Phần 1: TỔNG QUAN VỀ CANXI OXIT1.Giới thiệu chung về canxi oxit:1.1.Vai trò và ứng dụng:Khi cho tác dụng với nước nó trở thành vôi tôi (Ca(OH)2), được sử dụng trong các loại vữa để làm tăng độ lên kết và độ cứng. Phản ứng này diễn ra rất mãnh liệt và tỏa nhiều nhiệt. Vôi sống cũng được sử dụng trong sản xuất thủy tinh và khả năng phản ứng của nó với các muối silicat cũng được sử dụng trong công nghiệp sản xuất kim loạihợp kim ngày nay (thép, magiê, nhôm và một số kim loại màu khác) để loại bỏ các tạp chất dưới dạng xỉ.Vôi sống (CaO) cũng được sử dụng trong xử lý nước và nước thải để làm giảm độ chua, để làm mềm như là chất kết bông và để loại bỏ các tạp chất phốtphat và các tạp chất khác; trong sản xuất giấy để hòa tan linhin, như là chất làm đông trong tẩy rửa; trong nông nghiệp để cải thiện độ chua của đất; và trong kiểm soát ô nhiễm trong các máy lọc hơi để khử các khí thải gốc lưu huỳnh và xử lý nhiều chất lỏng. CaO cũng là chất khử nước và được sử dụng để làm tinh khiết axít citric, glucoza, các thuốc nhuộm và làm chất hấp thụ CO2. Vôi sống cũng được sử dụng trong công nghiệp sản xuất đồ gốm, xi măng, sơn…1.2.Thực trạng sản xuất và xuất khẩu vôi tại Việt Nam:Ngành sản xuất vôi tại Việt Nam hiện nay còn rất sơ khai đa phần được sản xuất theo công nghệ nung thủ công. Các sơ sở sản xuất mang tính chuyên nghiệp, công nghiệp rất khiêm tốn. Cả nước chỉ có khoảng 6 đến 7 cơ sở, với công suất thiết kế của mỗi lò khoảng 150 tấn đến 200 tấnngày. Còn lại đa số là các lò thủ công công suất từ 5 đến 7 tấnmẻ hoặc từ 15 đến 20 tấnngày.Về tiêu thụ, với nền kinh tế của Việt Nam hiện nay chủ yếu vẫn là lấy nông nghiệp và gia công các hàng công nghiệp nhẹ, công nghiệp nặng hoặc công nghiệp cơ bản đang rất khiêm tốn và hiện tại đang trong giai đoạn đẩy nhanh công nghiệp hóa, hiện đại hóa với những ngành công nghiệp có công nghệ cao, do vậy việc tiêu thụ vôi ở Việt Nam cũng rất khiêm tốn và không có thị trường, sản lượng vôi tiêu thụ chủ yếu là dựa vào xuất khẩu.Theo số liệu điều tra từ các Sở Xây dựng, Niên giám thống kê các tỉnh năm 20102012 và quy hoạch phát triển VLXD tại địa phương thì sản lượng vôi ở Việt Nam nămSTTChỉ tiêu2010201120121Tiêu thụ trong nước (tấn)1.628.6061.689.1931.150.0002Xuất khẩu (tấn)300.000450.0002.000.000Tổng lượng vôi tiêu thụ1.928.6062.139.1933.150.000Do công nghệ nung thủ công nên việc sản xuất sinh ra lượng khí thải khổng lồ, gây ô nhiễm môi trường. Do đó, việc phát triển sản xuất vôi công nghiệp để thay thế dần các lò nung vôi thủ công là một yêu cầu bức thiết và là xu hướng tất yếu.2.Nguyên liệu sản xuất CaO:2.1. Nguyên liệu chính: Là từ núi đá