Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị, phụ tùng thay thế cho công nghiệp xi măng lò quay 1,4 triệu tấn/năm

Tài liệu tham khảo kỹ thuật công nghệ cơ khí Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị, phụ tùng thay thế cho công nghiệp xi măng lò quay 1,4 triệu tấn/năm

Danh sách những người thực hiện

tài

Trần Hồng Lam Trung tâm TBCN Thạc sỹ Tự động hoá Chủ nhiệm Nguyễn Vĩnh Kỳ GĐ Trung tâm KTMT Kỹ sư Chế tạo máy Thành viên Đỗ Trọng Bình PGĐ Trung tâm KTMT Kỹ sư Nhiệt Thành viên Lương Ngọc Phượng PGĐ Trung tâm KTMT Kỹ sư Tự động hoá Thành viên Trần Văn Sơn Trung tâm TBCN Kỹ sư Nhiệt Thành viên

Trần Kim Quế GĐ Trung tâm KM Kỹ sư Đo lường Thành viên Nguyễn Quý Bình GĐ Trung tâm CNC Kỹ sư Chế tạo máy Thành viên

Vũ Hoài Nam GĐ Trung tâm TBCN Kỹ sư Chế tạo máy Thành viên Dương Hồng Quân Trung tâm DAĐT Kỹ sư Chế tạo máy Thành viên

tóm tắt

1 Mục đích của đề tài:

Sản xuất xi măng phát sinh ra nhiều bụi nếu không thu hồi thì khi phát tán ra bên ngoài không những gây hiểm hoạ cho môi trường mà còn gây lãng phí Để giải quyết tình trạng này các nhà máy xi măng phải nhập các bộ lọc bụi tĩnh điện có giá thành rất cao làm tăng chi phí cho mỗi tấn sản phẩm.Vì vậy việc nghiên cứu, thiết kế thiết bị lọc bụi, đặc biệt là lọc bụi tĩnh điện, trong công nghiệp sản xuất xi măng để sản xuất trong nước là rất cần thiết Mục đích của đề tài là nhằm giải quyết vấn đề bức xúc đó

2 Phương pháp tiếp cận và thực hiện đề tài:

Trên cơ sở nghiên cứu các tài liệu về công nghệ lọc bụi tiên tiến trên thế giới, khảo sát thực tế việc lắp đặt, vận hành Lọc bụi tĩnh điện tại trên 7 công ty xi măng ở trong nước cũng như khảo sát kỹ khả năng thiết kế chế tạo lọc bụi tĩnh điện ở Việt nam, nhóm đề tài đã thực hiện các nội dung sau:

- Lập bảng thống kê so sánh các loại lọc bụi tĩnh điện, công nghệ và các đặc tính, thông số kỹ thuật của chúng Trên cơ sở đó phân tích kết cấu, công nghệ chế tạo và lắp ráp của các bộ phận chủ yếu như điện cực lắng, điện cực phóng, bộ rung gõ bụi và đặc biệt là bộ điều khiển

Đánh giá phân tích quy trình công nghệ và cấu tạo thiết bị

- Lựa chọn thông số kỹ thuật dự kiến thiết kế; Thu thập tiêu chuẩn thiết kế, phương pháp tính toán

- Tính toán và thiết kế kỹ thuật phần cơ khí và phần điện điều khiển - Phân tích khả năng và đề ra phương án chế tạo thiết bị trong nước

- Lập quy trình công nghệ chế tạo, kiểm tra chất lượng sản phẩm, quy trình lắp dựng và khảo nghiệm Đặc biệt các bộ phận chủ yếu (critical parts): các điện cực lắng, điện cực phóng, hệ rung gõ bụi theo công nghệ của hãng Lodge Cottrell

- Nhóm đề tài đã khảo nghiệm bộ điều khiển tự động do nhóm chế tạo tại hiện trường Công ty Xi măng Lạng Sơn

3 Kết quả: Kết quả khảo nghiệm cho thấy bộ điều khiển lọc bụi tĩnh điện do nhóm đề

tài thiết kế chế tạo đã đạt kết quả theo mục tiêu đề tài đã đề ra

4 Kết luận: Đề tài nghiên cứu có thể triển khai ứng dụng để thiết ké, chế tạo hệ thống

lọc bụi tĩnh điện cho các nhà máy xi măng ở trong nước thay thế các thiết bị hiện đang phải nhập ngoại

