công nghệ sản xuất xi măng lò nung clinker xmp phương pháp khô

 Hệ thống xyclon bốn bậc, chiều cao chung thiết bị khoảng 50m, thời gian nguyên liệu lưu trong toàn bộ hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt kiểu treo khoảng 25s... Xyckon bậc IV:  Quá tr

LÒ NUNG CLINKER XMP

PHƯƠNG PHÁP KHÔ

1 – THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT KIỂU

TREO (SP – SUSPENSION

PREHEATER)

1 – 1 – Sơ đồ nguyên lý thiết bị

 Đóng vai trò quyết định trong việc tiết kiệm năng lượng nhiệt của lò nung clinker XMP phương pháp khô

 Hệ thống tháp trao đổi nhiệt kiểu treo gồm hệ thống xyclon nhiều tầng (hoặc bậc) mắc nối

tiếp Mỗi tầng có một hoặc nhiều xyclon (ban

đầu chỉ một hoặc hai tầng, nay thường bốn hoặc năm, sáu tầng) Phía trong các xyclon thường được lắp gạch chịu lửa cao nhôm

 Bột phối liệu đã nghiền mịn đi vào các xyclon

ở trạng thái lơ lửng có khả năng trao đổi nhiệt rất mạnh với khí nóng do hầu như toàn bộ bề

mặt hạt tham gia trao đổi nhiệt

4

 Sau khi đồng nhất,

bột liệu được vận

chuyển lên tháp

trao đổi nhiệt và đi

vào lò quay.

QUY TRÌNH SẢN XUẤT XI-MĂNG

Trong khí thải của lò quay, rất nhiều bụi

Bản thân hệ thống xyclon đã có tác dụng trao đổi nhiệt tốt và thu hồi lại lượng bụi lớn (Vấn đề khử bụi luôn là chỉ tiêu đánh giá các nhà máy sản xuất

XM, theo nghĩa bảo vệ môi trường lẫn sự hoàn

thiện công nghệ)

Ngoài nhiệt do khí thải từ lò quay, có thể trộn than nghiền mịn trong phối liệu Than cháy

tạo nguồn cấp nhiệt trực tiếp cho phối liệu, nâng cao hiệu suất nhiệt Qua các xyclon, phối liệu có nhiệt độ 650-8000C

Ở nhiệt độ này, kết thúc các quá trình sấy, mất nước hóa học và một phần phân hủy các muối cácbonát trong phối liệu (khoảng 10 – 15%)

 Nếu nhiệt độ cao hơn, khoảng 1000 0 C, xuất hiện nhiều pha lỏng (do phối liệu chứa sắt, do tro than …) gây khó khăn trong quá trình truyền vận trong đường ống, thậm chí tắc ống dẫn

 Hệ thống xyclon bốn bậc, chiều cao chung thiết bị

khoảng 50m, thời gian nguyên liệu lưu trong toàn bộ hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt kiểu treo khoảng 25s Nhiệt độ của bột phối liệu ở đầu vào từ 50 0 C lên tới 800 0 C,

nhiệt độ khí thải từ 1100 0 C, giảm xuống còn khoảng

300 0 C Tốc độ khí và nguyên liệu trong khí thải khoảng

22 – 25 m/s.

Xyclon bậc I:

 Quá trình chủ yếu là sấy (bay hơi ẩm), bắt đầu đốt nóng bột phối liệu Khí thải nhiều hơi ẩm H2O đi vào các hệ thống lọc bụi và thoát ra ngoài.

Xyclon bậc II:

 Quá trình hóa lý chủ yếu là mất nước hóa học của đất sét, cháy các tạp chất hữu cơ lẫn trong phối liệu

Xyclon bậc III:

 đất sét mất nước hóa học,

 Hạt cát biến đổi thù hình β -SiO2α - SiO2,

 Phân hủy hầu hết MgCO3 và tăng cường sự phân hủy CaCO3

 Tạp chất hữu cơ lẫn trong nguyên liệu, hoặc bột than trộn vào nguyên liệu (nếu phối liệu có trộn thêm bột than), cũng sẽ cháy nốt trong giai đoạn này.

