02 tính quá trình cháy của nhiên liệu than và thiết kế cấp phối trong sản xuất xi măng năng suất 1 triệu tấn năm

Báo cáo chuyên môn quá trình và thiết bị Silicate của ngành công nghệ vật liệu nguyên liệu trong sản xuất xi măng, quá trình cháy của động cơ, nguyên liệu hiệu chỉnh trong sản xuất xi măng×quá trình cháy của hòa khí, quy trình sản xuất xi măng hà tiên 1bai giang quy trinh san xuat xi mang cua th s lam vinh sonquá trình sản xuất xi măngnguyên liệu của công nghiệp sản xuất xi măngquá trình sản xuất xi măng pooclangcác giải pháp tiết kiệm năng lượng trong quá trình sản xuất xi măng

1.Tổng quan 5

1.1 Giới thiệu sơ lược về xi măng Poóc Lăng (XMP) 5

1.2 Quy trình sản xuất XMP 5

1.3 Sơ lược về phương pháp khô lò quay trong sản xuất xi măng : 6

1.3.1.Phương pháp khô với thiết bị lò quay 7

1.3.2 Cấu tạo lò quay phương pháp khô 7

1.3.3 Qúa trình hóa lý khi nung luyện 7

1.4 Quá trình cháy của nhiên liệu than 8

1.4.1 Mục đích 8

1.4.2 Quy ước trong tính toán 9

2 Nhiên liệu sản xuất clinker XMP: 9

2.1 Nhiên liệu than: 10

2.2 Nhiên liệu lỏng 10

2.3 Nhiên liệu khí 11

3 Nguyên liệu sản xuất clinker XMP: 11

3.1 Đá vôi 11

3.2 Đất sét 12

3.3 Phụ gia 12

3.3.1.Quặng sắt 12

3.3.2 Điatomite: 13

4 Tính quá trình cháy nhiên liệu 13

5 Thiết kế cấp phối trong quá trình sản xuất xi măng 16

5.1 Chọn mo đun hệ số 16

5.1.1 Một số ký hiệu, quy ước: 16

5.1.2 Các modun, hệ số đặc trưng cho thành phần clinker 16

5.2 Chọn số nguyên liệu 17

5.2.1 Nguyên liệu 17

5.2.2 Nhiên liệu 18

5.3.Quy về nguyên liệu khô đã nung 100% và tính lượng tro trong clinker 18

5.3.1.Nguyên liệu khô đã nung 100% và các modun, hệ số: 18

5.3.2 Lượng tro trong clinker 20

5.4 Dựng và giải hệ phương trình: 20

5.5 Tính kiểm tra 20

5.5.1 Tính kiểm tra thành phần hóa clinker 20

5.5.2 Tính kiểm tra các modun, hệ số: 21

5.5.3 Tính kiểm tra thành phần khoáng của clinker: 22

5.5.4 Hàm lượng pha lỏng nóng chảy: 22

5.6 Tính thành phần hóa phối liệu, thành phần đóng góp của nguyên liệu trong phối liệu và tít phối liệu: 22

5.6.1 Phần đóng góp của nguyên liệu trong phối liệu 22

5.6.2 Thành phần hóa của phối liệu 23

5.6.3 Tính tít phối liệu 24

6 Nhận xét 24

7 Tính cường độ của clinker 24

8 Tính cân bằng vật chất của toàn nhà máy 26

8.1 Tiêu hao nguyên liệu khô lý thuyết cho 1 kg clinker 26

8.2 Tiêu hao nguyên liệu ẩm lý thuyết (trạng thái ẩm tự nhiên) 26

8.3 lượng clinker lý thuyết thu được khi nung 1kg phối liệu khô 27

8.4 Lượng nguyên liệu thực tế để nung 1kg clinker 27

8.4.1 Nguyên liệu khô thực tế: 27

8.4.2 Nguyên liệu ẩm thực tế: 27

8.4.3 Lượng clinker thu dược khi nung 1kg phối liệu khô thực tế 28

8.4.4 Lượng nguyên liệu khô lý thuyết tiêu hao để nung ra 1 kg clinker có lẫn tro nhiên liệu 28

8.4.5 Tỷ lệ các cấu tử trong phối liệu có độ ẩm tự nhiên 28

8.4.6 Tiêu hao than của nhà máy 28

8.4.7 Tiêu hao phụ gia cho 1 kg clinker 29

9 CÂN BẰNG VẬT CHẤT CHO TOÀN NHÀ MÁY 29

9.1 Xác định hệ số sử dụng thời gian của lò 29

9.2 Xác định kích thước của lò quay nung clinker : 30

9.3 Tổng hợp tiêu hao nguyên, nhiên, vật liệu 1 tÊn clinker 31

10 Tài liệu tham khảo 32

Mục lục hình:

Hình 1.1 Sơ đồ quy trình sản xuất xi măng bằng phương pháp khô 5

Hình 1.2 Lò quay phương pháp khô 6

Mục lục bảng Bảng 1.1 Diễn biến quá trình hóa lý khi nung luyện ………

Bảng 4.1 Thành phần hóa học của than cám 3 (II-96) 13

Bảng 4.2 Chuyển thành phần hóa của than cám 3 về 100% 13

Bảng 4.3 Thành phần làm việc của than 14

Bảng 4.4 Thành phần hóa học của tro than (II-97) 14

Bảng 4.5 Cân bằng vật chất quá trình cháy 100kg than với α = 1,15 15

Bảng 5.1 Thành phần hóa của hai nguyên liệu chính 100% 17

Bảng 5 2 Bảng quy đổi về nguyên liệu khô chưa nung 100% 17

Bảng 5.3 Thành phần cấu tử điều chỉnh (nguyên liệu khô chưa nung 100%) 18

Bảng 5.4 Thành phần hóa học của tro than 18

Bảng 5.5 Nguyên liệu khô đã nung 100% 19

Bảng 5.6 Các modun, hệ số 19

Bảng 7.1 Tiêu chuẩn xi măng PCB40 của Việt Nam 25

Bảng 9.1 Tổng hợp tiêu hao nguyên, nhiên, vật liệu 1 tấn clinker 29

1.Tổng quan

1.1 Giới thiệu sơ lược về xi măng Poóc Lăng (XMP)

+ Xi măng Pooc lăng (XMP): Là sản phẩm nghiền mịn của hỗn hợp gồm clinkerXMP và thạch cao ( CaSO4.2H2O) (35%).Ngoài ra có thể có phụ gia công nghệ ( phụ gia trợ nghiền , phụ gia bảo quản)

+ Xi măng Pooc lăng hỗn hợp (PCB): Là sản phẩm nghiền mịn của hỗn hợp gồmClinker XMP , thạch cao (35%) và phụ gia hỗn hợp (<40%) Trong đó , phụ gia đầy không vượt quá 20% Ngoài ra có thể còn có phụ gia công nghệ

+ Clinker XMP: Là sản phẩm thu được sau khi nung đến kết khối hỗn hợp nguyên liệu chủ yếu là đá vôi và đất sét Trong sản phẩm này , khoáng chính là các khoáng silicat canxi có độ bazơ cao

1.2 Quy trình sản xuất XMP

Hình 1.1 Sơ đồ quy trình sản xuất xi măng bằng phương pháp khô

 Nguyên liệu đá vôi, đất sét và quặng sắt được các bin tiếp liệu đưa vào nghiềntrong máy nghiền đứng, nghiền khô Bột phối liệu mịn được đưa vào silo đồng

nhất Bột phối liệu khô có mức đồng nhất đạt yêu cầu được bơm khí nén chuyểnvào lò nung Do phối liệu khô, lò nung có cấu tạo hai phần: phần thiết bị trao đổinhiệt kiểu treo và phần lò quay.