Lời mở đầu:

Trong những năm gần đây để đáp ứng cho chương trình phát triền hạ tầng của đất nước, nhiều nhà máy xi măng của các doanh nghiệp trong nước cũng như các liên doanh nước ngoài đã được xây dựng Tuy nhiên thiết bị của các dây chuyền công nghệ sản xuất xi măng cũng như lượng phụ tùng thay thế hàng năm rất lớn vẫn chủ yếu được nhập khẩu từ Nhật bản hoặc Châu Âu Thực hiện chủ trương nội địa hoá thiết bị, phụ tùng thay thế và tiến tới sản xuất thiết bị đồng bộ của nhà máy sản xuất xi măng của nhà nước, trong chương trình hợp tác nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ thuộc đề tài cấp Nhà nước mã số KC 06-07 CN ”Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị, phụ tùng thay thế cho công nghiệp xi măng lò quay 1,4 triệu tấn/năm “, Nhóm đề tài của Viện IMI đã tham gia Phần lọc bụi tĩnh điện Q= 1230 m3/phút

Qua quá trình điều tra, khảo sát, nghiên cứu lựa chọn công nghệ từ các thiết bị lọc bụi tĩnh điện tiên tiến của các nước G7, Liên Xô kết hợp với kinh nghiệm nghiên cứu thiết kế chế tạo lọc bụi tĩnh điện của đơn vị, nhóm đề tài đã lựa chọn được thông số kỹ thuật của thiết bị, tính toán, thiết kế kỹ thuật, lập quy trình chế tạo, khảo nghiệm Đồng thời chế tạo và khảo nghiệm bộ điều khiển tự động tại hiện trưòng nhà máy xi măng Đề tài là một bước khẳng định khả năng làm chủ công nghệ và hoàn toàn có thể chế tạo thiết bị lọc bụi tĩnh điện hiệu suất cao ở trong nước

Nhưng do đặc thù của quá trình công nghệ, công nghiệp sản xuất xi măng phát sinh rất nhiều nguồn bụi và khí thải gây ô nhiễm tiềm tàng cho môi trường

Do Luật môi trường ngày càng được áp dụng chặt chẽ đặc biệt đối với các dây chuyền mới, các nhà đầu tư đã trang bị các thiết bị xử lý bụi như Cyclon, lọc bụi ướt, lọc bụi túi và lọc bụi tĩnh điện để giảm ô nhiễm môi trường

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài là:

1 Điều tra khảo sát tình hình sử dụng lọc bụi tĩnh điện trong các nhà máy ximăng lò quay thu thập phân tích các thông số môi trường làm việc của lọc bụi tĩnh điện 2 Đánh giá phân tích quy trình công nghệ, cấu tạo để đưa ra các kiểu, chủng loại thiết

bị tiêu biểu

3 Thiết kế, lập quy trình chế tạo và khảo nghiệm thiết bị để sản xuất lọc bụi tĩnh điện Q = 1.230m3/ph cho nhà máy xi măng lò quay 1,4 triệu m3/năm

1.2 Một số hệ thống lọc bụi tĩnh điện Tại các nhà máy xi măng ở Việt Nam

1.2.1 Lọc bụi tĩnh điện tại Công ty xi măng Bỉm Sơn

Công ty xi măng Bỉm Sơn sau khi hoàn thành công tác cải tạo hiện đại hoá dây chuyền II sẽ có 4 máy nghiền ximăng, cụ thể là: Ba máy nghiền xi măng số I, II, III làm việc theo chu trình hở do Liên Xô thiết kế, chế tạo và lắp đặt từ năm 1980 Công suất thiết kế mỗi máy là 65 tấn/h Ximăng sản phẩm sau mỗi máy nghiền được vận chuyển lên các silô tồn trữ bằng các thiết bị bơm buồng Bụi trong khí thải của mỗi máy nghiền được xử lý bằng các lọc bụi tĩnh điện riêng biệt Bụi thu được từ lọc bụi tĩnh điện được xả trực tiếp vào buồng chứa bột của bơm buồng tương ứng

