Chương 2. TỰ ĐỘNG HÓA MỘT SỐ QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ
2.3. Tự động hóa quá trình sản xuất xi măng
2.3.1. Giới thiệu công nghệ sản xuất xi măng
1) Lịch sử phát triển của ngành sản xuất xi măng a) Sản xuất xi măng trên thế giới.
Từ xa xưa, con người đã biết dùng những vật liệu đơn sơ như đất sét, đất bùn nhào rác, dăm gỗ, cỏ khô băm …để làm gạch, đắp tường, dựng vách cho chỗ trú ngụ của mình.
Quá trình hình thành xi măng có thể tóm lược như sau:
- Người Ai Cập đã dùng vôi tôi làm vật liệu chính.
- Người Hy Lạp trôn thêm vào vôi đất núi lửa ở đảo Santorin, hỗn hợp này đã được các nhà xây dựng thời đó ưu ái nhiều năm.
- Người La Mã thêm vào loại tro – đất núi lửa Vésuve miền Puzzolles. Về sau này, phún xuất thạch núi lửa được dùng làm một loại phụ gia hoạt tính chịu cách nhiệt và cách âm, và trở thành danh từ chung “Pozzolana” (Anh),
“Pouzzolane” (Pháp)
- Vào năm 1750, kỹ sư Smeaton người Anh, nhận nhiệm vụ xây dựng ngọn hải đăng Eddystone vùng Cornuailles.
Ông đã thử nghiệm dùng lần lượt các loại vật liệu như thạch cao, đá vôi, đá phún xuất… Và ông khám phá ra rằng loại tốt nhất đó là hỗn hợp nung giữa đá vôi và đất sét.
- Hơn 60 năm sau, 1812, một người Pháp tên Louis Vicat hoàn chỉnh điều khám phá của Smeaton, bằng cách xác định vai trò và tỷ lệ đất sét trong hỗn hợp vôi nung nói trên. Và thành quả của ông là bước quyết định ra công thức chế tạo xi măng sau này.
- Ít năm sau, 1724, một người Anh tên Joseph Aspdin lấy bằng sáng chế xi măng (bởi từ latinh Caementum : chất kết dính), trên cơ sở nung một hỗn hợp 3 phần đá vôi + 1 đất sét
- Chưa hết, 20 năm sau, Isaac Charles Johnson đẩy thêm một bước nữa bằng cách nâng cao nhiệt độ nung tới mức làm
nóng chảy một phần nguyên liệu trước khi kết khối thành “clinker”.
Từ đây, như chúng ta biết, đã bùng nổ hằng loạt các nhà máy lớn nhỏ với nhiều kiểu lò nung tính năng khác nhau: xi măng đã làm một cuộc cách mạng trong lĩnh vực xây dựng.
b) Sản xuất xi măng ở Việt Nam.
Cùng với ngành công nghiệp than, dệt, đường sắt... ngành sản xuất xi măng ở nước ta đã được hình thành từ rất sớm. Bắt đầu là việc khởi công xây dựng nhà máy xi măng Hải Phòng vào ngày 25/12/1889, cái nôi đầu tiên của
qua hơn một thế kỷ xây dựng và phát triển, đội ngũ những người thợ sản xuất xi măng Việt Nam ngày càng lớn mạnh. Với lực lượng cán bộ, công nhân gần 50.000 người, ngành sản xuất xi măng Việt Nam đã làm nên những thành tựu to lớn, đóng góp quan trọng vào sự nghiệp phát triển kinh tế xã hội của đất nước.
