Nghiên cứu xây dựng phương pháp đánh giá khả năng cháy của than sử dụng trong nhà máy xi măng

Nhan đề : Nghiên cứu xây dựng phương pháp đánh giá khả năng cháy của than sử dụng trong nhà máy xi măng Tác giả : Bùi Duy Hùng Người hướng dẫn: Tạ Ngọc Dũng Từ khoá : Than; Khả năng cháy Năm xuất bản : 2019 Nhà xuất bản : Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Tóm tắt : Tổng quan các đặc tính hóa học, lý học của than; các nguyên lý quá trình cháy than; mục tiêu, nội dung và các phương pháp nghiên cứu; thực nghiệm và kết quả.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân,

được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Tạ Ngọc Dũng

Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này trung thực và chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thức nào

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Học viên

Bùi Duy Hùng

Tôi xin cám ơn Ban lãnh đạo, các đồng nghiệp phòng Thí nghiệm - Công ty

Cổ phần xi măng Bỉm sơn đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi được học tập và nghiên cứu hoàn thiện đề tài

Tôi cũng xin cám ơn quý thầy cô trong Bộ môn Công nghệ vật liệu Silicat – Viện Kỹ thuật hóa học – Trường Ðại học Bách khoa Hà Nôi đã tạo điều kiện, giúp

đỡ, truyền dạy những kiến thức quý báu, những kiến thức này rất hữu ích và giúp tôi nhiều khi thực hiện nghiên cứu

Mặc dù đã nỗ lực hết mình nhưng luận văn của tôi không thể tránh khỏi những thiếu sót do sự hạn chế về thời gian và kinh nghiệm Vì thế tôi mong được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô để đồ án tốt nghiệp của tôi có thể hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cám ơn

Học viên

Bùi Duy Hùng

Trang i

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 2

1 Khái niệm: 2

2 Các đặc tính hóa học của than: 2

2.1 Cacbon: 2

2.2 Hydro: 2

2.3 Lưu huỳnh: 2

2.4 Oxy và Nito: 3

3 Các đặc tính lý học của than: 3

3.1 Độ tro của than (A): 3

3.2 Độ ẩm (W): 4

3.3 Chất bốc (V): 4

3.4 Thành phần cốc trong than: 4

3.5 Nhiệt trị của than: 5

4 Các nguyên lý của quá trình cháy than: 6

4.1 Quá trình đốt cháy: 6

4.2 Các giai đoạn cháy của than: 7

4.2.1 Giai đoạn sấy: 7

4.2.2 Giai đoạn tách chất bốc và cháy chất bốc: 7

4.2.3 Giai đoạn cháy cặn than (Residual Carbon) 8

4.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến khoảng cách bắt lửa của than 8

4.4 Nhân tố ảnh hưởng đến thời gian cháy: 9

5 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước: 11

5.1 Tình hình nghiên cứu trong nước: 11

5.2 Tình hình nghiên cứu quốc tế: 11

6 Kết luận tổng quan: 15

CHƯƠNG 2 MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 17

2.1 Mục tiêu: 17

Trang ii

2.2 Nội dung: 17

2.3 Các phương pháp nghiên cứu: 17

2.3.1 Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm: 17

2.3.2 Các phương pháp nghiên cứu 18

2.3.2.1 Phân tích tính chất của than cám: 18

2.3.2.2 Phương pháp xác định khối lượng mất khi nung 18

2.3.2.3 Phương pháp phân tích nhiệt TG, DTG: 19

2.4 Chuẩn bị mẫu nghiên cứu 23

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 25

3.1 Nghiên cứu xây dựng phương pháp đánh giá khả năng cháy của than sử dụng trong nhà máy xi măng 25

3.1.1 Khảo sát tốc độ thoát ẩm của than khi sấy .25

3.1.2 Khảo sát tốc độ cháy của than ở các dải nhiệt độ khác nhau 29

3.2 Kết quả kiểm chứng qua phân tích nhiệt .36

3.2.1 Kết quả phân tích nhiệt của than cám 4A Quang Trung: 36

3.3.2 Kết quả phân tích nhiệt của than cám 4A VTVT: 37

3.3.3 Nhận xét: 38

CHƯƠNG 4 QUY TRÌNH ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHÁY CỦA THAN 40

KẾT LUẬN 42

TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

Trang iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 1.1: Thời gian cháy của than Anthraxit Hòn Gai[1] 11

