Đề tài Tính toán quá trình cháy của nhiên liệu than và thiết kế cấp phối trong sản xuất xi măng năng suất 1 triệu tấn / năm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU š&› BÁO CÁO MÔN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ 2 Đề Tài: Tính toán quá trình cháy của nhiên liệu than và thiết kế cấp phối trong sản xuất xi măng năng suất 1triệu tấn/năm GVHD: ThS. Lê Minh Sơn Danh sách nhóm 2 Nguyễn thị Ngọc Diễm 1510406 Nguyễn Trần Duẫn 1510420 Bùi Thị Tuyết Ngân 1512116 Nguyễn Thị Minh Thư 1513384 Ngày 15 tháng 11 năm 2017 Mục Lục Contents Mục lục hình: Hình 1.1 Sơ đồ quy trình sản xuất xi măng bằng phương pháp khô 5 Hình 1.2 Lò quay phương pháp khô 6 Mục lục bảng Bảng 1.1 Diễn biến quá trình hóa lý khi nung luyện ...6 Bảng 4.1 Thành phần hóa học của than cám 3 (II-96) 13 Bảng 4.2 Chuyển thành phần hóa của than cám 3 về 100% 13 Bảng 4.3 Thành phần làm việc của than 14 Bảng 4.4 Thành phần hóa học của tro than . (II-97) 14 Bảng 4.5 Cân bằng vật chất quá trình cháy 100kg than với α = 1,15 15 Bảng 5.1 Thành phần hóa của hai nguyên liệu chính 100% 17 Bảng 5. 2 Bảng quy đổi về nguyên liệu khô chưa nung 100% 17 Bảng 5.3 Thành phần cấu tử điều chỉnh (nguyên liệu khô chưa nung 100%) 18 Bảng 5.4 Thành phần hóa học của tro than . 18 Bảng 5.5 Nguyên liệu khô đã nung 100% 19 Bảng 5.6 Các modun, hệ số 19 Bảng 7.1 Tiêu chuẩn xi măng PCB40 của Việt Nam 25 Bảng 9.1 Tổng hợp tiêu hao nguyên, nhiên, vật liệu 1 tấn clinker 29 1.Tổng quan 1.1. Giới thiệu sơ lược về xi măng Poóc Lăng (XMP) + Xi măng Pooc lăng (XMP): Là sản phẩm nghiền mịn của hỗn hợp gồm clinker XMP và thạch cao ( CaSO4.2H2O) (3¸5%).Ngoài ra có thể có phụ gia công nghệ ( phụ gia trợ nghiền , phụ gia bảo quản). + Xi măng Pooc lăng hỗn hợp (PCB): Là sản phẩm nghiền mịn của hỗn hợp gồm Clinker XMP , thạch cao (3¸5%) và phụ gia hỗn hợp (<40%). Trong đó , phụ gia đầy không vượt quá 20%. Ngoài ra có thể còn có phụ gia công nghệ. + Clinker XMP: Là sản phẩm thu được sau khi nung đến kết khối hỗn hợp nguyên liệu chủ yếu là đá vôi và đất sét . Trong sản phẩm này , khoáng chính là các khoáng silicat canxi có độ bazơ cao. 1.2. Quy trình sản xuất XMP Hình 1.1 Sơ đồ quy trình sản xuất xi măng bằng phương pháp khô Nguyên liệu đá vôi, đất sét và quặng sắt được các bin tiếp liệu đưa vào nghiền trong máy nghiền đứng, nghiền khô. Bột phối liệu mịn được đưa vào silo đồng nhất. Bột phối liệu khô có mức đồng nhất đạt yêu cầu được bơm khí nén chuyển vào lò nung. Do phối liệu khô, lò nung có cấu tạo hai phần: phần thiết bị trao đổi nhiệt kiểu treo và phần lò quay. Than đá được nghiền bằng máy nhiền phun cháy trong lò theo chiều ngược với chiều