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

Tổng quan

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

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

Ngành công nghiệp sản xuất xi măng của Việt Nam hiện có tổng công suất thiết kế khoảng 100 triệu tấn, đứng thứ 5 thế giới Mỗi năm, Việt Nam xuất khẩu hơn 20 triệu tấn xi măng đến nhiều châu lục.

Năm 2019, ngành công nghệ sản xuất xi măng ghi nhận mức tăng trưởng vượt 2% so với năm 2018, với tổng lượng clinker tiêu thụ đạt khoảng 98 triệu tấn Trong đó, tiêu thụ nội địa chiếm 67 triệu tấn và xuất khẩu đạt khoảng 32 triệu tấn Những số liệu này cho thấy ngành sản xuất xi măng vẫn giữ vai trò quan trọng và là điểm sáng trong thị trường vật liệu xây dựng.

Nhu cầu sử dụng xi măng ngày càng tăng cho thấy tầm quan trọng của ngành này đối với sự phát triển của đất nước Dự báo của Bộ Xây Dựng cho thấy nhu cầu tiêu thụ xi măng trong năm 2020 sẽ tăng từ 4-5% so với năm 2019, đạt khoảng 101-103 triệu tấn Do đó, cần có chiến lược phát triển phù hợp để đáp ứng nhu cầu thị trường và đảm bảo chất lượng xi măng, đồng thời nâng cao sức cạnh tranh của ngành trong khu vực châu Á và toàn cầu.

1.1.2 Xu hướng phát triển của ngành

Trong bối cảnh hiện nay, ngành cần chú trọng vào việc ổn định và cân bằng cung cầu, đồng thời kiểm soát giá cả nhằm nâng cao sức cạnh tranh.

Ngành xi măng hiện nay chỉ có một hướng phát triển bền vững, tập trung vào sản xuất xanh, tiết kiệm tài nguyên và bảo vệ môi trường Điều này là cần thiết do nhu cầu ngày càng tăng trong khi nguồn tài nguyên đang dần cạn kiệt.

Giới thiệu về Xi măng Portland

Xi măng Portland (XMP) là bột vô cơ có tính chất kết dính thủy lực, được sản xuất từ hỗn hợp clinker và phụ gia thạch cao chiếm 3-5% khối lượng clinker Ngoài XMP, còn có các chất kết dính khác được tạo ra từ XMP kết hợp với các phụ gia như bột đá vôi, tro xỉ, và đất núi lửa, nhằm đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng và tiêu chuẩn kỹ thuật Chất kết dính thủy lực có khả năng đóng rắn khi trộn với nước trong không khí và duy trì độ bền trong môi trường nước.

Clinker XMP là sản phẩm trung gian trong quá trình sản xuất xi măng Portland, được tạo ra bằng cách nung kết hỗn hợp nguyên liệu tự nhiên như đá vôi, đất sét và quặng sắt Tỷ lệ các thành phần phối liệu đã được tính toán kỹ lưỡng trước khi nung Clinker sau khi ra khỏi lò có dạng cục nhỏ, kích thước từ 10 đến 80 mm Thành phần hóa học của clinker XMP chủ yếu bao gồm các oxit chính như CaO, SiO2, Al2O3 và Fe2O3, với sự biến đổi tương đối rộng, như được trình bày trong bảng dưới đây.

Bảng 1.1 Thành phần phần trăm của các oxit chính trong clinker XMP [3]

Oxit CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3

Nguyên liệu tự nhiên trong thành phần clinker có thể chứa các oxit tạp như MgO và CaO tự do, ảnh hưởng tiêu cực đến tính chất của xi măng (XM) Để đảm bảo chất lượng XM, hàm lượng các oxit tạp chất cần phải được kiểm soát, trong đó CaO tự do không được vượt quá 1.5% theo tiêu chuẩn TCVN 7024:2013.

Các tính chất của xi măng Portland được xác định chủ yếu bởi thành phần pha của nó Các oxit chính sẽ phản ứng để tạo ra các khoáng chất cần thiết như Alit và Belit, với tỷ lệ phần trăm nằm trong giới hạn cho phép.

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 (xi măng Pooc-lăng) là loại xi măng được sản xuất bằng cách nghiền mịn hỗn hợp clinker XMP với phụ gia thạch cao từ 3 đến 5% khối lượng Loại xi măng này thường được sử dụng trong nghiên cứu các tính chất của xi măng hoặc cho các công trình đặc biệt Hiện nay, xi măng PC30 là loại phổ biến nhất trên thị trường.

Xi măng PCB, hay còn gọi là xi măng hỗn hợp, là loại xi măng Portland được sản xuất bằng cách nghiền mịn clinker XMP cùng với phụ gia thạch cao (3-5%kl) và các phụ gia khác nhằm giảm giá thành hoặc nâng cao chất lượng Hiện nay, các loại xi măng PCB phổ biến bao gồm PC30, PC40, và nhiều loại khác.

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:

Đá vôi có nhiệm vụ chính là cung cấp CaO, một oxit quan trọng trong thành phần clinker XMP Việc lựa chọn công nghệ sản xuất phụ thuộc vào nguyên liệu cung cấp CaO Hệ thống thiết kế đá vôi chủ yếu gồm 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 quy định rõ ràng.

Bảng 1.2 Yêu cầu kĩ thuật của đá vôi [4]

Khi sử dụng đá vôi chứa hơn 5% magie cacbonat (MgCO3), cần phải tính toán phối liệu cẩn thận để đảm bảo tổng hàm lượng MgO trong clanhke và xi măng không vượt quá giới hạn quy định trong các tiêu chuẩn hiện hành.

