2.3.1. Nguyên liệu đá cấp cho quá trình sản xuất xi măng
Tóm tắt q trình sản xuất xi măng có 4 giai đoạn sản xuất chính bao gồm: Khai thác nguyên liệu đá vôi từ mỏ đá; Trung hoà và phối trộn các ngun liệu khống khác như đá vơi, đá sét, silíc,...; Q trình nung hỗn hợp nguyên liệu và sản phẩm cuối cùng là "clinker”; Nghiền clinker, đóng bao và phân phối cho thị trường.Quá trình sản xuất xi măng được biểu diễn trên hình 2.3.
- Giai đoạn 1: Khai thác nguyên liệu đá vôi từ mỏ đá. Xi măng sử dụng
các nguyên liệu thô gồm: Canxi, silic, sắt và nhơm. Những thành phần này có trong đá vơi, đất sét và cát. Xi măng có hỗn hợp cát và đất sét với tỉ lệ nhỏ. Trong cát và đất sét thì có thể đáp ứng nhu cầu về silic, sắt và nhôm. Nguyên liệu thô được tách chiết từ các núi đá vơi sau đó thơng qua băng chuyền được vận chuyển đến các Nhà máy. Ngoài ra cịn có rất nhiều ngun liệu thơ khác được sử dụng trong q trình sản xuất xi măng. Ví dụ như đá phiến, tro bay, vảy thép cán và bôxit những nguyên liệu thô này được mang lại từ nhiều nguồn khác nhau bởi vì lượng yêu cầu nhỏ. Trước khi vận chuyển đến nhà máy thì khối đá lớn được nghiền nhỏ ra và làm cho kích thước của đá tương đương với kích thước của các viên sỏi.
- Giai đoạn 2: Trung hoà và phối trộn các nguyên liệu khống. Ngun
liệu thơ từ quặng sẽ được chuyển đến phịng thí nghiệm của Nhà máy, ở đây sẽ giúp Nhà máy phân tích, phân chia tỉ lệ chính xác giữa đá vơi và đá sét trước khi bắt đầu nghiền. Theo tỉ lệ thơng thường thì 80% là đá vơi và 20% là đá sét. Sau đó nghiền hỗn hợp nhờ vào các con lăn quay và bàn xoay. Bàn xoay quay liên tục dưới con lăn và con lăn tiếp xúc trực tiếp với hỗn hợp. Con lăn sẽ nghiền hỗn hợp thành bột mịn và khi đó thì con lăn đã hồn thành nhiệm vụ. Hỗn hợp nguyên liệu thô sẽ được dự trữ trong đường ống sau khi đã nghiền hỗn hợp thành bột mịn.
Hình 2.3. Sơ đồ quá trình sản xuất xi măng - Giai đoạn 3: Quá trình nung hỗn hợp nguyên liệu. - Giai đoạn 3: Quá trình nung hỗn hợp nguyên liệu.
+ Trước khi nung: Sau khi được nghiền hoàn chỉnh, nguyên liệu được đưa vào buồng trước khi nung. Buồng này chứa một chuỗi các buồng xốy trục đứng, ngun liệu thơ đi qua đây và vào trong lò nung. Buồng trước nung này tận dụng nhiệt tỏa ra từ lò, việc làm này sẽ giúp tiết kiệm năng lượng và khiến cho Nhà máy thân thiện với môi trường hơn.
+ Giai đoạn trong lị: Lị khá lớn và có thể xoay được và nó cũng được
coi là phần quan trọng nhất của quá trình sản xuất xi măng. Trong lị nhiệt độ có thể lên tới 14500C. Nhiệt độ này đạt được là bắt nguồn từ phản ứng hóa học gọi là phản ứng khử cacbon và phản ứng này cịn thải ra khí CO2. Nhiệt độ cao
trong lò làm cho nguyên liệu nhão ra. Chuỗi phản ứng hóa học giữa Ca và SiO2 tạo ra thành phần chính trong xi măng (CaSiO3). Lò nhận nhiệt từ bên ngồi nhờ khí tự nhiên hoặc than đá. Khi nguyên liệu ở phần thấp nhất của lị nung thì nó sẽ hình thành lên sỉ khơ.
