3.2. Các công đoạn của qui trình sản xuất ximăng
3.2.2. Khai thác đất sét
Đất sét được khai thác từ mỏ sét bằng máy cào đất kiểu gầu múc và sau đó được vận chuyển băng tải phối liệu với đá vơi.
Hình 3.2: Máy cào sét 3.2.3. Vận chuyển và đồng nhất nguyên liệu sơ bộ 3.2.3. Vận chuyển và đồng nhất nguyên liệu sơ bộ
Vận chuyển:
Trước khi phối liệu, đá vôi và đất sét được qua cân băng định lượng để được đo lường và điều khiển giá trị cấp vào băng tải phối liệu. Tại băng tải này đá vôi và đất sét được trộn chung rồi đi cùng nhau về phía máy đánh đống và kho chứa.
Trước khi đến máy đánh đống, đá vôi và đất sét được phân tích bởi máy phân tích nhanh bằng tia nơ-trơn Gam-ma đã hoạt hóa. Nó cung cấp việc phân tích đầy đủ thành phần hóa học của vật liệu đi về phía đống. Máy làm việc bằng cách phóng các nơ-trơn vào trong liệu. Khi các nơ-trơn đụng vào các hạt nhân của các phân tử trong đá vôi và đất sét, những hạt nhân này trở nên mất cân bằng và giải phóng năng lượng dưới dạng tia gam-ma. Mỗi một nguyên tố có một quang phổ tia gam-ma đặc trưng, một ký hiệu được dùng bởi máy tính của P.G.N.A.A cho một sự mơ tả chính xác của những nguyên tố hóa học và tỷ lệ của chúng trong liệu thô. Thiết bị này cho những phân tích trực tuyến theo thời gian thực (real time on-line) và rút ra sự cần thiết để thiết lập một sự
chuẩn bị mẫu đầy đủ và sự phân tích dễ dàng. P.G.N.A.A cũng cung cấp một sự mô tả khá chính xác về thành phần hóa học của tịan bộ đống liệu vào bất kỳ thời điểm nào. Điều này cho phép nhân viên phịng thí nghiệm điều chỉnh số lượng và tỷ lệ của liệu cấp vào để tỷ lệ của đá vôi và đất sét trong đống liệu được đặt đúng để duy trì hệ số vơi bão hòa (lime saturation factor - LSF) thực bằng hoặc hơi thấp hơn giá trị đặt.
LSF cho biết tỷ lệ của CaO (vơi) có trong liệu kết hợp với Al2O3, SiO2 và Fe2O3 (Alumina, Silica, Iron oxides) trong suốt các giai đọan của quá trình nung. Nếu LSF>100%, nghĩa là lượng vôi trong liệu quá dư thừa và sẽ có một phần vơi khơng phản ứng với các ơ-xít khác sau khi nung và gọi là vôi tự do (free lime). Sự hiện diện của vơi tự do có thể dẫn đến sự nứt do giãn nở trong bê-tơng (concrete). Nói cách khác, nếu LSF thấp sẽ khơng đủ vôi trong liệu để phản ứng với các ô xýt khác. Điều này sẽ dẫn đến thiếu các thành phần khóang cần cho độ cứng của xi măng.
Đồng nhất nguyên liệu sơ bộ
Đá vôi và đất sét được đánh đống với mục đích đồng nhất bột liệu. Có nhiều phương pháp đánh đống như phương pháp chevron (đánh đống hình chữ V xếp lớp); phương pháp windrow (đánh đống hình chữ V song song); phương pháp conical (đánh đống kiểu hình cone)
Máy cào liệu kiểu cầu trục sẽ chạy ở mặt trước của đống, lấy liệu theo hướng vng góc với chiều đánh đống. Nó bao gồm một cái cào (rake/harrow) có các răng (teeth) và một xích cào (scraper chain). Cào có góc nghiêng hơi nhỏ hơn góc nghỉ của liệu trong đống. Cào sẽ di chuyển tới lui ngang qua mặt trước của đống, răng cào sẽ làm cho liệu rơi xuống chân đống và được xích cào kéo đến băng tải để đưa liệu đến máy nghiền bột sống.
