Tổng quan nghiên cứu

Than đá là nguồn năng lượng hóa thạch quan trọng, với trữ lượng lớn tại Việt Nam, tập trung chủ yếu ở các tỉnh phía Bắc như Quảng Ninh, Thái Nguyên, Ninh Bình, Hòa Bình và vùng lưu vực sông Hồng. Trữ lượng than đá dự đoán lên tới hàng tỷ tấn, đóng vai trò thiết yếu trong an ninh năng lượng quốc gia, phục vụ sản xuất điện, xi măng, thép và các ngành công nghiệp khác. Tuy nhiên, than đá khai thác thô có kích thước không đồng đều, từ bụi mịn đến cục lớn, đòi hỏi phải qua quá trình nghiền và tuyển chọn để đạt kích thước phù hợp với yêu cầu sử dụng và nâng cao giá trị kinh tế.

Mục tiêu nghiên cứu là xác định mô hình máy nghiền than đá kiểu búa MNTĐ – 2 và các thông số tối ưu nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế kỹ thuật trong chế biến than đá xuất khẩu, đặc biệt phục vụ thị trường Nhật Bản. Nghiên cứu tập trung vào quá trình nghiền than đá thành hạt có kích thước từ 0,6 đến 8 mm, với tỷ lệ cấu tử trong phạm vi này đạt trên 90%, đồng thời giảm thiểu bụi bột kích thước dưới 0,6 mm không quá 10%. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại công ty Cổ phần Trà Bắc, tỉnh Trà Vinh, trong năm 2016.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc xây dựng mô hình toán học mô tả quá trình nghiền than đá, xác định các thông số công nghệ và kết cấu tối ưu cho máy nghiền, góp phần nâng cao năng suất, giảm chi phí điện năng và hạn chế ô nhiễm môi trường trong sản xuất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

  • Thuyết nghiền diện tích và thể tích: Công nghiền vật liệu tỷ lệ với diện tích bề mặt mới tạo thành và thể tích vật liệu bị biến dạng, theo các thuyết của P.Rittinger, V.Kirpitrev, Ph.Bon và P.Rebinder.
  • Mô hình động học nghiền: Mô hình toán học mô tả sự giảm số lượng mảnh nguyên liệu theo thời gian nghiền, với các tham số đặc trưng quá trình nghiền như hệ số nghiền và thời gian lưu hạt trong buồng nghiền.
  • Lý thuyết động lực học roto – búa: Mô tả dao động và ổn định của hệ roto – búa nghiền, ảnh hưởng đến hiệu quả nghiền và độ bền thiết bị.
  • Phương pháp quy hoạch thực nghiệm (QHTN): Sử dụng thiết kế thực nghiệm Box-Behnken để xây dựng mô hình hồi quy xác định ảnh hưởng của các thông số vào (vận tốc búa, khe hở đầu búa – sàng, lượng cung cấp) đến các chỉ tiêu ra (tỷ lệ cấu tử kích thước 0,6-8 mm và chi phí điện năng riêng).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu thực nghiệm tại công ty Cổ phần Trà Bắc, kết hợp với tài liệu khoa học và các nghiên cứu trước đây về nghiền than đá.
  • Phương pháp phân tích: Phân tích thống kê, hồi quy đa biến, phân tích phương sai để xây dựng và kiểm định mô hình toán học.
  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện trong năm 2016, bao gồm khảo sát hiện trạng, thiết kế và chế tạo máy nghiền MNTĐ – 2, thực nghiệm và tối ưu hóa mô hình.
  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Lấy mẫu than đá ngẫu nhiên theo khối lượng cho từng thí nghiệm, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy số liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  • Mô hình máy nghiền MNTĐ – 2 với công suất động cơ 22 kW, năng suất 2 tấn/giờ, vận tốc rô to – búa 1.200 vòng/phút, sử dụng hai sàng kích thước 780 x 420 mm, đạt tỷ lệ cấu tử kích thước 0,6-8 mm trên 90%, giảm bụi bột dưới 0,6 mm dưới 10%.
  • Chi phí điện năng riêng để nghiền đạt khoảng 15-18 kWh/tấn, giảm 20% so với các máy nghiền kiểu búa trước đây như MNTĐ – 3 và MNTĐ – 5.
  • Vận tốc búa nghiền và khe hở đầu búa – sàng là hai thông số ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng sản phẩm và chi phí năng lượng, với mức ảnh hưởng lần lượt trên 40% và 30% trong mô hình hồi quy.
  • So sánh với máy nghiền trục cán đang sử dụng tại công ty, MNTĐ – 2 cho năng suất cao hơn gấp đôi (2 tấn/h so với 0,8-1 tấn/h) và chất lượng sản phẩm đáp ứng tốt hơn yêu cầu công nghệ.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc áp dụng nguyên lý nghiền búa va đập tự do kết hợp với thiết kế buồng nghiền có diện tích sàng lớn giúp giảm thời gian lưu hạt trong buồng nghiền, hạn chế nghiền lại nhiều lần, từ đó giảm lượng bụi bột và tăng tỷ lệ sản phẩm đạt kích thước yêu cầu. Việc điều chỉnh khe hở đầu búa – sàng và vận tốc búa nghiền là yếu tố then chốt để cân bằng giữa năng suất và chi phí năng lượng.

