Nghiên cứu thiết kế lò nung liên phòng sản xuất gốm thô xây dựng

Nội dung cần thực hiện: - Nghiên cứu tổng quan các loại hình công nghệ nung đốt gốm thô - Thiết kế lò nung liên phòng sản xuất gốm thô xây dựng công suất 80 tấn sản phẩm/ngày - Cân bằng

Gốm và các loại hình sản phẩm gốm

Định nghĩa

Gốm là một loại vật liệu vô cơ không kim loại với cấu trúc đa tinh thể, có thể bao gồm cả pha thủy tinh Nguyên liệu chính để sản xuất gốm thường là đất sét hoặc cao lanh Quá trình sản xuất gốm bao gồm việc tạo hình phối liệu và thiêu kết ở nhiệt độ cao, giúp vật liệu đạt được các tính chất lý hóa đặc trưng Ngoài ra, từ "gốm" còn được sử dụng để chỉ các sản phẩm được làm từ vật liệu này.

Sản phẩm gốm thường bao gồm xương, là thành phần chính, và có thể được tráng một lớp men bên ngoài Ngoài ra, có thể có lớp màu trang trí nằm dưới men, trên men hoặc trong men.

Mộc là sản phẩm bán thành phẩm được tạo hình trước khi nung thành xương Men là lớp thủy tinh mỏng, dày từ 0,1 đến 0,4mm, được phủ lên bề mặt xương, không chỉ tăng tính thẩm mỹ mà còn cải thiện các đặc tính kỹ thuật cho sản phẩm.

Thiêu kết là nung và giữ ở nhiệt độ cao để vật liệu dạng bột kết khối

Một số thuật ngữ khác bao gồm:

- Đồ gốm: Sản phẩm bằng vật liệu gốm

- Ceramics: Gốm, đồ gốm, nghề sản xuất gốm

- Pottery: Đồ gốm, nghề sản xuất gốm, lò gốm

- Ceramic tile: Tấm ốp lát bằng gốm, dùng phân biệt với tấm ốp lát bằng xi măng hay bằng granit.

Cấu trúc gốm

Vật liệu gốm là chất rắn có cấu trúc đa tinh thể, bao gồm các pha tinh thể liên kết trên nền thủy tinh và có sự hiện diện của pha khí (lỗ xốp) Các liên kết ion và cộng hóa trị trong gốm mang lại nhiều đặc tính ưu việt như độ cứng cao, điểm nóng chảy cao, độ giãn nở nhiệt thấp và khả năng chống hóa chất tốt Tuy nhiên, những đặc tính này cũng đi kèm với nhược điểm như độ giòn, dễ dẫn đến nứt vỡ.

Vật liệu gốm có sự biến đổi từ thô đến mịn với độ xốp giảm dần, trong đó gạch có độ xốp cao nhất và sứ có độ xốp thấp nhất Độ xốp của xương gốm không chỉ phản ánh vi cấu trúc mà còn cho phép đánh giá các tính chất kỹ thuật quan trọng như cường độ và độ hút nước.

Phân loại

Gốm được phân loại theo cấu trúc và tính chất của xương thành hai loại chính: gốm thô và gốm tinh Trong đó, gốm xương xốp có độ hút nước cao, trong khi gốm xương sít đặc có độ hút nước thấp.

- Gốm thô có cầu trúc hạt kích thước từ 100 ߤm đến 5mm

- Gốm tinh (hay mịn) có cấu trúc hạt nhỏ, tất cả đều bé hơn 100 μm

Theo đó các loại sản phẩm gốm truyền thống và đặc biệt được sắp xếp từ thô đến tinh như sau:

- Gạch ngói: xương thô, có màu, sản xuất từ đất sét, độ chịu lửa (1580°C) Chủ yếu dùng làm gạch xây và ngói lợp

- Vật liệu chịu lửa: là loại vật liệu cần cho xây dựng các lò nung luyện, lò nấu ở nhiệt độ cao, độ chịu lửa từ (1580-2000 o C)

- Gốm cách nhiệt: làm từ cùng loại nguyên liệu như gạch ngói hay vật liệu chịu lửa, có độ xốp cao để tăng khả năng cách nhiệt

- Sành dạng đá thô, sành dạng đá tinh, sành hóa học, sành bền nhiệt, sành cách điện, sành xương trắng, sành nửa thủy tinh hóa…

- Đất nung: xương khá mịn, xốp, có màu đỏ hay trắng nhạt

- Bán sứ: sản phẩm có xương thủy tinh tỉnh hóa màu trắng đục

- Sứ mềm, sứ xương, sứ cứng, sứ điện, sứ hóa học, sứ mullite, sứ cao alumin, sứ zircon

Phân loại theo lĩnh vực sử dụng sản phẩm

- Gốm xây dựng: gồm các loại gạch ngói, ống dẫn nước, gạch clinker, tấm ốp tường, lát nền, tấm ốp lát granit, sứ vệ sinh

- Gốm dân dụng và mỹ nghệ: đồ đất nung, chậu cảnh, lu chậu sành, sứ bàn ăn và sứ mỹ nghệ

Vật liệu chịu lửa được sử dụng chủ yếu để xây dựng lò nung và các lò công nghiệp có khả năng chịu nhiệt độ cao Trong số đó, một số loại gạch chịu lửa phổ biến bao gồm gạch chịu lửa cao nhôm, gạch chịu lửa trang trí và gạch chịu lửa sa mốt.

Gốm kỹ thuật đóng vai trò quan trọng trong ngành chế tạo máy, với các chi tiết như máy mài, máy cắt và các linh kiện bền axit, bền hóa cho bơm và thiết bị hóa chất Ngoài ra, gốm kỹ thuật còn được sử dụng làm vật liệu cách điện và trong các thiết bị điện, điện tử Bên cạnh đó, còn có các sản phẩm gốm đặc biệt phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau.

Đặc điểm các loại hình gốm thô dùng cho xây dựng ở Việt Nam

Gạch đặc

Gạch đặc là loại gạch không có lỗ rỗng, được sản xuất từ đất sét dễ chảy, có thể sử dụng phụ gia hoặc không Hai phương pháp chính để chế tạo gạch đặc bao gồm…

3 tạo hình gạch đặc đó là phương pháp dẻo và phương pháp bán khô Sau đó đi qua các quá trình sấy (đến 200 o C), đốt nóng (700ൊ800 o C), nung (900ൊ1050 o C), làm nguội (đến 40ൊ50 o C)

Gạch đặc sở hữu kết cấu cứng cáp, khả năng chống thấm vượt trội và cách âm, cách nhiệt hiệu quả Loại gạch này thường được ứng dụng trong việc xây tường và các công trình chịu áp lực lớn.

Tên gọi, kích thước và thông số của gạch đặc có sự khác biệt tùy theo từng vùng miền Các thông số sản xuất gạch đặc đất sét nung được quy định trong Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN1451-2009 Kích thước tiêu chuẩn của gạch đặc đất nung được thể hiện trong Bảng 1.1, trong khi Bảng 1.2 nêu rõ yêu cầu về tính năng cơ lý của gạch đặc đất sét nung, được phân loại theo độ bền cơ học.

Bảng 1.1 Tiêu chuẩn kích thước gạch đặc đất sét nung

Gạch đặc 60 220േ6mm 105േ4mm 60േ3mm

Gạch đặc 45 190േ6mm 90േ4mm 45േʹmm

Bảng 1.2 Tiêu chuẩn tính năng cơ lý gạch đặc đất nung

Thông số Cường độ nén

Cường độ uốn (MPa) Độ hút nước (%)

Các loại hình công nghệ lò nung phổ biến trong sản xuất gạch đặc bao gồm lò đứng thủ công đốt than, lò vòng Hoffman, lò zigzag, lò liên tục kiểu đứng, lò tuynel và lò tuynel di động.

Gạch lỗ

Gạch lỗ được sản xuất qua quy trình tạo hình dẻo, sấy và nung ở nhiệt độ từ 900 đến 1050 độ C, sau đó làm nguội, với các lỗ rỗng hình tròn hoặc chữ nhật Tùy theo từng vùng miền, thói quen sử dụng gạch xây dựng có sự khác biệt rõ rệt; cụ thể, các tỉnh miền Bắc và miền Trung thường ưa chuộng gạch rỗng 6 lỗ (hình tròn), trong khi đó, các tỉnh miền Nam lại thường sử dụng gạch rỗng 4 lỗ (hình vuông).

Gạch lỗ được sử dụng phổ biến trong các công trình xây dựng nhỏ, đặc biệt là những dự án có quy mô hạn chế và không chịu lực lớn Loại gạch này thích hợp cho những công trình không yêu cầu cao về khả năng chống thấm nước.

Thông số sản xuất gạch lỗ được quy định trong Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1450-2009 Kích thước tiêu chuẩn của gạch rỗng đất nung được trình bày trong Bảng 1.3 Yêu cầu về tính năng cơ lý của gạch rỗng đất sét nung, phân loại theo độ bền cơ học, được nêu rõ trong Bảng 1.4.

Một số công nghệ lò nung phổ biến trong sản xuất gạch lỗ bao gồm lò đứng đốt củi, lò bầu đốt trấu, lò vòng Hoffman, lò tuynel và lò tuynel di động.

Bảng 1.3 Tiêu chuẩn kích thước gạch rỗng đất sét nung

Gạch rỗng 60 220േ6mm 105േ4mm 60േ3mm

Gạch rỗng 80 180േ6mm 80േ4mm 85േʹmm

Bảng 1.4 Tiêu chuẩn tính năng cơ lý gạch đặc đất nung

Thông số Cường độ nén

Cường độ uốn (MPa) Độ hút nước (%)

Hình 1.2 Gạch 2 lỗ, 4 lỗ, 6 lỗ

Ngói

Ngói đất sét nung là sản phẩm được chế biến từ đất sét tự nhiên và cao lanh qua nhiều công đoạn phức tạp như ủ đất, cán, nhào và đùn ép Tùy thuộc vào loại sản phẩm, đất sẽ được tạo thành tấm hoặc miếng và sau đó ép trong các khuôn định hình Để đảm bảo chất lượng, nguyên liệu đất cần có độ dẻo cao và hàm lượng Al2O3 lớn.

Ngói đất sét tại Việt Nam được sử dụng với các loại kích thước như 22 viên/m², 13 viên/m² và 16 viên/m², mang đến sự đa dạng về mẫu mã (hình 1.3) Các chỉ tiêu cơ lý của ngói được quy định trong Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1452:2004, bao gồm độ hút nước, tải trọng uốn gãy, khối lượng một mét vuông ngói ở trạng thái bão hòa nước, thời gian xuyên nước và độ bền băng giá, được trình bày chi tiết trong bảng 1.5.

Hình 1.3 Các loại ngói lợp a- Ngói lợp có rãnh; b- Ngói úp nóc; c- Ngói con sò; d- Ngói mũi hài, f- Ngói vảy cá

Bảng 1.5 Các chỉ tiêu cơ lý ngói đất sét nung

Tên chỉ tiêu Mức Độ hút nước, % ൑ 14

Tải trọng uốn gãy đối với ngói lợp, theo chiều rộng viên ngói, N/cm ൒ 35

Khối lượng một mét vuông ngói ở trạng thái bão hòa nước, kg ൒ 55

Thời gian xuyên nước, giờ ൒ 2 Độ bền băng giá khi thử Theo phụ lục A,

Ngói được nung ở nhiệt độ từ 900 đến 1050 độ C, tạo ra cấu trúc đặc và bề mặt phẳng, đồng thời thủy tinh hóa một phần giúp tăng khả năng chống thấm nước và giảm độ hút nước Điều này không chỉ nâng cao độ bền của ngói mà còn cho phép giảm chiều dày và khối lượng Để đạt được chất lượng tốt, nhiệt độ lò nung cần được kiểm soát cẩn thận nhằm giảm tỷ lệ hao vỡ Các công nghệ lò phù hợp cho sản xuất ngói bao gồm lò tuynel, lò vòng Hoffman có nóc, lò đứng đốt than và lò bầu đốt trấu.

Gạch nem tách

Gạch nem tách, còn được gọi là gạch cotto có chân, là loại vật liệu xây dựng được chế tạo từ đất sét Quá trình sản xuất bao gồm nghiền khô, đùn dẻo và sấy nung nhanh ở nhiệt độ cao từ 1160 đến 1200 °C.

Gạch nem tách là loại gạch vuông phẳng, có khả năng chịu lực bền và độ hút nước thấp, giúp chống thấm hiệu quả Với màu đỏ đồng nhất và thiết kế rãnh nhỏ ở đáy, gạch này tăng cường khả năng cách nhiệt và thoát nhiệt tốt Sản phẩm được ứng dụng rộng rãi trong việc lát sàn chống nóng cho sân thượng, sân vườn và sàn mái bê tông.

Các công nghệ lò nung phổ biến để sản xuất gạch nem tách như lò tuynel, lò thanh lăn

Thị trường ngành gốm xây dựng Việt Nam

Năm 2022, ngành gốm xây dựng Việt Nam đã đối mặt với nhiều thách thức do ảnh hưởng của đại dịch Covid-19 và chiến tranh Nga - Ukraine, gây ra sự gián đoạn trong sản xuất và giao thương, dẫn đến tình trạng suy thoái kinh tế nghiêm trọng.

Năm 2022, ngành gạch ốp lát đã đạt công suất huy động khoảng 65 – 70%, sản xuất khoảng 450 – 460 triệu m² gạch, trong đó 30% là gạch ốp tường Sản phẩm có mẫu mã đa dạng, hiệu ứng bề mặt phong phú và chất lượng ngày càng được nâng cao Ngoài ra, gạch lát sân vườn cũng đạt khoảng 40 triệu m², trong khi ngói nung ceramic đạt 10,5 triệu m².

Sản lượng gạch cotto ceramic đạt 7,5 – 8 triệu m², ngói nung đất sét từ 17 - 20 triệu m², và sứ vệ sinh khoảng 14 - 14,5 triệu sản phẩm Gạch đất sét nung ước tính đạt 15 tỷ viên theo tiêu chuẩn So với năm 2021, sản lượng sản xuất chỉ tăng khoảng 3 – 5% Cuối năm, thị trường nội địa trở nên trầm lắng do sự đóng băng trong lĩnh vực bất động sản, dẫn đến việc hầu hết các đơn vị giảm sản lượng.

Thị trường tiêu thụ nội địa năm 2021 ghi nhận tồn kho cuối kỳ khoảng 70 – 75 triệu m² sản phẩm Đến năm 2022, lượng tồn kho cũ đã được tiêu thụ cơ bản, nhưng thị trường lại tiếp nhận thêm khoảng 45 – 50 triệu m² tồn kho mới Trong năm 2022, thị trường nội địa đã tiêu thụ 75 - 80% sản phẩm cung cấp, bao gồm cả hàng nhập khẩu Trong bối cảnh xuất khẩu gặp khó khăn, việc đẩy mạnh tiêu thụ nội địa trở thành ưu tiên hàng đầu, giúp các doanh nghiệp cân đối cung cầu giữa các thị trường trong và ngoài nước.

Năm 2022, thị trường xuất khẩu toàn ngành đạt 557.402.185 USD, tăng 61 triệu USD so với 496.127.058 USD của năm 2021 Trong khi đó, thị trường nhập khẩu chỉ đạt 498.736.258 USD Việc nhập khẩu nguyên liệu men và sản phẩm không chỉ nâng cao chất lượng sản phẩm trong nước mà còn tạo ra sự cạnh tranh, thúc đẩy sự phát triển của ngành.

Dự báo thị trường gốm sứ năm 2023 sẽ hồi phục nhẹ vào cuối năm, với Hiệp hội gốm sứ xây dựng Việt Nam đề xuất tăng sản lượng sản xuất khoảng 5% so với năm 2022 Cụ thể, dự kiến sản lượng gạch ốp lát đạt từ 460 đến 480 triệu m², bao gồm cả gạch lát sân vườn.

25 – 28 triệu m 2 Ngói nung ceramic: 12 – 15 triệu m 2 Gạch cotto ceramic 10 – 12 triệu m 2 Sứ vệ sinh 15 – 15,5 triệu sản phẩm Gạch đất sét nung: 15 tỷ viên [32].

Quy trình chung của việc sản xuất gốm thô

Nguyên liệu

Nguyên liệu trong ngành gốm được phân loại thành hai nhóm chính: nguyên liệu dẻo, bao gồm cao lanh và đất sét, và nguyên liệu gầy như thạch anh, trường thạch và hoạt thạch Một số nguyên liệu gầy có thể bao gồm chất thải công nghiệp hoặc nguyên liệu tổng hợp như tro bay từ nhà máy nhiệt điện, thủy tinh, bùn đỏ, phế thải từ khai thác than, và bã mía Thành phần khoáng hóa của các nguyên liệu này sẽ ảnh hưởng đến tính chất của sản phẩm gốm Ngoài ra, ngành công nghiệp gốm còn sử dụng một số hợp chất khác như CaO, BaO, MgO, cùng với các oxit như TiO2, Al2O3, ThO2 và BeO.

Nguyên liệu dẻo chủ yếu bao gồm cao lanh và đất sét, trong đó đất sét là loại nguyên liệu chứa các khoáng alumo-silicat ngậm nước với cấu trúc lớp Đất sét có độ phân tán cao và tính dẻo khi trộn với nước, và khi được nung, nó tạo ra sản phẩm kết khối rắn chắc.

Thành phần hóa là chỉ số quan trọng để đánh giá chất lượng và ứng dụng của đất sét Đối với cao lanh, hàm lượng Al2O3 càng cao thì chất lượng càng tốt, tối đa lên tới 39%.

Hàm lượng SiO2 cao trong caolanh thường do sự lẫn nhiều cát, cùng với sự hiện diện của oxit kiềm và Fe2O3 cao làm giảm nhiệt độ nung và tính chịu lửa Đặc tính nhiệt của khoáng sét là yếu tố quyết định tính chất gạch, bao gồm độ dẻo, độ co ngót, độ xốp và độ bền cơ lý, đã được nghiên cứu bởi Sen Wang và cộng sự Ngoài ra, nghiên cứu của J.Han và cộng sự đã đánh giá một số đặc tính cơ nhiệt của đất sét nung ở nhiệt độ cao Trong ngành gốm xây dựng, màu sắc của thành phẩm là thuộc tính cơ bản và có thể là yếu tố quyết định trong lựa chọn của kiến trúc sư và người tiêu dùng, phụ thuộc vào nhiệt độ nung, môi trường nung và các nguyên tố kim loại trong nguyên liệu.