Bảng 2.1: Thành phần của than sử dụng trong thí nghiệm 24

Bảng 3.1: Kết quả khảo sát thời gian thoát ẩm của than 25

Bảng 3.2: Kết quả khảo sát thời gian thoát ẩm của than 27

Bảng 3.3: kết quả đốt mẫu than lần thứ hai trong lò nung 30

Bảng 3.4: kết quản đốt mẫu than lần thứ hai trong lò nung theo Fix cacbon 31

Bảng 3.5: Thông số vận hành lò nung thực tế tại Công ty CPXM Bỉm sơn 32

Bảng 3.6: kết quả đốt mẫu than trong lò nung 33

Bảng 3.7: Kết quản đốt mẫu than trong lò nung theo Fix cacbon 34

Bảng 3.8: Thông số vận hành lò nung thực tế tại Công ty CPXM Bỉm sơn 35

Trang iv

DANH MỤC HÌNH

Trang

Hình 1.1: Chiều dài ngọn lửa và khoảng cách bắt lửa của các loại than[1] 9

Hình 1.2: Quan hệ giữa độ min của hạt than với thời gian cháy[1] 10

Hình 1.3: Yêu cầu về độ mịn của than tương ứng với hàm lượng chất bốc[1] 10

Hình 1.4: Giản đồ xác định nhiệt độ bắt cháy và nhiệt độ kết thúc cháy của than[12] 12

Hình 1.5: Giản đồ phân tích nhiệt của các mẫu than tương ứng lượng xúc tác[12] 13

Hình 1.6: Giản đồ nhiệt tương ứng của 3 loại than thí nghiệm 14

Hình 1.9: Giản đồ nhiệt của mẫu than hỗn hợp 15

Hình 2.1: Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm 17

Hình 2.2 nguyên lý phân tích nhiệt trọng[11] 19

Hình 2.3 Nguyên lý phân tích nhiệt vi sai[11] 20

Hình 2.4 Các giản đồ đường cong TG-DTG điển hình[11] 23

Hình 3.1 Thời gian sấy trung bình của than (VT-QT) 26

Hình 3.2.Tốc độ sấy trung bình của than(VT-QT) 26

Hình 3.3 Thời gian sấy trung bình của than (HK-NP) 28

Hình 3.4 Tốc độ thoát ẩm trung bình của than(HK-NP) 28

Hình 3.5: Biểu đồ so sánh tốc độ cháy của than khi đốt ở các nhiệt độ khác nhau 30

Hình 3.6: Biểu đồ so sánh lượng các bon cố định còn lại sau khi đốt 31

Hình 3.7: Biểu đồ so sánh tốc độ cháy của than khi đốt ở các nhiệt độ khác nhau 33

Hình 3.8: Biểu đồ so sánh lượng các bon cố định còn lại sau khi đốt 34

Hình 3.9: Kết quả phân tích nhiệt mẫu than cám 4A QT 36

Hình 3.10: Kết quả phân tích nhiệt mẫu than cám 4A VTVT 37

Hình 3.10: Kết quả phân tích nhiệt mẫu than cám 4A VTVT 38

Trang 1

MỞ ĐẦU

Than là một loại nhiên liệu không thể thiếu trong ngành công nghiệp sản xuất xi măng Tuy nhiên, trong điều kiện thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng, nguồn nhiên liệu này đang ngày càng cạn kiệt, do vậy, sử dụng nguồn nguyên liệu này như thế nào nhằm đảm bảo phát triển bền vững trong ngành công nghiệp xi măng, đó là yêu cầu đặt ra đối với các doanh nghiệp

Nghiên cứu các đặc tính của than cám trước khi sử dụng có vai trò quan trọng trong khoa học và công nghệ sản xuất xi măng Trong công nghệ sản xuất xi măng, việc sử dụng các nguồn nhiên liệu đa dạng, phẩm cấp thấp thay thế cho các nhiên liệu cao cấp để nung luyện clinker mang lại hiệu quả lớn về kinh tế và an ninh năng lượng, đồng thời cũng quyết định đến việc đầu tư công nghệ đốt của các hệ thống lò nung clinker

Một số công trình nghiên cứu gần đây đã đưa ra và chứng minh các phương pháp đánh giá về khả năng cháy của các loại than cám khác nhau trong cùng một điều kiện đốt, qua đó đưa ra được phương pháp phân loại, phối trộn các chủng loại than khác nhau để sử dụng trong lò nung luyện clinker một cách hiệu quả nhất

Cho tới nay, các công trình nghiên cứu đánh giá về khả năng cháy của than cám còn hạn chế Vì vậy, việc nghiên xây dựng phương pháp đánh giá khả năng cháy của than sử dụng trong nhà máy xi măng là cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn rõ rệt

Với tất cả lý do trên, tôi đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu xây dựng phương pháp

đánh giá khả năng cháy của than sử dụng trong nhà máy xi măng” với mong muốn

đánh giá trước được khả năng cháy của than trước khi đưa vào sử dụng nhằm đạt được hiệu quả cao trong quá trình nung clinker

Kết quả đề tài sẽ có ý nghĩa lớn đối với Công ty cổ phần xi măng Bỉm Sơn trong việc ứng dụng, sử dụng tối ưu các loại than cho quá trình nung luyện clinker của Công ty