So với các nghiên cứu trước đây, mô hình MNTĐ – 2 đã khắc phục được nhược điểm của máy nghiền trục cán và các máy nghiền búa cũ, đồng thời đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường nhờ hệ thống lọc bụi hiệu quả. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ bề mặt đáp ứng thể hiện ảnh hưởng tương tác giữa vận tốc búa và khe hở sàng đến tỷ lệ cấu tử và chi phí điện năng, giúp dễ dàng xác định điểm tối ưu.

Đề xuất và khuyến nghị

  • Tối ưu hóa vận tốc búa nghiền: Điều chỉnh vận tốc trong khoảng 1.100 – 1.200 vòng/phút để đạt hiệu suất nghiền tối ưu, giảm chi phí điện năng riêng xuống dưới 15 kWh/tấn. Thực hiện trong 6 tháng, do bộ phận kỹ thuật công ty thực hiện.
  • Điều chỉnh khe hở đầu búa – sàng: Thiết lập khe hở từ 6 đến 8 mm để cân bằng giữa tỷ lệ cấu tử và bụi bột, giảm ô nhiễm môi trường. Thời gian thực hiện 3 tháng, do phòng kỹ thuật và vận hành phối hợp.
  • Nâng cấp hệ thống lọc bụi: Lắp đặt thêm bộ lọc túi vải và xyclon để giảm phát thải bụi dưới 0,2 mm, đảm bảo tiêu chuẩn môi trường quốc gia. Thời gian 4 tháng, do ban quản lý dự án và nhà thầu thi công.
  • Đào tạo vận hành và bảo trì: Tổ chức khóa đào tạo cho công nhân vận hành về kỹ thuật điều chỉnh máy và bảo trì định kỳ để duy trì hiệu suất máy nghiền. Thời gian 2 tháng, do phòng nhân sự và kỹ thuật phối hợp.
  • Mở rộng ứng dụng mô hình: Áp dụng mô hình và thông số tối ưu cho các nhà máy chế biến than đá khác trong nước nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất toàn ngành. Kế hoạch triển khai trong 1 năm, do Bộ Công Thương và các doanh nghiệp phối hợp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Doanh nghiệp khai thác và chế biến than đá: Nâng cao hiệu quả nghiền, giảm chi phí sản xuất và đáp ứng yêu cầu xuất khẩu.
  • Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Tham khảo mô hình toán học và phương pháp tối ưu hóa trong thiết kế máy nghiền.
  • Cơ quan quản lý nhà nước về năng lượng và môi trường: Đánh giá công nghệ chế biến than đá thân thiện môi trường, xây dựng chính sách hỗ trợ.
  • Nhà sản xuất thiết bị cơ khí: Phát triển và cải tiến máy nghiền than đá theo tiêu chuẩn kỹ thuật và yêu cầu thị trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy nghiền MNTĐ – 2 có ưu điểm gì so với máy nghiền trục cán?
    Máy MNTĐ – 2 có năng suất cao gấp đôi, tỷ lệ sản phẩm đạt kích thước yêu cầu trên 90%, giảm bụi bột dưới 10%, đồng thời tiết kiệm điện năng và giảm ô nhiễm môi trường.

  2. Các thông số nào ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu quả nghiền?
    Vận tốc búa nghiền và khe hở đầu búa – sàng là hai yếu tố quan trọng nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và chi phí điện năng.

  3. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm được áp dụng như thế nào?
    Sử dụng thiết kế Box-Behnken với 3 yếu tố đầu vào, xây dựng mô hình hồi quy đa biến để xác định ảnh hưởng và tối ưu hóa các thông số công nghệ.

  4. Làm thế nào để giảm lượng bụi bột phát sinh trong quá trình nghiền?
    Thiết kế buồng nghiền có diện tích sàng lớn, điều chỉnh khe hở phù hợp và lắp đặt hệ thống lọc bụi hiệu quả giúp giảm bụi bột và ô nhiễm môi trường.

  5. Ứng dụng thực tiễn của mô hình nghiên cứu này là gì?
    Mô hình đã được áp dụng thành công tại công ty Cổ phần Trà Bắc, nâng cao hiệu quả chế biến than đá xuất khẩu, đồng thời có thể nhân rộng cho các doanh nghiệp khác trong ngành.

Kết luận

  • Xây dựng thành công mô hình máy nghiền than đá MNTĐ – 2 với các thông số kỹ thuật tối ưu, đáp ứng yêu cầu công nghệ và môi trường.
  • Tỷ lệ cấu tử kích thước 0,6-8 mm đạt trên 90%, giảm bụi bột dưới 0,6 mm dưới 10%, nâng cao chất lượng sản phẩm.
  • Giảm chi phí điện năng riêng xuống khoảng 15-18 kWh/tấn, tăng hiệu quả kinh tế cho doanh nghiệp.
  • Mô hình và kết quả nghiên cứu đã được ứng dụng thực tế tại công ty Cổ phần Trà Bắc, góp phần nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm than đá xuất khẩu.
  • Đề xuất các giải pháp tối ưu vận tốc búa, khe hở sàng, hệ thống lọc bụi và đào tạo vận hành để duy trì hiệu quả sản xuất bền vững.

Hành động tiếp theo: Triển khai áp dụng mô hình tại các nhà máy chế biến than đá khác, đồng thời tiếp tục nghiên cứu cải tiến công nghệ nghiền để nâng cao hiệu quả và bảo vệ môi trường.