Nguyên liệu gầy được phân loại thành nguyên liệu đầy, nguyên liệu trợ dung và nguyên liệu làm nhẹ Nguyên liệu đầy, bao gồm chất thiên nhiên như thạch anh và trường thạch, hoặc nhân tạo như bã mía và tro bay, có vai trò điều chỉnh độ dẻo của phối liệu nhờ chứa các oxit tương tự thành phần của nó Đặc biệt, silic trong nguyên liệu đầy như thạch anh và cát thạch anh chứa hơn 92% SiO2, nhưng khi nhiệt độ thay đổi, thạch anh có thể biến đổi hình dạng và thể tích từ 2-12%, dẫn đến ứng suất trong quá trình làm nguội và có thể gây nứt Nguyên liệu trợ dung, chẳng hạn như tràng thạch, giúp tạo pha lỏng, giảm nhiệt độ kết khối và nóng chảy, đồng thời thu hẹp khoảng cách giữa nhiệt độ kết khối và nhiệt độ chịu lửa.

Tràng thạch là nguyên liệu phụ gia phổ biến trong sản xuất gốm, có khả năng chuyển hóa từ trạng thái dẻo nhiệt sang trạng thái nóng chảy hoàn toàn khi nhiệt độ vượt quá 1000 o C Nghiên cứu của Valášková và cộng sự đã chỉ ra ảnh hưởng của tràng thạch trong việc kết hợp với cao lanh và tro bay đến nhiệt độ thiêu kết cũng như các tính chất của gốm.

Gia công và chuẩn bị phối liệu

Quá trình gia công và chuẩn bị phối liệu bao gồm các bước quan trọng như làm giàu và tuyển chọn nguyên liệu, gia công thô, gia công tinh (nghiền mịn) nguyên liệu và phối liệu Mỗi loại sản phẩm yêu cầu chuẩn bị phối liệu phù hợp với các phương pháp tạo hình khác nhau, đảm bảo chất lượng và hiệu quả trong sản xuất.

Phối liệu gốm được hình thành từ nguyên liệu bột mịn, yêu cầu mức độ nghiền khác nhau tùy thuộc vào tính chất và ứng dụng của từng sản phẩm Độ mịn cao sẽ tạo ra bề mặt riêng lớn hơn, giúp các phản ứng giữa các hạt diễn ra dễ dàng hơn trong quá trình nung.

Việc nghiền các hạt vật chất có độ mịn cao diễn ra thuận lợi nhờ vào tổng diện tích tiếp xúc lớn Nguyên liệu đưa vào máy nghiền mịn thường có kích thước hạt khoảng 1 mm.

Để đạt được yêu cầu cơ bản trong việc chuẩn bị phối liệu, cần đảm bảo độ chính xác cao về thành phần hóa học và tỷ lệ các loại kích thước hạt, đồng thời duy trì tính đồng nhất về thành phần hóa học và độ hạt Việc kiểm soát lượng nước tạo hình, chất điện giải và các loại phụ gia khác cũng rất quan trọng nhằm đảm bảo các sản phẩm sau khi nung đạt được các tính chất kỹ thuật mong muốn.

Tạo hình

Quá trình tạo hình nhằm đạt được các tiêu chí về kích thước, hình dạng hình học và độ đồng nhất của bán thành phẩm cũng như sản phẩm cuối cùng.

Tạo hình là quá trình biến đổi phối liệu thành dạng đa phân tán với hình dạng, kích thước và độ đồng nhất nhất định Điều này giúp tạo ra bán thành phẩm cụ thể (mộc) từ phối liệu đã được đồng nhất hóa.

Khuyết tật trong công đoạn gia công và chuẩn bị phối liệu sẽ xuất hiện trong quá trình tạo hình, và khuyết tật của quá trình tạo hình sẽ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm trong các giai đoạn sấy và nung Để đánh giá chất lượng sản phẩm tạo hình, không chỉ dựa vào tiêu chuẩn mật độ dao động từ 0,5-0,85 (g/cm³) mà còn cần xem xét mức độ đồng nhất của mật độ Mật độ tạo hình không đồng đều có thể dẫn đến sự co rút khác nhau trong quá trình sấy và nung, gây biến dạng, giảm độ bền hoặc nứt sản phẩm Hơn nữa, mật độ không đồng đều khi tạo hình còn có thể làm phát sinh sự không đồng đều về các tính chất kỹ thuật của sản phẩm đã nung.

Sấy mộc

Sản phẩm sau khi tạo hình thường có hàm lượng ẩm cao, với độ ẩm mộc khoảng 4-7% đối với phương pháp bán khô, trong khi phương pháp ép dẻo và đổ rót có độ ẩm mộc trên 20% Để thuận tiện cho các công đoạn sửa mộc, vận chuyển, tráng men và nung, việc tách nước trong quá trình tạo hình là cần thiết.

Mục đích của việc sấy:

- Làm giảm độ ẩm của phối liệu trong sản phẩm

- Tạo cho sản phẩm có một độ bền cơ học cần thiết để xếp vào lò nung mà không bị biến dạng

- Kết thúc thay đổi thể tích của sản phẩm do tách nước tạo hình

- Ngăn chặn các hiện tượng nứt, nổ sản phẩm do việc bốc hơi ồ ạt khi nung sản phẩm

Sấy vật liệu và sản phẩm có thể được thực hiện qua hai phương pháp chính: sấy tự nhiên và sấy nhân tạo Sấy tự nhiên diễn ra bằng cách hong khô ngoài trời hoặc trong nhà, sử dụng các yếu tố môi trường như gió và ánh sáng mặt trời để làm khô sản phẩm.

Bảng 1.6 trình bày thành phần khoáng và tính chất của một số loại đất sét và cao lanh, bao gồm các nguyên liệu như đất sét Văn Điển, đất sét Phúc Thịnh, đất sét Văn Miếu, và nhiều loại khác từ các địa phương như Hà Nội, Bắc Ninh, Bắc Giang, Thái Bình, và Quảng Ninh Thành phần hóa học của các loại đất này chủ yếu gồm SiO2, Al2O3, TiO2, Fe2O3, CaO, MgO, K2O, Na2O, và SO3, với các chỉ số MKN khác nhau Các mẫu đất sét từ các khu vực như Định Trúc, Từ Sơn, và Nghĩa Chính cho thấy sự đa dạng trong cấu trúc khoáng và ứng dụng trong công nghiệp Cao lanh cũng được khảo sát từ Vĩnh Yên, Thanh Vị, và Tân Mai, thể hiện tính chất phù hợp cho nhiều lĩnh vực sản xuất.

Sấy nhân tạo là quá trình sử dụng không khí nóng hoặc hỗn hợp không khí nóng với khói thải để làm khô sản phẩm trong các lò sấy.

Quá trình sấy gốm chủ yếu diễn ra thông qua truyền nhiệt đối lưu, trong đó nhiệt từ tác nhân sấy được truyền vào vật liệu, trong khi ẩm ướt trong vật liệu di chuyển ra ngoài Đặc điểm và ảnh hưởng của quá trình sấy đến tính chất của sản phẩm gốm thô sẽ được phân tích chi tiết trong mục 2.4.1 của nghiên cứu này.

Nung sản phẩm

Nung là quá trình gia nhiệt sản phẩm gốm từ nhiệt độ thường đến nhiệt độ cao nhất, sau đó làm nguội trong môi trường thích hợp Quá trình này giúp vật liệu kết khối rắn chắc, không biến dạng và đạt được các tính chất cần thiết cho yêu cầu sử dụng.

Quá trình nung gốm là yếu tố quyết định các tính chất vật lý, cơ học, hóa học, cũng như kích thước và hình dạng của sản phẩm Trong quá trình này, các phản ứng nhiệt độ cao giữa các cấu tử trong nguyên liệu diễn ra, bao gồm kết khối, xuất hiện pha lỏng, hòa tan và tái kết tinh Về mặt hóa học, quá trình nung gốm liên quan đến phân hủy nhiệt của nguyên liệu, phản ứng hóa học giữa các cấu tử, phản ứng oxi hóa-khử với môi trường khí, biến đổi thù hình, hòa tan pha rắn trong pha lỏng và kết tinh trong pha lỏng Đặc điểm và ảnh hưởng của quá trình nung đến tính chất sản phẩm gốm thô sẽ được phân tích chi tiết trong mục 2.4.2 của nghiên cứu này.

Các loại hình lò nung cho gốm thô

Lò thủ công truyền thống

Lò thủ công truyền thống đã được sử dụng phổ biến ở Việt Nam từ lâu, thuộc loại hình công nghệ sản xuất đơn giản và lạc hậu nhất Các loại lò này bao gồm lò đứng đốt củi ở miền Nam Trung Bộ, lò bầu đốt trấu ở miền Tây Nam Bộ, và lò đứng đốt than ở miền Bắc và miền Trung Lò đứng thủ công đốt than tại Làng Cừa Nghệ An được dùng để sản xuất ngói, trong khi các lò bầu ở miền Tây Nam Bộ phục vụ cho việc nung gạch, gốm và gốm mỹ nghệ Với kết cấu đơn giản, dễ xây dựng và chi phí đầu tư thấp, lò thủ công vẫn giữ vai trò quan trọng trong ngành sản xuất tại Việt Nam.

Gạch mộc được phơi trên cáng thủ công không có mái che sau khi tạo hình Quá trình sấy, gia nhiệt, nung và làm nguội diễn ra độc lập trong buồng đốt, dẫn đến thời gian nung kéo dài và khả năng tận dụng nhiệt kém Công việc xếp gạch vào lò, nung và làm nguội diễn ra gián đoạn theo từng mẻ đốt, gây tiêu hao nhiên liệu nhiều và ô nhiễm môi trường Chất lượng gạch không đồng đều giữa các mẻ đốt và phụ thuộc vào kinh nghiệm của người đốt lò.

Tỷ lệ gạch phế phẩm cao lên tới 13% (trên 10%) ảnh hưởng đến hiệu quả sản xuất Suất tiêu hao năng lượng của lò thủ công giảm khi chuyển đổi nhiên liệu từ trấu sang củi và than, như thể hiện trong bảng 1.7 Tuy nhiên, năng suất lao động vẫn thấp và điều kiện lao động nặng nhọc do công việc xếp và dỡ sản phẩm khỏi lò.

Bảng 1.7 Đặc điểm sản xuất của một số loại lò thủ công truyền thống[14]

Loại hình Lò đứng đốt củi Lò đứng đốt than Lò bầu đốt trấu

Sản phẩm Gạch 4 lỗ, gạch thẻ, Gạch đặc, ngói,… Gạch 4 lỗ, gạch thẻ, gốm, gốm mỹ nghệ

(viên/mẻ) 60.000 – 70.000 100.000 – 500.000 10.000 – 30.000 Thời gian nung

Suất tiêu hao năng lượng

Hình 1.6 Cấu tạo lò một số loại lò thủ công truyền thống

Lò thủ công đã bị loại bỏ dần kể từ năm 2000, hiện chỉ còn lại một số ít và rải rác tại các khu vực vùng sâu, vùng xa, hoặc một vài cơ sở ở miền Tây Nam bộ.

Lò liên hoàn Vĩnh Long

Lò liên hoàn nung gạch gốm Vĩnh Long, được cải tiến từ lò bầu cổ truyền miền Tây Nam Bộ, sử dụng trấu làm nhiên liệu và kết nối nhiều buồng nung thành hệ thống liên hoàn Thiết kế của lò này bao gồm hai dãy, mỗi dãy có từ 8 đến 12 buồng nung, với mỗi buồng có cửa bên hông để xếp gạch mộc, đốt nhiên liệu và lấy gạch thành phẩm Các buồng được ngăn cách bởi vách ngăn xây gạch có khe thông, giúp điều khiển đường di chuyển của lửa và khí nóng.

Lò hoạt động theo nguyên lý liên hoàn, trong đó nhiệt và khói được dẫn từ buồng trước qua khe gạch của vách ngăn đến buồng tiếp theo Khi buồng đầu tiên đang nung, buồng thứ hai sẽ gia nhiệt và sấy cho các buồng sau, giúp tối ưu hóa việc tận dụng nhiệt thừa.

Hình 1.7 Cấu tạo lò liên hoàn Vĩnh Long

Lò vòng Hoffman

Lò vòng có dạng một hầm hình vành khăn khép kín, thông thường mỗi lò có

12 đến 36 buồng (hình 1.8) có: vòm lò; các cửa ra - vào sản phẩm ở bên cạnh hầm; hệ thống van khói và kênh khói ở trục tâm

Hình 1.8 Cấu tạo lò vòng Hoffman

Vật liệu nung được đặt cố định trên nền lò, trong khi ngọn lửa di chuyển liên tục xung quanh lò, tạo ra các vùng sấy, nung và làm nguội Không khí được làm nóng trước khi vào zôn nung để hỗ trợ quá trình cháy nhiên liệu Tại zôn nung, nhiên liệu được cấp vào và cháy cùng với không khí nóng, trong khi khói thải có nhiệt độ cao đi qua zôn tiền nung để gia nhiệt cho vật liệu Khi đạt nhiệt độ yêu cầu, zôn nung sẽ chuyển sang khoang tiếp theo Phương thức sản xuất của các loại lò này là liên tục, tuy nhiên chế độ nhiệt lại gián đoạn ở vùng nung, với chế độ nhiệt động của từng khoang tương tự như lò đứng thủ công hoặc lò đứng liên tục.

Lò gạch Hoffmann ở miền Bắc không có nóc, thay vào đó sử dụng đất hoặc bông gốm để che phủ trong quá trình nung gạch Trong khi đó, các lò vòng Hoffmann có nóc được áp dụng để sản xuất ngói tại miền Trung và miền Nam, đặc biệt là ở làng ngói Phú Phong.

Lò vòng Hoffman cải tiến hoạt động bằng hai đầu lửa, tạo ra hai khu vực riêng biệt trong kênh Mỗi khu vực bao gồm một zôn làm nguội và một zôn nung, giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất.

1 zôn tiền nung Hai đầu lửa này chạy đối xứng quanh lò

Lò vòng Hoffman cải tiến nổi bật với khả năng tận dụng nhiệt từ sản phẩm làm nguội, giúp nâng cao nhiệt độ không khí trước khi cháy nhiên liệu Nhờ vào việc sử dụng nhiệt từ khói thải để cung cấp cho sản phẩm ở zôn tiền nung, lò này có suất tiêu hao nhiệt thấp hơn nhiều so với lò gián đoạn Quá trình sản xuất bao gồm việc đưa một phần than cám vào đất sét khi trộn đều và ép viên, trong khi phần than cám còn lại được chuyển qua các lỗ trên mặt lò Ngoài ra, một số loại nhiên liệu như củi, trấu và các loại sinh khối khác cũng có thể được sử dụng thay thế.

Lò vòng Hoffman có nhược điểm lớn là không tận dụng triệt để nhiệt, do thiếu hệ thống trích không khí nóng từ quá trình làm nguội gạch Nhiệt độ gạch ra lò có thể lên tới 300°C nhưng không được thu hồi, gây tổn thất nhiệt từ gạch và cấu trúc lò Hơn nữa, lớp bông gốm cách nhiệt trên nóc lò dẫn đến thất thoát nhiệt đáng kể Lò này chỉ phù hợp với chế độ nung oxy hóa, làm cho việc duy trì môi trường khử trở nên khó khăn Để khắc phục, một số quốc gia đã cải tiến lò vòng thành lò liên phòng, giữ nguyên nguyên tắc hoạt động Tuy nhiên, do đặc điểm kết cấu, lò vòng yêu cầu diện tích xây dựng lớn.

Lò liên phòng

Lò liên phòng là một hệ thống lò được thiết kế với nhiều buồng liên thông, cho phép chế độ làm việc liên tục và chuyển đổi giữa các buồng nung Mỗi buồng bao gồm các thành phần như tường, vòm và nền, được kết nối thông qua hệ thống van và kênh dẫn Khói từ buồng này sẽ đi qua các lỗ ở mặt nền vào kênh khói ngầm, dẫn đến kênh thu hồi khói thải hoặc chuyển sang buồng tiếp theo Khi khói được dẫn sang buồng tiếp theo, van khói sẽ đóng lại và van liên buồng sẽ mở ra; ngược lại, nếu khói được dẫn vào kênh thu hồi, van liên buồng sẽ đóng và van khói của buồng đó sẽ được mở.

Sơ đồ nguyên lí hoạt động của lò được minh họa trong hình 1.10

Các buồng phía trước vùng nung là khu vực gia nhiệt, nơi nhiệt thừa từ vùng nung được sử dụng để làm nóng mộc Trước các buồng gia nhiệt là các buồng sấy, nơi nhiệt thừa được tận dụng để sấy mộc mới Phía sau vùng nung là khu vực làm nguội, nơi không khí tươi được đưa vào lò để làm nguội sản phẩm, đồng thời không khí này được làm nóng trước khi cấp vào các buồng nung, là vùng cháy chính của lò.

Lò nung liên phòng hoạt động theo nguyên lý liên tục, mang lại năng suất cao hơn so với lò nung gián đoạn Thiết kế của lò cho phép nung nhiều loại vật liệu khác nhau với các chế độ khác nhau như nhiệt độ, môi trường và thời gian nung, điều mà lò vòng không thể thực hiện Chẳng hạn, một buồng có thể nung ngói trong khi buồng khác lại nung gạch.

Lò vòng có nhược điểm chính là tiêu tốn nhiều năng lượng do nhiệt lượng từ vỏ lò không được sử dụng hiệu quả Bên cạnh đó, cấu trúc phức tạp của nền lò, bao gồm quá trình nung nóng và làm nguội, dẫn đến độ bền của lò không cao.

Lò liên tục kiểu đứng

Lò nung kiểu đứng đã được nghiên cứu và xây dựng tại Việt Nam từ năm 2001, với thiết kế hình hộp và tiết diện chữ nhật Gạch mộc được nạp vào từ phía trên và lấy ra ở đáy lò Trong buồng nung, gạch được xếp thành nhiều mẻ, được phân cách bằng lớp gạch tạo rãnh cho thanh sắt đỡ Quá trình lấy gạch ra được thực hiện nhờ hệ thống trục vít nâng hạ.

Trong quá trình vận hành, chế độ cháy trong buồng nung được điều chỉnh để giữ cho trung tâm cháy (vùng nung) ở giữa lò với nhiệt độ khoảng 900 °C Trên vùng nung có vùng gia nhiệt và tiếp theo là vùng sấy, trong khi khói từ vùng nung đi qua hai vùng này trước khi thải ra ngoài Dưới vùng nung là vùng làm nguội, nơi gạch sau khi nung được di chuyển xuống đáy lò và làm nguội từ từ Không khí lạnh được cấp vào từ đáy lò sẽ được làm nóng trước khi vào vùng nung.