Các tính chất và đặc tính của than được phân loại phổ biến thành đặc tính lý và đặc tính hóa

Các đặc tính lý của than bao gồm: nhiệt trị, hàm ẩm, các chất bốc và tro xỉ

Các đặc tính hóa của than liên quan đến các thành phần hóa khác nhau như cacbon, hydro, oxy, lưu huỳnh…

2 Các đặc tính hóa học của than:

Trong than, các nguyên tố cấu thành bao gồm các thành phần sau:

2.1 Cacbon:

Cacbon là thành phần cháy chủ yếu trong nhiên liệu rắn, nhiệt lượng phá ra khi cháy 1kg cacbon gọi là nhiệt trị của cacbon, khoảng 34.150 kj/kg Vì vậy lượng cacbon trong nhiên liệu càng nhiều thì nhiệt trị càng cao Tuổi hinh thành cacbon trong nhiên liệu cào già thì thành phần cacbon càng cao, song khi ấy độ liên kết của than càng lớn nên than khó cháy[2]

2.2 Hydro:

Hydro là thành phần cháy quan trọng của nhiên liệu rắn, khi cháy tỏa ra nhiệt lượng 144.500 kj/kg, nhưng lượng hydro có trong thiên nhiên rất ít, còn trong nhiên liệu lỏng, hydro có nhiều hơn trong nhiên liệu rắn

2.3 Lưu huỳnh:

Lưu huỳnh là thành phần cháy trong nhiên liệu; Trong than lưu huỳnh tồn tại dưới ba dạng: liên kết hữu cơ Shc, khoáng chất Sk, liên kết sunfat Ss Lưu huỳnh hữu

Trang 3

cơ và khoáng chất có thể tham gia quá trình cháy gọi là lưu huỳnh cháy Sc Còn lưu huỳnh sunfat thường nằm dưới dạng CaSO4, MgSO4, FeSO4 , những liên kết này không tham gia quá trình cháy mà chuyển thành tro của nhiên liệu

Vì vậy:S = Shc + Sk + Ss, % = Sc + Ss, (%)

Nhiệt trị của lưu huỳnh bằng khoảng 1/3 nhiệt trị của cacbon, khi cháy lưu huỳnh

sẽ tạo ra khí SO2 hoặc SO3 Lúc gặp hơi nước SO3 dễ hòa tan tạo ra axit H2SO4 gây

ăn mòn kim loại Khí SO2 thải ra ngoài là khí độc nguy hiểm Vì vậy lưu huỳnh là nguyên tố có hại của nhiên liệu

2.4 Oxy và Nito:

Oxy và nitơ là những chất trơ trong nhiên liệu rắn và lỏng, sự có mặt của oxy và nitơ làm giảm thành phần cháy của nhiên liệu làm cho nhiệt trị của nhiên liệu giảm xuống; Nhiên liệu càng non thì oxy càng nhiều Khi đốt nhiên liệu, nitơ không tham gia quá trình cháy chuyển thành dạng tự do ở trong khói; trong điều kiện lò nung clinker nhiệt độ cao, nito phản ứng vơi ô xy tạo ra hỗn hợp khí NOx, đây là khí có hại, gây ô nhiễm môi trường

3 Các đặc tính lý học của than:

Ngoài thành phần hóa học, người ta còn đánh giá đặc tính của than dựa trên thành phần công nghệ; Các thành phần công nghệ sử dụng để đánh giá than bao gồm: độ ẩm, hàm lượng cốc, hàm lượngchất bốc, hàm lượng tro, nhiệt trị nhiên liệu

3.1 Độ tro của than (A):

Là thành phần còn lại sau khi nhiên liệu được cháy kiệt

Các vật chất ở dạng khoáng chất trong than khi cháy biến thành tro, sự có mặt của tro làm giảm thành phần cháy nghĩa là làm giảm nhiệt trị của than; Tỷ lệ tro trong than ảnh hưởng rất lớn đến tính chất cháy của than như: giảm nhiệt trị của than, gây nên mài mòn bề mặt ống hấp thụ nhiệt, bám bẩn làm giảm hệ số truyền nhiệt qua vách ống, Ngoài ra một đặc tính quan trọng nữa của tro ảnh hưởng lớn đến quá trình làm việc của thiết bị cháy là độ nóng chảy của tro

Độ tro của nhiên liệu được xác định bằng cách đem mẫu nhiên liệu đốt đến 800 -

850oC đối với nhiên liệu rắn, 500oC đối với nhiên liệu lỏng cho đến khi trọng lượng

Trang 4

còn lại không thay đổi; Phần trọng lượng không thay đổi đó tính bằng phần trăm gọi

là độ tro của nhiên liệu Độ tro của madut vào khoảng 0,2 - 0,3%, của gỗ vào khoảng 0,5 – 1%, của than antraxit có thể lên tới 15 – 30% hoặc cao hơn nữa