Một thế kỷ trước đây xi măng Việt Nam mới chỉ có một thương hiệu con Rồng nhưng đã nổi tiếng ở trong nước và một số vùng Viễn Đông, Vlađivostoc (LB Nga), JAWA (Inđônêxia), Xingapo, Hoa Nam (Trung Quốc)... Sau ngày giải phóng miền Nam, năm 1975 lại có thêm thương hiệu xi măng Hà Tiên, đến nay ngành xi măng nước ta đã có thêm hàng loạt những thương hiệu nổi tiếng như: Xi măng Bỉm Sơn nhãn hiệu Con Voi, xi măng Hoàng Thạch nhãn hiệu con Sư Tử, xi măng Hà Tiên II, Bút Sơn, Hoàng Mai, Tam Điệp, Nghi Sơn, Chinh Phong...
Từ các nhà máy sản xuất xi măng ở Trung ương đến nhà máy ở các địa phương, từ doanh nghiệp Nhà nước đến các công ty cổ phần, công ty liên doanh... ngành sản xuất xi măng đã có mặt ở mọi miền của đất nước, sẵn sàng thoả mãn nhu cầu xi măng cho các công trình xây dựng. Công nghệ sản xuất xi măng ở nước ta cũng đa dạng từ các nhà máy có công nghệ lò đứng đến các nhà máy có công nghệ lò quay và sản xuất từ phương pháp ướt đến phương pháp khô. nhưng nhiều năm nay xi măng Việt Nam đã khẳng định được đẳng cấp chất lượng phù hợp tiêu chuẩn, chiếm được lòng tin của người sử dụng và được người tiêu dùng trong nước và quốc tế ưa chuộng.
Từ năm 1996 Hiệp hội Xi măng Việt Nam được thành lập đến nay đã quy tụ gần 90 thành viên, đơn vị trực tiếp sản xuất và phục vụ sản xuất xi măng trong cả nước. Lực lượng lao động của ngành xi măng nước ta ngày càng phát triển tăng về số lượng và nâng cao về chất lượng chuyên môn. Nhiều thiết bị hiện đại và công nghệ tiên tiến trong dây chuyền sản xuất ở các nhà máy lớn đều do người Việt Nam đảm nhiệm không phải thuê chuyên gia nước ngoài.
Sản xuất xi măng hàng năm của các thành viên trong Hiệp hội xi măng đều vượt kế hoạch được giao và liên tục năm sau cao hơn năm trước. Riêng năm 2004 cả nước đã sản xuất và tiêu thụ đạt trên 27 triệu tấn, trong đó Tổng công ty xi măng Việt Nam đạt 12,5 triệu tấn, xi măng địa phương đạt 7,1 triệu tấn, các công ty liên doanh đạt 7,4 triệu tấn; sản xuất kinh doanh của toàn ngành luôn đạt mức tăng trưởng cao, hàng năm ngành sản xuất xi măng nước ta luôn hoàn thành tốt nhiệm vụ đóng góp ngày càng tăng cho ngân sách Nhà nước. Đời sống vật chất, tinh thần của người thợ xi măng không ngừng được nâng cao.
Ngành sản xuất xi măng Việt Nam còn được đánh giá là ngành công nghiệp có nhiều sáng tạo, vận dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật tiên tiến trên thế
giới vào điều kiện cụ thể của nước ta. Nhiều sáng kiến, cải tiến kỹ thuật, đề tài nghiên cứu khoa học đã được áp dụng vào sản xuất kinh doanh mang lại hiệu quả kinh tế làm lợi hàng trăm tỷ đồng như: cải tiến vòi phun sử dụng 100% than cám (trước đây phải phun thêm dầu FO từ 10 - 30%); đề tài nghiên cứu sản xuất xi măng hỗn hợp PCB30 có pha 20% phụ gia; đề tài nghiên cứu công nghệ nâng cao và ổn định chất lượng Clinker...
Trong quá trình quản lý, vận hành, sửa chữa... các nhà máy sản xuất xi măng được tiến hành một cách khoa học nề nếp, đến nay các nhà máy xi măng đã xây dựng và thống nhất áp dụng được hệ thống quản lý chất lượng theo tiêu chuẩn ISO 9000 và hệ thống quản lý môi trường theo tiêu chuẩn ISO 14000.
