Giáo trình Công nghệ vật liệu cách điện

Giáo trình Công nghệ vật liệu cách điện thông tin đến các bạn với những kiến thức cung cấp đến các bạn với các kiến thức những đặc tính và các chỉ tiêu cơ bản của thiết bị nhiệt; nhiên liệu; chuyển động của dòng khí trong thiết bị nhiệt; cơ sở lý thuyết của quá trình gia công nhiệt vật liệu trong thiết bị nhiệt; tính nhiệt cho thiết bị nhiệt; thiết bị đốt nhiên liệu dùng trong sản xuất vật liệu xây dựng; thiết bị sấy dùng trong sản xuất vật liệu xây dựng; thiết bị nung dùng trong sản xuất vật liệu xây dựng; thiết bị dưỡng hộ nhiệt ẩm bê tông.

LỜI NÓI ĐẦU

* Nguyên Lý Lò Công Nghiệp Vật Liệu Xây Dựng là môn học nghiên cứu những đặc điểm kỹ thuật quan trọng nhất, những vấn đề chung nhất của các lò công nghiệp, đặc biệt là lò công nghiệp dùng trong lĩnh vực sản xuất vật liệu và cấu kiện xây dựng, trong đó chủ yếu là nghiên cứu các quy luật có liên quan đến sự chuyển động của dòng khí trong các thiết bị nhiệt

* Do tính chất của môn học, Nguyên Lý Lò Công Nghiệp Vật Liệu Xây Dựng được xem là nền tảng

để nghiên cứu các vấn đề chuyên sâu có liên quan Chính vì vậy, nội dung và mức độ trình bày các vấn đề trong môn học chỉ tập trung vào việc trang bị cho sinh viên (đặc biệt là sinh viên chuyên ngành Vật liệu và cấu kiện xây dựng) những kiến thức cơ bản về các thiết bị nhiệt và tất cả các vấn đề có liên quan đến quá trình gia công nhiệt sản phẩm trong các thiết bị nhiệt, để cùng với các môn học khác làm cơ sở lý luận quan trọng giúp cho sinh viên hiểu biết có hệ thống về thiết bị nhiệt (Ví dụ: Lò nung, Lò sấy, Buồng đốt, Bể dưỡng hộ nhiệt ẩm, các thiết bị hoàn nhiệt hay các thiết bị duy trì sự chuyển động cưỡng bức của dòng khí…) và có cơ sở vững vàng trong việc sử dụng thiết bị, lựa chọn các phương án kỹ thuật về nhiệt một cách hợp lý trong các dây chuyền công nghệ

Chương 1: Những đặc tính và các chỉ tiêu cơ bản của thiết bị

nhiệt

I Giới thiệu và phân loại thiết bị nhiệt:

1 Giới thiệu chung:

* Như đã biết, vật liệu xây dựng rất đa dạng về chủng loại và tính chất, tương ứng với mỗi loại vật liệu xây dựng là một qui trình công nghệ sản xuất khác nhau (có những loại được sản xuất theo qui trình tương đối đơn giản và cũng có những loại được sản xuất theo một qui trình công nghệ rất phức tạp…) và điểm chung nhất trong qui trình sản xuất của phần lớn các loại vật liệu xây dựng đó là: chúng đều phải trải qua một công đoạn quan trọng gọi là công đoạn gia công nhiệt, công đoạn này có ảnh hưởng quan trọng đến chất lượng sản phẩm

* Loại thiết bị được sử dụng để thực hiện quá trình gia công nhiệt được gọi là thiết bị nhiệt, ví dụ như:

lò nung, lò sấy, buồng đốt…

* Nguồn cung cấp nhiệt cho các thiết bị nhiệt thực hiện quá trình gia công nhiệt thu được từ quá trình đốt cháy các loại nhiên liệu như: gỗ, than đá, dầu mazut, khí thiên nhiên hay nhân tạo… Bên cạnh đó

có thể tận dụng dòng khí thải hay dòng khí nóng ở vùng làm nguội có nhiệt độ cao của lò nung…

2 Phân loại thiết bị:

* Phân loại thiết bị dựa theo đặc điểm của quá trình sản xuất:

- Thiết bị sấy

- Thiết bị nung

- Thiết bị dưỡng hộ (thiết bị gia công nhiệt ẩm)

- Các thiết bị phụ trợ như: buồng đốt, kênh dẫn khí…

* Phân loại thiết bị nhiệt theo chu trình làm việc:

- Thiết bị nhiệt hoạt động liên tục

- Thiết bị nhiệt hoạt động gián đoạn

* Phân loại theo khoảng nhiệt độ:

- Dưỡng hộ bê tông bằng hơi nước: từ 60 đến 200oC

II Các chỉ tiêu cơ bản của thiết bị nhiệt:

1 Mức tiêu thụ nhiệt riêng phần: kí hiệu q, đơn vị kCal/đơn vị sản phẩm và được tính theo công thức như sau:

q = Q/G Trong đó:

Q là nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình gia công nhiệt tạo ra sản phẩm (kCal, kJ)

G là tổng lượng sản phẩm

2 Mức tiêu thụ nhiên liệu riêng phần: kí hiệu b, đơn vị kg/đơn vị sản phẩm

* Mức tiêu thụ nhiên liệu riêng phần thực tế (kí hiệu btt) là lượng nhiên liệu thực tế đang dùng để gia công một đơn vị sản phẩm

btt = Q/(QlvttxG) Trong đó:

Qlvtt là nhiệt trị thực tế ở trạng thái làm việc của nhiên liệu (kCal/kg)

* Mức tiêu thụ nhiên liệu riêng phần qui về nhiên liệu chuẩn (kí hiệu bch) là lượng nhiên liệu chuẩn cần để gia công một đơn vị sản phẩm

bch = Q/(QlvchxG) = Q/(7000xG) Trong đó:

Qlvch là nhiệt trị của nhiên liệu chuẩn (Q = 7000kCal/kg)

* Lưu ý: riêng đối với thiết bị sấy thì G (tổng lượng sản phẩm) được thay bằng tổng lượng ẩm bốc hơi trong một đơn vị thời gian

3 Năng suất riêng phần: kí hiệu g, đơn vị - sản phẩm/m3(hay m2).tháng(hay năm)

* Năng suất riêng phần cho một đơn vị thể tích V hay một đơn vị diện tích F của thiết bị trong một tháng, một năm được xác định theo công thức sau:

g = G[số đvsf/tháng(hay năm)]/V(hay F) Trong đó:

G là tổng lượng sản phẩm trong một tháng hay trong một năm

* Lưu ý: chỉ tiêu này rất quan trọng vì nó phản ánh cách bố trí tối ưu, chặt chẽ và gọn gàng của thiết bị nhiệt

4 Hệ số hữu ích của thiết bị nhiệt: kí hiệu η, tính bằng phần trăm, có giá trị < 1

* Hệ số hữu ích của thiết bị nhiệt được xác định theo công thức sau:

η = Qct/Qcc < 1 Trong đó:

Qct là tổng nhiệt lượng cần thiết cho các phản ứng hóa học tiêu thụ nhiệt và đốt nóng sản phẩm (kể cả phản ứng làm bay hơi và đốt nóng lượng nước)

Qcc là tổng lượng nhiệt cung cấp

* Lưu ý: các thiết bị dưỡng hộ nhiệt ẩm ở áp suất thường không có hệ số hữu ích vì bản thân các phản ứng thủy hóa xi măng không cần cung cấp nhiệt

5 Kích thước hữu ích của thiết bị nhiệt: kí hiệu V(hay F), đơn vị m3

(hay m2)

* Kích thước hữu ích của tất cả các loại thiết bị nhiệt được xác định theo công thức sau:

V(hay F) = (Gnxτck)/[24xnxax(1-p)]

Trong đó:

Gn là năng suất trong một năm tính theo chính phẩm

n là số ngày làm việc của thiết bị tính trong một năm

a là mật độ xếp sản phẩm trong một đơn vị thể tích hay diện tích (tấn hay sản phẩm/m3

III Các chỉ tiêu cơ bản của nguyên vật liệu trong quá trình gia công nhiệt:

* Nguyên vật liệu trong quá trình gia công nhiệt chịu sự biến đổi về lượng (chất) và sự biến đổi này có thể được xác định dựa vào sản phẩm cuối cùng (chính là thành phẩm ra lò)

* Nếu vật liệu ban đầu ở trạng thái khô tuyệt đối có khối lượng là Gk và sản phẩm đã nung cuối cùng

có khối lượng là Gcc thì chúng có mối liên hệ như sau:

Gk = (Gccx100)/(100-MKN) Trong đó:

MKN là tổn thất khi nung

* Còn khi vật liệu ban đầu ở trạng thái ẩm với độ ẩm tương đối là W (%) thì khối lượng của nó kí hiệu

là Gw được xác định như sau:

Chương 2: Nhiên liệu

I Giới thiệu chung:

* Có thể định nghĩa “Nhiên liệu” là tên gọi của một số chất trong thiên nhiên hoặc nhân tạo có khả năng cháy nhanh và tạo ra một lượng nhiệt lớn, làm tăng nhiệt độ của môi trường khí xung quanh lên rất cao cần thiết cho quá trình gia công nhiệt

* Trong công nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng, sử dụng nhiều loại nhiên liệu khác nahu như: củi, than đá, các loại nhiên liệu lỏng, khí đốt thiên nhiên và nhân tạo, cho đến điện năng… song trong số

đó chủ yếu vẫn là những loại nhiên liệu cổ truyền thông thường gồm ba loại nhiên liệu chính và đây cũng chính là ba trạng thái tồn tại của chúng:

- Nhiên liệu rắn: gồm các loại than, củi

- Nhiên liệu lỏng: gồm các loại dầu cháy, chủ yếu là dầu mazut

- Nhiên liệu khí: gồm khí đốt thiên nhiên và nhân tạo

II Nhiên liệu rắn và nhiên liệu lỏng:

* Nhiên liệu rắn và nhiên liệu lỏng có cùng các tính cháy và cách biểu diễn thành phần hóa học Do vậy về phần nhiên liệu lỏng dưới đây chỉ xét thêm một số đặc điểm riêng biệt

1 Phân loại:

1.1 Nhiên liệu rắn:

* Các loại nhiên liệu rắn thường dùng trong công nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng gồm có:

- Củi, gỗ được dùng ngày càng ít vì hiếm dần và các chỉ tiêu về nhiệt lại thấp, nhiệt trị thông thường

từ 1700 đến 2200kCal/kg

- Than bùn là nhiên liệu của thời kỳ đầu tiên chuyển hóa thành than đá, trong nó còn thấy rõ những thảo mộc, lá cành Độ ẩm của than bùn rất cao, hàm lượng tro xỉ thấp, nhiệt trị làm việc khoảng 2500 đến 3000kCal/kg

- Than non ở vị trí trung gian khi than bùn chuyển hóa thành than đá Than non thường có màu đen (tối), hàm lượng xỉ khoảng từ 7 đến 40%, độ ẩm từ 11 đến 45%, nhiệt trị từ 2500 đến 4400kCal/kg

- Than đá có độ cứng khác nhau tùy theo tuổi, có ánh than và khối lượng thể tích khác nhau Nhiệt trị của than đá tương đối cao, thành phần hóa học chủ yếu là cacbon Tính theo tuổi hình thành thì than bùn có tuổi trẻ nhất và cuối cùng là than antraxit

* Ngoài nhiệt trị và thành phần hóa học dầu mazut còn có những tính chất khác rất quan trọng như: độ nhớt, hệ số dẫn nhiệt, tỷ nhiệt và nhiệt độ bốc lửa…

2 Thành phần của nhiên liệu rắn và của nhiên liệu lỏng:

2.1 Thành phần của nhiên liệu rắn:

* Cacbon (C) là thành phần chủ yếu trong nhiên liệu rắn như than đá, thành phần này chiếm tỷ lệ từ

50 đến 92% và có tham gia vào phản ứng cháy khi đốt (kí hiệu Cc)

* Hydro (H) trong nhiên liệu rắn có thể chiếm từ 1 đến 25%, riêng trong thành phần của than đá hydro thường chiếm khoảng từ 2 đến 5% và hydro có tham gia vào phản ứng cháy khi đốt (kí hiệu Hc)