 Than đá được nghiền bằng máy nhiền phun cháy trong lò theo chiều ngược vớichiều

 Chuyển vận của bột phối liệu Khói lò có thể qua tháp làm nguội, vào thiết bị lọcbụi tĩnh điện, rồi thải ra ngoài theo ống khói Một phần khói lò được dẫn vào máynghiền để sấy than Làm nguội clinker bằng thiết bị làm nguội kiểu ghi, sau đóchứa trong silo Từ đây, có thể xuất clinker trực tiếp theo hệ thống vận tải, hoặcnghiền với các phụ gia và thạch cao thành xi măng chứa trong các silo

1.3 Sơ lược về phương pháp khô lò quay trong sản xuất xi măng :

Hình 1.2 Lò quay phương pháp khô

1.3.1.Phương pháp khô với thiết bị lò quay

 Nhằm tăng hiệu quả trao đổi nhiệt ở mức cao nhất trong lò quay nung ClinkerXMP

 Các quá trình biến đổi hóa lý của phối liệu khô ( độ ẩm <1%) xảy ra chủ yếu ởpha rắn (sấy, đốt nóng , phân hủy cacbonat canxi ) được thực hiện trong nhữngthiết 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

 Nhược điểm : Trước đây , chất lượng có thấp hơn phương pháp ướt.

 Ưu điểm : Lò quay được giảm bớt chiều dài ( còn 60-80m), năng lượng tiết kiệm

hơn nhiều so với nung Clinker bằng phương pháp ướt Vấn đề môi trường cũngđược xem là dễ giải quyết hơn

1.3.2 Cấu tạo lò quay phương pháp khô

Lò quay được chia làm 3 khu vực chính:

 Phần đầu lò: tạo khoáng C2S, C3A, C4AF

 Phần giữa lò : tạo khoáng C3S

 Phần cuối lò : làm nguội

1.3.3 Qúa trình hóa lý khi nung luyện

Bảng 1.1 Diễn biến quá trình hóa lý khi nung luyện

100  4000 C Bay hơi nước hấp phụ H2OL  H2Oh

400  7500 C Mất nước hóa học ( Phân

hủy Caolinit)

AS2H2  AS2 + 2Hh 

600  9000 C Phân hủy MêtaCaolinit AS2  AS + S

Hoặc AS2  A + 2S

600  10000 C Phân hủy đá vôi ,tạo

khoáng CS , CA CaCO3  CaO + CO2 C + S  CS

1250  14500C Tạo khoáng C3S C2S + Ctd  C3S

 Trong hệ thống lò cũng diễn ra đủ tất cả các quá trình trên:

 Tại cyclone tầng 1 : Mất nước lý học

 Tại cyclone tầng 2,3:Phân hủy Caolinit

 Tại cyclone tầng 4,5 : Phân hủy một phần đá vôi (<15%)

 Phối liệu ở Cylone tầng 4 vào Calciner , sau đó vào Cylone tầng 5 rồi được đưavào lò quay Vật liệu Canxi hóa tới 90-95% trước khi vào lò Có một lượng nhỏkhoáng đã tạo ra trong calciner và cyclone tầng 5 Tại Calciner , 80% đá vôiđược phân hủy ,sau đó bột liệu phân hủy nốt trong lò và xảy ra quá trình tạo

 Lượng không khí cần thiết để cháy nhiên liệu và lượng khí thải hay sản phẩmcháy được xác định trên cơ sở cân bằng vật chất của quá trình cháy nhiên liệu.

 Nhiệt độ cháy nhiên liệu xác định trên cơ sở cân bằng nhiệt, bao gồm nhiệt củanhiên liệu, không khí mang vào và nhiệt của các sản phẩm cháy tạo thành

 Khi tính toán cần phân biệt sản phẩm cháy và khói lò Thông thường khi tính toánthì sản phẩm cháy là những khí tạo ra do quá trình cháy trong phạm vi buồngcháy của lò nhằm đạt được nhiệt độ yêu cầu của công nghệ nung Để đạt đượcnhiệt độ này, nhiên liệu cần được đốt cháy với lượng không khí dư nhỏ nhất cóthể có Hệ số này tùy thuộc vào từng loại lò và nhiệt độ cần có Khói lò có lưulượng lớn hơn nhiều so với sản phẩm cháy torng khu vực của lò Có hai nguyênnhân làm lưu lượng khói lò tăng lên đó là không khí lọt vào lò và khí CO2 và H2Osản sinh từ vật liệu nung