Hàm lượng oxit trong đá vôi thông thường được quy định là R2O < 1% Đá vôi thường được khai thác từ các mỏ lộ thiên thông qua phương pháp nổ mìn và sau đó được đập sơ bộ tại chỗ Sau khi khai thác, đá vôi sẽ được vận chuyển về nhà máy bằng xe goong, ô tô, hoặc các phương tiện khác Để tiết kiệm chi phí vận chuyển, các nhà máy thường được xây dựng gần khu vực khai thác và nguyên liệu được chuyển đến nhà máy bằng hệ thống băng tải.

Đất sét là một loại đất tự nhiên chủ yếu chứa các alumo silicat ngậm nước có cấu trúc lớp, trong đó các khoáng chất chính bao gồm kaolinite (Al2O3.2SiO2.2H2O) và montmorillonit (Al2O3.4SiO2.H2O + nH2O).

Trong sản xuất xi măng, thành phần khoáng của đất sét thường không được chú trọng, trong khi thành phần hóa học, đặc biệt là Fe2O3, lại được quan tâm hơn Bảng 1.3 dưới đây thể hiện yêu cầu về thành phần hóa của đất sét.

Bảng 1.3 Yêu cầu về thành phần hóa của đất sét [3]

Oxit SiO2 Al2O3 Fe2O3 SO2 R2O

Khai thác đất sét từ các mỏ hoặc dưới lòng sông yêu cầu kiểm soát độ ẩm trước khi sử dụng làm nguyên liệu Độ ẩm phù hợp sẽ được lựa chọn dựa trên công nghệ sản xuất cụ thể.

Hiện nay, để cải tiến công nghệ sản xuất, người ta đã sử dụng nguyên liệu thay thế gọi là đá lẫn đất (mergel), thay vì khai thác riêng biệt đất sét và đá vôi Đá lẫn đất là loại đá vôi có chứa đất sét, oxit silic (SiO2) và oxit sắt, được coi là nguyên liệu tốt nhất để sản xuất XMP Việc sử dụng đá lẫn đất giúp cho quá trình nghiền nguyên liệu trở nên dễ dàng hơn và tăng tốc độ phản ứng trong các bước tiếp theo Loại đá này được phân loại dựa trên tỷ lệ giữa đá vôi và đất sét.

Các loại quặng chứa sắt cung cấp oxit Fe2O3, một thành phần quan trọng trong quá trình nung luyện clinker XMP, giúp tạo pha lỏng cần thiết Bên cạnh đó, oxit này cũng tham gia vào việc hình thành khoáng C4AF trong XMP.

Quặng pyrit sắt (FeS2) là loại quặng phổ biến nhất với hàm lượng Fe2O3 có thể đạt tới khoảng 87% Tuy nhiên, do lo ngại về ô nhiễm môi trường từ khí SO2 khi sử dụng FeS2, quặng này đang dần được thay thế bằng quặng bauxite hoặc các loại đá đỏ (Laterite).

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:

Clinker nung từ lò đứng có chất lượng kém do phản ứng pha rắn, dẫn đến mức kết khối không đạt yêu cầu và khó khăn trong quá trình làm nguội Hơn nữa, việc sản xuất xi măng từ lò đứng gây ô nhiễm môi trường, nên hiện nay hầu hết các nhà máy không tiếp tục đầu tư vào công nghệ này, mà chuyển sang sử dụng lò quay Công nghệ lò quay hiện nay bao gồm phương pháp ướt và khô với hệ thống trao đổi nhiệt kiểu treo và buồng calciner, trong khi phương pháp bán khô ít được áp 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 Đồ án thiết kế hệ thống

Quy trình sản xuất XMP theo phương pháp ướt lò quay mang lại nhiều ưu điểm, trong đó nổi bật là việc phối liệu được nghiền với nước có độ ẩm lên tới 42% Điều này giúp cho quá trình nghiền và trộn diễn ra dễ dàng hơn, từ đó nâng cao mức độ đồng nhất của phối liệu.

Do độ ẩm cao của phối liệu đầu vào, phương pháp ướt yêu cầu lượng nhiên liệu lớn nhất để nung sản phẩm Tất cả các quá trình hóa lý diễn ra trong lò quay, dẫn đến kích thước lò lớn với chiều dài khoảng 120 – 150m và đường kính từ 2.4 – 4m, nghiêng 4 - 6° Để cải thiện khả năng trao đổi nhiệt, các xích sắt thường được lắp thêm trong lò.

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 Đồ án thiết kế hệ thống

Trong phương pháp khô, quá trình sấy và đốt nóng phối liệu không diễn ra trong lò quay như phương pháp ướt, mà được thực hiện trong hệ thống trao đổi nhiệt kiểu treo Đồng thời, quá trình phân hủy cacbonat diễn ra trong buồng phân hủy cacbonat (buồng calciner) đặc biệt Khi bột phối liệu vào lò, nó đã trải qua một phần quá trình phân hủy cacbonat, và các quá trình hóa lý còn lại như tạo pha lỏng, kết khối và làm nguội sẽ được thực hiện trong lò quay.

Quá trình xử lý sấy, đốt nóng và phân hủy cacbonat trong các thiết bị riêng biệt giúp giảm đáng kể chiều dài lò quay so với phương pháp ướt, với chiều dài lò quay ở phương pháp khô chỉ khoảng 60 – 80m Hơn nữa, lượng nhiên liệu cung cấp cho quá trình nung cũng giảm 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] Đồ án thiết kế hệ thống

So với phương pháp ướt, phương pháp khô lò quay tiêu tốn năng lượng thấp hơn nhiều, chỉ khoảng 55-60% mức tiêu thụ của phương pháp ướt Trước đây, phương pháp ướt được đánh giá cao hơn do có độ đồng nhất phối liệu tốt hơn Tuy nhiên, nhờ vào các cải tiến công nghệ, mức độ đồng nhất của phương pháp khô hiện nay đã được nâng cao với sự hỗ trợ của các silo chứa có hệ thống sụ khí nén, giúp nó không thua kém gì so với phương pháp ướt.

