Đồ Án thiết bị nhiệt trong sản xuất vật liệu xây dựng thiết kế lò quay lung clanhke xi măng theo phương pháp khô có tháp trao Đổi nhiệt công suất 4 950 tấn clanhkengày Đêm

---o0o--- ĐỒ ÁN THIẾT BỊ NHIỆT TRONG SẢN XUẤT VẬT LIỆU XÂY DỰNG Thiết kế lò quay lung clanhke xi măng theo phương pháp khô có tháp trao đổi nhiệt công suất 4.950 tấn clanhke/ngày đêm

-o0o -

ĐỒ ÁN THIẾT BỊ NHIỆT TRONG SẢN XUẤT VẬT LIỆU XÂY DỰNG

Thiết kế lò quay lung clanhke xi măng theo phương pháp khô có tháp trao đổi

nhiệt công suất 4.950 tấn clanhke/ngày đêm

Trưởng Bộ môn: TS Nguyễn Trọng Lâm

Giáo viên hướng dẫn: TS Trần Đức Trung

Sinh viên thực hiện: Phùng Tuấn Nghĩa MSSV: 0027167 Lớp: 67VL1

Hà Nội, 9/2024

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời đại hiện nay, cùng với sự phát triển xã hội, quá trình công nghiệp hóa cũng phát triển một cách mạnh mẽ và không ngừng Những công trình công nghiệp được xây dựng ngày càng nhiều Trong đó xi măng là vật liệu quan trọng Xi măng được sản xuất đầu tiên

ở các nước tư bản như Đan Mạch, Anh, Pháp, Mỹ…vào cuối thế kỷ 19 Đến đầu thế kỷ 20,

xi măng đã trở thành một nhu cầu không thể thiếu trong xây dựng và phát triển kinh tế Việc áp dụng kỹ thuật tiến tiến vào trong quá trình sản xuất là một việc làm cần thiết để nâng cao năng suất lao động Một quá trình sản xuất có khả năng tự động cao sẽ đem lại nhiều lợi ích về kinh tế Tuy nhiên, việc áp dụng tự động hoá vào trong quá trình sản xuất

xi măng là một bài toán hết sức khó khăn Yêu cầu đối với hệ thống quá trình sản xuất xi măng là không những đảm bảo yêu cầu công nghệ mà còn phải đảm bảo được sự ổn định, chất lượng và sản lượng luôn ở mức tối đa có thể Do đó, việc nghiên cứu, phân tích, thiết

kế hệ thống cho nhà máy xi măng là vô cùng quan trọng Với ý nghĩa đó Đề tài đồ án của

em là: Thiết kế lò quay nung clanhke xi măng theo phương pháp khô có tháp trao đổi nhiệt.

Mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng vì thời gian không nhiều cộng với lượng kiến thức còn hạn chế nên không thể tránh được sự thiếu sót và nhầm lẫn Rất mong nhận được những đóng góp quý báu của các thầy giáo cùng bạn bè để đồ án được hoàn thiện hơn

Sau cùng em xin chân thành cảm ơn thầy TS Trần Đức Trung đã tận tình hướng dẫn em thực hiện đề tài này

SVTH: Phùng Tuấn Nghĩa

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU SẢN PHẨM

1 Giới thiệu về xi măng poóc lăng

1.1 Giới thiệu chung về xi măng poóc lăng

Xi măng poóc lăng là chất kết dính có khả năng đông kết, rắn chắc và phát triển cường độ trong môi trường không khí và môi trường nước, thường gọi là chất kết dính rắn trong nước hay chất kết dính thuỷ Xi măng poóc lăng được người thợ nề Joseph Aspdin phát minh ngày

21 tháng 10 năm 1824 ở nước Anh mang số hiệu 5022 có tên gọi: "Hoàn thiện việc sản xuất

đá nhân tạo" được công bố và nổi tiếng khi được sử dụng để xây dựng các công trình trên đảo Portland Cho tới năm 1843 con trai của Joseph Aspdin là William Aspdin đã sản xuất được "Xi măng poóc lăng chính hiệu" thoả mãn được khái niệm như ngày nay

Sự phát triển phương pháp và trang thiết bị sản xuất xi măng poóc lăng là cả một quá trình lâu dài Để xây dựng được nhà máy đầu tiên, người ta đã sử dụng các lò nung vôi, nung gạch

để nung clanhke xi măng Tại các nhà máy gạch, máy thái đất sét, máy cán máy ép gạch đã

sử dụng để gia công chế biến phối liệu cũng như nghiền clanhke và lò buồng, lò vòng được

sử dụng để nung Tại các nhà máy sản xuất vôi, lò đứng cũng đã được sử dụng để nung clanhke Từ "Clinker" hay "Cement clinker" xuất xứ từ nung thiêukết phối liệu và phối liệu được về viên hoặc đóng bánh như viên gạch mộc để đưa vào lònung Trong lò vòng người

ta còn xếp xen kẽ gạch đất sét mộc và bánh phối liệu xi măng để nung Mãi đến năm 1880, nhiều nhà máy cơ khí đã chế tạo các thiết bị chuyên dụng cho việc sản xuất xi măng, vì vậy