 Nhằm đạt nhiệt độ cao trong vùng nung ta dùng hệ số không khí dư nhỏ Khi khíthoát ra khỏi lò nung có nhiệt độ rất cao nên ta phải tìm cách hạ nhiệt bằng cáchpha thêm không khí lạnh vào Như vậy hệ số không khí dư của khói lò sẽ tăng lênrất nhiều so với yêu cầu của vùng nung Trong trương hợp sử dụng hàm nhiệt củasản phẩm cháy để gai nhiệt sơ bộ vật liệu nung thì trên đường đi của sản phẩmcháy không khí sẽ lọt vào lò và làm tăng hệ số không khí dư

 Vật liệu nung như gốm sứ được nung nóng và sẽ phân hủy khoáng sét cũng nhưbay hơi do độ ẩm nên trong khói lò thải ra không khí có kèm theo những hơi nướcnày Khi nấu thủy tinh từ phối liệu soda thì khói lò còn có thêm CO2 phân hủy từsoda và độ ẩm của phối liệu Khi nung clinker xi măng thì ngoài độ ẩm của phốiliệu còn có CO2 do phân hủy từ đá vôi Do phối liệu nung clinker xi măng chứagần 80% đá vôi nê để sản xuất 1kg clinker xi măng theo phương pháp khô sẽ thải

ra từ phối liệu gân 0,5kg CO2 và khoảng 0,01kg hơi nước Vì vậy mà khói của lòquay nung clinker xi măng sẽ rất lớn mặc dù để sản xuất 1kg clinker chỉ dùngkhoảng 0,10 – 0,12kg than

1.4.2 Quy ước trong tính toán

 Quá trình cháy trong tính toán không phụ thuộc vào lượng nhiên liệu dùng vìlượng không khí cần thiết và thể tích sản phẩm cháy tạo ra khi cháy nhiên liệuđược xác định theo một đơn vị khối lượng hoặc thể tích của nhiên liệu và biểu thịbằng Nm3

/kg ( mét khối tiêu chuẩn trên kg nhiên liệu) hoặc Nm3

/N m3 (mét khốitiêu chuẩn trên mét khối tiêu chuẩn nhiên liệu) Từ đây ta quy ước đơn vị métkhối trong tính toán đều là mét khối chuẩn m3 (thay cho Nm3viết dài)

 Nhiệt độ cháy nhiên liệu -nhiệt độ lý thuyết cực đại có thể có, được xác định theotoàn bộ hàm nhiệt của khói lò Nhiệt độ này cũng không phụ thuộc vào lượngnhiên liệu cháy trong một đơn vị thời gian và xác định với độ chính xác cao

 Mỗi trường hợp tính toán cần phải liên hệ đến những điều kiện thực tế cháy nhiênliệu và những đặc điểm của thiết bị nhiệt Trên cơ sở thực tế đó chúng ta lấy hệ sốkhông khí dư cho phù hợp để cháy nhiên liệu Nhiệt độ thực tế hay nhiệt độ tácdụng của khói lò phụ thuộc vào rất nhiều nhân tố khác nhau và rất khó tính toán

 Khi tính toán quá trình cháy của nhiên liệu ta sử dụng đơn vị chuẩn, tức thể tíchkhí ứng với 0℃ và áp suất 1atm và ký hiệu Nm3, thể tích V o ,tốc độ W o Song đểđơn giản các ký hiệu thể tích V, đơn vị m hay m3 đều hiểu là ở dạng chuẩn khitính toán hoặc viết tay trong các công thức

 Nhiệm vụ đầu tiên khi tính toán quá trình cháy của nhiên liệu là phải xác địnhthành phần làm việc của nhiên liệu, sau đó xác định nhiệt trị của nó theo các côngthức đã cho Trong thành phần làm việc sẽ có lượng hơi ẩm của nhiên liệu rắnhoặc lượng hơi ẩm ở trạng thái cân bằng của nhiên liệu khí

2 Nhiên liệu sản xuất clinker XMP:

 Trong công nghiệp sản xuất xi măng, người ta có thể dùng các dạng nhiên liệu:

 Rắn: than đá, than nâu, than mỡ, than cốc (cho xi măng lò đứng), vỏ xe phế thải

 Lỏng: các loại dầu, chủ yếu là dầu mazut,…

 Khí: khí tự nhiên (hiện chưa được sử dụng ở Việt Nam)