Dựa trên các yếu tố phân tích, chúng tôi đã quyết định chọn công nghệ xi măng lò quay theo phương pháp khô, kết hợp với hệ thống trao đổi nhiệt kiểu treo và buồng calciner Đây là một phần quan trọng trong đồ án thiết kế hệ thống.

Qui trình sản xuất xi măng PCB theo phương pháp khô lò quay

Sơ lược về quy trình sản xuất xi măng Portland phương pháp khô lò quay

Để sản xuất xi măng theo phương pháp khô lò quay, cần trải qua nhiều công đoạn khác nhau và kết hợp với nhiều yếu tố cũng như ngành nghề khác Qui trình sản xuất xi măng PCB có thể được tóm tắt như sau:

Các nguyên liệu đầu vào như đá vôi, đất sét và quặng sắt được khai thác trực tiếp từ các mỏ bằng phương pháp nổ mìn hoặc đào xuống lòng đất Sau khi khai thác, nguyên liệu được vận chuyển đến các máy đập sơ bộ bằng hệ thống băng tải hoặc phương tiện như xe goong, ô tô, để nghiền nhỏ thành các cục nhỏ hơn Sau quá trình đập sơ bộ, nguyên liệu được lưu trữ tại các kho chứa chính, nơi chúng được đồng nhất sơ bộ nhằm cải thiện phản ứng tạo clinker sau này.

Nguyên liệu được chuyển đến các cân định lượng để cân theo tỷ lệ phối liệu, sau đó được đưa vào băng tải chính Tại đây, phối liệu sẽ được phân tích bằng máy PGNAA (Prompt Gamma Neutron Activated Analyzer) để kiểm tra thành phần hóa học và mức độ đồng nhất của phối liệu dựa trên hàm lượng CaCO3.

Nếu thành phần hóa đạt tiêu chuẩn, phối liệu sẽ được chuyển đến hệ thống máy nghiền đứng sấy nghiền liên hợp để nghiền mịn Sau đó, chúng sẽ được lưu trữ trong các silo đồng nhất phối liệu, hoạt động theo nguyên lý sục khí nén.

Khi bột phối liệu mịn được đồng nhất, nó sẽ được chuyển vào hệ thống trao đổi nhiệt và buồng calciner, nơi diễn ra các quá trình sấy, đốt nóng và phân hủy cacbonat Sau đó, liệu tiếp tục vào lò quay để phân hủy cacbonat, tạo ra pha lỏng và kết khối clinker ở nhiệt độ khoảng 1450°C Clinker sau khi kết khối thành các cục lớn nóng đỏ sẽ được đưa đến thiết bị làm nguội kiểu ghi, nơi diễn ra quá trình làm nguội nhanh từ 1250°C xuống khoảng 100°C Cuối cùng, clinker được đập thành các cục nhỏ hơn và chuyển đến các silo để thực hiện quá trình ủ.

Sau khi ủ, các nhà máy thường giữ lại khoảng 80% clinker để sản xuất xi măng trực tiếp, trong khi 20% còn lại được chuyển đến các trạm nghiền Clinker được giữ lại sẽ được vận chuyển tới hệ thống cân định lượng và hòa trộn với các nguyên liệu khác như thạch cao và phụ gia khoáng Sau đó, hỗn hợp này sẽ được nghiền mịn trong máy nghiền bi để tạo ra xi măng Xi măng thành phẩm sẽ được đưa vào các silo chứa, nơi nó sẽ được đóng gói và 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] Đồ án thiết kế hệ thống

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 và quặng sắt được khai thác từ các mỏ đã được lựa chọn kỹ lưỡng, đảm bảo thành phần và trữ lượng phù hợp Mỗi mỏ phải có trữ lượng đủ để đáp ứng nhu cầu khai thác ít nhất trong 50 năm.

Đá vôi được khai thác thông qua việc nổ mìn, và nếu tảng đá quá lớn, có thể thực hiện nổ lần thứ hai để đạt kích thước mong muốn Sau khi khai thác, đá vôi sẽ được đập sơ bộ bằng máy đập hàm hoặc đập búa thành các mảnh nhỏ hơn, sau đó được vận chuyển về nhà máy bằng hệ thống băng tải nếu gần khu vực khai thác, hoặc bằng xe goong, ô tô nếu xa hơn.

Đất sét được khai thác từ mỏ thông qua hệ thống máy xúc và gầu nâng, sau đó được chuyển đến kho lưu trữ bằng băng tải Trong trường hợp đất sét quá ẩm, cần thực hiện quy trình sấy trước khi 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, nguyên liệu trải qua quá trình đồng nhất sơ bộ, bao gồm hai bước chính: nhập liệu và lấy liệu Cách thực hiện hai bước này có thể khác nhau tùy thuộc vào từng nhà máy.

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

Nguyên liệu lưu trữ được lấy ra khỏi kho và vận chuyển đến các bin tiếp liệu, sau đó được cân định lượng theo tỷ lệ phối liệu đã xác định Tiếp theo, phối liệu được đưa lên băng tải và phân tích thành phần hóa bằng máy PGNAA Nếu thành phần hóa không đạt yêu cầu, sẽ bổ sung các phụ gia như cát, boxit và đá vôi chất lượng cao để điều chỉnh.

Khi thành phần hóa đạt yêu cầu, phối liệu được chuyển qua băng tải đến máy nghiền đứng để nghiền mịn Sau khi đạt độ mịn cần thiết, phối liệu đi qua hệ thống phân ly và được dẫn đến các silo đồng nhất Các silo này sử dụng hệ thống phun khí nén từ bên dưới để đồng nhất phối liệu trước khi đưa vào lò quay nung clinker.