3.2 Độ ẩm (W):

Độ ẩm của than là hàm lượng nước chứa trong than, độ ẩm toàn phần của than được xác định bằng cách sấy nhiên liệu trong tủ sấy ở nhiệt độ 105oC cho đến khi trọng lượng nhiên liệu không thay đổi, phần trọng lượng mất đi gọi là độ ẩm nhiên liệu

3.3 Chất bốc (V):

Khi đem đốt nóng nhiên liệu trong điều kiện môi trường không có ôxy thì mối liên kết các phân tử hữu cơ bị phân hủy Quá trình đó gọi là quá trình phân hủy nhiệt, sản phẩm của phân hủy nhiệt là những chất khí được gọi là “Chất bốc” và ký hiệu là V (%), bao gồm những khí hydro, cacbuahydro, cacbonoxit, cacbonic Những liên kết có nhiều oxy là những liên kết ít bền vững dễ bị phá vỡ ở nhiệt độ cao, Vì vậy than càng non tuổi bao nhiêu thì chất bốc càng nhiều bấy nhiêu, than bùn (V=70%), than đá (V=10-45) %, than antraxit (V=2-9) %

Nhiệt độ bắt đầu sinh ra chất bốc phụ thuộc vào tuổi hình thành của than, than càng non tuổi thì nhiệt độ bắt đầu sinh chất bốc càng thấp, lượng chất bốc sinh ra còn phụ thuộc vào thời gian phân hủy nhiệt

Theo tiêu chuẩn ASTMD388 thì chất bốc của than là thành phần bay hơi của than đã trừ đi độ ẩm khi mẫu than được đốt nóng trong chén có nắp đậy kín (không đưa không khí vào), ở nhiệt độ 800- 820oC trong thời gian 7 phút, và được ký hiệu

là V (%)

Chất bốc của than có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình cháy than, chất bốc càng nhiều bao nhiêu thì than càng xốp, dễ bắt lửa và cháy kiệt bấy nhiêu Vì vậy khi cháy than ít chất bốc như than Antraxit của Việt nam thì cần phải có biện pháp kỹ thuật thích hợp

3.4 Thành phần cốc trong than:

Chất rắn còn lại (đã trừ đi độ tro) của than sau khi bốc hết chất bốc thì được gọi

Trang 5

là cốc của than, cốc là thành phần chất cháy chủ yếu của than Tính chất của cốc phụ thuộc vào tính chất của các mối liên hệ hữu cơ có trong các thành phần cháy Nếu cốc ở dạng cục thì gọi là than thiêu kết (than mỡ, than béo), nếu cốc ở dạng bột thì gọi là than không thiêu kết (than đá, than antraxit) Than có nhiều chất bốc thì cốc càng xốp, than càng có khả năng phản ứng cao, các bon không những dễ bị Oxy hóa mà còn dễ bị hoàn nguyên khí CO2 thành khí CO Than gầy và than Antrxit không cho cốc xốp khi cháy, cho nên chúng là loại than khó cháy Tuỳ thuộc khả năng thiêu kết của than mà than có màu sắc khác nhau Than không thiêu kết có màu xám, than ít thiêu kết có màu ánh kim loại[2]

Độ cứng của than phụ thuộc vào độ xốp của cốc, than càng xốp thì độ bền càng nhỏ than càng dễ nghiền

3.5 Nhiệt trị của than:

Nhiệt trị của than là nhiệt lượng phát ra khi cháy hoàn toàn 1 kg than, đựơc kí hiệu bằng chữ Q (Kj/ kg), nhiệt trị của than được phân thành Nhiệt trị cao và nhiệt trị thấp

Xác định nhiệt trị bằng thực nghiệm được tiến hành bằng cách đo trực tiếp lượng nhiệt sinh ra khi đốt cháy một lượng nhiên liệu nhất định trong “Bom nhiệt lượng kế” Bom nhiệt lượng kế là một bình bằng thép trong chứa ôxy ở áp suất 2,5 – 3,0 MN/m2

Bom được đặt trong một thùng nhỏ chứa nước ngập đền toàn bộ bom gọi là “bình nhiệt lượng kế” Nhiệt lượng tỏa ra khi cháy nhiên liệu dùng để đun nóng khối lượng nước này Người ta đo được nhiệt độ của nước nóng và suy ra nhiệt trị của nhiên liệu Để hạn chế ảnh hưởng do tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh, người ta thường đặt bình nhiệt lượng kế vào một thùng khác có hai vỏ và chứa đầy nước, đảm bảo cho không gian xung quanh nhiệt lượng kế có nhiệt độ đồng đều Phương pháp xác định nhiệt trị bằng tính toán dựa trên cơ sở tính nhiệt lượng tỏa ra khi cháy từng thành phần nguyên tố của nhiên liệu Như vậy để tính chính xác nhiệt trị cần phải xác định chính xác, cũng như ảnh hưởng của hiệu ứng nhiệt sinh ra kèm theo các phản ứng cháy

