Tính toán nhiệt trong lò quay xi măng

Phân loại lò xi măng Tính toán quá trình cháy: nhiệt trị, không khí, khói lò Tính nhiệt lý thuyết tạo clinker Tính lượng nhiệt tiêu tốn Tính thông số công nghệ của lò quay Tính toán sơ bộ xylon, lượng bụi

LỜI MỞ ĐẦU

Trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, xi măng được xem là vật liệu xây dựng chính yếu Hàng loạt các công trình xây dựng: thuỷ điện, cầu cống, đường xá, các công trình thuỷ lợi, nhà ở ., sẽ tiêu thụ một lượng xi măng rất lớn Mặc dù, sản lượng xi măng sản xuất trong nước ngày càng tăng nhanh nhưng vẫn không đủ nhu cầu sử dụng trong nước Vì vậy, việc tăng sản lượng xi măng nhằm cân đối giữa cung - cầu trong nước, một phần tham gia xuất khẩu đang là mục tiêu của ngành công nghiệp xi măng Việt Nam Để góp phần thúc đẩy sự tăng trưởng kinh tế của đất nước đồng thời thực hiện được mục tiêu trên thì việc xây dựng các nhà máy xi măng là rất cần thiết

Lò quay được xem trái tim của toàn nhà máy sản xuất xi măng portland Tìm hiểu về tổng quan cũng như tính toán những thông số cơ bản về lò quay giúp cho sinh viên nắm vững và củng

cố kiến thức đã học

Được sự tận tình giúp đỡ của cô Lê Thị Duy Hạnh đã giúp tôi hoàn thành đồ án này Đồ án này thật sự giúp ích cho sinh viên năm cuối trước khi ra trường làm việc thực tế tại các nhà máy

Do sự hiểu biết còn hạn chế, thời gian hạn hẹp và một số điều kiện nhất định không cho phép nên đồ án này còn thiếu sót Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ quý thầy cô cùng các bạn đọc

Chân thành cảm ơn

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VÀ PHÂN LOẠI CÁC LOẠI LÒ

1.1 Lò đứng:

Lò đứng nung clinker XMP có dạng là ống thép hình trụ

thẳng đứng, trong lót gạch chịu lửa Chiều cao lò thường L =

8-12m , đường kính D = 2.4-3m, nhiệt tiêu phí 3.78-5.46 kJ/kg

clinker (năng suất 5-12 tấn/giờ) Với những lò kích thước lớn,

có thể lắp đặt thêm các bộ phận thông khí Các lò đứng nung

XMP được cơ khí hóa phần nạp và tháo liệu

Phối liệu nung trong lò đứng được tạo hình bằng phương

pháp bán khô thành những viên sỏi hoặc hình trụ nhỏ Nhiên

liệu được phân bố đều trong phối liệu hoặc trộn nghiền cùng

phối liệu hoặc tạo viên riêng với kích thước không quá 5mm

rồi trộn với viên phối liệu Nhờ vậy, khi nhiên liệu cháy trực

tiếp truyền nhiệt cho phối liệu, tạo hiệu quả nhiệt tương đối

cao Nếu tính năng lượng tiêu tốn cho một đơn vị khối lượng

clinker (kcal/kg clinker) các lò đứng tốn ít nhiên liệu hơn lò

quay

Các quá trình biến đổi tạo clinker xảy ra ngay trong cục

phối liệu ban đầu Nhiệt khí thải và lượng nhiệt tổn thất qua thân lò không lớn Trong quá trình nhiên liệu cháy, trong phối liệu xảy ra phản ứng phân hủy, bay hơi khí, kích thước cục nhiên liệu giảm dần, tạo những lỗ trống thuận lợi cho sự thông khí của lò

Nhiên liệu cho lò đứng nung xi măng là than cốc hoặc than gay Các loại than mỡ, than nâu ngọn lửa dài (dùng rất tốt cho lò quay) lại không thích hợp do nhiều chất bốc, dễ thoát khỏi nhiên liệu trước khi bắt đầu phản ứng cháy, gây tổn thất nhiên liệu nhiều hơn