Hình 2.3 Mô tả công đoạn chuẩn bị và nghiền phối liệu [9]

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

Bột phối liệu mịn sau khi ra khỏi silo sẽ được đưa vào hệ thống trao đổi nhiệt kiểu treo (SP – Suspension Preheater), đóng vai trò quan trọng trong việc tiết kiệm năng lượng nhiệt Hệ thống này gồm nhiều tầng cyclone, thường có 5 tầng, mỗi tầng có thể chứa một hoặc nhiều cyclone Bột phối liệu vào cyclone bậc cao nhất theo phương tiếp tuyến, gặp không khí nóng từ buồng calciner và lò nung, khiến các hạt phối liệu ở trạng thái lơ lửng và trao đổi nhiệt với dòng khí nóng Bột phối liệu sẽ chuyển động xoáy giữa các cyclone, từ trên xuống dưới với nhiệt độ tăng dần Trước khi rơi xuống lò nung, bột phối liệu đi qua buồng cacbonat hóa Thời gian lưu trong toàn bộ hệ thống cyclone khoảng 20 – 25 giây, với nhiệt độ tăng từ 50℃ lên khoảng 800℃.

Sau khi bột phối liệu trải qua hệ thống trao đổi nhiệt kiểu treo và được cacbonat hóa, nó sẽ vào lò quay để thực hiện các quá trình hóa lý, bao gồm tạo pha lỏng và kết khối clinker ở nhiệt độ cao khoảng 1450℃ Tại nhiệt độ này, quá trình truyền nhiệt chủ yếu diễn ra qua đối lưu và bức xạ Khi nhiệt độ tăng, lượng pha lỏng cũng gia tăng, và khi đạt đến mức đủ lớn, sự quay của lò (tốc độ 1 – 2 vòng/phút) sẽ tạo ra những viên sỏi nhỏ có kích thước khác nhau gọi là clinker Sau khi ra khỏi lò, clinker được làm nguội nhanh chóng bằng thiết bị làm nguội kiểu ghi, giảm từ 1250℃ xuống 100℃ Clinker sau đó được ủ trong các silo cho đến khi đạt yêu cầu, và nếu không sản xuất tại nhà máy, công đoạn ủ sẽ kết hợp trong quá trình vận chuyển đến các trạm nghiền.

Hình 2.4 Mô tả công đoạn nung luyện và ủ clinker [8] Đồ án thiết kế hệ thống

Clinker sau khi đạt yêu cầu sẽ được rút từ các silo và chuyển đến các bin tiếp liệu để cân định lượng, đồng thời các phụ gia cũng được chuyển vào các bin tương tự Sau khi cân xong, clinker và phụ gia sẽ được đưa vào máy nghiền bi để sản xuất xi măng thành phẩm Những hạt xi măng đạt kích thước yêu cầu sẽ theo dòng khí ra khỏi máy nghiền và vào các silo chứa theo từng 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]

Tính toán đơn phối liệu và năng suất thiết bị

2.3.1 Tính đơn phối liệu và kết quả

Quá trình tính đơn phối liệu trong công nghệ sản xuất xi măng được mô tả trong lưu đồ hình 2.5 dưới đây: Đồ án thiết kế hệ thống

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%, cần quy về 100% Dựa vào công thức, ta có thể tính được thành phần hóa của phối liệu sau khi nung.

𝟏𝟎𝟎 − 𝐌𝐊𝐍 𝟏𝟎𝟎% Đồ án thiết kế hệ thống

%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]:

 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])

Để thiết lập phương trình thành phần kết hợp, cần xác định đại lượng t và áp dụng các phương trình từ bảng thành phần phối liệu sau nung, cùng với 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

𝐱 + 𝐲 + 𝐳 + 𝐭 = 𝟏𝟎𝟎 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, chúng ta có thể xác định thành phần các oxit trong clinker và kiểm tra lại các khoáng chất có trong clinker, bao gồm hệ số bão hòa vôi, modul nhôm, và modul silic, theo các công thức được trích dẫn trong tài liệu [3].

2.3.1.2 Kết quả của tính đơn phối liệu Đồ án thiết kế hệ thống

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

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:

Bảng 2.3 Thành phần khoáng của clinker

Nhận xét Thỏa Thỏa Thỏa Thỏa

2.3.2 Tính năng suất thiết bị

Công nghệ sản xuất là một quy trình phức tạp với nhiều bước và thiết bị khác nhau Để ước tính khối lượng phối liệu đầu vào, việc tính toán năng suất của thiết bị là rất cần thiết.

Để thiết kế hệ thống vào và lựa chọn thiết bị phù hợp, ta áp dụng công thức 𝐹 𝑐 ≈ 1.70 Để tính toán năng suất của thiết bị, cần xác định số ngày làm việc của nhà máy theo bảng quy định.

Bảng 2.4 Thành phần xi măng

Vật liệu Thành phần (%) Độ ẩm (%)

Nhà máy xi măng có năng suất 1.5 triệu tấn/năm, tương đương với 1.5 triệu tấn xi măng sản xuất mỗi năm Dựa trên con số này, chúng ta sẽ tính toán lượng vật liệu khô cần thiết từ công đoạn sản xuất xi măng thành phẩm trở về trước Để thực hiện điều này, trước tiên cần chuyển đổi năng suất từ tấn/năm sang tấn/giờ bằng cách sử dụng công thức phù hợp.

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 quá trình sản xuất, vật liệu sẽ bị hao hụt qua từng công đoạn Vì vậy, lượng vật liệu sau khi bù hao hụt ở mỗi giai đoạn sẽ được tính theo công thức cụ thể.

Sau khi xác định năng suất khô cho từng công đoạn dựa trên hao hụt, ta có thể tính toán lượng vật liệu thực tế bằng cách sử dụng độ ẩm của chúng theo công thức đã được thiết lập.

