CHƯƠNG 5 : Thiết lập và thuyết minh dây chuyền sản xuất
6.2. Tính tốn và lựa chọn thiết bị chính cho phân xưởng nung và làm lạnh
6.2.2. Tìm hiểu lị nung
6.2.2.1. Lịch sử phát triển lò nung xi măng
- Sản xuất xi măng lò đứng đã được sử dụng đơn giản từ rất lâu về trước, được người La Mã sử dụng để nung vơi puzolan gần vùng Riverside, Califonia vẫn cịn lị này dưới lòng đất. Từ rất sớm, khoảng năm 1877 tại nước Anh, cơng nghệ sản xuất lị quay đã được phát triển và chiếc lò quay đầu tiên được ghi nhận cấp bằng sáng chế vào năm 1885 do Frederich Ransome chế tạo. Tuy nhiên, phải đến năm 1895 sau khi được hai nhà phát minh người Mỹ Hurry và Seaman phát triển thì người ta mới biết tới lị quay rộng rãi.
- Lị quay có các ưu điểm vượt bật với lị đứng như vận hành cần ít cơng nhân hơn, công suất vượt trội, tiết kiệm nhiên liệu hơn. Bên cạnh đó vì gây ơ nhiễm mơi trường nên lị đứng dần bị “khai tử” và mở ra kỉ nguyên lò quay thống trị.
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. HUỲNH THỊ HẠNH Trang 95 SVTH: VŨ QUỐC THỐNG – 1713363 NGUYỄN THÀNH LUÂN – 1812998 6.2.2.2. Lò đứng - Cấu tạo:
- Lò đứng là thiết bị làm việc dạng đứng, tiết dọn trịn hoặc các hình dạng khác. Chiều cao lị thường từ 8−12m đường kính 2.4−3m. Nhiên liệu được trộn với phối liệu và được tạo thành viên trước khi nạo vào lò, nhờ vậy nhiên liệu cháy truyền trực tiếp cho phối liệu tạo hiệu quả sử dụng nhiệt tương đối cao
Hình 6.4 cấu tạo lò đứng
- Nguyên lý hoạt động:
- Các quá trình biến đổi tạo clinker xảy ra ngay trong cục phối liệu ban đầu. Nhiệt khí thải và lượng nhiệt tổn thất qua thân lị khơng lớn. Trong q trình nhiên liệu cháy, trong phối liệu xảy ra phản ứng phân huỷ, bay hơi khí, kích thước viên nhiên liệu giảm dần, tạo những lỗ trống thuận lợi cho sự thơng khí của lị. Nhiên liệu cho lị đứng nung xi măng là than cốc hoặc than gầy. Các loại than mỡ, than nâu ngọn lửa dài (dùng rất tốt cho lị quay) lại khơng thích hợp do nhiều chất bốc, dễ thốt khỏi nhiên liệu trước khi bắt đầu phản ứng cháy, gây tổn thất nhiên liệu nhiều hơn. Q trình hố lý xảy ra theo chiều cao lò. Phối
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. HUỲNH THỊ HẠNH
Trang 96
SVTH: VŨ QUỐC THỐNG – 1713363 NGUYỄN THÀNH LUÂN – 1812998
liệu (gồm cả nhiên liệu rắn) được tiếp vào lò từ trên cao, sao cho phân bố đều tiết diện ngang. Trong quá trình dịch chuyển từ trên cao xuống, phối liệu đều trải qua các giai đoạn sau:
- Giai đoạn sấy nung nóng
- Giai đoạn phân huỷ đất sét và cacbonate - Giai đoạn nung luyện và kết khối - Giai đoạn làm lạnh
- Q trình hố lý cịn xảy ra theo tiết diện lò. Gần tường lị, trở lực thấp gió mạnh, nhiên liệu dễ cháy nên nhiệt độ cao. Theo chiều từ tường lò vào, lúc viên nhiên liệu đạt nhiệt độ cao bị co lại và theo xu hướng vẫn chuyển rơi theo chiều lịng chảo vào tâm làm cho trở lực gió càng vào tâm càng cao, tốc độ gió càng vào tâm càng yếu. Do đó, vùng tâm lị là vùng sấy đốt nóng, kế tiếp là vùng phân huỷ, tiếp theo là vùng liệu ở khu vực toả nhiệt và gần tường lò là vùng kết khối.