Quá trình hóa lý biến đổi phối liệu thành clinker trong lò quay và lò đứng là tương tự nhau Phối liệu (gồm cả nhiên liệu rắn) được tiếp vào lò từ trên cao, sao cho phân bố đều tiết diện ngang Trong quá trình dịch chuyển từ trên cao xuống, phối liệu đều trải qua các giai đoạn: sấy, đốt nóng, phân hủy cácbonat, tạo các silicat, aluminat, pha lỏng và kết khối, làm nguội Tương xứng với quá trình phản ứng là các “zone” cùng tên gọi phân bố theo chiều dọc lò đồng thời trong từng cục vật liệu trong quá trình chuyển dịch từ trên xuống

Sau khi nung, clinker cũng được nghiền với những phụ gia thích hợp thành XMP Do chất lượng clinker không cao, nghiền clinker lò đứng dễ hơn nghiền clinker lò quay

XMP lò đứng chất lượng kém hơn XMP lò quay, không đảm bảo vệ sinh môi trường.Ở những nước công nghiệp phát triển, lò đứng có thể dùng nung những loại xi măng đặc biệt, lò đứng nung clinker nói chung không tồn tại

1.2 Lò quay:

1.2.1 Phương pháp ướt:

a Giới thiệu chung:

Lò quay là ống thép hình trụ, trong lót gạch chịu lửa (samốt hoặc cao nhôm vùng làm nguội, phần nung lót loại GCL kiềm tính manhêzi, manhêzi-crôm) Để tăng tuổi thọ lò, người ta

có thể dùng thêm các loại gạch cách nhiệt

Thông thường, với phương pháp ướt, lò có chiều dài L = 80-120m, đường kính D = 3-6m

Tỷ lệ L/D = 30-40, hình dạng lò cũng không đơn điệu Nhiều loại lò quay có kích thước đốt nóng phình to Lò đặt với tang góc nghiêng 2-6% so với mặt đất trên bệ đỡ con lăn và quay với tốc độ 0.5-0.75 vòng/phút

Chuyển vận của nguyên liệu và khí nóng trong lò quay theo nguyên tắc ngược chiều Nguyên liệu ướt vào lò từ đầu cao, theo độ nghiêng và lực quay của lò, chuyển động dần tới phần thấp, cuối lò vớii vận tốc 35-45cm/phút Trong quá trình chuyển vận, phối liệu luôn thay đổi bề mặt nhận nhiệt đốt nóng khí cháy,biến đổi hoá lý thành cục clinker Nhiên liệu được phun

từ đầu thấp, cháy và truyền nhiệt cho phối liệu, hạ nhiệt độ rồi đi ra ngoài ở phía cao của lò Nhiệt độ khí thải khoảng 200-3000C

b Các quá trình hóa lý xảy ra:

 Zone sấy:

Phối liệu vào dạng bùn sệt, nhận nhiệt khí thải, đạt nhiệt độ khoảng 1200C – 2000C, xảy ra quá trình mất nước lý học Để tăng hiệu quả truyền nhiệt, ở zone này, người ta thường mắc thêm các mắc xích kim loại Vì vậy, còn gọi là zone xích Ngoài ra các xích sắt còn có tác dụng ngăn bụi thoát khỏi lò Chiều dài zone sấy khoảng 35% chiều dài lò

 Zone đốt nóng:

Trong zone này, nhiệt độ phối liệu tăng từ 120-6500C quá trình chủ yếu là cháy tạp chất hữu cơ và mất nước hóa học của các khoáng sét Đất sét bị phân hủy tạo mêta caolinhit hoặc các dạng oxit tự do hoạt tính rất cao Bắt đầu phân hủy một phần cácbonát Zone đốt nóng chiếm khoảng 14% chiều dài của lò

Al2O3.2SiO2.2H2O → 3Al2O3.2SiO2 + H2O

 Zone phân hủy cácbonat:

Nhiệt độ lên tới 10000C Đây là giai đoạn cuối cùng của các phản ứng pha rắn

CaCO3 → CaO + CO2

 Zone kết khối:

Nhiệt độ phối liệu từ 1000 tới 14500C Đây là zone có nhiệt độ cao nhất trong lò, pha lỏng hình thành nhiều 15-25% Các phản ứng tạo khoáng, kết tinh các khoáng xảy ra nhanh hơn nhờ pha lỏng Với sự có mặt pha lỏng có độ nhớt rất cao, cùng tác dụng chuyển động quay theo lò rồi trượt xuống do trọng lượng, các viên clinker dạng sỏi được hình thành

Tạo pha lỏng và kết tinh

12CaO + 2SiO2 + 2Al2O3 + Fe2O3 → 3CaO.SiO2 + 2CaO.SiO2 + 3CaO.Al2O3 + 4CaO.Al2O3.Fe2O3

Zone kết khối chiếm khoảng 20% chiều dài của lò

 Zone làm nguội:

Sau zone kết khối, phối liệu đã kết khối tạo thành clinker với thành phần khoáng cần thiết Không khí lạnh lấy nhiệt từ khối clinker nóng làm nhiệt độ clinker giảm dần từ 1450-13000C Zone làm nguội chiếm 8% chiều dài của lò Ơ đây chưa kể tới thiết bị làm nguội clinker với tốc

độ nhanh để ổn định thành phần pha có trong clinker XMP Các thiết bị này làm nguội clinker với tốc độ rất nhanh từ 1300 xuống còn 100-1500C và thường đặt riêng Phổ biến nhất là thiết bị làm nguội kiểu ghi và kiểu hành tinh Clinker ra khỏi thiết bị làm nguội nhiệt độ còn khoảng 100-1500C và được chứa trong các xilo đặc biệt làm nguội tiếp trước khi đem nghiền với phụ gia

- 1450-1380 clinker nguội tới nhiệt độ để nghiền

- 1380-100 tạo pha thủy tinh, các tinh thể nhỏ mịn Ngăn cản biến đổi thù hình:

C3S1250 → 0C C2S +CaO

S C S

2

670 2

0

−



 →



β

1.2.2 Phương pháp khô:

a Giới thiệu chung:

Sự khác biệt nung clinker theo phương pháp khô ở trong thiết bị lò quay là không có vùng bay hơi 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 clinker giảm tới 40%

Lò quay theo phương pháp khô khác nhau về kích thước, dạng hệ thống trao đổi nhiệt ngoài lò Vật liệu được đưa vào hệ thống dạng bột khô

Hệ thống trao đổi nhiệt kiểu treo đóng vai trò quyết định trong việc tiết kiệm năng lượng nhiệt của lò nung clinker XMP phương pháp khô

b Hệ thống trao đổi nhiệt:

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 có khả năng trao đổi nhiệt rất mạnh với khí nóng do hầu như toàn bộ bề mặt hạt tham gia trao đổi nhiệt 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

Chuyển vận phối liệu và khí nóng trong hệ thống trao đổi nhiệt kiểu treo SP

Sau đây chúng ta sẽ phân tích chuyển vận hệ phối liệu _ khí nóng và những biến đổi hoá lý

cơ bản trong các xyclon hệ bốn bậc

 Xyclon bậc I:

Phối liệu (nhiệt độ khoảng 500C_ 600 C) chuyển tới đổ vào ống giữa xyclon bậc I và xyclon bậc II Khí nóng từ xyclon bậc II ( nhiệt độ khoảng 500 C ) thổi từ dưới lên cuốn bột phối liệu vào theo phương tiếp tuyến với các xyclon bậc I Bột phối liệu ở trạng thái lơ lửng nhận nhiệt từ khí nóng tăng nhiệt độ rất nhanh, các phản ứng hoá lý (sấy, mất nước hoá học của đất sét) xảy ra tương ứng với nhiệt độ của bột phối liệu làm khối lượng riêng hạt bột phối liệu thay đổi Đồng thời, hạt bột phối liệu chuyển động xoáy trong xyclon, liên tục va chạm với thành xyclon, va chạm với nhau mất dần động năng, rơi xuống đáy xyclon, theo ống dẫn rơi xuống xyclon tầng dưới (xyclon bậc II), lúc này nhiệt độ phối liệu khoảng 2500C, nhiệt độ giảm dần, theo ống dẫn khí thoát ra ngoài (nhiệt độ khí thải ra khỏi xyclon khoảng 3000C )

