đồ án nhập môn kỹ thuật hóa học đề tài quy trình sản xuất xi măng

Với chủ đề “Quy trình sản xuất xi măng” chúng ta sẽ hiểu thêm vềthành phần, chất lượng của xi măng dùng trong xây dựng mà hằngngày chúng ta sử dụng.... Clinker có dạng cục sỏi nhỏ , kích

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN NHẬP MÔN

Kỹ Thuật Hóa Học Tên đề tài: Quy trình sản xuất xi măng

Nhóm chuyên môn: Máy Hóa

HÀ NỘI, 1- 2024

LỜI MỞ ĐẦU

Công cuộc đô thị hóa và hiện đại hóa trong xã hội hiện nay ngàycàng tăng nhanh Các thành phố lớn của Việt Nam đang trong quátrình phát triển dẫn đến cơ sở hạ tầng về nhà cửa, kho hàng, bãi bếnngày càng được chú trọng để hòa nhập với cộng đồng quốc tế

Để có thể đáp ứng được nhu cầu của tầng lớp nhân dân trong sựphát triển thì ngành công nghiệp xi măng rất được chú trọng, vìngành công nghiệp xi măng còn được coi là ngành xây dựng cơ bản

Ở nước ta, nền kinh tế và khoa học kỹ thuật đang trên đà phát triểnphù hợp với sự phát triển chung của khu vực, với chính sách mở củaĐảng và Nhà nước Đất nước ta đang thu hút vốn đầu tư nước ngoàingày càng nhiều, trong đó phải kể đến đầu tư vào công nghệ sảnxuất xi măng trong những năm gần đây

Với chủ đề “Quy trình sản xuất xi măng” chúng ta sẽ hiểu thêm vềthành phần, chất lượng của xi măng dùng trong xây dựng mà hằngngày chúng ta sử dụng

MỤC LỤC

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VÀ NHU CẦU VỀ SẢN PHẨM 3

1 Tính chất hóa học 3

2 Tính chất vật lý 3

3 Ứng dụng của sản phẩm 4

4 Sản xuất 4

5.Nhu cầu tiêu thụ xi măng ở Việt Nam và trên thế giới 4

CHƯƠNG II: NGUYÊN LIỆU VÀ NHIÊN LIỆU TRONG SẢN XUẤT XI MĂNG 4

1 Nguyên liệu 4

1.1 Clinker 4

1.2 Thạch cao 8

1.3 Đá vôi 9

1.4 Đất sét 9

1.5 Phụ gia (Pouzzolane) 9

2 Nhiên liệu để nung clinker xi măng 10

2.1 Nhiên liệu rắn 11

2.2 Nhiên liệu lỏng 11

2.3 Nhiên liệu khí 12

CHƯƠNG III: QUY TRÌNH SẢN XUẤT XI MĂNG 12

1 Sơ đồ khối và sơ đồ quy trình công nghệ 12

2 Thuyết minh quy trình sản xuất xi măng 13

CHƯƠNG IV: CÁC THIẾT BỊ CHÍNH TRONG QUÁ TRÌNH SẢN

XUẤT XI MĂNG 16

1 Máy nghiền và làm mềm nguyên liệu 16

2 Lò nung xi măng 18

3 Làm lạnh và xử lí Clinker 18

4 Hệ thống đóng gói và vận chuyển 19

CHƯƠNG V: ẢNH HƯỞNG ĐẾN MÔI TRƯỜNG 20

KẾT LUẬN 21

PHỤ LỤC 21

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VÀ NHU CẦU VỀ SẢN PHẨM

Xi măng là một vật liệu xây dựng quan trọng được sử dụng rộng rãi trong xây dựng và xây lắp Dưới đây là một số tính chất cơ bản của

xi măng:

l1 Tính chất hóa học

Xi măng thường là hỗn hợp của các chất khoáng, chủ yếu là silicat canxi, alumina, sắt và các thành phần khác như silicat nhôm

và silicat sắt.l

2 Tính chất vật lý

*Tính chất cứng, chịu lực:

- Xi măng khi hoàn toàn đông cứng trở thành một vật liệu rất cứng, chịu được áp lực lớn, thích hợp để sử dụng trong việc xây dựng cơ bản như móng, trụ cột

*Tính chất kết dính và gắn kết:

- Khi pha trộn với nước, xi măng tạo ra một chất keo mạnh, gắn kết các hạt cát và sỏi lại với nhau để tạo thành vật liệu xây dựng cứng

và chắc chắn 3 *Tính chất chịu nước:

- Xi măng có khả năng chịu nước tốt sau khi đã hoàn toàn đông cứng Tuy nhiên, quá trình đông cứng cần phải diễn ra trong điều kiện đủ nước để đạt được độ cứng và chịu lực tốt nhất

*Tính chất đàn hồi và co giãn:

- Xi măng đông cứng sau một thời gian có thể có tính chất đàn hồi

và một chút khả năng co giãn, tuy nhiên, đây không phải là tính chấtchính của nó

*Tính chất chịu nhiệt và chống cháy:

- Xi măng có khả năng chịu nhiệt tương đối tốt, thường được sử dụngtrong việc xây dựng các công trình cần độ bền vững cao trước nhiệt

độ cao như lò nung, lò sưởi

3 Ứng dụng của sản phẩm

Được sử dụng rộng rãi trong xây dựng, xi măng là thành phầnchính để sản xuất bê tông, từ nhà ở đến công trình công nghiệp lớn.lTình hình sản xuất và thị trường tiêu thụl

4 Sản xuất

Nhiều quốc gia trên thế giới sản xuất xi măng, với các nhà máy

xi măng phân bố khắp nơi.l

5.Nhu cầu tiêu thụ xi măng ở Việt Nam và trên thế giới

Thị trường xi măng trong nước và quốc tế luôn duy trì sự cạnhtranh cao Nhu cầu sử dụng xi măng liên quan mật thiết đến việc xâydựng, vì vậy thị trường này thường ổn định nhưng cũng chịu ảnhhưởng từ biến động kinh tế và phát triển công nghiệp của mỗi quốcgia.lTheo Hiệp hội Xi măng Việt Nam, dự kiến tiêu thụ xi măng toànngành trong năm 2023 đạtlkhoảng 100 triệu tấn, trong đó tiêu thụnội địa ở mức 62 - 65 triệu tấn và xuất khẩu đạt 30 - 33 triệu tấn

Năm 2010, Việt Nam lần đầu tiên tự cung cấp đủ clinker, xi măngphục vụ đủ nhu cầu xây dựng nội địa và bắt đầu dành một phần sảnlượng xi măng, clinker để xuất khẩu, hình thành những nhà máy sảnxuất xi măng quy mô lớn với công nghệ tiên tiến, làm tăng khả năngcạnh tranh trong khu vực và trên thế giới Đến năm 2021, năng lựcsản xuất đạt 106,2 triệu tấn xi măng, năm 2023 năng lực thiết kế đạt112,5 triệu tấn, thậm chí thực tế có thể sản xuất trên 125 triệu tấn.

CHƯƠNG II: NGUYÊN LIỆU VÀ NHIÊN LIỆU TRONG SẢN XUẤT XI MĂNG

1 Nguyên liệu

1.1 Clinker

Clinker là thành phần chính của xi măng Clinker lần đầu tiên đượcsản xuất trong lò nung với khí lên đến 2.000°C, làm nóng các nguyênliệu thô như đá vôi (canxi cacbonat) với một lượng nhỏ các vật liệukhác (ví dụ đất sét) đến 1.450°C Trong quá trình này, được gọi làquá trình nung,lcanxi cacbonat (đá vôi) được chuyển hoá thành canxioxitl(vôi), sau đó phản ứng với các thành phần khác từ nguyên liệuthô để tạo thành khoáng chất mới, được gọi chung là clinker Vật liệugần nóng chảy này được làm lạnh nhanh chóng đến nhiệt độ 100 -200°C Clinker có dạng cục sỏi nhỏ , kích thước 10-50mm

a; Thành phần hóa học

Thành phần phối liệu sản xuất ra clinker bao gồm 4 oxit: CaO, SiO2,Al2O3, Fe2O3

- Oxit canxi do nhóm nguyên liệu cacnonat canxi cung cấp

- Oxit SiO , Al2 2O3, Fe2O3 nằm trong các khoáng sét do đất sét cungcấp

- Ngoài ra còn có một số các oxide khác ở hàm lượng nhỏ: MgO,

Na2O, K O (hàm lượng MgO ≤ 5%, tổng hàm lượng kiềm không vượt2quá 2%), các loại nguyên liệu để làm xi măng đá vôi chuyên dùng,đất sét, vỏ sò nhưng vì tài nguyên này ít nên ít dùng

- Thành phần tổng quát của clinker:

CaO = 62-68%

SiO = 21-24%2

Al2O3 =4-8%

Fe2O3=2-5%

1) CaO (Canxi oxit)

- CaO (vôi sống) là một chất có dạng tinh thể rắn dạng bột hoặcvón cục màu trắng.llà một chất ăn da và có tính kiềm