Máy nghiền ximăng số 1 có kích thước φ 4 x 13,5 công suất động cơ 3.150kw, làm việc theo chu trình hở với năng suất thiết kế 65 tấn/h Sản phẩm sau khi nghiền được thu hồi và vận chuyển tới silô ximăng bằng hệ thống bơm buồng năng suất 80 tấn/h

Bụi sau máy nghiền được xử lý bằng lọc bụi tĩnh điện có lưu lượng lọc 55.000m3/h, diện tích lọc 945m2

- Tình trạng: Lọc bụi tĩnh điện này vẫn hoạt động theo thiết kế

Tuy nhiên lọc bụi này cũng không được sử dụng lại sau cải tạo, vì lý do sau:

- Nồng độ bụi ra theo thiết kế từ 200 ữ 250 mg/Nm3, vượt quá yêu cầu của Luật định ( 100mg/ Nm3) (tiêu chuẩn khí thải công nghiệp về nồng độ bụi TCVN 5939-1995)

- Lưu lượng lọc không đáp ứng yêu cầu sau cải tạo là: 90.000m3/h

Các số liệu chi tiết về hệ thống lọc bụi tĩnh điện của máy nghiền số 1 của nhà máy xi măng Bỉm Sơn như sau :

- Lưu lượng: 1.500m3/ph - Diện tích lọc: 1.650 m2- Tổn thất áp suất 2 mbar - Nhiệt độ làm việc: 800C - Động cơ:

+ Vít tải: 5,5 kw + Kín khí: 2,2 kw

- Quạt lọc bụi:

+ Lưu lượng: 1.500 m3/ph + áp lực: 200mm H2O + Động cơ: 160 kw

1.2.2 Lọc bụi tĩnh điện tại Công ty xi măng Hà Tiên 2

- Xử lý bụi trong khí thải lò quay hệ ướt - Lọc bụi tĩnh điện:

+ Lưu lượng: 136.000 m3/h + Nồng độ bụi đầu vào: 25g/m3+ Nồng độ bụi đầu ra: 100 mg/ Nm3+ Nhiệt độ vận hành: 2500C; max 3500C

+ áp suất làm việc: 200 mm H2O, max 250 mm H2O + Quạt IDF

Lưu lượng: 150.000 m3/h áp suất: 300 mm H2O Công suất: 170 kw Tốc độ: 780v/ph

1.2.3 Lọc bụi tĩnh điện tại Công ty Xi măng Bút Sơn

1.2.3.1 Lọc bụi tĩnh điện cho Máy nghiền than

Số liệu quá trình Lưu lượng khí thải Nm3/h m3/h 79.000/ 107300

Nồng độ bụi ra (max 50) mg/Nm3 dry 30

Số liệu quá trình Lưu lượng khí thải Nm3/h m3/h 82.950/ 113.000

Nồng độ bụi g/ Nm3 Max 75Nồng độ bụi ra (max 50) mg/Nm3 dry 50

V di chuyển dòng DN/TK cm/s 7,65/ 7,79Thông số chung Nguồn gốc xuất xứ LODGE COTRELL/FLS

1.2.3.2 Lọc bụi tĩnh điện cho Máy nghiền xi măng

Nồng độ bụi ra (max 50) mg/Nm3 dry 50

1.2.4 Các hệ thống lọc bụi điện của các dự án xi măng

Công ty xi măng và

LBĐ sử dụng Lưu lượng m3/h

Diện tích lọc

m2/

Số trường

điện

Số trường

cơ

Nồng độ bụi vào (g/Nm3)

Nồng độ bụi ra (mg/Nm3)

Điện áp làm việc

Kv

Tốc độ lắng (m/s)

Nhiệt chịu đựng (0C/2h)

Quạt EP (Kw)

Chương 2

Tổng quan về bụi và lọc bụi tĩnh điện

2.1 Những tính chất cơ bản của bụi 2.1.1 Khối lượng riêng

Khối lượng riêng được chia làm 3 khái niệm: khối lượng riêng thật, khối lượng riêng xếp đống và khối lượng riêng cảm nhận

