TÌM HIỂU QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT XIMĂNG POOC-LĂNG VÀ CÁC VẤN ĐỀ MÔI TRƯỜNG

SẢN XUẤT XIMĂNG POOC-LĂNG

MỞ ĐẦU

Công cuộc công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước dưới sự lãnh đạo của Đảng vàNhà nước ta đã đạt được một số thành tựu trên tất cả các lĩnh vực Công nghiệp, Nôngnghiệp, Dịch vụ…Trong đó ngành công nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng nói chung vàngành sản xuất ximăng nói riêng là một trong những ngành đóng vai trò quan trọngtrong công cuộc này Ximăng là vật liệu thông dụng nhất trong ngành công nghiệp xâydựng vì chúng là chất kết dính rẻ tiền hơn so với các loại chất kết dính khác Mặc kháckhi sử dụng ximăng lại cho cường độ chịu nén, chịu uốn cao Ximăng đã có mặt trongđời sống của con người hàng nghìn năm qua và cho đến nay con người vẫn sử dụng nótrong hầu hết các công trình xây dựng

Đất nước ta trải qua hai cuộc chiến tranh tàn phá nên cơ sở hạ tầng còn thấp kém Dovậy nhu cầu sử dụng ximăng ngày càng tăng khi nước ta bước vào thời kỳ đổi mới tiếntới công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước Hàng loạt các công trình xây dựng: thuỷđiện, cầu cống, đường xá, các công trình thuỷ lợi, nhà ở…tiêu thụ một lượng ximăng rấtlớn Vì vậy việc tăng sản lượng ximăng nhằm cân đối giữa cung - cầu trong nước, mộtphần tham gia xuất khẩu đang là mục tiêu của ngành công nghiệp ximăng Việt Nam Đểgóp phần thúc đẩy sự tăng trưởng kinh tế của đất nước đồng thời thực hiện được mụctiêu trên thì việc xây dựng các nhà máy ximăng là rất cần thiết

Việc nghiên cứu, học tập kỹ thuật và công nghệ sản xuất ximăng và một số môn họcliên quan nhằm giúp cho cán bộ, công nhân bắt đầu làm ximăng nắm vững được cơ sở

lý thuyết, quá trình công nghệ và những kinh nghiệm thực tế để nhanh chóng làm chủcông nghệ, làm chủ thiết bị từ đó đưa vào vận hành khai thác an toàn dây chuyền thiết bị

có trình độ công nghệ cao mới được đầu tư, phát huy hết công suất thiết kế, góp phầntích cực vào sự nghiệp phát triển kinh tế - xã hội của đất nước

Vì những lý do đó em chọn đề tài “TÌM HIỂU QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT XIMĂNGPOOC-LĂNG VÀ CÁC VẤN ĐỀ MÔI TRƯỜNG”

Nhờ có ximăng Pooclăng mà ở thế kỷ XX người ta có thể tạo nên các kết cấu xây dựnglớn và vĩ đại như nhà hát Champs Elise ở Paris, đập nước lớn Hoover Dam ở bang Nevada– Mỹ, đập Itaipu ở giữa Brazil – Paraguay – Achentina, đập thuỷ điện Tam Hiệp lớn nhấtthế giới ở Trung Quốc và tháp đôi Petronas (cao 458 mét) ở Malaisia Công trình xây dựng

là biểu tượng cho sự phát triển công nghệ của loài người và nó gợi lại giá trị của nền vănminh nhân loại

1 Trong nước

Ở Việt Nam, công nghiệp ximăng đã hình thành và phát triển hơn 100 năm, bắt đầu

từ năm 1899 bằng việc xây dựng nhà máy ximăng lò đứng đầu tiên tại Hải Phòng Từnăm 1924 đến năm 1930 đã xây thêm 3 dây chuyền lò quay phương pháp ướt theo côngnghệ của Pháp Sau ngày hoà bình lập lại, Nhà nước ta đã đầu tư tại nhà máy ximăngHải Phòng thêm 6 dây chuyền lò quay sản xuất theo phương pháp ướt với thiết bị củaF.S.Smidth (Đan Mạch) và công nghệ của Rumani cung cấp Ở miền Nam năm 1964,nhà máy ximăng Hà Tiên được xây dựng với 2 lò quay phương pháp ướt do hãngVenot- pic của Pháp cung cấp

Ngay từ năm 1975 sau khi thống nhất, để đáp ứng nhu cầu xây dựng tái thiết và pháttriển đất nước, Chính phủ đã quyết định xây dựng thêm các nhà máy ximăng mới cócông suất lớn, đầu tiên là nhà máy ximăng Bỉm Sơn (Thanh Hoá) có công suất 1,2 triệutấn/năm với 2 dây chuyền thiết bị lò quay phương pháp ướt của Liên Xô, sau đó là nhàmáy ximăng Hoàng Thạch (Hải Dương) công suất 1,1 triệu tấn/năm với 1 dây chuyền lòquay phương pháp khô hiện đại, thiết bị do Đan Mạch cung cấp Từ năm 1986 đến nay,công cuộc đổi mới đã tạo đà cho sự phát triển nhanh chóng và mạnh mẽ của đất nước,nhu cầu xây dựng ngày càng tăng đòi hỏi ngành công nghiệp ximăng phải tiếp tục đầu tư vàphát triển Hàng loạt nhà máy ximăng lò quay phương pháp khô hiện đại đã được xây dựng

và đi vào sản xuất như nhà máy ximăng Chinfon (Hải Phòng) 1,4 triệu tấn/năm, ximăng BútSơn (Hà Nam) 1,4 triệu tấn/năm, ximăng Nghi Sơn (Thanh Hoá) 2,15 triệu tấn/năm, ximăngHoàng Mai (Nghệ An) 2 triệu tấn/năm, ximăng Vân Xá (Huế) 0,5 triệu tấn/năm, ximăng SaoMai (Hà Tiên) 1,76 triệu tấn/năm và 55 cơ sở sản xuất ximăng lò đứng ở khắp cả nước vớitổng công suất hơn 3 triệu tấn/năm Bên cạnh đó, các nhà máy cũ cũng được đầu tư mở rộnghoặc cải tạo nâng cấp như ximăng Hoàng Thạch 2 (1,4 triệu tấn/năm), ximăng Bỉm Sơn 2(1,4 triệu tấn/năm) Sự phát triển của ngành ximăng đã đáp ứng nhu cầu xây dựng ngày càngnhiều của đất nước và đập thuỷ điện Hoà Bình – “công trình thế kỷ”, cầu Thăng Long, cầu