* Lưu huỳnh (S) tồn tại trong nhiên liệu rắn dưới dạng các hợp chất như: trong hợp chất của kim loại kiềm và kiềm thổ (ví dụ CaSO4), trong hợp chất với pyrit sắt (như FeS2) hay trong thành phần của các hợp chất hữu cơ có thành phần hóa phức tạp Trong ba dạng tồn tại ở trên chỉ có lưu huỳnh tồn tại trong hai dạng sau có tham gia vào phản ứng cháy (kí hiệu Sc) và tỏa nhiệt tạo ra SO2 Song lưu huỳnh

là chất có hại vì sản phẩm cháy của lưu huỳnh sẽ kết hợp với hơi nước có trong khói thải tạo thành axit loãng làm hỏng đường tải nhiệt và là khí độc, than ít lưu huỳnh là than tốt (có S < 1%)

* Oxi (O2) trong thành phần nhiên liệu có tham gia vào phản ứng cháy (kí hiệu Oc) nhưng không tỏa nhiệt, nó thay thế một phần oxi từ không khí, hàm lượng oxi trong nhiên liệu rắn có thể từ 0,5 đến 43%

* Nitơ khí trơ (N) là một thành phần của nhiên liệu không tham gia vào phản ứng cháy, chiếm hàm lượng tương đối nhỏ khoảng 0,5 đến 2%, vì vậy nó không có ảnh hưởng lớn đến lượng nhiệt tỏa ra khi cháy của nhiên liệu

* Lượng tro xỉ trong nhiên liệu (kí hiệu A) gồm tro và các muối của kim loại kiềm và kiềm thổ, các khoáng silic và aluminat, khoáng chứa các hợp chất của sắt… riêng hàm lượng xỉ trong than chiếm tỷ

lệ rất cao, có khi lên đến 50% và có ảnh hưởng rõ rệt tới cách đốt (ví dụ đối với loại nhiên liệu than chứa nhiều xỉ dễ chảy thì đốt khó hơn vì cháy không đều và khó thông lò)

* Lượng ẩm trong nhiên liệu (kí hiệu W) là thành phần có hại và khi bay hơi nó tiêu tốn một lượng nhiệt Ngoài ra lượng ẩm làm giảm khả năng bốc lửa của nhiên liệu, làm hạ thấp nhiệt độ trong lò và làm chậm quá trình cháy

2.2 Thành phần của nhiên liệu lỏng:

* Dầu mazut chứa rất ít các chất không cháy, độ ẩm khoảng 1 đến 4%, hàm lượng tro xỉ rất thấp khoảng 0,1 đến 0,3% Lượng oxi và nitơ thấp, gần như không có

* Thành phần cacbon (C), hydro (H), lưu huỳnh (S) và oxi (O2) trung bình của dầu mazut chiếm lần lượt khoảng 88%; 11%; 0,7% và 1% Khi hàm lượng lưu huỳnh chiếm từ 1 đến 3% ta có thể gọi là dầu mazut giàu lưu huỳnh

3 Cách biểu diễn thành phần hóa của nhiên liệu rắn và nhiên liệu lỏng:

* Thành phần hóa của nhiên liệu rắn và nhiên liệu lỏng có thể được biểu diễn như sau:

C + H +S + O + N + A + W = 100%

* Nhìn vào thành phần hóa của nhiên liệu rắn và nhiên liệu lỏng ta thấy rằng thành phẩn ẩm (W) và tro xỉ (A) có thể biến đổi tùy thuộc vào cách bảo quản, vận chuyển và vào môi trường khí xung quanh… do vậy thành phần hóa của các loại nhiên liệu này còn có thể được biểu diễn dưới các dạng sau:

- Thành phần hữu cơ (kí hiệu hc): khi đó thành phần hữu cơ của nhiên liệu rắn và nhiên liệu lỏng có thể được biểu diễn như dưới đây:

- Thành phần khô (kí hiệu là k): khi đó thành phần khô của nhiên liệu rắn và nhiên liệu lỏng có thể được biểu diễn như dưới đây:

Ck + Hk + Ok + Nk + Sk + Ak = 100%

Với Xk = (Xx100)/(100 – W)

- Thành phần làm việc (kí hiệu là lv): khi đó thành phần làm việc của nhiên liệu rắn và nhiên liệu lỏng

có thể được biểu diễn như dưới đây:

Clv + Hlv + Olv + Nlv + Slv + Alv = 100%

Với Xlv = (Xx[100 – Wlv])/(100 – W) Trong đó:

X là thành phần bất kỳ nào đó trong thành phần từ kết quả phân tích (%)

Xhc là thành phần bất kỳ nào đó trong thành phần hữu cơ của nhiên liệu (%)

Xc là thành phần bất kỳ nào đó trong thành phần cháy của nhiên liệu (%)

Xk là thành phần bất kỳ nào đó trong thành phần khô của nhiên liệu (%)

Xlv là thành phần bất kỳ nào đó trong thành phần làm việc của nhiên liệu (%)

* Lưu ý: các cách biểu diễn thành phần hóa của nhiên liệu rắn và nhiên liệu lỏng vừa trình bày ở trên

có thể được tóm tắt theo sơ đồ sau:

Thành phần hữu cơ

Thành phần cháy

Thành phần khô Thành phần làm việc

III Nhiên liệu khí:

* Nhiên liệu khí bao gồm khí thiên nhiên và khí nhân tạo

1 Khí thiên nhiên:

* Khí thiên nhiên là một hỗn hợp cơ học các cacbuahydro chủ yếu chứa khí metan (CH4) và một số các cacbuahydro không no khác như etan (C2H6), propan (C3H8), butan (C4H10) và một ít lượng khí

CO2, N2

* Tùy thuộc vào mỏ khí, hàm lượng khí metan đạt từ 93 đến 98% và lượng các khí còn lại không quá 7% Nhiệt trị của nhiên liệu khí khoảng 7000 đến 9000kCal/m3 chuẩn Khí thiên nhiên càng giàu cacbuahydro nặng thì nhiệt trị càng cao, có thể đạt đến 15000kCal/m3

chuẩn

2 Khí nhân tạo:

* Khí nhân tạo là sản phẩm thu được từ quá trình khí hóa nhiên liệu rắn Thành phần hóa học của khí nhân tạo phụ thuộc vào cách khí hóa và vào thành phần của loại nhiên liệu rắn dùng để khí hóa Thành phần hóa học của khí nhân tạo có thể dao động rất lớn

IV Nhiệt trị của nhiên liệu:

1 Nhiệt trị của nhiên liệu rắn và của nhiên liệu lỏng:

* Nhiệt trị của nhiên liệu rắn và của nhiên liệu lỏng là lượng nhiệt tỏa ra khi cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu

* Nhiệt trị của các loại nhiên liệu rất khác nhau Để so sánh nhiệt trị của chúng ta dựa vào giá trị nhiệt trị của nhiên liệu tiêu chuẩn (quy ước là 7000kCal/kg nhiên liệu chuẩn) Trong tính toán kỹ thuật ta phải quy về nhiên liệu chuẩn để đánh giá chất lượng của thiết bị về mặt tiêu hao nhiên liệu

* Như đã biết hầu hết các loại nhiên liệu đều chứa hydro và một lượng ẩm vật lý nào đó (W) Hơi nước tạo ra trong quá trình cháy của hydro và bốc hơi ẩm hoặc là được ngưng tụ hoặc được thải theo khói lò ở trạng thái khí (hơi nước) Vì vậy nhiệt trị của nhiên liệu được phân thành hai loại là nhiệt trị cao (Qlvc) và nhiệt trị thấp (Qlvth)

- Nhiệt trị cao (Qlvc): khi ngưng tụ hơi nước thải ra một lượng nhiệt ẩm là 539kCal/kg nhiên liệu (ở

100oC) và khi tiếp tục làm nguội trong hơi nước đó từ 100oC xuống 0oC (tính theo điều kiện tiêu chuẩn) thì tỏa ra thêm một lượng nhiệt là 100kCal/kg nhiên liệu Khi đó lượng nhiệt tổng cộng thu được (khi ngưng tụ và làm nguội hơi nước) là (539 + 100)kCal/kg nhiên liệu và lượng nhiệt này được tính vào khi xác định nhiệt trị cao của nhiên liệu (Qlvc) Công thức thực nghiệm xác định nhiệt trị làm việc cao của nhiên liệu theo Mendeleep là:

Qlvc = 81xClv + 300xHlv – 26x(Olv – Slv) (kCal/kg)

- Nhiệt trị thấp (Qlvth): trong thực tế kỹ thuật, lượng hơi nước ở thể khí này mất theo khói lò, do vậy

mà lượng nhiệt ẩm ngưng tụ và lượng nhiệt lý do làm nguội (từ 100oC xuống 0oC) không được thu hồi, nghĩa là lượng nhiệt (539 + 100)kCal/kg nhiên liệu không được tính vào khi xác định nhiệt trị thực tế của nhiên liệu, đây chính là nhiệt trị thấp (Q ) và khi tính toán xác định nhiệt trị thấp của

nhiên liệu thì giá trị nhiệt trị thấp (Qlvth) được quy về điều kiện thông thường là 20oC Khi đó lượng nhiệt lý tỏa ra do làm nguội 1kg hơi nước từ 100oC xuống 20oC là (1x0,48x80 = 38,4kCal/kg, ở đây 0,48kCal/kg.độ là tỷ nhiệt của hơi nước) và lượng nhiệt này được tính vào khi xác định nhiệt trị thấp của nhiên liệu (Qlvth)

Qlvth = (Qlvc – [539 + 100]) + 38,4 = Qlvc – 600kCal/kgH2O Trong đó:

600kCal/kgH2O là nhiệt hóa hơi của nước (gồm hơi nước tạo ra trong quá trình cháy của hydro (H2 + 1/2O2 = H2O và bốc hơi nước vật lý – Wlv), do đó ta có thể viết lại như sau:

H2 + 1/2O2 = H2O 2=========>18

Hlv/100====>?

600kCal/kgH2O = 600x(9xHlv/100 + Wlv/100) = 6x(9xHlv + Wlv)

* Vậy công thức thực nghiệm xác định nhiệt trị làm việc thấp của nhiên liệu theo Mendeleep là:

Qlvth = 81xClv + 246xHlv – 26x(Olv – Slv) – 6xWlv (kCal/kg)

2 Nhiệt trị của nhiên liệu khí:

* Nhiệt trị của nhiên liệu khí là lượng nhiệt tỏa ra khi cháy hoàn toàn một đơn vị thể tích nhiên liệu khí (tính theo m3)

* Nhiệt trị của nhiên liệu khí được xác định bằng tổng số các tích của hiệu ứng nhiệt các phản ứng hóa học xảy ra với hàm lượng phần trăm thể tích của khí trong hỗn hợp và được xác định theo công thức dưới đây:

Qlvth = 25,8xH2lv + 30,5xCOlv + 85,3xCH4lv + 140,5xC2H4lv + 135xC2H2lv (kCal/m3 chuẩn)

* Lưu ý: nếu hàm lượng của các cacbuahydro không no khác chiếm tỷ lệ nhỏ trong tổng số thì chỉ cần tính theo khí metan là đủ

V Tính cháy nhiên liệu rắn và nhiên liệu lỏng:

* Tính cháy nhiên liệu bao gồm xác định lượng không khí (lượng oxi) cần thiết cho quá trình cháy, xác định thành phần, dung trọng và hàm lượng khói thải tạo ra, nhiệt độ mà nhiên liệu đạt được trong quá trình đốt, lượng không khí cần đưa vào hòa trộn để đạt được nhiệt độ mong muốn…

1 Xác định hệ số chuyển đổi thành phần của nhiên liệu:

* Bảng 2-1 Xác định hệ số chuyển đổi thành phần của nhiên liệu từ trạng thái này sang trạng thái khác

Thành phần đã

cho

Thành phần cần chuyển đổi Hữu cơ Cháy Khô Làm việc

Hữu cơ 1 (100-Sc)/100

(100-[Sk+Ak])/100

[Slv+Alv+Wlv])/100 Cháy 100/(100-Sc) 1 (100-Ak)/100 (100-[Alv+Wlv])/100

100/(100-* Gọi Yo là thành phần đã cho và Ycđ là thành phần cần chuyển đổi và ycđ có thể là: Alv + Wlv; Slv +