Quá trình chủ yếu trong xyclon bậc I 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:

Bột phối liệu từ xyclon bậc I (nhiệt độ 2500C) rơi xuống ống nối giữa xyclon bậc II và xyclon bậc II Gặp dòng khí nóng từ xyclon bậc III (nhiệt độ khoảng 6500C) thổi từ dưới lên, phối liệu bị cuốn theo vào xyclon bậc II theo phương tiếp tuyến Tương tự như trên, hạt phối liệu

có nhiệt độ tăng từ 2500C lên tới 5000C và rơi xuống ống dẫn khí thải giữa xyclon bậc III và xyclon bậc IV Khí nóng giảm nhiệt độ tự 650oC xuống còn 5000C đi vào xyclon bậc I

Quá trình hoá lý chủ yếu trong xyclon bậc II là mất nước hoá học của đất sét, cháy các tạp chất hữu cơ lẫn trong phối liệu, phân hủy MgCO3 và bắt đầu phân hủy CaCO3

 Xyclon bậc III:

Bột phối liệu từ xyclon bậc II rơi xuống ống nôí giữa hai xyclon bậc III và IV, gặp khí nóng từ xyclon bậc IV thoát ra (nhiệt độ khoảng 8000C), bị cuốn theo khí nóng đi vào xyclon bậc III theo phương tiếp tuyến Trong xyclon bậc III, nhiệt độ bột phối liệu tăng từ 5000C lên tới

6500C và rơi vào ống nối giữa xyclon bậc IV và lò quay nung clinker, gặp khí thải từ lò nung hoặc từ máy làm nguội clinker (nhiệt độ khoảng 11000C) cuốn vào xyclon bậc IV theo phương tiếp tuyến

Quá trình chính trong xyclon bậc III là đất sét mất nước hoá học, phân hủy hầu hết MgCO3

và tăng cường sự phân huỷ CaCO3 Xyclon bậc IV:

Bột phối liệu từ xyclon bậc III rơi vào ống nối giữa xyclon bậc IV và khí thải từ lò quay Nhiệt độ khí đầu vào của xyclon bậc IV khoảng 11000C (là nhiệt độ khí thải từ lò quay, hoặc nhiệt độ khí làm nguội clinker từ thiết bị làm nguội (còn gọi là gió ba); và ra khoảng 8000C đi vào xyclon bậc III Nhiệt độ bột phối liệu tương ứng đầu vào 6500C và đầu ra khoảng 8000C đi vào lò quay nung clinker

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 cácbônát hoá trong xyclon bậc IV rất nhỏ (khoảng 10 – 15%) Như vậy, để tăng hiệu quả quá trình phân hủy cácbônát phải thiết kế thiết bị riêng (calciner)

 Xyclon bậc VI:

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 cácbonát hóa, phải thiết kế thiết bị riêng (calciner) 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 sẽ làm tắc nghẽn ống dẫn, phải kiểm tra sự thông bột phối liệu thường xuyên

 Buồng phân hủy cacbonat:

Với thiết bị trao đỏi nhiệt kiểu treo thông thường SP, phối liệu khi đi vào lò quay có nhiệt

độ khoảng 800oC và mức phân hủy cacbonat 10 – 15% Quá trình phân hủy còn lại thực hiện trong lò quay, hiệu quả trao đổi nhiệt của quá trình này trong lò quay không cao Vì vậy, để tăng hiệu quả trao đổi nhiệt của lò quá trình canxi hóa cần thực hiện triệt để hơn trong hệ thống trao đổi nhiệt kiểu treo Quá trình thực hiện trong một xyclon đặc biệt gọi là xyclon phân hủy cacbonat hoặc thiết bị canxi hóa (calciner)

Nhờ thiết bị phân hủy cacbonat thời gian lưu hạt ở vùng nhiệt độ cần xảy ra phản ứng CaCO3 → CaO + CO2 lâu hơn (thời gian lưu là 60s thay vì 5s) hiệu suất phân hủy CaCO3 rất cao

90 – 95% Thiết bị thường được lắp riêng biệt hoặc lắp vào vùng giữa lò quay và các xyclon đốt nóng bậc cuối (bậc VI)

