Đồ án Thiết kế máy nghiền đứng con lăn nghiền clinker và lò quay nung clinker trong nhà máy xi măng năng suất 1.5 triệu tấn/năm

132 trang thiennha21 12/04/2022 9450

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Thiết kế máy nghiền đứng con lăn nghiền clinker và lò quay nung clinker trong nhà máy xi măng năng suất 1.5 triệu tấn/năm", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

do_an_thiet_ke_may_nghien_dung_con_lan_nghien_clinker_va_lo.pdf

Nội dung text: Đồ án Thiết kế máy nghiền đứng con lăn nghiền clinker và lò quay nung clinker trong nhà máy xi măng năng suất 1.5 triệu tấn/năm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU BỘ MÔN VẬT LIỆU SILICAT ĐỒ ÁN THIẾT BỊ CƠ-NHIỆT SILICAT THIẾT KẾ MÁY NGHIỀN ĐỨNG CON LĂN NGHIỀN CLINKER VÀ LÒ QUAY NUNG CLINKER TRONG NHÀ MÁY XI-MĂNG NĂNG SUẤT 1.5 TRIỆU TẤN/NĂM Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2018
Trang i LỜI NÓI ĐẦU Xi măng là vật liệu quan trọng nhất của ngành xây dựng. Với sự phát triển nhanh chóng và rộng khắp của ngành xây dựng, nhu cầu về sản lượng, chất lượng và churg loại của xi măng cũng ngày càng tăng. Sự phát triển của công nghệ sản xuất xi măng poóc lăng nhanh chóng vềlượng cũng như về chất đòi hỏi người kỹ sư có trách nhiệm phải không ngừng trau dồi kiến thức, tìm tòi, học hỏi về các quá trình, thiết bị sản xuất, bảo quản, tiêu thụ và cả vấn đề môi trường liên quan đến công nghệ, kỹ thuật sản xuất xi măng để đáp ứng được những yêu cầu của ngành nghề, xã hội, góp phần xây dựng và phát triển công nghiệp đất nước. Với mục tiêu đó, em đã tìm đọc những tài liệu liên quan trongvà ngoài nước về nhà máy sản xuất xi măng hoàn thành đồ án tính toán, thiết kế nhà máy xi măng năng suất 1,5 triệu tấn/năm. Do sự hiểu biết còn hạn chế và thời gian hạn hẹp nên vẫn không tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình thực hiện đồ án này. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến, đánh giá từ quý thầy cô. Em xin chân thành cảm ơn! iv
Trang ii MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU i MỤC LỤC ii DANH MỤC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC BẢNG viii DANH MỤC VIẾT TẮT xi Chương 1 Tổng quan 1 1.1 Sơ lược về ngành công nghiệp sản xuất xi măng Pooc Lăng (XMP) ở Việt Nam và xu hướng phát triển của ngành trong giai đoạn hiện nay 1 1.1.1 Tình hình phát triển của ngành công nghiệp sản xuất XMP ở Việt Nam hiện nay 1 1.1.2 Xu hướng phát triển của ngành 1 1.2 Giới thiệu về Xi măng Portland 2 1.2.1 Các khái niệm 2 1.2.2 Phân loại Xi măng Portland 3 1.2.3 Nguyên liệu sản xuất xi măng Portland 3 1.3 Các công nghệ sản xuất xi măng 6 1.3.1 Phương pháp ướt lò quay 6 1.3.2 Phương pháp khô lò quay 7 1.3.3 Lựa chọn công nghệ 9 Chương 2 Qui trình sản xuất xi măng PCB theo phương pháp khô lò quay 10 2.1 Sơ lược về quy trình sản xuất xi măng Portland phương pháp khô lò quay 10 2.2 Các công đoạn sản xuất 12 2.2.1 Khai thác nguyên liệu và đồng nhất sơ bộ 12 2.2.2 Chuẩn bị và nghiền mịn phối liệu 13 2.2.3 Nung luyện và ủ clinker 14 iv
Trang iii 2.2.4 Sản xuất xi măng 16 2.3 Tính toán đơn phối liệu và năng suất thiết bị 16 2.3.1 Tính đơn phối liệu và kết quả 16 2.3.1.1 Tính đơn phối liệu 16 2.3.1.2 Kết quả của tính đơn phối liệu 18 2.3.2 Tính năng suất thiết bị 19 2.3.2.1 Công đoạn nghiền xi măng, đóng bao sản xuất 21 2.3.2.2 Công đoạn nung clinker và làm nguội 23 2.3.2.3 Công đoạn nghiền mịn phối liệu và silo đồng nhất. 24 2.3.2.4 Công đoạn chuẩn bị nguyên liệu 25 Chương 3 Tính toán và thiết kế máy nghiền đứng con lăn nghiền clinker 27 3.1 Tổng quan 27 3.1.1 Giới thiệu về máy nghiền đứng và những ưu khuyết điểm của chúng so với máy nghiền bi. 27 3.1.1.1 Giới thiệu về máy nghiền đứng 27 Những ưu khuyết điểm của máy nghiền đứng con lăn so với máy nghiền bi (MNB) 28 3.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy nghiền con lăn đứng 29 3.1.1.1 Cấu tạo 29 3.1.1.2 Nguyên lý hoạt động 31 3.2 Tính toán thiết kế máy nghiền đứng con lăn 36 3.2.1 Lưu đồ tính toán thiết kế máy nghiền đứng con lăn. 36 3.2.1.1 Nhóm thông số hình học 38 3.2.1.2 Nhóm thông số động học 40 3.2.1.3 Nhóm thông số động lực học 42 iv
Trang iv 3.2.2 Tính toán các thông số của dòng khí trong máy nghiền đứng 44 3.2.2.1 Xác định lưu lượng tại vành phun khí Lk 45 3.2.2.2 Kiểm tra lưu lượng gió để đảm bảo mật độ hỗn hơp khí – bụi sản phẩm tinh 46 3.2.3 Tính toán các thông số cơ bản của hệ thống phân ly 46 3.2.3.1 Đường kính trong của roto 46 3.2.3.2 Chiều cao của roto 46 3.2.3.3 Đường kính giới hạn của hạt ứng với Dgh1 46 3.2.3.4 Đường kính ngoài của roto D2 47 3.2.3.5 Vỏ ngoài của vành hướng dòng Dhd 47 3.2.3.6 Đường kính vỏ thiết bị phân ly Dpl 47 3.2.4 Thiết kế hộp giảm tốc và lựa chọn động cơ điện cho máy nghiền đứng con lăn 47 3.2.4.1 Thiết kế hộp giảm tốc 47 3.2.4.2 Lựa chọn động cơ điện 49 3.2.5 Kết quả tính toán thiết kế máy nghiền đứng 49 Chương 4 57 4.1 Tổng quan về hệ thống lò quay nung clinker XMP theo phương pháp khô 57 4.1.1 Hệ thống cyclone trao đổi nhiệt và buồng calciner. 57 4.1.1.1 Hệ thống cyclone trao đổi nhiệt. 57 4.1.1.2 Buồng phân hủy cacbonat (calciner) 60 4.1.2 Lò quay 61 4.2 Tính toán thiết kế hệ thống lò quay nung clinker 67 4.2.1 Tính toán quá trình cháy của nhiên liệu và thiết lập cân bằng cho hệ thống lò quay nung clinker 67 iv
Trang v 4.2.1.1 Quá trình cháy của nhiên liệu 67 4.2.1.2 Thiết lập cân bằng cho hệ thống lò 72 4.2.2 Tính toán các thông số cơ bản của lò quay 87 4.2.2.1 Lựa chọn thiết bị lò quay 88 4.2.2.2 Tính các thông số cơ bản của lò 89 4.2.3 Tính toán gạch chịu lửa trong lò 93 4.2.3.1 Xác định các thông số liên quan đền gạch chịu lửa 93 4.2.3.2 Tính số gạch chịu lửa 95 4.2.4 Tính phân bố nhiệt qua tường lò 96 4.2.4.1 Tính toán phân bố nhiệt vùng đầu lò 98 4.2.4.2 Tính toán phân bố nhiệt vùng kết khối 99 4.2.4.3 Tính toán phân bố nhiệt vùng ra lò 100 4.2.5 Tính toán công suất lò 101 4.2.5.1 Công suất truyền động cho lò 101 4.2.5.2 Công suất tiêu tốn để vận chuyển nguyên liệu 102 4.2.6 Tính toán thiết kế hệ thống cyclone trao đổi nhiệt. 103 4.2.6.1 Lựa chọn hệ thống trao đổi nhiệt 103 4.2.6.2 Tính cân bằng vật chất cho hệ thống cyclone 103 4.2.6.3 Tính toán các kích thước cơ bản của cyclone 113 4.1.1. Lựa chọn thiết bị làm nguội 115 4.3 Kết luận 116 TÀI LIỆU THAM KHẢO 117 iv
Trang vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Quy trình sản xuất XMP theo phương pháp ướt lò quay [5] 7 Hình 1.2: Qui trình sản xuất XMP theo phương pháp khô lò quay của nhà máy xi măng Bỉm Sơn [6]. 8 Hình 2.1 Qui trình sản xuất xi măng theo công nghệ khô lò quay [7] 11 Hình 2.2 Mô tả quá trình khai thác nguyên liệu và đồng nhất sơ bộ [8] 13 Hình 2.3 Mô tả công đoạn chuẩn bị và nghiền phối liệu [9] 14 Hình 2.4 Mô tả công đoạn nung luyện và ủ clinker [8] 15 Hình 2.5 Công đoạn sản xuất xi măng [8] 16 Hình 2.6 Lưu đồ tính đơn phối liệu 17 Hình 3.1 Một số hãng máy nghiền đứng hiện nay [11] 28 Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy nghiền con lăn đứng [13] 30 Hình 3.3 Hệ thống chân đế của máy nghiền con lăn đứng [13] 32 Hình 3.4 Mô tả chuyển động dòng khí trong máy nghiền đứng [11] 32 Hình 3.5 Mâm nghiền của máy nghiền đứng OK™ Mill [13] 33 Hình 3.6 Mô tả cụm bánh nghiền và hệ treo bánh nghiền [13] 34 Hình 3.7 Các loại hệ thống phân ly không khí [11] 35 Hình 3.8 Lưu đồ tính toán các thông số cơ bản của máy nghiền 36 Hình 3.9 Lưu đồ thiết kế hệ thống phân ly của máy nghiền 37 Hình 3.10 Sơ đồ tính và làm việc thực tế của bánh nghiền [12] 39 Hình 3.11 Các loại mâm nghiền theo các hãng khác nhau [8] 40 Hình 3.12 Phân bố vận tốc theo chiều rộng bánh [12] 42 Hình 3.13 Các vùng nghiền [12] 43 Hình 3.14 Các loại hộp giảm tốc sử dụng cho máy nghiền [14] 48 Hình 3.15 Ký hiệu kích thước cửa máy nghiền FLSmidth [27] 49 Hình 4.1 Mô tả hệ thống lò quay nung clinker theo phương pháp khô [19] 57 Hình 4.2 Hệ thống trao đổi nhiệt kiều trao SP [3] 60 iv
Trang vii Hình 4.3 Buồng phân hủy cacbonat (calciner) của hãng [20] 61 Hình 4.4 Lò quay 3 bệ ga lê [8] 62 Hình 4.5 Lò quay 2 bệ ga lê [8] 62 Hình 4.6 Đai lò treo tiếp xúc [8] 63 Hình 4.7 Hệ thống khớp kín đầu lò và đuôi lò [8] 64 Hình 4.8 Hệ thống làm nguội kiểu ghi của hãng FLSmidth [21] 65 Hình 4.9 Hình ảnh mô phỏng béc đốt [8] 66 Hình 4.10 Các loại béc đốt [22] 66 Hình 4.11 Lưu đồ tính toán quá trình cháy của nhiên liệu 68 Hình 4.12 Tiêu chuẩn chọn thiết bị lò của hãng FLSmidth [24] 88 Hình 4.13 Các chiều kích thước của gạch chịu lửa [25] 95 Hình 4.14: sin (α/2) phụ thuộc vào hệ số đổ đấy 102 Hình 4.15 Các kích thước hình học của cyclone [26] 113 iv
Trang viii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Thành phần phần trăm của các oxit chính trong clinker XMP [3] 2 Bảng 1.2 Yêu cầu kĩ thuật của đá vôi [4] 4 Bảng 1.3 Yêu cầu về thành phần hóa của đất sét [3] 5 Bảng 2.1 Thành phần các cấu tử trong clinker 19 Bảng 2.2 Thành phần hóa của clinker 19 Bảng 2.3 Thành phần khoáng của clinker 19 Bảng 2.4 Thành phần xi măng 20 Bảng 2.5 Chế độ làm việc (trong 1 năm) của nhà máy 21 Bảng 2.6 Năng suất trong công đoạn nghiền xi măng, đóng bao sản xuất 21 Bảng 2.7 Năng suất phối liệu từng công đoạn 22 Bảng 2.8 Khối lượng thành phần vật liệu sản xuất xi măng PCB40 22 Bảng 2.9 Năng suất của công đoạn nung clinker, làm nguội 23 Bảng 2.10 Thành phần phối liệu ẩm 24 Bảng 2.11 Khối lượng của từng nguyên liệu khô ban đầu 25 Bảng 2.12 Tính năng suất cho đá vôi (độ ẩm 4%) 25 Bảng 2.13 Tính năng suất cho đất sét (độ ẩm 17%) 26 Bảng 2.14 Tính năng suất cho quặng sắt (độ ẩm 5%) 26 Bảng 3.1 Giá trị kp theo từng hãng sản xuất [12] 43 Bảng 3.2 Giá trị Kbv theo góc ôm 휃 50 Bảng 3.3 Lựa chọn động cơ điện cho máy nghiền 56 Bảng 3.4 Lựa chọn hộp giảm tốc [18] 56 Bảng 4.1 So sánh giữa lò quay 3 bệ ga lê với lò quay 2 bệ ga lê 62 Bảng 4.2 Thành phẩn làm việc của than Cám 3 69 Bảng 4.3 Sản phẩm cháy tính trên 100kg than 69 Bảng 4.4 Kết quả tính toán các thông số 70 Bảng 4.5 Lượng sản phẩm cháy khi đốt 1kg than 71 iv
Trang ix Bảng 4.6 Các thông số của lượng thành phần khói lò 71 Bảng 4.7 Thành phẩn khói lò 72 Bảng 4.8 Lượng than tiêu tốn 73 Bảng 4.9 Lượng CO2 từ phối liệu phân hủy ra 74 Bảng 4.10 Tổng lượng vào lò 75 Bảng 4.11 Thành phần khoáng 78 Bảng 4.12 Tính toán tổng nhiệt vào 79 Bảng 4.13 Tổng lượng vào lò 81 Bảng 4.14 Tính toán lượng ra lò 82 Bảng 4.15 Hệ số công thức nhiệt [23] 83 Bảng 4.16 Nhiệt dung riêng của từng cấu tử theo nhiệt độ 83 Bảng 4.17 Lượng nhiệt cung cấp 84 Bảng 4.18 Lượng nhiệt tiêu tốn 86 Bảng 4.19 Lượng nhiệt tiêu tốn à cần thiết cho 1kg clinker 87 Bảng 4.20 Tính lại cân bằng vật chất và nhiệt cho hệ thống lò 87 Bảng 4.21 Các số liệu đầu vào 88 Bảng 4.22 Các số liệu của thiết bị lò được chọn 89 Bảng 4.23 Hệ số đổ đầy phụ thuộc vào độ nghiêng của lò 90 Bảng 4.24 Độ dày vật liệu phụ thuộc hệ số đổ đầy 91 Bảng 4.25 Vòi phun nhiên liệu trong lò 92 Bảng 4.26 Thông số các loại gạch chịu lửa trong lò quay 93 Bảng 4.27 Số gạch chịu lửa trong lò 96 Bảng 4.28 Các giá trị ban đầu 98 Bảng 4.29 Phân bố nhiệt vùng đầu lò 99 Bảng 4.30 Các giá trị ban đầu 99 Bảng 4.31 Phân bố nhiệt vùng kết khối 100 Bảng 4.32 Các giá trị ban đầu 100 Bảng 4.33 Phân bố nhiệt vùng ra lò 101 iv
Trang x Bảng 4.34 Các thông số đầu vào 105 Bảng 4.35 Cân bằng vật chất cho cyclone 107 Bảng 4.36 Các thông số thiết lập cân bằng vật chất cho cyclone 109 Bảng 4.37 Tính các thông số của gió 1, gió 2 111 Bảng 4.38 Lượng khí thải từ cyclone 112 Bảng 4.39 Các kích thước của cyclone theo tiêu chuẩn Bhatty [26] 113 Bảng 4.40 Bề dày GCL trong cyclone [26] 114 Bảng 4.41 Kích thước cơ bản của cyclone 114 Bảng 4.42 Kích thước của thiết bị Multi – Movable Cross – Bar theo năng suất [27] 116 iv
Trang xi DANH MỤC VIẾT TẮT GCL: Gạch Chịu Lửa MNB: Máy Nghiền Bi OPC: Origin Portland Cement PC: Portland Cement PCB: Portland Cement Blended PGNAA: Prompt Gamma Neutron Activated Analyzer SP: Suspension Preheater TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam XM: Xi Măng XMP: Xi măng Portland iv