Chuyển vận của bột phối liệu. Khói lò có thể qua tháp làm nguội, vào thiết bị lọc bụi tĩnh điện, rồi thải ra ngoài theo ống khói. Một phần khói lò được dẫn vào máy nghiền để sấy than. Làm nguội clinker bằng thiết bị làm nguội kiểu ghi, sau đó chứa trong silo. Từ đây, có thể xuất clinker trực tiếp theo hệ thống vận tải, hoặc nghiền với các phụ gia và thạch cao thành xi măng chứa trong các silo. 1.3. Sơ lược về phương pháp khô lò quay trong sản xuất xi măng : Hình 1.2 Lò quay phương pháp khô 1.3.1.Phương pháp khô với thiết bị lò quay Nhằm tăng hiệu quả trao đổi nhiệt ở mức cao nhất trong lò quay nung Clinker XMP. Các quá trình biến đổi hóa lý của phối liệu khô ( độ ẩm <1%) xảy ra chủ yếu ở pha rắn (sấy, đốt nóng , phân hủy cacbonat canxi ) được thực hiện trong những thiết bị đặc biệt gọi là hệ thống trao đổi nhiệt kiểu treo .Phần phản ứng pha lỏng ( tạo pha lỏng , kết khối tạo Clinker , làm nguội ) thực hiện nốt trong phần lò quay. Nhược điểm : Trước đây , chất lượng có thấp hơn phương pháp ướt. Ưu điểm : Lò quay được giảm bớt chiều dài ( còn 60-80m), năng lượng tiết kiệm hơn nhiều so với nung Clinker bằng phương pháp ướt . Vấn đề môi trường cũng được xem là dễ giải quyết hơn. 1.3.2. Cấu tạo lò quay phương pháp khô Lò quay được chia làm 3 khu vực chính: Phần đầu lò: tạo khoáng C2S, C3A, C4AF Phần giữa lò : tạo khoáng C3S Phần cuối lò : làm nguội . 1.3.3. Qúa trình hóa lý khi nung luyện Bảng 1.1 Diễn biến quá trình hóa lý khi nung luyện Nhiệt độ Qúa trình Phản ứng < 1000C Tách nước tự do H2OL ® H2Oh 100 ¸ 4000 C Bay hơi nước hấp phụ H2OL ® H2Oh 400 ¸ 7500 C Mất nước hóa học ( Phân hủy Caolinit) AS2H2 ® AS2 + 2Hh ­ 600 ¸ 9000 C Phân hủy MêtaCaolinit AS2 ® AS + S Hoặc AS2 ® A + 2S 600 ¸ 10000 C Phân hủy đá vôi ,tạo khoáng CS , CA CaCO3 ® CaO + CO2 ­ C + S ® CS C+ F ® CF C + A ® CA 800 ¸ 13000 C Tạo khoáng C2S, C3A, C4AF CA + 2C ® C3A CS + C ® C2S C3A + CF ® C4AF 1250 ¸ 14500C Tạo khoáng C3S C2S + Ctd ® C3S Trong hệ thống lò cũng diễn ra đủ tất cả các quá trình trên: Tại cyclone tầng 1 : Mất nước lý học. Tại cyclone tầng 2,3:Phân hủy Caolinit Tại cyclone tầng 4,5 : Phân hủy một phần đá vôi (<15%) Phối liệu ở Cylone tầng 4 vào Calciner , sau đó vào Cylone tầng 5 rồi được đưa vào lò quay . Vật liệu Canxi hóa tới 90-95% trước khi vào lò. Có một lượng nhỏ khoáng đã tạo ra trong calciner và cyclone tầng 5 . Tại Calciner , 80% đá vôi được phân hủy ,sau đó bột liệu phân hủy nốt trong lò và xảy ra quá trình tạo khoáng . 