Xyckon bậc IV:

 Quá trình chủ yếu trong các xyclon này là tận

dụng nhiệt khí thải từ lò nung đốt nóng bột phối liệu

 Mặc dù nhiệt độ khí thải cao:1000 – 11000C,

nhưng quá trình cácbonát hóa CaCO3 → CaO +

CO2 trong xyclon bậc bốn rất nhỏ (khoảng 10

-15%)

 Điều này được giải thích do lượng nhiệt trao đổi với bột phối liệu bị giới hạn bởi thời gian lưu

trong thiết bị Như vậy, để tăng hiệu quả quá

trình phân hủy cácbonát, phải thiết kế thiết bị

riêng (calciner)

Đối với xyclon bậc I: đây là xyclon đầu tiên tính theo chiều bột phối liệu chuyển vận và cuối cùng tính theo chiều khí chuyển động, cần được thiết kế sao cho lượng bụi theo khí thải ra ngoài là ít nhất

Vì vậy, xyclon bậc I thường gồm hai xylon có bán kính nhỏ hơn và dài hơn so với các xyclon những bậc còn lại Hai xyclon này cần đóng cả vai trò sấy và lọc bụi

Các xyclon bậc II, III và IV thường có cùng kích thước. Khi vận hành thiết bị trao đổi nhiệt, nếu áp lực khí cân bằng với trọng lực khối hạt từ trên

xuống hoặc hạt kết tụ sẽ làm tắc nghẽn ống dẫn, phải kiểm tra sự thông bột phối liệu thường xuyên, thậm chí có thể phải ngừng lò xử lý do tắc nghẽn

Trong thực tế, phổ biến là các thiết bị trao đổi

nhiệt với bốn xyclon Tuy nhiên, từ những phân

tích ở trên, chúng ta thấy số lượng xyclon không

quá quan trọng, vai trò của chúng là thực hiện các phản ứng pha rắn

Hệ thống thiết bị nhiều tầng xyclon hơn bốn bậc

(năm hoặc sáu) gặp khó khăn lớn hơn về lắp đặt, xây dựng Với xyclon năm bậc có thể cắt ngắn

thân lò quay bớt khoảng 8m so với hệ bốn bậc Nói chung, không có xu hướng tăng số bậc mà xu

hướng lắp thêm hệ thống phân hủy cácbonát riêng biệt (calciner)

Hệ thống trao đổi nhiệt SP năm tầng xyclon khác về bản chất với hệ có thiết bị phân hủy cácbonát

 xoay theo dòng khí nóng

 rơi do tác dụng trọng lực;

 ngoài ra, trong hệ hạt - dòng khí nóng chuyển động hỗn độn ở trạng thái lơ lửng

 Sự va chạm vào thành xyclon và va chạm lẫn

nhau làm hạt mất động năng, lắng xuống nhanh hơn Nhưng ở tầng xyclon dưới, áp suất dòng khí cao hơn, các hạt lại tiếp tục trao đổi nhiệt ở

trạng thái lơ lửng

Chuyển động của các hạt còn phức tạp hơn rất nhiều do trong quá trình hạt chuyển động đồng thời trao đổi nhiệt với không khí nóng làm hạt tăng dần nhiệt độ

Tóm lại, nhiệt độ hạt phụ thuộc vào kích thước, thời gian lưu, bản chất hạt, chế độ thủy

động của khí nóng …

Đây là lý do cần nhiều bậc xyclon, mỗi bậc ứng với một khoảng nhiệt độ nhất định với mức

tăng dần, nhằm tăng cường và có thể điều khiển quá trình trao đổi nhiệt giữa khí nóng – hạt nguyên liệu

2 – THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT CÓ BUỒNG PHÂN HỦY CÁCBONÁT

 Để tăng hiệu quả trao đổi nhiệt của lò, quá trình canxi hóa cần thực hiện triệt để hơn trong hệ thống trao đổi nhiệt kiểu treo Biện pháp kỹ thuật có thể dùng là:

 1-Nâng nhiệt độ ở dãy xyclon cuối cùng lên cao hơn (từ

Thiết bị phân hủy cácbonát nhanh, mạnh

viết tắt tên từ tiếng Anh là SF (Suspension

Preheater with Flash Calciner: thiết bị đốt nóng

kiểu treo với buồng phân hủy cácbonát tức thời

hoặc thiết bị canxi hóa tức thời)