Chương 1 Tổng quan 1.1 Sơ lược về ngành công nghiệp sản xuất xi măng Pooc Lăng (XMP) ở Việt Nam và xu hướng phát triển của ngành trong giai đoạn hiện nay 1.1.1 Tình hình phát triển của ngành công nghiệp sản xuất XMP ở Việt Nam hiện nay Ở Việt Nam, ngành công nghiệp sản xuất xi măng là một trong những ngành công nghiệp lâu đời và cũng đóng vai trò đặc biệt quan trọng đối với nền kinh tế quốc dân. Với tổng công suất thiết kế của ngành hiện nay khoảng 100 triệu tấn, ngành công nghiệp sản xuất xi măng của Việt Nam đã ở vị trí thứ 5 của thế giới. Hàng năm, Việt Nam xuất khẩu trên 20 triệu tấn tới các châu lục. Chỉ tính riêng năm 2019, ngành công nghệ sản xuất xi măng với mức tăng trưởng toàn ngành vượt 2% so với năm 2018, với mức clinker tiêu thụ năm 2019 khoảng 98 triệu tấn, trong đó tiêu thụ nội địa là 67 triệu tấn và xuất khẩu khoảng 32 triệu tấn. Từ những số liệu thống kê trên cho thấy ngành công nghiệp sản xuất xi măng vẫn là điểm sáng trong thị trường vật liệu xây dựng. Với nhu cầu sử dụng xi măng ngày càng cao trong giai đoạn hiện nay càng cho thấy tầm quan trọng của ngành đối với sự phát triển của đất nước. Theo dự báo của Bộ Xây Dựng nhu cầu tiêu thụ xi măng trong năm 2020 sẽ tăng từ 4 – 5% so với năm 2019 với mức tiêu thụ tương ứng khoảng 101 – 103 triệu tấn. Do đó cần có hướng phát triển phù hợp để có thể vừa đáp ứng đủ nhu cầu của thị trường vừa có thể đảm bảo chất lượng của xi măng. Bên cạnh đó cũng cần phải đảm bảo sức cạnh tranh của ngành trong khu vực châu Á nói riêng và thế giới nói chung. 1.1.2 Xu hướng phát triển của ngành Với tình hình của ngành trong giai đoạn hiện tại, cần thực hiện tốt việc bình ổn và cân đối cung – cầu, kiềm chế việc tăng giá để tăng sức cạnh tranh của ngành. 1
Bên cạnh đó, ngành xi măng trong giai đoạn hiện nay được cho là chỉ có một hướng phát triển duy nhất là phát triển bền vững với sản xuất xanh, tiết kiệm tài nguyên và bảo vệ môi trường vì nhu cầu ngày càng tăng nhưng nguồn tài nguyên lại ngày càng cạn kiệt. 1.2 Giới thiệu về Xi măng Portland 1.2.1 Các khái niệm Xi măng Portland (XMP) là bột vô cơ có tính chất kết dính thủy lực, là sản phẩm nghiển mịn của hỗn hợp clinker XMP và phụ gia thạch cao 3 – 5% khối lượng clinker [3]. Ngoài ra, còn có các chất kết dính có nguồn gốc từ XMP, đó là sản phẩm nghiển mịn của XMP với các chất phụ gia khác (bột đá vôi, tro xỉ, đất núi lửa, ) tùy vào nhu cầu của người tiêu dùng và bên cạnh đó phải đáp ứng các yêu cầu kĩ thuật theo tiêu chuẩn. Chất kết dính thủy lực là những chất kết dính sau khi trộn với nước có thể đóng rắn trong không khí và tiếp tục đóng rắn bền vững trong môi trường nước (phân loại theo môi trường tạo cường độ của các chat kết dính) [3]. Clinker XMP là bán sản phẩm trong quá trình sản xuất xi măng Portland, được sản xuất bằng cách nung kết khối hỗn hợp phối liệu được nghiển mịn từ các nguyên liệu tự nhiên (đá vôi, đất sét, quặng sắt, ). Các tỷ lệ về thành phần phối liệu đã được tính toán trước. Clinker ra khỏi lò nung có dạng cục sỏi nhỏ (10 - 80 mm) [3]. Do các nguyên liệu để sản xuất clinker XMP có xuất phát chủ yếu từ tự nhiên nên clinker có thành phần hóa (gồm những oxit chính: CaO, SiO2, AL2O3, Fe2O3) với khoảng biến đổi tương đối rộng như trong bảng dưới đây: Bảng 1.1 Thành phần phần trăm của các oxit chính trong clinker XMP [3] Oxit CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 Thành phần % 62 – 67 20 – 24 4 – 7 2 – 5 Tuy nhiên, cũng vì các nguyên liệu chủ yếu là từ tự nhiên nên trong thành phần clinker luôn có những oxit ảnh hưởng xấu đến tính chất của XM còn được gọi là các oxit tạp 2
chất, ví dụ như: MgO, CaO tự do, Do đó để đảm bảo tính chất của XM, thành phần phần tram của các oxit tạp chất phải nằm trong giới hạn cho phép. Ví dụ như, hàm lượng của CaO tự do không lớn hơn 1.5% (dựa theo TCVN 7024:2013). Các tính chất của xi măng Portland chủ yếu do thành phần pha quyết định. Những oxit chính sẽ phản ứng tạo các khoáng cần thiết như: Alit, Belit, với thành phần phần trăm nằm trong dải giới hạn cho phép nhất định. 1.2.2 Phân loại Xi măng Portland Hiện nay trên thị trường có nhiều loại XMP khác nhau, nhưng phổ biến nhất là xi măng PC và xi măng hỗn hợp PCB.  Xi măng PC (hay OPC): Là xi măng Pooc được tạo thành bằng cách nghiền mịn hỗn hợp clinker XMP với phụ gia duy nhất là thạch cao (3 – 5% kl). Xi măng PC thường được sử dụng cho việc nghiên cứu về các tinh chất của xi măng hay các công trình đặc biệt. Loại xi măng PC phổ biến hiện nay là PC30.  Xi măng PCB: còn được gọi là xi măng hỗn hợp. Là loại xi măng Portland nhận được từ việc nghiền mịn hỗn hợp clinker XMP với phụ gia thạch cao (3 – 5%kl) và các phụ gia khác để giảm giá thành sản phẩm hoặc tăng chất lượng của xi măng. Loại xi măng PCB phổ biến hiện nay là PC30, PC40, . Ngoài ra còn nhiều loại XMP khác tùy vào cách phân loại. 1.2.3 Nguyên liệu sản xuất xi măng Portland Như đã được nhắc đến ở các mục trên, nguyên liệu để sản xuât xi măng là nguyên liệu tự nhiên bao gồm các nguyên liệu chính và phụ gia.  Các nguyên liệu chính: Đá vôi: Nhiệm vụ chính của đá vôi là cung cấp CaO – là một oxit có hàm lượng cao nhất trong thành phần clinker XMP. Do đó, thường nguyên liệu cung cấp CaO sẽ đóng vai trò quyết định tới việc lựa chọn công nghệ. 3
Đá vôi có thành phần chính là CaCO3 và một lượng nhỏ oxit khác. Theo TCVN 6072:2013, các chỉ tiêu chất lượng của đá vôi dùng trong sản xuất clinker XMP được qui định như trong bảng sau: Bảng 1.2 Yêu cầu kĩ thuật của đá vôi [4] Tên chỉ tiêu Mức % CaCO3 không nhỏ hơn 85 % MgCO3 không lớn hơn 7 CHÚ THÍCH: Khi sử dụng đá vôi có hàm lượng magie cacbonat (MgCO3) trên 5 %, cần tính toán phối liệu để tổng hàm lượng MgO trong clanhke và xi măng nhỏ hơn quy định trong các tiêu chuẩn hiện hành. Bên cạnh đó, hàm lượng của các oxit khác có trong đá vôi thông thường được quy định: R2O < 1%. Đá vôi thường được khai thác ở các mỏ lộ thiên bằng cách cho nổ mìn và sau đó được đập sơ bộ ngay tại mỏ. Đá vôi sẽ được chuyển về nhà máy bằng xe goong, oto, Tuy nhiên, để giảm chi phí vận chuyển thông thường nhà máy sẽ được xây dựng gần nơi khai thác nguyên liệu và nguyên liệu sẽ được vận chuyển tới nhà máy bằng hệ thống các băng tải. Đất sét: Là một loại đất trong tự nhiên có thành phần khoáng chính là các alumo silicat ngậm nước cấu trúc lớp (chủ yếu là các khoáng: kaolinite Al2O3.2SiO2.2H2O, montmonrilonhit Al2O3.4SiO2.H2O + nH2O, Tuy nhiên, trong công nghệ sản xuất xi măng thành phần khoáng của đất sét ko được quan tâm nhiều mà người ta chủ yếu quan tâm tới thành phần hóa của chúng, thông thường là Fe2O3. Yêu cầu thành phần hóa của đất sét được thể hiện trong bảng 1.3 dưới đây: 4
Bảng 1.3 Yêu cầu về thành phần hóa của đất sét [3] Oxit SiO2 Al2O3 Fe2O3 SO2 R2O Thành phần % > < 20 7 – 10 < 1 < 1 50 Khai thác đất sét trong các mỏ hoặc ngầm dưới sông. Đất sét trước khi được đưa vào làm nguyên liệu phải được kiểm soát độ ẩm. Tùy vào công nghệ sản xuất mà chọn độ ẩm thích hợp. Hiện nay, để cải tiến công nghệ thay vì phải khai thác riêng biệt hai nguyên liệu đất sét và đá vôi người ta đã ứng dụng một nguyên lieu thay thế gọi là đá lẫn đất (mergel). Đây là loại đá vôi có lẫn đất sét và các oxit silic (SiO2) và bên cạnh đó cũng có lẫn oxit sắt. Đá lẫn đất được coi là nguyên liệu tốt nhất để sản xuất XMP vì khi sử dụng sẽ khiến cho việc nghiền nguyên liệu trở nên dễ dàng hơn, bên cạnh đó còn giúp cho quá trình phản ứng được xảy ra nhanh chóng sau này. Loại đá lẫn đất này được phân loại và gọi tên tùy thuộc vào tỷ lệ đá vôi – đất sét. Các loại quặng chứa sắt: Được sử dụng như một nguyên liệu cung cấp oxit Fe2O3 – một oxit giúp tạo pha lỏng cần thiết cho quá trình nung luyện clinker XMP. Ngoài ra oxit này còn tham gia tạo khoáng C4AF cho XMP [3]. Phổ biến nhất là quặng pyrit sắt (FeS2) vì hàm lượng Fe2O3 trong quặng này có thể đạt tời khoảng 87%. Tuy nhiên do các vấn đề về môi trường hiện nay (nếu sử dụng FeS2 sẽ sinh ra SO2 gây ra ô nhiễm môi trường), quặng pyrit sắt sẽ được thay thề bằng quặng boxit hay các loại đá đỏ (Laterite). Các loại phụ gia: Ngoài các nguyên liệu chính cung cấp các oxit để tạo các khoáng cần thiết cho XMP, người ta còn sử dụng những nguyên liệu khác nhằm cải thiện một tính chất nào đó của xi măng hay còn gọi là các loại phụ gia. 5
Tùy thuộc vào vai trò của các phụ gia trong xi măng, ta có thể chia làm nhiều loại phụ gia khác nhau như: phụ gia giúp làm giảm tốc độ đóng rắn (thạch cao), phụ gia hiệu chỉnh thành phần (cát non, boxit, ), phụ gia đầy, Các loại phụ gia sẽ được sử dụng tùy thuộc vào yêu cầu của người tiêu dùng và việc sử dụng phụ gia đồng thời cũng phải phù hợp với quy định của nhà nước. 1.3 Các công nghệ sản xuất xi măng Theo nguyên lý hoạt động của lò nung, ta chia công nghệ sản xuất XMP thành hai nhóm: - Xi măng lò đứng - Xi măng lò quay. Tuy nhiên, clinker nung từ lò đứng có chất lượng kém do chủ yếu các phản ứng ở pha rắn làm cho mức kết khối kém, phần làm nguội khó điều khiển, Hơn nữa, XM lò đứng gây ô nhiễm môi trường. Do đó hầu hết hiện nay XM lò đứng không được tiếp tục đầu tư (chỉ được sử dụng trong các trường hợp đặc biệt) và các nhà máy đa phần đều chuyển qua công nghệ XM lò quay với các phương pháp ướt (sử dụng trươc đây) và khô (hiện nay với hệ thống trao đổi nhiệt kiểu treo và buồng calciner), bên cạnh đó cũng tồn tại phương pháp bán khô nhưng phương pháp này hiếm khi được sử dụng. 1.3.1 Phương pháp ướt lò quay Đối với phương pháp này, phối liệu được nghiền ở dạng bùn (past) với độ ẩm cao, sau đó chứa trong những bể bùn lớn ròi đưa vào trong thiết bị lò quay. Bùn past vào lò quay từ đầu cao của lò và trải qua các quá trình biến đổi hóa lý (sấy, đốt nóng, phân hủy cacbonat, kết khối và làm nguội) tạo clinker. Clinker sẽ được ủ trong các silo và sau đó một là sẽ chuyển tới các trạm nghiền hai là được đem đi nghiền trực tiếp ở nhà máy với phụ gia thạch cao (3 – 5%kl) và các phụ gia khác tùy vào yêu cầu sản xuất thành XM. 6
Hình 1.1: Quy trình sản xuất XMP theo phương pháp ướt lò quay [5] Ưu điểm của phương pháp này là do phối liệu được nghiền với nước với độ ẩm tới khoảng 42% nên phối liệu sẽ dễ nghiền và trộn đều hơn dẫn tới mức độ đồng nhất phối liệu cao. Tuy nhiên, do độ ẩm phối liệu đầu vào tương đối cao nên cần cung cấp một lượng lớn nhiên liệu để nung (lượng nhiên liệu tiêu tốn trên một đơn vị sản phẩm là lớn nhất trong ba phương pháp). Hơn nữa, ở phương pháp ướt toàn bộ các quá trình hóa lý của phối liệu sẽ xảy ra trong lò quay dẫn đến kích thước lò nung dài và diện tích xây dựng lớn (lò quay là ống trụ co chiều dài khoảng 120 – 150m, đường kính 2.4 – 4m, đặt nghiêng khoảng 4 - 6° và nhiên liệu sẽ được phun vào từ đầu thấp của lò và chuyển động ngược với chiề chuyển động của phối liệu [3]). Để tăng khả năng trao đổi nhiệt người ta thường lắp thêm các xích sắt. 1.3.2 Phương pháp khô lò quay Đối với phương pháp này, bột phối liệu được nghiền trộn ở dạng khô. Hiện nay thiết bị nghiền đứng con lăn được sử dụng rộng rãi hơn so với máy nghiền bi vì máy nghiền đứng nếu với máy nghiền bi có nhiều ưu điểm hơn. Nếu nguyên liệu đầu vào có độ ẩm cao, người ta sẽ sử dụng thiết bị sấy nghiền liên hợp để giảm độ ẩm của phối liệu. 7
Thay vì toàn bộ quá trình hóa lý của phối liệu sẽ xảy ra trong lò quay như phương pháp ướt, ở phương pháp khô quá trình sấy và đốt nóng của phối liệu sẽ được thực hiện trong một hệ thống thiết bị khác gọi là hệ thống trao đổi nhiệt kiểu treo. Bên cạnh đó quá trình phân hủy cacbonat cũng được thực hiện trong thiết bị đặc biệt còn được gọi là buồng phân hủy cacbonat (buồng calciner). Khi đến đầu vào lò, bột phối liệu đã ở tình trạng được phân hủy cacbonat một phần và các quá trình hóa lý còn lại (tạo pha lỏng, kết khối, làm nguội) sẽ được thực hiện rong phần lò quay. Nhờ việc xử lý quá trình sấy, đốt nóng và phân hủy cacbonat trong các thiết bị riêng biệt mà kích thước chiều dài lò quay được giảm đàng kể so vơí phương pháp ướt (lò quay ở phương pháp khô có chiều dài chỉ khoảng 60 – 80m), hơn nữa nhiên liệu cung cấp cho việc nung cũng giảm rất nhiều so với phương pháp ướt. Hiện nay, phương pháp khô lò quay được sử dụng vô cùng rộng rãi. Hình 1.2: Qui trình sản xuất XMP theo phương pháp khô lò quay của nhà máy xi măng Bỉm Sơn [6]. 8
1.3.3 Lựa chọn công nghệ Dựa vào các ưu khuyết điểm của từng phương pháp, ta thấy được so với phương pháp ướt thì phương pháp khô lò quay có độ tiêu tốn năng lượng thấp hơn nhiều (năng lượng tiêu tốn chỉ còn 55 – 60% so với phương pháp ướt). Phương pháp ướt trước đây được đánh gia cao hơn phương pháp khô vì mức độ đồng nhất phối liệu trước khi vào lò cao hơn phương pháp khô. Tuy nhiên, hiện nay với các cải tiến công nghệ, để tăng mức độ đồng nhất bằng các silo chứa có hệ thống sụ khí nén, nhờ vậy mức độ đồng nhất của phối liệu ở phương pháp khô không thua kém gì so với phương pháp ướt. Dựa vào các yếu tố phân tích trên, ta lựa chọn công nghệ xi măng lò quay theo phương pháp khô có hệ thống trao đổi nhiệt kiểu treo và buồng calciner. 9
