bài giảng vật liệu silicat chương 3 các phương pháp sản xuất xi măng pooclăng

phương pháp ướt với thiết bị lò quay• Phối liệu được nghiền ướt thành dạng bùn past, độ ẩm tới 45%, đi vào lò quay từ đầu phía trên đầu cao của lò trải qua một loạt các biến đổi hóa lý:

Chuơng 3:

Các phuơng pháp sản xuất

xi măng pooclăng

I CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT

CLINKER XMP

• Theo nguyên lý hoạt động của lò nung:

– Xi măng lò đứng

– Xi măng lò quay

• Theo độ ẩm của phối liệu khi đưa vào lò nung: 4 pp:

– Phương pháp khô (0,5-1%: khô)

– Phương pháp bán khô (10-12%).

– Phương pháp bán ướt (16-21%).

– Phương pháp ướt (28-43%: bùn).

• Ở VN:

• Phương pháp khô (< 1%)

• Phương pháp bán khô (12 – 18%: dạng viên).

1 Phương pháp bán khô với thiết bị nung lò

đứng (còn gọi là XM lò đứng)

• Phối liệu vào lò được vê thành viên (1020mm) với độ ẩm

1216% cho vào nung trong lò đứng

• Nhiên liệu than cũng được tạo viên (25mm), đổ chung lẫn vào

viên phối liệu Tốt nhất là dùng than cốc hoặc than antraxit (ít tro,

ít chất bốc tạo lửa ngắn) Than cháy truyền nhiệt gần như trực tiếp cho viên phối liệu, vì vậy, hiệu suất nhiệt rất cao

• Để tránh pha lỏng tạo thành quá nhiều ảnh hưởng không tốt tới sự thông gió, hại tường lò, phối liệu XMP theo phương pháp bán khô có modul silic cao, modul nhôm MA = 1,51,7, hệ số bão hòa vôi tương đối thấp (KH = 0,860,88)

Cấu tạo lò đứng nung clinker ximăng.

Lò đứng là 1 ống hình trụ đứng rỗng, ngoài là gạch thường (hiện nay lớp vỏ bằng thép), trong lót vật liệu cách nhiệt và gạch chịu lửa

Chiều cao và đường kính lò thường có tỉ lệ xác định H / D= 3,5 - 4 lần.

Dựa vào chiều cao lò, nhiệt độ nung mà phân chia lò đứng thành 3 hoặc 4 dôn Phổ biến hơn là 3 dôn: dôn sấy, dôn nung và dôn làm lạnh

Để tăng cường quá trình nung trong lò đứng người ta thường đưa gió nóng hoặc gió giàu ôxy vào khu nung.

Phương pháp bán khô với thiết bị nung lò

đứng (còn gọi là XM lò đứng)

2 phương pháp ướt với thiết bị lò quay

• Phối liệu được nghiền ướt thành dạng bùn (past, độ ẩm tới 45%), đi vào lò quay từ đầu phía trên (đầu cao của lò) trải qua một loạt các biến đổi hóa lý: sấy, đốt nóng, phân hủy đất sét và sau đó là cácbonnát canxi, kết khối và làm nguội nhanh thành clinker

• Để tăng hiệu quả trao đổi nhiệt trong lò quay, người ta thường lắp thêm các thiết bị trao đổi nhiệt phía trong lò như xích sắt, thiết bị trao đổi nhiệt bằng gốm

Cấu tạo Lò quay nung clinker

theo phương pháp ướt.

Gồm 1 ống kim loại hình trụ rỗng bằng thép dày 20 - 70mm mác CT3 và được lót gạch chịu lửa bên trong

Theo hình dáng vỏ lò chia làm hai loại: Đường kính đồng đều và không đồng đều Lò đặt nghiêng 1 góc α so với mặt phẳng ngang,

Số vòng quay dao động từ 0.5 đến 4 vòng / phút.

Tỉ lệ giữa chiều dài và đường kính lò:

L/D = (30 - 40) lần

Lò quay phương pháp ướt thường có các loại sau:

D x L = 3 x 100m; 3,6 x 120m ; 4 x 150m ;

Lưu ý:

Để đảm bảo tuổi thọ của lò và giảm tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh, trong lò thường tạo một lớp cô la ( lớp trám ) dày từ 100- 150mm trên bề mặt gạch chịu lửa và làm mát vỏ lò bằng nước hay

kỹ thuật của từng dôn mà sử dụng các loại gạch chiu lửa lót khác nhau.