- Quá trình hố lý khi nung clinker trong lị đứng cịn diễn ra ngay trong một viên liệu, gió nóng từ phía dưới lên bao quanh viên liệu và sấy khô bề mặt viên liệu. Oxy khuếch tán vào bề mặt viên liệu làm cho hạt than trên bề mặt viên liệu cháy toả nhiệt thực hiện q trình sấy, nung nóng, phân huỷ nhiệt...
- Khi bề mặt hạt phối liệu nóng đỏ đạt 1300C thì lớp bên trong đang ở nhiệt độ dưới 1000C, thực hiện q trình phân huỷ cacbonat cịn tâm hạt phối liệu cịn đang ở giai đoạn sấy và đốt nóng. Khi nhiên liệu lớp bên trong cháy thì nhiên liệu lớp ngồi cùng đã cháy hết, nhiệt độ do bị đốt nóng toả ra và do các viên liệu xung quanh toả ra làm cho lớp ngồi kết khối, trong khi đó bên trong còn ở giai đoạn toả nhiệt, tiếp theo là lớp phân huỷ cacbonat và trong cùng là lớp sấy khơ. Vì vậy cần khoảng thời gian dài đề kết thúc q trình tạo khống clinker trong viên liệu nên năng suất của lò đứng thấp.
- Sau khi nung, clinker cũng được nghiền với những phụ gia thích hợp thành XMP. Do chất lượng clinker khơng cao, nghiền clinker lị đứng dễ hơn nghiền clinker lò quay. XMP lò đứng chất lượng kém hơn XMP lị quay, khơng đảm bảo vệ sinh mơi trường. Ở những nước cơng nghiệp phát triển, lị đứng có thể
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. HUỲNH THỊ HẠNH
Trang 97
SVTH: VŨ QUỐC THỐNG – 1713363 NGUYỄN THÀNH LUÂN – 1812998
dùng nung những loại xi măng đặc biệt, lị đứng nung clinker nói chung khơng tồn tại.
+ Ưu điểm: Đầu tư rẻ
+ Nhược điểm: Chất lượng clinker không ổn định, tốn nhiều năng lượng, năng suất thấp, không giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường, hiện tại phương pháp này không tồn tại ở những nước cơng nghiệp phát triển. Ở Việt Nam, có khoảng 100 lò đứng với tổng sản lượng khoảng 4 triệu tấn xi măng/ năm. Cơng nghệ xi măng lị đứng sẽ không được tiếp tục đầu tư, các nhà máy hiện có phải chuyển đổi cơng nghệ khác trong tương lai gần.
6.2.2.3. Lò quay
- Phương pháp ướt: - Cấu tạo:
- Lị quay có ống thép hình trụ, nằm ngang, bên trong có gạch chịu lửa tùy theo từng zone.
- Trong phương pháp ướt lị quay thường có chiều dài L = 80 − 120m, đường kính 3 − 6m. Tỉ lệ L/D = 30 − 50 lần, hình dạng lị cũng khơng đơn giản. Lị đặt với tang góc nghiên 2 − 6% so với mặt đất trên bệ đỡ con lăn và quay tốc độ 0.5 − 0.75 vòng/ phút.
- Nguyên lý làm việc:
- Chuyển vận của ngun liệu và khí nóng trong lị quay theo nguyên tắc ngược chiều. Nguyên liệu ướt vào lò từ đầu cao, theo độ nghiêng và lực quay của lò, chuyển động dần tới phần thấp, cuối lò với vận tốc 35 – 45cm/phút. Trong quá trình chuyển vận, phối liệu ln thay đổi bề mặt nhận nhiệt đốt nóng khí cháy, biến đổi hố lý thành cục clinker. Nhiên liệu được phun từ đầu thấp, cháy và truyền nhiệt cho phối liệu, hạ nhiệt độ rồi đi ra ngồi ở phía lị cao của lị. Nhiệt độ khí thải khoảng 200 − 300C.