(𝟏 − %𝒉𝒂𝒐𝒉𝒖𝒕) Đồ án thiết kế hệ thống

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:

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

Từ năng suất ở băng tải chung ta tính năng suất củ từng loại vật liệu trong từng công đoạn như sau: Đồ án thiết kế hệ thống

Bảng 2.7 Năng suất phối liệu từng công đoạn

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

Dựa trên các số liệu, chúng ta nhận thấy rằng lượng xi măng thành phẩm biến đổi do ảnh hưởng của yếu tố độ ẩm trung bình (Wtb) Độ ẩm trung bình được tính toán như sau:

208.33 × 100 = 1.48% Đồ án thiết kế hệ thống

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)

Tại các nhà máy sản xuất xi măng, thường giữ lại 80% lượng clinker để chế biến, trong khi 20% còn lại được chuyển đến các trạm nghiền Tổng năng suất clinker của nhà máy vì thế được xác định dựa trên tỷ lệ này.

Đến giai đoạn này, chúng ta cần xác định lượng clinker không lẫn tro than để tính khối lượng trong lẫn trong clinker Lượng clinker không lẫn tro than được tính theo công thức sau: 80% = 183.48.

𝐐𝐜𝐥𝐢𝐧𝐤𝐞𝐫 𝐤𝐡𝐨𝐧𝐠 𝐥𝐚𝐧 𝐭𝐫𝐨 = 𝐐𝐜𝐥𝐢𝐧𝐤𝐞𝐫 𝐥𝐚𝐧 𝐭𝐫𝐨× (𝟏 − 𝐭) 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

KL khô (tấn/h) Độ ẩm (%)

Thiết bị làm nguội kiểu ghi 0.05 183.66 0.45 184.49

Lượng clinker không lẫn tro - 180.39 0.45 181.20

Theo bảng số liệu, khối lượng tro than lẫn vào clinker được tính bằng công thức: Lượng tro lẫn trong clinker = 183.70 – 180.39 = 3.31 tấn/h.

2.3.2.3 Công đoạn nghiền mịn phối liệu và silo đồng nhất

Chế độ làm việc ở giai đoạn này khác với hai giai đoạn trước, với tổng số ngày làm việc là 300 ngày, 2 ca mỗi ngày và 8 giờ cho mỗi ca Để tính khối lượng phối liệu ban đầu trước khi nung, cần dựa vào khối lượng sau nung và tổng lượng mất khi nung của phối liệu, theo công thức đã được xác định.

KL trước nung = KL sau nung

(1 − MKN%)= 2.04 (triệu tấn năm) = 424.45 (tấn 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:

Đầu tiên, cần xác định độ ẩm của các nguyên liệu như đá vôi, đất sét và quặng sắt, từ đó xác định thành phần phối liệu ẩm dựa trên bảng thành phần phối liệu khô đã được tính toán.

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

Từ đó ta tính được độ ẩm trên bang tải chung (w2) như sau:

Sau khi có được độ ẩm trên bang tải chung, ta tính được năng suất cho công đoạn này như bảng dưới đây: Đồ án thiết kế hệ thống

Bảng 2.11 Năng suất công đoạn nghiền mịn phối liệu và silo đồng nhất

KL khô (tấn/h) Độ ẩm (%) KL ẩm (tấn/h)

2.3.2.4 Công đoạn chuẩn bị nguyên liệu

Tổng số ngày làm việc, số ca và số giờ cần thiết cho quá trình nghiền mịn phối liệu và silo đồng nhất được xác định Dựa vào tổng lượng nguyên liệu khô ban đầu và tỷ lệ phần trăm của từng loại nguyên liệu, chúng ta có thể tính toán khối lượng cụ thể của từng nguyên liệu như trong bảng dưới đây.

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

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)

Máy đập trục 1.00 373.17 388.10 Đồ án thiết kế hệ thống

Bảng 2.14 Tính năng suất cho đất sét (độ ẩm 17%)

Hao hụt (%) KL khô (tấn/h) KL ẩm (tấn/h)

Bảng 2.15 Tính năng suất cho quặng sắt (độ ẩm 5%)

Công đoạn Hao hụt (%) KL khô (tấn/h) KL ẩm (tấn/h)

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 Đồ án thiết kế hệ thống

Tính toán và thiết kế máy nghiền đứng con lăn nghiền clinker

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, mặc dù mới hơn máy nghiền bi, nhưng đã nhanh chóng chiếm ưu thế trong nhiều ngành công nghiệp như khai thác khoáng sản và sản xuất xi măng Được chế tạo từ vật liệu chịu mài mòn và nhiệt tốt, máy nghiền đứng có khả năng nghiền cả khô lẫn ướt với kích thước vật liệu đầu vào khoảng 50 – 100mm và công suất đạt tới 600 tấn/giờ Thiết kế hiện đại của máy tích hợp chức năng sấy, nghiền mịn và phân ly, cho phép sản phẩm đầu ra có độ ẩm dưới 1% và kích thước micromet Trong sản xuất xi măng, máy nghiền con lăn đứng chủ yếu được sử dụng cho quá trình nghiền mịn phối liệu và nghiền than, tận dụng khí thải từ các thiết bị khác để giảm thiểu ô nhiễm môi trường Nhiều nhà máy hiện đang chuyển sang sử dụng máy nghiền đứng để nghiền clinker nhờ vào những lợi thế vượt trội so với máy nghiền bi Các nhà cung cấp máy nghiền con lăn đứng nổi tiếng bao gồm FLSmidth, Polysius, và FLD Smidth.