Chương 2 Qui trình sản xuất xi măng PCB theo phương pháp khô lò quay 2.1 Sơ lược về quy trình sản xuất xi măng Portland phương pháp khô lò quay Để sản xuất ra được xi măng theo phương pháp khô lò quay phải trải qua rất nhiều công đoạn khác đoạn khác nhau và bên cạnh đó cần phải được kết hợp thêm nhiều yếu tố và các ngành nghề khác. Qui trình sản xuất xi măng PCB có thể được tóm tắt sơ lược toàn bộ quá trình như sau:  Các nguyên liệu đầu vào gồm: đá vôi, đất sét, quặng sắt, được khai thác trực tiếp tại các mỏ (quặng) bằng cách cho nổ mìn hoặc đào xuống lòng đất. Sau khi được khai thác, các nguyên liệu sẽ được vận chuyển (bằng các hệ thống băng tải hay bằng các phương tiện như xe goong, oto, ) tới các máy đập sơ bộ (máy đập búa, đập hàm, ) và thực hiện việc đập nhỏ từ các tảng lớn thành các cục nhỏ hơn. Sau khi được đập sơ bộ, các nguyên liệu được chứa tổng hợp tại các kho chứa chính. Tại các kho chứa chính để phản ứng tạo clinker sau này tốt hơn, các nguyên liệu sẽ được đồng nhất sơ bộ khi tiến hành nhập liệu và lấy liệu.  Sau đó nguyên liệu được chuyển tới các cân định lượng để cân theo bảng tính tỷ lệ phối liệu rồi được đưa tới bang tải chính. Phối liệu sẽ được đi qua máy phân tích PGNAA (Prompt Gamma Neutron Activated Analyzer) để kiểm tra thành phần hóa của phối liệu, mặt khác để kiểm tra mức độ đồng nhất của phối liệu theo hàm lượng CaCO3 [3]. Nếu thành phần hóa đạt yêu cầu phối liệu sẽ theo bang tải tới hệ thống máy nghiền đứng sấy nghiền liên hợp để nghiền mịn. Sau đó sẽ được chứa trong các hệ thống silo đồng nhất phối liệu hoạt động theo nguyên lý sục khí nén.  Khi bột phối liệu mịn đã được đồng nhất sẽ được đưa vào hệ thống trao đổi nhiệt và buồng calciner, tại đây phối liệu sẽ xảy ra các quá trình sấy, đốt nóng và phân hủy cacbonat, liệu tiếp tục đi vào lò quay và tiếp túc phân hủy cacbonat, tạo pha lỏng và kết khối tạo clinker ở nhiệt độ khoảng 1450oC. Clinker kết khối thành những cục dạng cục sỏi lớn nóng đỏ được đưa đến thiết bị làm nguội kiểu ghi (làm nguội nhanh trong khoảng 10
nhiệt độ từ 1250℃ tới khoảng 100℃), sau đó clinker được đập thành các cục có kích thước nhỏ hơn và được đưa tới các silo để thực hiện quá trình ủ.  Sau khi ủ, thông thường các nhà máy sẽ chỉ giữ lại khoảng 80% lượng clinker để sản xuất xi măng trực tiếp tại nhà máy, 20% còn lại sẽ được chuyển tới các trạm nghiền. Lượng clinker được giữ lại sẽ theo bang tải tới hệ thống các cân định lượng vả hòa trộn chung với các nguyên liệu khác (thạch cao, phụ gia đầy, phụ gia khoáng, ), sau đó sẽ được đưa đến máy nghiền bi liên tục nghiền mịn tạo xi măng. Xi măng thu được sẽ được đưa tới các silo chứa, tại đây xi măng sẽ được đóng gói và đem đi tiêu thụ. Qui trình sản xuất xi măng có thể được mô tả trong hình 2.1 dưới đây: Hình 2.1 Qui trình sản xuất xi măng theo công nghệ khô lò quay [7] 11
2.2 Các công đoạn sản xuất Sản xuất xi măng có thể chia ra thành 4 giai đoạn: Giai đoạn 1: Khai thác nguyên liệu và đồng nhất sơ bộ Giai đoạn 2: Chuẩn bị phối liệu và nghiền mịn phối liệu Giai đoạn 3: Nung luyện và ủ clinker Giai đoạn 4: Sản xuất xi măng 2.2.1 Khai thác nguyên liệu và đồng nhất sơ bộ Các nguyên liệu đầu vào như đá vôi, đất sét, quặng sắt, được khai thác tại các mỏ đã được chọn với thành phần và trữ lượng thích hợp (mỏ được chọn phải có trữ lượng đủ cho ít nhất 50 năm khai thác.  Đá vôi được khai thác bằng cách cho nổ mìn và nếu như tảng đá vôi quá lớn có thể cho nổ hai lần để đạt kích thước yêu cầu. Đá sau khi khai thác được đập sơ bộ bằng các máy đập hàm, đập búa, thành các cục có kích thước nhỏ hơn và được chuyển về nhà máy bằng hệ thống băng tải (nếu vị trí của nhà máy gần với khu vực khai thác), bằng các phương tiện như xe goong, oto,  Đất sét được khai thác tại mỏ bằng hệ thống máy xúc, gầu nâng và được đưa lên hệ thống băng tải để chuyển về các kho lưu trữ. Nếu đất quá ẩm có thể phải sấy trước khi đưa vào kho lưu trữ.  Quặng sắt được khai thác tại mỏ và được đập sơ bộ và được chuyển về kho lưu trữ. Tại kho lưu trữ, các nguyên liệu sẽ trải qua quá trình đồng nhất sơ bộ. Quá trình này gồm hai bước: nhập liệu và lấy liệu. Hai bước này sẽ được thực hiện theo từng cách khác nhau tùy theo nhà máy. 12
Hình 2.2 Mô tả quá trình khai thác nguyên liệu và đồng nhất sơ bộ [8] 2.2.2 Chuẩn bị và nghiền mịn phối liệu Các nguyên liệu lưu trữ ở kho được lấy ra khỏi kho bằng các máy lấy liệu và được vận chuyển tới các bin tiếp liệu và từ đây các nguyên liệu sẽ được cân định lượng cân đúng theo tỷ lệ phối liệu đã được đưa ra. Sau đó phối liệu được đưa lên các băng tải chung và đi qua máy phân tích thành phần PGNAA để phân tích thành phần hóa của phối liệu. Nếu phối liệu có thành phần hóa không đạt yêu cầu, người ta sẽ thêm vào các phụ gia hiệu chỉnh thành phần như: cát, boxit, đá vôi chất lượng cao, . Khi thành phần hóa đã đạt yêu cầu, phối liệu sẽ theo băng tải tới máy nghiền đứng để nghiền mịn đến độ mịn đã đạt yêu cầu, phối liệu sẽ theo hệ thống phân ly trong máy nghiền đi ra ngoài và theo hệ thống ống dẫn tới các silo đồng nhất. Các silo đồng nhất hoạt động bằng hệ thống phun khí nén từ bên dưới giúp phối liệu có thể được đồng nhất một lần nữa trước khi vào hệ thống lò quay nung clinker. 13
Hình 2.3 Mô tả công đoạn chuẩn bị và nghiền phối liệu [9] 2.2.3 Nung luyện và ủ clinker Từ silo đồng nhất bột phối liệu được chuyển dần đến hệ thống nung luyện clinker bao gồm 2 phần chính: các thiết bị trao đổi nhiệt và lò quay.  Đầu tiên khi ra khỏi silo bột phối liệu mịn sẽ đi vào hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt kiểu treo (SP – Suspension Preheater), đây cũng là hệ thống đóng vai trò quyết định trong việc tiết kiệm năng lượng nhiệt. Hệ thống trao đổi nhiệt kiểu treo là hệ thống các cyclone nhiều tầng (thường sẽ có 5 tầng cyclone) và mỗi tầng có thể có một hoặc nhiều cyclone. Bột phối liệu mịn sẽ đi vào cyclone bậc cao nhất theo phương tiếp tuyến và gặp không khí nóng từ buồng calciner và lò nung đi lên, các hạt phối liệu sẽ ở trạng thái lơ lửng và có khả năng trao đổi nhiệt với dòng khí nóng. Theo dòng khí nóng, bột phối liệu sẽ chuyển động xoáy và đi từ cyclone này tới cyclone khác có nhiệt độ cao hơn hướng từ trên xuống dưới. Thông thường trước khi qua cyclone bậc 1 để và rơi xuống lò nung, bột phối liệu sẽ đi qua thiết 14
bị trao đổi đặc biệt gọi là buồng cacbonat hóa. Thời gian lưu bột phối liệu trong toàn bộ hệ thống cyclone khoảng 20 – 25s với nhiệt độ tăng từ 50℃ lên tới khoảng 800℃.  Sau khi qua hệ thống trao đổi nhiệt kiểu treo, bột phối liệu đã ở trạng thái được cacbonat hóa sẽ vào lò quay để tiếp tục các quá trình hóa lý như tạo pha lỏng và kết khối tạo clinker ở nhiệt độ trương đối cao (1450℃). Ở nhiệt độ tương đối cao như vậy, quá trình truyền nhiệt chủ yếu nhờ đối lưu và bức xạ. Lượng pha lỏng sẽ tăng dần theo nhiệt độ tăng của lò và khi hàm lượng pha lỏng đủ lớn, sự quay của lò lúc này (với tốc độ quay 1 – 2 vòng/phút) có tác dụng vê viên tạo nên những viên sỏi nhỏ kết khối có kích thước khác nhau gọi là clinker. Clinker sau khi ra khỏi lò được làm nguội bằng thiết bị làm nguội kiểu ghi (được làm nguội nhanh trong khoảng từ 1250℃ đến 100℃). Sau đó clinker được đem đi ủ trong các silo chứa clinker đến khi đạt yêu cầu. Nếu xi măng không được sản xuất tại nhà máy, công đoạn ủ clinker sẽ được kết hợp trong quá trình vận chuyển clinker tới các trạm nghiền. Hình 2.4 Mô tả công đoạn nung luyện và ủ clinker [8] 15
2.2.4 Sản xuất xi măng Clinker sau khi được ủ đạt yêu cầu sẽ được rút ra khỏi các silo và đưa đến các bin tiếp liệu để cân định lượng và các phụ gia từ kho cũng được chuyển vào các bin tương tự. Sau khi đã được cân định lượng, clinker và các phụ gia được đưa chung vào máy nghiền bi để tạo xi măng thành phẩm. Hạt xi măng có kích thước đạt yêu cầu sẽ theo dòng khí chuyển động ra khỏi máy nghiền và vào các silo chứa theo các chủng loại xi măng khác nhau. Xi măng thành phẩm được đóng bao và đem đi tiêu thụ. Hình 2.5 Công đoạn sản xuất xi măng [8] 2.3 Tính toán đơn phối liệu và năng suất thiết bị 2.3.1 Tính đơn phối liệu và kết quả 2.3.1.1 Tính đơn phối liệu Quá trình tính đơn phối liệu trong công nghệ sản xuất xi măng được mô tả trong lưu đồ hình 2.5 dưới đây: 16
Hình 2.6 Lưu đồ tính đơn phối liệu Từ bảng thành phần hóa của phối liệu trước khi nung (Nếu tổng các thành phần hóa của từng nguyên liệu lớn hơn 100%, ta phải quy về 100%) ta tính được thành phần hóa của phối liệu sau khi nung dựa vào công thức: %퐭퐫퐮퐨퐜퐧퐮퐧퐠 %퐬퐚퐮퐧퐮퐧퐠 = . % − 퐌퐊퐍 17
Với: %truocnung: là các số liệu trong bảng thành phần hóa trước nung (%) MKN: là phần bị mất khi được nung lên của từng phối liệu (%) Sau khi có bảng thành phần hóa của phối liệu sau khi nung ta tính tiếp hàm lượng tro than lẫn trong clinker (t) theo công thức [9]: 퐁. 퐀. 퐧 퐭 = × ×  Với: t: hàm lượng tro than lẫn trong clinker (%) B: lượng than cần dùng để nung 1 kg clinker (%) A: lượng tro trong than (%) (tham khảo trong tài liệu [9]) n: lượng tro đọng trong than (%) [tham khảo trong tài liệu [9]) Có đại lượng t ta thiết lập phương trình thành phần kết hơp với các phương trình được thiết lập từ bảng thành phần phối liệu sau nung và các công thức tính hệ số bão hòa vôi K (K= 0.85) và modul nhôm MA (MA= 1.7). Từ đó ta lập được hệ ba phương trình ba ẩn số. 퐚 퐱 + 퐛 퐲 + 퐜 퐳 = 퐝 {퐚 퐱 + 퐛 퐲 + 퐜 퐳 = 퐝 퐱 + 퐲 + 퐳 + 퐭 = Giải hệ phương trình ta có các giá trị x, y, z lần lượt là thành phần % các cấu tử đá vôi, đất sét, quặng sắt trong clinker. Từ đó ta tính được thành phần các oxit trong clinker và kiểm tra lại thành phần các khoáng trong clinker, hệ số bão hòa vôi, modul nhôm, modul Silic theo các công thức được tham khảo trong tài liệu [3]. 2.3.1.2 Kết quả của tính đơn phối liệu 18
Bảng 2.1 Thành phần các cấu tử trong clinker Cấu tử Thành phần (%) Đá vôi 80.32 Đất sét 16.00 Quặng sắt 1.90 Tro than 1.78 Bảng 2.2 Thành phần hóa của clinker Oxit SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Thành phần (%) 22.57 6.95 3.46 65.60 1.30 Từ hai bảng trên ta tính thành phần được thành phần các khoáng trong clinker và đồng thời kiểm tra lại các hệ số như sau: − (1.65 + 0.35퐹 ) 퐾 = ≈ 0.85 2.8. 푆 = ≈ 1.70 퐹 Bảng 2.3 Thành phần khoáng của clinker Loại khoáng C3S C2S C3A C4AF Khoảng cho phép 40 ÷ 60 15 ÷ 35 4 ÷ 14 10 ÷ 18 Thành phần 43.89 31.65 12.56 10.53 Nhận xét Thỏa Thỏa Thỏa Thỏa 2.3.2 Tính năng suất thiết bị Do công nghệ sản xuất là công nghệ phức tạp bao gồm nhiều công đoạn và các thiết bị khác nhau. Việc tính năng suất thiết bị sẽ giúp ta ước tính được khối lượng phối liệu đầu 19
vào và lựa chọn thiết bị phù hợp. Để bắt đầu tính năng suất thiết bị, ta qui ước số ngày làm việc của nhà máy như bảng sau: Bảng 2.4 Thành phần xi măng Vật liệu Thành phần (%) Độ ẩm (%) Clinker 70.00 0.45 Thạch cao 5.00 5.00 Xỉ 15.00 4.00 Bột đá vôi 10.00 1.00 Xi măng thành phẩm 100.00 0.00 Năng suất nhà máy là 1.5 triệu tấn/năm có nghĩa là nhà máy sẽ sản xuất ra lượng xi măng là 1.5 triệu tấn mỗi năm. Dựa vào số liệu này ta sẽ bắt đầu tính lượng vật liệu khô từ công đoạn xi măng thành phẩm trở về trước. Đầu tiên ta qui đổi năng suất từ đơn vị từ tấn/ năm sang đơn vị tấn/ giờ thông qua công thức: 퐐퐭ấ퐧/퐧ă퐦 퐐 = 퐭ấ퐧/퐠퐢ờ 퐚 × 퐛 × 퐜 Trong đó: a: số ngày làm việc trong nhà máy b: số ca làm việc trong một ngày c: số giờ làm việc trong một ca Do lượng vật liệu sẽ bị hao hụt một lượng nhất định qua từng công đoạn, nên lượng vật liệu sau khi được bù hao hụt ở từng công đoạn sẽ được tính theo công thức sau: 푸 풐풏품풅풐 풏풔 풖 푸 = 풐풏품풅풐 풏풕풓풖풐 ( − %풉 풐풉풖풕) Sau khi đã xác định được năng suất khô cho từng công đoạn dựa vào hao hụt, ta xác định được lượng vật liệu thực tế thông qua độ ẩm của chúng bằng công thức sau: 20
푸ẩ = 푸풌풉ô × ( + %풅풐 ) 2.3.2.1 Công đoạn nghiền xi măng, đóng bao sản xuất Ta qui ước số ngày làm việc của nhà máy (chế độ làm việc) đối với công đoạn này như bảng dưới đây: Bảng 2.5 Chế độ làm việc (trong 1 năm) của nhà máy Số ngày dự trữ để sửa chữa thiết bị 30 ngày Số ngày dừng máy để bảo trì 20 ngày Số ngày dừng máy để kiểm tra, sửa chữa đột xuất 15 ngày Tổng số ngày dừng làm việc của nhà máy 65 ngày Tổng số ngày làm việc của nhà máy 300 ngày Số ca làm việc của nhà máy 3 ca/ngày, 8giờ/ca Với sản lượng xi măng sản xuất mỗi năm của nhà máy là 1.5 triệu tấn/ năm. Vậy năng suất theo đơn vị tấn/h là: 1500000 tấn Q = = 208.33 ( ) sx 300 × 3 × 8 h Từ đó ta tính năng suất trong công đoạn này: Bảng 2.6 Năng suất trong công đoạn nghiền xi măng, đóng bao sản xuất Công đoạn Hao hụt (%) Năng suất (tấn/h) Xi măng thành phẩm 0.00 208.33 Đóng bao, xuất dạng bột 0.05 208.43 Silo chứa 0.01 208.45 Mày nghiền bi 0.01 208.47 Băng tải chung 0.10 208.68 Từ năng suất ở băng tải chung ta tính năng suất củ từng loại vật liệu trong từng công đoạn như sau: 21