Cùng với đội ngũ những người trực tiếp sản xuất xi măng, lực lượng lao động làm công tác cung cấp tiêu thụ sản phẩm, cung ứng vật tư nguyên liệu, phục vụ sản xuất, tư vấn đầu tư đào tạo, xuất nhập khẩu, lực lượng ở các công ty cổ phần, công ty liên doanh đã có nhiều đóng góp quan trọng để xây dựng đội ngũ thợ xi măng Việt Nam ngày càng lớn mạnh, đáp ứng yêu cầu của sự nghiệp CNH-HĐH đất nước. Theo số liệu của Tổng cục thống kê năm 2011 sản lượng xi măng đạt 25 triệu tấn . Theo định hướng phát triển giai đoạn từ nay đến năm 2020 đã được Chính phủ phê duyệt thì phải xây dựng thêm một loạt các nhà máy xi măng mới như: Bình Phước, Hoàng Thạch 3, Bút Sơn, Bỉm Sơn mới... nhằm nâng công suất của ngành sản xuất xi măng nước ta lên trên 40 triệu tấn/năm với tổng mức đầu tư tới gần 6 tỷ USD, để cho ngành công nghiệp xi măng Việt Nam tiến vững chắc trong quá trình hội nhập khu vực và quốc tế.
2) Nguyên liệu sản xuất xi măng a) Đá vôi.
Đá vôi được khai thác bằng phương pháp khoan nổ mìn cắt tầng được bốc súc lên ô tô có trọng tải lớn để vận chuyển tới máy đập. Máy đập đá vôi là loại máy đập có thể đập được vật liệu kích thước <= 1000 mm và cho ra sản phẩm có kích thước <=70mm sau khi đập nhỏ, đá vôi được vận chuyển bằng hệ thống băng tải cao su đưa về kho đồng nhất sơ bộ và rải thành đống theo phương pháp rải dọc kho thành các lớp hình mái nhà bằng máy rải mức độ đồng nhất sơ bộ là 10:1.
Tên chỉ tiêu Giá trị
1. Hàm lượng CAO % min 45
2.Hàm lượng MGO %max 5
3.Hàm lượng SIO2 toàn phần % max 5
4.Độ ẩm % max 4,5
5.Lượng đất lẫn % max 6
b) Đá sét.
Đá sét khai thác tại mỏ sét trong nước bằng phương pháp ủi súc vận chuyển bằng ô tô có tải trọng lớn tới máy cán trục có vấu (văng) loại máy này cho phép cán được những vật liệu có kích thước <= 70mm sau đó đá sét được vận chuyển tới kho đồng nhất sơ bộ và rải thành đống theo phương pháp rải lớn luống với mức độ đồng nhất là 10:1 bằng hệ thống cầu tải liệu .
Tên chỉ tiêu Giá trị
1.Hàm lượng SIO2 % 60 - 75
2.Hàm lượng AL2O3 % 10 - 18
3.Hàm lượng FE2O3 % 4,5 - 8
4.Hàm lượng MKN % max (kiểm tra khi cần thiết). 10
5.Độ ẩm khai thác % max 12
6. Kích thước khai thác, min, max 500
7.Kích thước sau máy cán trục, R60 % max 5 c) Quặng sắt
ở Việt Nam hiện nay đã phát hiện và khoanh định được trên 216 vị trí có quặng sắt, có 13 mỏ trữ lượng trên 2 triệu tấn, phân bố không đều, tập trung chủ yếu ở vùng núi phía Bắc.Trong tất cả các mỏ quặng sắt của Việt Nam, đáng chú ý nhất là có hai mỏ lớn đó là mỏ sắt Quý Xa ở Lào Cai và mỏ sắt Thạch Khê ở Hà Tĩnh.Hàng năm, số lượng quặng sắt khai thác và chế biến ở Việt Nam đạt từ 300.000 – 450.000 tấn.Công suất khai thác của mỏ hiện nay là thấp hơn rất nhiều so với công suất thiết kế được phê duyệt. Năng lực khai thác quặng sắt hiện nay có thể đáp ứng sản lượng là 500.000 tấn/năm.