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%)

Máy nghiền đứng có khả năng thông khí tốt và thực hiện đồng bộ, tự động hóa các quá trình như nạp liệu, nghiền, sấy, phân ly và vận chuyển sản phẩm, giúp giảm đáng kể lượng tiêu hao năng lượng so với máy nghiền bi Hơn nữa, năng lượng nghiền không chỉ sấy khô nguyên liệu mà còn kết hợp khí thải vào hệ thống sấy nghiền liên hợp, mang lại hiệu quả sấy 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]

Máy nghiền đứng phát ra tiếng ồn thấp hơn so với máy nghiền bi (MNB) và giúp giảm ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, khuyết điểm của máy nghiền đứng là độ đồng nhất của nguyên liệu đầu vào không cao, điều này có thể ảnh hưởng đến tính chất của xi măng trong quá trình sản xuất.

3.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy nghiền con lăn đứng

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:

2 Hệ thống dẫn liệu tới nơi nghiền

6 Trục của bánh xe nghiền

7 Hệ thống nén thủy lực

12 Ống dẫn phối liệu ra

16 Hệ thống cấp khí nóng

17 Hệ thống máy tính kết nối

18 Khu vực chứa tạp chất Đồ án thiết kế hệ thống

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy nghiền con lăn đứng [13] Đồ án thiết kế hệ thống

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:

Sau khi được cân định lượng, các nguyên liệu sẽ được chuyển vào máy nghiền qua hệ thống cấp liệu Chúng di chuyển theo hệ thống dẫn đến trung tâm mâm nghiền, nơi lực ly tâm do mâm nghiền quay làm dàn đều vật liệu Tại đây, các bánh xe nghiền với kích thước phù hợp sẽ quay quanh trục, tạo ra áp lực và lực mài để nghiền mịn nguyên liệu Lực nghiền được điều chỉnh thông qua hệ thống nén thủy lực, được kiểm soát bởi máy tính kết nối Một vòng chặn bao quanh bàn nghiền giúp dàn đều hỗn hợp, và nguyên liệu sẽ bị ép ra ngoài qua mép vòng chặn khi quá trình nghiền diễn ra.

Sau khi liệu rời khỏi bàn nghiền, dòng khí nóng sẽ được đưa vào hệ thống phân ly (10) ở phía trên bàn nghiền Tại đây, các vòng xoáy liệu khí sẽ hình thành, khiến các hạt liệu không đạt kích thước yêu cầu mất động năng và rơi xuống phễu hồi lưu (11) để trở lại vùng nghiền qua thiết bị hình côn Cuối cùng, hạt liệu sau khi qua hệ thống phân ly sẽ được dẫn ra khỏi máy nghiền qua hệ thống ống dẫn (12).

3.1.1.1 Các cụm cơ bản của một máy nghiền đứng con lăn

Vỏ máy nghiền có vai trò bao che các bộ phận bên trong mà không chịu áp lực từ quá trình nghiền phối liệu Cấu trúc vỏ bao gồm phần hình trụ ở thân máy và phần hình côn ở phía trên Hệ thống nạp liệu được lắp đặt bên hông phần hình trụ, trong khi máy phân ly và hệ thống tháo liệu được bố trí ở phần hình côn.

Hệ thống chân đế của máy nghiền bao gồm 4 chân độc lập, mỗi chân liên kết với các trục của con lăn, giúp nâng đỡ phần đáy máy Chân đế không chỉ hỗ trợ các kênh phân phối khí nóng mà còn đóng vai trò quan trọng trong quá trình sấy và đưa liệu đến bộ phận phân ly không khí Để kiểm soát lưu lượng khí vào và ra, một hệ thống điều chỉnh lưu lượng được lắp đặt Hệ thống chân đế chịu hầu hết trọng lượng của máy và lực từ các con lăn trong quá trình nghiền.

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:

Hệ thống dẫn động máy bao gồm động cơ, khớp nối, hộp giảm tốc và mâm nghiền, cần đáp ứng các chỉ tiêu nhất định do đặc điểm làm việc Việc lựa chọn thiết bị cho hệ thống này, đặc biệt là thiết kế hộp giảm tốc, phải được thực hiện cẩn thận Hộp giảm tốc có đặc điểm làm việc đặc biệt, chịu tải trọng toàn bộ của máy, do đó kết cấu vỏ cần đủ cứng vững để chịu tải dọc trục Thông thường, hộp giảm tốc không được nối trực tiếp với mâm nghiền mà được kết nối với đế lắp mâm nghiền, trong khi mâm nghiền liên kết với đế mâm và vòng tựa quay bằng bulong.

Cụm mâm nghiền bao gồm hai bộ phận chính: mâm nghiền và cốc đỡ mâm nghiền, chịu tác động trực tiếp từ tải trọng trong quá trình nghiền Hai bộ phận này được chế tạo độc lập và liên kết với vành tựa quay bằng bulong Cốc đỡ mâm nghiền thường làm từ thép đúc, gang cầu hoặc hàn, trong khi mâm nghiền được chế tạo từ thép chịu mài mòn và có độ bền cao Để dễ dàng trong việc tháo lắp và sửa chữa, mâm nghiền không được chế tạo thành nguyên khối mà được thiết kế 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 bánh nghiền, trục và ổ trục, là một trong những bộ phận chịu điều kiện làm việc khắc nghiệt nhất của máy nghiền do tác động của nhiều yếu tố như tải trọng nghiền, lực dọc trục và lực ma sát giữa bánh nghiền và vật liệu Việc tính toán thiết kế cần chú ý đến độ bền của các thành phần này Số lượng bánh nghiền khác nhau tùy theo loại máy, được đặt đều xung quanh mâm nghiền và quay quanh trục Các bánh nghiền được thiết kế với độ bền cao, trong khi các trục được đặt trong ống để truyền lực nghiền từ hệ thống thủy lực đến các con lăn, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho việc tháo lắp con lăn.

Hệ thống dẫn động cho bánh nghiền sử dụng các xy lanh thủy lực, trong đó ống trục bánh nghiền được kết nối với một xi lanh thủy lực thông qua một đòn bẩy Đòn bẩy này được gắn trên một trục với chân đế và đi kèm với một bình cầu chứa dầu cho hệ thống thủy lực.