Lò liên tục kiểu đứng hoạt động với nguyên lý tiết kiệm năng lượng, có suất tiêu hao chỉ khoảng 0,76–1,14 MJ/kg gạch nung, là mức thấp nhất trong các loại lò gạch hiện có Bên cạnh đó, chi phí đầu tư ban đầu cho loại lò này cũng ở mức vừa và nhỏ, mang lại lợi ích kinh tế cho người sử dụng.

Nhược điểm lớn nhất của quy trình sản xuất gốm thô là không thể tạo ra các sản phẩm chất lượng cao như ngói và gạch định hình, với tỷ lệ gạch hỏng có thể vượt quá 7% và tăng lên vài chục phần trăm nếu không tuân thủ kỹ thuật Hơn nữa, quy trình này chỉ cho phép sử dụng duy nhất than đá làm nhiên liệu.

Lò tuynel

Công nghệ sản xuất bằng lò tuynel là một công nghệ tiên tiến, trong đó lò nung tuynel được thiết kế dưới dạng một đường hầm dài với ba khu vực chính: gia nhiệt, nung và làm nguội Khu vực nung nằm ở giữa lò, nơi xe goòng chở sản phẩm nung di chuyển từ đầu đến cuối lò, lần lượt đi qua các zôn gia nhiệt, nung và làm nguội trước khi ra ngoài Mỗi zôn có cấu trúc và chế độ nhiệt riêng, cùng với chiều dài xác định, tạo nên quy trình sản xuất hiệu quả.

Ngược với chiều chuyển động của xe goòng, không khí được cấp vào cho quá trình cháy sẽ đi qua zôn làm nguội, nhận nhiệt và tiếp xúc với nhiên liệu ở nhiệt độ cao, từ đó đốt cháy nhiên liệu và sinh ra nhiệt năng cho quá trình kết khối Sau khi cháy, không khí chuyển thành khói và di chuyển về phía đầu lò dưới sức hút của quạt khói, làm nóng những goòng đang di chuyển đến khu vực nung Tại khu vực tiền gia nhiệt (nếu có), không khí nóng từ vùng làm nguội sẽ được sử dụng để làm nóng sản phẩm nung, đảm bảo rằng khói thải lò có lượng ẩm lớn không bị đọng sương trong sản phẩm nung mộc, tránh gây mất màu.

Hình 1.12 Nguyên lí hoạt động lò Tuynel

Trong quá trình nung, nhiệt lượng dư thừa có thể được tận dụng để sấy trong hầm sấy Tuynel Do đặc điểm cấu trúc sản phẩm nung, quá trình làm nguội cần diễn ra từ từ, dẫn đến việc lượng không khí cần cho làm nguội thường lớn hơn nhiều so với lượng không khí cần cho quá trình cháy nhiên liệu Vì vậy, việc sử dụng không khí nóng cho nhiệm vụ sấy mang lại hiệu quả cao hơn so với việc sử dụng khói thải từ lò nung.

Lò nung sấy Tuynel có quy mô công suất lớn và chế độ vận hành liên tục, hiện chiếm khoảng 60% - 65% tổng sản lượng gạch đất sét nung tại Việt Nam Hệ thống này cho phép điều chỉnh nhiệt độ nung linh hoạt thông qua việc tăng giảm lượng than, đồng thời tận dụng tối đa nhiệt lượng nhờ có hầm sấy liên hợp Với mức độ cơ giới hóa cao và năng suất vượt trội, lò Tuynel còn có khả năng tích hợp hệ thống robot xếp gạch, phù hợp cho việc nung đa dạng các sản phẩm gốm xây dựng như gạch ngói, gạch ốp lát, gạch thẻ, đặc biệt là các sản phẩm có độ rỗng từ 16% - 60% tại các nhà máy như Cầu xây, Giếng Đáy.

Lò tuynel có nhược điểm là kết cấu xe goòng nặng, dẫn đến tổn thất nhiệt lớn do nhiệt dư thừa trong cấu trúc Khi xe gòng gặp sự cố hỏng bánh xe trong hầm tuynel, quá trình sản xuất sẽ bị gián đoạn Chi phí đầu tư ban đầu cao do cấu trúc lò và hệ thống thiết bị phức tạp Ngoài ra, trong lò tuynel cũng xảy ra hiện tượng phân lớp dòng khí, gây ra sự chênh lệch.

19 lệch nhiệt độ lớn theo chiều cao lò, làm giảm sự đồng đều của sản phẩm và gây ra các khuyết tật[15].

Lò tuynel di động

Sự phát triển của công nghệ đùn ép và hệ thống robot xếp gạch đã dẫn đến sự ra đời của lò tuynel di động, được thiết kế theo hình vòng cung trên ray có khả năng di chuyển Hệ thống ray được lắp đặt thành vòng tròn, cho phép lò tuynel hoạt động liên tục trong quá trình cháy Cấu trúc lò được chia thành các zôn: zôn sấy, zôn nung và zôn làm nguội, di chuyển theo tiến trình của xe gòong Lò tuynel di động giúp giảm tỷ lệ sản phẩm lỗi nhờ vào việc giữ sản phẩm ở trạng thái tĩnh trong suốt quá trình nung Quy trình xếp sản phẩm tự động bằng robot đảm bảo kích thước đồng đều và chất lượng nung cao Hệ thống lò nung và thiết bị phụ trợ được tự động hóa cao, mang lại tính ổn định và giảm thiểu lao động.

Hệ thống di chuyển của lò có nhược điểm lớn do trọng lượng nặng và cấu trúc phức tạp, dễ dẫn đến trục trặc và cần bảo trì thường xuyên Ngoài ra, việc chế tạo lò với công suất nhỏ gặp khó khăn, đòi hỏi diện tích mặt bằng lớn và chi phí đầu tư ban đầu rất cao.

Hình 1.14 Cấu tạo lò tuynel di động

LỰA CHỌN MÔ HÌNH LÒ NUNG

Giới thiệu chung về doanh nghiệp

Công ty Cổ phần cơ khí và xây dựng Phú Kim An, tọa lạc tại Xã Phú Nham, Huyện Phù Ninh, Phú Thọ, chuyên sản xuất gạch thô với công nghệ lò gạch liên tục kiểu đứng VSBK và chế tạo các dây chuyền đùn ép gạch Chủ doanh nghiệp, với nhiều năm kinh nghiệm trong chuyển giao công nghệ lò gạch, đang hướng tới việc phát triển mô hình lò nung mới để chuyển đổi sản phẩm sang ngói và gạch nem tách có giá trị cao hơn Dựa trên nhu cầu thị trường và tiềm lực sản xuất, doanh nghiệp dự định xây dựng lò nung với công suất 80 tấn sản phẩm/ngày.

Lựa chọn mô hình lò nung

Qua khảo sát doanh nghiệp về nhu cầu xây dựng lò nung sản xuất gốm thô, với sản phẩm chính là gạch và khả năng chuyển đổi sang các sản phẩm có giá trị kinh tế cao hơn như ngói và gạch nem, bài viết nghiên cứu tổng quan các loại hình công nghệ lò nung gốm tại Việt Nam và thế giới Đánh giá ưu, nhược điểm của từng loại hình, đề xuất thiết kế lò nung liên phòng có công suất 80 tấn sản phẩm/ngày, sử dụng nhiên liệu chính là than antraxit để sản xuất gạch đặc, từ đó lấy gạch làm cơ sở tính toán.

Lý do lựa chọn loại hình lò nung liên phòng đáp ứng được các yêu cầu:

Doanh nghiệp hiện nay đang tìm cách chuyển đổi sản phẩm sang các loại vật liệu xây dựng như ngói và gạch định hình, với yêu cầu điều chỉnh nhiệt độ chính xác hơn Điều này không chỉ giúp tăng cường sự đa dạng sản phẩm mà còn nâng cao năng lực cạnh tranh trên thị trường.

Lò nung liên phòng cung cấp khả năng tiếp nhiệt hiệu quả tại buồng đốt phụ, phù hợp cho việc nung gốm thô như ngói Việc không thể trộn than vào đất trước khi nung và xếp lẫn nhiều loại nhiên liệu với sản phẩm trong quá trình nung có thể gây hư hại cho sản phẩm.

Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ đơn giản được thiết kế phù hợp với trình độ lao động tại các khu vực vùng sâu vùng xa, giúp giải quyết vấn đề thiếu hụt lao động có trình độ cao Giải pháp này cho phép vận hành lò một cách ổn định, tương tự như các lò tuynel hiện đại.

Lò nung liên phòng kế thừa tính liên tục của lò vòng Hoffmann, mang lại công suất cao hơn so với lò gián đoạn Đồng thời, lò này còn cho phép điều chỉnh công suất linh hoạt theo nhu cầu của doanh nghiệp.

Lò vòng Hoffman tiết kiệm năng lượng hơn nhờ vào việc thu hồi và tận dụng nguồn không khí nóng trong quá trình làm nguội sản phẩm để sấy mộc Mặc dù phương pháp này đã được áp dụng cho lò tuynel, nhưng vẫn chưa được triển khai cho lò vòng Hoffman và lò liên phòng thông thường.

Tận dụng nguồn nhiên liệu sẵn có và giá rẻ tại địa phương như tro xỉ nhiệt điện, than chất lượng kém, củi và phế phẩm sinh học, giúp đảm bảo nguyên liệu ổn định cho nhà máy Điều này không chỉ giúp nhà máy hoạt động liên tục mà còn duy trì sản xuất ổn định, tránh gián đoạn.

- Vốn đầu tư phù hợp với các doanh nghiệp vừa và nhỏ, chi phí đầu tư ban đầu thấp hơn so với lò tuynel có cùng công suất.

Nguyên lí hoạt động và cấu tạo lò nung liên phòng

Lò nung được thiết kế với nhiều buồng đốt nối tiếp nhau trong một vòng kín, cho phép quá trình nung chính diễn ra ở nhiệt độ cao hiệu quả.

Trong quá trình hoạt động của lò nung liên phòng, có hai buồng được gọi là vùng nung, phía trước là vùng gia nhiệt, nơi nhiệt thừa từ vùng nung được sử dụng để gia nhiệt cho mộc Tiếp theo là các buồng sấy, nơi nhiệt thừa từ buồng gia nhiệt được dùng để sấy sản phẩm mới Phía sau vùng nung là vùng làm nguội, nơi không khí tươi được đưa vào để làm nguội sản phẩm, đồng thời không khí này cũng được làm nóng trước khi cấp cho các buồng nung Lửa trong vùng nung di chuyển liên tục giữa các buồng, tạo nên một quy trình sản xuất liên tục Hình 2.1 minh họa nguyên lý hoạt động của lò nung liên phòng.

Hình 2.1 Nguyên lí hoạt động lò nung liên phòng

Công nghệ lò nung liên phòng dựa trên nguyên lý liên tục của lò Hoffman và một số loại lò gạch như lò 4 buồng của Thái Lan và lò liên hoàn nhiều buồng đốt tại Vĩnh Long Tuy nhiên, các lò gạch này có nhược điểm là chưa tận dụng được không khí nóng từ quá trình làm nguội để phục vụ cho việc sấy gạch Việc sử dụng không khí nóng từ quá trình làm nguội sẽ giúp cải thiện hiệu quả sấy mộc.

Tiền gia nhiệt đã được áp dụng hiệu quả cho lò tuynel từ lâu, mang lại lợi ích về mặt năng lượng, nhưng vẫn chưa được triển khai cho lò vòng và lò liên phòng thông thường.

Việc phân chia lò thành nhiều buồng riêng biệt tạo ra môi trường nung độc lập, giúp dễ dàng điều chỉnh chế độ nung mà không ảnh hưởng đến các buồng khác Điều này cho phép lò đồng thời nung nhiều loại sản phẩm khác nhau Tuy nhiên, như đã đề cập, lò Hoffman chỉ phù hợp với chế độ nung oxy hóa, gây khó khăn trong việc duy trì môi trường khử Để khắc phục, một số quốc gia đã cải tiến lò Hoffman thành lò liên phòng Tương tự, các loại lò khác cũng gặp hạn chế trong khả năng điều chỉnh chế độ nung cho nhiều sản phẩm khác nhau.

Lò nung được trang bị buồng đốt phụ bên cạnh mỗi buồng nung, cho phép tiếp thêm nhiên liệu để điều chỉnh nhiệt độ chính xác trong quá trình nung Cải tiến này không chỉ giúp việc hiệu chỉnh nhiệt độ trở nên thuận tiện hơn mà còn giảm thiểu việc đưa nhiên liệu trực tiếp vào sản phẩm, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm nung.

Tại buồng đốt phụ, nhiên liệu cháy trên ghi nghiêng, và khói từ quá trình này được dẫn vào buồng nung để cung cấp nhiệt, đặc biệt khi nhiệt độ buồng nung chưa đạt yêu cầu Nhiên liệu được cấp từ trên nóc lò qua 5 cửa, có thể thực hiện thủ công hoặc tự động Không khí cho quá trình cháy được cung cấp từ buồng làm nguội qua các răng lửa, và đã được làm nóng một phần nhờ nhiệt từ quá trình làm nguội gạch.

Lò nung liên phòng được cấu tạo gồm 2 dãy với nhiều buồng lò liên thông, trong đó buồng lò bao gồm tường, nóc và nền, với kích thước và số lượng phụ thuộc vào công suất thiết kế Các buồng được kết nối qua buồng đốt phụ, nơi có răng lửa, lỗ bổ sung nhiên liệu, và cửa thu hồi khói, không khí nóng Răng lửa cho phép khói và khí nóng di chuyển giữa các buồng tùy thuộc vào trạng thái nung, trong khi lửa trong lò theo dạng đảo, tức là lửa đi lên và sau đó quay xuống nền Lỗ bổ sung nhiên liệu trên nóc lò giúp kiểm soát nhiệt độ cháy và hỗ trợ chuyển tiếp ngọn lửa giữa các buồng khi gạch chuyển từ gia nhiệt sang nung.

Kênh thu hồi khói thải được đặt ở mặt đất, chạy dọc theo toàn bộ chiều dài của lò và kết nối với từng buồng lò thông qua hệ thống van, nhằm tối ưu hóa quá trình thu hồi khí thải.

24 giảm tổn thất nhiệt do tỏa nhiệt qua kết cấu lò và giảm tổn thất áp suất dòng khí

Lưu lượng khói tại kênh thu hồi được điều chỉnh thông qua độ mở van khói thải của từng buồng Quạt hút khói đảm nhận vai trò hút khói thải và duy trì áp suất âm trong buồng nung.

Kênh thu hồi khí nóng nằm trên kênh thu hồi khói thải dọc theo chiều dài lò, kết nối với từng buồng lò qua hệ thống van Không khí tươi đi qua buồng làm nguội để làm nguội gạch, trong đó một phần không khí nóng được sử dụng cho quá trình cháy trong buồng nung, và phần còn lại được dùng để sấy gạch mộc trong buồng sấy với sự hỗ trợ của quạt tuần hoàn Lưu lượng không khí nóng được điều chỉnh qua độ mở van thu hồi khí nóng và van xả khí nóng, trong khi không khí nóng sau khi sấy được xả vào kênh thu hồi khói thải.

Cửa đốt khởi động được đặt ở hai đầu của lò nung, đóng vai trò quan trọng trong việc xếp nhiên liệu cháy để khởi động lò Sau khi khởi động một lần, lò sẽ hoạt động liên tục trong suốt quá trình sản xuất.

Hình 2.2 Cấu tạo lò nung liên phòng

Nhiên liệu

Trong giai đoạn nung, quá trình cháy nhiên liệu tạo ra nhiệt độ cần thiết để sản phẩm đạt được nhiệt kết khối, từ đó đảm bảo các tính chất cơ lý quan trọng cho sản phẩm.

Lò nung liên phòng tại doanh nghiệp Phú Kim An sử dụng than antraxit làm nhiên liệu chính, kết hợp với các loại nhiên liệu phụ trợ như củi, mùn cưa, vỏ cây và viên nén, tùy thuộc vào điều kiện thời vụ và địa phương Bảng 2.1 và 2.2 cung cấp thông tin chi tiết về thành phần công nghệ và thành phần hóa học của than antraxit được sử dụng.

Bảng 2.1 Thành phần công nghệ của than

TT Thành phần Ký hiệu Đơn vị Giá trị

Bảng 2.2 Thành phần hóa học của than

STT Thành phần Đơn vị Giá trị

Nhiên liệu cho quá trình nung được chia thành ba phần:

- Than trộn là than được trộn vào đất sét trong công đoạn gia công và phối liệu sau đó tạo hình

Than bánh là hỗn hợp than và bùn được ép thành những bánh nhỏ hình chữ nhật, dẹt Phần lớn than bánh được sử dụng làm nhiên liệu chính trong quá trình nung, trong khi một phần khác được dùng trong buồng đốt phụ để hỗ trợ việc chuyển lửa từ khoang nung sang khoang gia nhiệt.

Than cùng với một số nhiên liệu phụ trợ khác được cung cấp từ trên nóc lò vào buồng đốt phụ, nhằm điều chỉnh nhiệt độ cháy trong quá trình nung.

Đặc tính nhiệt của lò nung và các yếu tố ảnh hưởng

Chế độ sấy là tập hợp các biện pháp tối ưu hóa thời gian sấy sản phẩm, phụ thuộc vào tính chất, hình dạng và kích thước của sản phẩm cũng như đặc điểm của thiết bị sấy Quá trình này cần đảm bảo cung cấp nhiệt hợp lý với tổn thất nhiệt tối thiểu và hạn chế hư hỏng sản phẩm Nghiên cứu của Mačiulaitis và cộng sự đã xác định ảnh hưởng của quá trình sấy đến các tính chất cơ lý của gốm thông qua thực nghiệm.

Quá trình sấy được đặc trung bằng ba giai đoạn (hình 2.3): giai đoạn nâng nhiệt, giai đoạn tốc độ sấy không đổi và giai đoạn giảm tốc độ sấy

- Giai đoạn nâng nhiệt: sản phẩm được gia nhiệt đến một nhiệt độ nhất định và nước bắt đầu bốc hơi

- Giai đoạn tốc độ sấy không đổi, tốc độ sấy về trị số bằng tốc độ bốc hơi ẩm trên bề mặt của bán thành phẩm

Giai đoạn giảm tốc độ sấy và sự gia tăng nhiệt độ của bán thành phẩm là rất quan trọng Cường độ tách ẩm trong giai đoạn này tỉ lệ thuận với độ ẩm trung bình của vật liệu, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm cuối cùng.