- Giai đoạn 4: Nghiền clinker, đóng bao và phân phối cho thị trường. + Làm mát và nghiền thành phẩm: Sau khi ra khỏi lò, sỉ sẽ được làm
mát nhờ vào khí cưỡng bức, sỉ sẽ tỏa ra lượng nhiệt hấp thụ được từ từ giảm nhiệt, lượng nhiệt mà sỉ tỏa ra sẽ được thu lại quay trở vào lò, việc làm này giúp tiết kiệm được năng lượng. Tiếp đến là giai đoạn nghiền hồn chỉnh, nó chính là các viên bi sắt, giúp nghiền bột mịn ra, và loại bột mịn mà chúng ta nhìn thấy và đang sử dụng chính là xi măng.
+ Đóng bao và vận chuyển: Sau khi nghiền thành bột chúng được đóng
bao với trọng lượng từ 20-40 kg/túi, sau đó chúng được đi phân phối tới các cửa hàng rồi đến tay người tiêu dùng.
2.3.2. Xác định hàm lượng và trữ lượng các nguyên liệu khoáng cho quá trình sản xuất xi măng trình sản xuất xi măng
Trên các mỏ đá vôi làm nguyên liệu sản xuất xi măng, chất lượng đá vôi khai thác ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng và quá trình sản xuất xi măng. Các khâu công nghệ khai thác đá vôi từ khâu khoan, nổ, xúc bốc, vận tải và đập nghiền đá cung cấp ngun liệu khống cho q trình sản xuất xi măng thì chất lượng đá vơi khơng thay đổi ở từng khu vực khai thác. Để đảm bảo chất lượng đá nguyên khai (các thành phần nguyên liệu khoáng) cần có kế hoạch khai thác hợp lý phục vụ sản xuất xi măng, đặc biệt là đá vơi thường có chất lượng thấp, hàm lượng thành phần hóa khơng ổn định, bị xen kẹp nhiều thấu kính đất đá phi nguyên liệu (đá vôi silic, đôlômit,…).
Chất lượng đá vôi được đánh giá thơng qua cơng tác thăm dị và lấy mẫu phân tích thành phần hố cơ bản 4 chỉ tiêu nguyên liệu khoáng (CaO, MgO, MKN (mất khi nung) và CKT (cặn khơng tan)) và hóa toàn phần 12 chỉ tiêu nguyên liệu khoáng (gồm CaO, MgO, SiO2, Al2O3, Fe2O3, SO3, P2O5, Na2O5, K2O, Mn2O3, TiO2, MKN) được tiến hành dựa trên cơ sở đặc điểm thành phần đá, mức độ phong hố và chiều dày của lớp đất đá đó; cho nên chiều dài mẫu ln có sự thay đổi để phù hợp với điều kiện thực tế của mỏ.
Trên thực tế các mỏ đá vôi làm nguyên liệu sản xuất xi măng, hàm lượng các nguyên liệu phân bố không đều cả về chiều rộng và chiều sâu cho phép khai thác. Do đó, trong q trình khai thác cần xác định chính xác hàm lượng và trữ lượng trên từng khu vực khai thác, từng tầng khai thác để đáp ứng yêu cầu về chất lượng, sản lượng các nguyên liệu đầu vào của Nhà máy sản xuất xi măng.
