BÀI GIẢNG môn học vật LIỆU xây DỰNG CHƯƠNG 6: QUÁ TRÌNH NUNG VÀ THIẾT BỊ NUNG

BÀI GIẢNG MÔN HỌC VẬT LIỆU XÂY DỰNG CHƯƠNG 6 QUÁ TRÌNH NUNG VÀ THIẾT BỊ NUNG 6 1 Phân loại 6 2 Quá trình nung và các thiết bị nung gốm xây dựng 6 3 Quá trình nung và các thiết bị chất kết dính 6 1 PHÂ.

CHƯƠNG 6: QUÁ TRÌNH NUNG VÀ THIẾT BỊ NUNG

6.2.1 QUÁ TRÌNH NUNG GỐM XÂY DỰNG

• Nung: Quá trình gia công nhiệt vật liệu ở nhiệt độ cao để bán thành phẩm gọi là mộc

trở thành dạng xương (dạng sành, đá) chịu được các tác động cơ học, lý học, hóa học

và độ bền lâu khi sử dụng trong các công trình.

• Chế độ nung: Tập hợp các thông số kỹ thuật có quan hệ mật thiết với nhau như vận tốc nâng nhiệt , nhiệt độ nung, thời gian hằng nhiệt , tính chất môi trường khítrong lò , vận tốc nâng và làm nguội…

Đường cong nung: Biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ của vật liệu theo thời gian Mỗi

một chế độ nung sản phẩm gốm xây dựng ứng với một đường cong nung Đối với thiết bị hoạt động liên tục, trục thời gian có thể thay bằng đại lượng chiều dài, số

vagoong

Nhiệt độ nung: là nhiệt độ cao nhất của vật liệu trong quá trình nung Đối với sản

phẩm gốm xây dựng thìnhiệt độ nung phụ thuộc chủ yếu vào tính chất nguyên liệu và

yêu cầu tính chất của sản phẩm.

6.2.1 QUÁ TRÌNH NUNG GỐM XÂY DỰNG

Các quá trình hóa lý xảy ra khi nung gốm xây dựng

Nhiệt độ ( o C) Đặc điểm quá trình

20÷150 o C Sấy và đốt nóng: Bốc ẩm cấu kiện, v= 50÷80 o C/h

>800 o C

1100 o C

Xuất hiện quá trình biến đổi pha:

800÷900 o C: Xuất hiện pha tinh thể gematit 600÷1100 o C: Hình thành các spinen MgO.Al2O3.

920÷980 o C: Hình thành cristobalit, mulite 3Al2O3.2SiO2 Hằng nhiệt: Để nhiệt độ đồng đều theo toàn bộ chiều dày và pha lỏng phân bố đều, hình thành nên lỗ xốp kín trong vật liệu.

1100÷100 o C

6.2.2 CÁC THIẾT BỊ NUNG GỐM XÂY DỰNG

6.2.2.1 LÒ TUYNEL (Vagoong)

Phạm vi sử dụng: Nung gạch ngói, vật liệu chịu lửa

Xét lò tuynel đơn giản

Ưu điểm: - Nung liên tục, cơ giới hóa, tự động hóa cao, giảm công lao động, quy trình nhiệt điều chỉnh dễ dàng.

Nhược điểm: Lượng khícấp cho cháy nhiên liệu = lượng khílàm nguội sp.

Do vậy đường cong nung khó điều chỉnh, trao đổi nhiệt không tương xứng với lượng nhiệt thực tế cần, có hiện tượng phân tầng khítheo tiết diện.

Xét lò tuynel theo sơ đồ cải tiến:

Thu khí thải – khói lò từ nhiều vị trí khác nhau

- Tập trung hoặc phân tán việc cung cấp khí làm nguội

- Lấy 1 phần khí nóng từ vùng làm nguội cấp cho vùng nung từ 1 hoặc nhiều vị trí khác nhau

Vùng làm

nguội

- Sử dụng hệ thống quạt di động hoặc dùng quạt gió phụ để giải quyết việc chênh lệch áp suất ở

2 phía đáy vagoong nung.