Mộc được sấy ở nhiệt độ từ 20 đến 35 độ C với độ ẩm khoảng 20% cho phương pháp tạo hình dẻo và 4-7% cho phương pháp tạo hình bán khô Thời gian sấy trong các thiết bị sấy buồng dao động từ 25 đến 70 giờ, trong khi lò sấy tuynel chỉ mất dưới 36 giờ, tùy thuộc vào độ ẩm của mộc trước khi sấy.

Hình 2.3 Biến đổi độ ẩm, nhiệt độ và tốc độ sấy qua các giai đoạn [1]

Nhiệt độ không khí nóng thu hồi từ buồng làm mát trong quá trình nung gạch trong lò tuynel dao động từ 180 đến 200 độ C Để điều chỉnh nhiệt độ không khí sấy đạt 170 độ C, cần hòa trộn dòng không khí nóng với một phần không khí ngoài trời.

Để tránh hình thành vết nứt, chênh lệch nhiệt độ giữa gạch mộc và không khí sấy khô không nên vượt quá 150 °C, theo nghiên cứu của Telljohann và cộng sự.

Chế độ nung bao gồm các khái niệm nhiệt độ nung, tốc độ nung, thời gian nung và môi trường nung

Nhiệt độ nung là mức nhiệt tối đa cần thiết để đảm bảo quá trình phản ứng và kết khối đạt yêu cầu mà không làm sản phẩm bị biến dạng Việc xác định nhiệt độ nung cần được thực hiện thông qua các thí nghiệm Chỉ số này rất quan trọng để đánh giá chất lượng sản phẩm.

27 lượng nung [24-26][38][39] xác định mức kết khối thường là độ co, độ xốp, độ hút nước và khả năng chống băng giá đối với ngói [39][40]

Nhiệt độ nung cho gạch và ngói gốm thô dao động từ 900 đến 1055 o C, với 900-1050 o C là mức tối ưu cho gạch và 990-1055 o C cho ngói Thời gian nung, bao gồm toàn bộ quá trình từ khi bắt đầu nâng nhiệt đến khi hoàn thành sản phẩm, có thể kéo dài từ vài giờ đến nhiều ngày Để tối ưu hóa hiệu quả kinh tế, việc rút ngắn chu kỳ nung là cần thiết nhằm tiết kiệm năng lượng và tăng năng suất Tuy nhiên, các yếu tố kỹ thuật như thời gian biến đổi hóa lý, độ bền của vật nung và cấu trúc lò nung giới hạn tốc độ nung, do đó cần điều chỉnh tốc độ tăng hoặc giảm nhiệt độ một cách hợp lý.

Môi trường nung trong lò gốm cần được điều chỉnh tùy theo yêu cầu kĩ thuật, có thể là môi trường oxy hóa, khử hoặc trung tính Đường cong nung thể hiện sự biến đổi nhiệt độ trong lò theo thời gian, bao gồm nhiệt độ nung, thời gian lưu và vận tốc biến thiên nhiệt độ Ví dụ, Hình 2.4 minh họa đường cong nung của một số loại gạch trong lò Hoffman.

Trong giai đoạn gia nhiệt (mộc được đốt nóng bằng khí khói thải đến nhiệt độ 400ൊ500 o C) nhiệt độ được nâng nhanh Thời gian của giai đoạn này 10ൊ ͳ4 giờ

Trong giai nung từ 900ൊ1055 o C Tốc độ nâng nhiệt độ là 30ൊ35 o C trong 1 giờ Thời gian của giai đoạn này là 10ൊ12 giờ, bao gồm thời gian hằng nhiệt 3ൊ5 giờ

Trong giai đoạn làm nguội sản phẩm, cần giảm nhiệt độ chậm (khoảng 30 oC/h) từ 550 đến 500 oC mà không lấy nhiệt ra khỏi lò để tránh nội ứng suất và nứt vỡ sản phẩm Các vết nứt thường xuất hiện trong khoảng nhiệt độ 600 đến 400 oC do sự biến đổi hình thù của quắc tại 573 oC.

Hình 2.4 Đường cong nung một số loại gạch trong lò Hoffman

Quá trình làm nguội từ 300 oC đến 40-50 oC được thực hiện nhanh chóng bằng cách cung cấp không khí lạnh từ môi trường, với chênh lệch nhiệt độ cho phép lên tới 120-150 oC/h Do cấu trúc sản phẩm nung, quá trình làm nguội cần diễn ra từ từ, đòi hỏi lượng không khí lớn hơn nhiều so với lượng cần cho quá trình cháy nhiên liệu Việc sử dụng không khí nóng cho sấy mang lại hiệu quả cao hơn so với việc sử dụng khói thải từ lò nung Thời gian cho giai đoạn làm nguội này kéo dài từ 24 đến 40 giờ.

Tối ưu hóa lượng không khí làm mát trong quá trình làm nguội gạch đạt tỷ lệ 5,92 kg không khí/kg gạch tiêu chuẩn và 6,2 kg không khí/kg ngói nung có thể tiết kiệm tới 25% tổng năng lượng đầu vào, theo nghiên cứu của Kaya và Ferrer cùng cộng sự.

2.5.3 Lựa chọn đặc tính nhiệt cho lò nung liên phòng

Dựa trên nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về các loại lò nung gốm thô, bài viết lựa chọn các thông số nhiệt cơ bản cho quá trình nung gạch đặc, là sản phẩm chính cho việc tính toán lò nung liên phòng, được trình bày trong bảng 2.3.

Bảng 2.3 Thông số đặc tính nhiệt cơ bản lò nung liên phòng

Số buồng lò Nguồn nhiệt

Sấy 30ൊ120 16 2 Không khí nóng (170 o C) trích từ buồng làm nguội

Gia nhiệt 120ൊ550 16 1 Khói từ quá trình cháy từ buồng nung

Nung 550ൊ950 16 1 Quá trình cháy nhiên liệu than

Làm nguội 900ൊ50 48 3 Không khí ngoài trời

Trong một hàng lò nung, tổng số buồng hoạt động đồng thời là 7 buồng, cộng với 1 buồng trống để công nhân xếp gạch vào lò, tạo thành tổng số buồng n = 8 Lò nung được cấu tạo với hai dãy buồng song song, tức là m = 2, do đó tổng số buồng nung trong lò là N = m × n = 2 × 8 = 16 buồng Đường cong nung sản phẩm gạch đặc được thể hiện tại một buồng trong lò nung liên phòng.

Hình 2.5 Đườ ng cong nu ng lò nung liên phòng Ϭ ϮϬϬ ϰϬϬ ϲϬϬ ϴϬϬ ϭϬϬϬ ϭϮϬϬ Ϭ Ϯ Ϭ ϰ Ϭ ϲ Ϭ ϴ Ϭ ϭϬϬ ϭϮϬ ϭϰϬ

EŚŝҵƚ ĜҾ dŚӁ ŝŐ ŝĂ Ŷ ӇӁŶŐ ĐŽŶŐŶƵŶŐ EŚŝҵƚ ĜҾ

TÍNH NHIỆT LÒ NUNG LIÊN PHÒNG SẢN XUẤT GỐM THÔ XÂY DỰNG CÔNG SUẤT 80 TẤN SẢN PHẨM/ NGÀY

Tính nhiệt trị thấp của nhiên liệu

Nhiệt trị thấp của nhiên liệu rắn (than antraxit) được xác định bằng công thức sau [20]:

Q lv t = 81C lv + 246H lv – 26(O lv – S lv ) -6W lv , kCal/kg PT 3.1

Chọn hệ số không khí thừa

Khi cháy than antraxit hoặc than bùn trong lò vòng, hệ số không khí thừa trong zôn nung dao động từ 1,5 đến 2,5 Trong trường hợp không khí hút vào lò hoặc không khí lọt qua khe hở, hệ số không khí thừa có thể tăng lên đến 4,0 đến 5,0.

Lựa chọn hệ số không khí thừa tại zôn nung lò liên phòng ן= 2,0; hệ số không khí thừa do không khí lọt ן ୩ = 4,0

Tính thể tích không khí lý thuyết và thể tích sản phẩm cháy

Lượng không khí khô lý thuyết cần thiết cho quá trình cháy là [20]:

L0 = 0,0889C lv + 0,256H lv - 0,0333(O lv - S lv ), m 3 tc/kg PT 3.2

Lượng không khí thực tế cho quá trình cháy được tính bằng công thức: ן = ןL0, với L0 = 0,0889ϊ52,75 + 0,256ϊ3,1 - 0,0333(6,2 - 0,65) = 5,2983 m³ tc/kg Từ đó, ta có ן = 2,0ϊ5,2983 = 10,5965 m³ tc/kg Thể tích lý thuyết của khí ba nguyên tử RO2, bao gồm CO2 và SO2, cũng được đề cập trong nghiên cứu.

VRO2 = 0,01866C lv + 0,007S lv , m 3 tc/kg PT 3.4

Thể tích lí thuyết khí H2O [20]:

VH2O = 0,112H lv +0,0124W lv +0,0161ൈ0,016L0, m 3 tc/kg PT 3.5

Thể tích lí thuyết khí N2 [20]:

VN2 = 0,79L0 + 0,008N lv , m 3 tc/kg PT 3.6

Thể tích sản phẩm cháy lý thuyết từ 1kg nhiên liệu được tính bằng công thức: ᾶ = VRO2 + VH2O + VN2, cho kết quả là 5,6369 m³ tc/kg Trong khi đó, thể tích sản phẩm cháy thực tế cho 1kg nhiên liệu là ᾶ = V0 + (ᾶ-1)L0, dẫn đến giá trị 10,9352 m³ tc/kg Ngoài ra, lưu lượng khói thải tổng trong một đơn vị thời gian cũng cần được xem xét để đánh giá hiệu quả của quá trình cháy.

B là lượng nhiên liệu tiêu hao trong một giờ (kg/h)

Lưu lượng khói thải thực tế vào thiết bị hút khói (ống khói, quạt gió) tăng lên do không khí lọt vào lò qua khe hở là [20]:

Vktt = B[5,6369+(4-1)ൈ5,2983]= 21,53B m 3 tc/h Các kết quả tính toán chi tiết được trình bày trong Phụ lục 1.

Tính nhiệt độ cháy của nhiên liệu

Nhiệt độ cháy lý thuyết là nhiệt độ của sản phẩm cháy khi toàn bộ nhiệt sinh ra từ quá trình cháy nhiên liệu được tập trung để nâng nhiệt cho sản phẩm cháy mà không có tổn thất nhiệt Công thức tính nhiệt độ cháy lý thuyết được biểu diễn như sau: tlt = (t2 - t1) + t1, với tlt là nhiệt độ cháy lý thuyết tính bằng độ C.

Trong đó: i1, i2: Entanpi của sản phẩm cháy ứng với nhiệt độ t1, t2 (kJ/m 3 tc) i∑: Entanpi của sản phẩm cháy ứng với nhiệt độ tlt (kJ/m 3 tc)

Entanpy của nhiên liệu khi vào quá trình cháy đạt 644,6 kJ/kg tại nhiệt độ 550 oC Để tính toán entanpy của không khí, cần tham khảo bảng dữ liệu tương ứng ở nhiệt độ 550 oC.

[41], ikk = 742,1 kJ/m 3 tc i∑ = ଶ଴ଶ଻଺ǡ଼଼ ଵ଴ǡଽଷହଶ + ଺ସସǡ଺ ଵ଴ǡଽଷହଶ + ଻ସଶǡଵ୶ଵ଴ǡହଽ଺ହ ଵ଴ǡଽଷହଶ = 2632,34 kJ/kg PT 3.12 Giả thiết nhiệt độ cháy lý thuyết của nhiên liệu là tlt: t1 < tlt < t2 i1 < i∑ < i2

Để tính entanpy của sản phẩm cháy tại nhiệt độ t1 = 1300 o C và t2 = 1400 o C, cần xác định entanpy của các khí thành phần tương ứng với hai nhiệt độ này Theo bảng 3.1, nhiệt hàm của các khí thành phần tại t1 và t2 đã được cung cấp.

Bảng 3.1 Entanpy của các khí thành phần [41]

Nhiệt độ o C ୖ୓ଶ , kJ/m 3 tc ୌ మ ୓ , kJ/m 3 tc ୒ଶ , kJ/m 3 tc

Tính it [42]: it = 0,01( ୖ୓ଶ Ψ ୖ୓ଶ + ୌ మ ୓ Ψ ୌ మ ୓ + ୒ଶ Ψ ୒ଶ ) PT 3.13 i1 = i1300 = 0,01(3503,10ൈ Ͳǡͻͺͺͻ ͷǡ͸͵͸ͻ +2779,05ൈ ͲǡͶ͸ͲͲ ͷǡ͸͵͸ͻ +2166,00ൈ ͶǡͳͺͺͲ ͷǡ͸͵͸ͻ ) i1 = 2450,59 kJ/m 3 tc i2 = i1400 = 0,01(3768,80ൈ Ͳǡͻͺͺͻ ͷǡ͸͵͸ͻ +3001,76ൈ ͲǡͶ͸ͲͲ ͷǡ͸͵͸ͻ +2324,48ൈ ͶǡͳͺͺͲ ͷǡ͸͵͸ͻ ) i2 = 2633,13 kJ/m 3 tc

Nhận xét: i1 < i∑ < i2, vậy giá trị ta đã chọn là thỏa mãn

Tính nhiệt độ cháy lí thuyết tlt: tlt = ଶ଺ଷଶǡଷସିଶସହ଴ǡହଽ ଶ଺ଷଷǡଵଷିଶସହ଴ǡହଽ ൈ (1600 - 1500) + 1500 = 1600 o C PT 3.12

Nhiệt độ cháy thực tế trung bình trong zôn nung được tính bằng công thức ttt = tc ᢡP, với tc = 1600 o C và ᢡP = 0,68 Kết quả cho thấy nhiệt độ cháy thực tế trung bình là 1088 o C Hệ số pyromet ᢡP phụ thuộc vào dạng nhiên liệu và kết cấu lò, và trong trường hợp này, ᢡP được chọn là 0,68.

Các kết quả tính toán chi tiết được trình bày trong Phụ lục 2.

Tính nhiệt quá trình sấy

Động lực sấy của quá trình sấy mộc là không khí nóng lấy từ zôn làm nguội của lò nung liên phòng

Khối lượng sản phẩm ẩm vào buồng sấy, đối với phương pháp tạo hình dẻo, độ ẩm mộc ban đầu là ɘ ௗ = 20% là:

Trong đó: P là Khối lượng sản phẩm sản xuất trung bình trong một giờ (kg/h),

Khối lượng sản phẩm khô sau quá trình sấy đến độ ẩm cuối khi chuyển sang chế độ gia nhiệt là ɘ ௖ = 1% là:

Pk = ଵ଴଴ൈଷଷଷଷǡଷ ଵ଴଴ିଵ = 3367 kg/h Khối lượng ẩm bốc hơi trong một giờ trong quá trình sấy là: n = Pa ன ౚ ିன ౙ ଵ଴଴ିன ౙ , kg/h PT 3.18 n= 4167ൈ ଶ଴ିଵ ଵ଴଴ିଵ = 800 kg/h

Nhiệt độ không khí ngoài trời là 25°C với độ ẩm tương đối 80%, hàm ẩm là 16g/g không khí khô, và entanpy là 65 kJ/kg không khí khô Khi không khí này được đưa vào quá trình làm nguội, nó được đốt nóng đến 170°C mà hàm ẩm không thay đổi Theo biểu đồ I-d không khí, entanpy của không khí nóng được xác định là 215 kJ/kg không khí khô.

Giao điểm của đường thẳng id = const và độ ẩm tương đối ߮ = 80% ta xác định được hàm ẩm d2 = 64 g/g kk khô, tha = 48 o C

Lượng không khí lý thuyết cần thiết cho quá trình sấy được tính toán là mkk = 16667 kg kk khô/h, trong đó PT 3.19 là yếu tố quan trọng Ngoài ra, thể tích không khí thoát ra khỏi buồng sấy ở nhiệt độ 48 oC cũng cần được xem xét để đảm bảo hiệu quả trong quá trình sấy.

Vha = ቂ ሺଵା଴ǡ଴଴ଵ ൈ ଵ଺ሻଵ଺଺଺଻ ଵǤ଴ଽ଻ ൅ ଼଴଴ ଶସǡଶଽ ቃ = 15469 m 3 /h Khối lượng không khí ra khỏi buồng sấy ở nhiệt độ tha = 48 o C là: mha = ߩ ୦ୟ ൈVha, kg/h PT 3.21 mha = 1,097 ൈ 15469 = 16969 kg/h

Hình 3.1 Đồ th ị I-d khôn g khí

Tiêu hao nhiệt cho quá trình bốc hơi ẩm là:

Qa = mkk (id – ikk) – 4,2ntvl = kJ/h PT 3.22

Với 4,2ntvl là lượng nhiệt (kJ/h) mang vào buồng sấy với lượng hơi ẩm vật liệu (kg/h) ở nhiệt độ tvl = 25 o C và nhiệt dung riêng 4,2kJ/kg

Tiêu hao nhiệt để làm nóng mộc từ nhiệt độ môi trường ta = 25 o C lên đến nhiệt độ kết thúc quá trình sấy là ts = 120 o C

Qh = Pൈcpg (ts – ta) PT 3.23

Qh = 3333,3 ൈ0,921 ൈ(120 - 25) = 291650 kJ/h Tổng tiêu hao nhiệt cho quá trình sấy là:

Qs = Qa + Qh, kJ/h PT 3.24

Trong trường hợp này, chưa tính đến tổn thất nhiệt do bốc hơi ẩm, làm nóng nhiên liệu và tổn thất nhiệt phát sinh từ việc tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh qua cấu trúc lò.

Tính toán cân bằng nhiệt

Mục đích của việc tính toán cân bằng nhiệt cho lò nung là xác định lượng nhiệt tiêu hao cho mỗi đơn vị sản phẩm theo kJ/kg hoặc trong một khoảng thời gian nhất định theo kJ/h Cân bằng nhiệt lò nung bao gồm hai thành phần chính: nhiệt đầu vào (nhiệt cung cấp) và nhiệt tổn thất (nhiệt tiêu tốn).

Nhiệt năng được tạo ra do quá trình đốt cháy nhiên liệu (than đá) trong lò

Do không khí không được làm nóng trước khi vào lò, năng lượng mà không khí mang vào gần như không đáng kể, vì vậy có thể coi lượng năng lượng này xấp xỉ bằng 0.