2.3.3. Xác định hàm lượng và trữ lượng các nguyên liệu khoáng trên các khu vực khai thác khu vực khai thác
Cơng tác lấy mẫu phân tích thành phần hố cơ bản 4 chỉ tiêu (gồm CaO, MgO, MKN và CKT) và toàn phần 12 chỉ tiêu (gồm CaO, MgO, SiO2, Al2O3, Fe2O3, SO3, P2O5, Na2O5, K2O, Mn2O3, TiO2, MKN) được tiến hành dựa trên cơ sở đặc điểm thành phần đá, mức độ phong hoá và chiều dày của lớp đất đá đó; cho nên chiều dài mẫu ln có sự thay đổi để phù hợp với điều kiện thực tế của mỏ. Vì vậy, để tăng độ chính xác, các giá trị hàm lượng trung bình sẽ được tính theo cơng thức trung bình gia quyền:
Trong đó: Ctb: Hàm lượng trung bình của cơng trình hoặc của các cơng trình, %; C1, C2,…, Cn: Hàm lượng của từng mẫu đơn trong một cơng trình hay hàm lượng của cơng trình trong khối tính trữ lượng, %; l1, l2,…, ln: Chiều dài của từng mẫu đơn trong một cơng trình hay chiều dài của từng cơng trình trong một khối tính trữ lượng, m; n: Tổng số mẫu đơn đạt chỉ tiêu tính trữ lượng trong một cơng trình hay tổng số cơng trình tham gia tính trữ lượng trong khối.
Hàm lượng trung bình các thành phần hoá cơ bản trong khối trữ lượng được tính theo phương pháp trung bình cộng hàm lượng của cơng trình mẫu mặt và khoan trong khối trữ lượng.Theo TCVN 6072:1996, nguyên liệu để sản xuất xi măng pc lăng - đá vơi phải thoả mãn quy định: Hàm lượng canxi cácbonat (CaCO3) không nhỏ hơn 85% và hàm lượng magiê cácbonat (MgCO3) không lớn hơn 5%. Trong đó hàm lượng canxi cácbonat (CaCO3) được tính chuyển từ hàm lượng canxi oxit (CaO) (xác định theo TCVN 141: 1986) nhân với hệ số
n n n n n tb ) l ... l l ( l C ... l C l C ( C 1 2 1 2 2 1 1 1
1,7857. Hàm lượng magiê cácbonat (MgCO3) được tính chuyển từ hàm lượng magie oxit (MgO) (xác định theo TCVN 141:1986) nhân với hệ số 2,10.Thông thường, trong sản xuất cần cân bằng lượng canxi cácbonat (CaCO3) và silíc oxit (SiO2) bởi vì chúng ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng yêu cầu của quá trình sản xuất xi măng. Thực tế, để sản xuất 1 tấn clinker cho sản xuất xi măng thì cần khoảng 1,6 tấn các nguyên liệu khoáng chủ yếu như CaCO3, SiO2, Al2O3 và Fe2O3. Trong đó bao gồm 1,2-1,3 tấn CaCO3 và còn lại các nguyên liệu khoáng khác.
Trong phạm vi nghiên cứu này, mơ hình tối ưu được giới thiệu như cơng cụ lập kế hoạch khai thác ngắn hạn cho các mỏ đá vôi làm xi măng, đồng thời mô hình tập trung tính tốn cân bằng các đối tượng nguyên liệu khoáng và kiểm soát nguyên liệu đầu vào trên mỏ đá trong quá trình sản xuất xi măng.Căn cứ vào kế hoạch khai thác và phạm vi khai thác của mỏ ta xác định hàm lượng và trữ lượng các nguyên liệu khoáng khu vực khai thác trùng với diện tích khai thác từng năm của mỏ đã thiết kế. Trong diện tích khai thác đó hàm lượng tại mỗi vị trí cũng khác nhau. Để thuận tiện trong tính tốn ta chia diện tích khai thác của từng năm làm 3 khu vực khai thác, mỗi khu vực khai thác tương ứng với một gương khai thác. Theo kết quả phân tích các thơng số trong từng lỗ khoan thuộc phạm vi nghiên cứu ta xác định được hàm lượng, trữ lượng trung bình trong từng khu vực:
+ Khu vực I: Có diện tích là S1, trữ lượng Qc1 và hàm lượng trung bình g1. + Khu vực II: Có diện tích là S2, trữ lượng Qc2 và hàm lượng trung bình g2. + Khu vực III: Có diện tích là S3, trữ lượng Qc3 và hàm lượng trung bình g3.