Bảng 2.7 Năng suất phối liệu từng công đoạn Loại vật Công đoạn Hao hụt KL khô Độ ẩm KL ẩm liêu (%) (tấn/giờ (%) (%) Clinker Silo Ủ 0.01 146.09 0.45 146.75 B/c đến silo 0.02 146.12 0.45 146.78 Thạch cao Kho chứa 0.01 10.44 5.00 10.96 Đập hàm 0.05 10.45 5.00 10.97 Xỉ Kho chứa 0.01 31.31 4.00 32.56 Đập hàm 0.05 31.33 4.00 32.58 Bột đá vôi Kho chứa 0.01 20.87 1.00 21.08 Từ đó ta có được khối lượng thành phần các loại vật liệu để sản xuất xi măng PCB40 như bảng dưới đây: Bảng 2.8 Khối lượng thành phần vật liệu sản xuất xi măng PCB40 Thành phần xi măng Độ ẩm Khối lượng Khối lượng (%) (tấn/h) (triệutấn/năm) Clinker 0.45 146.78 1.06 Thạch cao 5.00 10.97 0.08 Xỉ 4.00 32.58 0.23 Bột đá vôi 1.00 21.08 0.15 Xi măng thành phẩm 0.00 211.41 1.52 Từ các số liệu trên ta thấy lượng xi măng thành phẩm bị thay đổi do có sự tác động của yếu tố độ ẩm trung bình (Wtb). Vậy độ ẩm trung bình được tính như sau: m1 − m2 211.41 − 208.33 Wtb = × 100 = × 100 = 1.48% m2 208.33 22
2.3.2.2 Công đoạn nung clinker và làm nguội Chế độ làm việc ở công đoạn này giống với công đoạn nghiền xi măng với tổng số ngày làm việc là 300 ngày (3 ca/, 8 giờ/ca). Thông thường tại các nhà máy sẽ giữ lại 80% lượng clinker để sản xuất xi măng và 20% còn lại sẽ xuất tới các trạm nghiền. Do đó tổng năng suất clinker của nhà máy là: 146.78 Q = = 183.48 clinker 80% Đến giai đoạn này chúng ta cần xác định lượng clinker không lẫn tro than để từ đó chúng ta xác định khối lượng trong lẫn trong clinker. Do đó lượng clinker không lẫn tro than được tính theo công thức sau: 퐐퐜퐥퐢퐧퐤퐞퐫 퐤퐡퐨퐧퐠 퐥퐚퐧 퐭퐫퐨 = 퐐퐜퐥퐢퐧퐤퐞퐫 퐥퐚퐧 퐭퐫퐨 × ( − 퐭) Trong đó: t: hàm lượng tro than lẫn trong clinker (%) Qclinker lan tro: lượng clinker được xác định từ công đoạn thiết bị làm nguội kiểu ghi (tấn/h). Từ các thông tin trên ta tính năng suất cho công đoạn này: Bảng 2.9 Năng suất của công đoạn nung clinker, làm nguội Công đoạn Hao hụt KL khô Độ ẩm KL ẩm (%) (tấn/h) (%) (tấn/h) Máy đập trục 0.05 183.57 0.45 184.40 Thiết bị làm nguội kiểu ghi 0.05 183.66 0.45 184.49 Lò quay nung 0.00 183.66 0.00 183.66 Buồng calciner 0.01 183.68 0.00 183.68 Tháp trao đổi nhiệt 0.01 183.70 0.45 184.53 Lượng clinker không lẫn tro - 180.39 0.45 181.20 Từ bảng số liệu trên ta tính được khối lượng tro than đã lẫn vào clinker theo công thức sau: Lượng tro lẫn trong clinker = 183.70 – 180.39 = 3.31 (tấn/h) 23
2.3.2.3 Công đoạn nghiền mịn phối liệu và silo đồng nhất. Chế độ làm việc ở giai đoạn này có khác hai giai đoạn trước về số ca làm việc như sau: tổng số ngày làm việc 300 ngày, 2 ca/ngày, 8 giờ/ca. Đến giai đoạn này ta cần tính khối lượng phối liệu ban đầu trước khi nung dựa và khối lượng sau nung và tổng lượng mất khi nung của phối liệu theo công thức sau: KL sau nung tấn tấn KL trước nung = = 2.04 (triệu ) = 424.45 ( ) (1 − MKN%) năm h Trong đó: KL sau nung: chính là khối lượng clinker (triệu tấn/năm) MKN: tổng lượng mất khi nung của phối liệu (%) Bên cạnh đó, ta cần tính độ ẩm trên băng chung (w2) để xác định lượng phối liệu thực tế cần dùng như sau: Trước hết ta chọn độ ẩm của các nguyên liệu (đá vôi, đất sét, quặng sắt), từ đó ta xác định thành phần phối liệu ẩm dựa vào bảng thành phần phối liệu khô trong phần tính đơn phối liệu như bảng sau: Bảng 2.10 Thành phần phối liệu ẩm Loại nguyên liệu Độ ẩm (%) % Qui về 100% Đá vôi 4 90.38 85.63 Đất sét 17 13.77 13.05 Quặng sắt 5 1.40 1.33 Tổng - 105.55 100.00 Từ đó ta tính được độ ẩm trên bang tải chung (w2) như sau: 푤2 = 4% × 85.63% + 17% × 13.05% + 5% × 1.33% = 5.71% Sau khi có được độ ẩm trên bang tải chung, ta tính được năng suất cho công đoạn này như bảng dưới đây: 24
Bảng 2.11 Năng suất công đoạn nghiền mịn phối liệu và silo đồng nhất Công đoạn Hao KL khô (tấn/h) Độ ẩm (%) KL ẩm (tấn/h) hụt (%) Silo đồng nhất 0.05 424.66 1.00 428.91 Sấy nghiền liên hợp 0.05 424.87 1.00 429.12 (Máy nghiền đứng) Băng tải chung 0.05 425.08 5.71 449.35 2.3.2.4 Công đoạn chuẩn bị nguyên liệu Tổng số ngày làm việc, số ca làm việc và số giờ giống với công đoạn nghiền mịn phối liệu và silo đồng nhất. Từ tổng lượng nguyên liệu khô ban đầu và thành phần phần trăm của từng nguyên liệu ta tính được khối lượng từng nguyên liệu như bảng sau: Bảng 2.12 Khối lượng của từng nguyên liệu khô ban đầu Nguyên liệu Thành phần (%) KL khô (tấn/h) Đá vôi 86.90 368.85 Đất sét 11.77 49.96 Quặng sắt 1.33 5.65 Tổng 100.00 424.46 Tử đó, ta tính năng suất cho từng loại phối liệu riêng biệt cho từng công đoạn cụ thể: Bảng 2.13 Tính năng suất cho đá vôi (độ ẩm 4%) Công đoạn Hao hụt (%) KL khô (tấn/h) KL ẩm (tấn/h) Cân định lượng 0.01 368.89 383.65 Kho chứa 0.1 369.26 384.03 Băng tải 0.05 368.44 384.22 Máy đập trục 1.00 373.17 388.10 25
Vận chuyển 0.1 373.54 388.48 Nổ mìn 1.00 377.31 392.40 Bảng 2.14 Tính năng suất cho đất sét (độ ẩm 17%) Hao hụt Công đoạn (%) KL khô (tấn/h) KL ẩm (tấn/h) Cân định lượng 0.01 49.96 58.45 Kho chứa 0.01 49.96 58.45 Băng chuyền 0.05 49.98 58.48 Máy cắt đất 1 50.48 59.06 Vận chuyển 0.1 50.53 59.12 Khai thác 1 51.04 59.72 Bảng 2.15 Tính năng suất cho quặng sắt (độ ẩm 5%) Công đoạn Hao hụt (%) KL khô (tấn/h) KL ẩm (tấn/h) Cân định lượng 0.01 5.65 5.93 Kho chứa 0.01 5.65 5.93 Máy đập búa 1 5.71 6 Vận chuyển 0.2 5.72 6.01 Khai thác 1 5.78 6.07 Từ các bảng số liệu trên ta tính được tổng khối lượng nguyên liệu đầu vào như sau: 392.40 + 59.72 + 6.07 = 458.19 (tấn/h) = 2.2 triệu tấn/năm. 26
Chương 3 Tính toán và thiết kế máy nghiền đứng con lăn nghiền clinker 3.1 Tổng quan 3.1.1 Giới thiệu về máy nghiền đứng và những ưu khuyết điểm của chúng so với máy nghiền bi. 3.1.1.1 Giới thiệu về máy nghiền đứng Máy nghiền đứng con lăn (hay máy nghiền đứng) tuy về lịch sử còn mới so với máy nghiền bi. Nhưng hiện nay máy nghiền đứng hầu như đã dần thay thế vị trí của máy nghiền bi và được sử dụng rộng rãi với các ngành nghề như khai thác khoáng sản, sản xuất xi măng, Máy được thiết kế đa số bằng các vật liệu có khả năng chịu mài mòn cao đồng thời cũng có khả năng chịu nhiệt tốt, vì trong máy này vật liệu sẽ bị máy tác dụng lực ép và mài giữa bánh xe nghiền và mâm nghiền. Máy nghiền đứng có thể nghiền khô cũng như nghiền ướt. Kích thước vật liệu đầu vào khoảng 50 – 100mm [8]. Công suất máy nghiền khi nghiền hỗn hợp phối liệu có thể lên tới 600 tấn/giờ [9]. Hiện nay, máy nghiền con lăn đứng được thiết kế kết hợp giữa sấy, nghiền mịn và thiết bị phân ly. Tác nhân sấy có thể là khí thải từ các thiết bị khác. Đối với máy nghiền đứng sấy nghiền liên hợp sản phẩm đầu ra có độ ầm có thể đạt dưới 1%. Và sản phẩm của máy ngiền đứng có thể đạt kích thước micromet. Đối với công nghệ sản xuất xi măng, máy nghiền con lăn đứng (sấy nghiền liên hợp) chủ yếu được sử dụng cho công đoạn nghiền mịn phối liệu và nghền than một phần là để tận dụng lại nguồn khí thải của nhà máy – hạn chế cho khí thải bị xuất ra môi trường quá nhiều. Bên cạnh đó, hiện nay nhiều nhà máy bắt đầu sử dụng máy nghiền đứng để nghiền clinker do một số ưu điểm của máy nghiền đứng so với máy nghiền bi trước đây. Một số hãng cung cấp máy nghiền con lăn đứng: FLSmidth, Polysius, FLD Smidth, . 27
Hình 3.1 Một số hãng máy nghiền đứng hiện nay [11] Những ưu khuyết điểm của máy nghiền đứng con lăn so với máy nghiền bi (MNB) Máy nghiền đứng đang được sử dụng rộng rãi trong gia đoạn hiện nay vì so với máy nghiền bi, máy nghiền đứng có ưu điểm sau: - Độ ẩm nguyên liệu đầu vào cao hơn so với MNB (có thể lên tới 20% so với MNB là 8%). - Do dễ thông khí và có thể thực hiện đồng bộ và tự động hóa các quá trình: nạp liệu, nghiền, sấy, phân ly, vận chuyển sản phẩm đến đầu ra trong cùng một máy nên lượng tiêu hao năng lượng của máy nghiền đứng thấp hơn MNB rất nhiều. Bên cạnh đó, năng lượng nghiền có thể sấy khô nguyên liệu và kết hợp dùng khí thải thành hệ thống sấy nghiền liên hợp nên hiệu quả sấy rất cao. - Việc điều chỉnh cỡ hạt cho sản phẩm dễ dàng hơn so với MNB. - Yêu cầu về mặt bằng ít hơn nhiều so với máy nghiền bi [12] - Chi phí vận hành và thay thế hao mòn ít hơn MNB [3]. - Tiếng ồn phát ra từ máy không lớn như MNB và giảm ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, máy nghiền đứng cũng có khuyết điểm: nếu sử dụng máy nghiền đứng để nghiền các nguyên liệu đầu vào thì độ đồng nhất của nguyên liệu không cao. Có thể gây ảnh hưởng đến tính chất xi măng sau này. 28
3.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy nghiền con lăn đứng 3.1.1.1 Cấu tạo Máy nghiền đứng con lăn có cấu tạo rất đa dạng tùy thuộc vào từng hãng sản xuất khác nhau. Dựa vào hình 3.1 dưới đây ta lấy ví dụ cấu tạo của một máy nghiền con lăn đứng như sau: 1. Bộ phận nạp liệu 2. Hệ thống dẫn liệu tới nơi nghiền 3. Giá đỡ mâm nghiền 4. Bánh xe nghiề 5. Mâm nghiền 6. Trục của bánh xe nghiền 7. Hệ thống nén thủy lực 8. Vòng Lourve 9. Dòng khí nóng 10. Hệ thống phân ly 11. Phễu hồi lưu 12. Ống dẫn phối liệu ra 13. Động cơ 14. Trục đàn hồi 15. Hộp giảm tốc 16. Hệ thống cấp khí nóng 17. Hệ thống máy tính kết nối 18. Khu vực chứa tạp chất 29
Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy nghiền con lăn đứng [13] 30
3.1.1.2 Nguyên lý hoạt động Dựa theo sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy nghiền con lăn đứng hình 3.1 trên ta tóm tắt sơ lược nguyên lý hoạt động của máy như sau: Các nguyên liệu sau khi qua cân định lượng vào băng tải và được cấp vào máy nghiền thông qua hệ thống cấp liệu (1). Liệu sẽ theo hệ thống dẫn (2) dọc theo phễu hồi lưu tới trung tâm mâm nghiền (5) và do mâm nghiền quay tạo ra lực ly tâm, vật liệu sẽ được dàn ra các mép của mâm nghiền. Tại đây có các bánh xe nghiền (hay các con lăn) (4) với kích thước tùy vào thiết kế của máy quay quanh trục (6) của nó. Liệu sẽ được nghiền mịn do chịu áp lực và lực mài xiết từ chuyển động tương đối giữa bánh xe nghiền và mâm nghiền. Lực nghiền sẽ được quyết định thông qua hệ thống nén thủy lực (7) và sẽ được điều chỉnh sao cho phù hợp nhất. Hệ thống nén thủy lực sẽ được điều khiển thông qua hệ thống máy tính kết nối (17). Một vòng chặn bao quanh bàn nghiền có tác dụng dàn đều hỗn hợp phối liệu nghiền thành một lớp trên rãnh nghiền. Liệu dần dần bị ép đẩy qua mép của vòng chặn và rơi ra khỏi bàn nghiền. Khi liệu rời khỏi bàn nghiền sẽ được dòng khí nóng được cấp vào đưa chúng đến hệ thống phân ly (10) đặt ngay phía trên bàn nghiền, tại vùng phân ly sẽ tạo ra các vòng xoáy liệu khí, các hạt liệu không đạt yêu cầu về kích thước sẽ bị mất động năng và rơi xuống phễu hồi lưu (11) và theo một thiết bị hình côn trở lại vùng nghiền và nghiền tiếp. Hạt liệu sau khi qua hệ thống phân ly sẽ theo hệ thống ống dẫn (12) ra khỏi máy nghiền. 3.1.1.1. Các cụm cơ bản của một máy nghiền đứng con lăn  Vỏ máy nghiền: tác dụng bao che các bộ phận bên trong máy nghiền và hoàn toàn không chịu áp lực gì từ việ nghiền phối liệu. Phần vỏ bao gồm phần hình trụ phía thân và phần hình côn phía trên. Bên hông phần than hình trụ có lấp hệ thống nạp liệu và phía hình côn được bố trí máy phân ly và hệ thống tháo liệu.  Hệ thống chân đế: Có cấu tạo gồm 4 chân độc lập với nhau. Mỗi chân đế sẽ được liên kết với các trục của con lăn. Bộ phận chân đế này sẽ nâng đỡ phần đáy của máy nghiền nơi chứa các kênh phân phối khí nóng ra vào bên trong máy nghiền để thực hiện công đoạn sấy và đồng thời khí nóng cũng đóng vai trò quan trọng trong liện đưa phối 31
liệu đến với bộ phận phân ly không khí. Bên cạnh đó để kiểm soát lượng khí vào và ra người ta sẽ lắp vào một hệ thống điếu chỉnh lưu lượng. Hệ thống chân đế chịu hầu hết trọng lượng của cả máy và lực từ những con lăn trong quá trình nghiến. Hình 3.3 Hệ thống chân đế của máy nghiền con lăn đứng [13] Hình 3.4 Mô tả chuyển động dòng khí trong máy nghiền đứng [11]  Hệ thống dẫn động mâm nghiền và cụm mâm nghiền: Bao gồm các cụm cơ bản như: động cơ – khớp nối – hộp giảm tốc – mâm nghiền. Do đặc điểm làm việc của máy nên hệ thống này cần phải thỏa những chỉ tiêu nhất định. Vì vậy, việc lựa chọn các thiết bị cho hệ thống dẫn động này cần phải cẩn thận, đặc biệt là 32
hộp giảm tốc. Do đặc điểm làm việc của hộp giảm tốc khá đặc biệt (chịu toàn bộ tãi trọng của máy tác động lên vỏ hộp, kết cấu vỏ phải đủ cứng vững để chịu tải dọc trục, ) nên thông thường không nối trực tiếp với mâm nghiền mà được nối với đế lắp mâm nghiền. Mâm nghiền được liên kết với đế mâm và vòng tựa quay bằng các bulong. Cụm mâm nghiền bao gồm 2 bộ phận: mâm nghiền và cốc đỡ mâm nghiền. Chúng chịu tác động trực tiếp của các tải trọng do quá trình nghiền sinh ra. Do các yêu cầu kĩ thuật chung của cả hai bộ phận mà chúng sẽ được chế tạo độc lập với nhau và được liên kết với vành tựa quay bằng bulong. Cốc đỡ mâm nghiền thường được chế tạo từ thép đúc, gang cầu hoặc bằng phương pháp hàn, và mâm nghiền được chế tạo từ thép chịu mài mòn và độ bền cao. Để thuận tiện cho việc tháo lắp sửa chữa, mâm nghiên không được chế tạo thành nguyên khối mà được chế tạo theo từng mảnh. Hình 3.5 Mâm nghiền của máy nghiền đứng OK™ Mill [13]  Cụm bánh nghiền và hệ treo bánh nghiền Cụm bánh nghiền bao gồm các bộ phận chủ yếu là: bánh nghiền, trục và các ổ trục. Đây là một trong những cụm có điều kiện làm việc khắc nghiệt nhất cùa máy nghiền vì chịu tác động của rất nhiều yếu tố (toàn bộ tải trọng nghiền Pn, lực dọc trục Pa, lực ma sát 33
