Chương 1. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG 1.1 Đặc điểm của thiết bị công nghệ 1.1 Phân loại công nghệ sản xuất xi măng Xi măng là một sản phẩm được tạo thành nhờ nghiền mịn hỗn hợp giữa clinker, thạch cao và phụ gia. Trong đó thạch cao và phụ gia (đá vôi, đá trắng, đá bazan.) là các vật liệu tự nhiên, riêng clinker là một sản phẩm trung gian được tạo ra từ một quá trình nung luyện một loại bột cấu thành từ các nguyên liệu thô gồm: Đá vôi, đá sét, cát silic và quặng sắt. Theo phương pháp gia công và nung luyện bột liệu để tạo ra clinker, người ta có thể áp dụng một trong 03 công nghệ sau đây: a) Công nghệ ướt: hỗn hợp bột nguyên liệu được khuấy/đồng nhất trong nước dưới dạng bùn lỏng trước khi đưa vào lò nung.
b) Công nghệ bán khô: hỗn hợp bột nguyên liệu được trộn ít nước và tạo thành dạng viên trước khi đưa vào lò nung. c) Công nghệ khô: hỗn hợp bột nguyên liệu được đồng nhất dưới dạng bột khô hoàn toàn trước khi đưa vào lò nung. Theo cấu tạo hệ thống nung clinker người ta áp dụng các loại lò sau đây: a) Lò ống dài công nghệ ướt. c) Lò ống dài công nghệ khô.
d) Lò ống làm nguội kiểu hành tinh. e) Lò ống có cyclon trao đổi nhiệt. f) Lò ống có tháp tiền nung và cyclon trao đổi nhiệt. Các kiểu lò nung c; d; e và f thuộc loại công nghệ khô.
9 Theo thứ tự từ trên xuống, suất tiêu hao nhiệt để sản xuất clinker của các kiểu lò nung giảm dần từ 1500 đến 700 kcal/kg-clinker và suất tiêu hao điện năng từ 90 đến 60 kWh/T-clinker. Trong những thập niên gần đây thường tập trung vào nghiên cứu và phát triển các thế hệ lò ống quay loại (e) và (f), vì chỉ có các hệ thống này mới cho phép tăng công suất của dây chuyền đồng thời giảm đáng kể suất tiêu hao năng lượng - một chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản để giảm giá thành sản xuất. Một dây chuyền sản xuất xi măng tiến tiến có tính năng kỹ thuật cơ bản như sau: • Công nghệ sản xuất khô với kiểu lò ống quay có buồng tiền nung và tháp trao đổi nhiệt nhiều tầng (5÷6 tầng). • Công suất từ 3.
• Thiết bị công nghệ thế hệ mới có ứng dụng nhiều kỹ thuật cơ nhiệt tiến tiến như: kỹ thuật tầng sôi trong hệ thống nung clinker, công nghệ nghiền trục đứng, công nghệ truyền động thuỷ lực, công nghệ điều chỉnh lưu lượng gió bằng thiết bị biến tần, công nghệ lọc bụi hiện đại. • Thiết bị điện lực và điều khiển sử dụng kỹ thuật vi xử lý để đo lường và điều khiển tự động ở mức độ cao.2 Mô tả sơ lược dây chuyền công nghệ Toàn bộ dây chuyền sản xuất xi măng điển hình có thể được phân chia làm 03 công đoạn lớn như Hình 1. Vận chuyển và nghiền nguyên liệu: Công đoạn này bao gồm tất cả các hệ thống thiết bị khai thác, tiếp nhận, vận chuyển, máy đập và kho chứa nguyên liệu thô, hệ thống thiết bị định lượng, đồng nhất các nguyên liệu thô (Gồm 02 nguyên liệu chính là đá vôi, sét và 02 hoặc 03 nguyên liệu phụ, trong số: cát silic, bô xit, quặng sắt hay phụ gia), cuối cùng là hệ thống máy nghiền hỗn hợp thành bột liệu mịn và đổ vào kho chứa - silô đồng nhất. Nung clinker: Công đoạn này chủ yếu thực hiện một quá trình nung luyện liên tục để biến đổi bột liệu thô thành clinker trong một hệ thống trao đổi nhiệt phức tạp bao gồm tháp trao đổi nhiệt nhiều tầng - lò nung - máy làm nguội clinker.