đã làm giảm tiêu hao lao động, nâng cao sản lượng và chất lượng, giảm giá thành xi măng Một bước tiến quan trọng đó là năm 1885, Frederik Ransome đã phát minh ra lò quay nung

xi măng đưa công nghiệp sản xuất xi măng lên một bước ngoặt mới về năng suất, chất lượng sản phẩm và có ý nghĩa cho tới hôm nay

Xi măng poóc lăng là loại chất kết dính được phát triển ngày càng hoàn thiện về tính năng

kỹ thuật và công nghệ sản xuất Các chủng loại xi măng poóc lăng là chất kết dính chủ yếu trong xây dựng của các quốc gia Căn cứ vào khả năng sản xuất và tiêu thụ xi măng người ta

có thể đánh giá được trình độ phát triển của từng nước

1.2 Thành phần khoáng và thành phần hóa của clanhke xi măng

Clanhke xi măng bao gồm những khoáng sau: CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3, … với hàm lượng chiếm khoảng 95-97%

Ngoài ra còn có các oxit khác với hàm lượng nhỏ: MgO, TiO2, K2O, Na2O,… hàm lượng các oxit phụ thuộc vào các loại clanke

Hàm lượng các oxit clanhke xi măng đều ảnh hưởng đến các tính chất của xi măng như: Canxi oxit (CaO) chủ yếu trong nguyên liệu đá vôi, quá trình nugn nhiên liệu tạo thành clanke ở các điều kiện nhất định chúng sẽ liên kết với các oxit khác tạo thành

các hợp chất hoá học quyết định tốc độ đông kết, rắn chắc cường độ của xi măng Khi hàm lượng CaO càng lớn thì khả năng tạo thành các hợp chất dạng khoáng Canxi Silicat có độ Bazo cao (C3S) trong clanke càng nhiều thì xi măng lại kém bền trong môi trường xâm thực sunfat Khó nung luyện và tồn tại hàm lượng canxi oxit tự do làm bất lợi cho xi măng do vậy trong thành phần khoáng của clanke xi măng người

ta khống chế hàm lượng CaO hợp lí là (63 – 66%)

CaO và MgO tự do chúng nằm ở dạng các hạt già lửa và tác dụng rất chậm với nước gây nên sự thay đổi thể tích không đều khi đóng rắn dẫn đến làm giảm cường độ xi măng Trong thực tế người ta khống chế hàm lượng của CaO tự do thường nhỏ hơn 0,5 – 1% Trong clanke xi măng khi nung luyện hàm lượng vôi tự do thườg 1% với lò nung, còn với lò đứng thì hàm lượng này 3-6%

Trong clanke xi măng pooc lăng các khoáng được thể hiện là:

Hàm lượng: C3S > C2S > C3A > C4AF

Cường độ 28 ngày (nén): C3S > C2S > C3A > C4AF

Tốc độ đóng rắn: C3A > C3S > C4AF > C2S

Clanke xi măng pooc lăng sau khi nung luyện tồn tại ở dạng hạt có đường kính từ

10-40 mm phụ thuộc vào dạng lò nung

Thành phần pha của clanhke :

Nguyên liệu được pha trộn theo tỷ lệ xác định rồi đem nung ở nhiệt độ cao khoảng 1450 –

1455oC nhằm tạo hợp chất chứa thành phần pha cần thiết (gồm các loại khoáng và pha thủy tinh)

Các oxit chính phản ứng tạo thành khoáng cần thiết Một phần nguyên liệu không phản ứng nằm trong pha thủy tinh hoặc ở dạng tự do Ngoài ra clanhke còn chứa những khoáng khác do tạp chất phản ứng tạo nên trong quá trình nung

2 Sản xuất clanhke xi măng

Quá trình sản xuất xi măng poóc lăng gồm hai giai đoạn chính là sản xuất clanhke xi măng poóc lăng và nghiền clanhke xi măng poóc lăng với thạch cao và có thể với các phụ gia khác.Sản xuất clanhke xi măng poóc lăng là quá trình phức tạp nhất, chiếm 70-80% giá thành xi măng phụ thuộc vào thành phần và chất lượng của nguyên liệu, tỉ lệ giữa các cấu tử ban đầu, độ phân tán mịn và độ đồng nhất của hỗn hợp phối liệu, chế độ nung và làm lạnh clanhke Để sản xuất clanhke xi măng poóc lăng có thể sử dụng phương pháp ướt, phương pháp khô và phương pháp liên hợp Ngày nay phương pháp khô sản xuất clanhke xi măng poóc lăng được sử dụng rộng rãi nhất

2.1 Trình bày công nghệ chế tạo sản phẩm

Giới thiệu các phương pháp chế tạo sản phẩm

- Ưu điểm: dễ nghiền, độ đồng nhất của phối liệu cao

- Nhược điểm: tiêu tốn nhiên liệu khi nung lớn,kích thước lò nung dài, diện tích xây dựng lớn, năng suất thấp

Phương pháp liên hợp

Là phương pháp trung gian giữa phương pháp ướt và phương pháp khô Khi sử dụng phương pháp ướt thì bùn phối liệu được khử nước trong thiết bị lọc chân không hay máy ép lọc đến khi đạt độ ẩm 12-15%, sau đó đưa vào tạo hạt trong thiết bị tạo hạt Nếu hỗn hợp nguyên liệu sản xuất theo phương pháp khô thì phải làm ẩm phối liệu đến độ ẩm 12-15% khi tạo hạt Lò nung phương pháp liên hợp là lò đứng, lò quay có kích thước canxinato và phối liệu vào lò ở dạng hạt