giữa bánh nghiền và vật liệu cần nghiền Fms, .). Do đó cần phải chú ý đến độ bền khi tính toán thiết kế. Tùy theo từng loại máy mà số bánh nghiền sẽ khác nhau. Các bánh nghiền sẽ được đặt đều xung quanh mâm nghiền và quay xung quanh trục của nó. Các bánh nghiền được thiết kế có độ bền cao. Các trục của bánh nghiền sẽ được đặt trong các ống có khả năng truyền lực nghiền từ hệ thống thủy lực lên các con lăn và đồng thời giúp cho việc tháo lắp con lăn trỡ nên dễ dàng. Hệ thống dẫn động cho bánh nghiền là hệ thống các xy lanh thủy lực. Ống trục bánh nghiền sẽ được nối với một xi lanh thủy lực qua một đòn bẩy tựa trên một trục gắn với chân đế và một bình cầu chứa dầu cho hệ thống thủy lực. Hình 3.6 Mô tả cụm bánh nghiền và hệ treo bánh nghiền [13] 34
 Hệ thống phân ly không khí Là một trong những bộ phận quan trọng nhất của máy nghiền con lăn đứng và được đặt ngay trên bộ phận nghiền. Có nhiều loại hệ thống phân ly khác nhau như: hệ thống phân ly dòng lưu thông trường trọng lực, thiết bị phân ly ly tâm lưu thông, Tuy nhiên hiện nay phổ biến nhất là thiết bị phân ly kiểu rôto. Hình 3.7 Các loại hệ thống phân ly không khí [11] Các hệ thống phân ly kiểu roto trên thị trường hiện nay dù có cấu tạo khác nhau tùy theo thiết kế của từng hãng sản xuất nhưng chúng đều dựa trên một nguyên tắc chung là dùng cánh quạt và khí nóng để phân ly dòng khí, hạt sản phẩm trong vùng phân ly sẽ chịu hai lực tác dụng là lực li tâm do chuyển động quay tròn và lực hsut do cánh quạt roto tạo ra. Thiết bị phân ly kiểu này có nhiều ưu điểm như năng lượng tiêu thụ nhỏ, năng suất lớn, chất lượng phân ly tốt, . 35
3.2 Tính toán thiết kế máy nghiền đứng con lăn 3.2.1 Lưu đồ tính toán thiết kế máy nghiền đứng con lăn. Hình 3.8 Lưu đồ tính toán các thông số cơ bản của máy nghiền 36
Hình 3.9 Lưu đồ thiết kế hệ thống phân ly của máy nghiền 37
3.1.2. Các nhóm thông số cơ bản của máy nghiền 3.2.1.1 Nhóm thông số hình học Góc ôm 휽: Là góc tạo bởi tiếp tuyến T tại tiếp điểm là điểm tiếp xúc giữa cục vật liệu và bánh nghiền với mặt phẳng nằm ngang. Góc phải có giá trị phù hợp để đảm bảo điều kiện nghiền. Nếu góc 휃 quá lớn, bánh nghiền sẽ không đè lên cục vật liệu được. Gọi F0 là lực của bánh nghiền tác dụng lên cục vật liệu, P0 là lực của mâm nghiền tác dụng lên cục vật liệu. Đồng thời khi làm việc sẽ xuất hiện lực ma sát T và T1. Điều kiện để cục vật liệu đi vào khu vực nghiền: T01 + T1 ≥ F01 Với T01 = T. cosθ = f. F0. cosθ; T1 = f. P0; F01 = F0. sinθ. Vậy điều kiện để cục vật liệu đi vào khu vực nghiền: 퐟. 퐅 . 퐜퐨퐬훉 + 퐟. 퐏 ≥ 퐅 . 퐬퐢퐧 훉 (1) Ta chiếu các lực lên phương thẳng đứng ta có: P – F02 – P02 = 0 Ta suy ra được: P0= F0cosθ + f.F0sinθ (2) Từ (1) và (2) với tan 휑 = (f là hệ số ma sát trượt), ta có: 2 푡 푛휑 tan 휃 ≤ = tan 2휑 1 − tan 휑2 Vậy: θ ≤ 2φ, với 휑 là góc ma sát. Thông thường: Vật liệu rắn f = 0.3, suy ra 휑 = 16°40′ do đó 휃 = 33°20′ Vật liệu mềm f = 0.45, suy ra 휑 = 23°40′do đó 휃 = 48°40′. Để máy làm việc hiệu quả, thông thường ta chọn: 훉 = ° − ° [14]. 38
Đường kính bánh nghiền: Xét tam giác ODE, ta có: R + m cos θ = b R R + R + v b v cos θ Với: Rb: bán kính bánh nghiền m: chiều dảy lớp vật liệu đã được nghiền Rv: bán kính cục vật liệu Thông thường, giá trị m có thể được lấy trong khoảng 0.03Db hay 0.06Rb [12], và khi đó: cos θ + 1 R = R b (1.06 − cosθ) v RB Và thường sẽ dựa vào hệ số tỷ lệ Kbv = để xác địng bán kính bánh nghiền (tỷ số Kbv Rv phụ thuộc vào góc kẹp 휃) và từ đó suy ra đường kính của bánh nghiền. Tuy nhiên trong thực tế, quá trình làm việc của bánh nghiền khá phức tạp mà phối liệu lại được cấp theo dòng, do đó để tăng năng suất nghiền và để dự trữ giá trị Rb được lấy tăng lên từ 10% - 20% [12]. Hình 3.10 Sơ đồ tính và làm việc thực tế của bánh nghiền [12] 39
Bề dày bánh nghiền Bb Bề dày bánh nghiền hay còn gọi là chiều rồng bánh nghiền có một ảnh hưởng nhất nhất định trong quá trình nghiền. Do đặc điểm làm việc, giá trị Bb thường được lấy trong một phạm vi nhất định và theo kinh nghiệm là chủ yếu. Giá trị Bb được xác định dựa trên tỷ số , với Bb là bề dày bánh nghiền, Db là đường kính bánh nghiền. Tỷ số này phụ thuộc vào năng suất của máy nghiền. Xác định đường kính mâm nghiền Được hiểu là đường kính vòng tròn đo tại điểm tiếp xúc giữa bánh nghiền và mâm nghiền có tâm là tâm quay của mâm nghiền. Có nhiều dạng mâm nghiền khác nhau như: mâm nghiềng phẳng, mâm nghiền hình lồng máng, tùy thuộc vào từng loại máy. Hình 3.11 Các loại mâm nghiền theo các hãng khác nhau [8] Đường kính mâm nghiền sẽ thay đổi tùy thuộc vào từng hãng khác nhau. Và trong thực tế giá trị của đường kính mâm nghiền Dm được chọn theo tỷ lệ nhất định so với đường kính bánh nghiền Db thông qua tỷ số . 3.2.1.2 Nhóm thông số động học Số vòng quay của mâm nghiền dạng phẳng Vật liệu khi ở trên mâm nghiền phải chịu tác động từ nhiều lực khác nhau, trong đó lực ly tâm có xu hướng làm vật liệu có thể bị văng ra ngoài. Để bảo đảm, cẩn thỏa các điều kiện sau: 2 mVm Fz = Fms hay = mgf Rm Đồng thời ta có vận tốc mâm nghiền Vm: Vm = π × 푛 × Dm m/s 40
Từ đó ta tính được số vòng quay của mâm nghiền dạng phẳng dùng cho vật liệu rắn như sau: f 0.75√f c11 nm = √ = × 60 = 2Dm √Dm √Dm Với: 푛 : Số vòng quay của mâm nghiền (v/ph) Dm: Đường kính mâm nghiền (m) c11 - Hằng số tốc độ với mâm nghiền Hằng số tốc độ không chỉ phụ thuộc vào đặc tính vật liệu cần nghiền mà còn phụ thuộc vào dạng bề mặt làm việc và kết cấu của mâm nghiền. Tuy nhiên trong thực tế giá trị của hằng số tốc độ còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như phương thức cấp liệu vào, và đặc biệt là thông số của dòng khí đưa vào trong quá trình nghiền. Các yếu tố không thể xác định một cách chính xác mà phải xác định bằng thực nghiệm. Chính vì lý do này mà hiện nay giá trị hằng số tốc độ được cho là rất khác nhau tùy theo từng hãng khác nhau. Vận tốc trượt giữa bánh nghiền và mâm nghiền Thông thường vận tốc giữa mâm nghiền và bánh nghiền không giống nhau trong quá trình làm việc, do đó sẽ gây ra sự trượt tương đối giữa chúng. Sau khi xét tất cả cá yêu tố liên quan, ta tính được giá trị vận tốc trượt trung bình như sau: 1 푡 = 푡 = 푛 2 2 tb Với: Vt – vận tốc trượt trung bình giữa bánh và mâm nghiền (m/s) nm – Số vòng quay của mâm nghiền (v/ph) Bb - Bề rộng bánh nghiền (m) 41
Hình 3.12 Phân bố vận tốc theo chiều rộng bánh [12] Ta nhận xét nếu giá trị VT càng lớn sẽ tăng hiệu quả nghiền vì ngoài tác động của lực ép vỡ còn có tác dụng của lực xiết vỡ. Điều này có lợi cho việc nghiền mịn, tuy nhiên việc gia tăng vận tốc trượt sẽ làm tăng tổn hao công suất, đồng thởi làm tăng mòn và tăng nhiệt độ khu vực nghiền. 3.2.1.3 Nhóm thông số động lực học Xác định lực nén bánh nghiền bằng thực nghiệm Lực nén bánh là thông số quan trọng, nó không những ảnh hưởng tới hiệu quả nghiền mà còn ảnh hưởng trược tiếp đến công suất nghiền, đến độ mòn của bánh nghiền và mâm nghiền. Có nhiều cách để xác định lực nén bánh nghiền nhưng ở đây chúng ta chỉ xét đến việc xác định nó bẳng thực nghiệm. Cơ sở cùa phương pháp này là dựa trên thực nghiệm để xác định hợp lý khi nghiền. Sau khi đã xét qua tất cả các giả thiết, ta có thể xem lực nghiền P được tính một cách gần đúng như sau: 2휃 P = × 푅 × 360 Với: p là áp lực khi nghiền Rb là bán kính bánh nghiền Bb là bề dày bánh nghiền 42
Hình 3.13 Các vùng nghiền [12] Để đơn giản hơn khi tính, các nhà sản xuất đã đưa ra khái niệm áp lực riêng kp như sau: 푃 휃 = = × 360 Tùy theo từng hãng sản xuất ta có các giá trị kp khác nhau như bảng dưới đây: Bảng 3.1 Giá trị kp theo từng hãng sản xuất [12] Hãng Pfeiffer Loesche FL FLS Polysius Kp ≤ 450 ≤ 880 ≤ 880 800 ≤ 1100 (kN/m2) Xác định năng suất của máy nghiền Năng suất cùa máy nghiền Q có thể được tính như sau: 1 푄 = × 3600 × 푍 × × × 휌푣 × 0 × 1 Với: k0: hệ số tuần hoàn liệu 휌푣 : trọng lượng riêng của vật liệu m: chiều cao lớp liệu cần nghiền k1: hệ số tuần hoàn hiệu quả Z: Số bánh nghiền Xác định công suất dẫn động của máy nghiền 43
Công suất dẫn động của máy nghiền được tinh gần đúng như sau: N + N + N N = 1 2 3 kW η Với: N1 là công suất cần thiết để khắc phục lực cản lăn khi bánh nghiền lăn trên lớp vật liệu −3 N1 = P. μ. Vm. Z. 10 kW Trong đó: P: lực ép (N) : vận tốc quay của mâm nghiềng (m/s) 휇: Hệ số ma sát (0.05 – 0.1) Z: số lượng con lăn N2 là công suất cần thiết để khắc phục lực ma sát xảy ra khi có hiện tượng trượt −3 N2 = Z. P. f. VT. 10 푊 Trong đó: f: hệ số ma sát trượt VT: vận tốc trượt (m/s) N3 là công suất khắc phục ma sát ở trục lắp bánh nghiền −3 3 = 푃. . . . 푛 . 푍. 10 푊 Trong đó: fc: hệ số ma sát lăn ở trục nb: vòng quay của bánh nghiền (v/s) d: đường kính gồng trục 휂: hiệu suất chung 3.2.2 Tính toán các thông số của dòng khí trong máy nghiền đứng Dòng khí trong máy nghiền đứng có các chức năng khác nhau nên phải tính toán các thông số của dòng khí động trong máy nghiền (lưu lượng, ). Lưu lượng dòng khí qua máy nghiền phải đáp ứng đồng thởi được các yêu cầu chủ yếu sau: 44
- Tạo vận tốc gió tại vành phun có động năng đủ lớn để đẩy và phân tán được các lớp vật liệu. - Tạo ra vận tốc đủ lớn để nâng và vận chuyển sản phẩm tới thiết bị phân ly. - Đảm bảo được mật độ hỗn hợp khi ra khỏi thiết bị phân ly nằm trong phạm vi nhất định (kg/m3) để hạn chế quá trình kết dính giữa các hạt. 3.2.2.1 Xác định lưu lượng tại vành phun khí Lk Lk được gọi là lưu lượng khí cần thiết tại vành phun khí và có thể được xác định như sau: Lk = Sk. Vk 2 Với: Sk: tiết diện sống của khe (m ), tiết điện này được chọn phù hợp khi thiết kế. Vk: vận tốc gió tại mặt thoáng tiết diện (m/s) Để đẩy được lớp vật liệu tràn ra khỏi mâm nghiền có độ dày trung bình 훿 (m), với khối lượng riêng 휌푣, Khi đó tải trọng lớp vật liệu này sẽ là G = δρ. Vì thế, để đẩy lớp vật liệu này bung lên ta cần một áp lực pd ≥ G. Vận tốc dòng kính mặt thoáng là: 2gδ휌푣 Vk ≥ √ ρkk o Với: 휌 : khối lượng riêng không khí ở nhiệt độ 180 C Lưu ý: Giá trị Sk trong công thức trên là giá trị max. Khi không khí qau vành phun máy nghiền sẽ nhận nhiệt chuyển hóa từ cơ năng và bị giãn nở, thể tích thay đổi tức là luu lượng sẽ thay đổi, vì vậy ta có lưu lượng qua máy nghiền lúc này là: ′ ρkk L k = ′ . Lk ρ kk 3.1.2.1. Kiểm tra lưu lượng gió để hạt đạt vận tốc làm việc Tại tiết diện nối giữa khu vực nghiền và hệ thống phân ly hay gọi tắt là tiết diện A lưu lượng khí phải đủ để vận tốc hạt có giá trị bằng (1.25 – 1.30) hay 푣 = (1.25 − 1.30)푣푡 푒표, với 푣푡 푒표 = 4.7√ 휌푣 45
3.2.2.2 Kiểm tra lưu lượng gió để đảm bảo mật độ hỗn hơp khí – bụi sản phẩm tinh Mật độ vật liệu trong hỗn hợp khí-bụi được xác định bằng công thức: 1000 × 푄 휂 = ′ 퐿 Với: Q: năng suất máy nghiền (tấn/h) L’k: lưu lượng không khí thực tại đường ra thiết bị phân ly (kg/h) 휂: mật độ dòng hỗn hợp khí-bụi (kg/kg) Giá trị mật độ dòng hỗn hợp khí – bụi không được lớn hơn 0.33 kg/kg. Nếu lớn hơn thì giá trị L’k không được chấp nhận. 3.2.3 Tính toán các thông số cơ bản của hệ thống phân ly 3.2.3.1 Đường kính trong của roto 3 L′k D1 = C × √ nroto Với: C: hệ số vận tốc, C = 0.97 – 1.3 D1: đường kính trong của roto (m) nroto: tốc độ quay của roto (v/ph) 3.2.3.2 Chiều cao của roto H = (0.3 – 0.6).D1 Với: H là chiều cao roto (m) D1 là đường kính trong roto (m) 3.2.3.3 Đường kính giới hạn của hạt ứng với Dgh1 Để xác định đường kính giới hạn của hạt ứng với Dgh1 trước hết ta phải tính cường độ lắng C1 theo công thức sau: 퐿′ = 1 2 2 Với: C1: Cường độ lắng (m /s) 46