Mỹ Thuận, sân vận động quốc gia Mỹ Đình đã trở thành niềm tự hào của nhân dân ta.Với sự phát triển trên 100 năm, lịch sử của ngành công nghiệp ximăng Việt Nam đãđược đánh dấu bằng những sự đổi mới và phát triển rất nhanh cả về quy mô đầu tư,phương thức đầu tư, trình độ công nghệ sản xuất và đáp ứng kịp thời nhu cầu xây dựng

và phát triển đất nước theo từng thời kỳ lịch sử Cũng trong tiến trình phát triển này,việc ứng dụng tiến bộ về khoa học và công nghệ, tiết kiệm năng lượng, tiết kiệm tàinguyên và bảo vệ môi trường, môi sinh luôn được quan tâm; đồng thời việc đào tạonguồn nhân lực có đủ trình độ kỹ thuật, quản lý để nhanh chóng tiếp nhận, làm chủ côngnghệ tiên tiến, hiện đại của công nghiệp ximăng trên thế giới cũng được chú trọng

2 Thế giới

Hiện nay trên thế giới đang sử dụng các công nghệ sản xuất ximăng rất hiện đại, cókhả năng tự động hóa rất cao Có các chủng loại ximăng phổ biến sau: Pooc-lăng thông

dụng (PC), lăng hỗn hợp (PBC), lăng puzolan, lăng xỉ lò cao, lăng bền sunphat, Pooc-lăng mac cao, Pooc-lăng đóng rắn nhanh, Pooc-lăng giãn nở,Pooc-lăng dành cho xeo tấm lợp uốn sóng amiăng - ximăng, Pooc-lăng cho bêtông mặtđường bộ và sân bay, ximăng alumin, ximăng chống phóng xạ, ximăng chịu axit,ximăng chịu lửa,…

Pooc-Vào năm 2010, sản lượng ximăng của thế giới là 3,3 tỉ tấn Ba nước sản xuất ximăngnhiều nhất thế giới cũng chính là 3 quốc gia đông dân nhất hành tinh: CHND TrungHoa (1,8 tỉ), Ấn Độ (220 triệu) và Hoa Kỳ (63,5 triệu), chiếm hơn một nửa tổng sảnlượng ximăng thế giới Đối với trữ lượng ximăng, 3 nước này cũng đứng đầu thế giớivới tổng trữ lượng gần bằng một nửa tổng trữ lượng trên thế giới

Từ trước tới nay có các công nghệ sản xuất (CNSX) ximăng chủ yếu là: CNSXximăng lò đứng, lò quay khô, lò quay ướt Nhưng các phương pháp lò đứng đã lạc hậu

mà chủ yếu là dùng lò quay khô Các công nghệ (CN) được trình bày ở bảng dưới:

1

Nguyên

lí làm

việc

- Làm việc gián đoạn

- Phối liệu được cấp vàotheo từng mẻ, đi từ trênxuống

- Quá trình tạo khoángdiễn ra theo chiều cao của

lò và trong từng viên phốiliệu

- Làm việc liên tục

- Phối liệu được nạp từ đầucao của lò, đảo trộn đềutheo vòng quay của lò

- Quá trình tạo khoángđược diễn ra theo chiều dàilò

- Công suất lớn ( có thể đạt3000-5800 tấn clinker/

ngày

- Làm việc liên tục

- Tương tự lò quayướt

- Tương tự lò quayướt

- Tương tự lò quayướt

- Tương tự côngnghệ lò đứng

- Thêm phụ gia khoánghóa photphorit ở dạngviên, độ ẩm 14%, trộn lẫnvào nhau

- Phối liệu nghiền vớinước dạng bùn nhão, độ

ẩm 40%

- Phối liệu đưa vàodạng bột mịn, độ

ẩm 1-2% tạo thànhviên

3

Nhiên

liệu

- Chỉ dùng nhiên liệu rắn( than)

- Tiêu tốn nhiều nhiên liệutrên 1 đơn vị sản phẩm lớn

- Có thể dùng than hoặcdầu, khí

- Tiêu tốn nhiên liệu trên 1đơn vị sản phẩm là lớnnhất

- Tương tự lò quayướt

- Tiêu tốn nhiênliệu trên 1 đơn vịsản phẩm là nhỏnhất

- Chất lượng tốt và

ổn định6

lí hiện đại, chi phí cao

- Lượng khí thải gây ônhiễm là lớn nhất do sửdụng rất nhiều nhiên liệu

- Lượng khí thảigây ô nhiễm là nhỏnhất

1 Lò quay nung clinker theo phương pháp ướt

Lò quay nung clinker theo phương pháp ướt còn gọi là lò quay có thiết bị trao đổinhiệt bên trong Nó là 1 ống kim loại hình trụ rỗng, đặt nghiêng 1 góc α so với mặtphẳng ngang, α 3o – 5o, tỉ lệ L/D 30 - 40 lần (L: chiều dài, D:đường kính) Lò quay phương pháp ướt thường có các loại sau: D × L = 3 × 100m; 3,6

× 120m ; 4 × 150m ; 5× 185m 7 × 270m Lò có kích thước khác nhau sẽ có năng suất

- Vùng sấy và đốt nóng chiếm 50 – 60% chiều dài

- Vùng phân hủy chiếm 20 – 23% chiều dài

- Vùng tỏa nhiệt chiếm 5 – 7% chiều dài

- Vùng kết khối chiếm 10 – 15% chiều dài

- Vùng làm lạnh chiếm 2 – 4% chiều dài

Phối liệu được nạp vào lò, chuyển động theo chiều dài của lò, chủ yếu là trượttrên bề mặt trong của lò Thời gian vật liệu lưu trong lò vào khoảng 3 – 6 giờ