3.2.4. Nghiền nguyên liệu
Trong những nhà máy xi-măng hiện đại, lò và máy nghiền bột sống được coi như là một khối liên kết. Như chúng ta đã biết, hàm lượng của liệu cấp cho máy nghiền là được thay đổi tùy theo thành phần hóa học của liệu thơ từ đống liệu cũng
như của bụi lò thu hồi được từ lò và tháp tiền nung. Chức năng nghiền và sấy liên hợp diễn ra trong suốt quá trình vận hành phối hợp (compound operation - lò và máy nghiền chạy cùng nhau) thì hầu hết khí nóng cấp cho máy nghiền là được lấy từ lò và tháp tiền nung. Buồng đốt phụ (hot gas generator) là chỉ dùng cho việc khởi động hoặc cấp cho máy nghiền khi khơng đủ khí nóng cấp từ lị, ví dụ khi lị dừng, khi liệu cấp cho máy nghiền có độ ẩm cao hoặc khi lị chạy với năng suất thấp. Bột sống từ vùng nghiền sau đó đi qua bộ phân ly động (dynamic separator) và rời máy nghiền. Việc thu hồi bụi là diễn ra theo hai giai đọan. Đầu tiên, khí nóng được kéo bởi quạt chính qua các cyclone. Những cyclone này làm cho dịng khí đổi chiều nhanh chóng, hình thành những dịng xóay bên trong cyclone. Khi khí thay đổi chiều, nó mất tốc độ và những hạt bụi bị mất trạng thái lơ lửng. Tuy nhiên sự chuyển động vòng tạo ra lực ly tâm đẩy những hạt bụi vào thành của cyclone, khiến chúng rơi xuống. Bụi được hồi về dây chuyền bởi các phễu cấp liệu xoay (Rotary Feeder) và đi vào các máng trượt khí động (Air slide) rồi vào silô đồng nhất (Blending Silo). Các cyclone là các bộ lọc hiệu suất khơng cao. Khi khí nóng rời khỏi các cyclone, những hạt bụi mịn sẽ đi cùng nó. Bụi mịn này sẽ được thu hồi lại bởi lọc bụi túi.
3.2.5. Đồng nhất bột sống
Liệu sau khi ra khỏi máy nghiền bột sống sẽ đi vào silo chứa, silo chứa có 3 nhiệm vụ chính:
- Chứa nguyên - vật liệu (store materials)
- Bảo vệ nguyên - vật liệu (guar materials)
- Đồng nhất vật liệu (homogenizing materials)
3.2.6. Cơng nghệ lị nung
Lò nung là trái tim của bất kỳ nhà máy xi măng nào, vì vậy mục tiêu của người vận hành là giảm tối thiểu sự dừng và tăng tối đa thời gian chạy của nó. Lị bao gồm một vỏ thép hình trụ và bên trong được lót gạch chịu nhiệt (refractory brick) để tránh
sự quá nhiệt và hư hại do tiếp xúc với khí nóng và liệu nóng bên trong. Tuy nhiên gạch hoặc bê tơng chịu nhiệt được lót bên trong các ống hoặc cyclone ở tháp tiền nung và các chỗ tiếp xúc với bột nóng có tính ăn mịn. Dưới các điều kiện vận hành ổn định, vật liệu chịu nhiệt sẽ được thay sau mỗi 10-14 tháng. Đối với nhà máy mới có thể cần sự thay thế thường xuyên hơn.