Từ đó ta xác định được Dgh1 theo công thức dưới đây: 18ηđl √C1 1 Dgh1 = √ × × ρv − ρ1 nr R1 2 Với: 휂đ푙: độ nhớt động lực (Ns/m ) 3 휌푣: khối lượng riêng của hỗn hợp phối liệu(kg/m ) 3 휌1: khối lượng riêng của không khí tại nhiệt độ t1 (kg/m ) R1: bán kính roto (m) 3.2.3.4 Đường kính ngoài của roto D2 𝑔ℎ1 2 = 1. 𝑔ℎ2 Với: Dgh2: đường kính hạt giới hạn ứng với D2 (m) 3.2.3.5 Vỏ ngoài của vành hướng dòng Dhd = 2 ℎ 0.7 Thông thường chiều cao bộ hướng dòng sẽ được lấy bằng với guồng roto [12] 3.2.3.6 Đường kính vỏ thiết bị phân ly Dpl 4L′k 2 Dpl = √ − Dhd πvd Với: vd: vận tốc dòng tại buồng phân ly (m/s) 3.2.4 Thiết kế hộp giảm tốc và lựa chọn động cơ điện cho máy nghiền đứng con lăn 3.2.4.1 Thiết kế hộp giảm tốc Vể mặt nguyên tắc, hộp giảm tốc sử dụng cho máy nghiền đứng giống với các hộp giảm tốc tiêu chuẩn khác. Tuy nhiên, hộp giảm tốc sử dụng cho máy nghiền luôn phải truyền công suất lớn và đồng thời một phần vỏ hộp phải chịu tải trọng do quá trình nghiền sinh ra nên một mặt các bánh răng trục chậm thường có kích thước rất lớn (có thể lên tới 3000mm) [12]. Bên cạnh đó khi thiết kế hộp giảm tốc của máy nghiền cần lưu ý rằng bề mặt tựa cho ổ đỡ chận phải được gia công. 47
Thông thường người ta luôn phải tìm cách giảm kích thước bánh răng để thuận tiện cho việc gia công, lắp đặt, . Vật liệu làm bánh răng thường là thép hợp kim và phải lưu ý rằng khi chế tạo răng cho bánh răng sau nhất thiết phải gia công nhiệt luyện để tạo độ cứng bề mặt cao. Khi ghép nối phải quan tâm đến khả năng chịu tải của mối ghép. Để việc thiết kế hộp giảm tốc có hiệu quả và giảm việc phải tháo lắp, sửa chữa các chi tiết phụ của hộp giảm tốc như vỏ hộp, ổ trục, việc lựa chọn các chi tiết này phải cẩn thận và hợp lý. Hộp giảm tốc là một trong những bộ phận rất quan trọng trong máy nghiền đứng, nên ngoài các yếu tố đã nói trên còn phải chú ý đến khả năng dự trữ công suất của hộp giảm tốc thiết kế. Hệ số dự trữ về công suất kh củ hộp nẳm trong khoảng từ 1.5 – 2.0 [12]. Hình 3.14 Các loại hộp giảm tốc sử dụng cho máy nghiền [14] 48
3.2.4.2 Lựa chọn động cơ điện Động cơ điện sử dụng cho máy nghiền đứng thường phải hoạt động với công suất lớn, do vậy cần phải đáp ứng các yêu cầu sau đây [12]: - Dòng khởi động phù hợp với lưới điện hiện có và không gây sụt áp cho lưới điện. - Thời gian khởi động thích hợp với sự làm việc của máy. - Giá trị moment quán tính nhỏ nhất có thể được. - Có độ ồn không được cao hơn 80dB. 3.2.5 Kết quả tính toán thiết kế máy nghiền đứng Lựa chọn thiết bị thiết kế Từ kết quả tính cân bằng vật chất cho công đoạn nghiền mịn phối liệu và silo đồng nhất, ta có năng suất hiện tại của máy là: 125.34 (tấn/h). Tuy nhiên khi thiết kế người ta sẽ tăng năng suất của máy lên với hệ số dự trữ là 1.1 [8], vậy năng suất của máy là: 137.87 (tấn/h). Sau khi đã có năng suất ta tiến hành chọn thiết bị: máy nghiền đứng sấy nghiền liên hợp của hãng FLSmidth Hình 3.15 Ký hiệu kích thước cửa máy nghiền FLSmidth [27] 49
- Kí hiệu máy: OK – 36-4 - Công suất đông cơ điện: 3750 kW - Năng suất:160-240 tấn/h - Chiều cao máy A: 19000 mm - Chiều cao ổng xả liệu B: 16800 mm - Chiều rộng bộ phận phân ly C: 8400 mm - Khoảng cách giữa 2 bánh nghiền D: 9400 mm Thiết kế bánh nghiền Góc ôm 휽: Theo công thức đã được chứng minh ở mục trên, góc ôm được chọn theo tiêu chí 휃 ≤ 2휑. Thông thường, góc ôm 휃 trong công nghệ xi măng dao động từ 8° - 13°, do đó chọn 훉 = °. Hệ số tỷ lệ Kbv: Hệ số tỷ lệ Kbv sẽ phụ thuộc vào góc ôm 휃 theo bảng dưới đây: Bảng 3.2 Giá trị Kbv theo góc ôm 휃 휃 (độ) 8 9 10 11 12 13 Kbv 28.5 27.5 26.4 25.3 24 23 Do ta chọn 휃 = 11°, vậy ta suy ra được Kbv = 28.5. Đường kính bánh nghiền: Từ giá trị hệ số tỷ lệ Kbv, ta tính đường kính bánh nghiền theo công thức sau: Db = Kbv × Dv = 28.5 × 70 = 1995 mm Vì vậy, ta chọn Db = 2000 mm = 2 m. Bề dày con lăn: Sau khi chọn kích thước đường kính bánh nghiền phù hợp, ta xác định được bề dày bánh nghiền Bb dựa và hệ số tỷ lệ Kb. Đối với loại máy nghiền có năng suất lớn (Q lớn hơn 30 tấn/h), tỷ số Kb nằm trong khoảng [0,3;0,35] [12]. Đối với máy nghiền đứng sấy nghiền liên hợp của hãng FLSmidth ta chọn kb = 0.4. Từ đó ta tính được bề dày bánh nghiền như sau: = 퐾 × = 0.4 × 2000 = 800 50
Vậy bề dày con lăn Bb = 800 mm = 0.8 m. Vật liệu làm bánh nghiền: Bánh nghiền gồm hai thành phần chính: xương bằng thép có độ cứng cao và lớp phủ có khả năng chịu mài mòn cao để phục vụ cho quá trình nghiền. Lớp phủ bên ngoài thường được làm từ hơp kim của Cr, tuy nhiên để tăng them độ chịu nén và mài xiết của con lăn ta có thể kết hợp với gốm chịu mài mòn. Lực nén bánh nghiền: Để tính lực nén bánh nghiền, trước hết ta chọn hệ số áp lực nghiền kp. Đối với hãng FLSmidth, hệ số kp=880. Vậy lực nén bánh nghiền P sẽ: P ≤ × × ≤ 800 × 2 × 0.8 ≤ 1280 Vậy ta chọn P = 1280 kN. Thiết kế mâm nghiền Đường kính mâm nghiền: đối với hãng FLSmidth, chọn Kmb = 2, từ đó ta xác định đường kính mâm nghiền như sau: = 퐾 × = 2 × 2000 = 4000 Từ đó ta chọn Dm = 4000 mm =4 m Mâm nghiền sử dụng trong trường hợp này là mâm nghiền có dạng lòng máng Đường kính mép ngoài mâm nghiền: Sau khi có được giá trị đường kính của mâm nghiền, ta suy ra được giá trị đường kính mép ngoài mâm nghiền Dnm dưới đây: 4000 = = = 5000 푛 0.8 0.8 Vậy ta chọn Dnm = 5000 mm = 5 m Số vòng quay của mâm nghiền: Ta chọn hệ số tốc độ của mâm nghiền c12 = 30.05, từ đó tính được số vòng quay của mâm nghiền như sau: 2.1 ∗ 12 2.1 ∗ 30.05 푣 푛 = = = 31.55 ( ) √ √4 ℎ Vây số vòng quay của mâm nghiền nm = 31.55 (v/ph) = 0.536 (v/s) Vận tốc quay của mâm nghiền: từ giá trị số vòng quay mâm nghiền đã tính được ở trên, ta suy ra vận tốc quay của mâm nghiền Vm theo công thức dưới đây: = × 푛 × = × 0.536 × 5 = 6.61 /푠 51
Vậy vận tốc quay của mâm nghiền Vm = 6.61 m/s. Vận tốc trượt giữa bánh nghiền và mâm nghiền: Thông số này được xác định như sau: π × n × B π × 0.536 × 0.8 Vtb = m b = = 0.66 m/s T 2 2 풕 Vậy vận tốc trượt: 푽 푻 = 0.66 m/s. Tính toán xác định chiều dày lớp vật liệu nghiền, năng suất tính toán của máy nghiề đứng Chiều dày lớp vật liệu nghiền: chiều dày lớp vật liệu đã được nghiền được xác định theo công thức dưới đây: m = [Db × (cosθ - 1) + Dv × (cosθ+1)] / 2 = [2 × (cos8 – 1) + 0.07 × (cos8 + 1)]/2 = 0.060 (m) Vậy bề dày lớp vật liệu: m = 0.060 (m) Năng suất lý thuyết của máy: Để xác định năng suất lý thuyết của máy nghiền đứng, ta chọn hệ số tuần hoàn phối liệu k0 = 10 và hệ số tuần hoàn hiệu quả k1 = 2 với số bánh 3 nghiền Z = 4 bánh và khối lượng riêng của hỗn hợp phối liệu ρv = 3000 kg/m . Từ đó ta tính được năng suất lý thuyết của của máy như sau: 3600 3600 푄푡í푛ℎ = × 푍 × × × × 휌푣 = × 4 × 6.61 × 0.8 × 0.06 × 3 표 × 1 12 × 8 푡ấ푛 = 142.776 ( ) ℎ Ta thấy Q tính = 142.776 tấn/h > Qtk = 137.87 (tấn /h). Vậy phù hợp với yêu cầu thiết kế máy cho nhà máy có năng suất 1.5 tr tấn/ năm. Công suất của động cơ Công suất khắc phục lực cản con lăn N1: Đầu tiên ta chọn hệ số ma sát lăn 휇 = 0.05, giá trị N1 được xác định như sau: N1 = P × μ × Vm × Z = 1280 × 0.05 × 6.61 × 4 = 1692.16 kW 52
Công suất khắc phụ ma sát trượt N2: Với hệ số ma sát trượt f =0.3, ta xác định giá trị N2 như sau: tb N2 = P × Z × f × V T = 1280 × 4 × 0.3 × 0.66 = 911 kW Công suất khắc phục ma sát ở trục lắp N3: Trước tiên ta chọn hệ số ma sát lăn ở trục fc = 0.015 và đường kính gồng trục d = 0.5 m =500 mm. Sau đó, ta xác định giá trị số Dm 4 v vòng quay của bánh nghiền nb = nm × = 0.536 × = 1.072 ( ). Từ những giá trị Db 2 s trên ta xác đinh được giá trị N3 theo công thức dưới đây: N3 = P × fc × π × d × nb × Z = 1280 × 0.015 × π × 0.5 × 1.072 × 4 = 126.87 kW Công suất dẫn động N: N = N1 +N2 +N3 = 1692.16 + 1013.76 +126.87 = 2832.79 kW Thiết kế khe nozzle ring: Ta đặt giả thiết rằng các khe của vòng nozzle ring có dạng hình chữ nhật và kích thước là 0,4m x 0,05m, gồm 100 khe. Ta có tổng diện tích của 100 thanh ngang là: 2 S100 khe = 100 × 0.4 × 0.05= 2 m Các thông số của dòng khí trong máy nghiền đứng Vận tốc dòng khí Vk: Để tính vận tốc dòng khí, ta đặt giả thiết rằng chiều dày lớp vật liệu tràn ra khỏi mâm nghiền 훿 = 0.06 m. Dòng khí nóng thông thường sẽ được lấy từ lò nung hoặc hệ thống trao đổi nhiệt. Theo thiết kế, nhiệt độ khí nóng vào của máy nghiền là 40℃ . Đặt giả thiết nhiệt độ không khí khi chưa qua khu vực nghiền là 90℃. Ta suy 3 ra được khối lượng riêng của không khí ở 90℃, ρkk = 0.972 kg/m [15] và giá trị của 2 gia tốc trọng trường g = 9.81 m/s . Từ tất cả các giả thiết trên, ta xác định giá trị Vk như sau: 2 훿휌푣 2 × 9.81 × 0.06 × 3000 ≥ √ ≥ √ ≥ 56 /푠 휌 0.972 53
Lưu lượng khí tại vành phun khí: Lưu lượng khí cần thiết tại vành phu khí được tính như sau: 3 퐿 = 푆 × = 2 × 56 = 112 ( ) 푠 Tuy nhiên sau khi qua khu vực nghiền, dòng khí sẽ nhận nhiệt chuyển hóa tứ cơ năng và bị giãn nở. Vậy lưu lượng dòng khí lúc này được tính theo quy luật dưới đây với nhiệt độ của không khí tăng từ 40℃ - 90℃. 3 ′ 휌 1.128 퐿 = 퐿 × ′ = 112 × = 129.98 ( ) 휌 0.972 푠 𝑔 Với 휌′ = 0.972 : là khối lượng riêng của không khí ở 90℃ [4]. 3 3 Vậy lưu lượng dòng khí thực thổi vào máy L’k = 130 m /s. Các thông số cơ bản của thiết bị phân ly Đường kính trong của roto D1: Theo tài liệu tham khảo [16], do máy nghiền đứng thiết v 160 × π kế có năng suất lớn ta chọn số vòng quay của roto n = 1 = = 16.76 rad/s roto ph 30 với hệ số vận tốc C = 1.2. Vậy ta xác định được đường kính trong của roto D1 như sau: 3 3 퐿′ 130 1 = × √ = 1.36 × √ = 3.78 푛 표푡표 16.76 Vậy D1 = 3.8 m Chiều cao của roto H: Giá trị H được tính như sau: H = (0.3 ÷ 0.6)D1 = (0.3 ÷ 0.6) × 3.8 = (1.14 ÷ 2.28) Vậy ta chọn chiều cao roto H = 2.28 m Cường độ lắng C1: Giá trị cường độ lắng C2 được tính như sau: 퐿′ 130 2 = = = 9.09 ( ) 2 2 × 2 × 2.28 푠 Đường kính giới hạn của hạt ứng với D1: Trước hết ta chọn hệ số nhớt động lực tại −6 2 100℃: ηdl = 21.5 × 10 Ns/m , từ đó ta xác định được đường kính giới hạn của hạt ứng với D1 là Dgh1 như sau: 54
18휂 1 18 × 21.5 × 10−6 × 9.09 30 2 ( ) 2 √ 푅1 = √ ∗ 2 ∗ = × × 푣 − 0 휛 푅1 (3000 − 0.972) × 160 4.20 = 64.04 휇 Vậy Dgh1 = 64.04 휇 Đường kính ngoài của roto D2: Với đường kính giới hạn của hạt ứng với D2: Dgh2 = 75휇 , ta tính được giá trị D2 theo công thức sau: 𝑔ℎ1 64.04 2 = 1. = 3.8. = 4.06 𝑔ℎ2 60 Vậy D2 = 4.06 m Đường kính ngoài của vành hướng dòng Dhd: Giá trị Dhd được xác định theo công thức sau: 4.06 = 2 = = 5.8 ℎ 0.7 0.7 Vỏ ngoài của thiết bị phân ly Dpl: Chọn vận tốc tại buồng phân ly vd = 5.7 m/s, Dpl sẽ được xác định theo công thức dưới đây: 4L′ 4 × 130 k 2 2 Dpl = √ − Dhd = √ − 5.8 = 7.92 πvd × 5.7 Lựa chọn động cơ và hộp giảm tốc Lựa chọn động cơ cho máy: Đầu tiên ta xác định hiệu suất chung 휂 của máy, chọn loại hộp giảm tốc 1 cấp, trục thẳng đứng có bánh răng côn nên: 2 휂 = 휂 × 휂 × 휂 × 휂표푙 Từ tài liệu tham khảo [17], ta có các giá trị: 휂 = 0.97: hiệu suất bộ truyền bánh răng côn (dầu bôi trơn liên tục) 휂 = 0.98: hiệu suất bộ truyền bánh răng trụ trong hộp giảm tốc (dầu bôi trơn liên tục). 휂 = 1: hiệu suất khớp nối 휂표푙 = 0.995: hiệu suất cặp ổ lăn. Vậy: 휂 = 0.97 × 0.98 × 1 × 0.9952 = 0.94 55
Từ đó ta tính được công suất của động cơ N 2832.79 Nđc = = = 3013.6 푊 휂 0.94 Lựa chọn động cơ cho máy nghiền như bảng dưới đây: Bảng 3.3 Lựa chọn động cơ điện cho máy nghiền Loại động cơ LT560-160 Công suất 3250 kW Số vòng quay 1184 vòng/ph Điện áp 6600/60 Hz Lựa chọn hộp giảm tốc: Sau khi đã lựa chọn động cơ, ta tiến hành chọn loại hộp giảm tốc dựa vào các thông số của động cơ và vận tốc mâm nghiền như sau: Công suất động cơ: Nđc =3250 kW Số vòng quay của mâm nghiền: nm =31.55 vòng/ph 3250 Với giá trị: đ = = 111.34. Vậy ta chọn hộp giảm tốc theo bảng sau: 푛 31.55 Bảng 3.4 Lựa chọn hộp giảm tốc [18] Loại hộp giảm tốc WPU161 Công suất động cơ 3250 kW Vận tốc đầu vào 990 vòng/ph Vận tốc đầu ra 31.55 vòng/ph Tỉ số truyền 31.38 Lực dọc trục Fa (min/max) 5550/7600 Kích thước D × H (mix/max) (3100 – 3700)mm × (2400 – 2800)mm Khối lượng (min/max) 65/86 56
Chương 4 Tính toán thiết kế hệ thống lò quay nung clinker xi măng pooc – lăng 4.1 Tổng quan về hệ thống lò quay nung clinker XMP theo phương pháp khô Như đã giới thiệu qua ở chương 1, hệ thống lò quay nung clinker xi măng Pooc – lăng gồm 3 bộ phận chính: hệ thống cyclone trao đổi nhiệt và buồng calciner, lò quay nung clinker và cuối cùng là hệ thống làm nguội. Do cấu tạo hệ thống trao đổi nhiệt được bố trí bên ngoài lò nên phối liệu khi tới đầu lò sẽ ở dạng bột khô với độ ẩm rất thấp. Điều này góp phần làm giảm chiều dài lò quay nung và quá trình trao đổi nhiệt của vật liệu cũng đạt hiệu quả cao. Hình 4.1 Mô tả hệ thống lò quay nung clinker theo phương pháp khô [19] 4.1.1 Hệ thống cyclone trao đổi nhiệt và buồng calciner. 4.1.1.1 Hệ thống cyclone trao đổi nhiệt. Hệ thống cyclone trao đổi nhiệt còn gọi là hệ thống trao đổi nhiệt kiểu treo (suspension preheater – SP) hệ thống cyclone nhiều tầng (hoặc bậc) mắc nối tiếp. Mỗi tầng sẽ có một hoặc hai cyclone tùy theo công nghệ. Ban đầu hệ thống thường chỉ có một hoặc hai tầng, nhưng hiện nay một hệ thống trao đổi nhiệt có thể có tới sáu tầng. Phía bên trong các 57