Alv + Wlv ta có:

- Trường hợp 1: thành phần đã cho Yo nhỏ hơn thành phần cần chuyển đổi Ycđ

Ycđ = [(100-ycđ)/100]xYoTrong đó: hệ số chuyển đổi k = (100-ycđ)/100 < 1

- Trường hợp 2: thành phần đã cho Yo lớn hơn thành phần cần chuyển đổi Ycđ

Ycđ = [100/(100-ycđ)]xYoTrong đó: hệ số chuyển đổi k = 100/(100-ycđ) > 1

2 Nhiệt trị của nhiên liệu rắn và nhiên liệu lỏng: kí hiệu là Qlvth, được xác định theo công thức dưới đây:

Qlvth = 81xClv + 246xHlv – 26x(Olv – Slv) – 6xWlv (kCal/kg)

3 Lượng không khí khô cần cho quá trình cháy lý thuyết: kí hiệu là Vo, được xác định theo công thức dưới đây:

)(

100

3,3100

5,26100

89,8

lv lv lv

Trong đó:

α là hệ số hư của không khí (α > 1), đây là một hệ số thực nghiệm được chọn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: tùy thuộc vào loại nhiên liệu, vào cỡ hạt của nhiên liệu, vào cách đốt, vào cấu tạo và mức độ hoàn thiện của thiết bị đốt… Cụ thể:

- Đối với nhiên liệu rắn α = 1,2 đến 1,6

- Đối với nhiên liệu lỏng α = 1,05 đến 1,2

5 Lượng không khí ẩm lý thuyết: kí hiệu là '

do là hàm ẩm của không khí môi trường bên ngoài

6 Lượng không khí ẩm thực tế: kí hiệu là '

do là hàm ẩm của không khí môi trường bên ngoài

7 Lượng sản phẩm cháy thực tế: kí hiệu là Vsfc, được xác định theo công thức dưới đây:

Vsfc = VCO2 + VSO2 + VH2O + VN2 + VO2dưVới VCO2; VSO2; VH2O; VN2; VO2dư lần lượt được xác định như sau:

V1 là lượng hơi nước nhận được do lượng không khí ẩm thực tế cung cấp cho quá trình cháy của nhiên liệu ứng với do (gam ẩm/kg không khí khô = gâ/kgkkk) và được xác định theo công thức sau:

V1 = 0,0016xdoxVα

V2 là lượng hơi nước nhận được do thành phần hydro trong nhiên liệu bốc cháy và được xác định theo công thức sau:

V2 = (11,2xHlv)/100

V3 là lượng hơi nước nhận được do độ ẩm trong nhiên liệu bốc hơi khi cháy và được xác định theo công thức sau:

V3 = (1,24xWlv)/100

* Thành phần phần trăm của từng sản phẩm cháy được tính so với tổng lượng sản phẩm cháy thực tế:

%CO2; %SO2; %H2O; %N2; %O2dư

8 Tỷ trọng của sản phẩm cháy (hay của khói lò): kí hiệu là γsfc, được xác định theo công thức dưới đây:

γsfc = Gsfc/VsfcTrong đó:

Gsfc là khối lượng của sản phẩm cháy khi đốt 1kg nhiên liệu (đơn vị kg/kg nhiên liệu) và được xác định theo công thức sau:

Gsfc = γCO2xVCO2 + γSO2xVSO2 + γH2OxVH2O + γN2xVN2 + γO2dưxVO2dưVới γCO2; γSO2; γH2O; γN2; γO2dư lần lượt là tỷ trọng của các khí

* Ví dụ minh họa: Nhiên liệu sử dụng là dầu mazut có thành phần cháy như sau:

Cho biết hàm lượng tro Alv = 0,1%, độ ẩm Wlv = 2,0%, α = 1,2% và không khí môi trường bên ngoài

có hàm ẩm là 19 gâ/kgkkk

a Hãy tính nhiệt trị làm việc thấp của nhiên liệu trên

b Hãy tính lượng không khí khô và lượng không ẩm lý thuyết cần để đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu

c Hãy tính lượng không khí khô và lượng không ẩm thực tế cần để đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu

d Hãy tính thành phần phần trăm sản phẩm cháy thực tế

e Hãy xác định tỷ trọng của khói lò, biết tỷ trọng của các khí γCO2; γSO2; γH2O; γN2; γO2dư lần lượt bằng: 1,977; 2,927; 0,804; 1,251; 1,429 kg/m3

Chương 3: Chuyển động của dòng khí trong thiết bị nhiệt

I Khái quát chung về sự chuyển động của dòng khí trong thiết bị nhiệt:

* Chất khí chuyển động trong các thiết bị nhiệt thông thường là khói lò (là các sản phẩm khí của quá trình đốt cháy nhiên liệu), không khí nóng, hơi nước hoặc hỗn hợp giữa các khí trên Trong quá trình chuyển động trong thiết bị nhiệt, khí trao cho vật liệu gia công một lượng nhiệt của mình (hoặc nhận một lượng nhiệt từ vật liệu), sự truyền nhiệt này phụ thuộc vào những yếu tố chính như:

* Ngày nay trong các lò hiện đại, sự chuyển động tự nhiên của dòng khí không đủ đảm bảo cho thiết

bị làm việc có năng suất cao và công suất lớn, hầu hết các thiết bị nhiệt hiện đại làm việc phải nhờ quạt tạo sự chuyển động cưỡng bức của dòng khí

* Như vậy, khi xét quá trình làm việc của thiết bị nhiệt ta cần lưu ý những điểm sau:

- Áp suất dư hoặc chân không trong các lò thường không quá ±50mm cột nước, do đó khi tính các quá trình liên quan đến dòng khí có thể bỏ qua ảnh hưởng của các yếu tố áp suất tới sự nén hoặc giãn nở của khí mà chỉ xem xét nó như là chất lỏng không chịu nén, đồng nhất và liên tục lấp đầy kênh dẫn Trên đường chuyển động, khi gặp vật cản thì từ lúc còn ở một khoảng cách tương đối xa dòng khí đã đổi hướng, biến dạng, lượn đều chảy quanh vật cản, điều này có thể giúp ta xác định được vị trí thích hợp khi đặt các thiết bị đo và xây các kênh dẫn

- Ở trên đã không xét đến ảnh hưởng của yếu tố áp suất đến sự chuyển động của dòng khí trong thiết

bị nhiệt nhưng đối với yếu tố nhiệt độ thì hoàn toàn ngược lại, ta phải đặc biệt chú ý đến yếu tố này vì trọng lượng riêng của khí lò phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ và chính yếu tố nhiệt độ đã làm cho

trọng lượng riêng của khí lò và của không khí xung quanh có giá trị khác nhau Do đó khí nóng bao giờ cũng chuyển động tự do hướng lên trên và thành phần của chuyển động tự do này không phải lúc nào cũng có lợi, thực tế nó gây nên không ít khó khăn ảnh hưởng đến quá trình gia công nhiệt vật liệu xây dựng

II Những đặc điểm tiêu biểu của chuyển động dòng khí trong thiết bị nhiệt:

* Các thiết bị nhiệt rất đa dạng về chủng loại, về hình dáng và kích thước Dựa vào loại chất tải nhiệt

sử dụng có thể chia thiết bị nhiệt thành hai nhóm chính như sau:

- Nhóm sử dụng chất tải nhiệt là hơi nước hoặc nước nóng

- Nhóm sử dụng chất tải nhiệt là không khí nóng hoặc khói lò

* Một cách tổng quát, dòng khí trong thiết bị nhiệt chuyển động được nhờ tác dụng của hai lực:

- Nội lực: lực này xuất hiện ngay chính trong bản thân chất tải nhiệt, do có sự chênh lệch về trọng lượng riêng của khí Nguyên nhân gây nên sự chênh lệch về trọng lượng riêng của khí lại do sự chênh lệch về nhiệt độ hay độ ẩm (hoặc cả hai) ở những vị trí khác nhau, hay nói cách khác nội lực là nguyên nhân của sự chuyển động tự do của dòng khí

- Ngoại lực: là lực nhân tạo tác dụng từ bên ngoài, lực này tạo nên áp lực hoặc chân không bắt dòng khí chuyển động mà không cần có sự chênh lệch trọng lượng riêng

1 Nguyên lý Grum – Grimailo về sự chọn hướng chuyển động của dòng khí trong thiết bị nhiệt theo quy luật tự nhiên:

* Grum – Grimailo đã chỉ ra cách chọn hướng chuyển động của dòng khí trong thiết bị nhiệt theo quy luật tự nhiên sao cho có lợi nhất nhờ ảnh hưởng của áp suất thế năng trong các lò đứng, cụ thể: khi vật liệu trong lò trao nhiệt cho khí đi qua thì phải bố trí sao cho hướng chuyển động của dòng khí đi từ dưới lên, còn nếu khí trao nhiệt cho vật liệu thì phải bố trí sao cho hướng chuyển động của dòng khí đi

* Ví dụ 2: ngược lại, trong trường hợp trên nếu cho dòng khí đưa vào chuyển động hướng từ trên xuống thì sẽ không xảy ra hiện tượng “sự tự điều hòa” tốc độ dòng khí trong các rãnh này, nghĩa là không tạo nên sự cân bằng về tốc độ chuyển động của dòng khí ở các rãnh khác nhau

2 Dòng khí chuyển động trong lò đường hầm, lò nằm:

* Giả sử có một lò nằm ngang, chiều dài đủ lớn và hai chiều còn lại rất nhỏ Theo chiều dài ta chia lò thành ba vùng cơ bản lần lượt là: vùng sấy trước, vùng nung và vùng làm nguội Bây giờ nếu ta chưa đặt một ngoại lực nào vào, nghĩa là hoạt động của lò lúc này hoàn toàn chỉ nhờ vào nội lực của chính mình thì sự chuyển động của dòng khí trong lò sẽ như thế nào ?

* Trong lò đường hầm, lò nằm nếu ta không đặt ngoại lực thì dòng khí trong lò không thể chuyển động được, nghĩa là lò sẽ không hoạt động được Do đó ta phải tác động vào dòng khí một ngoại lực, khi đó dòng khí trong lò sẽ chuyển động được, lúc này lò hoạt động được Như vậy để tạo ra được ngoại lực làm cho dòng khí trong lò chuyển động ta cần đặt thêm một hay nhiều quạt (có thể là quạt thông gió hay quạt hút của ống khói hoặc quạt đẩy), ví dụ đặt ở vùng làm nguội

* Trong thực tế, ở vùng làm nguội của lò đường hầm, lò nằm dòng khí có xu hướng di chuyển mạnh ở phía dưới (đáy lò), còn ở vùng sấy dòng khí lại di chuyển mạnh ở phía trên Do vậy nguyên tắc khi đặt cửa quạt đẩy ta phải đặt thổi vào đỉnh lò, còn ở cửa hút ra phải đặt ở đáy lò, làm như thế ta sẽ giảm được sự phân tầng của trường tốc độ dòng khí (vì trong lò đường hầm, lò nằm chính thành phần tự do của dòng khí làm lệch trường tốc độ) Tuy nhiên ta cũng không thể loại trừ hết những ảnh hưởng của thành phần này gây ra, mà chỉ nghiên cứu để tìm các biện pháp hạn chế bớt tác dụng xấu của nó

3 Dòng khí chuyển động trong lò đứng:

* Trong lò đứng vật liệu đi từ trên xuống còn khí lò đi ngược dòng tạo thành ba vùng rõ rệt: sấy đốt nóng – nung – làm nguội Lò đứng làm việc chỉ nhờ áp suất thế năng của dòng khí như đã phân tích ở trên, chiều cao của lò đứng (H) không thể lớn hơn nhiều lần đường kính của lò (D) và thường nằm trong khoảng H = (2D đến 3D) như lò nung vôi, lò gạch thủ công cỡ nhỏ… Còn lò đứng có công suất

lớn khi làm việc phải nhờ tới quạt hút và quạt đẩy phối hợp, đối với loại lò đứng công suất lớn nên có chiều cao lớn hơn đường kính nhiều lần