Xung quanh chu vi phía ngồi là các vành (băng đai) lò để đỡ và làm giảm tối thiểu sự biến dạng đến hình dáng của vỏ lò gây ra bởi sự tiếp xúc với các con lăn (roller) lị. Các băng đai được lắp sao cho có khe hở giữa chúng và vỏ lị để cho phép sự giãn nở nhiệt của vỏ lị. Lị được đặt trên ba cột bê tơng gọi là các bệ đở (station). Truyền động lò gồm một cơ cấu bánh răng truyền (pinion gear) và một motor để quay lò với vận tốc vòng 2-4 vòng/phút (rpm-revolution per minute). Lị có độ nghiêng ~3.5% (~2o), cộng với sự quay lị sẽ làm cho liệu trượt về phía vùng nung. Q trình trao đổi nhiệt là ngược chiều vì liệu và khí nóng đi ngược chiều nhau.
Quá trình nung được chia thành 3 giai đọan rõ rệt:
Vùng can xi hóa (calcining zone): liệu đạt đến nhiệt độ 900 oC và CO2 được tách ra.
Vùng chuyển tiếp (transition zone): liệu đạt đến nhiệt độ 1150 oC và bắt đầu hóa lỏng.
Vùng nung (burning zone): Liệu đạt đến nhiệt độ 1450oC và hồn thành q trình chuyển từ bột nóng thành clinker. Biên giới giữa những pha này là không cố định và có thể thay đổi tùy theo đặc tính hóa học của ngun liệu thô và biên dạng nhiệt (heat profile) –đường biểu diễn nhiệt độ tại các vị trí của lị- của khí lị.
Clinker thường nhận được ở dạng hạt kết khối kích thước 10 – 40mm, có cấu trúc
phức tạp, vì nó bao gồm hàng loạt những pha kết tinh và một số pha thủy tinh. Chất lượng clinker xác định tất cả các tính chất của ximăng pooclăng, cịn phụ gia đưa vào chỉ có tác dụng điều chỉnh các tính chất đó.
Chất lượng clinker phụ thuộc vào thành phần hóa học và thành phần khống vật của nó, vào việc lựa chọn thành phần phối liệu, vào các điều kiện tiến hành nung và chế độ làm nguội clinker.
Tại tháp trao đổi nhiệt này có một lượng khí nóng từ 350oC đến 360 oC thải ra môi trường với lưu lượng khoảng 270.000m3/giờ, vì vậy lượng nhiệt này ta cần tận dụng lại đưa đưa vào hệ thống phát điện.
3.2.7. Thiết bị làm nguội clinker
Hình 3.4: Thiết bị làm nguội clinker
Nhiệt độ của clinker sau khi ra khỏi lị khoảng 1450oC, vì vậy ta cần thiết bị để làm nguội clinker xuống đến khoảng 100-150oC. Thường thì làm nguội theo kiểu ghi.
Thiết bị làm nguội (cooler) bao gồm các tấm thép đúc (grate-ghi) xếp thành các hàng song song, chúng có các lỗ hoặc khe để gió làm mát đi qua. Các hàng ghi luân phiên nhau được gắn với hệ thống dẫn động và di chuyển tới lui (ghi động). Các ghi giữa những hàng di chuyển là đứng yên (ghi tĩnh). Hệ thống dẫn động cho cooler bao gồm xy lanh thủy lực được nối với các thanh sắt và các ghi động để tạo chuyển động tới lui. Sự di chuyển tới lui của các ghi làm cho clinker di chuyển qua cooler và được gọi là chuyển động tịnh tiến qua lại. Phía dưới cooler là các quạt, chúng sẽ thổi gió qua các ghi để làm nguội clinker. Trao đổi nhiệt là ngược chiều khi clinker đi qua dịng khí theo hướng vng góc. Khí cooler là được dùng như khí cho sự cháy cho lị và preheater, hoặc thốt ra khỏi cooler như khí thải (waste/exhaust air).