Khối lượng riêng thật là khối lượng riêng của các hạt bụi xếp sát vào nhau, không có khe hở, còn khối lượng riêng xếp đống là khối lượng riêng của các hạt bụi có tính đến các khe hở giữa chúng Khi bụi bị bám dính, khối lượng riêng xếp đống tăng từ 1,2 - 1,5 lần

2.1.2 Phân loại hạt theo kích thước

Kích thước hạt bụi là một thông số cơ bản để xác định thiết bị thu bụi Bụi được phân loại theo kích thước tính bằng micromet (àm) và từng nhóm kích thước bằng phần trăm (%)

2.1.4 Khả năng gây mài mòn của bụi

Phải tính đến sự gây mài mòn do bụi khi chọn vận tốc dòng khí chứa bụi, độ dày của thành thiết bị và vật liệu phủ bề mặt thiết bị

2.1.5 Khả năng hút ẩm và hoà tan của bụi

Xác định bởi thành phần hoá học và kích thước, hình dạng, độ nhẵn bề mặt của hạt bụi

2.1.6 Điện trở suất của lớp bụi

Là yếu tố ảnh hưởng lớn đến hoạt động của lọc bụi tĩnh điện Được chia ra làm 3 nhóm vật liệu theo điện trở suất:

- Nhóm I: ρ < 104Ω.cm Khi lắng vào các điện cực, các hạt bụi bị mất điện tích ngay nên có thể bị cuốn đi lần nữa theo khí

- Nhóm II: ρ = 104 ữ 1010Ω.cm Lọc bụi tĩnh điện khử tốt nhất, vì lắng vào điện cực, các hạt không bị mất tĩnh điện ngay nên có đủ thời gian tạo thành lớp

- Nhóm III: ρ ≥ 10 ữ 13 Ω.cm Lọc bụi tĩnh điện khử rất khó Bụi thuộc nhóm này

khi lắng vào điện cực sẽ tạo thành lớp bụi xốp cách điện Khi cường độ điện trường tăng lên đến giá trị tới hạn nào đó sẽ xảy ra phóng điện qua lớp bụi xốp để tạo thành rãnh nhỏ chứa đầy các ion dương Tiếp theo sẽ là hiện tượng phóng điện vầng quang ngược làm giảm hiệu suất của lọc bụi tĩnh điện

2.2 Đặc tính điện của một số khoáng chất

Bảng thông số về đặc tính dẫn điện của một số loại vật liệu và khoáng chất như dưới đây

Tên khoáng Công thức hoá học

Canxit CaCO3 1011 ữ 1016 Không dẫn điện

Thạch anh SiO2 1016 ữ 1021 Không dẫn điện

Mônaxit 1014 Không dẫn điện

Lọc bụi tĩnh điện cho lò nung

Lọc bụi tĩnh điện cho máy nghiền liệu Lọc bụi tĩnh điện cho máy nghiền xi măng

Đối với các thành phần bụi khác nhau, có tính chất lý hoá và đặc biệt là điện trở suất khác nhau, thì ảnh hưởng của chúng đến chế độ làm việc và hiệu suất của lọc bụi tĩnh điện cũng khác nhau

Đối với các máy nghiền liệu (xỉ lò cao, đất sét, đá vôi, thạch cao hay các phụ gia khác) hoặc than, do liệu hay than ở đầu vào còn có ẩm nên trong quá trình nghiền phải hút thêm không khí để làm thoát hơi ẩm của vật liệu Bụi liệu hoặc than có trong khí thải vào lọc bụi tĩnh điện đều nằm trong khoảng điện trở suất thích hợp cho lọc bụi tĩnh điện làm việc ổn định:

Đối với lò sấy tang quay để sấy than hoặc vật liệu, nhiệt độ khí thải cao hơn 1000C nhưng thường phải cao hơn nhiệt độ đọng sương 40 – 500C:

- Nhiệt độ khí thải: từ 100 - đến 1500C - Điện trở suất:107 - đến 108 Ω m Đối với lò quay công nghệ ướt:

- Nhiệt độ khí thải: từ 160 - đến 2500C tuỳ theo chiều dài của lò - Điện trở suất:1,4.107 - đến 3.109 Ω m