vôi (CaCO3) thiên nhiênThành phần chủ yếu của đá là CaCO3 ngoài ra còn pha lẫn một ít tạp chất nhưMgCO3, SiO2, Al2O3, Fe2O3...Phân loại: gồm 2 loại chính là loại dùng cho công nghiệp hoá chất và loại cho công nghiệp sản xuất ximăng, tùy thuộc vào độ cứng của đá, thành phần các chất, màu sắc mà người ta sử dụng trong từng lĩnh vực cụ thể.Ví dụ:a. Đá vôi hóa chất Thanh Nghị:Đá vôi hóa chất Thanh Nghị ở huyện Thanh Liêm, tỉnh Hà Nam là khu mỏ nằm sát bờ phải sông Đáy, cách quốc lộ 1A gần 1,5km. Đá vôi lộ ra từ độ cao 7,5 đến 180 m tạo ra những núi vách dốc, kéo dài theo phương kinh tuyến. Đá vôi ở đây thuộc hệ Đồng Giao, chia thành 3 tầng đá vôi công nghiệp:Đá vôi hóa chất (đá vôi sạch):Calcit (CaCO3) 9098%)Đôlômít (CaCO3.MgCO3) 03%CaO 55,04 55,33%MgO 0,41 0,80%SiO2 0,050,16%…Đá vôi xi măng:Calcit (CaCO3) 9095%Đôlômít (carbonat magie) 3 5%Các khoáng vật khác nhỏ hơn 5%CaO 53,89 54,94%MgO 1,16 1,43%SiO2 0,09 0,20%,…Đá vôi xây dựng có tỷ lệ nhỏ hơn gồm các đá đôlômít, đôlômít vôi màu xám tro, xám đen; kiến trúc hạt mịn nhỏ; cấu tạo phân lớp hoặc dạng thấu kính. Mỏ có trữ lượng tiềm năng 154,610 triệu tấn (công nghiệp hóa chất); 59,725 triệu tấn (công nghiệp xi măng); 0,337 triệu tấn (đá xây dựng). Đây là một mỏ đá vôi lớn.b. Mỏ đá vôi hóa chất Kiện Khê:Mỏ đá vôi hóa chất Kiện Khê ở huyện Thanh Liêm là mỏ đá vôi lộ trong vùng đồng bằng. Diện tích đã thăm dò dài khoảng 500m, rộng 100m. Đây là mỏ đá vôi công nghiệp (đá vôi sạch), màu xám, màu xanh, hoặc xám trắng có hàm lượng Calcit > 95%.Thành phần gồm:CaO: 54,23 54,25%MgO:0,61 0,55%Trữ lượng tiềm năng của mỏ khoảng 2,222 triệu tấn.c. Mỏ đá vôi hóa chất Thanh Sơn:Mỏ đá vôi hóa chất Thanh Sơn ở huyện Kim Bảng là khu mỏ nằm gần rìa tây Công ty Xi măng Bút Sơn, với tổng diện tích 3km2. Mỏ là dải núi đá cacbonat kéo dài theo phương bắc – nam, phân bố ở độ cao 70 326m, nằm trong hạ tầng Đồng Giao.Thành phần đá vôi gồm:CaO 54,30 55,19%MgO 0,57 0,85%SiO2 0,13 0,71%Trữ lượng tiềm năng của mỏ khoảng 163,084 triệu tấn đá cho công nghiệp hóa chất 414,428 triệu tấn cho công nghiệp xi măng và khoảng 12,463 triệu tấn đá cho xây dựng.2.2.Các yêu cầu về đá vôi: a.Yêu cầu về chất lượng:Yêu cầu nguồn nguyên liệu đá vôi sử dụng cho ngành hóa chất là phải sạch, ít pha lẫn tạp chất cơ học, có hàm lượng CaO cao, do vậy để xác định thành phần của mẫu đá vôi, phương pháp chính là phân tích mẫu trong phòng thí nghiệm.b.Yêu cầu về kích thước hình dáng:Căn cứ vào kiểu lò và nguyên liệu đốt lò để quyết định kích thước và hình dạng cho đá thích hợp, như vậy mới đảm bảo lò hoạt động tốt và tạo được sản phẩm chín điều. Hình dạng viên đá phải có diện