Tại khu tiết bị làm nguội clinker này có một lượng khí nóng từ 270 oC đến 420 oC thải ra môi trường với lưu lượng khoảng 160.000m3/giờ, vì vậy lượng nhiệt này ta cần tận dụng lại đưa đưa vào hệ thống phát điện
3.2.8. Trữ clinker
Clinker sẽ được mang đi bởi gầu tải đến silô chứa clinker. Trước khi đi vào silô, clinker sẽ được lấy mẫu để kiểm tra chất lượng. Trọng lượng tính theo lít (litre weight) của clinker sẽ được đo để xác định tỷ trọng (density) của clinker (g/lít). Kết quả của việc đo này sẽ cho người vận hành biết các điều kiện bên trong lò. Tỷ trọng thấp nghĩa là clinker được nung chưa chín và lị quá nguội. Ngược lại, nghĩa là clinker được nung q chín lị q nóng, và lượng tiêu tốn nhiên liệu cao.
3.2.9. Nghiền xi măng
Trong công nghệ sản xuất xi măng, máy nghiền xi măng đóng vai trị rất quan trọng. Mục đích là nghiền clinker và một số phụ gia thành xi măng. Các dạng máy nghiền thông thường là máy nghiền bi và máy nghiền con lăn
Máy nghiền con lăn đứng thực hiện 4 chức năng chính: Sấy
Nghiền Phân loại
Vận chuyển liệu
Nghiền: vật liệu được nghiền giữa các con lăn và bàn nghiền khi chúng di chuyển từ
tâm bàn nghiền do lực ly tâm của bàn nghiền khi quay. Đây là phương pháp nghiền hiệu quả nhất so với các loại máy nghiền sử dụng trước đây (nghiền bi, trục ép..)
Sấy: Khí nóng được lấy từ lị trấu để ổn định nhiệt độ cũng như chất lượng xi măng, được sử dụng khi nghiền sản phẩm.
Phân loại:Khi nguyên vật liệu đã nghiền xong thì sẽ tách những hạt thơ và hạt mịn
qua hệ thống phân ly động, những hạt thô không qua được hệ thống phân ly sẽ quay trở lại bàn nghiền.
Vận chuyển liệu: Xi măng và khí sẽ được vận chuyển nhờ sức gió của quạt chính máy nghiền, sản phẩm sẽ được thu hồi thông qua hệ thống lọc bụi tay áo. Sau khi thu hồi xong sẽ được vận chuyển vào silo qua hệ thống máng trượt, xích tải,vít tải.
3.2.10.Tồn trữ xi măng, đóng bao, xuất hàng
Liệu sau khi ra khỏi máy nghiền bột sống sẽ đi vào silo chứa, silo chứa có 3 nhiệm vụ chính:
- Chứa nguyên-vật liệu (store materials)
- Bảo vệ nguyên-vật liệu (guar materials)
- Đồng nhất vật liệu (homogenizing materials) Sau đó liệu từ silo sẽ đi đến máy đong bao để xuất hàng
3.3. Thực trạng
Trong q trình sản xuất vận hành lị nung sẽ phát sinh một lượng khí thải và bụi khá lớn ở nhiệt độ cao (khoảng 360C), chủ yếu tại tầng tháp sấy sơ bộ (phần 3.2.6: Cơng nghệ lị nung) và tại thiết bị làm nguội clinkler (phần 3.2.7: Thiết bị làm nguội clinker). Q trình này vừa gây ơ nhiễm mơi trường, vừa lãng phí năng lượng, từ đó giảm hiệu quả sản xuất. Cụ thể:
Phát thải bụi:
- Các điểm phát thải bụi chính cần kể đến đó là máy nghiền nguyên liệu, hệ thống lò, bộ phận làm mát clinker và nghiền xi măng, hệ thống điểm đổ của các thiết bị vận chuyển...
- Có thể áp dụng các biện pháp phịng ngừa để giảm phát thải bụi ngay tại nguồn.
Phát thải NOx:
- Là hệ quả khơng tránh được của q trình cháy ở nhiệt độ cao, với một phần nhỏ là do thành phần của nhiên liệu và nguyên liệu.
- Có thể được giảm thiểu bằng một số giải pháp sản xuất sạch hơn (giảm lượng oxi trong lò, hạ nhiệt độ nung…) và được xử lý bằng nhiều phương pháp.