 Việc sử dụng loại nhiêu liệu nào trên thực tế phụ thuộc vào điều kiện cụ thể, quantrọng nhất là yếu tố kinh tế (giá thành)

 Trong điều kiện Việt Nam hiện nay, than là nhiên liệu quan trọng nhất trong cộngnghiệp sản xuất xi măng Pooclang (XMP)

 Các chỉ tiêu kỹ thuật thông thường dùng để đánh giá nhiên liệu: nhiệt trị, hàm lượng chất bốc, tro, nhiệt độ lửa

2.1 Nhiên liệu than:

 Than đá là nhiên liệu rắn chủ yếu dùng trong công nghệ sản xuất XMP, do ưu thế

về giá thành, lưu trữ và vận chuyển đơn giản so với những dạng nhiệu liệu khác

 Ngoài ra, trong những hoàn cảnh cụ thể như vấn đề môi trường, tiết kiệm năng

lượng, có thể dùng những nhiên liệu rắn khác như vỏ ruột ô tô phế thải Khi đó,phần đốt nhiên liệu có thiết kế riêng.

 Thành phần hóa của than:

 Thành phần hóa của than đá gồm các chất hữu cơ và vô cơ, ngoài ra lượng ẩm 15%

2- Cacbon (C), hidro (H), lưu huỳnh (S) là những thành phần cháy được trong than,Thành phần các chất cháy được trong nhiên liệu càng cao thì nhiệt tỏa ra khi cháycàng nhiều Tuy nhiên, khi đánh giá chất lượng nhiên liệu, người ta thường dựavào thành phần C và H, còn S là thành phần không mong muốn trong nhiên liệu.Thành phần hóa của nhiên liệu rắn thường không ổn định so với nhiên liệu dạnglỏng và khí

 Tro và ẩm trong nhiên liệu hoàn toàn không tham gia vào quá trình cháy Tuynhiên, cần chú ý lượng ẩm bay hơi chỉ có tác dụng vật lí, còn tro sẽ lưu lại trongthành phần clinker

 Thành phần hóa của tro than trong khoảng:

 Mazút được dự trữ trong những bể chứa lớn Để phun vào lò cần đốt nóng sơ bộ

từ 50-110℃ bằng các thiết bị nồi hơi đặc biệt hoặc đốt nóng bằng lò điện trở,nhằm giảm độ nhớt dầu, lọc loại bỏ những tạp chất thô trước khi bơm với áp lựccao vào lò nung clinker

2.3 Nhiên liệu khí

 Phổ biến nhất là khí tự nhiên: Thành phần chính là mêtan CH4 và etan C2H6 (cáckhí propan, butan, pentan không đáng kể) Thành phần có thể có H2S và khí trơ

như Nito (N2), heli (He) và khí CO2, tổng thành phần có thể tới 10% Nhiệt trị khí tự nhiên cao, 8000-10000kcal/kg.

3 Nguyên liệu sản xuất clinker XMP:

 Nguyên liệu tự nhiên:

 Đá vôi (Limestone) CaCO3→ CaO

 Đất sét (Clay) Al2O3.nSiO2.mH2O→ Al2O3 + SiO2

 Quặng sắt (Iron ore) → Fe2O3

 Thường quan tâm chủ yếu tới thành phần hóa và thành phần hạt, hầu như không quan tâm tới thành phần khoáng của các nguyên liệu chính dùng nung luyện clinker XMP: do trong quá trình nung luyện clinker, bột phối liệu được nung tới nóng chảy một phần rồi kết tinh tạo các khoáng cần thiết của clinker như C3S, C2S, C3A và C4AF (kết khối với lượng pha lỏng lớn 15-25%)

 Đá vôi thường được khai thạc từ các mỏ lộ thiên, rất hiếm khi khai thác ở mỏ hầm

 Đá thường được đập sơ bộ tại mỏ bằng các máy đập búa hoặc máy đập hàm cỡlớn

 Đá cục được vận chuyển về nhà máy bằng xe goong, oto, Nếu vị trí nhà máy gần

mỏ đá có thể vận chuyển bằng băng tải

 Đá vôi thường được nghiền thô tới cỡ hạt 5-25mm có thể phối liệu để nghiền mịntiếp