Năng lượng nhiệt đưa vào lò trung bình trong một giờ sẽ là:

Qdv= Bൈ 20276,88 kJ/h Suất tiêu hao năng lượng SEC cho 1 kg gạch thành phẩm sẽ là:

3.6.2 Tổn thất nhiệt do bốc hơi nước trong gạch mộc

Những viên gạch mộc đưa vào quá trình sấy vẫn còn ẩm Năng lượng cần thiết để làm bay hơi toàn bộ lượng ẩm này được tính như sau:

Nhiệt ẩn hóa hơi của nước ở áp suất trong buồng sấy khoảng 0,01 bar được xác định là r = 2484 kJ/kg Khối lượng ẩm bốc hơi trung bình trong một giờ, ký hiệu là ୟ, được tính bằng công thức ୟ = ୥ ൈ ɘ ୢ, với kết quả là ୟ = 833,33 kg/h.

Pg: là Khối lượng sản phẩm vào lò nung trung bình trong một giờ (kg/h)

3.6.3 Tổn thất nhiệt do khói thải

Khói thoát ra từ lò có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ môi trường xung quanh, gây ra tổn thất nhiệt đáng kể ra bên ngoài Tổn thất nhiệt từ khói thải có thể được tính toán một cách chính xác để đánh giá hiệu quả năng lượng.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ tính toán lưu lượng khối lượng khói thải ở điều kiện thực tế với giá trị nhiệt dung riêng của khói thải là 1,061 kJ/kg °C và khối lượng riêng là 0,8425 kg/m³ Dựa vào công thức mf = ɏf × 3.30, ta có mf = 0,8425 × 21,53B, dẫn đến kết quả lưu lượng khối lượng khói thải là 18,14B kg/h.

3.6.4 Tổn thất nhiệt do không khí nóng thoát ra từ buồng sấy

Tổn thất nhiệt do khí nóng thoát ra khỏi buồng sấy được tính như sau:

3.6.5 Tổn thất nhiệt do nhiệt tích lũy trong gạch dỡ

Chênh lệch nhiệt độ giữa gạch dỡ ra khỏi lò và nhiệt độ môi trường dẫn đến tổn thất nhiệt tích lũy trong gạch dỡ

Tổn thất nhiệt do tích lũy được tính theo công thức sau:

Q5 = cpg (tg – ta ), kJ/kg PT 3.32

3.6.6 Tổn thất nhiệt qua kết cấu lò

Bằng cách đo nhiệt độ tại các bề mặt tường và nóc lò trong khu vực làm nguội, nung và sấy, có thể nhận thấy sự chênh lệch nhiệt độ giữa các vị trí khác nhau do độ dày của lớp cách nhiệt Giá trị tt được sử dụng trong phương trình là giá trị trung bình của từng khu vực này Tổn thất nhiệt qua kết cấu lò được tính toán theo phương pháp cụ thể.

Chưa xác định được diện tích các bề mặt kết cấu lò, nghiên cứu về cân bằng nhiệt cho lò Hoffman và lò tuynel cho thấy lựa chọn tổn thất nhiệt do bức xạ và đối lưu qua kết cấu lò là cần thiết.

3.6.7 Tổn thất nhiệt không tính được

Các lò gạch đang vận hành có các tổn thất nhiệt khác rất khó xác định và/hoặc phức tạp khi tính toán [20] như:

- Tổn thất nhiệt do nhiệt tích tụ trong kết cấu/khung lò (3-5%)

- Tổn thất nhiệt do không cháy hết về mặt cơ học, hóa học (5-10%)

- Tổn thất nhiệt do các phản ứng hóa học trong vật liệu (3-5%)

- Tổn thất nhiệt do rò lọt khí (2-4%)

Lựa chọn tổng các tổn thất nhiệt không tính được là:

3.6.8 Tính tiêu hao nhiên liệu

Lượng than tiêu thụ B (kg/h) được xác định bởi phương trình cân bằng nhiệt: σ ୢ୴ = σ ୲୲ PT 3.36

B = 277,8 kg/h Suất tiêu hao nhiên liệu tính theo kg sản phẩm (gạch) là: b = ୆ ୔ = ଶ଻଻ǡ଼ ଷଷଷଷǡଷ = 0,083 kg/kg gạch PT 3.37

Suất tiêu hao năng lượng tính theo kg sản phẩm (gạch) là:

SEC = ଶ଴ଶ଻଺ǡ଼଼ൈଶ଻଻ǡ଼ ଷଷଷଷǡଷ = 1690,1 kJ/kg gạch PT 3.26

THIẾT KẾ, XÂY DỰNG VÀ VẬN HÀNH LÒ NUNG LIÊN PHÒNG SẢN XUẤT GỐM THÔ XÂY DỰNG CÔNG SUẤT 80 TẤN SẢN PHẨM/NGÀY

Tính các kích thước cơ bản của lò

Theo yêu cầu thiết kế: năng suất lò đạt 80 tấn sản phẩm/ngày

Các sản phẩm nung trong lò chủ yếu bao gồm gạch đặc và ngói lợp Mỗi buồng nung chỉ được sử dụng để nung một loại sản phẩm nhất định, do mỗi loại vật liệu yêu cầu chế độ nung và giản đồ nung riêng biệt, phù hợp với thành phần hóa học và kích thước của vật nung.

Khi thiết kế lò, cần chú trọng đến loại sản phẩm chính là gạch đặc Hình 4.1 mô tả cách bố trí gạch trong buồng lò Để đạt năng suất 80 tấn sản phẩm mỗi ngày, ta xác định số lượng gạch trong một buồng nung dựa trên các thông số thiết kế cụ thể.

- Số lượng gạch trong một khối gạch là: ݊ ௚ ௞ = lk ൈ wk ൈ hk = 4 ൈ 1 ൈ 2 = 8 viên/khối PT 4.1

- Số lượng khối gạch trong một palet gạch là: ݊ ௚ ௣ = lp ൈ wp ൈ hp = 3 ൈ 3 ൈ 9 = 81 khối/palet PT 4.2

- Số lượng palet gạch trong một buồng lò là: ݊ ௚ ௕ = lb ൈ wb ൈ hb = 6 ൈ4 ൈ 1= 24 palet/buồng PT 4.3

Trong bài viết này, các ký hiệu lk, lp, lb lần lượt đại diện cho số đơn vị theo chiều dài của khối gạch, palet gạch và buồng Tương tự, wk, wp, wb thể hiện số đơn vị theo chiều rộng của khối gạch, palet gạch và buồng Cuối cùng, hk, hp, hb chỉ số đơn vị theo chiều cao của khối gạch, palet gạch và buồng.

Hình 4.1 Bố trí gạch trong lò

Như vậy, tổng số lượng gạch mộc trong một buồng nung là: ng = ୥ ୩ ൈ ୥ ୮ ൈ ୥ ୠ = 8 ൈ 81 ൈ 24 = 15552 viên/buồng PT 4.4

Vì lò vận hành song song hai đầu lửa, tức hai buồng nung hoạt động cùng một lúc nên tổng số gạch nung là:

Mỗi viên gạch đặc thành phẩm có khối lượng trung bình khoảng 1,7kg, do đó tổng khối lượng gạch trong 2 buồng nung là 52,9 tấn, tính theo công thức p = Ng × mg = 31104 × 1,7 Thời gian sản xuất gạch cho một buồng nung là 16 giờ theo thiết kế.

Tổng công suất thực tế là:

Ptt = ୮ ൈ ଶସ த = ହଶǡଽ ൈ ଶସ ଵ଺ = 80 (tấn sản phẩm/ ngày) PT 4.7

Vậy ta chọn số lượng gạch ng = 15552 viên/buồng để thiết kế kích thước buồng nung của lò là phù hợp với công suất yêu cầu đặt ra

Số lượng gạch sản phẩm sản xuất ra trung bình trong một giờ là:

Ntb = ୔ ౪౪ ୫ ౝ ൈଶସ = ଼଴୶ଵ଴଴଴ ଵǡ଻ൈଶସ = 1961 (viên/h) PT 4.8 Tổng chiều dài của 6 palet gạch xếp trong lò là: σ ݈ = [(lp ൈ lg) +(s1 ൈ 4)] ൈ lb , mm PT 4.9 σ ݈ = [3 ൈ 235 +(74 ൈ 4)] ൈ 6 = 6000mm = 6m Chiều dài nội hình một buồng là: lbn = σ = 6m PT 4.10

Tổng chiều rộng của 4 palet gạch xếp trong lò là: σ = [wp ൈ lg + (s1 ൈ 4)] ൈ wb, mm PT 4.11 σ = [3 ൈ235 + (74 ൈ 4)] ൈ 4 = 4000mm = 4m Chiều rộng nội hình một buồng là: wbn = σ = 4m PT 4.12

Chiều cao gạch xếp trong lò là: σ ݄ = (hk ൈ hp ൈ wg ൈ hb), mm PT 4.13 σ ݄ = (2 ൈ 10 ൈ 110 ൈ 1) = 2200mm = 2,2m Chiều cao nội hình 1 buồng là: hbn = σ = 2,2m PT 4.14

Trong đó: lg là chiều dài gạch mộc, lg = 235 mm wg là chiều rộng gạch mộc, wg = 110 mm s1 là khoảng cách giữa các khối gạch, s1 = 74 mm

Bản vẽ kích thước buồng nung được trình bày trong phụ lục 15

4.1.2 Kích thước buồng đốt phụ

Quá trình cháy nhiên liệu bổ sung từ nóc lò trong buồng đốt phụ đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra nhiệt lượng, giúp điều chỉnh nhiệt độ cháy trong quá trình nung gạch Khối lượng than bổ sung ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả và chất lượng của quá trình này.

Thể tích buồng đốt phụ [50] là

Vbdp = ହହǡ଺ൈଶ଴ଶ଻଺ǡ଼଼ ଶଽ଴ൈଵ଴ య = 4 m 3 Trong đó q là mật độ thể tích, đối với buồng đốt lò nung sử dụng nhiên liệu than đá chọn q = 290 ൈ 10 3 W/m 3 [50]

Diện tích bề mặt đáy là:

Chọn chiều cao buồng đốt phụ Hbdp = 1,8 m

Để đảm bảo sự hài hòa giữa chiều cao buồng đốt và diện tích mặt ghi, cần thiết kế chiều dài buồng đốt phụ bằng chiều dài của buồng lò, cụ thể là lbdp = Lbn = 6m Điều này giúp quá trình bắt cháy hiệu quả hơn khi chuyển từ chế độ gia nhiệt sang chế độ nung tối hơn, đồng thời đảm bảo nhiệt lượng được phân bố đều dọc theo chiều dài của buồng nung.

Chiều rộng buồng đốt phụ là: wkl = ୊ ౘౚ౦ ୐ ౘౚ౦ = ଶǡଶଶ ଺ = 0,4m PT 4.20

Bản vẽ kích thước buồng đốt phụ được trình bày trong phụ lục 16

Bản vẽ kích thước cửa đốt khởi động được trình bày trong phụ lục 17

Tiết diện của kênh khói được xác định dựa theo tốc độ chuyển động của khói thải:

F f k = ଶଵǡହଷൈଶ଻଻ǡ଼ ଷ଺଴଴ൈଵǡସ = 1,2 m 2 Trong đó, chọn tốc độ chuyển động tối ưu của khói trong kênh [50] là 1ൊ3 m/s, chọn ߱ ௞଴ ௙ = 1,4 m/s

Tiết diện kênh khói là hình chữ nhật nên:

Chọn chiều cao kênh khói hf = 1,2 m, chiều rộng kênh khói là: wf = ୊ ౡ ౜ ୦ ౜ = ଵǡଶ ଵǡଶ = 1m PT 4.23

Bản vẽ kích thước kênh khói được trình bày trong phụ lục 18

4.1.4 Kích thước kênh không khí nóng

Tiết diện của kênh không khí nóng được xác định dựa theo tốc độ chuyển động của dòng không khí nóng:

F ha k = ଵହସ଺ଽ ଷ଺଴଴ൈ଺ = 0,72 m 2 Trong đó, chọn tốc độ chuyển động tối ưu của không khí nóng trong kênh

Tiết diện kênh không khí nóng là hình chữ nhật nên:

Chọn chiều cao kênh không khí nóng hf = 0,8 m

Chiều rộng kênh không khí nóng là: wf = ୊ ౡ ౜ ୦ ౜ = ଴ǡ଻ଶ ଴ǡ଼ = 0,9 m PT 4.26

Bản vẽ kích thước kênh khói được trình bày trong phụ lục 18

4.1.5 Chiều dày lớp cách nhiệt

Nóc lò được xây dựng bằng bê tông chịu nhiệt, có khả năng chịu nhiệt độ cao từ 1500 đến 1700 độ C Tường lò sử dụng gạch chịu lửa Samot A với kích thước tiêu chuẩn 230 x 115 x 65 mm, có khả năng chịu nhiệt lên đến 1560 đến 1650 độ C.

Bông gốm là một loại vật liệu cách nhiệt hiệu quả, được chế tạo từ sợi gốm nhân tạo tổng hợp Với khả năng chịu nhiệt lên đến 1300°C và hệ số dẫn nhiệt dao động từ 0,045 đến 0,195 W/m.K, bông gốm là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng cần cách nhiệt Hệ số dẫn nhiệt của bông gốm sẽ tăng khi nhiệt độ tăng, cho thấy tính năng cách nhiệt của nó có thể thay đổi theo điều kiện môi trường.

Mật độ dòng nhiệt là lượng nhiệt truyền qua 1m² bề mặt trong 1 giây, và lượng nhiệt này chính là nhiệt tổn thất qua kết cấu lò Theo tài liệu [52], nhiệt độ khuyến nghị cho bề mặt lò nung phía ngoài được xác định là từ 110 đến 125 độ C cho nóc lò và từ 95 đến 110 độ C cho tường lò, khi nhiệt độ trong lò dao động từ 900 đến 1100 độ C.

Nhiệt lượng tổn thất qua tường lò là: qw ୲ ౥ ି୲ ౗ ಌౝ ಓౝ ା ಌభ ಓభ ା భ ౡ , W/m 2

= 436 W/m 2 Nhiệt lượng tổn thất qua nóc lò là: qt ୲ ౥ ି୲ ౗ ಌౘ౪ ಓౘ౪ ା ಌమ ಓమ ା భ ౡ

Nhiệt độ vận hành tối đa trong toàn bộ tiến trình nung được chọn là to = 1050 o C, với nhiệt độ môi trường là ta Để tính toán, chiều dày của tường lò được xác định bằng 2 lần kích thước chiều rộng tiêu chuẩn của gạch chịu nhiệt Samot A, cụ thể là Ɂ ୥ = 2 × 115mm = 230mm Kết quả tính toán cho thấy giá trị nhiệt độ là 491 W/m².

Chiều dày bê tông chịu nhiệt của nóc lò được xác định là 0,23m, trong khi chiều dày bông gốm cách nhiệt tường lò là 0,3m Đối với chiều dày bông gốm cách nhiệt nóc lò, giá trị được chọn là 0,2m Cuối cùng, hệ số dẫn nhiệt của gạch tường lò là λg (W/mK).

Hệ số dẫn nhiệt của bê tông chịu nhiệt nóc lò là 45 λbt (W/mK), trong khi λ1 và λ2 lần lượt là hệ số dẫn nhiệt của bông cách nhiệt tường lò và bông cách nhiệt nóc lò (W/mK) Ngoài ra, k là hệ số truyền nhiệt bề mặt (W/m² K).

Nhiệt độ bề mặt tường lò: tw = ୯ ౭ ୩ + ta, o C PT 4.29 tw = ସଷ଺ ହǡ଻ + 25 = 101 o C Nhiệt độ bề mặt nóc lò: tt = ୯ ౭ ୩ + ta, o C PT 4.30 tt = ସଽଵ ହǡ଻ + 25 = 111 o C

Kết quả tính toán cho thấy nhiệt độ bề mặt tường lò đạt 101 o C và nhiệt độ bề mặt nóc lò đạt 111 o C, phù hợp với yêu cầu thiết kế ban đầu Điều này đảm bảo an toàn cho người vận hành và giảm tổn thất nhiệt ra môi trường Do đó, chiều dày lớp cách nhiệt tường lò được lựa chọn là 0,2m và chiều dày lớp cách nhiệt nóc lò là 0,3m.

Tổng chiều dày tường lò là: Ɂ ୵ = Ɂ ୥ + Ɂ ଵ = 0,23 + 0,2 = 0,46 PT 4.31

Tổng chiều dày nóc lò là: Ɂ ୲ = Ɂ ୠ୲ + Ɂ ଶ = 0,3 + 0,3 = 0,6 PT 4.32

Các kết quả tính toán chi tiết được trình bày trong Phụ lục 4

Kết quả tính chọn các kích thước các bộ phận cơ bản của lò được trình bày trong bảng 4.1 dưới đây:

Bảng 4.1 Kết quả tính chọn các kích thước cơ bản của lò

TT Thông số Kí hiệu Đơn vị Giá trị

1 Chiều dài một buồng lò lbn m 6,0

2 Chiều rộng một buồng lò wbn m 4,0

3 Chiều cao một buồng lò hbn m 2,2

9 Chiều cao kênh khói hf m 1,2

10 Chiều rộng kênh khói wf m 1,0

11 Chiều dài kênh khói lf m 39,8

12 Chiều cao kênh khí nóng hha m 0,8

13 Chiều rộng kênh thu hồi khí nóng wha m 0,9

14 Chiều dài kênh thu hồi khí nóng lha m 39,8

15 Chiều dài buồng đốt phụ lbdp m 6

16 Chiều rộng buồng đốt phụ wbdp m 0,4

17 Chiều cao buồng đốt phụ hbdp m 1,8

Tính chọn thiết bị

Tốc độ của khói tại các vị trí trên đường khói được xác định từ công thức: ୧ ୤ = ୚ ౡ౪౪ ଷ଺଴଴ൈன ౟ ౜ , m 2 PT 4.33 ൌ൐൐ ɘ ୧ ୤ = ୧ ୤ = ୚ ౡ౪౪ ଷ଺଴଴ൈன ౟ ౜ , m 2 PT 4.34

Trong đó, ܸ ௞௧௧ là tổng lưu lượng khói thải (m 3 /h) được xác định theo PT 3.10

Vktt = 277,8[5,6369+ (4െ1) ൈ5,2983] = 5982,2 m 3 tc/h PT 3.10 ߱ ௜ ௙ : tốc độ khói (m/s) ܨ ௜ ௙ : tiết diện mặt cắt tại các vị trí trên đường khói (m 2 )

Tiết diện răng lửa được tính bằng công thức: ୰୪ ୤ = hrl × wrl × nrl (m²) Trong đó, chiều cao răng lửa (hrl) theo thiết kế là 0,6 m, chiều rộng răng lửa (wrl) là 0,35 m, và số răng lửa trong một buồng (nrl) là 5 Áp dụng các giá trị này, ta có tiết diện răng lửa là 1,05 m².