+ Ưu điểm: phối liệu nghiền mịn, chất lượng clinker cao + Nhược điểm: lị dài, tốn diện tích, vật liệu, chi phí. - Phương pháp khơ:
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. HUỲNH THỊ HẠNH
Trang 98
SVTH: VŨ QUỐC THỐNG – 1713363 NGUYỄN THÀNH LUÂN – 1812998
- Cấu tạo:
- Lị quay có ống thép hình trụ nằm ngang, bên trong lót gạch chịu lửa tùy theo từng zone. Lị nung có tác dụng thực hiện các q trình lý hóa như sau: sấy, đốt, phân hủy cacbonat, kết khối, làm lạnh. Thiết kế của lò phải đảm bảo sao cho quá trình truyền nhiệt, kết khối là tốt nhất, tạo clinker có chất lượng nằm đáp ứng yêu cầu của sản phẩm.
- Trong phương pháp khơ lị quay lị thường được tối giản nhờ hệ thống calciner giảm tỉ lệ L/D = 15 − 17 lần.
- Nguyên tắc hoạt động:
- Phương pháp khô nhằm tăng hiệu quả trao đổi nhiệt ở mức độ cao nhất trong lị quay nung clinker. Các q trình lý hóa của phối liệu khơ xảy ra chủ yếu ở pha rắn (sấy, đốt nóng, phân hủy cacbonat canxi) được thực hiện trong thiết bị đặc biệt gọi là hệ thống trao đổi nhiệt treo. Phần phản ứng pha lỏng (tạo pha lỏng, kết khối tạo clinker, làm lạnh) thực hiện trong phần lò quay. Nhờ vậy lò quay giảm bớt chiều dài, năng lượng tiết kiệm hơn nhiều so với nung clinker bằng phương pháp ướt. Vấn đề môi trường cũng được coi là dễ giải quyết hơn. - Bột phối liệu sau khi nghiền thô ở phương pháp khơ có độ ẩm khoảng 1% được
đưa vào thiết bị trao đổi nhiệt. Sau đó được đưa vào lị quay và cuối cùng là thiết bị làm lạnh. Phương pháp này tiết kiệm được lượng lớn nhiệt dùng để sấy hỗn hợp bùn paste có độ ẩm rất cao.
- Các q trình biến đổi lý hóa chủ yếu:
+ Q trình sấy, mất nước hóa học và phân hủy cacbonat được xảy ra trong thiết bị trao đổi nhiệt và calciner. Còn các phản ứng khác như: tạo khoáng silicat canxi, aluminat canxi, alumoferit, tạo pha lỏng và kết khối clinker được thực hiện tỏng lò quay
+Sau khi clinker ra khỏi lò quay được làm lạnh nhanh để đảm bảo chất lượng bằng thiết bị làm lạnh
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. HUỲNH THỊ HẠNH
Trang 99
SVTH: VŨ QUỐC THỐNG – 1713363 NGUYỄN THÀNH LUÂN – 1812998
+ Nhờ thiết bị trao đổi nhiệt và calciner mà chiều dài của lò đã giảm một cách đáng kể so với lị quay ướt. Giảm được diện tích, vật liệu và chi phí.
Hình 6.5 Lị nung quay phương pháp khơ Tính chọn lị nung.