Hình 3.6 Mô tả cụm bánh nghiền và hệ treo bánh nghiền [13] Đồ án thiết kế hệ thống

 Hệ thống phân ly không khí

Thiết bị phân ly là một trong những bộ phận quan trọng nhất của máy nghiền con lăn đứng, nằm ngay trên bộ phận nghiền Hiện nay, có nhiều loại hệ thống phân ly khác nhau, bao gồm hệ thống phân ly dòng lưu thông trường trọng lực và thiết bị phân ly ly tâm lưu thông Tuy nhiên, thiết bị phân ly kiểu rôto đang được sử dụng phổ biến nhất hiện nay.

Hình 3.7 Các loại hệ thống phân ly không khí [11]

Các hệ thống phân ly kiểu roto hiện nay, mặc dù có cấu tạo khác nhau tùy theo thiết kế của từng hãng, đều hoạt động dựa trên nguyên tắc chung là sử dụng cánh quạt và khí nóng để phân ly dòng khí Trong quá trình này, hạt sản phẩm trong vùng phân ly sẽ chịu tác động của hai lực: lực li tâm do chuyển động quay và lực hút từ cánh quạt Thiết bị phân ly kiểu này mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm tiêu thụ năng lượng thấp, năng suất cao và chất lượng phân ly tốt.

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 Đồ án thiết kế hệ thống

Hình 3.9 Lưu đồ thiết kế hệ thống phân ly của máy nghiền Đồ án thiết kế hệ thống

3.1.2 Các nhóm thông số cơ bản của máy nghiền

3.2.1.1 Nhóm thông số hình học

Góc tạo bởi tiếp tuyến T tại điểm tiếp xúc giữa cục vật liệu và bánh nghiền với mặt phẳng nằm ngang rất quan trọng trong quá trình nghiền Để đảm bảo hiệu quả nghiền, góc 𝜃 cần có giá trị phù hợp; nếu góc này quá lớn, bánh nghiền sẽ không thể đè lên cục vật liệu, dẫn đến hiệu suất nghiền giảm.

Gọi F0 là lực bánh nghiền tác động lên cục vật liệu, P0 là lực mâm nghiền tác động lên cục vật liệu Khi hoạt động, lực ma sát T và T1 cũng xuất hiện Điều kiện để cục vật liệu vào khu vực nghiền là rất quan trọng.

Vậy điều kiện để cục vật liệu đi vào khu vực nghiền:

Ta chiếu các lực lên phương thẳng đứng ta có: P – F02 – P02 = 0

Ta suy ra được: P 0 = F 0 cosθ + f.F 0 sinθ (2)

Từ (1) và (2) với tan 𝜑 = 𝑓 (f là hệ số ma sát trượt), ta có: tan 𝜃 ≤ 2 𝑡𝑎𝑛𝜑

1 − tan 𝜑 2 = tan 2𝜑 Vậy: θ ≤ 2φ, với 𝜑 là góc ma sát

Vật liệu rắn f = 0.3, suy ra 𝜑 = 16°40 ′ do đó 𝜃 = 33°20 ′

Vật liệu mềm f = 0.45, suy ra 𝜑 = 23°40 ′ do đó 𝜃 = 48°40 ′ Để máy làm việc hiệu quả, thông thường ta chọn: 𝛉 = 𝟐𝟓° − 𝟑𝟎° [14] Đồ án thiết kế hệ thống

Xét tam giác ODE, ta có: cos θ = R b + m

R b + R v + R 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:

Và thường sẽ dựa vào hệ số tỷ lệ Kbv = R B

Trong nghiên cứu R, việc xác định bán kính bánh nghiền (tỷ số Kbv phụ thuộc vào góc kẹp 𝜃) là rất quan trọng để suy ra đường kính bánh nghiền Tuy nhiên, thực tế cho thấy quá trình làm việc của bánh nghiền khá phức tạp, đặc biệt khi phối liệu được cấp theo dòng Để tăng năng suất nghiền, giá trị Rb thường được điều chỉnh tăng lên từ 10% đến 20%.

Hình 3.10 Sơ đồ tính và làm việc thực tế của bánh nghiền [12] Đồ án thiết kế hệ thống

Bề dày bánh nghiền, hay còn gọi là chiều rồng bánh nghiền, có ảnh hưởng quan trọng trong quá trình nghiền Giá trị Bb thường được xác định trong một phạm vi nhất định và chủ yếu dựa vào kinh nghiệm.

Giá trị Bb được xác định dựa trên tỷ số 𝐵 𝑏

𝐷 𝑏 , với Bb là bề dày bánh nghiền, Db là đường kính bánh nghiền Tỷ số này phụ thuộc vào năng suất của máy nghiền

Đường kính mâm nghiền được xác định là đường kính của vòng tròn tại điểm tiếp xúc giữa bánh nghiền và mâm nghiền, với tâm là tâm quay của mâm Có nhiều loại mâm nghiền khác nhau, bao gồm mâm nghiền phẳng và mâm nghiền hình lồng máng, tùy thuộc vào từng loại máy.

Đường kính mâm nghiền khác nhau giữa các hãng sản xuất, và giá trị của đường kính mâm nghiền Dm được xác định theo tỷ lệ nhất định so với đường kính bánh nghiền Db thông qua tỷ số 𝐷𝑚.

3.2.1.2 Nhóm thông số động học

 Số vòng quay của mâm nghiền dạng phẳng

Vật liệu trên mâm nghiền phải chịu tác động của nhiều lực khác nhau, trong đó lực ly tâm có thể khiến vật liệu bị văng ra ngoài Để đảm bảo an toàn, cần tuân thủ các điều kiện nhất định.