tích tiếp xúc nhiệt lớn để CO2 thoát ra nhanh và đá chóng chín. Kích thước các viên đá phải đồng điều nhằm tránh hiện tượng khi xếp đá tạo ra khe hở lớn làm cho ngọn lửa cháy nhanh gây ra hiện tượng cháy lưới, ngoài ra khe hở lớn còn làm cho than vụn bị dồn xuống đáy lò gây ra hiện tượng vôi ở phần dưới lò bị quá lửa và vôi ở phần trên lò bị sống.Do vậy trong thực tế để thuận tiện cho quá trình vận hành và thu sản phẩm, người ta ta thường dùng kích thước hạt của nguyên liệu khá lớn (60 đến 200 mm), tỉ lệ giữa đá vôi và nhiên liệu là 9:1, do vậy mà nhiệt độ của lò để phân hủy CaCO3 khá cao (từ 900 đến 1200oC)3.Tính chất của các chất tham gia phản ứng:3.1.Canxi carbonat (đá vôi trong tự nhiên):Phương trình phân hủy vôi ở 25oC (phản ứng thu nhiệt)CTPTCaCO3Tên gọi theo IUPACCanxi carbonatPhân tử gam100gmolTỷ trọng, pha2.83gcm3 , rắnĐộ hòa tan trong nướcKhông tanĐiểm nóng chảy825oC (phân hủy)Biểu hiệnBột màu trắng CaCO3 CaO + CO2 (– 42.50 kcalmol) Bảng 1: Tính chất vật lý của CaCO3 (số liệu của bản ở điều kiện 25 oC, 100 KPa)Là một chất thường được sử dụng trong y tế như một chất bổ sung canxi hay một chất khử chua. Chất này thường được tìm thấy dưới dạng đá ở khắp nơi trên thế giới, là thành phần chính trong mai, vỏ của các loài sò, ốc hoặc vỏ của ốc sên. Nó là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng nước cứng.3.2.Canxi oxit (vôi sống):Phương trình hòa tan ở 25 oCCaO + H2O Ca(OH)2 + 15.6 kcalmolBảng 2: Tính chất vật lý CaO:CPTPCaOTên gọiCanxi oxitBiểu hiệnChất rắn, màu trắngPhân tử gam56 gmolĐiểm nóng chảy2572oCĐiểm sôi2850oCTỷ trọng riêng103kgcm3Độ hòa tanPhản ứng với nước tạo Ca(OH)2 hoặc CaCO3Hút ẩm mạnh(số liệu ở điều kiện 25oC và 100KPa)Là chất rắn có dạng tinh thể màu trắng và là một chất ăn da và có tính kiềm. Như là một sản phẩm thương mại thì vôi sống có chứa lẫn cả oxyt magie (MgO), oxyt silic (SiO2) và một lượng nhỏ oxyt nhôm (Al2O3) và các oxyt sắt.Oxyt canxi thông thường được sản xuất bằng cách phân hủy bởi nhiệt (nung nóng) các loại vật liệu tự nhiên như đá vôi là khoáng chất chứa cacbonat canxi (CaCO3). Diễn ra khi vật liệu này bị nung nóng tới nhiệt độ khoảng 900°C.Bảng 3: Độ hòa tan CaO trong nước theo nhiệu độ (S, gam chất tan trên 100g dung dịch, %khối lượng)Nhiệt độ (oC)Hàm lượng (%)00.1310200.123300.113400.104500.096600.086800.067100(tra sổ tay Quá Trình Thiết Bị tập 1, trang 265)3.3.CO2:Bảng 4: Tính chất vật lý CO2CTPTCO2Tên gọi theo IUPACCarbon dyoxitPhân tử gam44 gmolTỷ trọng, pha1.98 kgm3 , khíĐộ hòa tan trong nước 1.45 kgm3Điểm nóng chảy57oCĐiểm sôi78oCTan rất nhiều trong nước tạo axit H2CO3, hằng số phân li pKa1 = 6.35 và pKa2 = 10.33, ở 25 oC. Trong dạng rắn, nó được gọi là băng khô.