Các quá trình công nghệ trong nhà máy sản xuất xi măng như nghiền, phân ly, sấy, nung, tải liệu đều gồm các loại chất liệu có chứa các chất rắn bay theo (bụi) - Kích thước các hạt bụi (đường kính quy đổi) trung bình : ở quá trình nghiền 7 ữ 10

Kích thước

bụi (àm) 0ữ10 10ữ20 20ữ30 30ữ40 40ữ60 60ữ90 90ữ200 ữ200Kiểu thường 30,2 19,9 19,8 13,6 7,4 7,6 1,3 0,03

Kiểu hầm 60,6 15,7 11,8 3,6 7,5 0,8 - -

Thực tế đã xác định, hoạt động (sự làm việc của lọc bụi tĩnh điện để làm sạch khí thải cho các máy nghiền xi măng rất khó khăn vì điện trở suất của bụi cao, độ bám dính lớn gây trở ngại cho rung gõ các điện cực Vì thế dòng điện trong trường có thể chỉ đạt 10 ữ 15mA, còn hiệu suất lọc bụi chỉ đạt 85 ữ 95%

Người ta thí nghiệm để giảm điện trở suất của bụi bằng cách bổ sung nước vào khí thải nhưng không đem lại kết quả khả quan

Tăng chế độ điện của lọc bụi tĩnh điện để nâng hiệu quả làm việc của chúng đã có kết quả tốt khi thay đổi các điện cực phóng dạng phẳng bằng các điện cực phóng dạng gai

- Nồng độ bụi: Vào lọc bụi tĩnh điện: 60 ữ 350 g/Nm3 Ra 0,1 g/Nm3 - Nhiệt độ: 70 ữ 850C

- Tiêu hao điện năng cho 1.000m3 khí trong 1 giờ:

* Cho lọc bụi tĩnh điện: 0,33 Kwh

Bụi trong đường ống từ máy nghiền ximăng vào lọc bụi tĩnh điện đã được đo đạc và phân tích: khối lượng riêng ρ = 2,49 T/m3.; nồng độ bụi = 40 ữ 45 g/m3 và phân loại như sau:

Kích thước (àm)

Min

0 ữ 5 5 ữ 10 10 ữ 20 20 ữ 40 40 ữ 60 >60

Tỉ lệ % 7,60 9,02 23,10 22,60 15,14 18,54 Vận tốc phát tán (cm/s) 0,193 0,773 3,08 10,5 23,2 -

Cỡ hạt bụi của các thiết bị nhà máy xi măng

Số lượng % theo khối lượng cỡ hạt (àm) Tên thiết bị

0-10 10-20 20-30 30-40 40-60 60-90

90-200 >200Lò quay chiều dài trên

100m sản xuất theo phương pháp ướt

18-50 18-33 5-22 3-12 12-17 2-12 2-6 1,8 Lò quay chiều dài với

0,1-chiều dài nhỏ hơn 100m 20-30 23-32 17-23 6-14 5-14 2-7 2-4 0,1-

0,2 Lò quay làm việc theo p.p

0,5

0,5 Lò quay có đặc 28-37 16-19 14-17 9-10 3-8 12-13 5-11 0,3-0,5 Lò quay với bộ trao đổi

Trên 40àm tới 3%

2.3.2 Tính chất của khí thải trong nhà máy xi măng

Ngoài điện trở suất của bụi thì một số đặc tính khác của khí thải như: nhiệt độ, độ ẩm, tỷ trọng, thành phần hoá học (kể cả các tạp chất khối lượng nhỏ nhưng có ảnh hưởng đến quá trình như SO3) cũng có ảnh hưởng lớn đến quá trình lọc bụi tĩnh điện

ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm của khí cần làm sạch đến hiệu quả lọc bụi được xác định bằng sự liên quan của các yếu tố này tới điện áp tới hạn và điện trở suất của lớp bụi

Điện áp tới hạn tăng lên theo sự tăng của tỷ trọng khí Bởi vậy khi nhiệt độ hạ xuống, tỷ trọng khí lớn lên và điện áp tới hạn cũng tăng theo, đảm bảo hoạt động ổn định của lọc bụi tĩnh điện ở điện áp cao Còn hơi nước có trong thành phần của khí cũng làm tăng điện áp tới hạn và như thế sẽ làm tăng hiệu quả lọc bụi