Nhờ thiết bị phân hủy cácbonát thời gian lưu hạt ở vùng nhiệt độ cần xảy ra phản ứng CaCO3 → CaO + CO2 lâu hơn (thời gian lưu làø 60s, thay vì 5s),

hiệu suất phân hủy CaCO3 rất cao (90-95%) Thiết

bị thường được lắp riêng biệt hoặc lắp vào vùng

giữa lò quay và các xyclon đốt nóng bậc cuối (bậc bốn)

21

Cần chú ý vai trò công nghệ của thiết bị phân hủy

cácbonát không như một bậc trao đổi nhiệt thông thường trong hệ thống SP.

Trong xyclon cácbonát hóa, mức chênh lệch nhiệt độ giữa bột phối liệu và nhiệt độ khí nóng không đáng kể Ở vùng

CaO Việc nâng cao nhiệt độ buồng calciner sẽ làm xuất hiện pha lỏng nhiều, nhất là khi dùng nhiên liệu than với hàm lượng tro chứa nhiều tạp chất dễ chảy Sự tạo pha lỏng

ở nhiệt độ cao làm giảm tuổi thọ của VLCL trong xyclon

Vì vậy, để tăng thời gian lưu của các hạt CaCO3 xu hướng chính là tăng kích thước buồng đồng thời tăng hàm lượng khí ôxy, tăng kích thước cửa thoát liệu thông khí CO2và phối liệu sau khi đã phân hủy từ CaCO3.

Sử dụng buồng phân hủy cácbonát cho phép nâng cao năng suất riêng của lò quay do bớt được phần phân hủy cácbonát trong lò quay

2 – 4 – SF với nhiên liệu than:

 Các thiết bị trao đổi nhiệt kiểu treo chỉ làm việc hiệu quả khi không có mặt pha lỏng.

 Vì vậy, nếu dùng lẫn than (cho vào cùng phối liệu, hoặc phun vào đốt trong buồng phân hủy cácbonát) thì nhiệt độ làm việc của buồng phân hủy cácbonát cần khống chế ở nhiệt độ 830 – 900 0 C để tránh hiện tượng nóng chảy của tro than

 Tro than nóng chảy bít các lỗ dẫn liệu, đóng bánh trên bề mặt VLCL, phản ứng phá hủy làm giảm tuổi thọ của VLCL.Yêu cầu tro than có nhiệt độ nóng chảy trên

1100 0 C Một trong những ưu điểm đáng quan tâm nhất của hệ thống có thiết bị phân hủy cácbonát là có thể đốt cháy hoàn toàn than antraxít, loại than chủ yếu của Việt Nam

2– 5 – Hệ thống trao đổi nhiệt có ống

nhánh tách kiềm (by-pass):

 Ki m bay h i và tuần hoàn trong hệ thống ề ơcyclon làm mất cân bằng áp suất, ăn mòn thiết bị

 Vấn đề kiềm trong XMP: nếu hàm lượng kiềm trong bêtông cao, kiềm sẽ phản ứng với các phụ gia, làm giảm độ bền hóa dẫn tới sự phá hủy cấu trúc bê tông (hàm lượng kiềm cho phép trong clinker nhỏ hơn 0,6% qui theo Na2O)

 Ở 8000C kiềm bay hơi mạnh, phần còn lại nằm trong khoáng KC23S12, NC8A8, KC8A3, K2SO4,

Na2SO4 Ở nhiệt độ thấp hơn, kiềm ngưng tụ

 Tổng hàm lượng kiềm bay hơi khoảng 3 – 19% Như vậy, bụi khí thải chứa lượng kiềm khá lớn

I

II III

IV

Khí nóng 5000C Phối liệu 4500C

Khí nóng 6500C Phối liệu 500 0 C

Khí nóng 8000C Phối liệu 6500C

Khí nóng1000 0 C Phối liệu 8000C Kiềm

Nguyên tắc chung của các by-pass: là lấy một phần khí thải ra khỏi hệ thống trao đổi nhiệt, hạ nhiệt độ cho kiềm ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ kiềm, (hoặc lọc kiềm) Sau đó, khí nóng có hàm lượng kiềm thấp hơn được hồi lưu, trở lại thiết bị trao đổi nhiệt