Phát thải SO2:
- Do lưu huỳnh trong nguyên liệu thơ và nhiên liệu tham gia q trình cháy trong lị nung. Lưu huỳnh trong nguyên liệu thô như sunfua (hoặc hợp chất lưu huỳnh hữu cơ) ở nhiệt độ thấp (ví dụ 400–600C) và có thế dẫn đến phát thải SO2 đáng kể trong ống khói.
- Giải pháp lựa chọn nguyên liệu thô và nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh thấp là giải pháp giảm thiểu tại nguồn.
Phát thải CO2:
- Trước kia CO2 không được xem là khí gây ơ nhiễm, kể từ khi nghị định thư Kyoto xác định CO2 là khí nhà kính có tác động quan trọng tới hiện tượng biến đổi khí hậu thì CO2 được quan tâm nhiều.
- Nguồn phát thải CO2 bao gồm các nguồn sau:
+ Q trình chuyển hóa canxi cacbonat của nguyên liệu thành canxi oxit
và q trình cháy các bon hữu cơ có trong ngun liệu thơ. + Q trình đốt nhiên liệu hóa thạch .
- Suất phát thải CO2 là 0,9 đến 1 kg/kg clinker xám tương ứng với suất tiêu thụ năng lượng riêng khoảng 800 đến 1.200 kcal/kg clinker tùy thuộc vào nhiên liệu sử dụng. Đối với clinker trắng, suất phát thải này là cao hơn do phải sử dụng nhiều năng lượng hơn.
- Phát thải CO2 từ q trình chuyển hóa canxi cacbonat của ngun liệu thành canxi oxit chiếm tới 60%. Do đó giảm lượng clinker trong xi măng sẽ giảm đáng kể phát thải CO2. Phát thải CO2 từ q trình cháy trong cơng nghiệp xi măng đã giảm được khoảng 30% trong 25 năm qua nhờ áp dụng các lị nung có hiệu suất cao hơn.
Theo tính tốn, khi sản xuất ra một tấn clinker, nhà máy xi măng thải ra ngồi khơng khí lượng khí thải rất lớn 2.500m3 – 2.800m3 ở nhiệt độ từ 350oC đến 380oC với nồng
độ bụi trung bình 50mg/Nm3. Do đó cần phải có những biện pháp thu hồi nhiệt thải nhằm mục đích:
Triệt để tận dụng các nguồn năng lượng dư thừa trong dây chuyền sản xuất clinker. Hàng năm có thể tạo được một sản lượng điện lớn, góp phần làm giảm chi phí sản
xuất xi măng và nâng cao tính cạnh tranh của sản phẩm của nhà máy trên thị trường.
Góp phần vào q trình chung cắt giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính, bảo vệ mơi trường.
Chương 4 TÍNH TỐN TÍNH KHẢ THI VÀ ĐỀ XUẤT LẮP ĐẶT HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN TẬN DỤNG NHIỆT THỪA
4.1. Tính tốn tính khả thi của hệ thống phát điện tận dụng nhiệt thừa [7] 4.1.1. Khảo sát thực tế nhà máy xi măng 4.1.1. Khảo sát thực tế nhà máy xi măng
Như đã phân tích nhà máy xi măng trong chương 3 thì tại khu vực tháp tiền nung và tại khu vực làm nguội clinker sẽ có một lượng bụi và khí nóng thải ra mơi trường. Để có số liệu tính tốn cụ thể, ta tiến hành khảo sát thực tế một nhà máy xi măng tại Kiên Giang với cơng suất lị quay 4500 tấn/ngày và kết quả các thông số được ghi trong các bảng 4.1; 4.2; 4.3
Bảng 4.1: Kết quả khảo sát lượng khí thải và lượng bụi
Lần đo
Tại tháp tiền nung Tại khu vực thiết bị làm nguội clinker Lượng clinker được sản xuất ra hàng ngày (mclinker) Lưu lượng khí thải tại tháp tiền nung (Vsp) Lưu lượng khí thải tại thiết bị làm