Tổng quan nghiên cứu

Than đá đóng vai trò cốt lõi trong cơ cấu an ninh năng lượng và cung cấp nguyên liệu quan trọng cho các ngành luyện kim, xi măng, xử lý môi trường. Tại Việt Nam, trữ lượng than đá tại bể than sông Hồng ước tính lên tới hàng tỷ tấn. Tuy nhiên, giá trị kinh tế thu về từ than đá trước đây chưa tương xứng do phần lớn sản phẩm được xuất khẩu thô. Trong khi than đá cục thô xuất khẩu chỉ đạt mức giá khoảng 180 đến 220 USD/tấn, than đá qua chế biến đạt dải kích thước hạt từ 0,6 đến 8,0 mm có thể đạt mức giá từ 250 đến 280 USD/tấn, gia tăng khoảng 35% đến 40% giá trị thương phẩm. Ngược lại, than cám thứ phẩm có lẫn nhiều đất bụi chỉ có giá trị thấp, dao động từ 100 đến 140 USD/tấn.

Thực tế sản xuất tại Công ty Cổ phần Trà Bắc (tỉnh Trà Vinh) cho thấy dây chuyền chế biến than phục vụ xuất khẩu sang thị trường Nhật Bản sử dụng máy nghiền trục cán gặp nhiều hạn chế. Thiết bị này chỉ đạt năng suất từ 0,8 đến 1,0 tấn/h với công suất động cơ 20 kW, nhưng tỷ lệ hạt đạt chuẩn kích thước 0,6 đến 8,0 mm chỉ chiếm 10% đến 18%. Than đá có đặc tính cơ lý giòn, độ cứng cao nhưng giới hạn bền nén thấp (khoảng 19 đến 29 N/mm2), khiến bề mặt trục cán nhanh mòn và sản phẩm sinh nhiều bột mịn.

Nghiên cứu này được thực hiện trong giai đoạn 2015 - 2016 nhằm lựa chọn mô hình máy nghiền búa MNTĐ - 2 và xác định tổ hợp thông số tối ưu. Mục tiêu trọng tâm là nâng năng suất đạt từ 2,0 tấn/h trở lên, đưa tỷ lệ hạt có kích thước từ 0,6 đến 8,0 mm vượt ngưỡng 90%, đồng thời kiểm soát tỷ lệ bụi mịn dưới 0,6 mm không vượt quá 10%, đáp ứng khắt khe các tiêu chuẩn môi trường và xuất khẩu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Quá trình phá hủy cơ học của vật thể rắn trong buồng nghiền được luận văn xây dựng dựa trên sự kế thừa và tổng hợp của bốn học thuyết nghiền kinh điển:

Thuyết bề mặt của P. Ritinger (năm 1867) khẳng định công tiêu hao trong quá trình nghiền tỷ lệ thuận với độ gia tăng diện tích bề mặt mới tạo thành. Biểu thức này phù hợp khi phân tích quá trình nghiền mịn nhưng có sai số đáng kể đối với nghiền thô.

Thuyết thể tích của V. Kirpitrev (năm 1874) và Ph. Kik (năm 1885) chỉ ra công nghiền tỷ lệ thuận với mức biến đổi thể tích vật liệu, thích hợp cho các phân đoạn đập vỡ ban đầu của cục than có kích thước lớn.

Thuyết dung hòa của Ph. Bond (năm 1952) kết hợp hai quan điểm trên, xác định công nghiền tỷ lệ với trung bình nhân giữa thể tích và bề mặt, áp dụng cho quá trình đập vỡ trung bình với chỉ số mũ năng lượng đặc trưng là 2,5.

Thuyết nghiền tổng hợp của P. Rebinder (năm 1928) tích hợp toàn diện công biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và năng lượng tạo bề mặt mới.

Về động lực học, nghiên cứu ứng dụng lý thuyết con lắc vật lý của V. P. Goriatskin để phân tích hệ rô to - búa nghiền hai bậc tự do. Để triệt tiêu xung lượng va đập truyền vào ổ trục, bán kính trống rô to được tính toán thỏa mãn điều kiện gấp 2,25 lần chiều dài từ đầu búa đến chốt treo. Các khái niệm cốt lõi bao gồm: mức độ nghiền (tỷ số giữa kích thước ban đầu và kích thước hạt sau nghiền), suất tiêu hao điện năng riêng Ar (kWh/tấn) và tỷ lệ thành phần hạt hữu ích TL (%).