Hệ thống ống nhánh (by – pass) có tác dụng ngày càng lớn nhờ vận hành lò ổn định, bảo toàn môi trường (Nhờ thiết bị này, hàm lượng khí SO2

và Cl2 cũng giảm, khí thải sạch hơn) Việc lắp đặt

vị trí các ống nhánh có thể thay đổi, tùy theo yêu cầu kỹ thuật cụ thể Khí thải có thể hồi lưu (theo sơ đồ trên) hoặc không hồi lưu

3– PHẦN LÒ QUAY

Sau các xyclon, bột phối liệu vào phần lò quay Hệ thống trao đổi nhiệt kiểu treo làm giảm chiều dài phần quay của lò một cách đáng kể so với lò quay phương pháp ướt

Chiều dài lò giảm giúp một loạt các vấn đề kỹ thuật như kết cấu, vật liệu, diện tích xây dựng phần lò quay đơn giản hơn

Các quá trình hóa lý tương tự như đã phân tích phần lò quay phương pháp ướt: Phối liệu sau khi phân hủy cácbonát đi vào lò quay bắt đầu quá trình phản ứng có mặt pha lỏng

Đường kính lò D = 3 – 6m,

Chiều dài L = 40 – 80m,

Đặt với góc nghiêng 3 - 70 ø

Quay với tốc độ 1 – 2 vòng/phút

Thời gian lưu phối liệu trong lò (hệ số đổ đầy 7 – 15% diện tích thiết diện lò) sẽ phụ thuộc kích

thước lò, góc nghiêng và tốc độ quay của lò

31

Lò xi măng theo pp khô

 Trải qua nhiều giai đoạn ở các mức độ nhiệt khác nhau (Cao nhất là 1450 0 C), bột liệu bị biến đổi và sau đó kết hợp với nhau tạo thành clanh-ke.

 Clanh-ke được làm nguội bằng thiết bị chuyên dùng và được vận chuyển vào kho chứa.

và béc đốt nguội clanh-ke Thiết bị làm

QUY TRÌNH SẢN XUẤT XI-MĂNG

Thermodynamics of Clinker Formation

DTA curves of typical cement raw meals

The greatest heat requirement occurs between 850 - 900 °C, i.e for the

decomposition of the carbonate minerals The total heat

requirements for dehydration,

decarbonisation and melting exceed the heat liberated by the formation of belite and the intermediate and final products.

Thermodynamics of Clinker Formation

Net theoretical heat of clinker formation ≈ + 1765

Gas Flow Material Flow

PREHEATING

SINTERING CALCINING

COOLING

DRYING

Wet & Precalciner Kiln Comparison

Lepol & Precalciner Kiln Comparison

Preheater Precalciner Kiln

550

DRYING

3200 1900

Preheater Precalciner Kiln

CALCINING

Calcination will continue until all the calcium

carbonate is converted to lime and carbon dioxide.

As long as this dissociation process is underway,

the hot meal temperatures will remain

in the

750 ~ 900+ºC range.

At ≈ 800 ° C Limestone

decomposes into free lime

and carbon dioxide

CaCO 3 → CaO + CO 2

Calcination

>800 ° C

CaCO 3 → CaO + CO 2

Preheater Precalciner Kiln

While calcination is taking place, the argillaceous components are breaking down, making Al2O3,

Fe2O3 and SiO2 available.

Argillaceous Components

At elevated temperatures of the process, lime will react readily with silica to form

C 2 S

belite

Lime & Silica Reaction

Once the formation of the

C3S is complete

there is no further value in

prolonging the process at

this elevated temperature.

This final process is called

cooling, not just to reduce

the temperature, but to freeze the crystal growth and to convert the liquid phase back to a solid for easier transport.

At this point, C3A and C4AF cool to form to solids.

alit e

belite

aluminat e

aluminat e

ferrite

What Makes Good Clinker?