- Sản xuất CaO:

+ Nguyên liệu chủ yếu: đá vôi trong tự nhiên hay các nguồn canxicacbonat (CaCO ) nguồn gốc sinh vật như san hô, vỏ các loài3nhuyễn thể,…

+ Ở nhiệt độ cao, từ khoảng 500 C đã bắt đầu xảy ra quá trình0phân hủy nhiệt của CaCO3và quá trình phân hủy xảy ra ào ạt ởnhiệt độ khoảng 900 đến 10000C

CaCO3l→ CaO + CO22) SiO (Silic Dioxit)2

- Còn gọi là Silica, độ cứng cao, có hai dạng cấu trúc là dạng tinh thể

và vô định hình Silica được tìm thấy phổ biến trong tự nhiên ởdạnglcátlhaylthạch anh

- Dù silica phổ biến trong tự nhiên nhưng người ta cũng có thể tổng hợp được theo nhiều cách khác nhau:

Bằng cách cho silic phản ứng với oxy ở nhiệt độ cao

Sil l+lO(r) 2(k) → SiO2(r)Phương pháp phun khói (thủy phân silic halogel ở nhiệt độ cao với oxy và Hydro)

2H2+ O l+ SiCl l→ SiO l+ 4HCl2 4 2Phương pháp kết tủa (Cho thủy tinh lỏng phản ứng với 1 acid(vô cơ))

Na SiO2 3l+ H l→ 2Na l+ SiO l+ H O + + 2 2Phương pháp sol-gel

Si (OR) l+ 2H O → SiO + 4ROH4 2 2

Nhiệt phân Al (OH) : lllllllllllll3

2Al (OH)3l→lAl O 2 3l+ 3H O24) Fe2O3 (Sắt (III) oxit)

- Là chất rắn, nâu đỏ, không tan trong nước có thể được lấy từ đấtsét

- Điều chế:

Nung Fe trong không khí đến phản ứng hoàn toàn (oxi dư)

Fe + O2(dư) Fe2O3Nhiệt phân quặng pirit (FeS )2

4FeS2l+ 11O2 →2Fe2O3l+ 8SO ↑ 2b; Các khoáng chính trong Clinker

- 4 oxit chính trong phối liệu khi nung đến 1450°C sẽ phản ứng vớinhau tạo thành 4 khoáng chính trong clinker lC3S (3CaO.SiO2);C2S(2CaO.SiO2); C3A (3CaO.Al2O3); C4AF (4CaO.Al2O Fe3 2O3)

- Các thành phần khoáng chính trong Clinker xi măng

1) Alit (C3S)

- Là khoáng silicat quan trọng, chiếm 45 - 60% trong clinker

- Công thức hóa 3CaO.SiO , và một lượng - nhỏ các oxit như MgO, 2

Al O2 3, …2 – 4%

- Bền trong khoảng từ 1200℃ – 1900℃, dưới 1200℃ alit bị phân hủy thành C2S, chảy lỏng ở 1900℃ Alit tạo cho xi măng cường độ cao, tốc độ đóng rắn nhanh

2) Belit: (C2S)

- Chiếm từ (20 – 30)% hàm lượng clinker

- Công thức hóa: 2CaO.SiO và lượng nhỏ từ (1 – 3) % các oxit như2

Al O2 3, Fe2O3,

- Belit có 4 dạng thù hình: α, α’, β, ɣ Độ bền và khả năng kết dính giảm dần từ α đến ɣ

- Belit đóng rắn tương đối chậm, cường độ tăng dần, tỏa ít nhiệt, bền trong môi trường nước

- Công thức hóa: 4CaO.Al2O3.Fe2O3

- Celit đóng rắn tương đối chậm, cường độ thấp, nhưng bền trong nước và môi trường sunphat

* Aluminat canxi: C3A

- Chiếm khoảng 5 – 15%

- Công thức hóa: 3CaO Al2O3, ngoài ra còn một số oxit khác C3A đóng rắn nhanh, kém bền trong nước và nước khoáng

* Thủy tinh clinker:

- Tạo thành trong quá trình làm lạnh

- Hàm lượng 5 – 10%, phụ thuộc vào tốc độ làm lạnh

4.Các khoáng chứa kiềm Công thức hóa: K2O.23CaO.12SiO2 (gốc C2S) và Na2O.8CaO.3Al2O3 (gốc C3A)

Sự hình thành các khoáng chứa kiềm này không có lợi vì làm tốc độ đóng rắn không ổn định, làm giảm hàm lượng silicat trong các khoáng