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn kết hợp giữa tính toán thiết kế cơ khí và phương pháp quy hoạch thực nghiệm hiện đại:

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập trực tiếp trên mô hình máy nghiền MNTĐ - 2 chế tạo thử nghiệm. Cỡ mẫu phân tích tiêu chuẩn là 100 gam than nghiền ngẫu nhiên cho mỗi lần thí nghiệm, được sàng phân loại trong thời gian 5 phút bằng hệ thống sàng 12 cấp có số Mesh từ 16 đến 400, trong đó hai mắt sàng then chốt là Mesh 30 (lỗ 0,6 mm) và Mesh 5/16 inch (lỗ 8,0 mm).

Phương pháp quy hoạch thực nghiệm Box - Behnken bậc hai với 3 yếu tố vào độc lập được lựa chọn: số vòng quay rô to n (1.000 đến 1.400 vg/ph), khe hở giữa đầu búa và mặt lưới sàng h (10 đến 20 mm), và lượng cung cấp liệu q (25 đến 45 kg/ph). Thiết kế ma trận bao gồm 15 thí nghiệm với 3 thí nghiệm lặp tại tâm để đánh giá sai số ngẫu nhiên thực sự.

Lý do lựa chọn phương pháp Box - Behnken là khả năng tối ưu hóa số lần chạy máy, tiết kiệm nguyên liệu thử nghiệm nhưng vẫn xây dựng được hàm hồi quy phi tuyến chính xác. Dữ liệu được xử lý phương sai (ANOVA) và kiểm định mức độ tương thích qua tiêu chuẩn Fisher với mức ý nghĩa p nhỏ hơn hoặc bằng 0,05 trên phần mềm Statgraphics. Hệ thống đo đạc sử dụng đồng hồ đo tốc độ quang điện tử Lutron DT - 2238 (độ chính xác 1 vg/ph), thiết bị đo công suất Kyoritsu - 2017 và công tơ điện tử 3 pha AMSYS OMWH - 345T - 1 với thang chia 0,1 kWh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình khảo nghiệm và xử lý số liệu quy hoạch thực nghiệm trên máy nghiền MNTĐ - 2 đã ghi nhận những kết quả vượt bậc so với các thế hệ máy tiền nhiệm:

Thứ nhất, mô hình máy MNTĐ - 2 trang bị động cơ chính 22 kW, hệ thống 60 búa nghiền xếp thành 6 cụm và 2 lưới sàng cong kích thước 780 x 420 mm bố trí hướng kính đã đạt năng suất làm việc thực tế từ 2,0 đến 2,4 tấn/h, tăng hơn 140% so với năng suất 0,8 đến 1,0 tấn/h của máy nghiền trục cán cũ.

Thứ hai, hàm mục tiêu tỷ lệ hạt kích thước 0,6 đến 8,0 mm (TL) đạt mức tối ưu từ 90,5% đến 92,3%, vượt xa mức 10% đến 18% của máy nghiền trục và vượt trội so với mức 70% của các loại máy nghiền búa thông thường trên thị trường.

Thứ ba, tỷ lệ bột bụi mịn có kích thước dưới 0,6 mm được khống chế thành công xuống dưới mức 9,2%, giảm hơn 65% lượng phế phẩm so với máy nghiền MNTĐ - 3 (tỷ lệ bụi trên 30%) và giảm hơn 50% so với máy nghiền MNTĐ - 5 (tỷ lệ bụi trên 20%).

Thứ tư, suất tiêu hao điện năng riêng Ar giảm xuống mức 8,6 đến 9,4 kWh/tấn, tiết kiệm khoảng 28% năng lượng tiêu thụ so với các dòng máy nghiền búa có cùng dải năng suất.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi giúp MNTĐ - 2 đạt hiệu suất vượt trội nằm ở cơ chế nạp liệu tiếp tuyến kết hợp hướng kính và gia tăng diện tích thoát liệu. Ở máy nghiền trục, than bị phá hủy bởi ứng suất nén ép và trượt cưỡng bức, khiến hạt than bị nghiền nát vụn thành bụi. Trong khi đó, ở MNTĐ - 2, các cục than khi rơi vào buồng nghiền lập tức chịu lực va đập tự do ở dải vận tốc đầu búa từ 50 đến 65 m/s, nhanh chóng vỡ vụn dọc theo các vết nứt tế vi tự nhiên.

Dữ liệu thực nghiệm được trực quan hóa qua biểu đồ bề mặt đáp ứng 3 chiều (Response Surface) cho thấy mối tương quan dạng paraboloid elliptic giữa vận tốc vòng quay rô to và khe hở búa - sàng. Khi tốc độ rô to tăng từ 1.000 lên 1.200 vg/ph, tỷ lệ hạt đạt chuẩn tăng dần do năng lượng va đập vừa đủ để phá vỡ liên kết than. Tuy nhiên, nếu tiếp tục tăng tốc độ lên 1.400 vg/ph, số lần va đập dư thừa trong một chu kỳ tuần hoàn tăng mạnh, khiến tỷ lệ bụi mịn dưới 0,6 mm tăng thêm 12% và tiêu hao công suất chạy không tăng tỷ lệ với lũy thừa bậc ba của vận tốc.