Lựa chọn phương pháp sản xuất

Việc lựa chọn phương pháp sản xuất phải căn cứ vào tính chất của nguyên liệu, khả năng kinh

tế kỹ thuật của đất nước và công suất yêu cầu của nhà máy Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nhược điểm cơ bản của phương pháp khô là độ đồng nhất kém đã được khắc phục Phương pháp khô có hiệu quả kinh tế lớn khi nguyên vật liệu có độ ẩm nhỏ (W=10÷15%), độ đồng nhất cao, điều kiện kỹ thuật tiên tiến và yêu cầu công suất nhà máy lớn

2.2 Thiết lập sơ đồ dây chuyền công nghệ

Hình 1.1: Sơ đồ công nghệ sản xuất xi măng theo phương pháp khô của nhà máy

2.3 Nguyên lý hoạt động

Bằng cách đưa phối liệu lần lượt đi qua các xiclôn từ cao xuống thấp, phối liệu được đốt nóng dần lên, trong khi nhiệt độ của khí nóng bị giảm dần Từ xiclôn gần tầng thấp nhất, phối liệu được đưa vào buồng phân hủy đá vôi để xảy ra quá trình phân hủy các hợp chất cacbonat thành CaO và CO2 được tách ra khỏi dòng khí để dẫn vào lò quay

Trong lò quay, phối liệu chuyển động tới phía đầu ra nhờ độ nghiêng và chuyển động quay của

lò Trong quá trình chuyển động từ đầu cao đến đầu thấp của lò, nguyên liệu tiếp xúc với dòng

Lò nung

Làm lạnh và ủ clanhke

Định lượng Nghiền

Xylo chứa Đóng bao

khí nóng có nhiệt độ ngày càng tăng, khi đến vùng nung, nhiệt độ của liệu đạt tới 1450 –

1455oC và xảy ra quá trình clanhke hóa Từ đầu ra của lò nung, Clanhke rơi xuống thiết bị làm nguội, trao đổi nhiệt với gió 2 và được ghi vận chuyển ra thiết bị vận chuyển Clanhke, qua thiết

bị đập bố trí đặt ở đầu ra của thiết bị làm lạnh Tốc độ của lò được điều chỉnh đề đảm bảo thời gian lưu của phối liệu trong lò nung đủ cho quá trình Clanhke hóa

Sự khác biệt khi nung Clanhke xi măng theo phương pháp khô ở trong thiết bị lò quay là không

có vùng bay ẩm phối liệu, bởi vì phối liệu đưa vào lò ở dạng bột khô hoặc có độ ẩm rất thấp

Vì vậy mà chi phí nhiệt cho khâu nung Clanhke giảm tới 40% Lò quay theo phương pháp khô khác nhau về kích thước, dạng hệ thống trao đổi nhiệt ngoài lò có các loại như thùng tháp xoáy, xiclôn Vật liệu đưa qua hệ thống này ở dạng bột khô

Hiện nay, các thiết bị trao đổi nhiệt đặt ngoài lò quay chủ yếu sử dụng kết cấu của hãng Gumbolt CHLB Đức Ở thiết bị này, mức độ phân hủy cacbonat đạt 30-40% Thiết bị có kết câu đơn giản, độ tin cậy cao, chi phí nhiệt cho 1kg clanhke thấp

Ưu điểm:

Thể tích khí cháy nhỏ, giảm giá thành cho việc làm sạch khói lò

Có thể sử dụng nhiệt của khí thải để sấy nguyên liệu Tiêu tốn ít nhiên liệu, sản xuất clanke, tiết kiệm chi phí điện

Kích thước lò nung nhỏ, mặt bằng xây dựng nhà máy nhỏ Hệ thống trao đổi nhiệt phức tạp,

hệ thống làm sạch nguyên liệu cũng phức tạp, mức độ cơ giới hoá và tự động hoá cao hơn phương pháp ướt, hệ số sử dụng thiết bị theo thời gian thấp hơn

Phân loại: hiện nay có 2 hệ thống lò chính

ILC: có tháp tiền nung đơn nhánh hoặc đa nhánh gồm 4-6 tần xiclon Buồng phân hủy đá vôi được lắp trong ống đứng của lò nung, do đó cả khí từ lò nung, khí từ thiết bị làm nguội clanke và các khí sinh ra trong buông phân hủy đều đi qua buông này Hệ thống lò ILC chỉ

sử dụng thiết bị làm nguội kiểu ghi

SLC: sử dụng một nhánh tháp tiền nung của lò quay và một hoặc hai nhánh tháp tiền của buồng phân hủy đá vôi đặt song song với ống đứng của lò quay nung Trong mỗi nhánh tháp tiền nung thường có 4 đến 6 xiclon Hệ sử dụng thiết bị làm nguội kiểu ghi

3 Trình bày thiết bị nhiệt sử dụng

những ưu điểm nổi trội của phương pháp khô so với phương pháp ướt Vì vậy hiện nay trên thế giới phương pháp khô sản xuất xi măng ngày càng chiếm ưu thế