5 Một số khoáng khác:

- Oxit canxi tự do hàm lượng cho phép 0,5 – 1%

- Oxit magie tự do hàm lượng lớn hơn 3%

- Những khoáng trên nếu hàm lượng quá nhiều sẽ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm

Các khoáng chất này có cấu trúc tinh thể khác nhau và quyết địnhđến tính chất của clinker Chất lượng của clinker sẽ quyết định tính chất của xi măng

1.2 Thạch cao

- Là khoáng vật trầm tích hay phong hóa rất mềm, với thành phần làmuối canxi sunfat ngậm 2 phân tử nước (CaSO 2H4 2O), trọng lượngkhá nhẹ

- Thạch cao được tìm thấy trong đá vôi, chúng có mặt ở hầu hết mọinơi trên Trái Đất, không bị phân hủy mà chỉ có phản ứng loại bỏ nước

- Đây là dạng muối vô cơ trung tính và không gây hại cho sức khỏecon người, có khả năng chống cháy tự nhiên

- Vai trò đối với xi măng:

Mục đích chính của việc thêm thạch cao vào xi măng là làm chậmquá trình hydrat hóa của xi măng khi được trộn với nước Khi thêmnước vào xi măng, xảy ra phản ứng với canxi aluminat và cứng lại.Thời gian diễn ra quá trình này rất ngắn nên không cho phép diễn ranhiều hoạt động như vận chuyển, trộn và đổ

- Ảnh hưởng đối với xi măng:

1 Thạch cao ngăn cản quá trình đóng rắn của xi măng trong quá trình sản xuất

2 Nó làm chậm thời gian đông kết của xi măng

3 Cho phép thời gian làm việc lâu hơn để trộn, vận chuyển và đặt

4 Khi trộn nước với xi măng, Aluminat và sunfat sẽ phản ứng

và tạo ra một số nhiệt nhưng thạch cao đóng vai trò là chất làm mát và làm giảm nhiệt của quá trình hydrat hóa

5 Xi măng thạch cao có cường độ và độ cứng lớn hơn đáng kể khi so sánh với xi măng không thạch cao

6 Lượng nước cần thiết trong xi măng gốc thạch cao cho quá trình thủy hóa là ít hơn

đá mácma cũng như đất sét, bùn, cát, bitum nên nó có màu sắc từ trắng đến màu tro, xanh nhạt, vàng và cả màu hồng sẫm, màu đen

- Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6072:2013, đá vôi sử dụng làmnguyên liệu phải thỏa mãn hàm lượng CaCO 85%, MgCO3 3 7%.

- Tác dụng của đá vôi trong nghiền xi măng:

Tạo độ dẻo cho hồ xi măng Cường độ ban đầu khi đóng rắnTăng hiệu xuất kinh tế vì giá thành thấp

Tuy nhiên làm giảm cường độ của ximăng vì bản chất đá vôikhông tạo cường độ cho xi măng

sử dụng làm nguyên liệu sản xuất xi măng phải có các hàm lượngoxit nằm trong khoảng: SiO2 = 55-70%, Al2O3 10-24 Fe2O3 4-10% Ởnước ta đất sét phân bố khắp nơi, có trữ lượng lớn, ngoài ra ở một sốnơi cònsử dụng đất sét ruộng hoặc đất phù sa Những loại đất nàythường có hàm lượng SiO thấp, hàm lượng Al2 2O3 cao hơn tuy nhiên

có thể sử dụng phụ gia để bổ sung

chất kiềm, lưu huỳnh, các clorua, các florua, …

- Phụ gia cao silic: là loại phụ gia có chứa nhiều oxit silic, được sử dụng để

điều chỉnh modul silicat trong trường hợp nguồn đất sét có hàm lương SiO2

thấp Các phụ gia cao silic thường sử dụng là đất đá có chứa hàm lượng

xỉ pirit chứa 55-68% Fe2O3, quặng sắt chứa 65-68% Fe2O3…

- Phụ gia cao nhôm: được sử dụng để điều chỉnh modul aluminat trong

trường hợp nguồn đất sét chứa quá ít Al2O3 Phụ gia cao nhôm hay

nhằm làm giảm nhiệt độ phân hủy nguyên liệu ban đầu thành các oxit có

hoạt tính cao Phụ gia khoáng hóa thường được sử dụng phổ biến nhất hiện

nay là hợp chất của florua như CaF tinh khiết hay khoáng thiên 2nhiên, các

phế thải công nghiệp phân phối phát dưới dạng photpho thạch cao, thạch

cao thiên nhiên hay cao nung…

- Ngoài ra để sản xuất các loại xi măng khác nhau, người ta trộn clinker với

một số phụ gia hoạt tính thiên nhiên hay nhân tạo như: xỉ lò cao, quặng màu

thiên nhiên, … hàm lượng của các loại phụ gia này tùy thuộc vào yêucầu và

loại xi măng

*Ảnh hưởng đến chất lượng :