Lò tuynel theo sơ đồ cải tiến

•τCK: thời gian lưu vật liệu trong lò (h) (chu kỳ nung)

+ Theo H, B tính tiết diện lò: F = B.H

+ Tỷ lệ:

L/F = 30 ÷ 60 m-1 nếu sấy nung riêng

L/F = 17 m-1nếu sấy nung kết hợp

•Trong kênh nung bố trí đường ra cho vagoong nung hoặc các đường ray

Kích thước 1 số lò tuyen

*Tường và vòm lò

+ Phần quan trọng nhất trong kết cấu lò

- Có 3 loại vòm: vòm bán nguyệt, vòm cung, vòm phẳng (vòm treo)

- Dưới tác dụng của tải trọng, vòm lò sẽ đè lên gạch chân vòm một lực Lực này sẽ phân thành 2 lực: Lực đẩy ngang A và lực thẳng góc (lực này bị triệt tiêu bởi phản lực)

- Vòm phải chịu lực đẩy ngang A:

(Xác định A để tính toán lựa chọn khung giằng, cột lò, thanh chắn chân vòm)

- Nếu không chống lực đẩy ngang, vòm lò sẽ sập

Với m: Khối lượng vòm giữa 2 cột (kg)

-Góc ở tâm càng nhỏ thì chiều cao vòm lò càng nhỏ và lực đẩy ngang càng lớn

f:chiều cao vòm lò, B: Chiều rộng hay cung lò B

- Lò còn phải làm việc ở nhiệt độ cao và lực đẩy ngang sẽ

tăng theo nhiệt độ

- Vì vậy, lực đẩy ngang tính toán được ở trên phải nhân với

hệ số K (K phụ thuộc nhiệt độ)

At = A.K

Nhiệt độ lò, o C K Đến 900 2.0

Đến 1100 2.5

Đến 1300 3.0

Đến 1500 3.5

Đến 1750 4.0

+ Ở vùng t 0 < 600 0 C:

- Tường: gạch đỏ dày > 510 mm

- Vòm: gạch samôt hoặc gạch đỏ dày 230 mm

- Trát vữa thông thường dày 50 mm, trát bằng đất sét chịu lửa dày 15 mm

- Trên vòm lò: lớp xỉ dày 200 mm hoặc trepel dày 100 mm

*Tường và vòm lò

+ Ở vùng t 0 = 1000 0 C

- Tường dày 3 ÷ 4 viên gạch: gạch samôt dày 230 mm + gạch chịu nhiệt nhẹ dày

250 mm

- Vòm: gạch samôt dày 230 mm + lớp lót vữa 50 mm + gạch chịu nhiệt 65 mm

- Trên vòm lò: lớp xỉ được lát gạch đè lên để đảm bảo độ kín khít của lò

- Khung lò: gồm cột lò và thanh giằng lò bằng thép kẹp chặt 2 bên lò.

- Khung lò có nhiệm vụ nhận sức đẩy ngang của vòm lò, áp lực của vật liệu, lực nở

do ứng sức nội của tường và lực tác dụng bên ngoài

*Khung lò

Thiết kế các kích thước cơ bản

-Cần biết: Thông số sản phẩm, vật liệu sử dụng, công nghệ sử dụng

-Chọn kích thước vagong (gòong), tính khối xếp

-Chọn đường cong gia công nhiệt, tính chiều dài cần thiết của lò, chiều dài mỗi vùng

-Từ năng suất yêu cầu của nhà máy, tính thời gian làm việc (quỹ thời gian), năng suất trêngiờ

-Thiết kế bề dày kết cấu bao che: Tường, vòm, vagoong→ mục đích xác định tổn thấtnhiệt

-Thiết lập phương trình cân bằng nhiệt:

+ Phương trình 1: Sấy-đốt nóng và Nung-hằng nhiệt→ Tính được lượng nhiên liệu tiêutốn (ẩn B hoặc X)

+ Phương trình 2: Vùng làm nguội→ Tính lượng không khícần cấp

+Vagoong nung

+ Khung chịu lực: kim loại, t0 làm việc ≤ 200 0C

+ Khối xây cách nhiệt và chịu lửa: dày ~ 700 mm Gồm:

- Lớp VLCL bề mặt: Gạch CL, BTCL-Lớp VL cách nhiệt: samôt nhẹ

Đường bao bốn góc: gạch chịu lửa có gờ thích hợp

+ Để giữ cho các tấm thép chịu nhiệt không bị phá hủy khi nung: trát lớp vữa bảo vệ (vữa chịu lửa)

+ Tấm thép 2 bên thành vagoong gọi là dao

vagoong

+ Kích thước vagoong: tùy thuộc thiết kế nhưng phải nằm trong modun của đường ray Khoảng cách từ đường ray đến tường lò > 0,5m

+Vagoong nung

Kết cấu kín khí

-Kín khí bằng hệ thống van cát bố trí dọc 2 bên thành lò

Buồng đợi hay buồng kín khí bố trí ở đầu vào

của lò

−Hai đầu buồng kín khícó cửa, làm việc đồng

bộ với bước của vagoong

−Vagoong muốn đi tiếp phải đóng cửa 1, mở

Buồng đợi

Xếp sản phẩm:

Yêu cầu về khối xếp

− An toàn, các viên gạch phải liên kết chặt với nhau

−Vách thẳng, đứng, thông thoáng

+ Cấu trúc 1 khối xếp gồm:

- Lớp chân cầu - Lớp mặt cầu

- Vạch khối xếp - Lớp khóa khối xếp

Mật độ khối xếp

+ Bao nung thường được làm bằng đất sét chịu lửa trộn đều với bột gạch hoặc bao nung hỏng nghiền nhỏ (gọi là

sa mốt) với tỉ lệ 25÷35% đất sét và 65÷75% sa mốt

+ Bao nung có hình trụ kích thước không giống nhau,

phổ biến là loại có đường kính từ 15 ÷ 30 cm, dày 2÷5

cm và cao từ 5 ÷ 40 cm Một bao nung có thể dùng từ

15 đến 20 lần

Bao nung

Xếp sản phẩm:

-Phần trên theo thiết diện lò xếp chặt, phần dưới xếp có rãnh thưa hơn

-Nếu sản phẩm có lỗ rỗng thông nhau, thì phần dưới lò xếp theo chiều lỗ rỗng dọc theo trục lò, phần trên vuông góc trục lò

*Nguyên tắc:

- Đảm bảo trở lực đồng đều giữa các phần

- Trên dày, dưới thưa; hai bên dày, giữa thưa

- Trên dày, 2 bên dày → Cản khí và dồn khí cho vùng tâm khối xếp

Xếp gạch bằng thiết bị tự xếp

Sơ đồ lò nung tuynel

− Quạt hút khí thải

− Quạt thu hồi khí nóng vùng làm nguội nhanh

− Quạt thu hồi khí nóng vùng làm nguội cuối cùng

− Quạt thu hồi khí nóng mặt dưới vagông

* Quạt hút

* Quạt đối lưu

- Quạt đối lưu (Quạt hút khí lạnh ở bề mặt vagông vùng trước và xả vào vùng sau)

- Quạt cấp khô ng khícho cháy nhiên liệu (Quạt sử dụng khi cấp nhiên liệu lỏng và khí Khi dùng than lấy khí

nóng từ vùng làm nguội cho cháy NL)

- Quạt cấp khí lạnh làm nguội nhanh

- Quạt cấp khô ng khílạnh vào làm nguội sản phẩm

- Quạt cấp khô ng khívào vùng dưới vagông

* Quạt đẩy (Quạt cấp)

6.2.2 CÁC THIẾT BỊ NUNG GỐM XÂY DỰNG

6.2.2.1 Lò nung thanh lăn

a/ Lĩnh vực sử dụng: sử dụng tấm ốp lát, các sản phẩm thành mỏng

b/ Cấu tạo: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động tương tự lò tuynel

•Lò nung (Hãng sản xuất SACMI)

+ B = 2,2 m

+ H = 1,5 m

+ L = 60 môđun = 60 x 2,2 m = 132 m.

Chế độ khí động học

- Những điểm khác biệt:

+ Cửa hút và cửa xả bố trí trên và dưới thanh lăn.