3.2 Đặc điểm cấu tạo thiết bị

3.2.1 Lò quay

Phạm vi sử dụng

Khi lò quay hoạt động,dòng khí nóng từ ngọn lửa của nhiên liệu cháy được phun từ phía đầu thấp của lò, chuyển vận từ đầu thấp lên đầu cao Còn phối liệu được cấp vào phía đầu cao của lò, chuyển vận dần xuống phía đầu thấp,ngược chiều với dòng khí nóng

Hình 1.2 Thiết bị lò quay

Đặc điểm cấu tạo của lò quay

Trong quá trình vận chuyển, phối liệu sẽ được đưa qua các vùng có nhiệt độ khác nhau phân bó dọc theo chiều dài của lò ( được gọi là các Zôn), thực hiện các giai đoạn chuyển biến hóa lý để chuyển hóa thành các clanhke xi măng

Các diễn biến hóa lí chủ yếu của quá trình nung luyện clanhke như sau:

- Zôn sấy (70 ÷ 100 0C): nước liên kết cơ học bốc hơi, phối liệu được sấy khô hoàn toàn

- Zôn đốt nóng (450 ÷ 500 0C): các chất hữu cơ cháy, bốc hơi,nước liên kết hóa học trong các khoáng tinh thể ngậm nước như caolit bị tách ra, bốc hơi

Al2O3 2SiO2 2H2O 3 → Al2O3 2SiO2 + 2H2O Caolinit Metacaolinit

- Zôn phân hủy hay zôn tỏa nhiệt (500 ÷ 1000 0C): đất sét và đá vôi phân hủy, tạo ra các sản phẩm trung gian và oxit mới sinh:

Al2O3 2SiO2 3 → Al2O3 SiO2 + 2SiO2 CaCO3 → CaO + CO2

Đồng thời bắt đầu có phản ứng pha rắn giữa các oxit mới sinh tạo ra các loại khoáng C3A, C4AF,C2S

Các phản ứng đều tỏa nhiệt cho nhiệt độ Zôn này tăng nhanh so với Zôn trước, đặc biệt trong khoảng 900 ÷ 10000C

- Zôn kết nối (1300 ÷ 14500C): đây là Zôn có nhiệt độ cao nhất được thực hiện Các phản ứng tạo khoáng xi măng quan trọng nhất được thực hiện, kết hợp với quá trình kết khối tạo hạt clinke

Ở 13000C xuất hiên pha lỏng nóng chảy từ hỗn hợp có thành phần Etecty hệ silicat kiềm – kiềm thổ, hòa tan thêm các khoáng dễ chảy như C3A, C4AF

Nhờ có mặt pha lỏng, quá trình kết nối pha rắn được xúc tiến mạnh Ở 14000C pha lỏng tăng lên về lượng và giảm độ nhớt, hòa tan các khoáng C2S và CaO tự do Từ pha lỏng nóng chảy này, khoáng C3S là khoáng quan trọng nhất của xi măng Pooclang được tạo

ra Lượng C3S tạo được phụ thuộc vào lượng pha lỏng, thành phần hóa học của pha lỏng

Ở giai đoạn cuối của Zôn kết nối,khi nhiệt độ giảm xuống 10000C các khoáng C3A, C4AF, C2S kết tinh lại từ pha lỏng nóng chảy

- Zôn làm lạnh (1300 ÷ 10000C): sau khi kết thúc quá trình tạo khoáng và kết nối, clinke được làm lạnh trong lò từ 13000C xuống 10000C và tiếp tục vào máy lạnh để hạ nhiệt độ xuống dưới 1000C

Kết thúc quá trình luyện thu được clinke xi măng ở dạng hạt tròn (đường kính cỡ 10 –

40 mm), thành phần pha gồm có khoáng C3S(Alit), C2S(Belit), C3 A, C4 AF và pha thủy tinh, ngoài ra còn có một tỷ lệ rất nhỏ CaO tự do, MgO tự do

Để tăng tốc độ phản ứng trong quá trình nung luyện clinke xi măng, người ta thường đưa vào xi măng một tỷ lệ rất nhỏ các chất phụ gia khoang hóa như các hợp chất chứa

Flour, thạch cao, phospho thạch cao…) Các phụ gia này có tác dụng hạ nhiệt độ tạo pha lỏng, giảm độ nhớt pha lỏng, tăng tính hoạt động của pha lỏng, từ đó xúc tiến mạnh các quá trình phản ứng tạo khoáng trong hỗn hợp phối liệu

Nguyên lý hoạt động

Hệ thống lò quay là một ống hình trụ bằng thộp nghiêng 3 – 5 độ bên trong được lót bằng gạch chịu lửa cả hệ thống được đặt trên trụ quay cú bánh răng và các gối đỡ Tỷ số L/D < 32 đối với lò ngắn; L/D > 32 với lò dài

Nguyên liệu vào lò không được cho đầy mà chỉ chiếm thể tớch nhỏ để cú khoảng không cho khí chuyển động

Quá trình trao đổi nhiệt giữa khí nung và vật liệu nung xảy ra chủ yếu do bức xạ nhiệt và truyền nhiệt nhưng hiệu suất trao đổi nhiệt rất kém Để tăng hiệu suất trao đổi nhiệt ta cú nhiều biện pháp:

• Lò quay phương pháp ướt đưa thiết bị trao đổi nhiệt vào trong lò

• Lò quay phương pháp khô đưa thiết bị trao đổi nhiệt ra ngoài lò, đó là Xiclon trao đổi nhiệt Vật liệu nằm trong môi trường khí ở trạng thái lơ lửng làm cho bề mặt tiếp xúc với khí nóng lớn nên làm cho hiệu suất trao đổi nhiệt lớn