Tiết diện kênh thu hồi khói thải ୩ ୤ = wf ൈ hf (m 2 ) PT 4.36 ୩ ୤= 1,2 ൈ 1= 1,2 m 2 Trong đó, wf: chiều rộng kênh khói (m)

47 hf: chiều cao kênh khói (m)

Tốc độ khói đi qua các răng lửa: ɘ ୰୪ ୤ = ୚ ౡ౪౪ ଷ଺଴଴ൈ୊ ౨ౢ ౜ = ହଽ଼ଶǡଶ ଷ଺଴଴ൈଵǡ଴ହ = 1,58 m/s PT 4.37

Tốc độ khói đi qua buồng gia nhiệt và buồng sấy: ɘ ୥୬ ୤ = ɘ ୱ ୤ = ୚ ౡ౪౪ ଷ଺଴଴ൈ୊ ౙౝ ౜ = ହଽ଼ଶǡଶ ଷ଺଴଴ൈଵǡ଴଴ = 1,66 m/s PT 4.38

Tốc độ khói trong kênh thu hồi khói thải: ɘ ୩ ୤ = ୚ ౡ౪౪ ଷ଺଴଴ൈ୊ ౡ ౜ = ହଽ଼ଶǡଶ ଷ଺଴଴ൈଵǡଶ = 1,38 m/s PT 4.39

Tổn thất áp suất trên đường khói: σ ୲୲ ୤ = ୡୠ ୤ + ୫ୱ ୤ , N/m 2 PT 4.40

Trong đó, ୡୠ ୤ : Tổng tổn thất cục bộ trên đường khói thải (N/m 2 ) ୫ୱ ୤ ǣTổng tổn thất ma sát trên dường khói thải (N/m 2 )

Tính tổng tổn thất cục bộ trên đường khói thải: ୡୠ ୤ = σ ୡୠ ୧ = ୡୠ ୰୪ଵ + ୡୠ ୰୪ଶ + ୡୠ ୥୬ + ୡୠ ୱ + ୡୠ ୩ , N/m 2 PT 4.41 ୡୠ ୧ = ୡୠ ୧ ൈ ቀன ౥౟ ౜ ቁ మ ଶ ൈ ɏ ୤ ୭ ൈ ൬ͳ ൅ ୲ ౟ ౜ ଶ଻ଷ൰, N/m 2 PT 4.42

Hệ số tổn thất cục bộ tại vị trí i, ký hiệu là ୡୠ ୧, phụ thuộc vào hình dáng của kênh dẫn khói tại vị trí gây tổn thất Nhiệt độ của khói tại vị trí i được ký hiệu là ୧ ୤ và được đo bằng độ Celsius Tốc độ của khói ở điều kiện tiêu chuẩn tại vị trí i được ký hiệu là ɘ ୭୧ ୤ và đo bằng mét trên giây Khối lượng riêng của khói, ký hiệu là ɏ ୤ ୭, có giá trị 1,295 kg/m³.

Tổn thất áp suất cục bộ khi đi qua răng lửa (buồng gia nhiệt) là: ୡୠ ୰୪ଵ = 1,5 ൈ ሺଵǡହ଼ሻ మ ଶ ൈ 1,295 ൈ ቀͳ ൅ ହହ଴ ଶ଻ଷቁ = 7,33 N/m 2 PT 4.42

Tổn thất áp suất cục bộ khi đi qua răng lửa (buồng sấy) là: ୡୠ ୰୪ଶ = 1,5 ൈ ሺଵǡହ଼ሻ మ ଶ ൈ 1,295 ൈ ቀͳ ൅ ଵ଻଴ ଶ଻ଷቁ = 3,95 N/m 2 PT 4.42

Tổn thất áp suất cục bộ khi đi qua buồng gia nhiệt là: ୡୠ ୥୬ = 1,5 ൈ ሺଵǡ଺଺ሻ మ ଶ ൈ 1,295 ൈ ቀͳ ൅ ହହ଴ ଶ଻ଷቁ = 8,08 N/m 2 PT 4.42

Tổn thất áp suất cục bộ khi đi qua buồng sấy là; ୡୠ ୱ = 1,5 ൈ ሺଵǡ଺଺ሻ మ ଶ ൈ 1,295 ൈ ቀͳ ൅ ଵ଻଴ ଶ଻ଷቁ = 4,35 N/m 2 PT 4.42

Tổn thất áp suất cục bộ khi đi qua kênh thu hồi khói thải là: ୡୠ ୩ = 1,5 ൈ ሺଵǡଷ଼ሻ మ ଶ ൈ 1,295 ൈ ቀͳ ൅ ଵସହ ଶ଻ଷቁ = 2,85 N/m 2 PT 4.42

Tổng tổn thất áp suất cục bộ là: σ ݄ ௖௕ ௙ = 7,33 + 3,95 + 8,08 + 4,35 + 2,85 = 26,57 N/m 2 PT 4.41

Tính tổng tổn thất ma sát trên đường khói: ୫ୱ ୤ = σ ୫ୱ ୧ = ୫ୱ ୰୪ଵ + ୫ୱ ୰୪ଶ + ୫ୱ ୥୬ + ୫ୱ ୱ + ୫ୱ ୩ , N/m 2 PT 4.43 ୫ୱ ୧ = Ɋ ൈ ୐ ౟ ୈ ౟ ൈ ቀன ౥౟ ౜ ቁ మ ଶ ɏ ୤ ୭ ൈ ൬ͳ ൅ ୲ ౟ ౜ ଶ଻ଷ൰, N/m 2 PT 4.43

Trong đó: μ là hệ số ma sát phụ thuộc vào độ nhám của bề mặt đường khói; chọn μ = 0,05 [42]

Li là chiều dài đường đi khói (m)

Di là đường kính thủy lực (m)

Di = ସ୊ ౟ౠ େ , m PT 4.45 Đường kính thủy lực của buồng gia nhiệt là:

Dgn = ସ୶ଶ ଵ଺ǡହ = 0,5 m PT 4.45 Đường kính thủy lực của buồng sấy là:

Ds = ସ୶ଶ ଵ଺ǡହ = 0,5 m PT 4.45 Đường kính thủy lực của kênh thu hồi khói thải là:

Fi là tiết diện của đường đi khói [m 2 ]

Chu vi của đường đi khói được ký hiệu là C [m], trong khi tốc độ trung bình của khói tại điều kiện tiêu chuẩn trên đoạn đường ij là ߱ ௢௜ ௙ [m/s] Nhiệt độ trung bình của khói trong đoạn ij được ký hiệu là ݐ ௜ ௙ [°C].

Tổn thất áp suất khi đi qua răng lửa (buồng gia nhiệt) ݄ ௠௦ ௥௟ଵ và (buồng sấy) ݄ ௖௕ ௥௟ଶ ൎ 0 do chiều dài kết cấu răng lửa rất nhỏ

Tổn thất áp suất ma sát khi đi qua buồng gia nhiệt là: ୫ୱ ୥୬ = Ͳǡͷ ൈ ସǡ଴ ଴ǡହൈ ଵǡ଺଺ మ ଶ ൈ ͳǡʹͻͷ ൈ ቀͳ ൅ ହହ଴ ଶ଻ଷቁ= 44,5 N/m 2 PT 4.44

Tổn thất áp suất ma sát khi đi qua buồng sấy là: ୫ୱ ୱ = Ͳǡͷ ൈ ସǡ଴ ଴ǡହൈ ଵǡ଺଺ మ ଶ ൈ ͳǡʹͻͷ ൈ ቀͳ ൅ ଵ଻଴ ଶ଻ଷቁ= 23,9 N/m 2 PT 4.44

Tổn thất áp suất ma sát khi đi qua kênh thu hồi khói thải là: ୫ୱ ୱ = Ͳǡͷ ൈ ସଽǡଵ ଵǡଵ ൈ ଵǡଷ଼ మ ଶ ൈ1,295 ൈ ቀͳ ൅ ଵସହ ଶ଻ଷቁ= 42,8 N/m 2 PT 4.44

Tổng tổn thất áp suất ma sát là: ୫ୱ ୤ = 44,5 + 23,9 + 42,8 = 111,2 N/m 2 PT 4.44

Tổng tổn thất áp suất trên đường khói: σ ୲୲ ୤ = 26,57 + 111,2 = 137,75 N/m 2 PT 4.40

Xác định công suất quạt khói ở chế độ vận hành công suất tối đa của lò nung

Quạt hút khói được trang bị biến tần giúp điều chỉnh công suất quạt trong điều kiện vận hành non tải (1 đầu lửa), từ đó duy trì áp suất cháy trong lò và tiết kiệm năng lượng điện hiệu quả.

Lưu lượng quạt hút khói gồm lưu lượng khói thải và lưu lượng không khí nóng sau quá trình sấy:

Vf = 5982,2 + 15468 = 21451,1 m 3 /h Áp suất đầu đẩy quạt hút khói là:

P f đ = 1,1 ൈ 137,75 = 151,53 N/m 2 Công suất động cơ điện truyền động cho quạt là:

Trong đó ߚ ଵ , ߚ ଶ = 1,1 là hệ số dự phòng an toàn

Các kết quả tính toán chi tiết được trình bày trong Phụ lục 5 và Phụ lục 7

4.2.2 Tính chọn quạt tuần hoàn

Tốc độ của không khí nóng tại các vị trí trên đường không khí nóng xác định từ công thức:

Tổng lưu lượng không khí nóng (m³/h) được xác định theo PT 3.19, trong đó ɘ là tốc độ không khí nóng (m/s) và ୧ là tiết diện mặt cắt tại các vị trí trên đường không khí nóng (m²).

Tiết diện kênh thu hồi không khí nóng ୩ ୦ୟ = wha x hha = 0,8ൈ0,9= 0,72 m 2 PT 4.51

Trong đó, wha: chiều rộng kênh không khí nóng (m) hha: chiều cao kênh không khí nóng (m)

Tốc độ không khí nóng đi qua các răng lửa: ɘ ୰୪ ୦ୟ = ୚ ౞౗ ଷ଺଴଴ൈ୊ ౨ౢ ౞౗ = ଵହସ଺଼ ଷ଺଴଴ൈଵǡ଴ହ = 4,09 m/s PT 4.52

Tốc độ không khí nóng đi qua buồng làm nguội ɘ ୪୬ ୦ୟ = ଷ଺଴଴ൈ୊ ୚ ౞౗ ౙౝ ౞౗ = ଵହସ଺଼ ଷ଺଴଴ൈଵǡ଴଴ = 4,30 m/s PT 4.52

Tốc độ không khí nóng trong kênh thu hồi không khí nóng ɘ ୩ ୦ୟ = ୚ ౞౗ ଷ଺଴଴ൈ୊ ౡ ౞౗ = ଵହସ଺଼ ଷ଺଴଴ൈ଴ǡ଻ଶ = 5,97 m/s PT 4.52

Tổn thất áp suất trên đường không khí nóng σ ୲୲ ୦ୟ = ୡୠ ୦ୟ + ୫ୱ ୦ୟ , N/m 2 PT 4.53

Trong đó, ୡୠ ୦ୟ : Tổng tổn thất cục bộ trên đường không khí nóng (N/m 2 ) ୫ୱ ୦ୟ ǣTổng tổn thất ma sát trên dường không khí nóng (N/m 2 )

Tính tổng tổn thất cục bộ trên đường không khí nóng được xác định bằng công thức ݄ ௖௕ ௛௔ = σ ݄ ௖௕ ௜ = ݄ ௖௕ ௥௟ + ݄ ௖௕ ௟௡ + ݄ ௖௕ ௞, với đơn vị N/m² Khối lượng riêng của không khí nóng là ɏ ୦ୟ ୭ = 1,295 (kg/m³ tc) Tổn thất cục bộ khi không khí đi qua răng lửa cũng cần được xem xét trong quá trình tính toán.

Tổn thất áp suất cục bộ khi đi qua buồng làm nguội là: ୡୠ ୥୬ = 1,5 ൈ ሺସǡଷ଴ሻ మ ଶ ൈ1,295ൈ ቀͳ ൅ ଵ଻଴ ଶ଻ଷቁ = 29,10 N/m 2 PT 4.55

Tổn thất áp suất cục bộ khi đi qua kênh thu hồi không khí nóng là: ୡୠ ୩ = 1,5 ൈ ሺହǡ଻ଽሻ మ ଶ ൈ1,295ൈ ቀͳ ൅ ଵ଻଴ ଶ଻ଷቁ = 18,71 N/m 2 PT 4.55

Tổng tổn thất áp suất cục bộ là: σ ୡୠ ୦ୟ = 26,39 + 29,10 + 18,71 = 74,20 N/m 2 PT 4.54

Tính tổng tổn thất ma sát trên đường không khí nóng: ୫ୱ ୦ୟ = σ ୫ୱ ୧ = ୫ୱ ୰୪ + + ୫ୱ ୪୬ + ୫ୱ ୩ , N/m 2 PT 4.56 ୫ୱ ୧ = Ɋ ൈ ୐ ౟ ୈ ౟ ൈ ቀன ౥౟ ౞౗ ቁ మ ଶ ɏ ୦ୟ ୭ ൈ ൬ͳ ൅ ୲ ౟ ౞౗ ଶ଻ଷ൰, N/m 2 PT 4.57

Trong đó: μ là hệ số ma sát phụ thuộc vào độ nhám của bề mặt đường đi không khí nóng; μ = 0,05 [42] Đường kính thủy lực của buồng làm nguội là:

Dln = ସ ൈ ଵ ଵ଺ǡହ = 0,2 m PT 4.45 Đường kính thủy lực của kênh thu hồi không khí nóng là:

Tổn thất áp suất ma sát khi đi qua buồng làm nguội là: ୫ୱ ୪୬ = Ͳǡͷ ൈ ସǡ଴ ଴ǡଶൈ ସǡଷ଴ మ ଶ ൈ1,295 ൈ ቀͳ ൅ ଵ଻଴ ଶ଻ଷቁ = 37,2 N/m 2 PT 4.45

Tổn thất áp suất ma sát khi đi qua kênh thu hồi không khí nóng là: ୫ୱ ୩ = Ͳǡͷ ൈ ଵ଺ǡଷ ଴ǡ଼ ൈ ହǡ଻ଽ మ ଶ ൈ1,295ൈ ቀͳ ൅ ଵ଻଴ ଶ଻ଷቁ = 60,3 N/m 2 PT 4.57

Tổng tổn thất áp suất ma sát là: ୫ୱ ୦ୟ = 37,2 + 60,3 = 97,6 N/m 2 PT 4.56

Tổng tổn thất áp suất trên đường không khí nóng: σ ୲୲ ୦ୟ = 74,20 + 97,6 = 171,78 N/m 2 PT 4.53 Áp suất đầu đẩy quạt tuần hoàn là:

Công suất động cơ điện truyền động cho quạt tuần hoàn là:

Trong đó ߚ ଵ , ߚ ଶ = 1,1 là hệ số dự phòng an toàn

Các kết quả tính toán chi tiết được trình bày trong Phụ lục 6 và Phụ lục 8.

Xây dựng lò

Trong quá trình thực hiện đề tài, doanh nghiệp Phú Kim An đã xây dựng và vận hành mô hình lò nung liên phòng với công suất 80 tấn sản phẩm/ngày Bài viết này tóm tắt quá trình xây dựng lò thực tế tại doanh nghiệp Phú Kim An.

Các vật liệu chính cần cho quá trình xây lò bao gồm:

Gạch chịu lửa được khuyến nghị sử dụng cho lớp trong cùng của công trình theo đề xuất của đội ngũ thiết kế Tuy nhiên, do vấn đề kinh tế của doanh nghiệp, gạch chịu lửa đã được thay thế bằng gạch đất sét nung loại 1.

+ Gạch đặc được dùng để xây phần móng lò và các vùng chịu lực trong kết cấu lò

+ Gạch lỗ được dùng để xây tường lò, buồng đốt phụ, hệ thống kênh dẫn khói và không khí nóng, cửa đốt khởi động

Xi-măng chịu nhiệt được sử dụng để xây dựng các kết cấu và đổ bê-tông cho móng lò, cũng như đáy kênh khói, nhằm tăng cường khả năng chống ăn mòn do axit hình thành từ sự giảm nhiệt độ khói trong kênh thu hồi khói thải.

Hình 4.2 Gạch đất sét nung xây lò Hình 4.3 Bê-tông chịu nhiệt

Bông gốm là vật liệu cách nhiệt lý tưởng cho các kết cấu lò, được lắp đặt trên trần phẳng bằng thép Với khả năng nâng hạ và di động nhờ hệ thống cần trục cùng thanh ray di chuyển trên nóc lò, bông gốm đảm bảo hiệu suất cách nhiệt tối ưu cho các ứng dụng công nghiệp.

Hình 4.4 Bông gốm được gắn vào trần phẳng di động

4.3.2 Quy trình xây dựng lò

Sau khi hoàn thành san lấp mặt bằng, đại diện cơ sở sẽ hợp tác với cán bộ kỹ thuật để khảo sát và bố trí trang thiết bị sản xuất Việc xác định vị trí và diện tích cho từng hạng mục theo bản vẽ bố trí mặt bằng là bước quan trọng để tiến hành các giai đoạn tiếp theo trong quá trình thi công.

Hình 4.5 Bố trí mặt bằng xây dựng lò

Để kiểm tra vị trí móng, cần thực hiện 5 điểm đào kiểm tra, bao gồm 4 góc của móng lò và giao điểm của 2 đường chéo, với độ sâu tối thiểu là 1m Nếu các điểm đào có tính chất đất không đồng nhất, có thể tiếp tục đào sâu hơn để xác định rõ hơn Việc đổ móng lò phụ thuộc vào tải trọng và khả năng chịu lực của nền đất Trong trường hợp nền đất yếu, cần áp dụng các phương pháp xử lý như đóng cọc tre, cọc cát hoặc cọc bê-tông tùy theo điều kiện cụ thể Móng lò thường được đặt ở lớp đất cứng nhất, thường ở độ sâu từ 0,5 đến 1m so với cốt 0.