4 Dòng khí chuyển động trong các bể dưỡng hộ:

* Các thiết bị dưỡng hộ được dùng phổ biến trong sản xuất các loại vật liệu có sử dụng nguyên liệu là

xi măng – vôi – cát Để cho phản ứng thủy hóa xi măng và sự kết hợp giữa vôi – cát tạo ra các chất mới với tốc độ nhanh ta dùng chất tải nhiệt là hơi nước bão hòa ở nhiệt độ cao (t >= 100o

C)

* Có nhiều cách để đưa hơi nước vào thiết bị và thải hỗn hợp hơi nước với không khí ra khỏi bể, giả

sử bể kín hoàn toàn ta có các cách cung cấp hơi nước và thải khí như sau: dưới – dưới; dưới – trên; trên + dưới – dưới (phối hợp)

- Ở sơ đồ thứ nhất (dưới – dưới): hơi nước vào bể gặp vật liệu nguội trao nhiệt đốt nóng vật liệu, một phần bị ngưng tụ còn một phần hơi nước lẫn vào không khí có trong bể, dẫn đến đốt nóng không khí trong bể và làm tăng độ ẩm tương đối của môi trường khí trong bể, lúc này không khí ẩm có nhiệt độ cao, đồng thời nhẹ sẽ chuyển động lên trên tạo nên sự đối lưu trong lò Hỗn hợp khí thải (không khí + hơi nước) được thoát ra ở phía dưới Bằng cách này ta có thể đốt nóng vật liệu theo ý muốn nhờ đối lưu và năng nhiệt độ bể lên tới gần 100oC Khi thành bể và nắp bể có chỗ hở nào đó thì hỗn hợp hơi nước – không khí sẽ thoát qua đó ra ngoài và lúc này cửa thoát ở phía dưới không còn tác dụng nữa

- Ở sơ đồ thứ hai (dưới – trên): ta thấy tương tự như ở sơ đồ dưới – dưới có nắp bể bị hở Đây là kiểu

bể làm việc phổ biến nhất gọi là bể dưỡng hộ thường (áp suất trong bể này xấp xỉ áp suất khí quyển)

- Ở sơ đồ thứ ba: nếu cấp hơi nước theo kiểu trên + dưới thì hơi nước nhẹ sẽ chiếm lấy phần trên của

bể và đốt nóng vật liệu ở phần đó, lúc này trong bể hoàn toàn không có sự đối lưu Bằng cách này ta không thể thực hiện quá trình nâng nhiệt từ từ được vì trong bể chia làm hai phần rõ rệt bởi mặt phân cách 0 – 0; phía trên vật liệu tiếp xúc với hơi nước có nhiệt độ cao gần như tức thời, còn ở phía dưới vật liệu vẫn chỉ ở nhiệt độ ban đầu

III Các dạng trở lực trong chuyển động của dòng khí:

1 Tổn áp ma sát

2 Tổn áp cục bộ:

- Tổn áp cục bộ khi dòng đổi hướng với góc φ và bán kính uốn cong R, đường kính kênh dẫn D

- Tổn áp qua cửa điều tiết trong ống tiết diện không đổi

- Tổn áp khi diện tích mặt cắt kênh dẫn thay đổi đột ngột: khi chảy vào, khi chảy ra

- Tổn áp qua lưới chắn

- Tổn áp qua cửa điều tiết của van quay

- Tổn áp qua cửa chắn của kênh dẫn đường kính D và chiều cao H của tấm chắn nâng lên

- Tổn áp cục bộ của lớp vật liệu đứng yên (lớp làm việc ở chế độ lọc): ví dụ tổn áp của lớp nhiên liệu trên mặt ghi đốt trong buồng đốt

- Tổn áp của lớp vật liệu xếp

3 Tổn áp thế năng:

- Tổn áp thế năng xuất hiện trong thiết bị nhiệt trên đoạn đường dòng khí chuyển động theo phương thẳng đứng hoặc đi nghiêng Khí nóng khi đi lên tạo ra một áp lực bổ sung kích thích sự chuyển động của dòng khí, ngược lại đối với khí nóng khi đi xuống đòi hỏi ta cần phải tiêu tốn một năng lượng

4 Tổn áp khác:

- Ngoài các loại tổn áp trên, khi dòng khí chuyển động trong trường không đẳng nhiệt ta nên xét thêm một loại tổn áp có liên quan đến sự biến đổi tốc độ của chất tải nhiệt do dòng khí chuyển động trong trường không đẳng nhiệt gây ra (cụ thể: trong đoạn kênh dẫn khí được đốt nóng và trong đoạn kênh dẫn khí được làm lạnh)

IV Các thiết bị duy trì sự chuyển động cưỡng bức của dòng khí:

* Có hai loại thiết bị thường dùng nhất có thể làm cho dòng khí nóng chuyển động ngang hoặc hướng

từ trên xuống dưới và khắc phục các tổn áp trong lò đó là thiết bị ống khói và quạt thông gió

bằng thép Đối với ống khói có chiều cao từ 30 đến 60m thì nên xây bằng gạch, còn ống khói có chiều cao lớn hơn 60m thì nên đúc bằng bê tông cốt thép

- Chỉ dùng duy nhất ống khói khi lực hút tự nhiên mà ống khói tạo ra với chiều cao không quá 50 đến 60m Trong trường hợp cần tạo ra áp lực hút lớn hơn thì nên dùng phối hợp ống khói với quạt thông gió

- Theo quy định về vệ sinh môi trường, ống khói không được thấp hơn 16m và phải cao hơn nóc nhà cao nhất trong phạm vi 100m là 5m

- Tốc độ dòng khí ra ở cửa miệng ống khói lấy bằng 4m/s, còn trong trường hợp ống khói có dùng quạt hút và được làm bằng thép thì có thể chọn tốc độ dòng khí ra ở cửa miệng ống khói bằng 8 đến 15m/s

- Đường kính trong của chân ống khói lấy gấp 1,5 lần đường kính ở trên miệng ống khói nếu xây bằng gạch, còn khi xây bằng bê tông cốt thép thì ống khói có dạng là một hình trụ đều

- Thông thường ta chỉ biết nhiệt độ khói thải ra tại một trong hai vị trí của ống khói đó là ở chân ống khói hoặc ở miệng ống khói, khi đó muốn biết nhiệt độ tại vị trí còn lại để tính được dung trọng trung bình của khói lò ta phải dựa vào độ giảm nhiệt độ của nó khi di chuyển trong ống khói (với ống khói được xây bằng bê tông cốt thép, xây bằng gạch thì nhiệt độ của khói lò trong ống khói giảm từ 1 đến 2,5oC/m và ống khói được xây bằng thép là 4o

C/m)

- Khi ống khói làm việc cho nhiều lò thì chiều cao ống khói khi thiết kế phải tính theo lò nào có trở lực cao nhất, còn đường kính trên của ống khói tính theo tổng lượng khí của tất cả các lò thải ra trong một giây Trong trường hợp này ở chân ống khói phía trong phải xây dựng những tường phân chia ống khói ra những múi để khi làm việc không ảnh hưởng lẫn nhau, chiều cao của tường từ 4 đến 6m

2 Quạt thông gió:

* Quạt thông gió có nhiệm vụ cung cấp không khí hoặc khói lò hoặc thải khí từ lò ra Trong các loại quạt thông gió thì quạt ly tâm là loại quạt được dùng phổ biến nhất để duy trì sự chuyển động của dòng khí trong lò

* Quạt làm việc nhờ động cơ, việc truyền chuyển động từ động cơ tới quạt có thể bằng hộp số hoặc đai truyền

* Không khí hoặc khói nóng đi vào quạt có thể từ một phía hoặc hai phía nhờ các kênh dẫn Dòng khí vào và ra khỏi quạt có chiều vuông góc với nhau Trong các bộ phận cấu tạo nên quạt, vòng cánh quạt

là bộ phận chính

* Quạt ly tâm có nhiều kiểu khác nhau, chúng được chia thành ba nhóm:

- Nhóm áp lực thấp: tạo ra áp lực tới 100mm cột nước

- Nhóm áp lực trung bình: tạo ra áp lực từ 100 đến 300mm cột nước

- Nhóm áp lực cao: tạo ra áp lực >= 1000mm cột nước

* Các quạt lớn nhỏ được đặc trưng bằng số hiệu quạt (kí hiệu No) được chọn bằng số đo của vòng cánh có đơn vị dm (ví dụ quạt số 8 – No8 có số đo vòng cánh là 8dm)

* Quạt khói cũng có cấu tạo giống như quạt thông gió nhưng được làm bằng những vật liệu có khả năng chịu nhiệt và chống mài mòn tốt hơn Quạt khói làm việc với chất tải nhiệt có nhiệt độ lớn hơn

160oC Thông thường loại quạt này có bộ phận làm nguội bằng nước cho các ổ đỡ trục

* Để tránh hiện tượng ngưng tụ hơi nước của khói lò gây nên sự rung của quạt, yêu cầu nhiệt độ của khói thải không nhỏ hơn 100oC Tốc độ ở cửa xả (cửa có áp lực) của quạt chọn từ 10 đến 15m/s

* Trong quạt còn có thiết bị điều chỉnh sự làm việc của quạt trong mạng như van điều tiết (hay còn gọi

là van tiết lưu) Cụ thể van tiết lưu có tác dụng chính là điều chỉnh công suất lưu lượng và tính đến những sai sót của tính toán mạng (như xác định không đúng tổn áp và lượng không khí ban đầu cũng như sự rò rỉ, khả năng cháy của nhiên liệu…)

* Lưu ý chung: khi chọn quạt cần phải có những dữ kiện sau đây:

- Công suất lưu lượng V (m3/h) – xác định từ tính toán

- Nhiệt độ của không khí khu vực và nhiệt độ của khí thải hoặc khói thải

- Tổn áp mà quạt cần khắc phục – mm cột nước

- Hướng cần thiết của vòng quay rô to…

Chương 4: Cơ sở lý thuyết của quá trình gia công nhiệt vật

liệu trong thiết bị nhiệt

I Quá trình sấy:

1 Khái niệm về quá trình sấy:

* Sấy là quá trình làm khô vật liệu, còn thiết bị để thực hiện quá trình này gọi là thiết bị sấy Đây là công đoạn quan trọng và phức tạp không chỉ trong sản xuất vật liệu xây dựng mà còn của nhiều ngành công nghiệp khác

* Có một số cách làm khô vật liệu như: ép, lọc ly tâm…nhưng các phương pháp này lại không được coi là sấy Nên ở đây quá trình sấy được hiểu là cách làm khô vật liệu nhờ năng lượng của khí sấy

* Thông thường trong vật liệu bao giờ cũng có chứa trong mình một lượng ẩm, song chỉ những lượng

ẩm nào vượt quá giới hạn gây nên khó khăn cản trở hoặc làm nguy hại cho những quá trình công nghệ tiếp theo mới cần phải loại bỏ, nghĩa là phải làm khô bớt đi bằng cách sấy

* Thực tế rất hiếm khi đòi hỏi vật liệu phải có độ khô tuyệt đối, vì vậy mà quá trình sấy chỉ làm mất đi một phần hoặc toàn bộ (rất ít khi) lượng ẩm cơ học và hấp thụ có trong vật liệu ở nhiệt độ môi trường sấy tương đối thấp Trong quá trình mất nước vật liệu chỉ thay đổi tính chất cơ lý của mình mà không

có những biến đổi về bản chất hóa học, nghĩa là những tính chất ban đầu của vật liệu sau khi sấy sẽ được khôi phục hoàn toàn nếu như ta phá vỡ cấu trúc tạo ra khi sấy và được làm ẩm trở lại

* Tùy thuộc vào trạng thái của vật liệu sấy ở dạng hạt rời đổ đống hoặc lỏng như hồ loãng, hay dẻo cứng sau khi tạo hình thành những vật có hình dáng cố định mà ta có những chế độ sấy và các thiết bị sấy tương ứng nhằm đạt hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao

* Về mặt năng lượng, loại chất tải nhiệt được sử dụng phổ biến nhất để sấy vật liệu là khói lò được tạo

ra từ sự cháy của các loại nhiên liệu ở các buồng đốt hoặc không khí đốt nóng thu được từ các thiết bị trao nhiệt (caloriphe) Thực tế khi sử dụng khí thải từ các lò nung, nồi hơi để sấy vật liệu trong nhiều trường hợp đem lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật rất cao vì tiết kiệm được nhiên liệu và các thiết bị đốt