- Cường độ xi măng ban đầu phát triển chậm

- Cường độ sau phát triển cao , bền trong môi trường thủy hóa

- Sử dụng nhằm tăng khả năng bền nước và hạ giá thành

2 Nhiên liệu để nung clinker xi măng

- Chất lượng nhiên liệu ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình nung, vì vậy phải lựa

chọn nhiên liệu đảm bảo đáp ứng được nhu cầu luyện clinker

- Nhiên liệu trong các nhà máy xi măng dùng để:

Vận hành lò: đối với phương pháp khô là 83%, phương pháp ướt là 96%

Sấy nguyên liệu: đối với phương pháp khô là 11%, phương pháp ướt là 1%

- Trong công nghiệp sản xuất xi măng, nhiên liệu được sử dụng ở ba dạng: rắn,

lỏng, khí

măng đặc biệt là than khai thác ở vùng mỏ Hòn Gai – Quảng Ninh.

Bảng đặc trưng của các loại than dùng nung clinker

Loại than Độ tro A (%) Chất bốc V (%) QH (Kcal/kg)

cacbon, 5 – 10% hydro, có nhiệt lượng cao, không có tro Tuy nhiên cần phải

có thiết bị đốt, hầm sấy và bộ lọc dầu vì vậy ở Việt Nam ít dùng loại nhiên liệu

nên nhiên liệu loại này ít được dùng

- Dùng khí thiên nhiên rất sạch, dễ điều chỉnh, không có tro, dùng đểsản xuất xi măng trắng rất tốt Sử dụng không phải gia công

CHƯƠNG III: QUY TRÌNH SẢN XUẤT XI MĂNG

1 Sơ đồ khối và sơ đồ quy trình công nghệ

Hình 1.1 Sơ đồ khối quy trình sản xuất xi măng

Hình 1.2 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất xi măng

2 Thuyết minh quy trình sản xuất xi măng

Gồm 6 giai đoạn:

1, Giai đoạn 1: Tách chiết nguyên liệu thôl

ll Sản xuất xi măng các nguyên liệu thô: Canxi, silic, sắt và nhôm.Những thành phần này lấy trong đá vôi, đất sét và cát Xi măng có tỉ

lệ đất sét và cát với tỉ lệ nhỏ, nhưng vẫn đáp ứng đủ nhu cầu sắt,silic và nhôm.l

l Cho đá vôi vào cối đập (1) để nghiền nhỏ sau đó chuyển vào máyrải liệu (2) Máy rải liệu thường được tích hợp với các hệ thống điện

để điều khiển tự động tần số rung và động cơ rung cho phép điềuchỉnh lực rung, để rải liệu chất thành đống trong kho ( đồng nhất sơbộ) Tương tự, đối với đất sét, quặng sắt, thạch cao và các chất phụgia cũng được chất vào kho và đồng nhất theo cách trên Còn than

đá sẽ được đưa thẳng vào máy rải liệu (4).ll

l Tại kho chứa, mỗi loại sẽ được máy cào liệu cào thành từng lớp (đểđồng nhất lần 2) Sau đó các nguyên liệu sẽ được đưa lên băngchuyền để nạp vào từng bin chứa liệu theo từng loại đá vôi, đất sét,quặng sắt, l

l Than đá từ kho chứa sẽ được đưa vào máy nghiền đứng (20) đểnghiền nhỏ Những kích thước đạt yêu cầu sẽ được đưa vào bin chứa(21), còn lại chưa đạt sẽ hồi về máy nghiền rồi nghiền lại để đảm bảohạt than nhiên liệu cháy hoàn toàn khi cấp cho lò nung và tháp traođổi nhiệt.l

l

2, Giai đoạn 2: Phân chia tỷ lệ, trộn lẫn rồi nghiềnl

l Nguyên liệu thô từ quặng sẽ được chuyển đến phòng thí nghiệmcủa nhà máy Nguyên liệu sẽ được đưa vào máy sào liệu sống (9) đểtrộn đều Trong sản xuất xi măng người ta thường sử dụng tỷ lệ 80%

đá vôi và 20% đất sét Tại nhà máy xi măng sẽ nghiền hỗn hợp