1.4. Quá trình cháy của nhiên liệu than 1.4.1. Mục đích Mục đích tính quá trình cháy nhiên liệu là xác định lượng nhiệt trị, lượng không khí cần thiết để cháy nhiên liệu, lượng sản phẩm cháy, thành phần của nó và nhiệt độ cháy. Trong nhiều trường hợp lò yêu cầu đạt nhiệt độ cao khi nhiên liệu lại có nhiệt trị thấp thì lò không thể hoạt động được. Cũng có trường hợp nhiên liệu có nhiệt trị cao nhưng lò lại yêu cầu nhiệt độ quá cao 1700-1800℃ thì lò cũng khó đạt đến nhiệt độ yêu cầu. Vì vậy nếu nhiệt độ cháy của nhiên liệu không đạt được nhiệt độ nung của lò, thì ta phải xác định nhiệt độ cần thiết phải nung nóng sơ bộ không khí hoặc cả nhiên liệu khí trước khi vào cháy nhiên liệu. Trên cơ sở đó mà quyết định hay lựa chọn thiết bị đốt nóng không khí hoặc nhiên liệu khí đó. Lượng không khí cần thiết để cháy nhiên liệu và lượng khí thải hay sản phẩm cháy được xác định trên cơ sở cân bằng vật chất của quá trình cháy nhiên liệu. Nhiệt độ cháy nhiên liệu xác định trên cơ sở cân bằng nhiệt, bao gồm nhiệt của nhiên liệu, không khí mang vào và nhiệt của các sản phẩm cháy tạo thành. Khi tính toán cần phân biệt sản phẩm cháy và khói lò. Thông thường khi tính toán thì sản phẩm cháy là những khí tạo ra do quá trình cháy trong phạm vi buồng cháy của lò nhằm đạt được nhiệt độ yêu cầu của công nghệ nung. Để đạt được nhiệt độ này, nhiên liệu cần được đốt cháy với lượng không khí dư nhỏ nhất có thể có. Hệ số này tùy thuộc vào từng loại lò và nhiệt độ cần có. Khói lò có lưu lượng lớn hơn nhiều so với sản phẩm cháy torng khu vực của lò. Có hai nguyên nhân làm lưu lượng khói lò tăng lên đó là không khí lọt vào lò và khí CO2 và H2O sản sinh từ vật liệu nung. Nhằm đạt nhiệt độ cao trong vùng nung ta dùng hệ số không khí dư nhỏ. Khi khí thoát ra khỏi lò nung có nhiệt độ rất cao nên ta phải tìm cách hạ nhiệt bằng cách pha thêm không khí lạnh vào. Như vậy hệ số không khí dư của khói lò sẽ tăng lên rất nhiều so với yêu cầu của vùng nung. Trong trương hợp sử dụng hàm nhiệt của sản phẩm cháy để gai nhiệt sơ bộ vật liệu nung thì trên đường đi của sản phẩm cháy không khí sẽ lọt vào lò và làm tăng hệ số không khí dư. Vật liệu nung như gốm sứ được nung nóng và sẽ phân hủy khoáng sét cũng như bay hơi do độ ẩm nên trong khói lò thải ra không khí có kèm theo những hơi nước này. Khi nấu thủy tinh từ phối liệu soda thì khói lò còn có thêm CO2 phân hủy từ soda và độ ẩm của phối liệu. Khi nung clinker xi măng thì ngoài độ ẩm của phối liệu còn có CO2 do phân hủy từ đá vôi. Do phối liệu nung clinker xi măng chứa gần 80% đá vôi nê để sản xuất 1kg clinker xi măng theo phương pháp khô sẽ thải ra từ phối liệu gân 0,5kg CO2 và khoảng 0,01kg hơi nước. Vì vậy mà khói của lò quay nung clinker xi măng sẽ rất lớn mặc dù để sản xuất 1kg clinker chỉ dùng khoảng 0,10 – 0,12kg than. 1.4.2. Quy ước trong tính toán Quá