3.2.2 Tháp trao đổi nhiệt

Phạm vi sử dụng

Trong lò quay quá trình trao đổi nhiệt giữa khí nóng và vật nung xảy ra chủ yếu do bức xạ nhiệt, ngoài ra còn có sự truyền nhiệt,nhưng hiệu suất trao đổi nhiệt trong lò là rất kém vì thế để tăng hiệu suất trao đổi nhiệt người ta dùng các biện pháp khác nhau: trong lò quay phương pháp ướt người ta dùng các thiết bị nằm trong lò như xích treo vào vòm trên của lò nhằm tăng

bề mặt tiếp xúc của khí nóng và vật liệu Trong lò quay phương pháp khô người ta đưa thiết

bị trao đổi nhiệt ra ngoài lò gọi là tháp trao đổi nhiệt (nó bao gồm các xiclôn trao đổi nhiệt), trong thiết bị này vật liệu dạng bột nằm trong môi trường khí ở trạng thái lơ lửng do đó bề mặt tiếp xúc với khí nóng lớn làm cho hiệu suất trao đổi nhiệt lớn, ngoài ra xyclôn trao đổi nhiệt còn là thiết bị có tác dụng phân huỷ một phần cacbonat

Đặc điểm cấu tạo

Tuy các tầng xyclon có kích thước khác nhau, nhưng cơ bản có cấu tạo giống nhau

1- Ống nối dẫn khí 5- Van lật

2- Khớp giãn nở nhiệt 6- Ống dẫn liệu

3- Thân xyclon 7- Ống lắp thiết bị đo lường

4- Cửa chống tắc kẹt

Sự phát triển nhanh của ngành công nghiệp sản xuất xi măng theo phương pháp khô đã phát minh ra hệ thống gia nhiệt ngoài lò Hệ thống này có nhiệm vụ tận dụng tối đa nhiệt khí thải

và đốt nóng phối liệu đến nhiệt độ cao trước khi vào lò nung

Chiều dày lớp cách nhiệt và lớp vật liệu chịu lửa phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc của mỗi tầng xyclon Nhiệt độ càng cao thì lớp vật liệu chịu lửa và vật liệu cách nhiệt càng lớn

Trong hệ thống tháp trao đổi nhiệt, người ta thiết kế các cyclon có hiệu suất lắng khác nhau Với mục đích tuần hoàn một phần bột liệu để tăng cường quá trình trao đổi nhiệt (do tăng thời gian trao đổi nhiệt), các cyclon tầng dưới thường có hiệu suất lắng thấp hơn tầng trên,

Hệ thống xyclon trao đổi nhiệt (4 bậc)

Hình 1.3 Xiclon trao đổi nhiệt 4 bậc

Xyclon bậc 1:

Nhiệt độ khí đầu vào khoảng 5000C, đầu ra khoảng 3000C.Ở nhiệt độ này, với bụi phối liệu từ xyclon bậc hai vào

có nhiệt độ khoảng 450 – 5000C

Tại cyclon tầng 1, quá trình chủ yếu là sấy và bay hơi ẩm, bột liệu được lắng xuống và đi theo ống dẫn qua các van đối trọng xuống ống khí ra của cyclon tầng 3 để cùng khí nóng đi vào cyclon tầng 2 Quá trình trao đổi nhiệt và lắng bụi cứ tiếp tục với sự trao đổi nhiệt ngược dòng (trong toàn hệ thống bột liệu đi từ trên xuống, khí nóng từ lò và canxinater đi lên)

Xyclon bậc 3:

Nhiệt độ khí đầu vào xyclon bậc bậc 3 khoảng 8000C (từ xyclon bậc 4), nhiệt độ khí đầu ra khoảng 6500C (vào xyclon bậc 2) Nhiệt độ phối liệu đầu vào khoảng 5000C và đầu ra 6500C Quá trình chính trong xyclon bậc này sẽ là đất sét mất nước hóa học, biến đổi thù hình của SiO2, bắt đầu phân hủy cacbonat Tạp chất hữu cơ lẫn trong nguyên liệu.Bột than trộn nhiên liệu cũng sẽ cháy nốt trong giai đoạn này

Xyclon bậc 4:

Nhiệt độ khí đầu vào của xyclon bậc 4 là khoảng 11000C (là nhiệt khí thải từ lò quay, hoặc thiết bị làm nguội và ra khoảng 8000C được đưa vào xyclon bậc 3 vật liệu từ ống đứng buồng khói và canxinater đến cyclon tầng 4 qua ống cong với hành trình dài để tiếp tục trao đổi nhiệt với dòng khí nóng ≈ 8000C Sau khi ra khỏi tầng 4 bột liệu chảy xuống lò quay, khi này đã đạt mức độ phân hủy cacbonat CaCO3 → CaO + CO2 khoảng 90%

Nguyên lý hoạt động

Ống hình trụ

Khí nóng đi từ dưới lên

Vật liệu đi vào ống theo phương tiếp tuyến

Với vành trụ theo đường xoáy trôn ốc có lực ly tâm làm các hạt văng vào thành và mất động lượng Vật liệu đi từ đường ống do tác dụng của lực ly tâm sẽ va đập và tiếp xúc với khí nóng theo đó khí nóng sẽ đi lên trên còn vật liệu rơi xuống