Hàm lượng trung bình tại mỗi khu vực được xác định theo chiều sâu của các lỗ khoan có trong khu vực đó. Trong trường hợp các lỗ khoan có khoảng cách xa thì tiến hành nội suy để xác định hàm lượng tại vị trí mới giữa 2 lỗ khoan.Hàm lượng trung bình trong lỗ khoan theo chiều sâu được xác định bằng tỷ số giữa tổng hàm lượng theo chiều dài của các đoạn mẫu tương ứng và số các đoạn mẫu có trong lỗ khoan.
Chiều dài (li) Hàm lượng (gi) li*gi lo go l0*go l1 g1 l1*g1 l2 g2 l2*g2 l3 g3 l3*g3 . . . . . . . . . ln gn ln*gn li ligi li gi li g .
Trường hợp hàm lượng tại mỗi khu vực xúc bằng hàm lượng tiêu chuẩn (αtc) thì mỏ tiến hành hoạt động bình thường. Xúc bốc đá sau nổ mìn lên xe ôtô vận chuyển về khu vực chế biến của Nhà máy.
Trường hợp hàm lượng tại mỗi khu vực xúc khác hàm lượng tiêu chuẩn (αtc) thì tiến hành trung hịa các khu vực khai thác để đảm bảo yêu cầu về chất lượng và số lượng các nguyên liệu khoáng cho sản xuất xi măng
2.3.4. Xác định hàm lượng và trữ lượng các nguyên liệu khoáng theo mức khai thác khai thác
Theo tài liệu thăm dị thì mạng lưới các lỗ khoan rất thưa và trữ lượng, hàm lượng của các nguyên liệu khoáng thay đổi theo chiều sâu lỗ khoan mà sản lượng khai thác trong ngắn hạn chỉ khai thác trong một diện tích nhỏ. Do đó, trong q trình khai thác phải tiến hành tính tốn, phân tích, nội suy để kết hợp các thông tin giữa các địa tầng hoặc các vỉa khoáng sản và chỉ tiêu chất lượng tương ứng của chúng thông qua các mẫu thu thập được từ lỗ khoan.
Trong quá trình thu thập thơng tin từ các lỗ khoan có thể xảy ra trường hợp có một vài thơng tin của một lỗ khoan nào đó khơng thể hiện hoặc không xác định được làm cho quá trình liên kết các thơng tin các lỗ khoan hình
thành vỉa quặng sẽ gặp khó khăn. Phương pháp nội suy để xác định được hàm lượng tại vị trí mới dựa trên kết quả đã phân tích giữa 2 lỗ khoan gần nhất. Kết quả nội suy nhằm rút ngắn khoảng cách và thêm các thơng tin trong khoảng cách cần tính tốn để cho ra kết quả chính xác hơn.
Kết hợp thông tin lỗ khoan theo các tầng khai thác được xác định bằng tỷ số giữa tổng hàm lượng theo chiều dài của các đoạn mẫu và số đoạn mẫu có trong tầng khai thác.
H gi li g .
Sau khi xác định được hàm lượng trung bình của các lỗ khoan trong tầng khai thác nếu cho giá trị tương đương với hàm lượng tiêu chuẩn thì tiến hành khai thác mỏ bình thường.
Trường hợp hàm lượng trung bình của các lỗ khoan trong tầng khai thác khác với hàm lượng tiêu chuẩn thì tiến hành khai thác xuống tầng tiếp theo để trung hòa hàm lượng giữa các tầng đảm bảo yêu cầu chất lượng và số lượng các nguyên liệu khoáng cho sản xuất xi măng.
2.3.5. Q trình trung hồ chất lượng và phối liệu nguyên liệu khoáng
Trên kết quả khảo sát và thăm dò chất lượng đá vôi trên mỏ đá, chất lượng và sản lượng yêu cầu của Nhà máy xi măng thì kế hoạch khai thác mỏ được lập chi tiết cho ngắn hạn và dài hạn. Tuy nhiên, trong thiết kế chủ yếu chỉ dẫn những thông số cơ bản ban đầu của hoạt động khai thác mỏ mang tính
Kết hợp thơng tin lỗ khoan theo tầng
tổng thể, dài hạn, thực tế trong khai thác và sản xuất cụ thể cần quan tâm đến chất lượng của tầng phủ và đá thải xen kẹp trong đá và quy mô từng ca sản xuất. Các nguyên liệu đá vôi, đá sét hàm lượng thấp có thể sử dụng như nguyên liệu chất lượng thấp để phối trộn với nguyên liệu chất lượng cao. Do đó cần xây dựng cơ sở lý thuyết của phương pháp ổn định chất lượng các thành phần hố trong đá vơi xi măng và tối ưu hóa khai thác dựa trên điều kiện hàm lượng và khả năng sản lượng của các nguồn nguyên liệu khoáng được khảo sát đánh giá trên mỏ.