Hình 1 Lò quay nung ximăng

1 Bộ phận nạp nguyên liệu ; 2 Lò quay ; 3 Phần làm nguội sản phẩm

Lò quay làm việc theo nguyên tắc ngược chiều: phối liệu vào đầu cao ( đầu lạnh )của lò, clinker ra đầu thấp (đầu nóng) của lò, nhiên liệu và không khí đi vào đầu thấpcủa lò, quá trình cháy và sự trao đổi nhiệt xảy ra theo chiều dài của lò, cuối cùng khíthải được đi ra phía đầu cao của lò Nguyên, nhiên liệu đi ngược chiều nhau, kết quảnguyên liệu được đốt nóng từ nhiệt độ thường đến nhiệt độ kết khối, còn khí nóng cónhiệt độ giảm dần theo chiều dài lò ra ống khói, nhiệt độ khí thải khoảng 200 – 3000oC

Để tăng hiệu quả trao đổi nhiệt trong lò người ta thường bố trí các thiết bị trao đổinhiệt bên trong lò như: xích trao đổi nhiệt, các tấm kim loại trao đổi nhiệt ở các dôn nhưdôn sấy, dôn đốt nóng, dôn phân hủy, phổ biến là xích trao đổi nhiệt

2 Lò quay nung clinker ximăng theo phương pháp khô

Lò quay nung clinker ximăng theo phương pháp khô về cấu tạo thân lò và nguyêntắc làm việc ngược chiều như lò quay phương pháp ướt Tuy nhiên cũng có những điểmkhác nhau: kích thước lò rất ngắn so với lò phương pháp ướt, tỉ lệ L/D 15 -

17 lần, phổ biến là loại lò có kích thước: D × L 3,5 × 50m ; 4 × 60m; 5 ×75m

h

3 Lò đứng nung clinker ximăng

Lò đứng là 1 ống hình trụ đứng rỗng, ngoài là vỏ thép, trong lót gạch chịu lửa Chiềucao (H) và đường kính lò (D) thường có tỉ lệ xác định H/D = 3,5 - 4 lần, tùy theo kíchthước lò mà có năng suất khác nhau, để tăng hiệu quả sấy thường mở rộng dôn sấy

Lò đứng cơ khí hóa cao thường có thiết bị nạp liệu, tháo clinker hoàn toàn tự động.Bột phối liệu từ silô chứa vào thiết bị làm ẩm, tạo viên, chuyển xuống thiết bị nạp liệuvào lò và quá trình nung luyện được tiến hành trong lò đứng tương tự trong lò quay.Dựa vào chiều cao lò, nhiệt độ nung mà phân chia lò đứng thành 3 hoặc 4 dôn, phổbiến hơn là 3 dôn: dôn sấy, dôn nung và dôn làm lạnh

Chương II: QUY TRÌNH SẢN XUẤT XIMĂNG

Clinker là bán sản phẩm trong quá trình sản xuất xi măng Clinker được sản xuấtbằng cách nung kết hợp hỗn hợp nguyên liệu đá vôi, đất sét và quặng sắt với thành phầnxác định đã được định trước, clinker có dạng cục sỏi nhỏ, kích thước 10-50mm

1450 – 14550C nhằm tạo hợp chất chứa thành phần pha cần thiết (gồm các loại khoáng

và pha thủy tinh)

Các oxit chính phản ứng tạo thành khoáng cần thiết Một phần nguyên liệu khôngphản ứng nằm trong pha thủy tinh hoặc ở dạng tự do Ngoài ra clinker còn chứa nhữngkhoáng khác do tạp chất phản ứng tạo nên trong quá trình nung

K Aluminat Alkali (K.Na)2O.8CaO.3Al2O3 (KN)2C8A3 0 – 1

Trong đó C3S quyết định chất lượng ximăng, bởi vì C3S đóng rắn nhanh, cho cường

độ chịu nén cao C3S chỉ hình thành trong quá trình nung luyện trên cơ sở các khoángkhác đã tạo thành pha lỏng

II Các hệ số đặc trưng của clinker xi măng

Tính chất của xi măng phụ thuộc vào thành phần khoáng clinker Thành phần khoánglại liên quan chặt chẽ với hàm lượng các oxit tham gia phản ứng Bởi vậy các nhà hóa học

xi măng đã đưa ra các khái niệm về hệ số đặc trưng của clinker Các khái niệm này được sửdụng không thay đổi cho tới ngày nay vì chúng có ý nghĩa vừa định tính vừa định lượng,vừa có tính lý thuyết, vừa có ý nghĩa thực tiễn Đáng chú ý là các hệ số sau:

- Hệ số bão hòa vôi

- Mô đun silicat

- Mô đun aluminat

1 Biểu diễn quan hệ giữa các oxit bằng các hệ số

1.1. Hệ số bão hoà vôi

Theo công thức của V.A Kind, hệ số bão hòa vôi (KH) là tỷ lệ của lượng CaO cònlại trong clinker sau khi đã liên kết đủ với Al2O3 , Fe2O3 và SO3 so với lượng CaO cầnthiết đủ liên kết với tất cả lượng SiO2 để tạo thành khoáng C3S:

Theo công thức của Lea và Parker thì hệ số bão hòa vôi (LSF) là tỷ lệ giữa hàmlượng CaO có trong clinker so với lượng CaO cần thiết đủ để liên kết với SiO2 để tạothành C3S, với Al2O3 và Fe2O3 để tạo thành C3A và C4AF:

Khi hệ số bão hoà vôi càng lớn thì khả năng tạo thành C3S càng nhiều

Đối với các loại ximăng pooclăng thông thường thì KH luôn nhỏ hơn 1 (từ 0,86 0,95) và LSF luôn nhỏ hơn 100 (từ 85  100)

1.2. Mô đun Silic (SR)

Đặc trưng cho tỷ lệ giữa pha rắn (các khoáng silicat) và pha lỏng nóng chảy (cáckhoáng aluminat và alumo ferit) có trong clinker ở nhiệt độ cao, được biểu thị bằngcông thức:

Khi SR càng cao thì pha lỏng nóng chảy càng ít, clinker càng khó kết luyện

Đối với xi măng pooclăng thông dụng: 1,7 < SR < 2,5

1.3. Mô đun Aluminat (AR)

Đặc trưng cho độ nhớt của pha lỏng nóng chảy của clinker, được biểu thị bằng côngthức:

Khi AR càng cao thì pha lỏng nóng chảy có độ nhớt càng lớn, phản ứng tạo khoáng

C3S càng khó

Đối với xi măng pooclăng thông dụng: 1,0 < AR < 2

2 Hình dáng cấu trúc của các khoáng clinker

100%

CaO LSF

Fe O



Khoáng Alít (C54S16AM) Khoáng Belit (-C2S)

Hình 2 Hình dáng cấu trúc của khoáng clinker

1.1. Nguyên liệu

- Đất sét (cung cấp SiO2, Al2O3 ): đất sét làm nguyên liệu ximăng không đòi hỏi caonhư đất sét làm nguyên liệu gốm sứ.Yêu cầu kĩ thuật chính ở đây là đảm bảo thành phầnhóa học ( hàm lượng SiO2, Al2O3) trong một phạm vi nhất định Các tạp chất trong đấtsét như cát, tràng thạch, đá vôi, chất hữu cơ vẫn được chấp nhận trong phạm vi tươngđối rộng.Thường sử dụng đất sét bãi sông, đất sét ruộng, phiến thạch sét (đất đồi), đấtsét vôi,…

- Đá vôi (cung cấp CaO): thường là loại đá vôi có hàm lượng CaO cao Cũng có thể

sử dụng đá phấn, đá vôi sét… và cần khống chế tạp chất có hại MgO < 5% vì MgO sẽgây mất ổn định thể tích của ximăng khi đóng rắn

+ Đá vôi Dvon Trung D2: hạt nhỏ, mịn, đồng nhất (thành phần hỗn hợp: CaO ≥5 % ;

MgO ≤ 1%)

+ Đá vôi cacbon Trung Pecni: hạt rất nhỏ, mịn, màu xám (thành phần hỗn hợp : CaO

≥ 50% ; MgO ≤ 1,5%)

+ Đá vôi Triat Trung T2: màu đen hoặc màu xám sáng hạt nhỏ (thành phần hỗn hợp

CaO > 48,8% - 54% ; MgO 0,4 – 2,83%)

- Quặng sắt (cung cấp Fe2O3 ) : sử dụng loại quặng getit ( Fe2O3.H2O) hoặc loạiquặng limonit (Fe2O3.n H2O) Loại có hàm lượng Fe2O3 ít nhất (25-45%) ở dạng sỏi đỏlẫn sét và thạch anh là quặng latenit

- Các loại phụ đưa vào hỗn hợp ximăng trong giai đoạn nghiền clinker nhằm điều

chỉnh tốc độ đóng rắn của ximăng (như thạch cao) và để hạ giá thành sản phẩm (như xỉ

lò cao, xỉ nhiệt điện, cát, đá silic, đá vôi…)

- Nguyên liệu phụ để điều chỉnh thành phần hóa học của phối liệu như quartzit

phong hóa, diatomic để tăng hàm lượng SiO2, boxit để tăng Al2O3, xỉ pyrit (phế thảicông nghiệp super photphat) để tăng Fe2O3

1.2. Nhiên liệu

Để cung cấp nhiệt cho quá trình phân huỷ đá vôi, sét, phụ gia thành các oxit và tạo rađiều kiện nhiệt độ cao để xảy ra phản ứng giữa các oxit với nhau tạo thành các khoángcủa clinker, cần phải đốt nhiên liệu để nung nóng phối liệu đến nhiệt độ 1450 1500oC.Chất lượng nhiên liệu ảnh hưởng quyết định đến quá trình nung, vì vậy cần phải chọnloại nhiên liệu phù hợp với điều kiện thiết bị công nghệ của từng nhà máy cụ thể

Nhiên liệu tốt nhất là khí thiên nhiên (chứa chủ yếu là khí metan - CH4) vì dễ cháy, thiết

bị đốt đơn giản, nhiệt lượng cao và không có tro Nhiên liệu tốt thứ 2 là nhiên liệu lỏng(thường dùng dầu FO) cũng có nhiệt lượng cao (hơn 9000 kcal/kg) và không có tro, dễcháy, nhưng thiết bị đốt phức tạp hơn và phải có bộ phận hâm sấy Loại nhiên liệu thứ bakhông có các ưu điểm như hai loại trên nhưng lại được dùng phổ biến nhất là nhiên liệu rắn(thường dùng than antraxit có chứa 75  85% cacbon, có nhiệt lượng từ 6000  7000 kcal/kg) Sau khi than cháy để lại khoảng 15  25% tro, có thành phần hoá học gần giống thànhphần của sét đã nung (SiO2 58  68%, Al2O3 23  28%, Fe2O3

3  8 % và một ít tạp chất khác)

Ở Việt Nam trước năm 1995 sử dụng hỗn hợp than nâu Trung Quốc hoặc than mỡAutralia với than antraxit Quảng Ninh tại nhà máy ximăng Hải Phòng, hỗn hợp than

cám 3 Quảng Ninh với than Na Dương Lào Cai tại nhà máy ximăng Bỉm Sơn, dầu FOtại nhà máy ximăng Hà Tiên…Tuy nhiên sử dụng than làm nhiên liệu phức tạp hơn dầuhoặc khí vì than phải được nghiền thật mịn và được phun vào lò (đối với lò quay) hoặcnghiền cùng với phối liệu (đối với lò đứng) Mặt khác, lượng tro than còn lại sau khi cháycũng tham gia vào phản ứng tạo khoáng clinker nên khi tính toán phối liệu phải coi nó như

1 cấu tử nguyên liệu và cần khống chế đúng tỷ lệ yêu cầu trong quá trình sản xuất

Đối với công nghệ sản xuất ximăng bằng lò quay phương pháp khô, cần sử dụng loạithan có hàm lượng tro ít, nhiệt lượng cao và hàm lượng lưu huỳnh (tạo ra SO3 độc hại)càng thấp càng tốt Hiện nay hầu hết các nhà máy đều quy định chỉ sử dụng than cám cóchất lượng tốt, ví dụ nên dùng than cám Hòn Gai có mức chất lượng từ 3C- HG trở lên(có trị số tỏa nhiệt toàn phần khô Qk > 6500 kcal/kg, hàm lượng tro Ak < 20%, chất bốckhô trung bình Vk 6 - 8%, hàm lượng lưu huỳnh Sk < 0,8%)