cyclone thường được ót gạch chịu lửa cao nhôm. Bột phối liệu đã nghiền mịn từ silo đồng nhất đi vào cyclone theo hướng tiếp tuyến và cùng lúc đó phối liệu sẽ gặp dòng khí nóng từ dưới lên. Theo dòng khí nóng, các hạt phối liệu sẽ chuyển động xoáy vòng theo hướng từ trên xuống và đi đến cyclone có nhiệt độ cao hơn. Quá trình chuyển vận hệ phối liệu – khí nóng và những biến đổi hoá lý cơ bản trong hệ thống tháp trao đổi nhiệt kiểu treo được mô tả như sau: Cyclone bậc IV Phối liệu (nhiệt độ khoảng 50℃ – 60℃) chuyển tới đổ vào ống giữa cyclone bậc IV và cyclone bậc III. Khí nóng từ cyclone bậc III (nhiệt độ khoảng 50℃) thổi từ dưới lên cuốn bột phối liệu vào theo phương tiếp tuyến với các cyclone bậc IV. Bột phối liệu ở trạng thái lơ lửng nhận nhiệt từ khí nóng tăng nhiệt độ rất nhanh, các phản ứng hoá lý như: sấy, mất nước hoá học của đất sét xảy ra tương ứng với nhiệt độ của bột phối liệu làm khối lượng riêng hạt bột phối liệu thay đổi. Đồng thời, hạt bột phối liệu chuyển động xoáy trong cyclone, liên tục va chạm với thành cyclone, va chạm với nhau mất dần động năng, rơi xuống đáy cyclone, theo ống dẫn rơi xuống cyclone tầng dưới (cyclone bậc III), lúc này nhiệt độ phối liệu khoảng 250℃, nhiệt độ giảm dần, theo ống dẫn khí thoát ra ngoài (nhiệt độ khí thải ra khỏi cyclone khoảng 300℃). Quá trình chủ yếu trong cyclone bậc IV là sấy (bay hơi ẩm), bắt đầu đốt nóng bột phối liệu. Khí thải nhiều hơi ẩm H2O đi vào các hệ thống lọc bụi và thoát ra ngoài. Đối với cyclone bậc IV, chúng ta cần thiết kế sao cho lượng hơi nước lưu lượng lớn thoát ra ngoài dễ dàng nhất và lượng bụi theo khí thải ra ngoài là ít nhất [3]. 58
Cyclone bậc III Bột phối liệu từ cyclone bậc IV (nhiệt độ 250oC) rơi xuống ống nối giữa cyclone bậc IV và cyclone bậc III. Gặp dòng khí nóng từ cyclone bậc II (nhiệt độ khoảng 650oC) thổi từ dưới lên, phối liệu bị cuốn theo vào cyclone bậc III theo phương tiếp tuyến. Tương tự như trên, hạt phối liệu có nhiệt độ tăng từ 250oC lên tới 500oC và rơi xuống ống dẫn khí thải giữa cyclone bậc II và cyclone bậc I. Khí nóng giảm nhiệt độ tự 650oC xuống còn 500oC đi vào cyclone bậc II. Quá trình hoá lý chủ yếu trong cyclone bậc III là mất nước hoá học của đất sét, cháy các tạp chất hữu cơ lẫn trong phối liệu, phân hủy MgCO3 và bắt đầu phân hủy CaCO3. Cyclone bậc II Bột phối liệu từ cyclone bậc III rơi xuống ống nôí giữa hai cyclone bậc III và II, gặp khí nóng từ cyclone bậc I thoát ra (nhiệt độ khoảng 800oC), bị cuốn theo khí nóng đi vào cyclone bậc II theo phương tiếp tuyến. Trong cyclone bậc II, nhiệt độ bột phối liệu tăng từ 500oC lên tới 650oC và rơi vào ống nối giữa cyclone bậc I và lò quay nung clinker, gặp khí thải từ lò nung hoặc từ máy làm nguội clinker (nhiệt độ khoảng 1100oC) cuốn vào cyclone bậc I theo phương tiếp tuyến. Quá trình chính trong cyclone bậc II là đất sét mất nước hoá học, cát trong giai đoạn này sẽ bị biến đổi thù hình và đồng thời sẽ phân hủy hầu hết MgCO3 và tăng cường sự phân huỷ CaCO3. Cyclone bậc I Tỷ lệ phân hủy carbonat trong cyclone không cao. Điều này được giải thích do lượng nhiệt trao đổi với bột phối liệu bị giới hạn bởi thời gian lưu trong thiết bị. Như vậy, để tăng hiệu quả phân hủy carbonat, phải thiết kế thiết bị riêng (buồng calciner). 59
Các cyclone bậc I, II và III thường có cùng kích thước. Khi vận hành thiết bị trao đổi nhiệt, nếu áp lực khí cân bằng với trọng lực khối hạt từ trên xuống sẽ làm tắc nghẽn ống dẫn, phải kiểm tra sự thông bột phối liệu thường xuyên. Hình 4.2 Hệ thống trao đổi nhiệt kiều trao SP [3] 4.1.1.2 Buồng phân hủy cacbonat (calciner) Do hiệu quả của quá trình phân hủy cacbonat trong lò quay nung clinker không cao nên để tăng hiệu quả trao đổi nhiệt cho lò quá trình này sẽ được thực hiện trong một cyclone đặc biệt gọi là thiết bị canxi hóa (calciner). Nhờ thiết bị phân hủy carbonat thời gian lưu hạt ở vùng nhiệt độ cần xảy ra phản ứng phân huỷ CaCO3 → CaO + CO2 lâu hơn (thời gian lưu là 60s thay vì 5s) hiệu suất phân hủy CaCO3 rất cao 90 – 95%. Thiết bị thường được lắp riêng biệt hoặc lắp vào vùng giữa lò quay và các cyclone đốt nóng bậc cuối (bậc I). 60
Hình 4.3 Buồng phân hủy cacbonat (calciner) của hãng [20] 4.1.2 Lò quay Trong ngành công nghiệp sản xuất xi măng, lò quay nung clinker xi măng Portland được xem là trung tâm của nhà máy, hầu hết các phản ứng trong quá trình sản xuất sẽ diễn ra ở đây. Hiện nay trên thị trường có nhiều hãng lò khác nhau, trong đồ án này sẽ tập trung giới thiệu về lò quay nung do hãng FLSmidth sản xuất. tùy theo nhu cầu mà ta có thể chọn lò có kích thước thích hợp. Số bệ ga lê phụ thuộc vào chiều dài lò, thông thường khoảng cách giữa hai ga lê là 25 – 30m. Lò càng nhiều ga lê thì khó canh chỉnh cho đồng trục, mặc khác khi chạy lò vỏ lò bị vặn nhiều, làm cho lớp gạch chịu lửa trong lò vặn theo. Lò quay phương pháp khô chỉ có 3 bệ ga lê và lò mới nhất hiện nay có hai bệ ga lê. 61
Hình 4.4 Lò quay 3 bệ ga lê [8] Hình 4.5 Lò quay 2 bệ ga lê [8] Để có thể thấy rõ sự khác nhau giữa lò 3 bệ ga lê với loại lò 2 bệ ga lê, ta lập bảng so sánh các đặc điểm của chúng như dưới đây: Bảng 4.1 So sánh giữa lò quay 3 bệ ga lê với lò quay 2 bệ ga lê Lò quay 3 bệ ga lê Lò quay 2 bệ ga lê Là lựa chọn truyền thống trong công Là lựa chọn của các nhà máy hiện đại hơn. nghệ sản xuất xi-măng lò quay. Dễ bảo trì vì ít các chi tiết hơn Thân lò được sản xuất từ tôn thép dày 50 Chi phí xây dựng thấp vì chỉ có hai bệ đỡ. – 100mm. Thất thoát nhiệt và tiêu thụ năng lượng Công nghệ kinh điển với hiệu suất cao. thấp nhất. Kết cấu vững chắc, tuổi thọ sử dụng lớn. Truyền động trực tiếp qua con lăn động Thiết kế đơn giản dễ bảo trì. cơ. 62
Bánh răng vòng, truyền động bánh răng. Hệ thống truyền động con lăn tự chỉnh – Hệ thống truyền động con lăn cố định, tự cân bằng. không dịch chuyển Các bộ phận cấu tạo của lò Đai lò: Chức năng chính là để phân phối lực truyền động dọc truyền đọng dọc theo chu vi lò, do đó sẽ ít gây biến dạng vỏ lò và kéo dài tuổi thọ gạch chịu lửa. Hơn nữa, sự cân bằng lò không bị ảnh hưởng bởi độ nghiêng của hệ thống lò, nên không cần thiết phải chỉnh lại cân bằng lò định kì. Hình 4.6 Đai lò treo tiếp xúc [8] Hệ thống khớp làm kín đầu lò và đuôi lò Khớp kín khí đầu lò và cuối lò là bộ phận rất quan trọng và là bộ phận bắt buộc của lò. Các khớp kín khí này có chức năng ngăn không cho không khí bên ngoài lọt vào làm tăng tiêu tốn năng lượng, giảm năng suất, tăng chi phí vận hành. 63
Hình 4.7 Hệ thống khớp kín đầu lò và đuôi lò [8] Vành chặn của hệ thống đai lò Để lò hoạt động ổn định đúng vị trí, không bị tụt lò hay lên lò, cần thiết lập vành chặn. Khe hở giữa đai lò và vành chặn 30 – 60mm. Với lò hiện đại người ta dùng vành chặn thủy lực, nghĩa là khi lò tụt xuống sẽ chạm vào băng đa. Lúc này vành chặn sẽ quay và máy thủy lực sẽ đẩy lò lên vị trí nhất định rồi về chỗ cũ. Mỗi lò mới hiện nay có thể có một hoặc hai vành chặn trên và dưới của một đai lò. Thiết bị làm nguội Sau khi qua giai đoạn nung luyện, clinker có nhiệt độ cao khoảng 1450oC, cần làm nguội nhanh clinker để đảm bảo thành phần pha cần thiết (ổn định thành phần và kích thước khoáng chính như C3S, C2S và pha thủy tinh), rút ngắn chiều dài lò và giúp clinker có nhiệt độ rất thấp, cần thiết cho những công đoạn sau. Đây là quá trình vật lý tương ứng với sự chuyển pha lỏng rắn ảnh hưởng mạnh đến các yếu tố cấu trúc (thành phần khoáng, độ xốp, khối lượng riêng, tính dễ nghiền ) và công nghệ tiếp sau như khả năng bảo quản, khả năng nghiền clinker do đó ảnh hưởng tới chất lượng xi măng. Tốc độ làm nguội từ khoảng 1200 - 1250oC đến 100oC cần rất nhanh. Khi làm nguội nhanh, pha lỏng chuyển mạnh thành pha thủy tinh, ngăn cản quá trình biến 64
o o đổi thù hình C3S thành C2S ở 1250 C, α-C2S thành β-C2S ở 675 C, ngăn các tinh thể quá lớn, tạo vết nứt tế vi cho clinker dễ nghiền. Hình 4.8 Hệ thống làm nguội kiểu ghi của hãng FLSmidth [21] Béc đốt Béc đốt chính của lò trong một nhà máy xi măng là một thiết bị quan trọng cần được đặc biệt quan tâm. Mặc dù về lý thuyết, ta có thể thiết kế một béc đốt lò quay mà hoàn toàn có thề đạt được 100% AF và hoàn toàn có thể Tự động điều chỉnh ngọn lửa liên quan tới các điều kiện công nghệ của lò. Đo được đầy đủ các dòng lưu lượng, áp suất, nhiệt độ, các vị trí, vận hành tốt trong bất kỳ điều kiện nào. Nhưng trong thực tế, tùy vào từng hãng mà thiết kế của béc đốt được cài tiến theo nhiều cách khác nhau để đạt chất lượng tốt nhất. 65
Hình 4.9 Hình ảnh mô phỏng béc đốt [8] Có 3 nhóm béc đốt: Nhóm 1: Có xu hướng hướng tới các béc đốt thấp NOx bật đầu thì hai kênh gió đã được lắp ở bên ngoài kênh than. Điều này đã làm chậm lại sự phối trộn với gió sơ cấp và do vậy làm giảm nhiệt độ của ngọn lửa (và theo đó làm giảm lượng phát thải là NOx). Nhóm 2: Béc đốt mà phối trộn PA hướng trục (A) và hướng kính (R) bên trong béc đốt trong một buồng đốt được đặt hướng về phía đầu béc đốt. Trong béc đốt có hiệu ứng xoay đạt được nhờ các cánh quạt có bước thay đổi mà làm cho nó có thể điều chỉnh được góc ra của tia gió hướng kính từ 5° đến 35° Nhóm 3: Là các béc đốt có các tia phun PA hựớng trục/hướng kính có thể điều chỉnh được trong một kênh đơn, có hoặc không có chi tiết xoáy nhỏ. Hình 4.10 Các loại béc đốt [22] 66
4.2 Tính toán thiết kế hệ thống lò quay nung clinker 4.2.1 Tính toán quá trình cháy của nhiên liệu và thiết lập cân bằng cho hệ thống lò quay nung clinker 4.2.1.1 Quá trình cháy của nhiên liệu Quá trình oxy hóa kèm theo sự phát lửa và tỏa nhiệt. Quá trình cháy bao gồm những gia đoạn như sau: - Hòa trộn là quá trình hòa trộn nhiên liệu với không khí. - Phản ứng cháy: phản ứng hóa học giữa oxy và các thành phần cháy được của nhiên liệu (C, P, S), quá trính tỏa nhiệt và phát sáng (lửa). - Phát tán sản phẩm cháy: sản phẩm sau khi cháy là hỗn hợp các oxit CO, CO2, H2O, SO2, NOx, Không khí nóng và thành phần nhiên liệu chưa phản ứng hết. - Hỗn hợp nhiệt độ cao phát tán trong không gian lò, hoàn tất quá trình cháy, truyền nhiệt cho phối liệu, hạ nhiệt liệu rồi thoát ra khỏi lò. Ta có lưu đồ tính toán quá trình cháy của nhiên liệu như hình dưới đây: 67
Hình 4.11 Lưu đồ tính toán quá trình cháy của nhiên liệu 68
Từ phần tính đơn phối liệu ta có bảng thành phần làm việc của than cám như sau: Bảng 4.2 Thành phẩn làm việc của than Cám 3 Nguyên tố Clv Hlv Olv Nlv Slv Alv Wlv Tổng Thành phần 76.49 1.72 1.62 0.86 2.15 16.14 1 100 (%) Từ đó ta tính được lượng sản phẩm cháy tính trên 100kg than như bảng sau: Bảng 4.3 Sản phẩm cháy tính trên 100kg than Kmol O2 cần để Sản phẩm cháy Kmol Nguyên tố Khối lượng (Kg) Kmol cháy CO2 H2O N2 SO2 C 76.49 6.37 6.37 6.37 H 1.72 0.86 0.43 0.86 O 1.62 0.05 -0.05 N 0.86 0.03 0 0.03 S 2.15 0.07 0.07 0.07 W 1 0.06 0.06 A 16.16 Tổng 100 6.82 6.37 0.92 0.03 0.07 Lượng không khí khô lý thuyết cần cho quá trình cháy nhiên liệu tính theo công thức L0 [23]: (Nm3/kg than) 3 Với VO2: là thể tích khí O2 cần dùng để đốt cháy 100kg than (Nm /kg than). 3 Lượng không khí khô thực tế để đốt 1 kg than Lk (Nm /kg than) [23]: Với: α =1.15 - hệ số không khí dư khi nhiên liệu cháy trong lò. 69
3 Lượng không khí ấm cẩn thiết cho quá trình cháy Lα (Nm /kg than) [23]: Với d =18 g/kg kkk – hàm ẩm của không khí 3 Lượng hơi nước đi từ không khí vào quá trình cháy LH2O (Nm /kg than) [23]: Dựa vào các công thức trên ta có bảng kết quả tính toán như bảng dưới đây: Bảng 4.4 Kết quả tính toán các thông số Lượng oxi cần để đốt cháy 1.52768 nhiên liệu Lượng không khí khô lý 7.275 Nm3/kg than thuyết để đốt 1kg than L0 Hệ số không khí dư α 1.15 Lượng không khí khô thực 8.37 Nm3/kg than tế để đốt 1kg than Lα Hàm ẩm không khí d 18 g/kgkkk Lượng kk ẩm thực tế cần 8.611 Nm3/kg than cho qt cháy Lượng hơi nước đi vào 0.241 Nm3/kg than trong qt cháy LH2O 70
Bảng 4.5 Lượng sản phẩm cháy khi đốt 1kg than Lượng sản phầm cháy khi đốt 1kg than Thành phần CO2 H2O SO2 N2 O2 dư Thể tích 1.43 0.43 0.02 6.62 0.23 (Nm3/kg than) Khối lượng 44 18 64 28 32 mol Tổng thể tích 8.730 Nm3/ kg than Vα Phần trăm sản 16.38 4.93 0.23 75.83 2.63 phẩm cháy Sau khi đã tính được lượng sản phẩm cháy tính trên 1kg than, ta tiến hành tính lượng khí thải trong khói lò từ các công thức sau: 3 Lượng không khí khô đến quạt hút Lk (Nm /kg than) [23]: Lk = L0 × αk Với 훼 = 1.6 – Hệ số dư không khí đền quạt hút Lượng không khí ẩm đến quạt hút L’k (Nm3/kg than) [23]: L′k = (1 + 0.0016 × d) × Lk 3 Lượng hơi nước đi từ không khí vào quạt hút H2Okk (Nm /kg than) [23]: H2Okk = L′k − Lk Từ đó ta có bảng kết quả như sau: Bảng 4.6 Các thông số của lượng thành phần khói lò 3 Lượng kk khô đến quạt hút Lk 11.64 Nm /kg than Lượng không khí ẩm đến quạt hút 11.98 Nm3/kg than L'k Hơi nước từ kk đi vào quạt hút 0.34 Nm3/kg than H2Okk Từ các thông số trên ta có bảng thành phần khói lò: 71