Thời gian làm việc của lò:
365 35 330
T = − = (ngày/ năm) Số giờ làm việc trong năm:
330 24 7920
H= = (giờ/ năm) Năng xuất xi măng của nhà máy
M M =1500000(tấn/ năm)
Năng suất thực tế trong năm: 1500000
4546.1 0.904 365
G= =
(tấn clinker/ ngày)=189.42(tấn clinker/ giờ) Ta chọn cơng suất lị nung là G1=5000(tấn clinker/ ngày)
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. HUỲNH THỊ HẠNH Trang 100 SVTH: VŨ QUỐC THỐNG – 1713363 NGUYỄN THÀNH LUÂN – 1812998 1 5000 4546.1 100% 100% 9.984% 4546.1 G G P G − − = = =
Lượng dự trữ cần thiết theo kế hoạch sửa chữa: 1 1 1 0,904 0, 096 9.6%
P= − = −K = =
Lượng dự trữ công suất dư:
2 1 9.984 9, 6 0.384% 5%
P = − =P P − =
Lò nung có cơng suất 5000 tấn clinker/ ngày là phù hợp
Lị nung clinker có calciner hiện đại có cơng suất riêng của lò từ khoảng 85- 185(kg clinker/ m3.h). ta chọn lị có cơng suất riêng N0 =180(kg clinker/ m3.h) Năng suất của lò
5000000 208333.33 24 N = = (kg clinker/ h) Thể tích của lị: 2 4 D V = =S L L (m3)
Theo tài liệu hãng FCB thì L=20(D−1)m Mặt khác 0 208333.33 1157.457 180 N V N = = = (m3) Suy ra ta có: 2 5D (D− =1) 1157.457 D=4.554(m) L=20 ( D− =1) 71.071(m) Lị có có chiều dài 72 (m)
Để phục vụ nhà máy em chọn phương pháp khơ lị quay với 3 bệ chiều dài 72m và đường kính 4.6m
6.2.3. Chọn cyclon trao đổi nhiệt
- Hệ thống cyclon trao đổi nhiệt: là thiết bị tận dụng nhiệt tốt nhất ở bên ngồi lị quay. Và ở đây vật liệu dạng bột được vận chuyển theo dịng khí do đó bề mặt trao đổi nhiệt rất lớn và vật liệu được tăng nhiệt độ nhanh chóng trong khoảng thời gian rất ngắn. Nguyên tắc cơ bản của thiết bị này là vật liệu bay lơ lửng
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. HUỲNH THỊ HẠNH
Trang 101
SVTH: VŨ QUỐC THỐNG – 1713363 NGUYỄN THÀNH LUÂN – 1812998
trong dịng khí nóng. được xốy nhiều lần trong cyclon. Tại các cyclon, vật liệu được tách ra khỏi khí và lại tiếp tục q trình tương tự tại cyclon khác. Vì vậy, nhiệt độ khí thải hạ thấp và nhiệt độ vật liệu vào lò tăng cao.
Ưu điểm:
+ Trong thiết bị trao đổi nhiệt này hồn tồn khơng có bộ phận nào chuyển động do đó những khó khăn về vận hành cơ khí sẽ khơng có.
+ Hệ số sử dụng cao (đến 95%)
+ Có thể sử dụng ngun liệu khơng dẻo, khó tạo viên đồng thời hạ tiêu tốn nhiệt để bốc hơi ẩm.
+ Tiêu tốn nhiệt để nung clinker thấp nhất và có thể hạ đến 730 kcal/kgCL và hệ số tác dụng hữu ích cao nhất (55 − 60%).
+ Năng suất riêng clinker của một đơn vị thể tích lị lớn.
+ Chất lượng clinker cao do gia công nhiệt sơ bộ hỗn hợp nguyên liệu trong cyclon tốt, đồng đều.
Nhược điểm:
+ Sức cản thuỷ lực của cyclon và ống nối rất lớn nên phải dùng quạt áp suất cao và tiêu tốn năng lượng cao.
+ Thiết bị cyclon thường đặt cao tới khoảng 90 m. + Nhiệt độ khí thải ra cịn lớn (tới 350°C).
+ Lượng bụi trong khí thải lớn (đến 10%) và việc lọc bụi này gặp khó khăn do nhiều hạt mịn (90% hạt nhỏ tới 90 %) và hàm ẩm trong khí lại thấp.
Có nhiều hãng như: Gumbolt, Polysius, Binler, Crup, Smidth-Riversai.... đã chế tạo cyclon và có nhiều cải tiến, sửa đổi với đặc tính, ưu việt khác nhau.