+ Nung sản phẩm thành mỏng:

→ Chênh lệch t 0 theo tiết diện lò Δt < 10 o C

→ nếu Δt > 10 o C men quá lửa nóng chảy và ngấm hết vào xương sản phẩm.

+ Quạt cấp không khílạnh vào đường ống nằm trên và dưới thanh lăn để làm nguội sản phẩm.

- Làm nguội gồm các giai đoạn:

+ Làm nguội nhanh: Từ T max → 650 o C (α-trydimite → α-quart at 870 o C) ∆V =-16%

Không khí được thổi vào vật nung qua các ống chịu nhiệt nằm phía trên và dưới thanh lăn

Các góc vòi bơm khí có thể được điều chỉnh phù hợp với yêu cầu làm nguội

Không khívùng làm nguội nhanh được lấy từ: vùng làm nguội cuối cùng và vùng làmnguội chậm bằng đường ống trích từ ống khói qua quạt hút đẩy vào, có thể hòa trộnthêm với không khí tươi Khô ng sử dụng khô ng khí tươi (lạnh) thổi vào sản phẩm dễ gây nổ sản phẩm và hỏng lò Thể tích không khí được kiểm soát bằngnhiệt độ, việc cung cấp được điều chỉnh nhờ các van.

+ Làm nguội chậm: Từ 650 o C → 500 o C

Trao đổi nhiệt gián tiếp, không khí cấp qua đường ống Không khí nóng của vùng làm nguội nhanh được hút ra ở vị trí này

+ Làm nguội cuối cùng: Từ 500 o C → 50 o C

Cấu tạo

Một số chi tiết cấu tạo của lò

−Kích thước: Lò tạo thành từ các modul lắp ghép

−Kết cấu modul bao gồm:

+ Đường ống cấp không khí+ Đường ống cấp khí đốt + Vòi đốt

Lưu ý: Vòi đốt bố tríxen kẽ nhau trên và dưới tại vùng tiền nung và nung Không khíchoquá trình cháy nhiên liệu được thu hồi từ vùng làm nguội được dẫn tới các vòi đốt quaphần hòa trộn với nhiên liệu theo 1 tỷ lệ nhất định và qua các vòi phun, phun vào trong lò.Nhờ sự thu hồi nhiệt này mà lò vận hành tiết kiệm nhiên liệu hơn

Cấu tạo: Một số chi tiết cấu tạo của lò

+ Vùng nung sơ bộ từ 400 ÷ 800 o C, vù ng nung, vù ng làm nguội nhanh:

- Xây bằng VL tốt, nhẹ, dẫn nhiệt thấp, khả năng chống sốc nhiệt cao, bề mặt được mài nhẵn và có khả năng chống ăn mòn cao

- Vỏ lò ở các vùng này có thể: Đinat, gốm bột cách nhiệt, bông khoáng

- Dùng VL với 62% Al2O3 để trát mặt trong

- Thiết kế vùng trước nung có 2 lợi ích: Lợi dụng khí thải lần 2, lò đạt được t0 nung ngay từ đầu

+ Vùng làm nguội chậm và làm nguội cuối cùng:

− Gồm 2 lớp: gốm cách nhiệt + lớp bông khoáng

6.2.2 CÁC THIẾT BỊ NUNG GỐM XÂY DỰNG

6.2.2.2 LÒ CON THOI (HAY LÒ MỘT BẦU) (Shuttle Kiln)-Hoạt động gián đoạn

6.3 QÚA TRÌNH NUNG VÀ CÁC THIẾT BỊ NUNG CHẤT KẾT DÍNH

6.3.1 Cơ sở lý thuyết quá trình nung chất kết dính (CKD)

Các loại CKD:

+ CKD vô cơ: Xi măng (PC, PCB); vôi; thạch cao

+ CKD hữu cơ: Nhựa đường; chất dính kết polime gốc chủ yếu nhựa (Polieste,epoxy,…) đóng rắn trong bê tông khi có mặt các chất phụ gia chuyên dụng

Chế tạo:

+ Xi măng: Nung (Đất sét, đá vôi,…) ở 1450 oC, sau đó làm lạnh nhanh

+ Vôi: Đá cacbonat → Vôi ở 1200 oC

+ Thạch cao: Đá thạch cao (CaSO4.2H2O-calcium sulfate dihydrate) tại 150 oC

(100-130 oC) → Thạch cao xây dựng (CaSO4.0.5H2O-calcium sulfate hemihydrate)