Trang 6

Song trong sản phẩm cháy có hơi nước nếu như hơi nước đó ngưng đọng lại thành nước thì nó còn tỏa thêm một lượng nhiệt nữa Nhiệt trị cao của nhiên liệu chính là nhiệt trị có kể đến phần lượng nhiệt thêm đó

Để đưa than vào sử dụng, người ta cần phân tích các thành phần chính của nó nhiệt trị, hàm lượng chất bốc, hàm lượng tro, hàm lượng lưu huỳnh, độ ẩm và tạp chất Tùy theo đặc tính sử dụng, than được phân chia thành các cấp loại khác nhau

và được đưa vào hệ thống các tiêu chuẩn[2]

4 Các nguyên lý của quá trình cháy than:

4.1 Quá trình đốt cháy:

Quá trình cháy là sự oxy hoá nhanh nhiên liệu để tạo ra nhiệt hoặc nhiệt và ánh sáng Quá trình đốt cháy nhiên liệu hoàn tất chỉ khi được cấp một lượng thích hợp oxy

Oxy (O2) là một trong những nguyên tố thông dụng nhất trên trái đất, chiếm tới 20.9% trong không khí Oxy hoá nhiên liệu nhanh sẽ mang lại lượng nhiệt lớn Nhiên liệu rắn hoặc lỏng phải chuyển hoá thành khí trước khi cháy Thông thường,

để chuyển hoá chất lỏng hoặc rắn sang dạng khí cần phải sử dụng nhiệt Khí nhiên liệu sẽ cháy ở trạng thái bình thường nếu có đủ không khí

Phần lớn trong số 79% không khí là nitơ cùng với một ít các thành phần khác Nitơ được xem là yếu tố pha loãng làm giảm nhiệt độ cần có để đạt được lượng oxy cần cho quá trình cháy

Nitơ làm giảm hiệu suất cháy do hấp thụ nhiệt từ nhiên liệu đốt cháy và pha loãng khí lò Điều này làm giảm nhiệt để truyền qua bề mặt trao đổi nhiệt Nó còn làm tăng khối lượng của các sản phẩm phụ của quá trình cháy, những sản phẩm này

đi qua bộ trao đổi nhiệt và thoát ra ngoài ống khói nhanh hơn để nhường chỗ cho hỗn hợp nhiên liệu-không khí mới được bổ sung

Nitơ có thể kết hợp với ô xy (nhất là ở nhiệt độ cháy cao) để tạo ra NOx, là chất gây ô nhiễm rất độc Cacbon, hydro và lưu huỳnh trong nhiên liệu kết hợp với oxy trong không khí tạo thành các bon níc, hơi nước và sun phua, giải phóng 8.084 kcal, 28.922 kcal và 2.224 kcal nhiệt Trong các điều kiện đặc biệt, cacbon còn có thể kết

Trang 7

hợp với oxy để tạo ra các bon monoxit, giải phóng một lượng nhiệt nhỏ (2.430 kcal/kg cacbon) Cacbon cháy tạo ra cacbonat sẽ sinh ra một lượng nhiệt trên mỗi đơn vị nhiên liệu nhiều hơn khi tạo ra cacbon monoxit

C + O2 = CO2 + 8.084 Kcal/kg Cacbon

2C + O2 = 2CO + 2.430 Kcal/kg Cacbon

2H2 + O2 = 2H2O + 28.922 Kcal/kg Hydro

S + O2 = SO2 + 2.224 Kcal/kg Lưu huỳnh

Mỗi kg CO được tạo thành đồng nghĩa với việc tổn thất 5654 kCal nhiệt (8084 – 2430)

Mục đích của một quá trình đốt cháy hiệu quả là giải phóng toàn bộ nhiệt trong nhiên liệu Có thể đạt được điều này thông qua việc kiểm soát “3 T” của quá trình đốt cháy, đó là (1) Nhiệt độ (temperature) đủ cao để bắt cháy và duy trì việc bắt cháy nhiên liệu, (2) Khuấy trộn (turbulence) nhiên liệu và oxy, và (3) Thời gian (time), phải đủ để hoàn tất quá trình đốt cháy [1]

4.2 Các giai đoạn cháy của than:

Có 3 giai đoạn chính khi tham gia vào quá trình cháy trong lò

4.2.1 Giai đoạn sấy:

Mặc dù than được nghiền mịn và đã sấy qua lò sấy hoặc máy sấy nghiền liên tục, nhưng trong than vẫn còn chứa một lượng hơi ẩm nhỏ

Khi phun than vào lò nung, đầu tiên hơi ẩm tách ra hoàn toàn, thời gian loại trừ

ẩm chỉ chiếm khoảng vài phần trăm giây[3]

