Thiết kế lò quay nung clinker theo phương pháp khô (thuyết minh+bản vẽ)

Giới thiệu về xi măng pooclang Quy trình sản xuất xi măng, cấu tạo lò nung, nguyên lý hoạt động thiết bị trao đổi nhiệt, làm lạnh Tính toán lượng không khí Tính lượng bụi Tính toán cân bằng nhiệt Tính nhiệt độ Tính toán kích thước lò

MụC LụC:

Phần I:

Giới thiệu về xi măng Pooclăng Trang 4 Sản xuất Xi măng Pooclăng Trang 5

Nguyên lý hoạt động của thiết bị trao đổi nhiệt Trang 7 Thiết bị làm lạnh Trang 7

PHầN II:

TíNH TOáN THIếT Kế KíCH THƯớc các thiết bị Trang 9

A Tính lợng không khí và sản phẩm khí cháy Trang 9 cho 1m 3 khí nhiên liệu

B Tính lợng khí thoát ra từ nguyên liệu khi nung Trang 10

C Tính lợng bụi đi qua thiết bị trao đổi nhiệt: Trang 10

D Lợng bụi lắng đọng trong xyclon bậc III: Trang 11

E Tính lợng không khí đi vào lò cho 1kg clanhke : Trang 13

G Lợng không khí để đốt cháy nhiên liệu và lợng khí thải Trang 16

H Tính nhiệt độ của khí thải ở đầu ra của các xyclon Trang 18 của thiết bị trao đổi nhiệt, ở buồng lắng bụi và lò quay

I Xác định nhiệt độ của không khí phần 2 đi vào lò Trang 20

( dùa vµo c©n b»ng nhiÖt cña thiÕt bÞ lµm l¹nh )

Thiết kế lò quay nung clanke xi măng theo phơng pháp khô có thiết bị cyclôn trao đổi nhiệt, thiết bị làm lạnh kiểu ghi đẩy với các thông số yêu cầu sau:

- Công suất: G= 2500 ( Tấn clanke/ ngày đêm)

- Nhiên liệu : Khí tự nhiên (%) : CO2= 0,1; CH4= 97,9; C2H6= 0,5;

C3H8= 0,2; C4H10= 0,1; N2= 1,2; QtLV= 8523 Kcal/Nm3 - Chi phí nguyên liệu khô cho 1kg clanke GK fl= 1,6 kg/kg clanke. - Mất khi nung của nguyên liệu khô : MKNK= 35% ; Hàm lợng CO2 trong nguyên liệu khô : CO2K= 32% - Độ ẩm của phối liệu: Wfl= 1,5% - Mức độ phân giải CaCO3 ở cyclôn bậc 4 là: y= 15% Lợng bụi ra khỏi lò vào cyclôn bậc 4 là: z= 14% so với lợng phối liệu khô - Hệ số tác động hữu ích của các cyclôn: bậc 1= 0,92; bậc 2,3,4= 0,73 - Nhiệt dung riêng của khí nhiên liệu vào lò: 0,37 Kcal/Nm3.0C - Lợng không khí thổi vào bên dới ghi làm lạnh cho 1 kg clanke:

VKK= 3 Nm3/kg clanke - Lợng không khí lọt vào lò do khe hở: 2% so với lợng không khí để đốt cháy nhiên liệu - Hệ số d không khí: vào lò αl= 1,1; buồng lắng αbl= 1,2;

cyclôn bậc 4= 1,3;

bậc 3= 1,4;

bậc 2= 1,5; bậc 1= 1,6

- Nhiệt độ trung bình của phối liệu vào cyclôn bậc 1: 400C

- Nhiệt độ khí thải ra khỏi cyclôn bậc 1: 3500C

- Nhiệt độ clanke ra khỏi lò: 12500C

- Nhiệt độ clanke ra khỏi thiết bị làm lạnh: 1000C

- Nhiệt độ không khí d ra khỏi thiết bị làm lạnh: 1500C

- Nhiệt lý thuyết tạo clanke: 425 Kcal/kg clanke

- Lợng không khí phần 1: 20% của lợng không khí cần để đốt cháy nhiên liệu

- Tổn thất nhiệt vào môi trờng xung quanh (Kcal/kg clanke): 160

Trong đó:

Thiết bị làm lạnh: 20;

lò quay: 110;

buồng lắng: 5;

cyclôn bậc 4: 8;

cyclôn bậc 3: 7;

cyclôn bậc 2: 6;

cyclôn bậc 1: 4 - Năng suất riêng của thiết bị làm lạnh: GF gh= 1000 kg/m 2.h - Thời gian để làm lạnh clanke trong thiết bị làm lạnh: τ= 0,40h

PHầN I:

Giới thiệu về xi măng Pooclăng

Xi măng Pooclăng là chất kết dính có khả năng đông kết, rắn chắc và phát triển cờng độ trong môi trờng không khí và môi trờng nớc thờng đợc gọi là chất

kết dính trong nớc hay chất kết dính thuỷ đợc phát minh và đa vào sử dụng trong xây dựng từ đầu thế kỷ 19.

Xi măng Pooclăng đợc sản xuất bằng công nghệ nghiền mịn Clanke xi măng pooclăng với thạch cao và có thể với một số phụ gia khác

Clanke xi măng pooclăng là bán thành phẩm của công nghệ xi măng có dạng hình viên Đợc nung đến thiêu kết hỗn hợp nguyên liệu nghiền mịn ở trạng thái

đồng nhất, phân tán của đá vôi đất sét và một số phụ gia khác nhng không quá 1% so với khối lợng clanke

Clanke xi măng bao gồm những khoáng sau:

CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3,… với hàm lợng chiếm khoảng 95ữ 97%

Ngoài ra cong có các oxyt khác với hàm lợng nhỏ:

MgO, TiO2, K2O, Na2O,… hàm lợng các oxyt phụ thuộc vào các loại clanke xi măng pooclăng

Hàm lợng các khoáng thờng dao động trong khoảng sau:

CaO: (63ữ66%) MgO: (0,5ữ5%)

SiO2: (21ữ24%) TiO2+ K2O: (0,2ữ0,5%)

Al2O3: (4ữ9%) Na2O+ K2O: (0,4ữ1%)

sunphát Khó nung luyện và tồn tại hàm lợng canxi oxyt tự do làm bất lợi cho xi măng do vậy trong thành phần khoáng của clanke xi măng ngời ta khống chế hàm lợng CaO hợp lý là (63ữ66%)

- CaO và MgO tự do chúng nằm ở dạng các hạt già lửa và tác dụng rất chậm với nớc gây nên sự thay đổi thể tích không đều khi đóng rắn dẫn đến làm giảm cờng độ xi măng Trong thực tế ngời ta khống chế hàm lợng của CaO

tự do thờng nhỏ hơn 0,5ữ1% Trong clanke xi măng sau khi nung luyện hàm lợng vôi tự do thờng 1% với lò nung, còn với lò đứng thì hàm lợng này 3ữ6%

- Trong clanke xi măng pooclăng các khoáng đợc thể hiện là:

- Nghiền clanke xi măng với thạch cao và có thể với các phụ gia khác

Để sản xuất clanke xi măng pooclăng có thể sử dụng phơng pháp ớt và phơng pháp khô, phơng pháp khô liên hợp

Quá trình sản xuất xi măng pooclăng gồm những giai đoạn sau:

- Khai thác nguyên liệu và nhiên liệu

- Chuẩn bị hỗn hợp nguyên liệu

- Nung hỗn hợp nguyên liệu tạo thành

- Nghiền clanke với thạch caovà phụ gia

Ưu nhợc diểm của phơng pháp sản xuất clanke:

- Phơng pháp ớt: sản xuất xi măng pooclăng là phơng pháp nghiền và trộn nguyên liệu trong nớc Phơng pháp này có u diểm là dễ nghiền, độ đồng đều phối liệu cao nhng tiêu tốn nhiên liệu khi nung lớn: 1400ữ1700 Kcal/Kg Clanke Kích thớc lò nung lớn và diện tích xây dựng lớn