*Cơ sở lý thuyết quá trình nung

Phân giải các khoáng: CaCO3→ CaO +CO2 (500 - 1150 oC)

+ Chuyển đổi oxit:

Các oxit tự do hoạt tính tạo khoáng (ở nhiệt độ nung): C3S, C2S, C3A, C4AF, RO;

C2S→C3S (điều kiện phải có pha lỏng tạo thành)

Cô ng nghệ sản xuất xi măng : Lò đứng và lò quay

Lò đứng: Khó tạo pha lỏng: Hàm lượng làm dính bết gây tắc lò, tụt lò, chất lượngclinker xi măng kém do hàm lượng vôi tự do nhiều…

Lò quay: Tùy thuộc vào thành phần nguyên liệu và công nghệ mà hàm lượng phalỏng 15-35%

*Vật chất ở trạng thái khí

Thành phần sản phẩm cháy + Khícông nghệ (MKN) + Không khídư (do α > 1)

6.3.2 Thiết bị nung chất kết dính (CKD)

6.3.2.1 Lò quay

* Các phương pháp sản xuất xi măng lò quay

Phối liệu ở dạng bùn hồ → Chiều dài lò

lớn (L= 80−230 m), toàn bộ quá trình nung

diễn ra trong lò

Ưu điểm: Phối liệu có độ đồng nhất cao,

dễ điều chỉnh thành phần hóa

Nhược điểm: Chi phínhiên liệu lớn.

Bột liệu ở dạng khô→ chiều dài lò ngắn(bé hơn so với phương pháp ướt khoảng100m), trong lò không có vùng bốc ẩmphối liệu

Ưu điểm: Chi phí nhiệt khâu nung clinker

giảm 40%

Nhược điểm: Để đảm bảo hiệu quả nung

cần có hệ thống trao đổi nhiệt ngoài lò

Heat balance of wet and dry kiln

(kJ/kg clinker; approximate values)

Dry kiln Wet kiln

Evaporation of H2O 20 (0.6%) 2100 (38%)(0.4 % dry kiln and 35 % wet kiln)

Phương pháp sản xuất xi măng lò quay theo phương pháp ướt

Phương pháp sản xuất xi măng lò quay theo phương pháp khô

Gió 2

Mục đích

▪ Giảm tiêu tốn nhiệt

▪ Công suất lớn

Các quá trình chính:

• Sấy bột liệu trong

tháp tiền nung nhờ gió

nóng từ lò & calciner

• Khử 90% CO 2 của bột liệu trong calciner bằng

nhiệt từ đốt 60% nhiên liệu

• Tạo clinker trong lò

quay với ngọn lửa đốt

từ 40% nhiên liệu.

• Làm nguội clinker từ

1300 - 1450 o C xuống

~100 o C bằng gió trong clinker cooler

Quạt làm mát vỏ lò

Lò quay + Tháp trao

đổi nhiệt

Đặc điểm:

➢ Nghiêng 1 góc khoảng 3.5-4 o

quay với tốc độ 3-5 rpm để di chuyển chậm vật liệu từ đầu lò đến đuôi lò với nhiệt độ tăng dần

từ 900 o C đến 1450 o C, tạo clinker.

➢ Đuôi lò có béc đốt nhiên liệu tạo ngọn lửa dài ~ 1/3 chiều dài lò.

➢ Bên trong vỏ thép có lót lớp gạch chịu nhiệt

Lò nung clinker

Calciner

Rotary Coolers: Planetary (Satellite) Cooler

Planetary Cooler Process Terminology

Cooled Clinker

Radiation &

Convection Secondary Air

Hot Clinker

Planetary Cooler Internals

Planetary Cooler Heat Profile

air velocity

Thiết bị làm lạnh clinker (Kiểu hành tinh)- Sử dụng nước

Giàn phun nước

Thiết bị làm lạnh clinker kiểu ghi

Nguyên lý

➢ Các quạt gió thổi gió quacác tấm ghi đỡ lớp clinkernóng bên trên

➢ Các tấm ghi di động đẩyclinker di chuyển từ đầu vàođến đầu ra cooler

Mục đích

➢ Làm nguội clinker

➢ Thu hồi nhiệt

Tháp trao đổi nhiệt:

- 1 nhánh 5 bậc, hoặc 2 nhánh 5 bậc

- So với 2 nhánh, 1 nhánh tiết kiệm

hơn về năng lượng nhưng về công

suất thìnhỏ hơn 2 nhánh.