4.2.2 Giai đoạn tách chất bốc và cháy chất bốc:

Hạt than bay tiếp tục vào lò, nhiệt độ than tăng dần Chất bốc từ than tách ra Đây

là hỗn hợp khí dễ cháy như cacbon monoxit, hydrocacbua,v.v… Các khí này bắt cháy ngay Nếu than có nhiều chất bốc, khí thoát ra nhiều, bắt cháy mạnh, tỏa nhiệt nhanh Do vậy than có nhiều chất bốc nhiệt độ bắt cháy của than sẽ thấp Thông thường than cám 3C.1, 4a.1 có nhiệt độ bắt cháy khoảng 500÷6000C Than mỡ có nhiệt độ bắt cháy thấp do có nhiều chất bốc, nhiệt độ bắt cháy dao động từ 100÷2000C

Trang 8

4.2.3 Giai đoạn cháy cặn than (Residual Carbon)

Sau khi tách hết hơi ẩm, chất bốc, phần còn lại được gọi là cặn than (hay cặn cacbon hoặc cặn cốc) trong cặn than có cacbon và tro xỉ Việc cháy cặn than khó và chiếm thời gian dài nhất và thời gian cháy phụ thuộc vào các yếu tố sau:

- Nhiệt độ cháy (The burning temperature)

- Độ mịn của hạt than (The fineness of coal)

- Nồng độ ô xy % ( The O2 partial pressure % O2)

- Hình dạng và độ xốp của hạt ( The shap and porosity of coal particle)

- Hàm lượng tro xỉ (Ash content %)

4.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến khoảng cách bắt lửa của than

- Hàm lượng chất bốc: hàm lượng chất bốc tăng, khí thoát ra nhiều, nhiệt độ bắt cháy giảm

- Điều kiện khí động học: Động năng không khí sơ cấp cao, mức độ xoáy cao càng dễ cháy tối ưu

- Nhiệt độ: Nhiệt độ gió sơ cấp tăng, khoảng cách bắt lửa ngắn lại

- Hàm lượng vật lẫn: độ ẩm, độ tro, lưu huỳnh, lượng bụi….tăng, nhiệt cung cấp

để nung nóng than giảm, khoáng cách bắt cháy dài hơn

Trang 9

Hình 1.1: Chiều dài ngọn lửa và khoảng cách bắt lửa của các loại than[1]

4.4 Nhân tố ảnh hưởng đến thời gian cháy:

Nhân tố ảnh hưởng đến thời gian cháy của than là nói đến ảnh hưởng đến thời gian cháy của cặn cốc hay cặn Cacbon Thời gian cháy quyết định bởi các yếu tố sau:

- Than càng nhiều chất bốc, cháy càng nhanh, ngọn lửa ngắn

- Cùng lượng chất bốc thấp như nhau, than nào ít tro xỉ sẽ cháy nhanh hơn, ngọn lửa ngắn hơn

- Kích thước hạt than tăng lên, thời gian cháy tăng lên vì thời gian cháy tỉ lệ với gần d2

- Thời gian cháy càng ngắn nếu nhiệt độ buồng cháy tăng

- Thời gian cháy càng ngắn nếu độ xốp cặn cốc tăng

- Thời gian cháy càng ngắn nếu ô xy thâm nhập vào ngọn lửa tăng

Trang 10

- Thời gian cháy càng ngắn nếu hàm lượng tro xỉ thấp

- Thời gian cháy càng ngắn nếu độ ẩm của than càng nhỏ

- Thời gian cháy càng ngắn nếu không khí sơ cấp chứa ít hơi nước và gió 2 chứa

ít bụi

Hình 1.2: Quan hệ giữa độ min của hạt than với thời gian cháy[1]

Hình 1.3: Yêu cầu về độ mịn của than tương ứng với hàm lượng chất bốc[1]

Trang 11

Bảng 1.1: Thời gian cháy của than Anthraxit Hòn Gai[1]

Nhiệt độ lò Thời gian cháy (giây) khi kích thước than

5 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước:

5.1 Tình hình nghiên cứu trong nước:

Đề tài nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng chất bốc trong than trộn đến hiệu suất của lò hơi tại nhà máy nhiệt điện Ninh Bình của nhóm tác giả Ths Nguyễn Chiến Thắng, TS Hoàng Tiến Dũng, PGS.TS Trần Gia Mỹ, TS Lê Đức Dương đã

có nghiên cứu về ảnh hưởng của hàm lượng chất bốc đến nhiệt độ bắt cháy của than Trong đề tài này tác giả đã sử dụng than cám 4,5,6 theo TCVN, cháy ít khói, hàm lượng cacbon cao (trung bình 60%), chất bốc thấp (từ 3-7%), lưu huỳnh thấp, tro than cao (từ 25% đến 36%) khó bắt cháy Nghiên cứu đã đưa ra mộ số kết luận: Khi tăng hàm lượng chất bốc, khả năng cháy của bột than tăng, hiệu suất cháy và hiệu suất nhiệt tăng lên Tuy vậy sự thay đổi không tuyên tính mà tồn tại tối ưu ở giá trị hàm lượng bốc là 11% Điều này có thể lý giải do đặc tính của lò hơi sử dụng tiến hành thí nghiệm[ 4]