* Công nghệ sấy xem xét ba mặt chính liên quan với nhau là: các tính chất và yêu cầu chất lượng sản phẩm trước và sau khi sấy, phương pháp sấy và nguồn năng lượng của thiết bị sấy tương ứng

* Khi sấy một số loại vật liệu ở dạng hạt rời hay hồ loãng ta không quan tâm đến sự co ngót của chúng vì nó không gây nguy hại cho sản phẩm sau khi sấy, thậm chí trong một số trường hợp còn có lợi vì sự biến dạng làm nứt vỡ vật liệu sấy Trái lại khi sấy các vật liệu đã tạo hình thành những sản phẩm có hình dạng định trước thì sự biến dạng không thể không tính đến mà còn phải đưa lên hàng đầu

* Nhóm sản phẩm đã tạo hình sẵn rất đa dạng, kỹ thuật sấy cũng phức tạp nhất vì sự biến dạng không chỉ phụ thuộc vào bản chất tự nhiên của nguyên liệu làm nên chúng mà còn phụ thuộc vào phương pháp tạo hình, vào kích cỡ sản phẩm, nhất là vào chiều dày và sự phức tạp của hình dáng, vào độ ẩm ban đầu của vật liệu và vào cả bản thân chế độ sấy

3 Các dạng của quá trình sấy:

3.1 Quá trình sấy có bổ sung nhiệt trong phòng sấy:

* Trường hợp này ngoài lượng nhiệt cung cấp do caloriphe sưởi còn được bổ sung nhiệt do caloriphe

bổ sung đặt ngay trong phòng sấy

* Không khí ban đầu qua caloriphe sưởi được đốt nóng đến nhiệt độ yêu cầu đi vào lò sấy, ở đây ta tiếp tục cung cấp nhiệt Lượng nhiệt này lớn hay nhỏ tùy thuộc vào lượng nhiệt đã cung cấp ở caloriphe sưởi

* Trong phương thức sấy có bổ sung nhiệt khi sấy, nếu trạng thái đầu và trạng thái cuối của không khí

đã xác định thì lượng nhiệt tiêu hao cho quá trình là một đại lượng không đổi Nếu giảm lượng nhiệt cấp từ caloriphe sưởi thì tăng lượng nhiệt cấp từ caloriphe bổ sung và nhiệt độ sấy cao nhất khi phương thức sấy không có bổ sung nhiệt và thấp nhất khi lượng nhiệt được cung cấp toàn bộ tại phòng sấy, nghĩa là không có caloriphe sưởi

* Như vậy phương thức sấy có bổ sung nhiệt được áp dụng khi vật liệu sấy không thể tiến hành ở nhiệt độ cao

3.2 Quá trình sấy có hồi lưu không khí đã sử dụng:

* Phương thức này dùng tách nhân sấy là khí thải ra được trích lại một phần để bổ sung cho không khí mới được đốt nóng đi vào lò sấy

* Lợi ích của phương thức sấy có hồi lưu không khí đã sử dụng như sau:

- Tận dụng lại một phần tác nhân sấy và năng lượng nhiệt của không khí sấy đã sử dụng, nhờ vậy giảm được năng lượng hao phí chung cho quá trình sấy, cường độ truyền nhiệt lớn vì tốc độ tác nhân sấy cao

- Tạo nên chế độ sấy dịu, đáp ứng yêu cầu sấy các sản phẩm thành mỏng, các sản phẩm có hình dạng phức tạp và độ nhạy của nguyên liệu tạo ra nó cao Khí thải có nhiệt độ thấp và độ ẩm cao, được bổ sung vào tác nhân sấy đi vào (tác nhân sấy này vừa qua thiết bị đốt do đó có nhiệt độ khá cao , còn độ

ẩm thì rất thấp) Việc phối trộn giữa khí thải với tác nhân sấy có nhiệt độ cao và hàm ẩm thấp sẽ làm giảm nhiệt độ của hỗn hợp và tăng hàm ẩm của nó, điều này dẫn tới giảm quá trình khuếch tán ngoài của vật liệu trong thời gian đầu tiếp xúc giữa tác nhân sấy với vật liệu ẩm Ở giai đoạn này, các điều kiện cản trở thoát ẩm trong khối thể vật liệu được cải thiện Kết quả dẫn tới lượng ẩm từ vật liệu thoát

ra triệt để hơn, lượng phế phẩm khi sấy là ít nhất

3.3 Quá trình sấy bằng khói lò:

* Phương thức sấy này sử dụng Khói lò làm tác nhân sấy trong sấy vật liệu và các cấu kiện xây dựng nói chung và các sản phẩm gốm thô nói riêng

* Khói lò được tạo ra từ buồng đốt hoặc từ buồng lọc khí thải được đưa vào buồng hòa trộn Tại đây khói lò được hòa trộn với một lượng không khí từ ngoài khí quyển đưa vào để làm giảm nhiệt độ trước khi đưa vào hầm sấy Hệ số hòa trộn được xác định theo phương trình cân bằng nhiệt quá trình trộn khói lò với không khí

3.4 Quá trình sấy bằng khói lò với hồi lưu khí thải:

* Trường hợp này tương tự như trường hợp sấy bằng khói lò đã nêu ở phần trên Ở đây chỉ khác ở chỗ một phần khí sau khi đi qua hầm sấy lại được đưa quay trở lại vào buồng hòa trộn

* Ngoài bốn dạng sấy vừa nêu trên, trong thực tế ta còn thấy phương thức sấy với đốt nóng thêm trực tiếp trong buồng sấy và sấy đốt nóng từng vùng với lưu hoàn khí đã sử dụng

4 Sự xuất hiện kẽ nứt ở vật liệu sấy:

* Nứt nẻ là dạng phế phẩm thường gặp trong khi sấy các sản phẩm mộc Nguyên nhân bao trùm của những hiện tượng này là do sự chênh lệch tốc độ khuếch tán ẩm từ mặt ngoài vật liệu ra môi trường,

từ trong khối thể vật liệu ra mặt ngoài Sự khuếch tán này lại không đồng đều ở các vị trí khác nhau của vật thể sấy Cơ chế của quá trình có thể diễn ra như sau:

- Đối với sản phẩm dạng tấm có thể bị phá hủy hoàn toàn khi sấy hai phía nếu xuất hiện sự chênh lệch

độ ẩm tới hạn theo chiều dày của chúng Do có chênh lệch độ ẩm tới hạn nên cường độ sấy tăng nhanh, dẫn đến mức độ co ở lớp bề mặt lớn hơn nhiều so với lớp ở giữa, kết quả dẫn tới mặt nứt xuất hiện theo toàn thể tích sản phẩm sấy Nếu sấy sản phẩm như tấm lát, ngói… ta có thể gặp phế phẩm ở dạng nứt cạnh và nứt tâm Vết nứt cạnh thường xuất phát từ cạnh sản phẩm trong giai đoạn đầu của quá trình sấy sự biến đổi độ ẩm ở cạnh góc sản phẩm nhanh hơn ở vùng trung tâm vì mặt tiếp xúc của

nó với môi trường lớn hơn nhiều so với trung tâm, do đó góc cạnh sản phẩm sấy sẽ co nhiều và nhanh hơn ở trung tâm Nếu chênh lệch độ ẩm ở cạnh góc và trung tâm quá giới hạn cực đại cho phép thì vết nứt sẽ xuất hiện từ cạnh của vật sấy

- Nứt tâm là vết nứt ở phần giữa mặt sản phẩm Ở khu vực góc và cạnh đã kết thúc quá trình co ngót, nghĩa là đã bước sang giai đoạn sấy thứ ba để tạo lỗ xốp Trong khi đó ở phần giữa của vật sấy còn đang ở giai đoạn sấy thứ hai Lớp ngoài đã bền vững sẽ kéo căng lớp trong Cuối cùng lớp trong bị nứt theo dạng nứt hướng tâm

- Để tránh nứt cạnh và nứt hướng tâm cần tránh tạo ra sự chênh lệch lớn về độ ẩm ở phần góc cạnh và giữa sản phẩm

* Để tăng cường quá trình sấy và giảm lượng phế phẩm tối đa, ta cần tiến hành thay đổi thêm chế độ sấy Tạo ra chế độ sấy dịu bằng cách dùng tác nhân sấy có độ ẩm cao và nhiệt độ thấp trong giai đoạn vật liệu sấy tiếp xúc đầu tiên với tác nhân sấy Thời kỳ này cường độ thoát ẩm trên bề mặt vật liệu sấy rất thấp Mục đích chủ yếu ở giai đoạn này là tác nhân sấy cung cấp nhiệt cho vật liệu sấy – hay nói đúng hơn là cung cấp nhiệt lượng cho nước ở trong vật liệu nóng lên Việc tăng nhiệt độ đó dẫn tới sự giãn nở các mao quản và giảm độ nhớt cũng như sức căng bề mặt của nước Các yếu tố đó tạo điều kiện cho sự thoát nước từ trong lòng vật liệu sấy tăng lên Khi các yếu tố này đạt những chỉ tiêu cần thiết, ta tiếp tục tăng tốc độ tác nhân sấy, tăng nhiệt độ và giảm độ ẩm của tác nhân sấy, tạo điều kiện cho sự chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước trên bề mặt vật liệu và áp suất hơi nước trong môi trường, cũng có nghĩa là thúc đẩy sự khuếch tán ngoài, còn sự khuếch tán trong lúc này cũng được tăng cường Kết quả của quá trình là: tuy thời gian đầu tốc độ sấy có thấp nhưng giai đoạn sau được tăng cường mạnh dẫn tới lượng ẩm thoát ra nhiều, vật sấy được khô triệt để hơn, trong khi phế phẩm giảm xuống đáng kể

* Trong các lò sấy, chất tải nhiệt và vật liệu sấy vận chuyển ngược chiều nhau, những ưu điểm trên đã được phát huy một phần rất tự nhiên

* Cũng cần lưu ý rằng, kẽ nứt có thể xuất hiện ngay ở các sản phẩm đã được sấy khô Ở những trường hợp này kẽ nứt thường nhỏ, gọi là nứt vi ti (nứt chân chim) Nguyên nhân chủ yếu là do sản phẩm quá khô sau khi sấy, do đó khi ra ngoài môi trường nó sẽ hút hơi ẩm từ môi trường (không khí) dẫn tới sự phá vỡ liên kết giữa các hạt sét do hấp thụ nướcà

* Có thể ngăn ngừa các vết nứt vi ti bằng cách không được sấy quá khô đến độ ẩm thấp hơn độ ẩm cân bằng trong không khí Không đặt sản phẩm đã sấy khô trong môi trường quá ẩm, hoặc bố trí sấy

và nung liên hợp để giảm bốc dỡ, vận chuyển từ sấy sang nung qua môi trường không khí

II Quá trình nung:

1 Quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất:

* Trao đổi nhiệt là hiện tượng vận chuyển nhiệt tự nhiên từ vật có nhiệt độ cao đến vật có nhiệt độ thấp hơn Sự xuất hiện trao đổi nhiệt gắn liền với sự chuyển động nhiệt phân tử Vì thế trao đổi nhiệt còn xảy ra ngay trong bản thân mỗi vật thể, do sự phân bố nhiệt độ trong vật thể không đều mà thực chất là quá trình san bằng năng lượng trong mỗi vật thể có phân bố năng lượng khác nhau Trao đổi nhiệt giữa hai vật thể tiếp xúc nhau là do những biến đổi tương hỗ của năng lượng nhiệt và năng lượng bức xạ

* Một cách tổng quát, quá trình nung vật liệu xây dựng trong các loại lò nung khác nhau đều xảy ra ba phương thức trao đổi nhiệt: dẫn nhiệt, bức xạ và đối lưu Các phương thức trao đổi nhiệt có thể đồng thời xảy ra và trong những điều kiện cụ thể của mỗi giai đoạn nung mà phương thức này là chủ yếu, còn phương thức kia là thứ yếu, thậm chí có thể bỏ qua trong quá trình tính toán cụ thể về nhiệt