R m = mgf Đồng thời ta có vận tốc mâm nghiền V Đồ án thiết kế hệ thống

Từ đó ta tính được số vòng quay của mâm nghiền dạng phẳng dùng cho vật liệu rắn như sau: n m = √ f

√D m Với: 𝑛 𝑚 : 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 trong quá trình nghiền không chỉ bị ảnh hưởng bởi đặc tính vật liệu mà còn bởi dạng bề mặt làm việc và cấu trúc của mâm nghiền Ngoài ra, giá trị của hằng số này còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như phương thức cấp liệu và thông số của dòng khí trong quá trình nghiền Các yếu tố này không thể xác định chính xác mà cần phải thực nghiệm, dẫn đến sự khác biệt về giá trị hằng số tốc độ giữa các hãng sản xuất.

 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:

2𝜋𝑛 𝑚 𝐵 𝑏 Với: Vt tb – 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) Đồ án thiết kế hệ thống

Hình 3.12 Phân bố vận tốc theo chiều rộng bánh [12]

Giá trị VT lớn sẽ cải thiện hiệu quả nghiền nhờ vào tác động của lực ép và lực xiết vỡ Mặc dù điều này có lợi cho việc nghiền mịn, nhưng việc tăng vận tốc trượt có thể dẫn đến tổn hao công suất, gia tăng mòn và nhiệt độ trong 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 nghiền là một yếu tố quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả và công suất nghiền, cũng như độ mòn của bánh và mâm nghiền Có nhiều phương pháp để xác định lực nén, nhưng bài viết này sẽ tập trung vào việc xác định lực nén thông qua phương pháp thực nghiệm.

Phương pháp này dựa trên thực nghiệm để xác định hợp lý lực nghiền Sau khi xem xét tất cả các giả thiết, lực nghiền P có thể được tính gần đúng.

360 × 𝑅 𝑏 × 𝐵 𝑏 Với: p là áp lực khi nghiền

Rb là bán kính bánh nghiền Đồ án thiết kế hệ thống

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:

360 Tùy theo từng hãng sản xuất ta có các giá trị kp khác nhau như bảng dưới đây:

Bảng 3.1 Giá trị k p theo từng hãng sản xuất [12]

Hãng Pfeiffer Loesche FL FLS Polysius

 Xác định năng suất của máy nghiền

Năng suất cùa máy nghiền Q có thể được tính như sau:

𝑘 0 × 𝑘 1 × 3600 × 𝑍 × 𝑉 𝑚 × 𝐵 𝑏 × 𝜌 𝑣 × 𝑚 Với: k0: hệ số tuần hoàn liệu

𝜌 𝑣 : 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 Đồ án thiết kế hệ thống

Công suất dẫn động của máy nghiền được tinh gần đúng như sau:

Với: N1 là công suất cần thiết để khắc phục lực cản lăn khi bánh nghiền lăn trên lớp vật liệu

𝑉 𝑚 : vận tốc quay của mâm nghiềng (m/s) 𝜇: Hệ số ma sát (0.05 – 0.1)

N2 là công suất cần thiết để khắc phục lực ma sát xảy ra khi có hiện tượng trượt

Trong đó: f: hệ số ma sát trượt

N3 là công suất khắc phục ma sát ở trục lắp bánh nghiền

Trong đó: fc: hệ số ma sát lăn ở trục nb: vòng quay của bánh nghiền (v/s) d: đường kính gồng trục

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 Đồ án thiết kế hệ thống

- 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

Để hạn chế quá trình kết dính giữa các hạt, cần đảm bảo mật độ hỗn hợp khi ra khỏi thiết bị phân ly nằm trong phạm vi nhất định (kg/m3).

3.2.2.1 Xác định lưu lượng tại vành phun khí L k

Lk được gọi là lưu lượng khí cần thiết tại vành phun khí và có thể được xác định như sau:

Với: Sk: tiết diện sống của khe (m 2 ), tiết điện này được chọn phù hợp khi thiết kế

Vận tốc gió tại mặt thoáng tiết diện (Vk) được tính bằng mét trên giây (m/s) Để đẩy lớp vật liệu có độ dày trung bình 𝛿 (m) và khối lượng riêng 𝜌 𝑣 ra khỏi mâm nghiền, tải trọng của lớp vật liệu này được xác định là G = δρ Do đó, áp lực cần thiết để lớp vật liệu này bung lên phải đạt pd≥ G.

Với: 𝜌 𝑘𝑘 : khối lượng riêng không khí ở nhiệt độ 180 o C

Lưu ý: Giá trị Sk trong công thức trên là giá trị max

Khi không khí qua vành phun máy nghiền, nó sẽ nhận nhiệt và chuyển hóa từ cơ năng, dẫn đến sự giãn nở và thay đổi thể tích Điều này làm thay đổi lưu lượng qua máy nghiền.

3.1.2.1 Kiểm tra lưu lượng gió để hạt đạt vận tốc làm việc

Tại tiết diện A giữa khu vực nghiền và hệ thống phân ly, lưu lượng khí cần được điều chỉnh để đảm bảo vận tốc hạt đạt giá trị từ 1.25 đến 1.30, cụ thể là 𝑣 𝐴 = (1.25 − 1.30)𝑣 𝑡𝑟𝑒𝑜, với 𝑣 𝑡𝑟𝑒𝑜 = 4.7√𝑑 𝑚𝑎𝑥 𝜌 𝑣 Việc thiết kế hệ thống này đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất hoạt động của toàn bộ quy trình.

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:

𝐿 ′ 𝑘 Với: Q: năng suất máy nghiền (tấn/h)

L’k: lưu lượng không khí thực tại đường ra thiết bị phân ly (kg/h) 𝜂: 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

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)

Với: H là chiều cao roto (m)

D1 là đường kính trong roto (m)