5.2 Tình hình nghiên cứu quốc tế:

SJ Wang, F.Wu, G Zang, P Zu, CJ Hung, ST Chen [ 5], Nghiên cứu đặc tính cháy của than Antraxit và hỗn hợp than trộn với chất xúc tác nhằm cung cấp dữ liệu cho việc sử dụng các chất xúc tác trợ cháy theo các tỉ lệ khác nhau để mang lại hiệu quả cao với các chỉ số cháy như: nhiệt độ bắt cháy (Te), nhiệt độ kết thúc cháy (Tf), khả năng cháy của than (Df) và độ cháy kiệt của than (Bc)

Trang 12

Trong nghiên cứu của mình, nhóm tác giả đã sử dụng phương pháp phân tích nhiệt để xác định các đặc tính cháy của than, qua giản đồ phân tích nhiệt của một mẫu than đốt thí nghiệm sẽ xác định được các thông số cháy như sau:

Hình 1.4: Giản đồ xác định nhiệt độ bắt cháy và nhiệt độ kết thúc cháy của than[12]

Từ Hình 1.6, từ điểm thấp nhất A trên đường cong DTG, vẽ một đường theo phương thằng đứng và cắt giao đường TG tại điểm B, từ điểm B kẻ dường tiếp tuyến với đường cong TG, đường thẳng này giao với đường TG ban đầu kéo dài tại điểm C và đường TG khi kết thúc kéo dài tại điểm E Cuối cùng kẻ 2 đường thẳng đứng từ điểm C và E giao cắt với đường trục hoành tại điểm E và F Nhiệt độ xác định tại điểm D và điểm F tương ứng với nhiệt độ bắt cháy (Te) và nhiệt độ kết thúc cháy (Tf)

Khả năng cháy của than được xác định dựa vào công thức:

Trang 13

Hình 1.5: Giản đồ phân tích nhiệt của các mẫu than tương ứng lượng xúc tác[12]

Với việc sử dụng 2 loại than khác nhau và trộn cùng với các tỉ lệ khác nhau để phân tích nhiệt, từ giản đồ phân tích nhiệt cho kết quả như sau:

- Hiệu ứng của các chất xúc tác đến khả năng bắt cháy của than và thời gian cháy: nhiệt độ bắt cháy của than giảm tương ứng với lượng chất xúc tác được đưa

vào hỗn hợp mẫu đốt Thời gian kết thúc quá trình cháy giảm tương ứng với hàm lượng chất xúc tác đưa vào hỗn hợp

-Ảnh hưởng của chất xúc tác đến nhiệt độ kết thúc cháy: nhiệt độ kết thúc quá

trình cháy giảm tương ứng với lượng chất xúc tác được đưa vào trong hỗn hợp mẫu Các loại than khác nhau mức độ ảnh hưởng của xúc tác là khác nhau

- Ảnh hưởng của chất xúc tác đến khả năng cháy của than: Khả năng cháy của

than tăng tương ứng với mức độ chất xúc tác cháy đưa vào phản ứng

- Việc sử dụng phương pháp phân tích nhiệt vi sai có thể đánh giá được các chỉ

số liên quan đến đặc tính cháy của than trong phòng thí nghiệm cũng như khả năng cháy của than trong hệ thống lò công nghiệp

John W Cumming [6], Phân tích nhiệt vi sai để nghiên cứu quá trình cháy của

Trang 14

than Anthraxit và các loại than phẩm cấp thấp với việc khảo sát quá trình cháy của 3 mẫu than: than Bitum, hỗn hợp than bitum-anthraxit, than anthraxit, kết quả phân tích nhiệt vi sai cho thấy:

Hình 1.6: Giản đồ nhiệt tương ứng của 3 loại than thí nghiệm

Hình 1.6 đưa ra giản đồ phân tích nhiệt của 3 loại than khác nhau, trong đó: A - mẫu than xít; B- than tương đương nhựa đường; C- mẫu than Anthraxit Xem trên đường cong A, than có hàm lượng chất bốc cao và dễ phân tách đã hình thành một

"peak" sớm ở nhiệt độ 4000C, tốc độ cháy giảm xuống trước khi "peak" chính được hình thành ở nhiệt độ cao nhất là 4800C Sự hình thành của 2 điểm "peak" cũng thấy ở nhiều loại than phẩm cấp thấp tương tự như than bùn, gỗ… và được cho là hiện tượng bắt cháy giả