 Tùy thuộc vào tỉ lệ đá vôi- đất sét trong đá có thể có những tên gọi trung giankhác nhau Ví dụ:

 Đá vôi có hàm lượng CaCO3: 96-100%

 Đá vôi lẫn đất có hàm lượng CaCO3: 90-96%

 Đá vôi lẫn nhiều đất có hàm lượng CaCO3: 75-90%

3.2 Đất sét

 Đất sét là nguyên liệu mịn (phần lớn hạt nhỏ hơn 10mm) Gia công cơ học chủyếu là nghiền trục để phá vỡ cục lớn (phương pháp khô) hoặc cho nước vàokhuấy trộn thành bùn sệt (phương pháp ướt)

 Khai thác đất sét trong các mỏ hoặc ngầm dưới sông

 Đất sét cung cấp đồng thời SiO2, Al2O3 và Fe2O3

 Yêu cầu thành phần hóa của đất sét như sau:

 Tùy thuộc vai trò trong XM, có những loại phụ gia khác nhau:

 Phụ gia hiệu chỉnh thành phần: cát, boxit,…

 Phụ gia giảm tốc độ đóng rắn: thạch cao

 Phụ gia hoạt tính thủy lực: puzolan, các loại đất đá núi lửa,…

 Phụ gia xỉ lò cao

 Phụ gia đầy: bột đá vôi, bột đá

 Boxit (hàm lượng Fe2O3 khoảng 20%)

 Những loại đất đá có hàm lượng sắt cao như Latorit, đất đỏ (đá đỏ Hà Tiên II khaithác từ Long Bình có hàm lượng Fe2O3 trên 30%, Al2O3 trên 18%)

3.3.2 Điatomite

 Là phụ gia hoạt tính thủy lực

 Là đá trầm tích với thành phần chủ yếu là silic oxit Nó còn có tên khác là

kizengua hay đất tạo silic,

 Ứng dụng:

 Làm chất lọc, tẩy rửa trong công nghệ sản xuất bia, rượu, nước giải khát, dầu

 Dùng trong nuôi trồng thuỷ sản;

 Làm chất phụ gia thuỷ lực cho ximăng;

 Làm nguyên liệu cho sản xuất vật liệu cách nhiệt,

4 Tính quá trình cháy nhiên liệu

 Độ ẩm làm việc W = 1% , hệ số không khí dư α = 1,15 Nhiệt độ không khí 2 (gió 2 của lò quay là 70% lượng không khí cần để cháy than) bằng 400°C Lượngkhông khí 1(theo vòi đốt hay ống phun than) chiếm 30% ở nhiệt độ thường

Bảng 4.1 Thành phần hóa học của than cám 3 (II-96)

Hệ số sử dụng của than:

066,1092,7100

1100100

Q : Nhiệt sinh thấp của than, Kcal/kg than

¿hàm ẩm của không khí d = 1620 (g/kgKKK) Cho d = 16 g/kgKKK)

+ Lượng không khí thực tế để cháy nhiên liệu:

Không khí khô: L α=α L o=1,15.7,316=8,4134 (m tc3/kg)

Không khí ẩm: L α ' = (1+0,0016 d¿L α = (1+0,0016.16).8,4134 = 8,6288 (m tc3/kg)+ Lượng hơi nước không khí mang vào :

H2O kk=L α '

−¿ L α = 8,6288 – 8,4134 = 0,2154 (m tc3/kg)+Thể tích của sản phẩm cháy:

Bảng 4.5 Cân bằng vật chất quá trình cháy 100kg than với α = 1,15

Tro Sản phẩm cháy

15,12

285,184,2831,93832,3332,940,0,49

 Từ giản đồ i-t ta tìm được hàm nhiệt của không khí ở 400℃ bằng

 Theo giản đồ i-t ta tìm được nhiệt độ cháy thực tế t tt= 1580℃

5 Thiết kế cấp phối trong quá trình sản xuất xi măng

Nguyên liệu chưa nung i : S i o, A i o , F i o ,C i o…∑¿100%

Nguyên liệu đã nung i : S i k , A i k , F i k , C i k…∑¿100%

Phối liệu : S0, A0, F0,C0…∑¿100%