Lò quay làm việc theo nguyên tắc ngược chiều, phối liệu vào đầu cao ( đầu lạnh ) của lò, clinker ra đầu thấp ( đầu nóng ) của lò, nhiên liệu và không khí đi vào đầu thấp của lò

Quá trình cháy và sự trao đổi nhiệt xảy ra theo chiều dài của lò

Do nhiên liệu được đốt cháy và phối liệu đi ngược chiều nhau, kết quả nguyên liệu được đốt nóng từ nhiệt độ thường đến nhiệt độ kết khối, còn khí nóng có nhiệt độ giảm dần theo chiều dài lò ra ống khói, nhiệt độ khí

Dựa vào chiều dài lò quay, nhiệt độ vật liệu và dòng khí người ta phân chia lò thành 5 -6 dôn là:

+ Dôn sấy và đốt nóng chiếm

50 - 60% chiều dài lò.

+ Dôn phân giải cácbônát chiếm 20 - 23 % chiều dài lò.

+ Dôn tỏa nhiệt chiếm 5 - 7% chiều dài lò.

+ Dôn kết khối chiếm 10 - 15% chiều dài lò.

+ Dôn làm lạnh chiếm 2 - 4% chiều dài lò.

Bảng: Các zôn kỹ thuật trong lò quay phương pháp ướt

Chiều dài

tương đối

( % L)

  Tên gọi zôn Nhiệt độ ( 0 C)

  Làm nguội

120 – 200 tới 650

650 – 1000

1000 – 1450  

1450 – 1380  

Mất nước lý học

Al2O3.2SiO2.2H2O 3Al2O3.2SiO2+H2O

Tạo pha lỏng và kết tinh:

nhanh 1380 - 100 Clinker nguội tới nhiệt độ để nghiền Tạo pha thủy tinh, các tinh thể nhỏ mịn Ngăn

biến đổi thù hình:

Bể bừa bùn

Băng tải, bơm

H 2 O

Bể chứa

QUẶNG SẮT (FeS 2 )

Làm nguội nhanh

-Thiết bị hành tinh -Thiết bị kiểu ghi

Cát

Xuất clinker

phương pháp ướt với thiết bị lò quay

• Phương pháp ướt chỉ còn áp dụng khi nguyên liệu khai thác

ban đầu có độ ẩm rất cao, nguyên liệu cung cấp CaO không cứng, dễ tạo huyền phù khi nghiền ướt (đất sét từ sông, hồ, đầm lầy; đá vôi từ vỉa ngầm có độ ẩm rất cao)

Cấu tạo Lò quay nung clinker ximăng theo phương pháp khô:

Lò quay nung clinker ximăng theo phương pháp khô về cấu tạo thân lò và nguyên tắc làm việc ngược chiều như lò quay phương pháp ướt Tuy nhiên cũng có những điểm khác nhau:

kích thước lò rất ngắn so với lò phương pháp ướt, tỉ lệ L/D = 15 - 17 lần, phổ biến là loại lò có kích thước: D xL =3,5 x50m ; 4 x60m ; 5 x75m

3 phöông phaùp khođ vôùi thieât bò loø quay

Phối liệu vào lò dạng bột mịn:

Bột phối liệu từ két chứa hoặc silô chứa có W = 0,5 - 1% vào hệ thống xyclon trao đổi nhiệt ( tháp trao đổi nhiệt) nhờ thiết bị chuyển vận, khí nóng từ trong lò

đi vào buồng khói rồi lên các xyclon, vật liệu và dòng khí chuyển động ngược chiều nhau Song quá trình trao đổi nhiệt giữa chúng là cùng chiều Do tác dụng của dòng khí vật liệu trong xyclon luôn luôn ở trạng thái lơ lửng, vì vậy sự tiếp xúc giữa dòng khí và vật liệu tốt hơn, quá trình trao đổi nhiệt giữa khí và vật liệu

Kết quả bột phối liệu vào đầu lò có nhiệt độ 950 -

lò tiếp tục quá trình nung luyện Hiện nay nhờ thiết kế thêm buồng đốt phụ, nên mức độ phân giải đá vôi có thể lên mức từ 90% đến 97% trước khi vào lò.