So với mô hình MNTĐ - 3 chỉ có 1 mặt sàng góc ôm 165 độ, MNTĐ - 2 lắp đặt 2 mặt sàng độc lập mở rộng góc thoát liệu, kết hợp quạt hút ly tâm 1,5 kW và hệ thống xyclon lọc bụi túi vải. Luồng khí động lực học tạo áp suất âm giúp các hạt đạt kích thước dưới 8,0 mm lập tức phân ly qua lỗ sàng 16 mm mà không bị cuốn vào vòng tuần hoàn nghiền lại. Điều này không chỉ bảo toàn cấu trúc hạt than mà còn triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng phát tán bụi ra môi trường nhà xưởng.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả tối ưu hóa đa mục tiêu bằng phương pháp trọng số kết hợp giải thuật dò tìm trên máy tính, tác giả đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể:

Thứ nhất, chuẩn hóa chế độ vận hành công nghệ cho máy MNTĐ - 2 tại các cơ sở chế biến. Đơn vị sản xuất cần cố định tốc độ vòng quay rô to ở mức 1.200 vg/ph, thiết lập khe hở công tác giữa đầu búa và mặt lưới sàng trong khoảng 12 đến 16 mm, sử dụng lưới sàng lỗ đường kính 16 mm và duy trì lưu lượng cấp liệu ổn định ở mức 33 đến 38 kg/ph nhằm đảm bảo tỷ lệ hạt chuẩn luôn đạt trên 90% với năng suất tối thiểu 2,0 tấn/h.

Thứ hai, nâng cấp hệ thống điều khiển tự động hóa cho cụm cấp liệu và tháo liệu trong vòng 3 đến 6 tháng tới. Doanh nghiệp cần lắp đặt biến tần cho động cơ băng tải cấp liệu và động cơ vít tải tháo bột 3,75 kW, cho phép tự động điều chỉnh tốc độ cấp than theo dòng tải thực tế của động cơ chính 22 kW, ngăn ngừa hiện tượng quá tải buồng nghiền khi than ẩm hoặc cục than có kích thước đột biến.

Thứ ba, thiết lập quy trình kiểm tra và bảo dưỡng định kỳ cơ học. Bộ phận bảo trì cần kiểm tra độ mòn của 60 đầu búa hợp kim và lưới sàng sau mỗi 300 giờ làm việc liên tục. Đảo chiều đầu búa hoặc thay thế kịp thời khi khe hở công tác vượt quá 18 mm để tránh làm biến dạng dải kích thước hạt sản phẩm.

Thứ tư, tối ưu hóa hệ thống lọc bụi và thu hồi vi bụi định kỳ 4 giờ một lần. Cần duy trì áp suất hút của quạt ly tâm và vệ sinh túi vải lọc nhằm thu gom triệt để lượng bụi mịn dưới 0,2 mm, tái sử dụng làm nhiên liệu phối trộn phụ gia cho các lò nung, vừa tăng hiệu quả kinh tế vừa đảm bảo tiêu chuẩn khí thải nhà xưởng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang giá trị ứng dụng thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

Doanh nghiệp sản xuất than hoạt tính và chế biến than xuất khẩu: Tài liệu cung cấp giải pháp công nghệ trực tiếp để thay thế các dòng máy nghiền trục cũ, nâng cao tỷ lệ thu hồi than hạt 0,6 đến 8,0 mm xuất khẩu sang các thị trường cao cấp như Nhật Bản, Hàn Quốc, giúp tăng doanh thu từ 30% đến 40% trên mỗi tấn than chế biến.

Kỹ sư cơ khí chế tạo máy và thiết bị chế biến khoáng sản: Luận văn là tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình tính toán động lực học rô to - búa nghiền, thiết kế kết cấu buồng nghiền hướng kính, tính chọn quạt hút ly tâm, xyclon và hệ thống vít tải bột nghiêng đảm bảo cân bằng động và chống mài mòn.

Các nhà máy sản xuất gạch tuynel, luyện kim và xi măng: Cung cấp cơ sở khoa học để cải tiến hệ thống nghiền than cám và than bột mịn, tối ưu hóa kích thước hạt cấp vào lò đốt nhằm nâng cao hiệu suất nhiệt và giảm phát thải khói bụi ô nhiễm.

Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật Cơ khí: Luận văn là một nghiên cứu mẫu mực về việc ứng dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Box - Behnken, giải thuật tối ưu hóa đa mục tiêu và phân tích phương sai ANOVA trong nghiên cứu máy chuyên dùng.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao than đá chế biến kích thước 0,6 đến 8,0 mm lại có giá trị xuất khẩu cao hơn than thô?

Than đá có kích thước 0,6 đến 8,0 mm là nguyên liệu tiêu chuẩn cho các ngành xử lý nước, lọc khí và sản xuất than hoạt tính tại Nhật Bản. Chế biến than đạt dải kích thước đồng đều giúp giá xuất khẩu tăng từ 180 - 220 USD/tấn lên 250 - 280 USD/tấn, cao hơn 35% đến 40% so với than thô và loại bỏ được tạp chất đất đá lẫn trong than cám.

Điểm khác biệt mấu chốt giữa máy nghiền búa MNTĐ - 2 và các dòng máy nghiền trục là gì?

Máy nghiền trục làm việc theo nguyên lý ép dập và trượt dãn, dễ làm mòn bề mặt răng và nghiền than thành bột vụn với tỷ lệ hạt chuẩn chỉ đạt 10% đến 18%. Ngược lại, MNTĐ - 2 sử dụng nguyên lý va đập tự do kết hợp nạp liệu hướng kính và 2 mặt sàng thoát liệu nhanh, giúp hạt than vỡ theo thớ nứt tự nhiên và đạt tỷ lệ hạt chuẩn trên 90%.

Việc tăng vận tốc đầu búa có luôn làm tăng năng suất máy nghiền than đá không?

Không hoàn toàn. Khi tăng vận tốc đầu búa từ 35 m/s lên khoảng 55 đến 65 m/s, năng suất nghiền tăng rõ rệt. Tuy nhiên, nếu vượt quá 65 m/s (tương đương số vòng quay trên 1.300 vg/ph), năng lượng tiêu hao chạy không tăng theo hàm bậc ba, lượng than bị đập vụn dưới 0,6 mm tăng trên 12% và gây nóng buồng nghiền.

Hệ thống xử lý bụi của MNTĐ - 2 được cấu tạo như thế nào để đảm bảo tiêu chuẩn môi trường?

Hệ thống gồm quạt ly tâm công suất 1,5 kW tạo luồng hút áp suất âm sau buồng nghiền, dẫn bụi qua ống đứng và ống ngang vào xyclon phân tách sơ bộ. Không khí mang bụi mịn tiếp tục đi qua tháp lọc túi vải để giữ lại 100% hạt bụi kích cỡ dưới 0,2 mm trước khi xả khí sạch ra môi trường.

Phương pháp quy hoạch thực nghiệm Box - Behnken mang lại lợi ích gì cho đề tài?

Phương pháp Box - Behnken giúp tối ưu hóa số lượng thí nghiệm xuống chỉ còn 15 lần chạy máy cho 3 thông số vào, giảm chi phí nguyên liệu thử nghiệm. Phương pháp này cho phép thiết lập mô hình toán học bề mặt đáp ứng chính xác, kiểm định độ tương thích qua tiêu chuẩn Fisher với độ tin cậy trên 95%.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình máy nghiền búa MNTĐ - 2 với năng suất ổn định từ 2,0 đến 2,4 tấn/h, giải quyết triệt để bài toán nâng cao chất lượng than đá xuất khẩu.
  • Xác định được tổ hợp thông số công nghệ tối ưu: số vòng quay rô to đạt 1.200 vg/ph, khe hở búa - sàng từ 12 đến 16 mm, giúp tỷ lệ hạt kích thước 0,6 đến 8,0 mm đạt trên 90,5% và tỷ lệ bụi mịn dưới 0,6 mm khống chế dưới 9,2%.
  • Suất tiêu hao điện năng riêng của máy giảm xuống mức 8,6 đến 9,4 kWh/tấn, tiết kiệm khoảng 28% điện năng tiêu thụ so với các hệ thống nghiền than đá truyền thống.
  • Hệ thống xyclon hút bụi và màng lọc túi vải vận hành hiệu quả, thu hồi toàn bộ hạt bụi mịn dưới 0,2 mm, đảm bảo môi trường làm việc an toàn và không gây ô nhiễm thứ cấp.
  • Đề tài đã được ứng dụng thành công tại Công ty Cổ phần Trà Bắc trong năm 2016, mở ra hướng đi bền vững cho các doanh nghiệp chế biến khoáng sản trong lộ trình nâng cấp công nghệ và tự động hóa sản xuất.