Đường cong B không thấy hiển thị 2 "peak" tương ứng nhưng nhiệt độ 300÷4200C xuất hiện tăng DTG tương ứng với quá trình giải phóng chất bốc từ mẫu than nhưng lượng chất bốc ít hơn Tại điểm này xuất hiện sự thay đổ độ cong của đường DTG giống như khi bắt đầu cháy thực sự Mức độ biến đổi của nó phụ thuộc

và kích thước hạt than và bản chất của từng chủng loại than tương ứng

Đường cong C (than Anthraxit) chỉ có một "peak" gần như là đối xứng, nó không hiển thị qua trình cháy bốc tương ứng Nhiệt độ bắt cháy của nó là 4500C ( 2500C

Trang 15

đối với mẫu A và 3000C đối với mẫu B) và "Peak" nhiệt cao nhất là 6300C( 4850C đối với mẫu A và 5300C đối với mẫu B)

Hình 1.9: Giản đồ nhiệt của mẫu than hỗn hợp

Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra khi trộn hỗn hợp 2 loại than khác nhau theo một

tỉ lệ nhất định, sẽ có quá trình cháy xảy ra độc lập với mỗi loại than Trên giản đồ phân tích nhiệt có 2 điểm "Peak" được tìm ra tương ứng với quá trình cháy của từng loại than mà không thể hiện quá trình bắt cháy

Bằng việc nghiên cứu đốt than ở các giải nhiệt độ khác nhau và phân tích trên giản đồ phân tích nhiệ vi sai, John W Cumming đã chỉ ra:

- Khả năng cháy của than ở một nhiệt độ không đổi phụ thuộc vào nguồn gốc của than

- Cần tăng nhiệt độ cháy của than, thậm chí đến 12000C để tăng khả năng cháy của, ở nhiệt độ cao, tăng khả năng thoát chất bốc một cách mãnh liệt và để lại nhiều

lỗ trống mở, tạo điều kiện cho việc cháy cặn than

Tất cả các nghiên cứu kể trên đã thể hiện nguyên tắc của sự tương tác giữa bản chất của than ảnh hưởng đến quá trình cháy của than mà ở đây là chỉ số thời gian và nhiệt bắt cháy, thời gian và nhiệt độ cháy hết, mức độ cháy kiệt của than

6 Kết luận tổng quan:

Từ các nghiên cứu nêu trên có thể đưa ra một số nhận định sau:

- Các than có các đặc tính A,V,Q giống nhau, nhưng nguồn gốc khác nhau quá

Trang 16

trình cháy thể hiện là khác nhau

- Có thế sử dụng việc kiểm tra quá trình sấy than, tốc độ cháy than trong lò tại các dải nhiệt độ khác nhau để đánh giá khả năng cháy của than

- Có thể sử dụng phương pháp phân tích nhiệt vi sai DTA để xác định được nhiệt

độ bắt cháy, độ cháy kiệt… qua đó đánh giá khả năng cháy của các loại than có cùng các chỉ số A,V,Q

Đề tài muốn làm rõ phương pháp đốt, sấy để phân tích các đặc tính cháy của than trước khi sử dụng, qua đó có điều chỉnh kịp thời việc cấp phối, trộn than trước khi

sử dụng cho lò nung clinker xi măng, tăng hiệu quả sử dụng than trong sản xuất

Trang 17

CHƯƠNG 2 MỤC TIÊU, NỘI DUNG

VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Mục tiêu:

Xây dựng phương pháp đánh giá khả năng cháy của than sử dụng trong nhà máy

xi măng trong đó tập trung vào các nội dung:

- Khảo sát tốc độ thoát ẩm của các loại than khác nhau ở cùng điều kiện sấy

- Khảo sát mức độ cháy thông qua lượng mất khi nung của các loại than khác nhau

So sánh các giá trị đạt được giữa các mẫu than thí nghiệm có thể khẳng định được khả năng cháy của từng loại than trước khi sử dụng trong lò nung xi măng

2.2 Nội dung:

Nghiên cứu khả năng cháy của 2 cặp mẫu than khác nhau dự kiến sử dụng trong

lò nung clinker của Công ty xi măng Bỉm sơn Cụ thể:

- Khảo sát mẫu than cám 4A Quang trung và than cám 4A vật tư vận tải

- Khảo sát mẫu than cám 4A Hungking và than cám 4A Nam Phương

2.3 Các phương pháp nghiên cứu:

2.3.1 Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm:

Hình 2.1: Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm

Phân tích các thông số A,V,Q,

W theo TCVN

Phân tích nhiệt vi sai TG,

DG

Khảo sát tốc

độ cháy của than trong lò nung thí nghiệm

Nhận xét kết quả thí nghiệm

Kết luận

Sấy khảo sát tốc