Thông số kỹ thuật.
Tên chỉ tiêu Giá trị
1.Hàm lượng FE2O3 % min 10
2.Hàm lượng MKN % max (kiểm tra khi cần thiết). 10
3.Hàm lượng SO3 % max 1,5
4.Độ ẩm % max 15
5.Kích thước R25 % max 5
d) Quặng Bô xít
Bauxit (hay Bô xít) là một loại quặng nhôm trầm tích có màu hồng, nâu được hình thành từ quá trình phong hóa các đá giàu nhôm hoặc tích tụ từ các quặng có trước bởi quá trình xói mòn. Quặng bô xít phân bố chủ yếu trong vành đai xung quanh xích đạo đặc biệt trong môi trường nhiệt đới. Nước ta có tiềm
5,5 tỷ tấn, phân bố chủ yếu ở tỉnh Cao Bằng, Hà Giang, Lạng Sơn, Đắc Nông, Lâm Đồng, Gia Lai, Bình Phước.. Nhìn chung, nước ta có trữ lượng tài nguyên bôxít lớn, chất lượng tương đối tốt, phân bố tập trung, điều kiện khai thác thuận lợi. Mặt khác, thị trường cung – cầu sản phẩm alumin trên thị trường thế giới hiện nay rất thuận lợi cho phát triển ngành công nghiệp nhôm ở nước ta. Ở các tỉnh phía Bắc, bauxite là các ổ, các phễu và dạng cột xuyên lên vào giao điểm các đứt gẫy địa chất. Ở Tây nguyên, bauxite có thân quặng dăm, cuội dung nham chứa bauxit dạng cột, dạng phễu và dạng dòng chảy phủ lên đá bazan và các trầm tích cổ hơn. Phần trên mặt lộ ra trên mặt đất và trên mực nước tĩnh, lớp dăm cuội dung nham này bị laterit hóa rất rắn chắc; nhưng ngay dưới lớp laterit sẽ là đá cổ hơn, hoặc nếu dưới mực nước tĩnh sẽ gặp "cuội, sỏi, cát, sét - kaolin chứa bauxite và quặng đa khoáng" giống quặng sa khoáng. Từ quan sát và phân tích thực tế, có thể kết luận: bauxite Việt Nam, nói riêng, thế giới nói chung, có nguồn gốc nội sinh kiểu á núi lửa. Quặng chỉ có ở vùng họng núi lửa và vùng phụ cận do quy mô núi lửa và địa hình khi núi lửa phun trào quặng bauxite.
Thông số kỹ thuật
Tên chỉ tiêu Giá trị
1.Hàm lượng AL2O3 % min 40
2.MODUN nhôm % min 1,5
3.Hàm lượng SO3 % max 15
4. Độ ẩm % max 8
5. Kích thước R25 % max 5
3) Quy trình công nghệ sản xuất xi măng a) Sơ đồ quy trình công nghệ:
Máy đập đá vôi
Silo quặng
Al2O3
Quặng Al2O3
Nghiền liệu Máy
đập quặng
Đồng nhất
sơ bộ
Silo đá vôi
Đồng nhất tinh
Tháp điều
hòa
Tháp trao
đổi
nhiệt Cấp than mịn
Lò
nung Quặng
SiO2
Quặng Fe2O3
Silo quặng
Al2O3
Silo quặng
Al2O3
Ghi làm lạnh Silo
Clinker
Phụ gia I
Phụ gia II Nghiền
xi măng Silo chứa
xi măng Đóng bao,
xuất xi Đá vôi
Hình2.35 Sơ đồ công nghệ sản xuất xi măng
b) Phân tích các công đoạn sản xuất xi măng
*) Đập nguyên liệu
Đá vôi, đất sét, quặng sắt…được vận chuyển từ mỏ khai thác về nhà máy thường ở dạng viên tảng có kích thước lớn, nên phải được đập nhỏ trước để tiện cho việc nghiền, sấy khô, chuyển tải và tồn trữ. Vật liệu sau khi được đập nhỏ và có độ hạt đồng đều nên giảm được hiện tượng phân li của độ hạt khác nhau trong quá trình vận chuyển và tồn trữ, có lợi cho việc tạo ra thành phần liệu sống và sự phối liệu được chính xác. Trong sản xuất xi măng độ hạt của vật liệu là hạt vừa, nếu hạt quá nhỏ sẽ làm cho hệ thống đập nhỏ phức tạp thêm.