1.3. Năng lượng

Trong công nghiệp sản xuất ximăng sử dụng một lượng rất lớn năng lượng, chủ yếu

là điện năng Điện năng cung cấp năng lượng để vận hành các thiết bị trong dây chuyền( lò quay, băng tải, quạt phân ly…) Tính trung bình năng lượng dùng trong sản xuấtximăng khoảng 85÷95 Kwh/tấn ximăng Tùy theo công suất của mỗi nhà máy mà lượngđiện năng tiêu thụ khác nhau Có một số nhà máy xây dựng đường điện riêng phục vụcho sản xuất như nhà máy ximăng Hoàng Thạch, ximăng ChinFon Hải Phòng…

2 Quá trình hóa lý xảy ra khi nung clinker

Phối liệu từ khi vào lò tới khi ra lò (trải qua quá trình tăng nhiệt độ từ nhiệt độ bìnhthường tới khi đạt nhiệt độ kết khối, rồi sau đó nguội dần tới nhiệt độ bình thường) cónhiều biến đổi hóa lý phức tạp qua nhiều giai đoạn Có thể chia các giai đoạn phản ứngmột cách tương đối như sau:

2.1. Giai đoạn nung nóng và sấy khô phối liệu

Khi nhiệt độ của phối liệu được nâng dần từ nhiệt bình thường tới khoảng 250

-3000C là quá trình khử nước lý học, nung nóng phối liệu và lúc này có thể xảy ra một

vài loại phản ứng hóa học nhưng không ảnh hưởng lớn tới quá trình tạo khoáng clinkersau này.

Trong công nghệ sản xuất clinker bằng lò quay phương pháp khô có hệ thống tháptrao đổi nhiệt xyclon, giai đoạn này xảy ra ở xyclon cấp I, tại đó bột phối liệu được trộnlẫn với dòng khí nóng có nhiệt độ 450 – 5000C từ dưới đi lên và truyền nhiệt cho bộtphối liệu Sau đó bột phối liệu nóng được tách ra khỏi dòng khí (nhờ lực ly tâm) và chảyxuống xyclon cấp II

Hình 3 Hệ thống trao đổi nhiệt xyclon

2.2. Giai đoạn phân hủy các khoáng sét

Khi nhiệt độ tăng dần, các loại khoáng sét như caolinit, montmorilonit, ilit,…trong

đó chủ yếu là caolinit (Al2O3.2SiO2.2H2O) sẽ bị phân hủy Nhiệt độ khử nước củacaolinit chủ yếu phụ thuộc vào cấu trúc tự nhiên của nó: caolinit cấu trúc phân tán mịn

dễ dàng khử nước ở 300 - 4200C, loại caolinit tinh thể thô phải nâng cao nhiệt độ tới 475

- 5050C Khi nhiệt độ lên đến 500 - 6000C thì caolinit không còn nước kết tinh, chuyểnsang meta caolinit, nếu tăng thêm nhiệt độ thì một phần phân hủy thành dạng vô địnhhình Al2O3 và SiO2 có hoạt tính:

Trong công nghệ sản xuất clinker bằng lò quay phương pháp khô, giai đoạn này xảy

ra ở xyclon cấp II và cấp III, tại đó bột phối liệu được trộn lẫn với dòng khí nóng cónhiệt độ 500 – 9000C từ dưới đi lên và truyền nhiệt cho bột liệu Quá trình này tương tựnhư ở xyclon cấp I, bột liệu được nâng nhiệt dần và xảy ra các phản ứng phân huỷkhoáng sét và một phần khoáng cacbonat, được tách ra khỏi dòng khí (nhờ lực ly tâm)

và chảy xuống xyclon cấp IV hoặc vào thiết bị tiền nung

2.3. Giai đoạn phân hủy cacbonat

Khi nung phối liệu ximăng, đá vôi (thành phần khoáng là canxi cacbonat CaCO3) bị

phân hủy nhiệt theo phản ứng:

o

600-900 C

CaCO    CaO + COĐây là phản ứng dị thể thuận nghịch, nếu khống chế tốt các điều kiện, phản ứng cóthể xảy ra hoàn toàn Theo lý thuyết, CaCO3 bắt đầu phân hủy ở 6000C, mạnh nhất ở

9000C Trong thực tế nhiệt độ bắt đầu phân hủy CaCO3 trên 6000C nhưng rất chậm,phân hủy mạnh ở 750 - 9000C và mãnh liệt trên 9000C Một số yếu tố ảnh hưởng đến tốc

độ phân giải của CaCO3 là:

+ Nhiệt độ tăng cao, tốc độ phản ứng nhanh

+ Giảm áp lực riêng phần CO2 sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho phân hủy CaCO3

+ Khoáng canxi kết tinh thô, hạt to, thì tốc độ phân giải chậm và ngược lại

2.4. Giai đoạn phản ứng ở pha rắn

Trong quá trình sét và đá vôi phân hủy, các oxit mới sinh lập tức phản ứng với nhauhình thành khoáng clinker Trước hết là sự hình thành canxi aluminat (CA) ở nhiệt độkhoảng 7000C, sau đó CA kết hợp với CaO ở 900 - 10000C để chuyển thành C5A3 và cuốicùng tạo thành C3A ở 12000C

Sự tạo thành ferit có nhiều ý kiến khác nhau, nhưng đa số cho rằng ở khoảng nhiệt

độ trên 7000C đã có phản ứng giữa CaO và Fe2O3 tạo thành C2F, sau đó kết hợp thêmCaO và Al2O3 hình thành C4AF Nhiều công trình nghiên cứu cho rằng các khoáng ferittạo thành một dãy dung dịch rắn C6A2F - C4AF - C6AF2, mà công thức khoáng đại diệncủa nó là C4AF (tetracanxi alumo ferit)

Từ trên 7000C bắt đầu phản ứng của CaO với SiO2 tạo thành đicanxi silicat (C2S)

Quá trình trên có thể đơn giản hóa bằng các phương trình phản ứng như sau:

3CaO + Al O 3CaO.Al O4CaO + Al O + Fe O 4CaO.Al O Fe O2CaO + SiO 2CaO.SiO

2.5. Giai đoạn phản ứng tạo khoáng C 3 S khi xuất hiện pha lỏng

Phản ứng giữa SiO2 và CaO trước hết tạo thành C2S rồi sau đó kết hợp tiếp với CaOmới sinh để chuyển thành C3S, là một khoáng clinker chính tạo cho đá ximăng có cường

độ ban đầu cao và phát triển cường độ nhanh Điều kiện để phản ứng C2S kết hợp vớiCaO thành C3S là sự xuất hiện của pha lỏng Khi pha lỏng xuất hiện thì C2S, CaO bắt đầuhòa tan vào pha lỏng và kết hợp với nhau thành C3S theo phản ứng sau:

o

(1250-1450 C) pha long

Lượng pha lỏng và độ nhớt của pha lỏng ảnh hưởng rất lớn đến sự tạo thành C3S.Các cation có tác dụng làm giảm độ nhớt của pha lỏng được sắp xếp theo thứ tự:

K+ < Na+ < Ba2+ < Sr2+ < Ca2+ < Mg2+ < Fe2+ < Mn2+

Như vậy, các cation Fe2+ và Mn2+ có tác dụng làm giảm độ nhớt nhiều nhất Vì thếtrong phối liệu clinker ximăng pooclăng nếu thiếu Fe2O3 người ta phải sử dụng phụ giagiàu sắt để điều chỉnh Trên thực tế ở Việt Nam, nguồn nguyên liệu của tất cả các nhàmáy ximăng đều thiếu Fe2O3, vì vậy phụ gia giàu sắt (quặng sắt hoặc xỉ pyrit, laterit) làphụ gia không thể thiếu trong sản xuất clinker ximăng pooclăng

Trong lò quay nung clinker ximăng, giai đoạn phản ứng pha lỏng để tạo khoáng C3Sxảy ra ở nhiệt độ cao nhất (1350 – 1500oC) và tại đó được gọi là dôn nung Quá trình

này cần khoảng thời gian từ 25 – 30 phút để tất cả CaO trong bột liệu có thể liên kết hếtthành C3S, vì vậy dôn nung của lò quay thường có chiều dài khoảng 20 – 30 m.

2.6. Giai đoạn làm nguội clinker

Tốc độ làm nguội clinker ảnh hưởng rất lớn tới hình thái cấu trúc của khoáng clinker

và tính chất của clinker Để giữ được các khoáng clinker đã tạo thành khi nung ở nhiệt

độ kết khối thì việc làm nguội nhanh clinker là cần thiết để hạn chế sự phân hủy cáckhoáng đó, đặc biệt để ngăn cản sự biến đổi thù hình của C2S từ dạng - C2S sang dạng

- C2S

Khi làm nguội nhanh, đồng thời với sự đông cứng đột ngột của pha thủy tinh, cáctinh thể C3S sẽ kết tinh dạng hạt mịn làm tăng hoạt tính của chúng khi thủy hóa

Khi làm nguội nhanh, clinker dễ nghiền hơn do có ứng suất nội lớn

Giai đoạn làm nguội clinker xảy ra ngay ở cuối dôn nung chuyển sang dôn làmnguội, khi đó nhiệt độ của clinker giảm nhanh từ 1450oC xuống 1100 – 1200oC và đượcđưa ra khỏi lò quay Quá trình làm nguội tiếp theo được thực hiện trong thiết bị làmnguội Trong công nghệ sản xuất clinker ximăng có các dạng thiết bị làm nguội khácnhau như làm nguội kiểu lò hành tinh, làm nguội kiểu ống quay và làm lạnh kiểu ghi,trong đó thiết bị làm nguội kiểu ghi có hiệu suất làm nguội nhanh nhất

Quy trình sản xuất ximăng gồm 5 công đoạn đoạn sau:

- Công đoạn 1: Công đoạn khai thác vận tải, đập nhỏ và đồng nhất sơ bộ cácnguyên liệu

- Công đoạn 2: Công đoạn nghiền và đồng nhất bột sống

- Công đoạn 3: Công đoạn nung luyện clinker ximăng

- Công đoạn 4: Công đoạn làm nguội clinker

- Công đoạn 5: Công đoạn nghiền, đồng nhất, đóng bao

3.1. Công đoạn khai thác vận tải, đập nhỏ và đồng nhất sơ bộ các nguyên liệu

Trước khi khai thác mỏ nguyên liệu cần được thăm dò tỉ mỉ, ít nhất phải có 20%tổng trữ lượng đá vôi cả mỏ Yêu cầu kĩ thuật đối với công đoạn này là làm thế nào để

đá vôi, đất sét, quặng sắt…từ các mỏ nguyên trạng thái về đến kho nhà máy có độ chênhlệch về thành phần hoá học ít nhất so với vốn có tại mỏ, có kích thước cỡ cục cấp đượccho nhà máy nghiền bột sống phôi liệu với giá thành thấp nhất và với khối lượng dự trữcần thiết để đảm bảo cho sản xuất liên tục ở các công đoạn sau

Đối với đá vôi, chỉ phân tích cacbonat hoặc chính xác hơn là CaO Đối với đất sét thì

có thể phân tích SiO2 hoặc Al2O3 tuỳ theo yêu cầu cụ thể Đối với quặng sắt thì phântích Fe2O3 Đối với than thì có thể thử nhiệt năng hoặc hàm lượng tro,…

Đất hoặc đất sét từ mỏ khảo sát tham dò tỉ mỉ cũng được khai thác theo phương pháplựa chọn Nếu là đất sét ruộng đồi nhưng độ cứng không cao và sét mềm, tơi mịn khônglẫn sỏi sạn thì sử dụng thiết bị xúc – cào chắn theo chiều ngang Nếu sét đồi có độ cứnglớn hơn thang 3 Morth thì được khai thác bằng gàu xúc ngoạm cỡ lớn có nhiều vỉa khácnhau, đập nhỏ ngay ở mỏ đến cỡ cục nhỏ hơn 50mm rồi được băng tải đưa về

Hình 4 Khai thác đá vôi

Quặng sắt dạng bã thải công nghiệp sản xuất axit sunfuric thì ở dạng bột nên khôngphải qua máy đập nhưng phải qua máy tách kim loại trước khi rút cấp cho máy nghiềnnguyên liệu Trường hợp là quặng kim sắt cũng phải cho qua máy đập và đánh đống đểđồng nhất sơ bộ

Các phụ gia điều chỉnh mođun silic (SR) hoặc mođun aluminat (AR) cũng phải thựchiện như quặng sắt tự nhiên Trường hợp các loại phụ gia điều chỉnh kể cả quặng sắt nếukích thước lớn cũng đều phải đưa vào máy đồng nhất sơ bộ.

