ các loại nguồn nhiệt cấp thấp khác nhau bao gồm cả nhiệt thừa công nghệ, thiêu huỷ rác và các suối địa nhiệt.

2. Các cơ hội thêm nữa để áp dụng Chu trình Kalina trong việc thu hồi năng lượng hữu ích từ nhiệt thừa công nghệ đang được ngành xi măng theo đuổi.

3. Tổng hiệu suất đạt được là rất thoả đáng và các thiết bị đã hoạt động tin cậy và đáp ứng hoặc vượt các mục tiêu về hiệu suất.

4. Mức hiệu suất đạt được khi sử dụng Chu trình Kalina sẽ không thể đạt được khi sử dụng bất kỳ hệ thống nào khác để trích năng lượng hữu ích từ nguồn nhiệt cấp thấp.

5. Kinh nghiệm đến nay cho thấy rằng, thông thường với bất kỳ chu trình nhà máy điện nào khác, việc kiểm soát hiệu quả thành phần hoá học trong nước là yêu cầu thiết yếu nếu như muốn đạt được độ tin cậy vận hành và tính sẵn sàng cao.

6. Các giá trị pH cao cùng với các điều kiện môi trường của Chu trình Kalina sẽ hạn chế nguy cơ mài mòn nói chung.

7. Bất kỳ nguy cơ mài mòn nào do việc tạo thành các cabamat ammonia đều có thể tránh được bằng cách tách CO2 ra khỏi nguồn nước cấp.

8. Quá trình nitrat hoá các bề mặt thép có thể xảy ra ở nhiệt độ trên khoảng 450oC nhưng không chắc rằng việc giảm cấp kiểu này sẽ làm giảm nghiêm trọng hiệu suất.

9. Đã quan sát và không thấy có bằng chứng về hiện tượng cracking do ứng suất mài mòn, mà có thể xảy ra trong các bình chứa ammonia khan trong quá trình vận hành các hệ thống dựa theo Chu trình Kalina.

>> Các hệ thống phát điện theo chu trình Kalina trong các ứng dụng tận dụng nhiệt thừa (P3)

>> Các hệ thống phát điện theo chu trình Kalina trong các ứng dụng tận dụng nhiệt thừa (P2)

>> Các hệ thống phát điện theo chu trình Kalina trong các ứng dụng tận dụng nhiệt thừa (P1)

Theo bài dịch của Nguyễn Kim Lan - CCID

MD Mirolli, Recurrent Engineering LLC & TB Gibbons,

Consultant in materials technology

Theo Tạp chí Thông tin KHCN-Vicem