Máy đập
Đập nhỏ là quá trình làm giảm nhỏ độ hạt của vật liệu bằng phương pháp cơ học.Trước đây, đập nhỏ được chia làm 3 giai đoạn là đập thô, đập vừa và đập nhỏ. Hiện nay chỉ áp dụng một giai đoạn đập nhỏ đã đạt được đường kính hạt là 100mm, có khi còn nhỏ hơn 25mm. Như vậy hệ thống đập nhỏ đã được đơn giản đi rất nhiều, không những giảm được vốn đầu tư, giảm ô nhiễm mà còn nâng cao hiệu suất lao động.
Thiết bị đập nhỏ: Có nhiều kiểu thiết bị đập nhỏ như: kiểu hàm, kiểu cối xay, kiểu trục cán, kiểu búa…Tuỳ thuộc vào điều kiện kinh tế và trình độ kỹ thuật của từng nước mà sử dụng thiết bị đập nhỏ phù hợp để mang lại hiệu quả kinh tế cao và dễ vận hành, sửa chữa. Thường thì các nhà máy sử dụng máy đập nhỏ kiểu búa đơn quay để đập nhỏ đá vôi, Mergel, than, Clinker…Ưu điểm của loại máy này năng lực sản xuất lớn, tỉ suất đập nhỏ cao, cấu tạo đơn giản, thân máy nhỏ, độ hạt đồng đều, dễ thay thế linh kiện. Tuy nhiên nó cũng có những nhược điểm là: đầu búa, rãnh răng lược, tấm lót chóng bị mài mòn; khi sản xuất tạo nhiều bụi; không thích hợp đập nhỏ các vật liệu bị ẩm ướt hoặc vật liệu dính.
Trong những năm gần đây không có thay đổi lớn. Chủ yếu dùng các máy đập búa 1 hoặc 2 rôto hoặc máy đập xung. Khi vật liệu rất cứng thì kết hợp đập hàm với đập trục hoặc đập côn.
Những cải tiến mới nhất cho phép kích thước và độ ẩm vật liệu vào máy đập búa và đập xung lớn hơn (độ ẩm tăng từ 10% tới 20%, khối lượng cục vật liệu cấp cho máy có thể tới 7 tấn). Tại các mỏ đá, giải pháp kinh tế nhất thường dùng là các máy đập di động.
*) Nghiền liệu
Sấy phối liệu sống: Phối liệu đã
được định lượng gồm đá vôi, đất Hình 2.36. Hình ảnh máy nghiền
đứng. Tại đây phối liệu được nghiền và sấy khô bằng khí thải từ lò nung. Sau khi sấy thì lượng nước có trong nguyên liệu, chủ yếu là trong đất sét giảm xuống rất nhiều, tạo điều kiện cho các giai đoạn sau như nung Clinker, tồn trữ xi măng.
Có nghiền chu trình kín/chu trình hở. Có máy nghiền bi, nghiền đứng, nghiền Horomill...Gần đây, hệ thống nghiền thường kèm theo máy nghiền sơ bộ, phổ biến là máy nghiền con lăn. Khoảng 10 năm trở lại đây, việc dùng nghiền đứng nghiền liệu trở nên phổ biến hơn do tiêu thụ năng lượng riêng thấp hơn và sấy được vật liệu có độ ẩm cao hơn so máy nghiền bi. Trong những năm gần đây, có các cải tạo về vật liệu chế tạo máy nghiền nên các lớp lót có tuổi thọ rất cao (6000 đến 16000h), và làm việc tới nhiệt độ 6000C. Về mặt công nghệ, phối liệu sau nghiền cần:
+ Độ mịn phải đạt <1% trên sàng 200m và <12% trên sàng 90m. Trong đó lượng hạt quartz >45m, hay lượng hạt canxit >150m phải <2%.
Không đạt độ mịn, vôi tự do sẽ nhiều.
+ Độ ẩm phải <1%, thường 0,5÷0,8%. Độ ẩm cao ảnh hưởng xấu tới tính chảy của vật liệu
*) Đồng nhất sơ bộ
Đồng nhất rất quan trọng vì liệu cấp cho lò phải rất ổn định về thành phần hoá.
Để vận hành lò ổn định cần dao động của LSF<1.Đồng nhất sơ bộ rất hiệu quả khi liệu kém ổn định; tuy nhiên giá đầu tư tăng khoảng 10% tổng giá. Có nhiều phương pháp đồng nhất sơ bộ. Nếu đồng nhất tốt hệ số đồng nhất có thể lên tới 10. Để tăng hiệu quả đồng nhất sơ bộ hơn, sử dụng thiết bị phân tích liên tục PGNAA (Thiết bị phân tích kích hoạt gamma bằng phóng xạ notron).
Hình 2.37. Hình ảnh con lăn máy nghiền con lăn
Hình 2.38. Hình ảnh Thiết bị PGNAA
*) Đồng nhất tinh
Có nhiều phương pháp.Đồng nhất liên tục bằng khí nén, dòng điều khiển được là phương pháp thông dụng nhất hiện nay. Hệ số đồng nhất của các silô đồng nhất mới khoảng 7 đến 10.
*) Nung clinke
Clinker là sản phẩm nung thiêu kết ở 1450oC của đá vôi, đất sét và một số phụ gia điều chỉnh. Nung Clinker xi măng là khâu then chốt trong sản xuất xi măng. Nhiệt độ của vật liệu từ 1300 ÷ 1450 ÷ 1300oC là tiến hành nung Clinker.
Khi nhiệt độ của vật liệu đạt mức trên thì các chất sắt nhôm 4 canxi, nhôm 3 canxi, oxit magie và các chất kiềm bắt đầu nóng chảy; oxit canxi, silic 2 canxi hoà vào trong pha lỏng. Trong pha lỏng, oxit canxi, silic 2 canxi xảy ra phản ứng tạo thành silic 3 canxi, đây là quá trình hấp thụ vôi. Khi đạt 1450oC vôi tự do được hấp thụ đầy đủ.
Phản ứng:
2CaO.SiO2 + CaO → 3CaO.SiO2
Quá trình giảm nhiệt độ từ 1450→1300oC là quá trình hoàn thiện tinh thể Alite, cho tới 1300oC thì pha lỏng bắt đầu đông kết, phản ứng tạo thành silic 3 canxi cũng kết thúc. Lúc này trong vật liệu còn một số oxit canxi chưa hoá hợp với silic 2 canxi, gọi là oxit canxi tự do. Sau khi nung thành Clinker phải tiến hành làm nguội. Mục đích là để tăng chất lượng Clinker, nâng cao tính dễ nghiền, thu hồi nhiệt dư của Clinker, giảm hao nhiệt, nâng hiệu suất nhiệt của hệ
Hình 2.39. Hình ảnh sục khí đồng nhất tinh