3.2.3 Thiết bị làm lạnh

Clanhke sau khi ra khỏi lò có nhiệt độ khoảng 1000-12000C được làm nguội về 50-2000C nhờ

các hệ thông máy lạnh: máy ống quay, máy thu hồi nhiệt, máy làm lạnh kiểu ghi đẩy

Ở đây ta xét thiết bị làm lạnh kiểu ghi đẩy:

Hình 1.4 Thiết bị làm lạnh kiểu ghi đẩy

Thiết bị có độ làm lạnh lớn, vận tốc dịch chuyển clanhke lớn Ra khỏi máy làm lạnh clanhke ở nhiệt độ 80-120℃ Clanhke từ lò quay (2) chuyển đến buồng máy làm lạnh gồm các ghi nghiên

cố định, không khí lạnh được thổi dưới ghi nhờ quạt áp lực cao, quạt thổi áp lực cao tạo ra sự

phân bố đều clanhke trên lưới máy lạnh Clanhke được chuyển tiếp đến lưới nằm ngang, lưới

này được tạo từ các ghi cố định (13) và ghi di động (12), ghi di động thực hiện chuyển động

qua lại Clanhke được băng tải (9) đưa đến kho ủ Số clanhke rơi ra ngoài ghi máy lảnh được

băng tải (10) chuyển đi Trong quá trình dịch chuyển trong thiết bị làm lạnh clanhke nóng trao

đổi nhiệt với không khí lạnh trên mặt ghi, kết quả clanhke nguội dần còn không khí được đốt

nóng lên khoảng 550-600℃ Lượng không khí nóng sau làm lạnh có thể được dùng một phần

cung cấp cho vòi đốt, một phần trích quay lại đầu của xyclon (trước lò nung) và phần còn lại

thải ra môi trường

CHƯƠNG 2 :TÍNH TOÁN

2.1 Số liệu được giao

- Nguyên liệu: đá vôi, đất sét, quặng sắt, tro than

- Nhiên liệu: than cám Ka

Bảng 2.1: Thành phần hóa của nguyên liệu

Σi SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO R2O SO3 MKN

Đá vôi 0,67 0,23 0,21 53,92 1,35 0,12 0,05 43,56 100,11 Đất sét 62,28 19,72 7,52 0,58 1,21 0,54 0,77 7,57 100,19 Quặng sắt 13,86 3,62 72,65 2,12 1,32 - 0,66 5,91 100,14 Tro than 61,56 9,23 21,48 4,71 1,92 - 0,18 - 99,08

Bảng 2.2: Thành phần than cám Ka

2.2 Tính toán phối liệu sản xuất

Chuyển thành phần của nguyên vật liệu sử dụng (chưa đúng = 100%) về 100% bằng cách nhân

hàm lượng từng ôxít của từng loại nguyên vật liệu với hệ số Ri của nguyên liệu tương ứng:

Ri=1

Σi.100 Trong đó: Ri : Hệ số chuyển đổi của cấu tử thứ i

∑i : Tổng hàm lượng các ôxít của cấu tử thứ i

Theo ∑i của nguyên vật liệu trong bảng 1 ta tính hệ số chuyển đổi như sau:

Với đá vôi A: Rdv= 100

100,11=0,9989

Với đất sét B: : Rđs= 100

100,19=0,9981 Với quặng sắt C: Rqs= 100

100,14=0,9986 Với tro than: Rtt=100

99,08=1,0093 Thành phần hóa học của các loại nguyên vật liệu chuyển về 100% đưa ra trong bảng 2.3

Bảng 2.3: Thành phần nguyên vật liệu quy về 100%

Σi SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO R2O SO3 MKN

Đá vôi 0,67 0,23 0,21 53,86 1,35 0,12 0,05 43,51 100 Đất sét 62,16 19,68 7,5 0,58 1,21 0,54 0,77 7,57 100 Quặng sắt 13,84 3,61 72,55 2,12 1,32 - 0,66 5,9 100 Tro than 62,13 9,32 21,68 4,75 1,94 - 0,18 - 100

Từ bảng số liệu của bảng thành phần hóa học (đã quy về 100%) chuyển về thành phần hóa học của nguyên vật liệu đã nung bằng cách nhân thành phần hóa của cấu tử thứ i chưa nung với hệ số Ki của nó:

Ki = 100100−𝑀𝐾𝑁𝑖Dựa vào MKN của các loại nguyên liệu (Bảng 2.3), tính được hệ số K tương ứng với các loại

nguyên vật liệu như sau:

Kđv= 100100−𝑀𝐾𝑁đ𝑣= 100

100−43,51=1,7702 Kđs=100−𝑀𝐾𝑁đ𝑠100 =100−7,56100 =1,0818 Kqs= 100

100−𝑀𝐾𝑁𝑞𝑠= 100

100−5,9=1,0627 Ktt=1 vì MKNtt=0%

Nhân lần lượt thành phần hóa học của các loại nguyên vật liệu chưa nung(Bảng2) với hệ số K tương ứng của nguyên vật liệu ta có thành phần nguyên liệu đã nung trong bảng 2.4

Bảng 2.4 Thành phần nguyên vật liệu đã nung

Σi SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO R2O SO3

Wlv Alv Slv Clv Hlv Nlv Olv Tổng (%)