trình cháy trong tính toán không phụ thuộc vào lượng nhiên liệu dùng vì lượng không khí cần thiết và thể tích sản phẩm cháy tạo ra khi cháy nhiên liệu được xác định theo một đơn vị khối lượng hoặc thể tích của nhiên liệu và biểu thị bằng Nm3/kg ( mét khối tiêu chuẩn trên kg nhiên liệu) hoặc Nm3/Nm3 (mét khối tiêu chuẩn trên mét khối tiêu chuẩn nhiên liệu). Từ đây ta quy ước đơn vị mét khối trong tính toán đều là mét khối chuẩn m3 (thay cho Nm3 viết dài). Nhiệt độ cháy nhiên liệu -nhiệt độ lý thuyết cực đại có thể có, được xác định theo toàn bộ hàm nhiệt của khói lò. Nhiệt độ này cũng không phụ thuộc vào lượng nhiên liệu cháy trong một đơn vị thời gian và xác định với độ chính xác cao. Mỗi trường hợp tính toán cần phải liên hệ đến những điều kiện thực tế cháy nhiên liệu và những đặc điểm của thiết bị nhiệt. Trên cơ sở thực tế đó chúng ta lấy hệ số không khí dư cho phù hợp để cháy nhiên liệu. Nhiệt độ thực tế hay nhiệt độ tác dụng của khói lò phụ thuộc vào rất nhiều nhân tố khác nhau và rất khó tính toán. Khi tính toán quá trình cháy của nhiên liệu ta sử dụng đơn vị chuẩn, tức thể tích khí ứng với 0℃ và áp suất 1atm và ký hiệu Nm3, thể tích Vo, tốc độ Wo. Song để đơn giản các ký hiệu thể tích V, đơn vị m hay m3 đều hiểu là ở dạng chuẩn khi tính toán hoặc viết tay trong các công thức. Nhiệm vụ đầu tiên khi tính toán quá trình cháy của nhiên liệu là phải xác định thành phần làm việc của nhiên liệu, sau đó xác định nhiệt trị của nó theo các công thức đã cho. Trong thành phần làm việc sẽ có lượng hơi ẩm của nhiên liệu rắn hoặc lượng hơi ẩm ở trạng thái cân bằng của nhiên liệu khí. 2. Nhiên liệu sản xuất clinker XMP: Trong công nghiệp sản xuất xi măng, người ta có thể dùng các dạng nhiên liệu: Rắn: than đá, than nâu, than mỡ, than cốc (cho xi măng lò đứng), vỏ xe phế thải. Lỏng: các loại dầu, chủ yếu là dầu mazut, Khí: khí tự nhiên (hiện chưa được sử dụng ở Việt Nam). Việc sử dụng loại nhiêu liệu nào trên thực tế phụ thuộc vào điều kiện cụ thể, quan trọng nhất là yếu tố kinh tế (giá thành). Trong điều kiện Việt Nam hiện nay, than là nhiên liệu quan trọng nhất trong cộng nghiệp sản xuất xi măng Pooclang (XMP). Các chỉ tiêu kỹ thuật thông thường dùng để đánh giá nhiên liệu: nhiệt trị, hàm lượng chất bốc, tro, nhiệt độ lửa. 2.1. Nhiên liệu than: Than đá là nhiên liệu rắn chủ yếu dùng trong công nghệ sản xuất XMP, do ưu thế về giá thành, lưu trữ và vận chuyển đơn giản so với những dạng nhiệu liệu khác. Ngoài ra, trong những hoàn cảnh cụ thể như vấn đề môi trường, tiết kiệm năng lượng, có thể dùng những nhiên liệu rắn khác như vỏ ruột ô tô phế thải. Khi đó, phần đốt nhiên liệu có thiết kế