Đồng thời, để cấp nhiên liệu cho hệ thống nung, cần phải có một hệ thống nghiền than thành bột than mịn và phân phối than cho các vòi đốt. Nghiền xi măng và đóng bao: Đây là công đoạn cuối bao gồm hệ thống định lượng (Trộn hỗn hợp clinker, thạch cao, phụ gia xi măng), hệ thống máy nghiền xi măng, hệ thống vận chuyển sản phẩm đổ vào silô. Sản phẩm xi măng được phân phối theo các kênh vận chuyển xi măng rời hoặc qua hệ thống máy đóng bao và xuất xi măng bao tuỳ theo yêu cầu của khách hàng. Ranh giới giữa các công đoạn lớn là không gian tại các kho chứa nguyên vật liệu, silô.
Tại đây các nguyên liệu, bán thành phẩm hay sản phẩm được lưu trữ với khối lượng lớn (Hàng chục nghìn tấn) để phục vụ đủ cho một chu kỳ sản xuất nhất định (3÷5 ngày). Dung lượng lưu trữ tại các kho được tính toán nhằm đảm bảo cho toàn bộ dây chuyền vận hành liên tục ổn định ở công suất thiết kế với tổng thời gian vận hành đến khoảng 315 ngày/năm. Các công đoạn lớn hoạt động tương đối độc lập và có những yêu cầu khác biệt rõ rệt về vận hành và điều khiển. Từng công đoạn lớn được chia thành một số công đoạn nhỏ, tổ chức theo chức năng công nghệ cụ thể.
Các công đoạn sản xuất trong dây chuyền sản xuất xi măng điển hình được liệt kê trong Bảng 1-1. 11 A2 A1 A4 A3 A5 A6 A7 A: Vận chuyển nghiền liệu B1 B6 B2 B7 B3 B4 B5 B: Nung Clinker C1 C2 C3 C4 C7 C5 C6 C : Nghiền xi măng và đóng bao Hình 1.1:Sơ đồ nguyên lý dây chuyền sản xuất xi măng 12 STT Ký hiệu Tên công đoạn Chức năng cơ bản Thiết bị chính 1 A1 Khai thác Khai thác đá vôi, đá sét, cát Máy khai thác mỏ silic 2 A2 Đập nguyên Đá vôi, đá sét, thạch cao, phụ Các máy đập liệu gia 3 A3 Kho chứa Đồng nhất sơ bộ và chứa các Các máy rải và máy cào nguyên liệu nguyên liêu thô nguyên liệu 4 A4 Nhập nguyên Nhập nguyên liệu: thạch cao, Thiết bị bốc dỡ cảng biển hay vật liệu bôxit, quặng sắt, và nhiên đường bộ liệu: than, dầu MFO 5 A5 Định lượng Điều chỉnh tỷ lệ hỗn hợp Các cân băng định lượng nghiền thô nguyên liệu thô 6 A6 Máy nghiền Nghiền bột liệu thô Máy nghiền trục đứng, lọc bụi nguyên liệu tĩnh điện 7 A7 Xilô đồng nhất Đồng nhất và chứa bột liệu Máng khí động; sục khí nén và thô van tháo bột liệu 8 B1 Cấp liệu lò Điều chỉnh năng suất lò nung Két cân định lượng cấp liệu 9 B2 Tháp trao đổi Gia nhiệt cho bột liệu Cyclon 5 tầng và calciner nhiệt 10 B3 Lò nung Nung và tạo hạt clinker Lò quay, vòi đốt chính 11 B4 Làm nguội Làm nguội clinker Dàn ghi 3 cấp; quạt gió; lọc bụi Clinker tĩnh điện 12 B5 Xilô Clinker Chứa Clinker Gầu tải; các cửa tháo clinker 13 B6 Máy nghiền Nghiền than mịn Máy nghiền trục đứng; lọc bụi than than 14 B7 Cấp than mịn Định lượng than mịn cấp cho Két cân và van định lượng cấp các vòi đốt than 15 C1 Định lượng Điều chỉnh tỷ lệ hỗn hợp xi Các cân băng định lượng nghiền xi măng măng 16 C2 Máy nghiền sơ Nghiền Clinker Máy nghiền trục đứng bộ Clinker 17 C3 Máy nghiền xi Nghiền xi măng Máy nghiền bi; phân ly măng OSEPA; lọc bụi xi măng 18 C4 Silô xi măng Chứa xi măng Gầu tải; sục khí và các cửa tháo xi