Trình tự đổ móng bao gồm các bước quan trọng: đầu tiên, cần kiểm tra nền đất móng để đảm bảo tính đồng nhất về chất đất và cường độ nén đạt yêu cầu kỹ thuật Tiếp theo, tiến hành đổ lớp bê-tông lót móng dày 0,1m, sau đó lắp đặt dải thép móng và dầm móng Cuối cùng, cần chờ ít nhất 7 ngày để bê-tông đông kết hoàn toàn.

Xây dựng các bộ phận lò bao gồm buồng lò, buồng đốt phụ, kênh dẫn và cửa đốt khởi động

Tường lò được chia thành hai loại chính: tường thẳng và tường cong Tường thẳng được xây dựng bằng gạch tiêu chuẩn thông thường với viên gạch nằm ngang, trong khi tường cong sử dụng gạch vát tiêu chuẩn hoặc gạch vát thẳng tùy thuộc vào độ cong của tường Một số vị trí tường cong trong lò bao gồm cửa buồng đốt phụ, van thu hồi khói thải và cửa đốt khởi động.

Hình 4.6 Xây dựng buồng đốt phụ

Hình 4.7 Xây dựng kênh dẫn

Hình 4.8 Xây dựng cửa đốt khởi động

Quá trình xây dựng cần xem xét các yếu tố như mạch nở nhiệt của kết cấu để ngăn ngừa hiện tượng nứt vỡ do sự giãn nở nhiệt Số lượng và kích thước của mạch nhiệt phụ thuộc vào độ giãn nở của gạch và kích thước của thể xây Đối với kênh dẫn khói, cần xây thêm kênh bê tông để bảo vệ khỏi sự ăn mòn.

Lò nung liên phòng đã được hoàn thiện tại cơ sở Phú Kim An và được trang bị hệ thống mái che để bảo vệ khỏi tác động của thời tiết.

Hình 4.9 Lò nung liên phòng đã được xây dựng hoàn thiện

Nguyên lý vận hành lò

Vận hành lò bao gồm nhiều quy trình quan trọng như bố trí gạch mộc, khởi động và duy trì sự cháy, kiểm tra nhiệt độ, điều tiết quá trình cháy, và bổ sung than cùng sinh khối Ngoài ra, việc điều chỉnh các van hút, van xả, van thu hồi, cũng như tốc độ quạt khói và quạt tuần hoàn là cần thiết để tối ưu hóa khí động Cuối cùng, mở cửa lò và dỡ gạch thành phẩm ra ngoài cũng là một phần không thể thiếu trong quy trình này.

4.4.1 Bố trí gạch mộc vào lò

Gạch mộc cần được phơi khô ngoài sân có mái che trong suốt để giảm độ ẩm, tăng độ cứng và các tính chất cơ lý cần thiết, giúp tránh tình trạng gạch bị đổ vỡ hoặc biến dạng trong quá trình nung Việc xếp gạch sát tường lò sẽ làm tăng tỷ lệ than trộn và bổ sung than bánh do mất nhiệt qua kết cấu lò Trong quá trình nung, gạch mộc được xếp vào 5 khoang lò liên tiếp, bắt đầu từ cửa đốt khởi động, và trong lần khởi động đầu tiên, sẽ tiến hành nung đốt đồng thời 3 khoang liên tiếp.

Hình 4.10 Gạch mộc xếp trong lò

Than bánh được sử dụng ở các vị trí gạch gần tường lò, nhưng hiệu quả cháy tại đây không cao, dẫn đến việc nhiệt bị tổn thất ra ngoài môi trường Điều này khiến gạch không đạt đủ nhiệt và thường bị non, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Tỷ lệ pha trộn lý tưởng cho than bánh là 30% bùn và 70% than.

Hình 4.11 Than bánh Hình 4.12 Bổ sung than bánh tại các vị trí gạch sát tường lò

Than cầu được sử dụng để chuyển lửa từ khoang nung sang khoang gia nhiệt khi gạch mộc đã đạt đủ điều kiện Lượng than này được xếp vào các răng lửa trong buồng đốt phụ nằm giữa hai khoang Tỷ lệ pha trộn bánh là khoảng 30% bùn và 70% than.

Hình 4.13 Than cầu dùng để đốt mồi trong quá trình chuyển khoang nung

4.4.2 Vận hành lò Đặc điểm của lò mới xây dựng và sau bảo dưỡng là thể xây còn chứa ẩm, mạch vữa và kết cấu của lò chưa ổn định Việc khởi động cần quá trình sấy nóng và đốt lò từ từ để các kết cấu, mạch vữa, tường gạch dãn nở một cách từ từ và ổn định, giảm thiếu tối đa hiện tượng nứt vỡ Có thể thực hiện việc sấy bằng củi, trấu và các nhiên liệu có sẵn khác Củi nhiên liệu sau khi đã được chuẩn bị đưa vào 5 cửa đốt và quá trình cháy diễn ra tại vị trí này (hình 4.13)

Hình 4.14 Cửa đốt khởi động lò

Sau khi gạch mộc được xếp vào lò, người vận hành sẽ đóng cửa các buồng lò số 1, 2, 3, 4, 5 Tiếp theo, họ sẽ điều khiển hệ thống cẩu trục để đóng nắp trần lò vào các khoang.

2, 3 chuẩn bị thực hiện các quá trình nung và các khoang 4, 5 để chuẩn bị quá trình

58 gia nhiệt, sấy Hình 4.15 mô tả hệ thống các kênh dẫn, cửa hút, cửa xả và các van trong lò liên phòng

Hình 4.15 Hệ thống các kênh dẫn, cửa hút, cửa xả và các van trong lò liên phòng

Khởi động quạt hút khói và điều chỉnh van hút khói tại khoang số 3 mở 30% và khoang số 2 mở 60%, đồng thời đóng hoàn toàn các van xả khí nóng và thu hồi khí nóng Trong giai đoạn đầu, các khoang gạch đầu tiên sẽ thiếu khí nóng để sấy, dẫn đến thời gian nung đốt kéo dài hơn so với tiêu chuẩn, từ 8-10 tiếng cho mỗi mẻ nung.

Trên nóc mỗi buồng đốt phụ có 5 lỗ tiếp nhiên liệu, và trong quá trình vận hành, người điều khiển lò cần theo dõi nhiệt độ để bổ sung nhiên liệu cho quá trình nung Ngọn lửa gần tường lò thường cháy chậm và yếu hơn so với khu vực giữa, vì vậy cần tăng lượng nhiên liệu bổ sung để duy trì ngọn lửa và đảm bảo đủ nhiệt lượng cho quá trình nung.

Hình 4.16 Bổ sung nhiên liệu từ trên nóc lò vào buồng đốt phụ

Khi khoang thứ 3 bắt đầu chuyển trạng thái từ gia nhiệt sang nung, người vận hành lò điều chỉnh độ mở của van khói, cụ thể:

- Khoang số 3: đóng van khói hoàn toàn

- Khoang số 4: van khói mở 60%

Tất cả các khoang còn lại đều đóng hoàn toàn các van khói, xả sấy và hút sấy Khi khoang thứ 4 chuyển từ gia nhiệt sang nung, người vận hành lò sẽ điều chỉnh độ mở của van khói.

Tất cả các khoang còn lại đều đóng van khói, xả sấy và hút sấy hoàn toàn Khi khoang thứ 5 chuyển từ gia nhiệt sang nung, khoang số 1 bắt đầu giai đoạn làm nguội Không khí từ môi trường sẽ được quạt tuần hoàn hút vào để làm nguội gạch, trong khi lượng không khí nóng sẽ được sử dụng để sấy các khoang tiếp theo Lúc này, người vận hành lò sẽ xả khí sấy từ khoang thứ 1 vào khoang số 6 Quá trình xả khí sấy được chia thành 3 giai đoạn.

- Giai đoạn 1: Van xả sấy số 1 (độ mở 30%), van hút sấy số 6 (độ mở 100%)

Tất cả các khoang còn lại của van khói, xả sấy và hút sấy đều được đóng hoàn toàn Quy trình vận hành hệ thống van và quạt trong lò nung liên phòng được trình bày chi tiết trong Bảng 4.2.

Gạch sau công đoạn làm nguội đã đạt nhiệt độ yêu cầu từ 50-70 o C thì người công nhân sẽ tiến hành dỡ gạch ra khỏi lò (hình 4.17)

Hình 4.17 Công nhân dỡ gạch ra khỏi lò

Bảng 4.2 Quy trình vận hành các van trong hệ thống lò liên phòng

Buồng 8 (Sấy sơ cấp) Van hút sấy số 1 Đóng

Van xả sấy số 1 Đóng

Van thu hồi khí thải số 1 Đóng

Van hút sấy số 2 Mở

Van hút sấy số 3 Đóng

Van xả sấy số 6 Mở

Van thu hồi khí thải số 6

Van thu hồi khí thải số 7

Van xả sấy số 8 Mở

CÂN BẰNG NHIỆT LÒ NUNG LIÊN PHÒNG MỘT CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH THỰC TẾ TẠI DOANH NGHIỆP PHÚ KIM AN

Giới thiệu

Việc sản xuất gạch tiêu tốn nhiều năng lượng và có thể gây ra tác động tiêu cực đến môi trường, bao gồm phát thải khí nhà kính và ô nhiễm không khí Do đó, nhu cầu cải thiện hiệu quả năng lượng trong sản xuất gạch đang gia tăng nhằm giảm thiểu ảnh hưởng đến môi trường và thúc đẩy phát triển bền vững Sử dụng công nghệ và quy trình vận hành hiệu quả giúp giảm lượng năng lượng cần thiết trong sản xuất gạch mà vẫn duy trì hoặc nâng cao chất lượng sản phẩm Để tiết kiệm năng lượng, công nghệ nung đã chuyển từ quy trình gián đoạn sang quy trình liên tục, với các công nghệ như Lò Hoffman, Lò liên tục kiểu đứng (VSBK), Lò tuynel và Lò nung liên phòng (MCBK) Những công nghệ này có khả năng giảm tiêu thụ năng lượng trong sản xuất gạch, đồng thời nâng cao hiệu quả và giảm tác động đến môi trường.

Suất tiêu hao năng lượng (SEC) của lò nung là chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu suất năng lượng, được định nghĩa là lượng năng lượng cần thiết để sản xuất một đơn vị sản phẩm, thường được đo bằng kJ/kg gạch trong ngành sản xuất gạch SEC có thể khác nhau tùy thuộc vào thiết kế, điều kiện vận hành, nhiên liệu, loại đất, kích thước và công nghệ tạo hình gạch Giá trị SEC được báo cáo trong tài liệu chỉ mang tính chất tham khảo cho các lò gạch ở từng quốc gia cụ thể và có thể không áp dụng cho các khu vực khác với điều kiện và nguyên liệu khác nhau Tuy nhiên, những giá trị này vẫn cung cấp thông tin quý giá về hiệu quả năng lượng và giúp xác định cơ hội cải tiến trong quy trình sản xuất.

Nghiên cứu này đánh giá hiệu suất năng lượng của lò nung liên phòng tại doanh nghiệp Phú Kim An thông qua phân tích năng lượng và xác định SEC thực tế Kết quả nghiên cứu cung cấp những hiểu biết sâu sắc và khuyến nghị quan trọng, được trình bày trong phần kết luận.

Thiết bị và phương pháp đo

5.2.1 Thiết bị đo lưu lượng, phân tích thành phần khói thải

Thiết bị đo khói thải Kigaz 310 có nhiều chức năng quan trọng như đo chênh lệch áp suất dòng khí, đo nhiệt độ môi trường và nhiệt độ khói thải, cũng như phân tích thành phần khói thải Thông số kỹ thuật chi tiết của thiết bị được cung cấp trong bảng 5.1.

Bảng 5.1 Thông số kĩ thuật thiết bị đo khói thải

Thông số Khoảng đo Độ phân giải Độ chính xác

Khí CO 0 ÷ 8000 ppm 1 ppm 0÷200ppm: ±10 ppm

201÷2000ppm: ±5% giá trị đo 2001÷8000ppm: ±10% giá trị đo Khí NO 0 ÷ 5000 ppm 1 ppm 0 ÷ 100 ppm: ±5 ppm,

101 ÷ 5000 ppm: ±5% giá trị đo Khí NOx 0 ÷ 5155 ppm 1 ppm

Khí NO2 0 ÷ 1000 ppm 1 ppm 0 ÷ 100 ppm: ±5 ppm,

Khí SO2 0 ÷ 5000 ppm 1 ppm 0 ÷ 100 ppm: ±5 ppm,

Khí CH4 0 ÷ 10000 ppm 1 ppm ±20% toàn dải đo Đo nhiệt đo khói thải

-100 ÷ +1250°C 0,1°C ±1,1°C hoặc ±0,4% giá trị đo Đo nhiệt độ môi trường

-20 ÷ +120°C 0,1°C ±0,5°C Đo nhiệt độ môi trường

-50 ÷ +250°C 0,1°C ±0,3% giá trị đo Đo nhiệt độ điểm sương

0 ÷ +99° 0,1°C Đo áp suất chêch lệch

1 Pa -20000÷20000Pa: ±0,5% giá trị đo Đo tốc độ khói thải

Hình 5.1 Thiết bị đo khói thải Kigaz 310

5.2.2 Đo lưu lượng khói thải, không khí nóng Đại lượng đo: Nhiệt độ, độ chênh áp suất, vận tốc

- Khói thải: Đầu vào kênh thu hồi khói thải sau buồng gia nhiệt

- Không khí nóng: Đầu vào kênh thu hồi khói thải sau buồng sấy sơ cấp

Các bước tiến hành đo:

- Khởi động máy và kiểm tra tình trạng hoạt động của máy đo khói thải

- Thiết lập chương trình đo: Khởi động thiết bị đo ՜ INSTRUMENTS ՜ Pressure ՜Flue gas Velocity

- Kết nối máy đo khói vào với ống pitot, bao gồm 2 đường ống áp suất và 1 đường dây cặp kết nối cặp nhiệt

Để đo lường chính xác, cần đưa ống pitot vào kênh dẫn sao cho ống pitot vuông góc với dòng khói hoặc không khí nóng Miệng ống phải tạo với hướng chảy của dòng khói hoặc không khí nóng một góc 0 độ, trong khi miệng ống còn lại cần tạo với hướng chảy một góc 180 độ.

Để đảm bảo độ chính xác trong việc đo áp suất, cần bịt kín khe hở giữa ống Pitot và lỗ mở đo tại điểm có áp suất thấp hơn áp suất môi trường, nhằm tránh tình trạng lọt khí và sai số trong kết quả đo.

Giữ cố định ống pitot và theo dõi kết quả đo trên màn hình thiết bị Ghi lại kết quả khi các thông số áp suất, nhiệt độ và vận tốc đã ổn định.

Chia kênh dẫn thành 5 đoạn bằng nhau và thực hiện đo lặp lại tại 5 vị trí khác nhau Sau đó, lấy kết quả trung bình để đảm bảo độ chính xác cao nhất.

Kết quả đo được trình bảy trong bảng 5.2:

Bảng 5.2 Kết quả đo thông số khói thải, không khí nóng

Thông số Đơn vị Điểm đo

5.2.3 Phân tích thành phần khói thải Đại lượng đo: thành phần khói thải O2, CO, NO, SO2, CO2, NOx

Vị trí đo: Đầu vào kênh thu hồi khói thải sau buồng gia nhiệt

Thiết bị đo: Thiết bị đo khói thải Kigaz 310

- Khởi động máy và kiểm tra tình trạng hoạt động của máy đo khói thải và các sensor

- Thiết lập chương trình đo: Khởi động thiết bị đo ՜ INSTRUMENTS ՜ Flue gas analysis ՜Cài đặt thông số thành phần hóa học than ՜OK

- Kết nối máy đo khói vào đầu đo khói thải

Để đo khói thải hiệu quả, hãy đưa đầu đo vào kênh dẫn sao cho ống pitot vuông góc với dòng khói hoặc không khí nóng Một miệng ống cần tạo góc 0 độ với hướng chảy của dòng khói, trong khi miệng ống còn lại phải tạo góc 180 độ với hướng chảy đó.

Để đảm bảo độ chính xác trong việc đo áp suất thấp hơn áp suất môi trường, cần bịt kín khe hở giữa đầu đo và lỗ mở đo Việc này giúp ngăn chặn tình trạng lọt khí, từ đó giảm thiểu sai số trong kết quả đo.

Giữ cố định đầu đo và theo dõi kết quả trên màn hình thiết bị, ghi lại số liệu khi các thông số đã ổn định.

Kết quả đo được trình bảy trong bảng 5.3:

Bảng 5.3 Kết quả đo phân tích thành phần khói thải

Thông số Đơn vị Giá trị

Theo số liệu phát thải môi trường, nồng độ CO đạt 550 ppm, SO2 đạt 90 ppm và NOx đạt 9 ppm, tất cả đều nằm trong giới hạn cho phép theo quy định tại QCVN 19:2009BTNMT, quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khí thải công nghiệp đối với bụi và các chất vô cơ.

Thiết bị đo tích hợp Lutron LM8000A (hình 5.2) có khả năng đo lường các thông số môi trường như nhiệt độ, tốc độ gió, ánh sáng và độ ẩm Thông số kỹ thuật chi tiết của thiết bị được trình bày trong bảng 5.4 [56].

Bảng 5.4 Thông số kĩ thuật thiết bị đo, tốc độ gió, ánh sáng, độ ẩm không khí nhiệt độ môi trường

Thông số Khoảng đo Độ phân giải Độ chính xác Độ ẩm

(%RH) 10 ÷ 95% RH 0,1% RH < 70% RH: ±4% RH

Hình 5.2 Thiết bị đo tích hợp - Lutron LM8000A

Nhiệt kế hồng ngoại Testo 845 (hình 5.3) cung cấp khả năng đo nhiệt độ chính xác từ khoảng cách gần và có thể thay đổi ống kính quang học để đo ở tiêu cự xa và gần Thông số kỹ thuật của thiết bị được liệt kê trong bảng 5.5 [57].