- Phơng pháp khô: sản xuất xi măng pooclăng là phơng pháp nghiền trộn nguyên liệu ở dạng khô vì vậy nguyên liệu khó bị nghiền mịn, độ đồng đều của hỗn hợp phối liệu kém hơn phơng pháp ớt Nhng u điểm của chúng là

có công suất lớn và tiêu tốn ít năng lợng: 800ữ1200 Kcal/KgClanke Kích thớc lò ngắn song mức độ cơ giới hóa cao Thể tích khí cháy nhỏ hơn,

từ 30ữ35% so với phơng pháp ớt khi năng suất lò nh nhau Do đó giá thành làm sạch khói lò giảm, khả năng sử dụng nhiệt của khí thải để sấy nguyên liệu lớn hơn, nhng hệ thống trao đổi nhiệt và làm sạch phức tạp, quá trình sản xuất sinh ra một lợng bụi lớn

Để nung hỗn nguyên liệu tạo thành clanke xi măng, ngời ta thờng sử dụng lò quay, lò đứng Tốc độ tạo thành clanke và nhiệt độ cần thiết để thiêu kết hỗn hợp nguyên liệu phụ thuộc vào thành phần hoá học của phối liệu

ở đây ta xét đến hệ thống nung là lò quay phơng pháp khô

Cấu trúc lò nung

Hệ thống lò quay là một ống hình trụ bằng thép nghiêng 3ữ50 bên trong đợc lót bằng gạch chịu lửa cả hệ thống đợc đặt trên trụ quay có 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 đợc cho đầy mà chỉ chiếm thể tích nhỏ để có khoảng không cho khí chuyển động

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

- Lò quay phơng pháp ớt đa thiết bị trao đổi nhiệt vào trong lò

- Lò quay phơng pháp khô đa thiết bị trao đổi nhiệt ra ngoài lò, đó là Xiclon trao đổi nhiệt Vật liệu nằm trong môi trờng 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

Nguyên lý hoạt động của thiết bị trao đổi nhiệt

- ống hình trụ

- Khí nóng đi từ dới lên

- Vật liệu đi vào ống theo phơng tiếp tuyến

- Với vành trụ theo đờng xoáy trôn ốc có lực ly tâm làm các hạt văng vào thành và mất động lợng Vật liệu đi từ đờng 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

Khi ra

Nguyên liệu

Khi nong vao

Thiết bị làm lạnh

Xét thiết bị làm lạnh kiểu ghi đẩy:

Khi ghi tịnh tiến sẽ đẩy clanke chuyển động ra phía ngoài, không khí lạnh đợc thổi từ dới đáy ghi trao đổi nhiệt với clanke trên mặt ghi làm nguội dần clanke Không khí sau khi trao đổi nhiệt lại nóng lên có thể cung cấp cho vòi đốt

- Giai đoạn 1: Nung nóng vật liệu đến 1000C, xảy ra quá trình sấy nguyên liệu làm bay hơi nớc lý học.

- Giai đoạn 2: Nung nóng vật liệu ở 1000ữ 1500C, xảy ra quá trình phân cao lanh, làm mất nớc của đất sét theo phơng trình:

Al2O3.2SiO2.2H2O→ Al2O3 + 2SiO2 + 2H2O

- Giai đoạn 3: Nung nóng vật liệu đến 5000ữ11500C, xảy ra quá trình nhiệt phân các khoáng Cacbonát:

MgCO3→ MgO + CO2

CaCO3 → CaO + CO2

- Giai đoạn 4: Tăng nhiệt độ nung đến 11500ữ14500, trong giai đoạn này xảy ra các quá trình phản ứng hoá học hình thành các khoáng:

Aluminát Canxi: C3A

Alums Ferit Canxi: C4AF

Silicat Canxi: C2S, C3S

*Phản ứng trạng thái rắn 11500ữ13000:

CaO + Al2O3 → CaO Al2O3 ( CA)

CaO Al2O3 + 2CaO → 3CaO Al2O3 (C3A)

2C + CA + C→ C4AF

2C + S→ C2S

*ở 13000ữ14500C tạo ra C3S với sự tham gia của phản ứng pha lỏng:

C2S + C→ C3S

- Giai đoạn 5: Nhiệt độ giảm từ 14500ữ10000C:

Đây là giai đoạn làm lạnh clanke và hình thành cấu trúc tinh thể trong các quá trình nung clanke xảy ra cả phản ứng thu nhiệt và cả toả nhiệt

Từ giai đoạn 1 đến giai đoạn 3: Quá trình bay hơi nớc phân huỷ đất sét và đá vôi là những phản ứng thu nhiệt, đây là dạng chi của các phơng trình cân bằng nhiệt

PHầN II:

TíNH TOáN THIếT Kế KíCH THƯớc các thiết bị

A TÝnh lîng kh«ng khÝ vµ s¶n phÈm khÝ ch¸y cho 1m 3 khÝ nhiªn liÖu

1)Lîng kh«ng khÝ lý thuyÕt

) 13 10

7 4

( 0238 ,

428 , 10 48 , 9 1 ,

) 4

3 2

( 01 ,

2

lv lv

lv lv

lv nl

=0 , 01 ( 97 , 9 + 2 0 , 5 + 3 0 , 2 + 4 0 , 1 + 0 , 1 ) = 1 ( m3/m3khÝ )

25 , 8 2 , 1 01 , 0 428 , 10 79 , 0 01

, 0 79 ,

1 1 , 1 ( 21 , 0 ) 1 ( 21 , 0

5 4

3 2

( 01 ,

2

lv lv

lv lv

lv nl

O

= 0 , 01 ( 2 97 9 + 3 0 , 5 + 4 0 , 2 + 5 0 , 1 ) = 1 , 986( m3/m3khÝ )

A TÝnh lîng khÝ tho¸t ra tõ nguyªn liÖu khi nung

4)Tæng lîng khÝ CO2 tho¸t ra tõ nguyªn liÖu khi nung:

56 , 0 100

35 6 , 1 100

2 = k k = =

fl

fl CO

MKN G

283 , 0 977 , 1

56 , 0

CO

G V

5)Lîng CO2 tho¸t ra tõ nguyªn liÖu trong xyclon bËc 4:

084 , 0 100

15 56 , 0 100

043 , 0 977 , 1

084 , 0

CO

G V

6)Lîng CO2 tho¸t ra do ph©n huû CaCO3 trong lß quay lµ:

476 , 0 084 , 0 56 , 0

2 2

2 = − IV = − =

CO

fl CO

lo

241 , 0 043 , 0 284 , 0

2 2

2 = − IV = − =

CO

fl CO

0 , 024

5 , 1 100

5 , 1 6 , 1 100

k fl W

fl

W

W G

0 , 03

805 , 0

024 , 0

W fl W fl

G V

B Tính lợng bụi đi qua thiết bị trao đổi nhiệt:

1) Lợng bụi theo khí thải ra khỏi lò quay:

14 100

14 476 , 0 1 100

lo CO lo

2) Lợng bụi lắng đọng trong xyclon bậc IV:

716 , 1 24 , 0 476 , 0 1

B

lo CO

, 0

084 , 0 716 , 1

IV B IV B

G G G

4) Lợng bụi thoát ra khỏi xyclon bậc IV cùng khí thải:

666 , 0 084 , 0 716 , 1 466 , 2

IV BL

IV B

226 , 2

B

G G

III B

3 , 264

73 , 0

383 ,

B

G G

II B

024 , 0 441 ,

I BLang I

B

G G

I BLang

I B

fl CO

G = 1 + 2 + +

Kết quả tính toán dòng vật liệu trong các xyclon đợc đa vào Bảng 1:

Danh mục Đơn

vị

Xyclo n I

Xyclon II

Xyclon III

Xyclon IV

Buồ

ng lắng bụi

Lò quay

Lợng bụi vào cùng khí thải

Lợng bụi đi vào từ xyclon

tiếp theo hoặc từ clanhke phối

liệu

Tổng lợng bụi đi vào xyclon

Lợng bụi lắng trong xyclon

Lợng bụi ra khỏi xyclon cùng

với khí thải

Kg/k gcl Kg/k gcl

-nt- -nt-

-nt-0,881

1,798

2,679 2,441 0,214

0,823

2,423

3,246 2,383 0,881

0,666

2,383

3,049 2,226 0,823

0,24

2,226

2,466 1,716 0,666

- -

- -

-C Tính lợng không khí đi vào lò cho 1kg clanhke :

14) Lợng không khí thực tế để đốt cháy nhiên liệu:

nl nl

tt kk

V = ì = 10 , 91 ì ( m3/kgcl ) tt

kk

V _ lợng không khí thực tế để đốt cháy 1m3 nhiên liệu

V nl_ lợng nhiên liệu cần thiết để nung 1kg clanke15) Lợng không khí lọt vào lò qua kẽ hở

hl

V = 0 , 02 = 0 , 02 ì 10 , 91 ì = 0 , 545 ì ( m3/kgcl )16) Lợng không khí lọt vào phía sau lò qua các kẽ hở ở các xyclon trao đổi nhiệt

lo I lt kk

nl

hx kk

hl kk

ll kk

V∑ = + + = 2 , 8 + 0 , 545 + 4 , 96 = 2 , 8 + 5 , 5 ( m3/kgcl )

18) Lợng không khí d thải ra môi ttờng ở thiết bị làm lạnh

nl nl

nl kk

hl kk

ll kk

K fl

lh

q = ∑ ì ì = 2 , 8 + 5 , 5 ì 0 , 31 ì 15 = 13 , 0 + 25 , 6 (Kcal/kg clanke )

23) Nhiệt lý thuyết tạo clanhke: 425 ( Kcal/kg clanke )24) Nhiệt để làm bay hơi nớc từ nguyên liệu:

28 , 14 595 024 , 0

w fl

nl O H O

fl O N

fl N CO

fl CO

, 1894 350

] 3163 , 0 96

G I

trình

25) Tổn thất nhiệt theo clanhke ra khỏi thiết bị làm lạnh:

8 , 18 100 188 , 0

cl cl

du kk

→8523V nl+ 3 , 85V nl + 15 , 04 + 13 , 0 + 25 , 6V nl = 425 + 14 , 28 + 1894 , 1V nl+ 49 , 14 + 16 , 7 +

nl

V

453 131 8

,

18 + −

→ Vnl = 0,1107 ( m3/kgcl )29) Chi phí nhiệt riêng để nung 1kg clanhke:

5 , 943 8523 1107

Nhiệt vào Nhiệt raCác khoản Kcal/kgcl % Các khoản Kcal/kgcl %

81,05 8,31

không khí dTổn thất nhiệt

ra môi trờngTổng cộng 974,77 100 Tổng cộng 974,77 100

E.Lợng không khí để đốt cháy nhiên liệu và lợng khí thải

30) Lợng không khí để đốt cháy nhiên liệu:

154 , 1 1107 , 0 428 ,

31) Lợng không khí phần 1:

231 , 0 154 , 1 20 , 0

55 , 0 1107 , 0 96 ,

=

hx kk

7) Lợng khí thải ở đầu ra của xyclon bậc 1:

- Khí Cácbôníc:

3937 , 0 283 , 0 1107 , 0 1

2 2

2 = ì + fl = ì + =

CO nl

nl CO

2

fl nl

nl O H

I O

Tổng lợng khí thải đầu ra của xyclon bậc 1:

0,3937 + 0,913 + 0,63 + 0,25 = 2,19 ( m3/kgcl )8) Lợng khí thải ở đầu ra của các xyclon bậc 2, 3, 4:

2 2 2

2 = = = IV =

CO

III CO

II CO

lq O H

bl O H

IV O H

III O H

II O

2 2 2 2 2 2

= 0 , 25 − 0 , 03 = 0 , 22( m3/kgcl )

2 2 2 2 2

2 = = = = = lq =

N

bl N

IV N

III N

II N

II

42 , 0 ) 1 4 , 1 ( 1107 , 0 48 , 9 ) 1

III

315 , 0 ) 1 3 , 1 ( 1107 , 0 48 , 9 ) 1

IV

21 , 0 ) 1 2 , 1 ( 1107 , 0 48 , 9 ) 1

bl

105 , 0 ) 1 1 , 1 ( 1107 , 0 48 , 9 ) 1

lo

Kết quả tính toán dòng khí trong các xyclon của thiết bị trao

đổi nhiệt đợc đa vào bảng 3:

Bảng 3:

Danh mục Đơn vị Xyclon

bậc I

Xyclonbậc II

Xyclonbậc III

Xyclonbậc IV

Buồnglắng bụi

0,39370,250,9130,632,19

0,3940,220,8350,5251,974

0,3940,220,8350,421,869

0,3940,220,8350,3151,764

0,3520,220,8350,2101,617

0,3520,220,8350,1051,512

F Tính nhiệt độ của khí thải ở đầu ra của các xyclon của thiết bị trao đổi

nhiệt, ở buồng lắng bụi và lò quay.

Nhiệt độ của khí thải ở đầu ra cảu xyclon bậc 2 đợc xác định theo phơng

trình cân bằng nhiệt của xyclon bậc 1

35) Nhiệt để làm bay hơi nớc:

28 , 14

=

w fl

q kCal/kg cl36) Nhiệt của khí thải và bụi:

64 , 275 7 , 16 94 ,

=

I mt

q kCal/kg cl38) Lợng nhiệt do vật liệu mang ra đợc xác định nh sau:

Chọn nhiệt độ bụi lắng trong xyclon bậc 1 bằng nhiệt độ khí thải ra

khỏi xyclon bậc 1, thì:

59 , 213 350 25 , 0 441 , 2 65

40) Nhiệt lý học của nguyên liệu và bụi hoàn lại quá trình:

073 , 17 40 25 , 0 214 , 0 95 , 0 04 , 15 29

,

ì +

0,214 kg/kgcl - lợng bụi do khí thải mang ra khỏi xyclon bậc 1

trình

41) Nhiệt do khí thải và bụi mang vào:

95 , 489 073 , 17 49 , 0 51 ,

I ch

II B

ì +

ì +

ì +

ì

=

II B kk

II kk N

II N O H

II O H CO

II CO

II B

q 2 2 2 2 2 2

500 25 , 0 881 , 0 5 , 160 525 , 0 75 , 153 835 , 0 05 , 189 22 , 0 26 , 239 3937 ,

2 J J J kcal m

J CO H O N kk Hàm nhiệt của 1m3 không khí và các khí ở nhiệt độ khác nhau và áp suất không đổi 101,3 kN/m3 (760

ì +

ì +

ì +

0

530 100 56 , 458 89 , 561

56 , 458 95 , 489

−

− +

=

Bằng cách tơng tự xác định nhiệt độ của khí và bụi ở đầu ra của các

xyclon còn lại và của lò quay Kết quả đợc đa vào bảng 4:

Bảng 4:

Danh mục Đơn vị Xyclon

bậc I

Xyclonbậc II

Xyclonbậc III

Xyclonbậc IV

Buồnglắng bụi

Lò quay

Nhiệt độ của khí thải

và bụi ở đầu ra của

cl cl

cl cl

I kk

=

II kk

Nhiệt độ của không khí phần 2:

C C

V

q t

kk

II kk

II kk II

31 , 0 863 , 0

36 ,

ì

ì +

= + +

ì

ì +

nl

I kk kk kk

hl kk

II kk

q

81 , 214

= kCal/kg