Thành phần hóa học của than Ka quy về 100% đưa ra trong bảng 2.5

Bảng 2.5: Bảng thành phần hóa học của than cám Ka (quy về 100%)

Thành phần của than cám Ka quy về thành phần làm việc (khi chọn độ ẩm làm việc Wlv = 1,00%

là độ ẩm than sau khi nghiền mịn) bằng cách nhân lần lượt các thành phần với hệ số sử dụng than Kth đưa ra ở bảng 2.6

Kth= 100−1100−6,93=1,0637 Bảng 2.6: Bảng thành phần làm việc của than cám Ka

2.3 Hàm lượng tro lẫn trong clanhke

- Hàm lượng tro lẫn trong clanhke được tính theo công thức:

q=100.100𝑃.𝐴.𝐵 100 (1) Trong đó:

q: Hàm lượng tro của than lẫn trong clanhke (%)

A: Hàm lượng tro của than sử dụng (%) Với than cám Ka, A = 18,96%

B: Mức độ lẫn của tro than trong clanhke so với tổng hàm lượng tro của than sử dụng (lò

quay phương pháp khô: chọn B = 90%)

P: Lượng than tiêu tốn để nung 1 kg clanhke (kg than/kg clanhke)

P=𝑄𝑙𝑣Qtt, (kg than/kg clanhke)

Qtt: nhiệt tiêu tốn để tạo ra l kg clanhke, phụ thuộc vào phương pháp sản xuất

Với lò quay phương pháp khô: Chọn Qtt = 760 (Kcal/kg)

Qlv: Nhiệt trị làm việc của than (Kcal/kg than)

+ Lượng than tiêu tốn P =6363,56760 =0,1194 (kg than/kg clanhke)

Thay vào công thức (1), tính được hàm lượng tro than lẫn trong clanhke là:

q=0,1194.18,96.90100.100 100 = 2,04%

2.4 TÍNH THÀNH PHẦN PHỐI LIỆU NUNG CLANHKE XI MĂNG

Để thuận tiện trong quá trình tính toán, kí hiệu các ôxít của mỗi nguyên liệu trong bài toán phối liệu (gồm đá vôi, đất sét, quặng sắt, tro than) như trong bảng 6

Bảng 2.7 Ký hiệu các ôxít của các cấu tử trong phối liệu và nguyên vật liệu sử dụng

Thành phần Clanhke Phối liệu Đá vôi (1) Đất sét

(2)

Quặng sắt (3)

x là phần khối lượng của cấu tử đá vôi (1)

y là phần khối lượng của cấu tử đất sét (2)

z là phần khối lượng của cấu tử quặng sắt (3)

Kết hợp với lượng tro than lẫn trong clanhke q (4) tạo nên clanhke xi măng

Ta có: x + y + z + q = 100

Thành phần các ôxít trong clanhke được tính theo công thức như sau:

C=x.C1 y.C2 z.C3 q.C4

100A=x.A1 y.A2 z.A3 q.A4100S=x.S1 y.S2 z.S3 q.S4

100F=x.F1 y.F2 z.F3 q.F4

100C1, S1, A1, F1 là hàm lượng CaO; SiO2; Al2O3; Fe2O3 của cấu tử đá vôi (1)

C2, S2, A2, F2 là hàm lượng CaO; SiO2; Al2O3; Fe2O3của cấu tử đất sét (2)

C3, S3, A3, F3 là hàm lượng CaO; SiO2; Al2O3; Fe2O3 của cấu tử quặng sắt (3)

C4, S4, A4, F4 là hàm lượng CaO; SiO2; Al2O3; Fe2O3 của cấu tử tro than q (4)

Đây là bài toán ba cấu tử: đá vôi, đất sét, quặng sắt và có lẫn tro than nên có thể chọn 2 hệ số: KH và n hoặc KH và p

Giả sử chọn KH và n Với clanhke xi măng mác 50, ta chọn KH = 0,90; n = 2,20

Thế các giá trị trên vào công thức của các hệ số bài toán 3 cấu tử:

KH =C (1,65.A 0,35.F)

2,80.Sn=𝐴+𝐹𝑆

x + y + z + q = 100 Với hệ 3 cấu tử có lẫn tro than, để xác định x, y, z ta giải hệ phương trình (2) sau:

a1x+b1y+c1z=d1 a2x+b2y+c2z=d2 (2) a3x+b3y+c3z=d3

Với các hệ số trong các phương trình được xác định như sau:

Giải hệ phương trình ta được:

x=69,03 y=28,78 z=0,15 Vậy thành phần clanhke gồm có:

+ 69,03% cấu tử đá vôi đã nung

+ 28,78% cấu tử đất sét đã nung

+ 0,15% cấu tử quặng sắt đã nung

+ 2,04% tro than

∑=69,03%+ 28,78%+ 0,15%+ 2,04%=100%

- Xác định thành phần hóa học của clanhke:

Nhân hàm lượng của các cấu tử nguyên vật liệu đã nung trong clanhke tính toán với thành phần hóa học tương ứng của từng cấu tử đã nung (Bảng 2.4) ta có thành phần hóa học của clanhke như đưa ra trong Bảng 2.8