Bảng 4.7 Thành phẩn khói lò Thành phần CO2 H2O SO2 N2 O2 Thể tích (Nm3/kg 1.427 0.541 0.016 9.202 0.917 than) 3 Tổng thể tích Vαk 12.102 Nm /kg than Phần trăm tp khói 11.8 4.54 0.17 75.91 7. lò (%) 4.2.1.2 Thiết lập cân bằng cho hệ thống lò Quá trình thực hiện tính toán cân bằng lò, thiết lập cân bằng vật chất, tính cân bằng nhiệt cho toàn hệ thống lò quay. Từ đó xác định lượng nguyên nhiên liệu cần thiết cho quá trình cháy, nguyên liệu ẩm, khô, tiêu hao năng suất nhà máy, nhiệt lượng vào và ra của lò, cũng như tính toán thiết kế các thiết bịs Sao cho sai số giữa lượng vào lò và ra lò phải nằm trong giới hạn cho phép. Để thiết lập cân bằng cho hệ lò ta cần xác định:  Lượng vật chất vào lò trong lò xi-măng bao gồm: than vào lò, phối liệu ẩm vào lò, không khí lọt vào hệ thống cyclone, không khí vào béc đốt, không khí làm nguội clinker.  Lượng vật chất ra lò gồm: clinker, khí do phối liệu phân hủy, bụi phối liệu, khí sản phẩm cháy than, khí dư từ dàn làm lạnh. Từ đó ta thiết lập cân bằng cho hệ thống lò bao gồm cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt. Ta có lưu đồ thiết lập cân bằng cho hệ thống lò như sau: Lượng than tiêu tốn cho 1 kg clinker B: Từ bảng thành phần làm việc của than cám 3 ta tính được nhiệt thấp Qth (kcal/kg) và nhiệt trị cao Qcao (kcal/kg) của than theo hai công thức sau [23]: 1v 1v 1v 1v 1v Qth = 81C + 246H - 26(O - S ) - 6W 1v 1v 1v 1v Qcao = 81C + 246H - 26(O - S ) Từ đó ta tính được lượng than tiêu tốn B (kg/kg clinker) theo công thức sau: Q B = Qth 72
Với: Q = 820 kcal/kg – Nhiệt tiêu tốn cho 1kg clinker. Từ các công thức trên, ta có bảng kết quả tính toán như sau: Bảng 4.8 Lượng than tiêu tốn Nhiệt trị thấp của than 6619.560 Kcal/kg Nhiệt trị cao của than 6625.560 Kcal/kg Lượng than tiêu tốn 0.1237 Kg/kg clinker Lượng phối liệu khô tuyệt đối không kể bụi bay P: Dựa vào giá trị lượng tro đọng trong clinker a và tỷ lệ MKN của phối liệu từ bảng tính toán đơn phối liệu, ta tính được giá trị của đại lượng P theo công thức sau [23]: 100 − a × A × B P = 100 − MKN Từ đó ta tính được giá trị lượng phối liệu khô tuyệt đối không kể bụi bay P = 1.541 kg/kg clinker Lượng CO2 từ phối liệu phân hủy ra (tính trên 1kg clinker): Từ bản phối liệu ta có được phần trăm của CaO và MgO trong phối liệu thô. Từ đó, ta có thể tính được lượng CO2 do CaCO3 và MgCO3 phân hủy ra theo hai công thức sau [23]: 44 kg G = 0.01 × × %CaO × P ( ) 1 56 kgclinker 44 kg G = 0.01 × × %MgO × P ( ) 2 40 kgclinker Khi đã có các giá trị trên ta suy ra được tổng lượng CO2 từ phối liệu và từ đó ta tính được lượng nước hóa học cũng như lượng CaCO3 và MgCO3 trong phối liệu. Ta có kết quả như bảng sau: 73
Bảng 4.9 Lượng CO2 từ phối liệu phân hủy ra Phần trăm CaO của pl khô 42.640 % Phần trăm MgO của pl khô 0.870 % Lượng CO2 từ CaCO3 0.52 kg/kg CL Lượng CO2 từ MgCO3 1.01 kg/kg CL Tổng lượng CO2 trong pl 0.54 kg/kg CL Lượng nước hóa học trong pl 0.03 kg/kg CL Lượng CaCO trong phối 3 1.056 kg/kg CL liệu Lượng MgCO trong phối 3 0.02 kg/kg CL liệu Thiết lập cân bằng vật chất cho hệ thống lò Tính lượng vào lò: Lượng vật chất vào lò bao gồm lượng than nhiên liệu vào lò, phối liệu ẩm, không khí lọt qua hệ thống cyclone, gió I vào vòi phun, không khí làm nguội clinker. Ta lần lượt tính và được tổng vật chất vào lò. Gọi Xt là lượng nhiên liệu để đốt trong lò Lượng phối liệu khô vào lò GP [23]: P × 100 Gp = 100 − BU Với: P: phối liệu khô vào lò (kg/kg clinker) Bu: phối liệu bay ra theo khói lò tại cyclone trên cùng (%) Lượng ẩm của phối liệu vào lò GH [23]: GP × 100 G = − G H 100 − W P Với: GP: lượng phối liệu khô vào lò (kg/kg clinker) Wlv: độ ẩm làm việc của nhiên liệu than (%). 74
Lượng gió I vào vòi phun than [23]: d G = L × 0.08 × ρ × (1 + ) × Xt kk1 α kkk 1000 3 Với: Lα: lượng không khí khô đến quạt hút (Nm /kg than) 3 ρkkk = 1.293: khối lượng riêng không khí khô (kg/Nm ) r: hệ số không khí cần thiết cho gió I. (chọn r=0,08) Lượng không khí lọt vào lò theo hệ thống cyclone [23]: d G = (L − L ) × ρ × (1 + ) × Xt 1 k α kkk 1000 Lượng không khí cần thiết để làm nguội thiết bị clinker [23] d G = 2.35 × ρ × (1 + ) n kkk 1000 Cuối cùng ta tính được tồng lượng vào lò [23]: t Gv = X + GP + GH + Gkk1 + G1 + Gn Thông qua việc tính toán lượng vào lò theo các công thức trên, ta có bảng kết quả tính toán như sau: Bảng 4.10 Tổng lượng vào lò Lượng nhiên liệu để đốt trong Xt – kg/kgCL lò Lượng phối liệu khô vào lò GP 1.6292 kg/kgCL Lượng ẩm của phối liệu vào lò GH 0.02 kg/kgCL Gió I vào vòi phun than Gkk1 0.88 kg/kgCL Lượng không khí lọt vào hệ G 4.3 kg/kgCL thống cyclone trao đổi nhiệt l Lượng không khí làm nguội G 3.09 kg/kgCL clinker n t Tổng lượng vào lò Gv 4.74 + 6.18X kg/kgCL 75
Tính lượng ra lò: Lượng vật chất ra lò bao gồm: clinker, khí do phối liệu phân hủy, bụi phối liệu, khí sản phẩm cháy của nhiên liệu than (khói lò), khí dư từ thiết bị làm nguội. Tổng các lượng vật chất này là lượng ra lò. Ta tiến hành tính toán lượng ra lò theo các công thức dưới đây: Lượng clinker đơn vị ra khỏi lò là 1kg Lượng bụi bay ra theo khói lò (kg/kgclinker) [23]: −2 Gb = (GP − P) × (1 − MKN × β × 10 ) Với: β = 0.3 – Mức độ phân hủy cacbonate trong bụi. Lượng gió nóng để đốt cháy than (kg/kgclinker) [23]: d G = L × ρ × (1 + ) × 0.92 × Xt gn α kkk 1000 Lượng không khí dư từ máy làm lạnh (kg/kgclinker) [23]: Gdư = Gn - Ggn Với: Gn – Tổng lượng gió vào làm lạnh (kg/kgclinker) Lượng khói lò mang ra ngoài (kg/kgclinker) [23]: t Gkl = Vk × ρkl × X Với: 휌 푙 = 1.323 – Khối lượng riêng của khói lò 3 Vk – Tổng thể tích khói lò (Nm /kg than) Sau khi đã tính được các giá trị trên, ta suy ra tổng lượng ra lò GR theo công thức sau [23]: GR = 1 + GCO2 + GH2O + GH + Gb + Gkl + Gdư Vậy ta có bảng kết quả tính toán tổng lượng ra lò như sau: Bảng 4.11 Tính toán lượng ra lò Lượng bụi bay ra theo G 0.08 kg/kgCL khói lò b Gió nóng để đốt cháy G 10.1 kg/kgCL than gn 76
Lượng kk dư từ máy G 3.09 − 10.1 kg/kgCL làm lạnh dư Lượng khói lò mang G 16.03 kg/kgCL ra ngoài kl Tổng lượng ra lò 푡 kg/kgCL GR 4.760 + 5.89 Thiết lập cân bằng nhiệt cho hệ thống lò  Xác định nhiệt lý thuyết để tạo clinker Lượng nhiệt tiêu tốn: Để xác định được giá trị lượng nhiệt tiêu tốn ta cần xác định được các giá trị sau: Lượng nhiệt cần thiết để nung nóng phối liệu ở 0 ÷ 450oC [23]: 푞1 = P × (450 − 0) × 1 (kcal/kgCL) o Với CM1 = 0.253 kcal/kg C: Nhiệt dung riêng trung bình của phối liệu ở 0 ÷ 450oC. Lượng nhiệt cần để phân hủy caolinhit [23]: r ⁄ q2 = GH2O × 1600 ( 푙 퐿) Lượng nhiệt cần để nung nóng phối liệu đã mất nước hydrat ở 450 ÷ 900oC (kcal/kgCL): [23]: r q3 = (P − GH2O) × (900 − 450) × CM2 o Với: CM2 = 0.283 kcal/kg C – Nhiệt dung riêng trung bình của phối liệu ở 450 ÷ 900oC. Nhiệt cần để phân hủy CaCO3 và MgCO3 (kcal/kgCL) [23]: r q4 = GCaCO3 × 396 + GMgCO3 × 195 Lượng nhiệt để nung nóng phối liệu từ 900 ÷ 1400oC [23] r q5 = (P − GH2O − GCO2) × (1400 − 900) × CM3 o Với: CM3 = 0.247 kcal/kg C – Nhiệt dung riêng trung bình của phối liệu ở 900÷1400oC. 77
r Lượng tiêu hao nhiên liệu để tạo pha lỏng: q6 = 50 kcal/kgCL, từ đó ta tính được tổng lượng nhiệt tiêu tốn: 6 Q = ∑ qr R i i=1 Vậy ta có bảng kết quả tính toán như dưới đây: Nhiệt cần thiết để nung nóng o r 156.7 Kcal/kgCL phối liệu ở 0 ÷ 450 C q1 Lượng nhiệt cần để phân hủy r q2 48 Kcal/KgCL caolinhit Nhiệt cần để nung nóng phối liệu r 151.96 Kcal/KgCL đã mất nước hydrat ở 450 ÷ 900oC q3 Nhiệt cần để phân hủy CaCO3 và qr 475.08 Kcal/KgCL MgCO3 4 r Nhiệt nung đỏ pl từ 900 ÷ 1400oC q5 132.48 Kcal/KgCL Tiêu hao nhiệt tạo pha lỏng ở r q6 50 Kcal/kgCL 1400oC Tổng lượng nhiệt tiêu tốn lý thuyết QR 1014.22 Kcal/kgCL Bảng 4.12: Lượng nhiệt tiêu tốn Nhiệt thu được khi tạo clinker: Từ bảng tính toán đơn phối liệu ta suy ra được phần trăm các loại khoáng có trong clinker như bảng sau: Bảng 4.12 Thành phần khoáng C3S C2S C3A C4AF Tổng 56.96 18.49 11.76 10.74 97.95 58.15 18.88 12.01 10.96 100.00 Ta tiến hành tính toán các thông số theo các công thức dưới đây: Nhiệt sinh ra do hiệu ứng toản nhiệt khi tạo khoáng clinker ở 1000÷1400oC (kcal/kgCL) [23]: 78
107C3S + 144C2S + 9C3A + 26C4AF qV = 1 100 o Nhiệt do hiệu ứng tạo AS2 ở 950 C (kcal/kgCL) [23]: V q2 = 0.0217 × Al2O3 × 72 Nhiệt thu hồi khi làm lạnh clinker ở 1400÷0oC (kcal/kgCL) [23]: V q3 = (1400 − 0) × 1 × 0.261 o Nhiệt sinh do quá trình làm lạnh CO2 của phối liệu ở 900 ÷ 0 C (kcal/kgCL) [23]: V q4 = GCO2 × (900 − 0) × 0.256 Nhiệt thu hồi do làm lạnh hơi nước từ 450 ÷ 0oC và ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi hơi nước thoát ra (kcal/kgCL) [23]: V [( ) ] q5 = GH2O × 450 − 0 × 0.47 + 595 Từ các giá trị trên tính được tổng nhiệt vào theo công thức sau: 5 V QV = ∑ qi Vậy ta có bảng kết quả tính toáni =tổ1ng nhiệt vào để tạo clinker như sau: Bảng 4.13 Tính toán tổng nhiệt vào Nhiệt sinh ra do hiệu ứng tỏa nhiệt 91.42 Kcal/KgCL o V khi tạo khoáng clinker 1000÷1400 C q1 o V Nhiệt do hiệu ứng tạo AS2 ở 950 C q2 10.45 Kcal/KgCL Nhiệt thu hồi khi làm lạnh clinker V 313.6 Kcal/KgCL q3 Nhiệt sinh do quá trình làm lạnh CO2 121.51 Kcal/KgCL o V của phối liệu ở 900 ÷ 0 C q4 Nhiệt thu hồi do làm lạnh hơi nước từ 450 ÷ 0oC và ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi 23.99 Kcal/KgCL qV hơi nước thoát ra 5 79
Tổng nhiệt vào QV 551.97 Kcal/KgCL Vậy ta có thể tính được lượng nhiệt lý thuyết để tạo clinker như sau: Qlt = QR − Qv = 1014.22 − 551.97 = ퟒ . (kcal/kgCL)  Tính cân bằng nhiệt cho hệ thống lò: Tính lượng vào lò: Lượng vật chất vào lò bao gồm lượng than nhiên liệu vào lò, phối liệu ẩm, không khí lọt qua hệ thống cyclone, gió I vào vòi phun, không khí làm nguội clinker. Ta lần lượt tính và được tổng vật chất vào lò. Gọi Xt là lượng nhiên liệu để đốt trong lò Lượng phối liệu khô vào lò GP [23]: P × 100 Gp = 100 − BU Với: P: phối liệu khô vào lò (kg/kg clinker) Bu: phối liệu bay ra theo khói lò tại cyclone trên cùng (%) Lượng ẩm của phối liệu vào lò GH [23]: GP × 100 G = − G H 100 − W P Với: GP: lượng phối liệu khô vào lò (kg/kg clinker) Wlv: độ ẩm làm việc của nhiên liệu than (%). Lượng gió I vào vòi phun than [23]: d G = L × 0.08 × ρ × (1 + ) × Xt kk1 α kkk 1000 3 Với: Lα: lượng không khí khô đến quạt hút (Nm /kg than) 3 ρkkk = 1.293: khối lượng riêng không khí khô (kg/Nm ) r: hệ số không khí cần thiết cho gió I. (chọn r=0,08) 80
Lượng không khí lọt vào lò theo hệ thống cyclone [23]: d G = (L − L ) × ρ × (1 + ) × Xt 1 k α kkk 1000 Lượng không khí cần thiết để làm nguội thiết bị clinker [23]: d G = 2.35 × ρ × (1 + ) n kkk 1000 Cuối cùng ta tính được tồng lượng vào lò [23]: t Gv = X + GP + GH + Gkk1 + G1 + Gn Thông qua việc tính toán lượng vào lò theo các công thức trên, ta có bảng kết quả tính toán như sau: Bảng 4.14 Tổng lượng vào lò Lượng nhiên liệu để đốt trong Xt – kg/kgCL lò Lượng phối liệu khô vào lò GP 1.6292 kg/kgCL Lượng ẩm của phối liệu vào lò GH 0.02 kg/kgCL Gió I vào vòi phun than Gkk1 0.88 kg/kgCL Lượng không khí lọt vào hệ G 4.3 kg/kgCL thống cyclone trao đổi nhiệt l Lượng không khí làm nguội G 3.09 kg/kgCL clinker n t Tổng lượng vào lò Gv 4.74 + 6.18X kg/kgCL Tính lượng ra lò: Lượng vật chất ra lò bao gồm: clinker, khí do phối liệu phân hủy, bụi phối liệu, khí sản phẩm cháy của nhiên liệu than (khói lò), khí dư từ thiết bị làm nguội. Tổng các lượng vật chất này là lượng ra lò. Ta tiến hành tính toán lượng ra lò theo các công thức dưới đây: Lượng clinker đơn vị ra khỏi lò là 1kg 81
Lượng bụi bay ra theo khói lò (kg/kgclinker) [23]: −2 Gb = (GP − P) × (1 − MKN × β × 10 ) Với: β = 0.3 – Mức độ phân hủy cacbonate trong bụi. Lượng gió nóng để đốt cháy than (kg/kgclinker) [23]: d G = L × ρ × (1 + ) × 0.92 × Xt gn α kkk 1000 Lượng không khí dư từ máy làm lạnh (kg/kgclinker) [23]: Gdư = Gn - Ggn Với: Gn – Tổng lượng gió vào làm lạnh (kg/kgclinker) Lượng khói lò mang ra ngoài (kg/kgclinker) [23]: t Gkl = Vk × ρkl × X Với: 휌 푙 = 1.323 – Khối lượng riêng của khói lò 3 Vk – Tổng thể tích khói lò (Nm /kg than) Sau khi đã tính được các giá trị trên, ta suy ra tổng lượng ra lò GR theo công thức sau [23]: GR = 1 + GCO2 + GH2O + GH + Gb + Gkl + Gdư Vậy ta có bảng kết quả tính toán tổng lượng ra lò như sau: Bảng 4.15 Tính toán lượng ra lò Lượng bụi bay ra theo G 0.072 kg/kgCL khói lò b Gió nóng để đốt cháy G 10.131 kg/kgCL than gn Lượng kk dư từ máy G 3.093 − 10.131 kg/kgCL làm lạnh dư Lượng khói lò mang G 14.124 kg/kgCL ra ngoài kl Tổng lượng ra lò 푡 kg/kgCL GR 4.740 + 3.993  Tính cân bằng nhiệt cho hệ thống lò: Đầu tiên ta cần tính toán nhiệt dung riêng của khí, phối liệu, clinker và than như sau [23]: 82