* Ở giai đoạn nung nhiệt độ thấp (nhiệt độ dưới 500 hoặc 600oC) thì quá trình trao đổi nhiệt chủ yếu tiến hành theo phương thức đối lưu Cường độ trao đổi nhiệt được quyết định bởi vận tốc chuyển động của các phần tử khí Ở giai đoạn nung nhiệt độ cao (khoảng 1000oC trở lên) thì phương thức trao đổi nhiệt bức xạ đóng vai trò chủ yếu Còn phương thức trao đổi nhiệt dẫn nhiệt được tiến hành thường xảy ra trong vật thể rắn Đối với vật thể lỏng hoặc khí thì phương thức trao đổi nhiệt dẫn nhiệt xảy ra yếu hơn Phương thức trao đổi nhiệt dẫn nhiệt thường xảy ra khi các vật thể có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc với nhau hoặc xảy ra tại các miền khác nhau được tích lũy những phần năng lượng không giống nhau trong nội tại của vật thể

* Trong tính toán thiết kế các loại lò nung cũng như trong quy trình vận hành chúng, việc vận dụng những định luật cơ bản về trao đổi nhiệt là vô cùng cần thiết và không thể thiếu, nó không những cho chúng ta những định hướng đúng về khoa học công nghệ mà còn có ý nghĩa to lớn về kinh tế

2 Quá trình nung gốm xây dựng:

2.1 Một số khái niệm chung:

* Nung là quá trình gia công nhiệt vật liệu ở nhiệt độ cao để bán thành phẩm gốm xây dựng (còn gọi

là mộc, phôi) trở thành dạng sành, đá chịu được các tác động cơ học, lý học, hóa học, có độ bền cao khi sử dụng trong các công trình

* Chế độ nung là tập hợp các thông số kỹ thuật có quan hệ mật thiết với nhau như: tốc độ nâng nhiệt

độ, nhiệt độ nung, thời gian hằng nhiệt ở nhiệt độ nung cuối cùng, tính chất của môi trường khí trong

lò và tốc độ làm nguội sản phẩm

* Đường cong nung nung biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ của vật liệu theo thời gian nung Mỗi một chế

độ nung các sản phẩm gốm xây dựng ứng với một đường cong nung khác nhau Đối với thiết bị hoạt động liên tục, trục thời gian nung có thể dùng đại chiều dài, số va gông hoặc vị trí của chúng

* Nhiệt độ nung là nhiệt độ cao nhất của vật liệu trong quá trình nung Đối với sản phẩm gốm xây dựng, nhiệt độ nung phụ thuộc chủ yếu vào tính chất nguyên liệu và yêu cầu về tính chất kỹ thuật của sản phẩm

- Đối với gạch ngói xây dựng, nhiệt độ nung từ 950 đến 1050oC

- Đối với tấm lát nền, nhiệt độ nung từ 950 đến 1050oC

- Đối với tấm ốp tráng men, nhiệt độ nung từ 1200 đến 1280oC

- Đối với gạch chịu lửa, nhiệt độ nung từ 1350 đến 1430oC

2.2 Các quá trình hóa lý xảy ra khi nung gốm xây dựng:

* Có thể chia quá trình nung ra làm ba giai đoạn đó là: giai đoạn đốt nóng, giai đoạn nung và giai đoạn làm nguội Tuy nhiên giai đoạn đốt nóng và giai đoạn nung rất khó phân biệt ranh giới giữa chúng Trong suốt quá trình nung ở các nhiệt độ khác nhau, trong vật liệu và cấu kiện gốm xây dựng xảy ra các biến đổi hóa lý làm thay đổi tính chất của chúng

- Trong khoảng nhiệt độ từ 20 đến 150oC: vật liệu và cấu kiện được hong sấy, ở đây xảy ra quá trình bốc ẩm

+ Nếu nhiệt độ sấy tăng quá nhanh thì bán thành phẩm sẽ xuất hiện các vết nứt, tách vỡ Do đó khi cần tăng nhiệt độ ở giai đoạn này ta có thể tăng vận tốc của tác nhân sấy hay tăng tốc độ nâng nhiệt độ lên khoảng 50 đến 80o/h Ở cuối khoảng nhiệt độ này, sự bốc ẩm từ vật liệu yếu dần và ngừng hẳn Trong khoảng nhiệt độ trên, độ ẩm ban đầu của các cấu kiện nằm trong khoảng 2 đến 6%

- Khoảng nhiệt độ từ 150 đến 800oC: trong khoảng nhiệt độ này xảy ra quá trình mất nước liên kết hóa học nằm trong thành phần sét và các khoáng khác Cấu trúc mạng tinh thể của vật liệu bị phá vỡ và đất sét mất tính dẻo Nước liên kết hóa học trong đất sét bắt đầu tách ra ở nhiệt độ 350oC và phần lớn xảy ra ở nhiệt độ 450 đến 500oC và đôi khi kết thúc ở nhiệt độ gần 900oC Trong khoảng nhiệt độ này xảy ra hiện tượng co ngót cấu kiện, giảm độ bền cơ học Ở khoảng nhiệt độ 200 đến 800o

C có quá trình tách phần chất bốc từ các hợp chất hữu cơ của đất sét hoặc của các phụ gia có chứa chất cháy được đưa thêm vào thành phần phối liệu, đồng thời lúc này vật liệu có độ xốp lớn nhất, FeO được chuyển thành Fe2O3 Quá trình phân giải đá cacbonat xảy ra ở khoảng nhiệt độ 300 đến 1000oC Ở khoảng nhiệt độ này các cấu kiện không bị nguy hiểm và có thể chọn tốc độ nâng nhiệt lên khoảng

100 đến 200o/h Độ co khi nung bắt đầu xuất hiện ở khoảng nhiệt độ 800 đến 850oC và phụ thuộc vào hàm lượng tạp chất cát chứa trong đất sét Đất sét lẫn nhiều cát có độ co khi nung từ 1 đến 8% Nếu trong phối liệu có chứa than do pha trộn thì cần hằng nhiệt ở nhiệt độ khoảng 800oC để lượng cốc, bán cốc còn lại có đủ thời gian cháy hoàn toàn

- Trong khoảng nhiệt độ nung đến 1100oC có thể xảy ra quá trình biến đổi pha Đất sét dễ chảy có biến đổi pha ở nhiệt độ trên 800oC Ở khoảng nhiệt độ từ 800 đến 900oC xuất hiện pha tinh thể gematit (Fe2O3), ở 600 đến 1100o

C hình thành các spinel MgO.Al2O3 và phát triển cristobalit, mulite (3Al2O3.2SiO2) (ở 920 đến 980o

300oC/h, đối với cấu kiện rỗng từ 350 đến 400oC/h Trong khoảng nhiệt độ 500 đến 650oC xảy ra sự biến đổi thù hình của SiO2 kéo theo co ngót khoảng 0,82%, do đó tốc độ làm nguội ở giai đoạn này

không được vượt quá 150oC/h Dưới 500oC có thể làm nguội nhanh các sản phẩm gốm xây dựng với tốc độ lên đến khoảng 600oC/h nếu điều kiện trao đổi nhiệt của thiết bị cho phép

3 Quá trình nung chất kết dính:

3.1 Bản chất hóa lý và các thông số của quá trình nung clinker xi măng, vôi:

* Nung luyện phối liệu đã được gia công cơ học sơ bộ là công đoạn hóa lý chính trong sản xuất xi măng và vôi Quá trình này cùng các phản ứng hóa học xảy ra khi nung phối liệu đến nhiệt độ 900 đến

1450oC

* Đầu tiên xảy ra quá trình phân tích các thành phần của phối liệu và sau đó là sự kết hợp của chúng

để tạo thành các chất có tính dính kết Trong thành phần của xi măng và các loại chất kết dính thủy chứa theo các tỷ lệ khác nhau lượng silicat canxi như: C3S, C2S, C3A, C4AF… riêng đối với clinker của xi măng poóc lăng thì trong thành phần của chúng chứa đến 75 đến 80% silicat canxi Còn trong vôi, tổng các oxit canxi, oxit manhe ở dạng tự do chiếm trên 70% Trong quá trình hình thành clinker

xi măng ở khoảng nhiệt độ 1350 đến 1450oC khoảng chừng 20 đến 30% vật liệu nung ở trạng thái nóng chảy

* Quá trình hóa lý khi nung xảy ra liên tục ở các mức nhiệt độ khác nhau của quá trình đốt nóng vật liệu, có thể phân thành 4 giai đoạn chính:

- Giai đoạn đốt nóng: khi đốt nóng đến nhiệt độ 100oC là giai đoạn sấy tách ẩm bên ngoài

- Giai đoạn thứ hai: ở nhiệt độ 100 đến 500oC là giai đoạn đốt nóng vật liệu khô khử nước của caolinit chứa trong chúng

- Giai đoạn thứ ba: ở nhiệt độ 500 đến 1150oC là giai đoạn tiếp tục đốt nóng nguyên vật liệu kéo theo

2CaO.Fe2O3 + CaO.Al2O3 + CaO = 4CaO.Al2O3.Fe2O3 (viết tắt là C4AF)

2CaO + SiO2 = 2CaO.SiO2 (viết tắt là C2S)

2CaO.SiO2 + CaO = 3CaO.SiO2 (viết tắt là C3S)

* Các phản ứng ở trên xảy ra nối tiếp nhau bởi vì mỗi phản ứng đều tương ứng với một mức nhiệt độ Một số phản ứng hóa học tác dụng tương hỗ trước khi đạt được pha lỏng, nghĩa là trước đó đã xảy ra đồng thời các phản ứng ở trạng thái rắn

* Sau khi xuất hiện pha lỏng (ở nhiệt độ đốt nóng trên 1300oC) hầu như chỉ có một phản ứng duy nhất xảy ra đó là sự tạo thành alit (C3S) trong dung dịch lỏng do C2S hấp thụ CaO

* Trong giai đoạn bốn kết thúc quá trình biến đổi pha và quá trình nung có thể coi như đã kết thúc Nhưng trong thực tế còn có một giai đoạn nữa gọi là giai đoạn thứ năm Trong giai đoạn này các sản phẩm nung đã nung đến nhiệt độ cao trước khi chuyển qua băng chuyền được làm nguội bằng không khí và lượng khí này được đưa vào lò để tham gia vào phản ứng cháy của nhiên liệu Năm giai đoạn

kể trên xảy ra đầy đủ đối với công nghệ sản xuất clinker xi măng

* Đối với quá trình nung vôi, giai đoạn bốn sẽ không có nếu xét theo nhiệm vụ kỹ thuật, mặc dù ở đây có tác động hóa học của các thành phần phối liệu nhưng xảy ra với lượng ít, không làm ảnh hưởng tới các thông số cân bằng nhiệt của thiết bị

* Quá trình biến đổi pha trong giai đoạn một, hai và ba là quá trình thu nhiệt, ở giai đoạn bốn là quá trình tỏa nhiệt Các thông số thu nhiệt thông thường được tính ở phần chi, tỏa nhiệt ở phần thu trong phương trình cân bằng nhiệt của thiết bị

3.2 Động học quá trình hóa lý khi nung chất kết dính:

* Động học quá trình hóa lý khi nung được điều chỉnh bằng các định luật trao đổi vật chất, trao đổi nhiệt Khi giải các bài toán nhiệt công nghệ thời gian phân giải cacbonat (giai đoạn thứ ba có ý nghĩa rất quan trọng vì quá trình này so với các phản ứng khác có sự thu nhiệt lớn Sự khuếch tán khí CO2

có thể không phụ thuộc vào sự trao đổi nhiệt giới hạn quá trình phân giải cacbonit khi nung vật liệu cục cũng như trong sản xuất vôi

* Các thông số quyết định của quá trình là kích thước cục, vận tốc dịch chuyển miền phân giải cacbonic từ bề mặt các cục đến tâm chúng Tỷ số giữa đường kính cục với vận tốc chuyển dịch phản ứng bằng thời gian xảy ra phản ứng Trong quá trình phản ứng bề mặt, ngăn cách giữa CaO và CaCO3giảm dần tỷ lệ với bình phương đường kính cục, còn bề dày lớp cacbonat ngoài cũng đã phân giải tăng lên sẽ làm giảm tốc độ dịch chuyển miền phản ứng phân giải cacbonat do tăng lớp khuếch tán