Do đó, tùy thuộc vào công suất của

nhà máy mà lựa chọn 1 nhánh hay 2

nhánh.

* Chú ý: Đặc điểm trao đổi nhiệt

trong tháp trao đổi nhiệt:

➢ Trong một tầng cyclone : trao đổi

nhiệt cùng chiều.

➢ Trong toàn bộ tháp tiền nung : trao

đổi nhiệt ngược chiều.

Tháp trao đổi nhiệt: 1 nhánh 5 bậc và 2 nhánh 5 bậc

Vật liệu vào

Vật liệu ra

Khí vào cyclon Khí ra khỏi cyclon

Hệ thống kín nén phá tảng chống lại tắt ngẽn

Ở tháp trao đổi nhiệt, vật liệu và khínóng đi ngược chiều nhau:

Khítừ (C4) đẩy bột liệu sau khi cân→ vào C5

Khítừ C3 đẩy bột liệu từ C5 xuống → vào C4

Khítừ C2 đẩy bột liệu từ C4 xuống → vào C3

Khítừ C1 đẩy bột liệu từ C3 xuống → vào C2

Khítừ lò nung ra đẩy bột liệu từ C2 xuống (qua canxinator) → vào C1

Bột liệu từ C1: theo 2 hướng: - Vào lò quay

- Qua thiết bị canxinator (Khi bột liệu không đủ nhiệt

độ hoặc đảm bảo phân giải CaCO3 triệt để)→Quay lại C1 rồi vào lò quay

- Thiết bị Calciner

Mục đích: Buồng đốt khoảng 60% nhiên liệu để giúp phân giải90-95% CaCO3, 5-10% CaCO3còn lại sẽ được phân giải trongvùng sấy của lò quay

Quan sát công nghệ→ Máy nghiền đứng (vertical roller mill)- Trường hợp vừa nghiền vừa sấy

vertical roller mill

Vertical roller mill (T/h: sấy nghiền)

Con lăn (Grinding roller) trong máy nghiền đứng

Grinding table (mâm nghiền) →

Rotate

Không khínóng (Gió 2- secondary air) cung cấp sự cháy trong lò

Khínóng nhiệt độ thấp –Cấp cho quá trình sấy nhiên liệu (than)

- Vòi đốt

Nhiên liệu cấp cho thiết bị đốt: 30% dầu +70% than nghiền

- Xyclon trao đổi nhiệt

Đường đi bột liệu và khí đi vào vuông góc với xyclon Bột va chạm vào thành ống trong xyclon→ Lắng xuống và đi ra theo hướng xuống phía dưới, khí thoát ra ở phần phía trên

Mối liên kết giữa xyclon và ống bằng các vòng gốm

Thời gian bột qua xiclon: 7-12s

Béc đốt (Main Burner)

Vòi đốt

Vòi đốt nhiên liệu

- Thân lò quay

Lò quay đặt nghiêng 1 góc 3-5o so với phương nằm ngang

Kích thước lò phụ thuộc vào công suất nhà máy

Vídụ: DxL = 7.2x80 m có công suất 9000-12000 T/ngày đêm

DxL = 4.2x60 m có công suất 3000 T/ngày đêm

+ Kết cấu:

Vỏ thép: tại bề mặt tmax = 200-250 oC (vùng nung), được làm nguội bằng nướchoặc không khílạnh

Vídụ: Dtrong = 7.2 m→δthép = 24 mm

Lớp ló t vỏ lò : cấu tạo từ các vật liệu chịu lửa

Vùng nung dùng VLCL kiềm tính đảm bảo chịu lửa cao, bền hóa và dẫn nhiệt thấpnhư Crôm-Manhedi Các vùng khác sử dụng VLCL samot