• nhằm tăng hiệu quả trao đổi nhiệt ở mức cao nhất trong lò quay nung clinker XMP

khô (độ ẩm < 1%) xảy ra chủ yếu ở pha rắn (sấy, đốt nóng, phân hủy cácbonát canxi) được thực hiện trong những thiết bị đặc biệt gọi là hệ thống trao đổi nhiệt kiểu treo Phần phản ứng pha lỏng (tạo pha lỏng, kết khối tạo clinker, làm nguội) thực hiện nốt trong phần lò quay

pháp chủ yếu hiện nay trên thế giới, cũng như ở Việt Nam

• Phương pháp ướt chỉ tồn tại ở những nhà máy cũ, hoặc trong những điều kiện đặc biệt thuận lợi về khai thác

nguyên liệu

II – 3 – SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XMP PHƯƠNG PHÁP KHÔ:

ĐÁ VÔI ĐẤT SÉT

PHỤ GIA FeS 2 Đập nghiền

MÁY LÀM NGUỘI Nghiền sơ bộ Silo ủ clinker

NGHIỀN MỊN

Nhiên liệu

Thạch cao Đập, nghiền

Cân Phụ gia

Đập nghiền

Cân

Đóng bao Tiêu thụ

clinker

Xuất clinker

II.NUNG CLINKER

QUÁ TRÌNH TẠO CLINKER

XMP TỪ BỘT PHỐI LIỆU

Bột phối liệu từ đá vôi, đất sét, quặng sắt được đem nung luyện sẽ trải qua một loạt những biến đổi.

Theo bản chất hoá lý: 5 giai đoạn:

1.      Biến đổi chỉ ở pha rắn (sấy, đốt nóng, phân hủy cacbonat)

2.      Biến đổi với sự tham gia của pha lỏng (kết khối, làm nguội)

1 – Saây: ( töø 30-2000C)

Phối liệu vào dôn sấy ở dạng bùn lỏng nhờ có xích trao đổi nhiệt mà cường độ sấy tăng lê, độ ẩm phối liệu giảm dần, độ nhớt tăng lên, vật liệu vón thành cục

Do tác dụng va đập của xích và sự quay của lò mà vật liệu được tạo viên có kích thước khác nhau Cuối dôn xích nhiệt độ vật

sét mất một phần tính dẻo, hạt vật liệu có kích thước tương đối nhỏ.

2 – Đốt nóng: (200-6500C):

(nước tách ra, tạo sản phẩm

có độ xốp, bề mặt phản ứng lớn)

Phản ứng mất nước của caolinhít

         Phân hủy các chất hữu cơ trong đất sét Phân hủy các chất hữu cơ trong đất sét (phản ứng toả nhiệt, ở 300 –

• Biến đổi thù hình của  - quắc   - quắc

3 – Phân hủy cácbonát: nhiệt độ phối liệu lên tới 10000C

• Quá trình chủ yếu là phân hủy cácbonát canxi CaCO3

(nhiệt độ phân hủy mạnh nhất ở khoảng 870 - 9000C) C

CaCO3=CaO + CO2

• Ngoài ra là các muối cácbonát như MgCO3, dolomít cũng

bị phân hủy ở những khoảng nhiệt độ khác nhau (MgCO3phân hủy ở 700-8000C)

• Phản ứng thu nhiệt và tỏa khí rất mạnh Sự phân hủy tạo CaO hoạt tính cao dễ phản ứng với các ôxít hoạt tính của đất sét

đất sét như SiO2, Al2O3 các silicát canxi như CA, C12A7,

CS, C3S2… bắt đầu tạo thành

Đặc trưng cơ bản của toàn bộ giai đoạn này là các biến đổi xảy ra ở pha rắn, theo sơ đồ: R1  R2 + K + K.

Hoạt tính của các cấu tử do sự xuất hiện

phân hủy để lại trong mạng tinh thể Tương tác lỗ trống trong mạng tinh thể với nhau tạo nên hợp chất mới hoặc kết tinh lại thành tinh thể khác

4 – Keât khoâi: nhieôt ñoô taíng töø 1000 – 14500C:

• Ở 1350 0 C một phần vật liệu bị nóng chảy tạo chất lỏng, sản phẩm đi vào khu vực kết khối gồm: C3A, C4AF, C5A3, C2S, C2F, MgO và 1 lượng CaO tự

do Nhieôt ñoô caøng taíng, pha loûng hình thaønh ngaøy caøng nhieău táo ñieău kieôn cho quaù trình keât khoâi clinker vaø hình thaønh caùc khoaùng caăn thieât

