LÒ NUNG CLINKER XMP PHƯƠNG PHÁP KHÔ

ĐỀ TÀI: LÒ NUNG CLINKER XMP PHƯƠNG PHÁP KHÔ 1. THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT KIỂU TREO (SP – SUSPENSION PREHEATER) 2. THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT CÓ BUỒNG PHÂN HỦY CÁCBONÁT 3. PHẦN LÒ QUAY 4. Lò tầng sôi 5. THIẾT BỊ LÀM NGUỘI CLINKER XMP 6. Thiết Bị Làm Nguội Kiểu Hành Tinh 7. Thiết bị làm nguội kiểu buồng 8. Thiết Bị Làm Nguội Kiểu Ghi

Biên soạn: ThS Huỳnh Ngọc Minh

1

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

3

 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 650-800 0 C

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%)

1 – 2 – Chuyển vận phối liệu và khí nóng trong hệ thống trao đổi nhiệt kiểu treo SP

 Trong hệ thống tháp trao đổi nhiệt kiểu treo, các biến đổi hóa lý tương ứng với giai đoạn đầu của quá trình nung luyện, tới khoảng 800 0 C Những biến đổi trong giai đoạn này chủ yếu ở pha rắn

 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.

8

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

9

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

10

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

11

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)

12

 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

Page 15

Page 15

Main function - Cyclone preheater:

+ heat transfer (gas/solid)

- parallel flow (each cyclone stage)

- counterflow (all stages) + separation (gas/solid)

 Polysius Preheater System - DOPOL® 90

Page 17

Meal chute

Splash box Gas duct

Dip pipe Gas duct

raw meal

raw meal

Page 17

1 – 3 – Kích thước và nhiệt độ hạt trong

xyclon

 Trong xyclon, mỗi hạt vật liệu tham gia đồng thời nhiều chuyển động:

 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

18

 Chuyển động của các hạt còn phức tạp hơn rất

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

Hệ thống cyclone trao đổi nhiệt HELP

cyclone)

Các đặc tính của HELP

 Hiệu suất cao: hiệu suất

làm việc lớn hơn 2-5% so

với cyclone truyền thống

 Tổn hao áp suất thấp: tổn

hao áp suất giảm 25-30% so

với cyclone truyền thống

 Sự ổn định cao hơn

So sánh hiệu quả làm việc gi a ữ

cyclone HELP và cylone thường

23

2 – 1 – Vai trò của buồng phân hủy cácbonát

(calciner):

 Với các thiết bị trao đổi nhiệt kiểu treo thông thường SP (Suspension Preheater), phối liệu khi đi vào lò quay có nhiệt độ khoảng 800 0 C và mức phân hủy cácbonát khoảng 10 – 15% Quá trình phân hủy cácbonát còn lại thực hiện trong lò quay, hiệu quả trao đổi nhiệt quá trình này trong lò quay không cao

 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 900 -

Page 25

Page 25

Main function - Calciner:

+ decarbonisation of raw meal + combustion of fuel

+ heat transfer (gas/solid)

 Polysius Precalcining System - PREPOL®

PREPOL® - Modular Calciner System

 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)

27

Khả năng truyền nhiệt của PP khô

Page 29

Page 29

Cyclone preheater DOPOL ® 90 PREPOL ® Calciner

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 CO2 và 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

→ thời gian lưu

→ Sự lưu thông vật liệu

Tiêu chuẩn thiết kế quan trọng:

System)

Page 33

Page 33

CC-Chamber outlet (Connection to

the calciner)

Tertiary duct

Central inlet for tertiary air

Burner Meal inlet

Meal inlet Tangential inlet for

Page 34

Page 34

Tertiary air from kiln hood

 increased tertiary air temperature

To improve ignition / combustion of difficult fuels (pet coke, anthracite coal)

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

36

Page 37

Preheater

Rotary Kiln

Clinker Cooler

Calciner and Combustion Chamber

Tertiary air duct

Một số sơ đồ nguyên lý lò nung theo phương pháp khô

Một số sơ đồ nguyên lý lò nung theo phương pháp khô

Một số sơ đồ nguyên lý lò nung theo phương pháp khô

HỆ THỐNG THÁP TRAO ĐỔI NHIỆT

Có buồng phân hủy lắp trong

(NOx và CO giảm)

Thiết bị xử lý NOx và phân

Hệ Thống Tháp Trao Đổi Nhiệt

(RSP)

45

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 cyclon làm ề ơmất 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

46

Sơ đồ nguyên lý lò nung clinker XMP với hệ thống trao đổi nhiệt kiểu treo SP lọc kiềm

Lò quay

Khí thải 3000C Phối liệu vào 500C Phối liệu ra: 250 0 C

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.

49

Bypass Principle

 Extract volatiles (dust/gas) at a suitable point of

highest enrichment and transform the gaseous

volatiles into a salt (dust) that can be removed from the system

extraction potential = dust quantity * volatile-concentration

Conditioning tower

Quench air

52

Examples of Kiln Bypass Installations – plan & actual

55

 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.

56

 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

57

Lò xi măng theo pp khô

59

Page 60

Rotary kiln

Page 61

Kiln single units

8 Rotary kiln drive

9 Rotary kiln outlet with outlet seal

10 Kiln hood

11 Clinkering zone cooling

1 Rotary kiln pipe

2 Rotary kiln inlet with inlet seal

3 Kiln tires with tire-fastening system

Page 62

Inlet and outlet seals

The pneumatic inlet and outlet seals adapt themselves to the different rotational, radial and axial movements and thus prevent infiltration of false air into the kiln system Because Polysius rotary kiln seals are highly efficient, robust and wear resistant – they save energy and are extremely durable.

Kiln single units

 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.

Lò quay Khu vực đuôi lò

và béc đốt nguội clanh-ke Thiết bị làm

QUY TRÌNH NUNG XI-MĂNG

Biến dạng của lò nung

65

Cơ cấu truyền động của lò ximăng

70

Lò tầng sôi

FAKS (Fluidized Bed Advanced Cement Kiln System)

Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động

Kích thước hạt clinker

Nguyên lý hoạt động của TB (FCK:Fluidized Bed Cement

Kiln)

Mối quan hệ giữ nhiệt độ nung và

tốc độ phản ứng pha rắn

77

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 FormationEndothermic processes kJ/kg clinker

dehydration of clays ≈ 170 decarbonisation of calcite ≈ 1990 heat of melting ≈ 105 heating of raw materials 0 - 1450 °C ≈ 2050

crystallization of dehydrated clay ≈ -40 heat of formation of clinker minerals ≈ -420 crystallization of melt ≈ -105 cooling of clinker ≈ -1400 cooling of CO2 (ex calcite) ≈ -500 cooling of H2O (ex clays) ≈ -85

Gas Flow Material Flow

PREHEATING

SINTERING CALCINING

COOLING

DRYING

SO SÁNH LÒ ƯỚT &LÒ KHÔ

CÓ CALCINER

Preheater Precalciner Kiln

550

DRYING

3200 1900

PREHEATING SINTERING

CALCINING COOLING

SO SÁNH LÒ LEPOL &LÒ KHÔ

CÓ CALCINER

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

Preheater Precalciner Kiln

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

Fe2O3 and SiO2 available.

Argillaceous Components