Ứng dụng:Đioxyt cacbon lỏng và rắn là chất làm lạnh quan trọng, đặc biệt là trong công nghiệp thực phẩm, trong đó chúng tham gia vào quá trình lưu trữ và vận chuyển các loại kem và các thực phẩm đông lạnh.Đioxyt cacbon được sử dụng để sản xuất nước giải khát cacbonat hóa và nước sôđa. Bột nở sử dụng trong các loại bánh nướng tạo ra khí cacbonic làm cho khối bột bị phình to ra, do tạo ra các lỗ xốp chứa bọt khí. Men bánh mì tạo ra khí cacbonic bằng sự lên men trong khối bột, trong khi các loại bột nở hóa học giải phóng ra khí cacbonic khi bị nung nóng hoặc bị tác dụng với các axít. Đioxyt cacbon dập tắt lửa, và một số bình cứu hỏa, đặc biệt là các loại được thiết kế để dập cháy do điện, có chứa đioxyt cacbon lỏng bị nén. Điôxít cacbon lỏng là một dung môi tốt cho nhiều hợp chất hữu cơ, và được dùng để loại bỏ cafêin từ cà phê... 3.4.Ảnh hưởng của các tạp chất đến sản phẩm nung vôi:Do nung ở nhiệt độ cao, trong nguyên liệu thường có tạp chất là silic và các nguyên tố khác dễ nóng chảy, sẽ tạo thành hợp chất nóng chảy (ít nhất cũng là lớp màng bọc bên ngoài khối CaO) và làm mất hoặc giảm khả năng hợp nước của vôi sống gọi là vôi chết.4.Giới thiệu nguyên liệu:Chúng ta có thể sử dụng nhiều loại nhiên liệu khác nhau như:•Nhiên liệu rắn: than, củi, rơm rạ …•Nhiên liệu lỏng: dầu mazut, dầu DO, dầu FO …•Nhiên liệu khí: khí thiên nhiên, khí lò cao, khí lò cốcNhiên liệu sử dụng tốt nhất là khí hoặc lỏng để không có xỉ than lẫn vào vôi. Tuy nhiên cũng có thể dùng than bụi và đương nhiên sẽ lẫn vào vôi chín dưới dạng bụi và phải sàng lọc để loại sỉ và thu được vôi sạch. Để năng suất đạt 500 tấnngày thì ta cần sử dụng nhiên liệu khí, và nguồn nguyên liệu khí hóa là nuồn nguyên liệu rẻ và được khai thác trong nước.Thành phần nguyên tố và tính chất:Các loại nhiên liệu rắn, lỏng, khí có giá trị khác nhau tùy theo nhiệt lượng khi cháy phát ra. Đặc trưng cho giá trị nhiệt là phần cháy được của nó, còn phần không cháy được ở dạng rắn (tro), dạng lỏng (nước), dạng khí (trơ). Nói chung phần cháy chiếm một khối lượng khá lớn, tùy theo từng loại. Thành phần chủ yếu của phần cháy là hydrocarbon, oxyt carbon, lưu huỳnh, còn phần không cháy được gọi là alumosilicat, một vài loại oxyt vô cơ (rắn), nước (lỏng), và các khí trơ như N2Phương trình phản ứngCO2CO2CO2CO + O2 = 2CO2CH4CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2OH2H2 + 0.5 O2 = H2ON2N2TổngĐể đánh giá chất lượng của nhiên liệu cần phân tích thành phần hóa học của nhiên liệu. Ở đây sử dụng nhiên liệu khí hóa than nên thành phần chính gồm: CO, CO2, H2, CH4, C2H2, …