riêng. Thành phần hóa của than: Thành phần hóa của than đá gồm các chất hữu cơ và vô cơ, ngoài ra lượng ẩm 2-15% Cacbon (C), hidro (H), lưu huỳnh (S) là những thành phần cháy được trong than, Thành phần các chất cháy được trong nhiên liệu càng cao thì nhiệt tỏa ra khi cháy càng nhiều. Tuy nhiên, khi đánh giá chất lượng nhiên liệu, người ta thường dựa vào thành phần C và H, còn S là thành phần không mong muốn trong nhiên liệu. Thành phần hóa của nhiên liệu rắn thường không ổn định so với nhiên liệu dạng lỏng và khí. Tro và ẩm trong nhiên liệu hoàn toàn không tham gia vào quá trình cháy. Tuy nhiên, cần chú ý lượng ẩm bay hơi chỉ có tác dụng vật lí, còn tro sẽ lưu lại trong thành phần clinker. Thành phần hóa của tro than trong khoảng: Al2O3: 15-20% SiO2: 20-40% Fe2O3: 20-45% CaO: 1-5% MgO: 0,5-1% SO3:2-8% Clorit: 0,01-0,1% Florit: < 0,02% Tro than làm thành phần clinker không ổn định, giảm chất lượng. 2.2. Nhiên liệu lỏng Trong công nghệ sản xuất XMP: Phổ biến nhất là mazút và chất thải lỏng từ công nghệ lọc dầu. Có thể dung nhiên liệu lỏng chung nhiên liệu than (với lượng hạn chế hoặc tận dụng nhiên liệu thải từ sản xuất sản phẩm khác. Mazút được dự trữ trong những bể chứa lớn. Để phun vào lò cần đốt nóng sơ bộ từ 50-110℃ bằng các thiết bị nồi hơi đặc biệt hoặc đốt nóng bằng lò điện trở, nhằm giảm độ nhớt dầu, lọc loại bỏ những tạp chất thô trước khi bơm với áp lực cao vào lò nung clinker. 2.3. Nhiên liệu khí Phổ biến nhất là khí tự nhiên: Thành phần chính là mêtan CH4 và etan C2H6 (các khí propan, butan, pentan...không đáng kể). Thành phần có thể có H2S và khí trơ như Nito (N2), heli (He) và khí CO2, tổng thành phần có thể tới 10%. Nhiệt trị khí tự nhiên cao, 8000-10000kcal/kg. 3. Nguyên liệu sản xuất clinker XMP: Nguyên liệu tự nhiên: Đá vôi (Limestone) CaCO3→ CaO Đất sét (Clay) Al2O3.nSiO2.mH2O→ Al2O3 + SiO2 Quặng sắt (Iron ore) → Fe2O3 Thường quan tâm chủ yếu tới thành phần hóa và thành phần hạt, hầu như không quan tâm tới thành phần khoáng của các nguyên liệu chính dùng nung luyện clinker XMP: do trong quá trình nung luyện clinker, bột phối liệu được nung tới nóng chảy một phần rồi kết tinh tạo các khoáng cần thiết của clinker như C3S, C2S, C3A và C4AF (kết khối với lượng pha lỏng lớn 15-25%) 3.1. Đá vôi Đá vôi là loại một loại đá trầm tích, về thành phần hóa học chủ yếu là khoáng vật canxit  và anragonit  (các dạng kết tinh khác nhau của cacbonat can xi CaCO3). Đá vôi có nhiệm vụ cung cấp CaO. Bởi vì đây là oxit có hàm lượng cao nhất trong clinker XMP, nên thành phần hóa của nguyên liệu cung cấp CaO đóng vai trò quyết định tới việc lựa chọn công nghệ. Đá vôi thường được khai thạc từ các mỏ lộ thiên, rất hiếm khi khai thác ở mỏ hầm Đá thường được đập sơ bộ tại mỏ bằng các máy đập búa hoặc máy đập hàm cỡ lớn. Đá cục được vận chuyển về nhà máy bằng xe goong, oto,..Nếu vị trí nhà máy gần mỏ đá có thể vận chuyển bằng băng tải. Đá vôi thường được nghiền thô tới cỡ hạt 5-25mm có thể phối liệu để nghiền mịn tiếp. Tùy thuộc vào tỉ lệ đá vôi- đất sét trong đá có thể có những tên gọi trung gian khác nhau. Ví dụ: Đá vôi có hàm lượng CaCO3: 96-100% Đá vôi lẫn đất có hàm lượng CaCO3: 90-96% Đá vôi lẫn nhiều đất có hàm lượng CaCO3: 75-90% Đá lẫn đất có hàm lượng CaCO3: 40-75% Đất sét lẫn đá có hàm lượng CaCO3: 10-40% Đất sét có hàm lượng CaCO3: 0-4% Đá lẫn đất được coi là nguyên liệu tốt nhất để sản xuất XMP, bởi trong đá tự nhiên đã có sự trộn lẫn đá vôi- đất sét, có tác dụng phản ứng xảy ra nhanh chóng sau này. 3.2. Đất sét Đất sét là nguyên liệu mịn (phần lớn hạt nhỏ hơn 10mm). Gia công cơ học chủ yếu là nghiền trục để phá vỡ cục lớn (phương pháp khô) hoặc cho nước vào khuấy trộn thành bùn sệt (phương pháp ướt). Khai thác đất sét trong các mỏ hoặc ngầm dưới sông. Đất sét cung cấp đồng thời SiO2, Al2O3 và Fe2O3 Yêu cầu thành phần hóa của đất sét như sau: SiO2 > 50% Al2O3 <20% Fe2O3 : 7-10% SO3 <1% R2O <1% 3.3. Phụ gia Phụ gia là những nguyên liệu khác nhằm cải thiện một tính chất nào đó của xi măng. Tùy thuộc vai trò trong XM, có những loại phụ gia khác nhau: Phụ gia hiệu chỉnh thành phần: cát, boxit, Phụ gia giảm tốc độ đóng rắn: thạch cao. Phụ gia hoạt tính thủy lực: puzolan, các loại đất đá núi lửa, Phụ gia xỉ lò cao Phụ gia đầy: bột đá vôi, bột đá. 3.3.1.Quặng sắt Là phụ gia hiệu chỉnh thành phần Là nguyên liệu không thể thiếu cung cấp Fe2O3 nhằm tạo pha lỏng cần thiết cho quá trình nung luyện clinker và tạo khóa C4AF cho XMP. Quặng pirit sắt FeS2, xỉ sắt (hàm lượng Fe2O3 62-87%). FeS2 chứa S tạo SO2 khi nung luyện là hạn chế của nguyên liệu này. Boxit (hàm lượng Fe2O3 khoảng 20%) Những loại đất đá có hàm lượng sắt cao như Latorit, đất đỏ (đá đỏ Hà Tiên II khai thác từ Long Bình có hàm lượng Fe2O3 trên 30%, Al2O3 trên 18%). 3.3.2. Điatomite Là phụ gia hoạt tính thủy lực Là đá trầm tích với thành phần chủ yếu là silic oxit. Nó còn có tên khác là kizengua hay đất tạo silic,.. Ứng dụng: Làm chất lọc, tẩy rửa trong công nghệ sản xuất bia, rượu, nước giải khát, dầu... Dùng trong nuôi trồng thuỷ sản; Làm chất phụ gia thuỷ lực cho ximăng; Làm nguyên liệu cho sản xuất vật liệu cách nhiệt,... 