• Khoaùng mong muoân nhaât trong clinker: C 3 S veă cô bạn

ñöôïc táo thaønh trong loøng pha loûng:

ñöôïc táo thaønh trong loøng pha loûng: söï hình thaønh C 3 S ñöôïc thöïc hieôn nhôø coù söï hoøa tan C 2 S vaø CaO töï do (coøn

dö trong phạn öùng pha raĩn) trong pha loûng:

  1000-11000C: tạo pha lỏng

2 (Al2O3.2SiO2) = 2Al2O3.3 SiO2 (spinel) + SiO2 CaO + Fe2O3 = CaO.Fe2O3

CaO + Al2O3 = CaO.Al2O3

CaO.Al2O3 + 4 CaO + 2Fe2O3 = C5A3

C5A3 (không bền) = C3A + CaO tự do

CaO + SiO2 = CaO.SiO2 (wolastonhít)

CaO.SiO2 + Al2O3 = 2 CaO Al2O3 SiO2

(ghelenhít)CaO.Al2O3 + 2 CaO + Fe2O3 = C4AF

C AF chảy thành pha lỏng

        1000-11000C: tạo pha lỏng

        1200-13000C: hình thành C2S

        1300-13500C: C3S hình thành mạnh trong pha lỏng:

C2S và CaO hòa tan, phân tán đều trong pha lỏng, tiếp xúc với nhau và phản ứng:

Tỷ lệ hợp lý giữa hai pha lỏng/rắn trong khoảng

5 – Làm nguội: (1450 – 12500C):

clinker Thành phần pha của clinker gồm những khoáng chính như

CaO, MgO do không phản ứng hết.

đóng rắn chậm)

cho xi măng bị t i tả) ơi tả)

Vì vậy, cần phải làm nguộâi nhanh:

        Trong điều kiện tạo khoáng clinker là có mặt pha lỏng sẽ tạo thành một màng xung quanh các khoáng ở nhiệt độ cao, lực làm lạnh nhanh sẽ làm cho màng đó cứng lại ngăn cản không cho  - C2S   -C2S, ngăn sự phân hủy C3S

          Pha thủy tinh hình thành có các vết nứt, giúp cục clinker dễ vỡ, thuận Pha thủy tinh hình thành có các vết nứt

lợi cho quá trình nghiền.

         Tạo tinh thể nhỏ, mịn: giúp dễ nghiền, dễ tham gia phản ứng sau này Tạo tinh thể nhỏ, mịn:

Phương pháp làm bền khoáng bằng kỹ thuật làm nguội nhanh là phương pháp làm bền vật lý Ngoài ra có thể làm bền bằng các phương pháp hóa tinh thể như dùng chất khoáng hóa Các ion Fe 3+ và CaF2 có tác dụng khoáng hóa, khi cho vào phối liệu có khả năng sớm tạo C3S, ngăn chặn phân hủy và làm bền C3S.

III THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT KIỂU TREO

1 – Sơ đồ nguyên lý thiết bị

• Đóng vai trò quyết định trong việc tiết kiệm năng lượng nhiệt của lò nung clinker XMP phương pháp khô.

• Hệ thống tháp trao đổi nhiệt kiểu treo gồm hệ thống xyclon

nhiều tầng (hoặc bậc) mắc nối tiếp Mỗi tầng có một hoặc

nhiều xyclon (ban đầu chỉ một hoặc hai tầng, nay thường bốn hoặc năm, sáu tầng) Phía trong các xyclon thường được lắp gạch chịu lửa cao nhôm

• Bột phối liệu đã nghiền mịn đi vào các xyclon ở trạng

thái lơ lửng

thái lơ lửng có khả năng trao đổi nhiệt rất mạnh với khí

nóng do hầu như toàn bộ bề mặt hạt tham gia trao đổi nhiệt. 