Bảng 2.8: Thành phần hóa học của clanhke Thành phần

hóa học

Đá vôi A 69,03%

Đất sét B 28,78%

Quặng sắt 0,15%

Tro than 2,04%

Clanhke 100%

Tổng 69,03 28,78 0,15 2,04 100,00

- Tính toán thành phần nguyên liệu chưa nung:

Nhân hàm lượng % của nguyên vật liệu đã nung (Bảng 2.8) với hệ số chuyển đổi Ki= 100

100−𝑀𝐾𝑁tương ứng của đá vôi, đất sét và quặng sắt ta có:

X0=100−43,5169,03.100=122,2 phần khối lượng đá vôi Y0=28,78.100

100−7,57=31,14 phần khối lượng đất sét Z0=0,15.100

100−5,9=0,16phần khối lượng quặng sắt Tổng hàm lượng nguyên liệu trong phối liệu: X0 + Y0 + Z0= 153,5 phần khối lượng Tính hàm lượng % của các cấu tử trong phối liệu (quy về 100%) như sau:

X0=122,2.100153,5 =79,61%

Y0=31,14.100153,5 =20,29%

Z0=0,16.100153,5 =0,1%

Nhân lần lượt X0, Y0, Z0 với thành phần hóa học của đá vôi, quặng sắt và đất sét chưa nung (Bảng 2.3) ta có thành phần hóa học của phối liệu đưa ra ở Bảng 2.9

Bảng 2.9 Bảng thành phần hóa của phối liệu khô (W=0) Thành phần

hóa học

Đá vôi A X0= 79,61%

Đất sét B Y0=20,29%

Quặng sắt Z0=0,1% Phối liệu 100%

2.5 KIỂM TRA CÁC HỆ SỐ LỰA CHỌN THEO THÀNH PHẦN CLANHKE TÍNH TOÁN

Tính kiểm tra các hệ số của clanhke theo thành phần hóa học (bảng 2.8) như sau:

- Hệ số KH:

KH =CaO−1,65Al2O3−0,35Fe2O3

2,8.𝑆𝑖𝑂2 = 66,1−1,65.6,61−0,35.3,152,8.21,46 =0,9001 Sai số của KH = [(0,9001-0,9)/0,90].100 = 0,01%

- Hệ số n: n =𝐴+𝐹𝑆 =6,61+3,1521,46 =2,1987

Sai số của n = [(2,2 - 2,1987)/2,20].100 = 0,06%

- Hệ số p: p =𝐴𝐹=6,613,15=2,1

Kết quả kiểm tra các hệ số của clanhke cho thấy: sai số cho phép của KH, n lựa chọn < 0,5%;

hệ số p nằm trong phạm vi từ 1,0÷2,5 Vì vậy, các hệ số lựa chọn và tính toán trong bài toán phối liệu là phù hợp

Ghi chú: Nếu các hệ số lựa chọn kiểm tra có sai số lớn hơn giới hạn cho phép thì chọn lại giá trị của các hệ số đó để tính toán lại bài toán phối liệu Các hệ số không lựa chọn thì chỉ cần nằm trong giới hạn lý thuyết cho phép

- Tính kiểm tra thành phần khoáng trong clanhke

C3S = 4,071.CaO - 7,60.SiO2 - 6,718.Al2O3 - 1,43.Fe2O3

CaO; SiO2; Al2O3; Fe2O3: làm hàm lượng % của các ôxít có trong clanhke

2.6 TÍNH TÍT PHỐI LIỆU VÀ HÀM LƯỢNG PHA LỎNG

- Tít phối liệu (%) tính theo công thức:

T = 1,785.CaO + 2,09.MgO = 1,785.43+ 2,09.1,32 = 79,51%

CaO và MgO là hàm lượng % của CaO và MgO trong phối liệu Theo yêu cầu của phối liệu sản xuất clanhke xi măng theo phương pháp khô lò quay: T = 79,00±1,00%, vậy T nằm trong giới hạn cho phép

- Hàm lượng pha lỏng của clanhke tính theo công thức:

L = 3,0.%Al2O3 + 2,25.%Fe2O3 + %MgO + %R2O

Trong đó: %Al2O3, %Fe2O3, %MgO và %R2O: hàm lượng % của các ôxít trong clanhke

=> L = 3.6,61+ 2,25.3,15+ 2,07+ 0,31= 29,30%

- Hệ số tiêu hao nguyên liệu để nung 1 kg clanhke sẽ là:

100−𝑞 100−𝑀𝐾𝑁=100−2,04

Do KH tương đối cao, hàm lượng C3S lớn, C3A và C4AF thấp, vì thế clanhke có nhiệt độ nung cao và khả năng thiêu kết không cao (clanhke khó nung luyện)

2.8 GIẢ THUYẾT CÁC SỐ LIỆU SAU

Độ ẩm bột phối liệu: Wngl= 0,51% Wngl=1%

Nhiệt độ bụi thu hồi từ thiết bị lọc bụi tb = 400C

Nhiên liệu rắn vào lò tnl=300C

Lượng không khí lọt vào do khe hở không kín

ở đầu lò:

=5% lượng không khí cần thiết để đốt cháy nhiên liệu

Nhiệt độ của không khí môi trường: tkk = 250C

Nhiệt độ trung bình của nguyên liệu đi vào

Nhiệt độ clanhker ra khỏi lò nung: tclklo=12000C

Lượng bụi ra khỏi lò (% của nguyên liệu khô): Z=15%