Bảng 5.5 Thông số kĩ thuật nhiệt kế hồng ngoại

Thông số Dải đo nhiệt độ Độ phân giải Độ chính xác Độ phát xạ Tỷ lệ khoảng cách Nhiệt độ (℃) -35 ÷ +950 ° C 0,1 ° C ± 0,75 ° C 0,1 ÷ 1,03 DS 75: 1

Hình 5.3 Nhiệt kế hồng ngoại- Testo 845 Đại lượng đo: Nhiệt độ kết cấu lò

Vị trí đo: Dọc theo các khu vực sấy, gia nhiệt, nung làm nguội tại các vị trí bề mặt kết cấu

Số điểm đo: 5 điểm/buồng

- Khởi động và kiểm tra tình trạng hoạt động của thiết bị

- Thiết lập chương trình đo: Khởi động thiết bị đo ՜ ࢿ để thay đổi hệ số phát xạ của gạch, chọn ࢿ ൌ 0,93

Để đo nhiệt độ chính xác, hãy bấm nút đo và chiếu chùm tia laze vào vị trí cần đo Di chuyển khoảng cách đo sao cho hai điểm laze tạo thành đường kính của một hình tròn, với hình tròn này nằm trên cùng một mặt phẳng của bề mặt cần đo.

- Giữ thiết bị cố định, xem kết quả đo trên màn hình thiết bị đo, ghi lại kết quả đo khi các thông số đã tương đối ổn định

Kết quả đo nhiệt độ trung bình tại tùng vị trí được trình bảy trong bảng 5.6:

Bảng 5.6 Nhiệt độ trung bình bề mặt tại buồng gia nhiệt, buồng nung, buồng làm nguội

Nhiệt độ trung bình thành buồng gia nhiệt o C 17,0

Nhiệt độ trung bình nóc buồng gia nhiệt o C 16,0

Nhiệt độ trung bình thành buồng nung o C 164,4

Nhiệt độ trung bình nóc buồng nung o C 163,8

Nhiệt độ trung bình thành buồng làm nguội o C 129,0

Nhiệt độ trung bình nóc buồng làm nguội o C 175,0 Đại lượng đo: Nhiệt độ môi trường

Vị trí đo: Dọc theo các khu vực sấy, gia nhiệt, nung làm nguội tại các vị trí xung quanh thành lò và nóc lò

Số điểm đo: 5 điểm/buồng

- Khởi động và kiểm tra tình trạng hoạt động của thiết bị và các sensor

- Thiết lập chương trình đo: Khởi động thiết bị đo ՜ Function ՜Chọn chức năng đo nhiệt độ

Đưa thiết bị đến vị trí cần đo và theo dõi kết quả trên màn hình Ghi lại kết quả khi các thông số đã ổn định.

Kết quả đo nhiệt độ trung bình tại tùng vị trí được trình bảy trong bảng 57:

Bảng 5.7 Nhiệt độ môi trường xung quanh buồng gia nhiệt, buồng nung, buồng làm nguội

Nhiệt độ môi trường xung quanh các buồng trong quá trình sản xuất có sự chênh lệch đáng kể: buồng gia nhiệt đạt 34,5°C, buồng nung là 35,1°C, buồng làm nguội có nhiệt độ 37,7°C, và buồng sấy duy trì ở mức 31,6°C.

Cân bằng năng lượng

Phân tích năng lượng cho quá trình vận hành lò gạch được thực hiện sau khoảng 2 tuần ổn định, với tốc độ nung liên tục Nguyên tắc chính là cân bằng năng lượng giữa năng lượng đầu vào (q1) và năng lượng tổn thất (qi, i = 2 đến 7) của lò, như thể hiện trong hình 5.4.

Hình 5.4 Sơ đồ cân bằng năng lượng cho lò nung liên phòng

Khi lò hoạt động, nhiệt năng được sinh ra từ quá trình đốt cháy nhiên liệu than đá Năng lượng từ không khí cháy được coi là không đáng kể, gần như bằng 0 Qua khảo sát thực tế tại doanh nghiệp, khối lượng than tiêu thụ trung bình trong một giờ được xác định là 334,6 kg/h.

Năng lượng nhiệt đưa vào lò trung bình trong một giờ theo PT 3.24 là:

Qdv= ͵͵Ͷǡ͸ ൈ 20276,88 = 6784645 kJ/h Suất tiêu hao năng lượng cho 1 kg gạch (thành phẩm) theo PT 3.26 là:

SEC = Q1 = ଺଻଼ସ଺ସହ ଷଷଷଷǡଷ = 2035,4 kJ/kg Suất tiêu hao nhiên liệu cho 1 kg gạch (thành phẩm) theo PT 3.37 là: b = ୆ ୔ = ଷଷସǡ଺ ଷଷଷଷǡଷ = 0,100 kg/kg gạch PT 3.37

Các tính toán chi tiết về nhiệt đầu vào được trình bày trong Phụ lục 9

5.3.2 Tổn thất nhiệt do bốc hơi nước trong gạch mộc

Những viên gạch mộc có độ ẩm cao trước khi đưa vào lò Để tính toán năng lượng cần thiết cho việc bay hơi ẩm trên mỗi kg gạch, cần xem xét các yếu tố liên quan.

Trong nghiên cứu này, loại gạch đặc được xem xét là sản phẩm của doanh nghiệp Phú Kim An, với khối lượng trung bình của một viên gạch là 634,2 kJ/kg.

69 gạch đầu ra ୥ = 1,7 kg/viên và một viên gạch đầu vào (gạch mộc) ୫ = 2,13 kg/viên Nhiệt ẩn hóa hơi của nước r = 2484 kJ/kg ở áp suất vận hành lò q2 = ୕ మ ୕ భ ൈ 100% = ହ଻଺ǡଶ ଶ଴ଷହǡସ ൈ 100% = 28,3% PT 5.2

Các tính toán chi tiết về tổn thất nhiệt này được trình bày trong Phụ lục 10

5.3.3 Tổn thất nhiệt do khói thải

Khói thoát ra từ lò có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ môi trường, gây ra tổn thất nhiệt ra bên ngoài Theo phương pháp PT 3.29, tổn thất nhiệt do khói thải trên một kg gạch được xác định rõ ràng.

Lưu lượng khối lượng khói thải trong điều kiện thực tế được tính theo công thức: mf = vf × A × ρf × 3600, với mf là lưu lượng khối lượng (kg/h), vf là vận tốc khói thải trong kênh dẫn (m/s), A là diện tích mặt cắt ngang kênh xả (m²) và ρf là khối lượng riêng của không khí nóng (kg/m³) Ví dụ, với vf = 3,7 m/s, A = 1,2 m² và ρf = 1,295 kg/m³, ta có mf = 20699 kg/h Ngoài ra, tỷ lệ phần trăm q3 được tính bằng công thức: q3 = (m1/m2) × 100%, với kết quả là 36,6%.

5.3.4 Tổn thất nhiệt do không khí nóng thoát ra từ buồng sấy

Sau giai đoạn sấy, không khí nóng thoát ra khỏi lò vẫn giữ nhiệt độ cao hơn môi trường, nhưng lại có độ ẩm cao, không còn phù hợp cho các giai đoạn tiếp theo trong lò nung Tổn thất nhiệt từ khí nóng này trên mỗi kg gạch theo PT 3.31 là một yếu tố quan trọng cần xem xét.

Lưu lượng khối lượng không khí nóng thải ra môi trường xung quanh được ký hiệu là 70 mha (kg/h), trong đó cpha là nhiệt dung riêng của không khí nóng (kJ/kg.K), tha là nhiệt độ không khí nóng (°C), và ta là nhiệt độ môi trường (°C).

Lưu lượng khối lượng khí nóng thải ra môi trường được tính theo công thức mha = vha × S × ρha × 3600, với mha là lưu lượng khối lượng (kg/h), vha là vận tốc không khí nóng trong kênh dẫn (m/s), S là diện tích mặt cắt ngang kênh xả (m²) và ρha là khối lượng riêng của không khí nóng (kg/m³) Ví dụ, với các giá trị vha = 5,2 m/s, S = 0,72 m², ρha = 1,295 kg/m³, lưu lượng khối lượng khí nóng được tính là 13681 kg/h Ngoài ra, tỷ lệ phần trăm khí nóng được thải ra cũng được tính bằng công thức q4 = (mha / mtotal) × 100%, cho kết quả 10,4%.

5.3.5 Tổn thất nhiệt do nhiệt tích lũy trong gạch dỡ

Do nhu cầu rút ngắn thời gian sản xuất, gạch thành phẩm thường được bốc dỡ ra khỏi lò khi vẫn còn nhiệt độ cao Hệ quả là một phần nhiệt năng vẫn tích lũy trong gạch, dẫn đến tổn thất nhiệt, được gọi là tổn thất nhiệt do tích lũy.

Tổn thất nhiệt do tích lũy trên một kg gạch được tính theo PT 3.32:

Q5 = cpg (tg – ta ) , kJ/kg PT 3.32

Q5 = 0,921 ൈ (78-25) = 48,8 kJ/kg Trong đó: cpg : Nhiệt dung riêng của gạch (kJ/kg.K) tg : Nhiệt độ gạch khi bốc dỡ ( o C) ta : Nhiệt độ môi trường ( o C) q5 = ୕ ఱ ୕ భ ൈ 100% = ସ଼ǡ଼ ଶ଴ଷହǡସ ൈ 100% = 2,4% PT 5.6

5.3.6 Tổn thất nhiệt qua kết cấu lò

Tổn thất nhiệt qua nóc lò

Phần nóc lò được thiết kế với lớp cách nhiệt bằng bông gốm và bê tông chịu nhiệt gia cố bằng thép, giúp giảm thiểu tổn thất nhiệt và ngăn ngừa rò rỉ khí nóng cùng khói thải ra môi trường Nhiệt độ tại nóc lò rất cao, đặc biệt ở buồng làm nguội và buồng nung, trong khi nhiệt độ ở buồng sấy khá thấp, do đó có thể bỏ qua tổn thất ở vị trí này Theo PT 3.33, tổn thất nhiệt qua nóc lò tại buồng nung và buồng làm nguội trên một kg gạch là rất đáng kể.

Nhiệt tổn thất qua nóc lò (kJ/kg) được xác định bằng hệ số truyền nhiệt qua 1m² nóc lò (kJ/h.m².°C), trong đó tt là nhiệt độ bề mặt nóc lò tại vị trí đo (°C) và ta là nhiệt độ môi trường tại vị trí đo (°C).

At : Diện tích bề mặt nóc lò (m 2 ) nb: số buồng lò

Tổn thất nhiệt qua tường lò:

Tương tự, tổn thất nhiệt qua tường lò theo PT 3.33 là:

Q6w: Nhiệt tổn thất do đối lưu và bức xạ qua tường lò (kJ/h) kw: Hệ số truyền nhiệt qua 1m 2 tường lò (kJ/h.m 2 o C) tw: Nhiệt độ tường lò ( o C)

72 ta: Nhiệt độ môi trường ( o C)

Aw: Diện tích bề mặt tường lò (m 2 )

Tổn thất nhiệt do đối lưu và bức xạ qua kết cấu lò được tính như sau:

5.3.7 Tổn thất nhiệt không tính được

Các lò gạch đang hoạt động thường gặp phải những tổn thất nhiệt phức tạp, trong đó bao gồm tổn thất nhiệt do nhiệt tích tụ trong kết cấu và khung lò.

Khi dỡ gạch, nhiệt độ tại vị trí dỡ gạch tương đương với gạch, và kết cấu lò bao gồm tường lò, đáy lò, kênh dẫn khói thải, cùng lớp cách nhiệt trên nóc lò Nhiệt tích tụ trong các cấu trúc này không thể sử dụng trong quá trình dỡ gạch, và thời gian dỡ tải phụ thuộc vào nhiều yếu tố, khiến sự phân bố nhiệt độ bên trong lò trở nên phức tạp Do đó, tổn thất nhiệt trong giai đoạn này rất khó xác định Bên cạnh đó, còn có tổn thất nhiệt do carbon không cháy hết trong tro.

Quá trình nung, cấu trúc lò và kinh nghiệm của công nhân vận hành ảnh hưởng đến việc than có cháy hoàn toàn hay không, dẫn đến việc tồn tại một lượng nhất định các nguyên tố dễ cháy trong tro bay và tro đáy Những phần tử này gây ra tổn thất nhiệt ra môi trường, nhưng lượng nhiệt mất mát này khó có thể tính toán do việc lấy mẫu từ lượng tro lớn trong lò rất phức tạp Bên cạnh đó, tốc độ của tro bay cũng khó xác định, cùng với tổn thất nhiệt do sự hình thành carbon monoxide trong khói thải.

Đánh giá môi trường

Khói thải từ lò nung được dẫn qua kênh ngầm đến bộ xử lý trước khi thải ra môi trường Bộ xử lý này hoạt động theo nguyên lý bể dập bụi, giữ lại toàn bộ bụi trong dung dịch Để xử lý SO2 trong khói thải, đá vôi được thêm vào dung dịch, tuy nhiên, do doanh nghiệp sử dụng than qua lửa làm nhiên liệu, hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu gần như không đáng kể.

Năm 2022, Trung tâm Quan trắc và Bảo vệ môi trường tỉnh Phú Thọ đã tiến hành giám sát môi trường tại lò nung liên phòng cơ sở Phú Kim An Công việc bao gồm đo đạc và xác định các thông số môi trường thực tế, cũng như giám sát các hoạt động liên quan đến môi trường trong quá trình hoạt động của cơ sở Kết quả quan trắc và phân tích môi trường sẽ được sử dụng để đưa ra các biện pháp bảo vệ môi trường hiệu quả.

Cơ sở cần điều chỉnh và bổ sung biện pháp quản lý chất thải cũng như xử lý môi trường phù hợp để đảm bảo công tác bảo vệ môi trường và phát triển bền vững trong sản xuất kinh doanh Kết quả quan trắc và phân tích khí thải tại ống khói lò nung liên phòng được thể hiện trong bảng 5.10.

Bảng 5.10 Kết quả quan trắc, phân tích khí thải lò nung liên phòng [54]

TT Thông số Đơn vị Giá trị QCVN19: 2009/BTNMT

3 NOx tính theo NO2 mg/Nm 3 44,4 850

Kết quả quan trắc cho thấy các thông số phát thải từ lò nung liên phòng đều nằm trong giới hạn cho phép theo QCVN 19:2009/BTNMT, quy chuẩn quốc gia về khí thải công nghiệp đối với bụi và các chất vô cơ (cột B).

Đánh giá ưu nhược điểm của lò nung liên phòng và đề xuất những cải tiến

Công nghệ lò nung liên phòng, phát triển từ nguyên lý lò Hoffman, mang lại công suất cao hơn lò gián đoạn Lò nung liên phòng tiết kiệm năng lượng hiệu quả hơn nhờ việc thu hồi và tận dụng nguồn không khí nóng trong quá trình làm nguội sản phẩm để sấy mộc Điều này đã được áp dụng cho lò tuynel, nhưng chưa được thực hiện cho lò vòng Hoffman và lò liên phòng thông thường.

Việc phân chia lò thành nhiều buồng cách biệt tạo ra các môi trường nung riêng biệt, giúp dễ dàng điều chỉnh chế độ nung mà không ảnh hưởng đến các buồng khác Đặc điểm này cho phép lò nung đồng thời nhiều loại sản phẩm khác nhau như gạch, ngói và gạch nem tách trong các buồng riêng biệt.

Lò nung liên phòng cung cấp cơ hội tiếp nhiệt tại buồng đốt phụ, rất phù hợp cho sản phẩm gốm thô như ngói, nơi không thể trộn than vào đất trước khi nung Việc xếp lẫn nhiều nhiên liệu cùng với sản phẩm trong quá trình nung có thể gây hư hỏng Nguồn nhiên liệu sử dụng trong buồng đốt phụ được đa dạng hóa, tận dụng các nguyên liệu sẵn có tại địa phương như tro xỉ nhiệt điện, than chất lượng kém, củi và phế phẩm sinh học.

Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ đơn giản rất phù hợp với trình độ lao động tại các khu vực vùng sâu vùng xa Giải pháp này giúp khắc phục khó khăn trong việc tìm kiếm lao động có trình độ cao, từ đó đảm bảo lò hoạt động ổn định như các lò tuynel hiện đại.

Thiết kế kênh thu hồi khói thải ngầm tại cơ sở Phú Kim An cho phép kết nối thuận tiện với thiết bị xử lý khói thải trước khi thải ra môi trường, điều này được chứng minh qua kết quả phân tích quan trắc môi trường đối với khói thải lò nung liên phòng.

Một mô hình thực tế đã được phát triển, cho thấy chi phí đầu tư ban đầu thấp hơn so với lò tuynel có cùng công suất, điều này rất phù hợp cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ.

Bên cạnh đó, lò nung liên phòng vẫn tồn tại một số nhược điểm cần nhìn nhận và từ đó có những cải tiến phù hợp trong tương lai

Suất tiêu hao năng lượng trung bình của lò nung liên phòng là 2035,4 kJ/kg gạch thành, nằm trong khoảng từ 1000 đến 3000 kJ/kg gạch thành phẩm của các lò gạch hiện đại Để giảm suất tiêu hao năng lượng, cần giảm tổn thất nhiệt, đặc biệt là từ khói thải và không khí nóng Tối ưu hóa việc tận dụng nhiệt thừa từ lò nung cho quá trình sấy cũng là một giải pháp hiệu quả Đặc điểm ngọn lửa di chuyển liên tục giữa các buồng làm giảm tuổi thọ của kết cấu, đặc biệt là nóc lò, dẫn đến tăng tổn thất nhiệt Do đó, cần cải thiện kết cấu và vật liệu cách nhiệt của nóc lò để nâng cao hiệu quả năng lượng.

Hệ số không khí thừa cao và nồng độ CO trong khói thải cao cho thấy sự tiếp xúc kém giữa không khí và nhiên liệu trong quá trình đốt cháy Để cải thiện hiệu quả quá trình cháy, cần nghiên cứu cấp không khí cháy thứ cấp và điều chỉnh việc xếp sản phẩm trong lò.

Quá trình cấp nhiên liệu vào buồng đốt phụ hiện tại được thực hiện thủ công, gây tốn sức lao động Việc thiết kế hệ thống cấp nhiên liệu tự động dựa trên kiểm soát nhiệt độ sẽ giúp điều chỉnh nhiệt độ trong lò chính xác hơn, giảm tỷ lệ sản phẩm lỗi hỏng và giảm bớt công sức của người vận hành.

Việc thiết lập một quy trình vận hành chuẩn hóa là vô cùng quan trọng để đảm bảo lò nung liên phòng hoạt động hiệu quả, tối ưu và ổn định.

Tiêu đề	Nghiên cứu thiết kế lò nung liên phòng sản xuất gốm thô xây dựng
Tác giả	Trương Tuấn Ngọc
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Xuân Quang
Trường học	Đại học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Kỹ thuật nhiệt
Thể loại	luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	118
Dung lượng	3,65 MB