 Phân bố nhiệt trong hệ thống xyclon

 Các hệ thống trao đỗi nhiệt:

• ILC - Dạng buồng calciner tận dụng gió 3

• SLC - D Dạng buồng calciner lắp độc lập có dòng gió 3 từ trên xuống:

• SLC – Dạng buồng calciner lắp độc lập

• SLC – I Dạng buồng calciner kết hợp:

1.3 Gạch chịu lửa trong lò quay:

Trong lò quay nung clinker xi măng, gạch chịu lửa được sử dụng để lót phía trong lò để bảo vệ vỏ lò, giảm mất mát nhiệt ra môi trường xung quanh Ngoài ra vật liệu chịu lửa cũng được sử dụng để lót các đường ống dẫn Tùy theo nhiệt độ làm việc của các vùng trong lò và các

bộ phận phụ trợ mà sử dụng gạch chịu lửa phù hợp, vừa đảm bảo tuổi thọ của vỏ lò, vừa đạt hiệu quả kinh tế

− Gạch chịu lửa Magnesia-Spinel cho zôn chuyển tiếp trên và zôn chuyển tiếp dưới với hàm lượng spinel cao, bền sốc nhiệt tốt và dễ tạo côla

− Gạch chịu lửa Magnesia-Spinel và Magnesia-Chrome cho zôn nung

− Gạch chịu lửa cao nhôm chống bong tróc (Anti-Spalling) có tính bền nhiệt cao sử dụng cho đoạn trước zôn chuyển tiếp trên

− Gạch chịu lửa Mulit-SiC có tính chịu mài mòn rất cao - dùng cho đoạn sau zôn chuyển tiếp dưới, chống sự mài mòn của clanhke trước khi ra khỏi lò quay

− Gạch chịu lửa samốt bền kiềm: Sử dụng cho tháp trao đổi nhiệt và các vùng phù hợp khác trong lò, chống xâm thực của hơi kiềm gây bám dính liệu

− Các loại gạch chịu lửa cách nhiệt (Insulating Fire Brick) để xây lót lớp phía sau gạch chịu lửa hoặc bê tông chịu lửa

1.4 Thiết bị làm nguội:

Có 4 loại thiết bị làm nguội clinker cơ bản :

− Dạng thùng quay : là một thùng quay nhỏ đặt ngay dưới lòquay

− Thiết bị làm nguội kiểu hành tinh : làm nguội theo nguyên lý thu hối nhiệt khí thải Gồm nhiều thùng nhỏ gắn xung quanh lò quay và quay cùng lò quay ( hành tinh )

− Thiết bị làm nguội kiểu buồng : là 1 buồng lớn, trong đó clinker nóng rơi từ trên

xuống, không khí lạnh thổi ngược từ dưới lên làm nguội clinker

− Thiết bị làm nguội kiểu ghi : clinker được truyền động nhờ hệ thống ghi kim loại theo

phương nằm ngang, không khí nén thổi vuông góc trong suốt quá trình clinker chuyển động

1.4.1 Thiết bị làm nguội kiểu thùng quay:

Là ống thép hình trụ đượng kính 2-5m, chiều dài 60-90m, lắp nghiêng 4-7%, ngay sau lò quay Trong lò có lắp thêm những cánh thép để tăng cường quá trình trao đổi nhiệt Lò chuyển động quay độc lập với lò nung Nhiệt độ clinker đầu vào là 1300-1350oC, nhiệt độ clinker đầu ra

là 150-300oC Năng suất riêng khoảng 2.5-3.5 tấn clinker/ngày đêm Nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh50-80 kcal/kg Để đạt mức trao đổi nhiệt cao nhất, tốc độ gió đầu vào khoảng 3.8-4.3 m/s, hệ số không khí dư 1.1

Thiết bị làm nguội kiểu thùng quay chỉ tồn tại ở các nhà máy cũ

1.4.2 Thiết bị làm nguội kiểu ghi :

Hiện nay, phổ biến là các thiết bị làm nguội độc lập kiểu ghi đo có tốc độ làm nguội nhanh hơn, nhờ vậy, chất lượng clinker được cải thiện rất nhiều So với các thiết bị làm nguội các kiểu