3.2. Công đoạn nghiền và đồng nhất bột sống

Yêu cầu của công đoạn này là đảm bảo thành phần hoá học và ổn định độ mịn củabột sống phối liệu cấp cho lò nung clinker Để đảm bảo yêu cầu đó, đầu tiên các kỹ sưchế tạo sử dụng các phần mềm tính phối liệu sẵn trong máy vi tính và căn cứ vào thànhphần khoáng để tính ra thành phần hoá học và trị số các chỉ tiêu kỹ thuật chế tạo clinker

Đá vôi, đất sét và phụ gia điều chỉnh được cấp vào máy nghiền qua hệ thống cân DOSIMAT và cân bằng điện tử Máy nghiền nguyên liệu sử dụng hệ thống nghiền bisấy nghiền liên hợp có phân ly trung gian Các bộ điều khiển tự động khống chế tỷ lệ %của đá vôi, đất sét, bô xít và quặng sắt cấp vào nghiền được điều khiển bằng máy tínhđiện tử thông qua các số liệu phân tích của hệ thống QCX, đảm bảo khống chế các hệ sốchế tạo theo yêu cầu Bột liệu sau máy nghiền được vận chuyển đến các silô đồngnhất, bằng hệ thống gàu nâng, máng khí động

Hình 5 Máy nghiền nguyên liệu

3.3. Công đoạn nung luyện lò clinker ximăng

3.3.1 Cấp liệu cho lò nung

Yêu cầu công nghệ của công đoạn này là rút bột liệu sống tư đáy silô đồng nhất cấpđều đặn và ổn định năng suất theo kế hoạch vận hành lò nung thông qua cân bằng định

lượng kèm theo van điều tốc rút liệu, băng tải cao su , hệ thống gàu nâng kèm theo cácmáng khí động tải bột cấp cho lò quay phương pháp khô, hệ thống máng khí động hồilưu bột quay lại silô đồng nhất trong trường hợp lò có sự cố kỹ thuật phải giảm năngsuất hoặc lò đứng.

3.3.2 Nghiền và cấp than mịn, dầu nặng cho lò nung

Nhiệm vụ của phần này là giữ vững chất lượng khối lượng than mịn hoặc dầu hoặcthan - dầu cấp cho cả hai đầu lò nung

Yêu cầu chất lượng của than mịn cấp cho lò nung là ổn định độ mịn để than cháy hết

và dể bắt cháy, ổn định độ ẩm (<0.5%) để đề phòng nổ than trong lò silô chứa than mịn

và vận tải trên đường ống từ máy nghiền tới silô và từ silô tới vòi đốt của lò, ổn địnhnhiệt năng để vận hành lò đốt và ổn định chất lượng clinker

Nhiệt độ bốc cháy của than phụ thuộc vào chính hàm lượng chất bốc của nó Hàmlượng chất bốc càng nhiều thì nhiệt độ bắt cháy càng thấp, ngọn lửa càng dài, quá trìnhđốt càng dễ dàng Hàm lượng chất bốc của than antraxit Quảng Ninh là 6% nên nhiệt độbốc cháy của nó là khoảng 550-600oC Vì vậy nhiên liệu trong đốt lò là dầu nặng FOhoặc DO Riêng dầu nặng FO hay DO tuy nhiệt độ cháy <1000oC nhưng vẩn phải hâmnóng đến 90-95oC mới có thể chuyển tới vòi đốt được, vì độ nhớt của dầu ở nhiệt độ nàythường khá lớn không bơm được Để hâm nóng dầu người ta cho hơi nước đi qua ốngngoài bọc ống tải bên trong Nhưng công nghệ này đòi hỏi phải trang bị nồi hơi cồngkềnh, chiếm thể tích Ngày nay người ta sử dụng hâm dầu bằng điện tạo ra nhiệt mắctrong ống sứ bọc ngoài ống dầu nên vừa gọn nhẹ lại rút gọn diện tích nhà máy và côngtrình vận hành

3.3.3 Công đoạn lò nung

Các quá trình hóa lý xảy ra khi nung:

+ Ở 200ºC, tách nước liên kết, sự tách nước này kết thúc ở 950ºC:

CaCO3→ CaO + CO2↑

MgCO3→MgO + CO2↑

CaSO4→2CaO + 2SO2↑+ CO2↑

+ Phân hủy nguyên liệu:

Hệ thống lò khô hiện đại nhất hiện nay phải có trang bị đầy đủ các thiết bị tự độnghoá điều khiển vận hành lò và cụ thể là:

+ Hệ thống phát tia hồng ngoại quét khắp bề mặt lò để đo nhiệt độ ngoài của lònhằm phát hiện những vị trí hao mòn gạch chịu lửa

+ Hệ thống phân tích và báo cáo về trung tâm điều khiển khí lò bao gồm tỷ lệ

+ Hệ thống máy đo các thông số vòng quay các motơ vận hành lò và các bộthông số về điện áp, dòng điện, điện thế …

+ Hệ thống các vô tuyến truyền hình ngọn lửa đầu nóng của lò và các bộ phậnđiều khiển của quay lò…

+ Hệ thống máy tính báo cáo, lưu trữ các thông số vận hành lò và các thông sốhiện trạng của lò