Free Lime in Clinker

 not possible to combine all CaO that is available

 kiln not hot enough to combine all CaO

 The less likely reasons are decomposition of alite, oversize limestone grains and possible heterogeneous kiln feed

 < 0.75 % is the result of over-burning

 excessive amount of fuel

 potential damage to refractory

 > 1.5 % could result in cement unsoundness

refractory brick

steel shell

3 – 1 – Gạch chịu lửa (GCL) cho lò nung

 Độ bền GCL quyết định thời gian làm việc của lò, và như vậy, quyết định năng suất, sản lượng và giá thành của XM

vùng làm việc của lò, thời gian có thể làm việc của mỗi loại

độ bền nhiệt của GCL Phản ứng của GCL với khối phối liệu giàu pha lỏng khi lò quay rất mạnh

GCL lại phải chịu ăn mòn hóa học của khối silicát nóng chảy đồng thời tác dụng cơ học mài mòn do lò quay, các viên clinker trượt mài lên thành lò

Việc thay thế GCL trong lò thường định kỳ, tuy

nhiên trong quá trình làm việc, phải theo dõi rất kỹ tình trạng làm việc của GCL Những vị trí GCL bị hỏng sẽ dẫn tới làm hỏng vỏ lò (thủng, nứt…), phải có biện pháp xử lý kịp thời

Các loại GCL dùng cho lò nung clinker XMP

thường là các loại GCL cao nhôm, GCL kiềm tính như manhêzi, crôm – manhêgi, dolomít hoặc

spinel Mỗi nhà máy có những phương án sử dụng GCL lót lò khác nhau

3 – Aûnh hưởng của chế độ nung

4 – Aûnh hưởng của phụ gia khoáng hoá

- Tạo điều kiện xuất hiện pha lỏng, phá vỡ hay làm yếu cầu nối cấu trúc pha lỏng.

- Định hướng tạo khoáng clinker (khoáng C3S), tác dụng như là chất ổn định: tránh hiện tượng β-

C2S chuyển thành γ-C2S

Hàm lượng chất khoáng hoá vô cùng nhỏ <1-2%

Nếu lớn hơn 2% sẽ có tác dụng xấu

Phổ biến là CaF2, Na2SiF6, thạch cao…

4 –LÀM NGUỘI NHANH:

 Sau khi qua giai đoạn nung luyện (1450 –

14550C) cần giảm nhiệt độ clinker về nhiệt độ cần thiết cho những công đoạn tiếp sau

 Đây là quá trình vật lý tương ứng với quá trình

chuyển đổi lỏng – rắn có ảnh hưởng rất mạnh tới các yếu tố cấu trúc (thành phần khoáng, độ xốp, khối lượng riêng, tính dễ nghiền…) và công nghệ tiếp sau như khả năng bảo quản, khả năng nghiền clinker, và do đó, ảnh hưởng tới chất lượng XMP

 Tốc độ làm nguội từ khoảng nhiệt độ 1200

-12500C xuống 1000C cần rất nhanh

Thiết bị làm nguội kiểu thùng quay:

 là một thùng

quay nhỏ đặt

ngay dưới lò

quay (chuyển

động quay của

thùng độc lập

với lò)

Lò nung Làm nguội

Thiết bị làm nguội kiểu thùng quay

Thiết bị làm nguội kiểu hành tinh:

 -làm nguội theo

nguyên lý thu hồi

nhiệt khí thải

Bao gồm nhiều

thùng nhỏ (lò

con) gắn xung

quanh lò quay và

quay cùng lò

quay (hành tinh).

Lò nung clinker

Sơ đồ mặt cắt lò quay với thiết bị làm nguội kiểu hành tinh

Lò con

Thiết Bị Làm Nguội Kiểu Hành Tinh

Thiết Bị Làm Nguội Kiểu Hành Tinh

Thiết Bị Làm Nguội Kiểu Hành Tinh

Thiết Bị Làm Nguội Kiểu Hành Tinh

Thiết bị làm nguội kiểu buồng:

 là một buồng

lớn, trong đó

clinker nóng rơi

Thiết bị làm nguội kiểu ghi:

 clinker được truyền

động nhờ hệ thống

ghi kim loại theo

phương nằm ngang,

không khí nén thổi

vuông góc trong suốt

quá trình clinker

chuyển động Đây là

loại thiết bị được sử

dụng nhiều nhất hiện

nay.

Sơ đồ nguyên lý thiết bị làm nguội kiểu ghi

C

B A

E D

Ghi