* Các yếu tố ảnh hưởng lớn đến vận tốc phân giải cacbonat là nhiệt độ đốt nóng vật liệu, các tính chất

tự nhiên của chúng và sự tác dụng tương hỗ với các thành phần khác của nguyên liệu Các yếu tố riêng này được đưa vào một hệ số chung xác định bằng thực nghiệm

3.3 Mức nhiệt độ trong thiết bị nung:

* Mức nhiệt độ trong thiết bị nung được biểu thị bằng các đường cong nhiệt độ của khí được đốt nóng

và vật liệu cần nung trong các vùng chuẩn bị, vùng phản ứng và vùng thu hồi nhiệt Nhiệt độ của vật liệu được xác định bằng bản chất của các quá trình hóa lý và trong các tính toán thông thường cho trước nhiệt độ: ở miền giữa vùng chuẩn bị và vùng phản ứng 90 đến 100oC; giữa vùng phản ứng và vùng thu hồi nhiệt 1400 đến 1450oC (đối với lò nung clinker xi măng) và 1150 đến 1200oC (đối với lò nung vôi); nhiệt độ của sản phẩm đang được làm nguội trong vùng thu hồi nhiệt từ 100 đến 200oC Các đoạn bên trong của vùng phản ứng tính từ phía đầu vào của lò nung là đoạn xảy ra các phản ứng phân tách các hydroxit và cacbonat manhe, đồng thời vật liệu được đốt nóng lên đến nhiệt độ 750 đến

800oC Ở vùng giữa là đoạn phân giải cacbonat với sự nung nóng phối liệu từ nhiệt độ 800 đến

1200oC Còn ở phía đầu cuối của lò nung là đoạn kết thúc quá trình nung các phản ứng tỏa nhiệt từ

1150 đến 1200oC và từ 1400 đến 1450o

C

* Thực nghiệm cho thấy rằng trong tất cả các vùng làm việc của lò (không kể vùng thu hồi nhiệt) nhiệt độ của khí nóng phụ thuộc rất lớn đến độ ẩm ban đầu của nguyên liệu Nếu độ ẩm càng cao thì nhiệt độ của khí cần thiết theo tính toán và chi phí nhiên liệu riêng càng cao

* Trong vùng chuẩn bị, nhiệt độ lý thuyết ban đầu của khí phụ thuộc vào độ ẩm của phối liệu và dao động trong khoảng lớn từ 300 đến 1150oC Ở vùng phản ứng, sự phân giải cacbonat là giai đoạn chính của quá trình nung, nó quyết định chiều hướng của tất cả các quá trình có liên quan đến mức độ nhiệt

độ lớn nhất của khí nung

* Khi giảm chi phí nhiên liệu đến một giá trị nhất định, nhiệt độ lý thuyết ban đầu của khí sẽ là đại lượng lý thuyết không thể đạt được và nó sẽ có giá trị lớn hơn nhiệt độ cháy của nhiên liệu và nằm trong khoảng nhiệt độ lớn nhất của khí là ở đoạn phân giải cacbonat canxi

* Với hàm ẩm ban đầu như nhau, chi phí nhiên liệu bé nhất khi nung clinker xi măng theo tính toán nhận được nhỏ hơn một đại lượng 1500 đến 2500kJ/kg so với nung vôi Điều này có thể giải thích do

sự gia tăng chi phí nguyên liệu cũng như nhiệt cho quá trình phân giải cacbonat canxi và nhiệt của các phản ứng tỏa nhiệt

* Không khí trong vùng thu hồi nhiệt được đốt nóng lên, phụ thuộc vào chi phí nhiên liệu riêng khi nung clinker có giá trị cao hơn 100 đến 120oC so với khi nung vôi

* Những liên hệ đã nêu ở trên chỉ mang tính chất tương đối bởi vì sự phân chia ranh giới giữa các vùng chỉ là tương đối Các quá trình hóa lý xảy ra không theo một trình tự nghiêm ngặt mà thông thường khi gần kết thúc quá trình trước thì quá trình sau đã xảy ra Tuy nhiên sự phân chia chúng theo nhiệt độ là phương pháp đơn giản nhất và dễ thực hiện để phân tích các mối liên hệ trong các quá trình cân bằng nhiệt, cân bằng vật chất…

Chương 5: Tính nhiệt cho thiết bị nhiệt

I Phương trình cân bằng nhiệt:

* Tiếp sau việc xác định dung tích của thiết bị nhiệt và tính cháy nhiên liệu là việc cần phải xác định lượng nhiên liệu cần đốt Phần tính toán này rất quan trọng vì kết quả tính toán thu được cho phép ta biết công suất nhiệt của thiết bị và những chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật khác của nó

* Thông thường việc xác định lượng nhiên liệu cần đốt có thể làm theo hai cách:

- Một là căn cứ vào các lò cùng loại đang hoạt động, sơ bộ lấy theo các giá trị kinh nghiệm thực tế đã được tổng kết Tuy nhiên cách lấy theo chỉ số khái toán này thường thiếu độ tin cậy khoa học, vì vậy chỉ nên dùng nó khi không có điều kiện tính toán hoặc thiếu các tài liệu cần thiết

- Hai là phải tính toán, nhất là khi thiết kế các lò mới hay khi cần kiểm tra, giải thích, hoàn thiện các mặt nào đó của thiết bị… và phương trình cân bằng nhiệt giúp ta giải quyết nhiệm vụ ấy

* Phương trình cân bằng nhiệt về thực chất là việc áp dụng phương trình bảo toàn năng lượng trong tính toán lò Vế phải của phương trình gồm những khoản (hay nguồn) cung cấp nhiệt lượng, còn vế kia là những khoản tiêu thụ Số lượng các khoản trong mỗi vế có thể nhiều hay ít tùy thuộc vào loại thiết bị, vào vai trò trong tổng số nhiệt lượng cung cấp hoặc tiêu thụ và vào mức độ chính xác yêu cầu của tính toán

* Khi viết phương trình cân bằng nhiệt cầ tuân thủ một số lưu ý sau đây:

- Phải chỉ ra chế độ làm việc của thiết bị liên tục hoặc gián đoạn Phương trình cân bằng nhiệt cho thiết bị làm việc liên tục tính cho một giờ làm việc, còn trường hợp ngược lại thì tính cho cả chu trình gia công nhiệt

- Nếu thiết bị nhiệt gồm nhiều các thiết bị bộ phận hợp thành thì tùy trường hợp có thể phân chia chúng ra thành những thiết bị chính, thiết bị phụ để tính riêng rẽ như buồng đốt, lò nung, buồng hòa trộn, ống khói… trên sơ đồ cần chỉ rõ mối liên hệ giữa chúng bằng các thông số nhiệt lý như lưu lượng, nhiệt độ, áp suất, hàm ẩm… ở các phần ranh giới, đồng thời chỉ rõ phần chính cần tính

- Để đơn giản bớt việc tính toán các thiết bị phụ trợ, ta có thể đưa ra ngoài phương trình cân bằng như vòi đốt, đường tải nhiệt, thậm chí cả buồng đốt

- Cần chọn đơn vị đo và đơn vị tính toán nhiệt thống nhất, tuy nhiên nên chọn đơn vị nào được ứng dụng rộng rãi và thuận tiện

II Tính toán nhiệt cho thiết bị nhiệt bằng cách thiết lập phương trình cân bằng nhiệt:

1 Giới thiệu chung:

* Khi thiết lập phương trình cân bằng nhiệt cho các thiết bị nhiệt cần lưu ý chế độ làm việc của thiết

bị, có thể theo bốn sơ đồ sau:

- Thiết bị nhiệt làm việc theo sơ đồ đơn giản

- Thiết bị nhiệt làm việc có sử dụng khí nóng hồi lưu cho vùng sấy nhưng không trích khí nóng sử dụng cho các mục đích khác, cho các thiết bị khác

- Thiết bị nhiệt làm việc sử dụng khí nóng trích từ vùng làm nguội của lò nung sang cấp cho vùng sấy nhưng không trích khí nóng đó sử dụng cho mục đích khác

- Thiết bị nhiệt làm việc có trích khí nóng sử dụng cho các mục đích khác

* Trong bốn trường hợp trên, đối với trường hợp thiết bị nhiệt làm việc theo ba sơ đồ sau thì khi tính chi phí nhiên liệu chỉ cần lập phương trình cân bằng nhiệt tổng hợp cho cả thiết bị nhiệt, còn trong trường hợp cuối thì nhất thiết phải lập phương trình cân bằng nhiệt cho từng vùng của thiết bị nhiệt

2 Thiết lập phương trình cân bằng nhiệt:

* Phương trình cân bằng nhiệt tổng hợp của thiết bị nhiệt được thiết lập như sau:

2.1 Phần nhiệt cung cấp: kí hiệu: Qcci (đơn vị: kCal/giờ hay chu kỳ)

2.1.1 Nhiệt cháy của nhiên liệu: kí hiệu: Qcc1 (đơn vị: kCal/giờ hay chu kỳ)

Qcc1 = QlvthxB Trong đó:

B là lượng nhiên liệu tiêu thụ trong một giờ hay trong một chu trình gia công nhiệt (đối với lò gián đoạn) Đây là đại lượng cần tìm của phương trình cân bằng nhiệt

Qlvth là nhiệt trị làm việc thấp của nhiên liệu

2.1.2 Nhiệt lý của nhiên liệu mang vào: kí hiệu: Qcc2 (đơn vị: kCal/giờ hay chu kỳ)

Qcc2 = bxCnlxtnlTrong đó:

Cnl là nhiệt dung riêng của nhiên liệu khi vào lò đốt (kCal/kg.oC)

tnl là nhiệt độ của nhiên liệu khi vào lò đốt (oC)

2.1.3 Nhiệt do bán thành phẩm mộc đưa vào: kí hiệu: Qcc3 (đơn vị: kCal/giờ hay chu kỳ)

Q = G xC xt

Trong đó:

Gm là khối lượng mộc vào lò (kg/giờ)

Cm là nhiệt dung riêng của gạch mộc (kCal/kg.oC)

tm là nhiệt độ của gạch mộc (oC)

2.1.4 Nhiệt do va gông nung đưa vào: kí hiệu: Qcc4 (đơn vị: kCal/giờ hay chu kỳ)

Qcc4 = GklxCklxtkl + GllxCllxtll + GcnxCcnxtcnTrong đó:

Gkl, Gll, Gcn lần lượt là khối lượng của phần kim loại, lớp lót, lớp cách nhiệt của va gông đưa vào thiết bị nhiệt trong một giờ (kg/giờ)

Ckl, Cll, Ccn lần lượt là nhiệt dung riêng của lớp kim loại, lớp lót, lớp cách nhiệt (kCal/kg.oC)

tkl, tll, tcn lần lượt là nhiệt độ của các vật liệu kể trên khi đưa vào lò (các giá trị này phụ thuộc vào điều kiện của môi trường, nằm trong khoảng 20 đến 50o

C)

2.1.5 Nhiệt mang vào do tuần hoàn khí thải: kí hiệu: Qcc5 (đơn vị: kCal/giờ hay chu kỳ)

Qcc5 = BxVkthxCkthxtkthTrong đó:

Vkth là lượng khí thải tuần hoàn (m3)

Ckth là nhiệt dung riêng của khí thải tuần hoàn (kCal/m3.oC)

tkth là nhiệt độ của khí thải tuần hoàn (oC)

* Như vậy tổng các lượng nhiệt cung cấp có thể viết lại như sau:

ΣQcc = MxB + N

2.2 Phần nhiệt tiêu tốn: kí hiệu: Qtti (đơn vị: kCal/giờ hay chu kỳ)

2.2.1 Nhiệt tiêu tốn để bốc hơi nước vật lý trong vật liệu và đốt nóng lượng hơi nước đó đến nhiệt độ của khói thải: kí hiệu: Qtt1 (đơn vị: kCal/giờ hay chu kỳ)

Qtt1 = Gax(r + Caxtkth) Trong đó:

Ga là khối lượng hơi nước có trong vật liệu (kg/giờ)

r là nhiệt ẩm hóa hơi của nước ở 0oC bằng 600kCal/kg nước

Ca là tỷ nhiệt của hơi nước, trung bình bằng 0,47kCal/kg.oC

Tkth là nhiệt độ của khí thải (oC)