Từ sơ đồ hình 2.4, nguồn nguyên liệu khoáng được khai thác từ mỏ được đập, nghiền, phối trộn, trung hoà khối lượng và hàm lượng các nguyên liệu khoáng khác nhau một cách chính xác trong khoang chứa, các xilơ.
Hình 2.4. Sơ đồ khai thác, đập nghiên và trung hoà các nguyên liệu khoáng đảm bảo chất lượng sản xuất xi măng (Austin, 1984)
Một số phương pháp trung hòa ổn định chất lượng đá vôi khai thác đang được các Nhà máy xi măng ở Việt Nam sử dụng:
- Chỉ khai thác những khu vực đá vơi có chất lượng đáp ứng u cầu sản xuất xi măng, các khu vực chất lượng xấu và các vỉa đá kẹp bị thải ra bãi thải.
- Phối trộn 2 hay nhiều gương khai thác có chất lượng đá vôi, đá sét khác nhau để cung cấp đá về Nhà máy (chất lượng các mẫu nguyên liệu khống
trong đá vơi, đá sét được cập nhật lấy mẫu thường xuyên trong quá trình khoan bãi nổ và xúc bốc).
- Lấy phoi khoan thăm dò và khi khoan chuẩn bị bãi nổ để thí nghiệm mẫu và đánh giá chất lượng bãi mìn sau đó lập kế hoạch xúc bốc cấp nguyên liệu khoáng.
- Một số mỏ đá vôi sản xuất xi măng đã xem xét việc ứng dụng phần mềm trong quản lý khai thác nguyên liệu thô nhưng thông tin dữ liệu địa chất đầu vào có độ tin cậy thấp do mạng lưới thăm dị đánh giá giữa các lỗ khoan lớn (mạng thăm dò ≥ 200 x 100 x 50m), trong thực tế khai thác khoan nổ, xúc bốc có kích thước nhỏ hơn nhiều lần cho từng khu vực.
2.3.6. Trung hòa tại gương khai thác
Từ các mục tiêu cụ thể là lập kế hoạch khai thác trung hòa ngắn hạn hàm lượng các nguyên liệu khoáng trên các gương khai thác đảm bảo sản lượng khai thác phù hợp với khả năng sản lượng của từng khu vực mỏ.
Các thành phần nguyên liệu khoáng và yêu cầu hàm lượng sản xuất xi măng được biểu diễn trong bảng sau:
Bảng 2.2. Tỷ lệ phần trăm các nguyên liệu khoáng trong sản xuất xi măng(Rehman et. al, 2008)
Thành phần hoá Tỷ lệ % các nguyên liệu
Nhỏ nhất Lớn nhất SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MKN MgO Na2O K2O 14,00 2,70 1,65 40,00 35,00 0 0 0 15,00 3,40 2,17 42,00 40,00 2,00 0,50 0,50
Các chỉ tiêu nguyênliệu thông thường hỗn hợp phối liệu của Nhà máy xi măng như sau: Đá vôi: 75-95%; Đất sét: 5-20%; Phụ gia điều chỉnh: 1-5%. Các tham số liên quan khác như: MgO, SO3, R2O, Cl-. Trong đó yêu cầu hàm
lượng MgO khi đưa vào sản xuất clinker phải 2,5% (TCVN 6072-1996). Cụ thể hàm lượng các nguyên liệu khoáng chủ yếu đạt yêu cầu và được chấp nhận trong trung hồ chất lượng ngun liệu là canxi oxít (CaO) mà trên