Hình 8.1 Sơ đồ nguyên lý lò nung clinker XMP với hệ thống

trao đổi nhiệt kiểu treo SP

Hạt phối liệu rắn theo dòng khí nóng đi vào

xyclon theo hướng tiếp tuyến, chuyển động xoáy

vòng theo hướng từ trên xuống dưới, đi từ xyclon

này vào xyclon khác có nhiệt độ cao hơn

hồi lưu, dẫn vào các xyclon chuyển động ngược

chiều dòng bụi phối liệu, truyền nhiệt cho phối liệu Khi ra khỏi xyclon, khí thải có nhiệt độ 250 – 3000C

đi qua các thiết bị lọc bụi tĩnh điện rồi thải ra ngoài

Trong khí thải của lò quay, rất nhiều bụi Bản thân hệ thống xyclon đã có tác dụng trao đổi nhiệt tốt và thu hồi lại lượng bụi lớn (Vấn đề khử bụi luôn là chỉ tiêu đánh giá các nhà máy sản xuất XM, theo nghĩa bảo vệ môi trường lẫn sự hoàn thiện công nghệ)

Ngoài nhiệt do khí thải từ lò quay, có thể trộn than nghiền mịn trong phối liệu Than cháy tạo nguồn cấp nhiệt trực tiếp cho phối liệu, nâng cao hiệu suất nhiệt Qua các

xyclon, phối liệu có nhiệt độ 650-8000C

Ở nhiệt độ này, kết thúc các quá trình sấy, mất nước hóa học và một phần phân hủy các muối cácbonát trong

phối liệu (khoảng 10 – 15%)

2 – Chuyển vận phối liệu và khí nóng trong hệ

thống trao đổi nhiệt kiểu treo SP

tương ứng với giai đoạn đầu của quá trình nung luyện, tới khoảng

• Nếu nhiệt độ cao hơn, khoảng 1000 0 C, xuất hiện nhiều pha lỏng (do phối liệu chứa sắt, do tro than …) gây khó khăn trong quá trình truyền vận trong đường ống, thậm chí tắc ống dẫn

gian nguyên liệu lưu trong toàn bộ hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt

kiểu treo khoảng 25s.

kiểu treo khoảng 25s Nhiệt độ của bột phối liệu ở đầu vào từ 50 0 C lên tới 800 0 C, nhiệt độ khí thải từ 1100 0 C, giảm xuống còn khoảng

300 0 C Tốc độ khí và nguyên liệu trong khí thải khoảng 22 – 25 m/s.

Xyclon bậc I:

Quá trình chủ yếu là sấy (bay hơi ẩm), bắt đầu đốt nóng bột phối liệu Khí thải nhiều hơi ẩm H2O đi vào các hệ thống lọc bụi và thoát ra ngoài.

Xyclon bậc II:

Quá trình hóa lý chủ yếu là mất nước hóa học của đất sét, cháy các tạp chất hữu cơ lẫn trong phối liệu

Xyclon bậc III:

• đất sét mất nước hóa học,

• Hạt cát biến đổi thù hình -SiO2- SiO2,

• Phân hủy hầu hết MgCO3 và tăng cường sự phân hủy CaCO3

• Tạp chất hữu cơ lẫn trong nguyên liệu, hoặc bột than trộn vào nguyên liệu (nếu phối liệu có trộn thêm bột than), cũng sẽ cháy nốt trong giai đoạn này.

Xyckon bậc IV:

• Quá trình chủ yếu trong các xyclon này là tận dụng

nhiệt khí thải từ lò nung đốt nóng bột phối liệu

• Mặc dù nhiệt độ khí thải cao: 1000 – 11000C, nhưng

quá trình cácbonát hóa CaCO3  CaO + CO2 trong

xyclon bậc bốn rất nhỏ (khoảng 10 -15%)

• Điều này được giải thích do lượng nhiệt trao đổi với bột phối liệu bị giới hạn bởi thời gian lưu trong thiết bị Như vậy, để tăng hiệu quả quá trình phân hủy cácbonát, phải thiết kế thiết bị riêng (calciner). 

Chú ý:

Đối với xyclon bậc I: đây là xyclon đầu tiên tính theo

chiều bột phối liệu chuyển vận và cuối cùng tính theo chiều khí chuyển động, cần được thiết kế sao cho lượng bụi theo khí thải ra ngoài là ít nhất Vì vậy, xyclon bậc I thường gồm hai xylon có bán kính nhỏ hơn và dài hơn so với các xyclon những bậc còn lại Hai xyclon này cần đóng cả vai trò sấy và lọc bụi

Các xyclon bậc II, III và IV thường có cùng kích thước Khi vận hành thiết bị trao đổi nhiệt, nếu áp lực khí

cân bằng với trọng lực khối hạt từ trên xuống hoặc hạt kết tụ sẽ làm tắc nghẽn ống dẫn, phải kiểm tra sự thông bột

phối liệu thường xuyên, thậm chí có thể phải ngừng lò xử lý

do tắc nghẽn