măng 19 C5 Đóng bao Đóng bao Các máy đóng bao 20 C6 Xuất xi măng Xuất xi măng bao Thiết bị xuất xi măng bao bao đường bộ và đường biển 21 C7 Xuất xi măng Xuất xi măng rời Thiết bị xuất xi măng rời rời đường bộ và đường biển Bảng 1.1: Các công đoạn sản xuất trong dây chuyền xi măng lò quay.3 Các đặc điểm cơ bản của dây chuyền công nghệ sản xuất • Tính phức tạp của công nghệ sản xuất: Dây chuyền sản xuất xi măng gồm nhiều công đoạn sản xuất cũng như phụ trợ. Trong đó, công đoạn sản xuất cơ bản nhất là công đoạn nung clinker, thiết bị ở đây thực hiện một quá trình trao đổi nhiệt liên tục. Quá trình biến đổi hoá học và cơ lý mạnh mẽ diễn ra trong một hệ thống thiết bị công nghệ khá phức tạp gồm nhiều tầng và nhiều khối chức năng hoạt động liên hoàn.
Các công đoạn nghiền nguyên liệu, nghiền than và nghiền xi măng là những hệ thống thiết bị có chu trình kín hoạt động tương đối độc lập. • Tiêu thụ năng lượng rất lớn: Các máy móc chính trong dây chuyền sản xuất xi măng thuộc loại công suất lớn và tiêu thụ năng lượng nhiều. Với công nghệ hiện đại, suất tiêu hao nhiệt năng trung bình khoảng 750kCal/tấn Clinker, suất tiêu hao điện năng cho nung clinker là 60 kWh/T-clinker và cho nghiền xi măng 35 kWh/tấn-xi măng. Một dây chuyền 6000T-clinker/ngày sẽ tiêu thụ than khoảng 500 T/ngày và 550MWh.
• Vận hành ở chế độ dài hạn: Hầu như tất cả các thiết bị máy móc công nghệ đều làm việc ở chế độ dài hạn trong 03 ca sản xuất. • Phân bố rộng và bao che kín: Các thiết bị công nghệ trong dây chuyền được ghép nối với nhau thành nhiều vòng bằng các đường ống gió công nghệ, thiết bị lọc bụi và hệ thống các thiết bị vận chuyển. Dây chuyền được lắp đặt trên một diện tích khá rộng (khoảng 500x1000m) và được bao che kín trong quá trình vận hành. Do vậy không cho phép quan sát bằng mắt thường quá trình biến đổi xảy ra bên trong các hệ thống thiết bị công nghệ chính.
• Tính biến động ngẫu nhiên của tham số công nghệ: Các tham số lý hoá của nguyên liệu thô dao động trong dải rộng, do phân bố tự nhiên của các vỉa/lớp và vị trí của các mỏ nguyên liệu là khác nhau, vì vậy chỉ có thể xác định được than số cụ thể sau khi đã khai thác. Đồng thời các tham số vận hành của thiết bị công nghệ cũng biến động liên tục trên dải rộng, phụ thuộc vào chế 14 độ vận hành, điều kiện thời tiết cụ thể. Các biến động tham số công nghệ này đều mang tính ngẫu nhiên. • Tính biến thiên chậm của tham số công nghệ: Các quá trình biến đổi tính chất cơ-lý-hoá trong các công đoạn sản xuất xi măng là những quá trình biến thiên chậm, hệ thống thiết bị công nghệ có công suất lớn và có quán tính rất lớn.
Trước hết, quá trình nung clinker là một quá trình trao đổi nhiệt và tiếp đến là các hệ thống nghiền, các hệ thống vận chuyển đều có tự trọng lớn và tải trọng lớn, nên thời gian phản ứng của từng hệ thống máy công tác khi điều chỉnh rất lớn. Tiếp theo, thời gian vận chuyển nguyên liệu và bán thành phẩm giữa các khâu gia công là khá lớn do các máy công tác bố trí ở các khoảng cách xa và độ cao lớn.