Điện trở suất của lớp bụi thường giảm khi nhiệt độ tăng lên, nên trong một số trường hợp, để giảm điện trở suất của lớp bụi xuống dưới mức tương ứng với điện áp cực quang ngược, chỉ cần lọc bụi ở nhiệt độ cao hơn

Đối với các vật liệu có điện trở suất cao, hiệu suất lọc bụi tĩnh điện cao trong khoảng nhiệt độ thấp gần với nhiệt độ đọng sương và trong khoảng nhiệt độ tương đối cao để điện trở suất của lớp bụi nhỏ Trong khí thải đi vào lọc bụi tĩnh điện nếu có một lượng thành phần SO3 , NH3 … sẽ có ảnh hưởng tích cực đến hiệu suất lọc bụi Bởi vì lớp bụi sẽ có điện trở suất nhỏ hơn khi hấp phụ các khí này, đặc biệt khi nhiệt độ dòng khí gần với nhiệt độ đọng sương (trong các lọc bụi tĩnh điện cho các lò sấy)

Cỡ hạt bụi chung của các khí thải Kích thước hạt ( àm ) Tỷ lệ % so với khối lượng chung

2.4 Phân loại lọc bụi tĩnh điện

Lọc bụi tĩnh điện ngày nay được sử dụng rộng rãi để lọc các chất rắn và lỏng vì tính đa năng và hiệu suất cao Hiệu suất lọc bụi tĩnh điện có thể tới hơn 99,9% và lọc được các hạt bụi siêu nhỏ từ nồng độ bụi ban đầu tới hơn 50g/m3

Lọc bụi tĩnh điện được sử dụng trong vùng nhiệt độ tới 4500C, dưới tác dụng của môi trường ăn mòn, với áp suất dương hoặc chân không (áp suất âm)

Lọc bụi tĩnh điện có ưu điểm lớn là chi phí vận hành thấp, trở lực nhỏ (không lớn hơn 250Pa) nên tiêu hao năng lượng lọc cho 1.000m3 khí chỉ bằng 0,1 ữ 0,5 Kwh

Nhưng lọc bụi cũng cần có vốn đầu tư lớn, suất đầu tư cho các bộ lọc bụi tĩnh điện với năng suất càng nhỏ lại càng lớn và ngược lại

Lọc bụi tĩnh điện có nhược điểm là hiệu quả sẽ thấp khi dùng để khử bụi có điện trở suất quá cao; không sử dụng được cho những loại khí tạo thành hợp chất nổ nguy hiểm; và cần có chế độ làm việc, lắp đặt, căn chỉnh rất nghiêm ngặt

Lọc bụi tĩnh điện được chia làm hai loại: Lọc bụi tĩnh điện khô và lọc bụi tĩnh điện ướt

i Lọc bụi tĩnh điện ướt: lọc bụi tĩnh điện ướt dùng để khử bụi dạng vật

liệu rắn và được rửa khỏi bề mặt lắng bằng nước Nhiệt độ của dòng khí chứa bụi cần bằng hoặc xấp xỉ nhiệt độ đọng sương của nó khi vào lọc bụi tĩnh điện Ngoài ra lọc bụi ướt được sử dụng để thu các hạt lỏng dạng sương hoặc giọt ẩm từ dòng khí Trong các trường hợp này có thể không cần đến việc rửa bề mặt lắng mà các hạt dạng lỏng tự tích tụ và chảy xuống dưới

ii Lọc bụi tĩnh điện khô: Lọc bụi tĩnh điện khô thường dùng để khử các

bụi dạng rắn và được tách ra khỏi điện cực lắng bằng cách rung gõ Dòng khí vào lọc bụi tĩnh điện khô phải có nhiệt độ cao hơn hẳn điểm đọng sương để tránh đọng nước trên bề mặt lắng và tránh ôxy hoá cho các điện cực

Dòng khí vào vùng tích cực của lọc bụi tĩnh điện có thể theo chiều ngang hoặc chiều đứng vì thế lọc bụi tĩnh điện được chia ra làm: Lọc bụi tĩnh điện ngang và lọc bụi tĩnh điện đứng Lọc bụi tĩnh điện có thể có nhiều trường để đảm bảo tính hiệu quả làm việc của nó