2.2.2 Nhiệt lý của các chất khí do quá trình nhiệt phân tạo ra và thải ra theo khói lò: kí hiệu: Qtt2 (đơn vị: kCal/giờ hay chu kỳ)

Qtt2 = (Gk – Gcc)xCnpxtklTrong đó:

Gk là trọng lượng vật liệu khô tuyệt đối (kg)

Gcc là trọng lượng vật liệu đã nung xong (kg)

Cnp là nhiệt dung riêng trung bình của các chất khí nhiệt phân ra (sản phẩm mất khi nung) có thể lấy bằng nhiệt dung riêng của khói lò (kCal/kg.o

C)

tkl là nhiệt độ của khói lò (oC)

2.2.3 Nhiệt lý của khói lò mang đi theo ống khói: kí hiệu: Qtt3 (đơn vị: kCal/giờ hay chu kỳ)

Qtt3 = BxVktxCktxtktTrong đó:

Vkt là lượng khí thải khi đốt cháy một đơn vị nhiên liệu với hệ số dư không khí α (m3)

Ckt là nhiệt dung riêng của khí thải – khói lò (kCal/m3.oC)

tkt là nhiệt độ của khí thải (oC)

Ckt = 0,25 + 0,000014xtkt = 0,323 + 0,000018xtkt2.2.4 Nhiệt lý của không khí rò rỉ vào lò được đốt nóng lên và thải theo khói lò: kí hiệu: Qtt4 (đơn vị: kCal/giờ hay chu kỳ)

Qtt4 = BxVrrxCrrxtrrTrong đó:

Vrr là lượng không khí rò rỉ vào lò (m3)

Crr là nhiệt dung riêng của không khí rò rỉ vào lò (kCal/m3.oC)

trr là nhiệt độ của không khí rò rỉ vào lò (oC)

2.2.5 Nhiệt lý của lượng nhiệt khi được lấy ra dùng vào những mục đích riêng: kí hiệu: Qtt5 (đơn vị: kCal/giờ hay chu kỳ)

Qtt5 = ΣVmrxCmrxtmr

Vmr là lượng khí được lấy ra dùng vào mục đích khác (m3)

C là nhiệt dung riêng của lượng khí được lấy ra dùng vào mục đích khác (kCal/m3.oC)

tmr là nhiệt độ của lượng khí được lấy ra dùng vào mục đích khác (oC)

2.2.6 Nhiệt do vật liệu mang ra khỏi lò: kí hiệu: Qtt6 (đơn vị: kCal/giờ hay chu kỳ)

Qtt6 = GccxCvlxtvlTrong đó:

Gcc là trọng lượng vật liệu đã nung xong (kg)

Cvl là nhiệt dung riêng của vật liệu đã nung (kCal/kg.oC)

tvl là nhiệt độ của vật liệu đã nung (oC)

2.2.7 Nhiệt lý do các phương tiện vận chuyển mang ra khỏi lò: kí hiệu: Qtt7 (đơn vị: kCal/giờ hay chu kỳ)

Qtt7 = ΣGvcxCvcxtvcTrong đó:

Gvc là trọng lượng của phương tiện vận chuyển (kg)

Cvc là nhiệt dung riêng của phương tiện vận chuyển khi ra lò (kCal/kg.oC)

tvc là nhiệt độ của phương tiện vận chuyển khi ra lò (oC)

2.2.8 Nhiệt tiêu tốn cho các phản ứng hóa học thu nhiệt: kí hiệu: Qtt8 (đơn vị: kCal/giờ hay chu kỳ)

Qtt8 = ΣGixqiTrong đó:

Gi là khối lượng của các chất tham gia phản ứng

qi là hiệu ứng nhiệt của phản ứng

2.2.9 Nhiệt đốt nóng vỏ lò: kí hiệu: Qtt9 (đơn vị: kCal/giờ hay chu kỳ)

Qtt9 = ΣGvlixCvlixtvliTrong đó:

Gvli là trọng lượng của các kết cấu vỏ lò (kg)

Cvli là nhiệt dung riêng của các vỏ lò (kCal/kg.oC)

tvli là nhiệt độ của các vỏ lò (oC)

2.2.10 Nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh: kí hiệu: Qtt10 (đơn vị: kCal/giờ hay chu kỳ)

Qtt10 = ΣkxFxΔt (đơn vị là kCal/giờ) = ΣkxFxΔtxτck (đơn vị là kCal/chu kỳ) Trong đó:

k là hệ số nhiệt trở

F là diện tích tổn thất nhiệt của vỏ lò

Δt là độ chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa môi trường lò với môi trường xung quanh

2.2.11 Nhiệt tổn thất do đốt cháy nhiên liệu không hoàn toàn: kí hiệu: Qtt11 gồm tổn thất cơ học và tổn thất hóa học (đơn vị: kCal/giờ hay chu kỳ)

Qtt11 = pxQlvthxB Trong đó:

Giá trị của p thường được lấy bằng phần trăm của tổng lượng nhiệt cung cấp

Qlvth là nhiệt trị làm việc thấp của nhiên liệu

B là lượng nhiên liệu tiêu thụ trong một giờ hay trong một chu trình gia công nhiệt

2.2.12 Lượng nhiệt mất mát không nhìn thấy: kí hiệu: Qtt12 (đơn vị: kCal/giờ hay chu kỳ)

Qtt12 = axΣQccTrong đó:

Giá trị a được tính bằng phần trăm, thông thường a = 5 đến 10%

Qcc là lượng nhiệt cung cấp

* Như vậy tổng các lượng nhiệt tiêu tốn có thể viết lại như sau:

B = (N’ – N)/(M – M’) đơn vị là kg (hay m3)/giờ (hay chu kỳ)

* Hay ta có thể quy đổi lượng nhiên liệu riêng phần vừa tìm được ở trên về nhiên liệu chuẩn như sau:

by = (BxQlvth)/(Gccx7000) (kg/đơn vị sản phẩm) Trong đó:

by là lượng nhiên liệu chuẩn

* Hay lượng nhiên liệu chuẩn riêng phần tính cho chính phẩm bằng:

bcp = by/(1 – p’) Trong đó:

p’ là tỷ lệ phế phẩm

Chương 6: Thiết bị đốt nhiên liệu dùng trong sản xuất vật liệu

xây dựng

I Thiết bị đốt nhiên liệu rắn:

1 Khái quát chung:

* Trong khí cháy nhiên liệu rắn, quá trình khuếch tán của oxy đóng vai trò rất quan trọng Nhờ có quá trình này mà oxy nhanh chóng thâm nhập vào mạng tinh thể của cacbon để tham gia phản ứng cháy Tốc độ cháy của nhiên liệu rắn phụ thuộc vào tốc độ phản ứng hóa học giữa oxy và cacbon và vào tốc

độ khuếch tán của oxy

* Như vậy trong thiết bị đốt nhiên liệu, để oxy tiếp xúc tốt với cacbon, cần tạo cho gió (chứa oxy) có khối lượng và áp suất nhất định Trị số áp suất của gió phụ thuộc vào loại than, than có ít chất bốc thì gió phải có áp suất lớn hơn nhiều so với than có nhiều chất bốc

* Lưu ý: Trong than nhiều chất bốc, sau khi cháy chất bốc thoát đi đã để lại nhiều lỗ xốp tế vi, làm cho bề mặt tiếp xúc của than với oxy tăng gấp nhiều lần, do đó áp suất của gió cần cung cấp có thể thấp hơn

=> Nên trong thiết bị đốt nhiên liệu rắn, than cần được trải đều trên mặt ghi lò và có chiều dày lớp than xác định với kích thước mắt gió của ghi lò Nếu gió qua ghi lò lên lớp than có tốc độ lớn thì oxy tiếp xúc tốt hơn với cacbon và có thể nâng vùng cháy của than có nhiệt độ cao lên bề mặt của lớp than Trong trường hợp này sản phẩm cháy trong buồng đốt có nhiệt độ cao hơn, ghi lò làm việc bền hơn và xỉ than có thể lấy qua cửa thao tác than dễ dàng hơn

* Việc đốt cháy nhiên liệu rắn trong thiết bị đốt có thể thực hiện theo hai quá trình: đốt cháy hoàn toàn

và đốt cháy không hoàn toàn (còn gọi là đốt bán khí)

- Khi đốt cháy hoàn toàn thì chiều dày lớp than trên mặt ghi lò thường bằng 200 đến 250mm Trong trường hợp này, gió để đốt cháy nhiên liệu đưa cả 100% qua dưới ghi và có áp suất đủ lớn để thắng trở lực của ghi, của lớp than và tham gia phản ứng cháy với cacbon và do đó quá trình cháy chủ yếu xảy ra trong thiết bị đốt

- Khi đốt bán khí, lớp than trên bề mặt ghi lò có chiều dày lớn từ 300 đến 500mm Gió đưa vào để đốt cháy nhiên liệu chỉ đưa qua dưới ghi khoảng 60% tổng lượng gió cần cấp (gọi là gió đợt I), còn

khoảng 40% còn lại (thường được nung nóng trước để tăng lượng nhiệt vật lý) được đưa qua các ống

có kích thước khoảng 30 đến 50mm đặt ở phía trên không gian của thiết bị đốt (lượng gió này gọi là gió đợt II) Lưu ý cách đốt này thường có hiệu quả hơn khi than sử dụng có nhiều chất bốc

2 Thiết bị đốt nhiên liệu rắn – Buồng đốt thủ công:

* Buồng đốt thủ công là thiết bị đốt nhiên liệu rắn đơn giản nhất Tùy thuộc vào loại than và kích thước viên than mà trong loại buồng đốt này ghi lò được đặt phẳng hay đặt nghiêng Từ cách đặt ghi như trên nên người ta gọi chung là buồng đốt ghi phẳng hay buồng đốt ghi nghiêng

2.1 Buồng đốt ghi phẳng:

* Trong buồng đốt ghi phẳng, cấu tạo của buồng đốt ghi phẳng tương đối đơn giản, khi đốt than được chất lên trên mặt ghi một lớp dày khoảng 200 đến 250mm qua cửa vào than Phía dưới ghi là buồng tích xỉ, còn phía trên là không gian làm việc của buồng đốt Khi buồng đốt ghi phẳng làm việc, gió được cấp vào buồng xỉ qua cửa ở dưới, rồi đi qua ghi vào lớp than để tham gia quá trình cháy

* Ghi lò thường được đúc bằng gang và đặt trên các dầm đỡ ghi Ghi lò có hai loại là ghi thanh và ghi tấm:

- Ghi thanh thường được dùng nhiều trong các buồng đốt dùng để đốt cháy các loại than viên có kích thước trung bình và lớn Loại ghi này chế tạo đơn giản, thay thế dễ dàng khi bị hư hỏng Nó có nhược điểm, không dùng được với loại than vụn và làm sạch xỉ khó khăn hơn do chúng được tạo thành từ các mảnh ghép không cố định

- Ghi tấm thướng được dùng để đốt than vụn, than cám hoặc dùng ở các buồng đốt có công suất nhiệt không lớn, ghi ít phải thay thế Loại ghi này có nhiệt điểm là: nếu xỉ mắt kẹt ở các lỗ gió (hay gọi là mắt gió) thì việc làm sạch rất khó khăn, kết quả là gió không qua được dẫn đến lớp than trên ghi sẽ cháy không đều và khi có những hư hỏng cục bộ phải thay thế cả tấm

* Lưu ý: Trong buồng đốt thủ công, dù sử dụng ghi thanh hay ghi tấm cũng đều có khe hở để cho gió

đi qua Tổng diện tích các khe hở trên mặt ghi lò gọi là mắt ghi (hay mắt gió) Tỷ số giữa diện tích mắt ghi và diện tích toàn bộ mặt ghi (kể cả mắt ghi) gọi là tỷ lệ mắt ghi

- Nếu gọi S là diện tích mắt ghi và F là diện tích mặt ghi thì tỷ lệ mắt ghi là S/F Tỷ lệ này chọn phụ thuộc vào loại than, xem Bảng 6-1 dưới đây

Bảng 6-1 Quan hệ giữa loại than và tỷ lệ mắt ghi