3.4. Công đoạn làm nguội clinker

Mục tiêu của công đoạn này là làm tăng hoạt tính của các khoáng clinker, thu hồinhiệt thải để cấp khí nóng cho vòi đốt clinker và máy nghiền than, cũng như tải clinkerđến máy đập nhỏ rồi đưa lên đổ vào 1 silô hoặc các silô chứa Nguyên tắc làm việc củamáy làm nguội clinker kiểu ghi thép là clinker từ phểu rót xuống trải rộng khắp trêndiện tích ghi với chiều dày 250-350mm Ghi thép chịu nhiệt được lắp thành hàng ngangbuồng máy hình lò tunel, cứ một hàng ghi tĩnh xen một hàng ghi động Chức năng củahàng ghi động là tải clinker đi dọc theo lò tunel về phía trước Còn chức năng của hàngghi tĩnh là cho không khí lạnh từ các quạt áp lực chui qua các khe hở cửa ghi quạt mát

và lấy nhiệt lớp clinker rồi thoát ra theo đường thu hồi khí nóng đến cấp cho vòi phuncủa buồng phân huỷ cacbonat

Các ghi được lắp nghiêng dốc xuống phía trước để tải clinker đến máy đập búa.Trước đây phổ biến là máy làm lạnh ba cấp ghi thép Hiện nay người ta đả cải tiến cơcấu ghi tốt hơn về hiệu suất làm nguội clinker, cũng như tốt hơn về mặt bền nhiệt và độbền ăn mòn cơ học nên máy làm nguội clinker chỉ cần hai cấp với độ dốc lý ghi Đểđánh giá hiệu suất làm nguội của model máy làm nguội clinker thường được căn cứ vàocác chỉ tiêu sau đây:

+ Nhiệt độ của clinker ra khỏi máy làm nguội: Hiện nay đạt được 65oC trênnhiệt độ môi trường

+ Hiệu suất thu hồi nhiệt của máy làm nguội có thể tính gần đúng như sau:

q1.Nh.1000

q2.v1+q3.v2+ Trong đó Hst- hiệu suất thu hồi nhiệt

q1- nhiệt lượng chi tốn cho nung luyện 1 kg clinker

Nh – năng suất làm nguội clinker của máy

1000- hệ số chuyển đổi từ tấn sang kg.

q2, q3-nhiệt lượng của 1 m3 không khí nóng thu hồi qua của 2 và 3.v1, v2- lưu lượng khí nóng thu hồi qua cửa 1 và cửa 2

+ Lưu lượng không khí lạnh cấp cho máy làm nguội clinker bằng các quạt giócủa máy Chỉ số lưu lượng khí lạnh thường là 1,8-2,2m3/kg clinker Chỉ sốcàng gần 1,8 thì hiệu suất làm nguội càng tốt

3.5. Công đoạn nghiền, đồng nhất và đóng bao ximăng

Đây là công đoạn cuối cùng của quá trình sản xuất ximăng Yêu cầu của công đoạnnày là chọn lựa tỷ lệ các cỡ hạt một cách hợp lý nhất của ximăng bột nhằm đạt đượccường độ lớn nhất trên cơ sở chất lượng đã có của clinker với thành phần khoáng và cácchỉ tiêu chế tạo của nó, còn công việc bao gói và xuất xưởng thì chủ yếu nặng hơn vềmặt bán hàng

Hình 6 Máy nghiền ximăng

Clinker từ các silô, thạch cao và phụ gia từ kho chứa tổng hợp được vận chuyển lênkét máy nghiền bằng hệ thống băng tải và gàu nâng, từ két máy nghiền clinker, thạchcao, phụ gia cấp vào máy nghiền được định lượng bằng hệ thống cân DOSIMAS Máynghiền ximăng đều làm việc theo chu trình kín Ximăng ra khỏi máy nghiền được vậnchuyển tới silô chứa ximăng bột bằng hệ thống băng tải, máng khí động

Ở công đoạn này từ đáy các silô chứa, qua hệ thống cửa tháo liệu ximăng được vậnchuyển tới các két chứa của máy đóng bao, hoặc các bộ phận xuất ximăng rời đường bộ

Các bao ximăng sau khi được đóng xong qua hệ thống băng tải sẽ được vận chuyển đếncác máng xuất đường bộ, đường sắt và đường thuỷ.

Xuất ximăng rời

Máy nghiền ximăng

4 Những ưu điểm, nhược điểm của công nghệ

4.1. Ưu điểm

Chất lượng ximăng sản xuất ra đảm bảo được đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật Sảnphẩm được sử dụng rộng rãi trong đời sống như dùng để đổ bêtông khối lớn cho các đê,đập thuỷ lợi, thuỷ điện, trong các công trình ngầm có nhiều mạch nước ngầm và có ionsunphat lớn hơn 200mg/lit…

Với việc sử dụng các công nghệ hiện đại trong việc sản xuất đã giảm thiểu được bớtphần nào sự tác động xấu đến môi trường và tận dụng tối đa các nguyên liệu giảm haophí trong sản xuất Công nghệ sản xuất ximăng PC đả sản xuất ra một lượng lớn sảnphẩm đáp ứng được nhu cầu tiêu dùng trong công cuộc xây dựng ở các quốc gia

4.2. Nhược điểm

Tuy có ứng dụng rộng rải trong đời sống nhưng ximăng pooclăng vẫn có một số mặthạn chế trong việc sử dụng như không thể sử dụng ximăng pooclăng trong các côngtrình tiếp xúc với nước biển, các công trình tiếp xúc với hoá chất, thực phẩm, có độkiềm cao, không sử dụng cho các loại bêtông chịu nhệt, bê tông tiếp xúc với các loạiphóng xạ

Việc phải vận chuyển nguyên liệu từ các mỏ về không những gây tốn kém về kinhphí mà còn gây ra việc ô nhiễm môi trường từ các xe chở vật liệu Trong sản xuất việc

sử dụng nhiều đá vôi đã thải ra môi trường một lượng lớn lượng khí thải CO2 một trongnhững nguyên nhân gây ra hiệu ứng nhà kính làm trái đất nóng lên

Trong điều kiện hiện nay với lượng ẩm trong không khí là tương đối cao nên việcbảo quản ximăng được lâu là rất khó khăn, ví dụ như trong điều kiện khí hậu nước ta,ximăng PC30 sau 2 tháng bảo quản thì cường độ nén đã giảm trung bình 14%, sau 3tháng giảm 23% và sau 4 tháng giảm 26% Để đảm bảo an toàn, ximăng xuất xưởngphải có hệ số dư mác không nhỏ hơn 20% và chỉ lưu kho không quá 2 tháng Như vậyđặt ra thách thức không nhỏ là ximăng sản xuất ra cần tiêu thụ ngay