Trong luận văn này em chọn hệ cyclon trao đổi nhiệt của hãng F.L. Smidth gồm hai nhánh, mỗi nhánh có 5 tầng với một số đặc điểm sau:
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. HUỲNH THỊ HẠNH
Trang 102
SVTH: VŨ QUỐC THỐNG – 1713363 NGUYỄN THÀNH LUÂN – 1812998
Bảng 6.4 Số liệu tháp trao đổi nhiệt 5 tầng
Bậc Đường kính (cm) Chiều dài (cm)
5 4700 10500
4 6000 11500
3 6100 12000
2 6600 13000
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. HUỲNH THỊ HẠNH
Trang 103
SVTH: VŨ QUỐC THỐNG – 1713363 NGUYỄN THÀNH LUÂN – 1812998
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. HUỲNH THỊ HẠNH
Trang 104
SVTH: VŨ QUỐC THỐNG – 1713363 NGUYỄN THÀNH LUÂN – 1812998
6.2.4. Gạch chịu lửa
- Nhiệm vụ của gạch chịu lửa là bảo vệ lò, chống lại tác động của nhiệt độ cao và sự bào mòn của vật liệu do nhiệt độ trong lò nung rất cao 1350 – 1500oC. Mặt khác gạch chịu lửa cũng đóng vai trị giữ nhiệt, hạn chế nhiệt thốt ra mơi trường xung quanh.
Các tính chất gạch chịu lửa:
- Độ chịu lửa của gạch - Độ bền cơ học
- Độ bền nhiệt của gạch - Độ bền hóa của gạch - Độ giãn nở nhiệt của gạch - Độ xốp của gạch
Các loại gạch chịu lửa phổ biến hiện nay sử dụng trong lò: - Gạch Samốt
- Gạch cao nhôm
- Gạch Crom- Magnezit
Từng loại gạch sẽ có cơng dụng riêng biệt được đặt ở các vùng khác nhau trong lò
- Gạch Samốt (vùng sấy khơ, vùng đốt nóng, vùng decabonat hóa) - Gạch cao nhôm (vùng làm lạnh)
- Gạch Crom- Magnezit (vùng tỏa nhiệt, vùng kết khối)
6.2.5. Thiết bị làm lạnh
- Nhiệm vụ của thiết bị làm lạnh là giảm nhiệt độ clinker trước khi đến khâu vận chuyển. Đồng thời thu hồi nhiệt năng để tối ưu hóa nhiệt cho các thiết bị cần thiết trong lị (như calciner, nghiền than).
- Có nhiều loại làm lạnh:
a. Thiết bị làm lạnh kiểu vệ tinh: - Ưu điểm:
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. HUỲNH THỊ HẠNH
Trang 105
SVTH: VŨ QUỐC THỐNG – 1713363 NGUYỄN THÀNH LUÂN – 1812998
+ Không cần thiết bị truyền động, khơng cần quạt do đó giảm tiêu tốn điện năng và tiêu hao cho quá trình nung. Hiệu suất cao tới 66 − 67%
+ Clinker làm nguồi đều phân bố trên tiết diện lớn + Do tiếp xúc nhiều với khơng khí nên làm lạnh tốt hơn - Nhược điểm:
+ Vỏ ống bị nóng và khơng khí có nhiều bụi + Độ làm lạnh đột ngột kém
+ Khơng thể sử dụng cho lị có năng suất lớn
+ Khi dùng cho lị lớn kích thước tăng và kết cấu lắp ráp sẽ phức tạp thêm + Buộc phải kéo dài đầu lò vì ống nối phải đặt cách đầu Zơn kết khối 8-10m để
đảm bảo an tồn. Vì vậy năng xuất của lị giảm mặc dù khu vực đó coi như là khu vực làm lạnh đầu tiên.
Thiết bị làm lạnh kiểu Tang
- Nhược điểm chính của thiết bị này là bề mặt tiếp xúc giữa khơng khí và clinker nhỏ. Khơng khí lọt qua khe hở nhiều ở khớp đầu thùng quay, tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh từ 30-35%, làm lạnh clinker khơng hồn hảo, lò nung phải rộng và cao.
- Do điều kiện làm lạnh không tốt lắm ở những thùng quay thông thường nhiệt độ của clinker được làm lạnh đến 250-400oC nên không được kinh tế lắm. b. Thiết bị làm lạnh kiểu Ghi
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. HUỲNH THỊ HẠNH
Trang 106
SVTH: VŨ QUỐC THỐNG – 1713363 NGUYỄN THÀNH LUÂN – 1812998
Hình 6.7 Sơ đồ thiết bị làm lạnh kiểu Ghi
Hình 6.8 Cấu tạo thiết bị làm lạnh kiểu Ghi
Ghi làm lạnh clinker là một thiết bị làm lạnh clinker. Sau khi clinker đi vào