4. Tính quá trình cháy nhiên liệu Độ ẩm làm việc W = 1% , hệ số không khí dư α = 1,15. Nhiệt độ không khí 2 (gió 2 của lò quay là 70% lượng không khí cần để cháy than) bằng 400°C . Lượng không khí 1(theo vòi đốt hay ống phun than) chiếm 30% ở nhiệt độ thường. Bảng 4.1 Thành phần hóa học của than cám 3 (II-96) Than W A S C H O N V Cám 3 7 14 2 72 1,4 1,5 0,8 8 98,7 Bảng 4.2 Chuyển thành phần hóa của than cám 3 về 100% Than W A S C H N O Cám 3 7,092 14,184 2,026 72,948 1,419 0,811 1,520 100 Hệ số sử dụng của than: Bảng 4.3 Thành phần làm việc của than Than Cám 3 1 15,12 2,15 1,62 77,763 1,512 0,835 100 Bảng 4.4 Thành phần hóa học của tro than . (II-97) Tro S A F C M CK Cám 3 60,32 27,12 4,99 6,58 0,79 0,2 100 : Nhiệt sinh thấp của than, Kcal/kg than. Qtl=81Cl+246Hl-26Ol-Sl-6Wl = 81.77,763 + 246.1,512 - 261,62-2,15 -6.1 = 6678,535 (Kcal/kg) = 27998,39 (Kj/Kg) + Lượng không khí khô lý thuyết: Lo=0,0889Cl+0,255Hl-0,333Ol-Sl = 0,0889.77,763+0,255.1,512-0,0333(1,62 - 2,15) = 7,316 (mtc3/kg) Khi α=1,15 (hệ số không khí d của lò) : + Lượng không khí ẩm: Lo'=1+0,0016dLo=1+0,0016.167,316=7,3277 (mtc3/kg) (hàm ẩm của không khí d = 1620 (g/kgKKK). Cho d = 16 g/kgKKK) + Lượng không khí thực tế để cháy nhiên liệu: Không khí khô: Lα=αLo=1,15.7,316=8,4134 (mtc3/kg) Không khí ẩm: Lα' = (1+0,0016d)Lα = (1+0,0016.16).8,4134 = 8,6288 (mtc3/kg) + Lượng hơi nước không khí mang vào : H2Okk= Lα'- Lα = 8,6288 – 8,4134 = 0,2154 (mtc3/kg) +Thể tích của sản phẩm cháy: VCO2=0,01855Cl=0,01855.77,763=1,4425 (mtc3/kg) VSO2=0,007.Sl=0,007.2,15=0,01505 (mtc3/kg) VH2O=0,112Hl+0,0124Wl + H2Okk = 0,112.1,512 + 0,0124.1+ 0,2154 = 0,3971 (mtc3/kg) VN2=0,79Lα+0,008NL = 0,79.8,4134 + 0,008.0,835 = 6,6533 (mtc3/kg) VO2=0,21(α-1)LO = 0,21(1,15 - 1). 7,316=0,2305 (mtc3/kg) Ta có : = 1,4425+ 0,3971+ 0,01505 + 6,6533+0,2305 = 8,7385 (mtc3/kg) + Thành phần của sản phẩm cháy: %CO2=VCO2Vα .100% = 1,44258,7385.100% = 16,507% %H2O=VH2OVα .100% = 0,39718,7385.100% = 4,5443% %SO2=VSO2Vα .100% = 0,015058,7385.100% = 0,1722% %N2=VN2Vα .100% = 6,65338,7385.100% = 76,1378% %O2=VO2Vα .100% = 0,23058,7385.100% = 2,6378% Tổng 100%. Bảng 4.5 Cân bằng vật chất quá trình cháy 100kg than với α = 1,15 Lượng vào Kg Lượng ra Kg Nhiên liệu Không khí O2=100. 8,4134.0,21.1,429 N2=100. 8,4134.0,79.1,251 H2O=0,16.16.8,4134.0,804 100 252,48 831,49 17,32 Tro Sản phẩm cháy CO2= 100.1,4425.1,977 SO2= 100.0,015.2,852 H2O=100.0,3971.0,804 N2=100.6,6533.1,251 O2=100.0,2305.1,429 Lệch 15,12 285,18 4,28 31,93 832,33 32,940,0,49 Tổng 1201,29 Tổng 1201,29 Mức chênh lệch: 100.0,491201,29= 0,041% Xác định nhiệt độ cháy thực tế: Ta chọn nhiệt độ không khí 2 (gió 2 của lò quay là 70% lượng không khí cần để cháy than) bằng 400°C . Lượng không khí 1(theo vòi đốt hay ống phun than) chiếm 30% ở nhiệt độ thường. Từ giản đồ i-t ta tìm được hàm nhiệt của không khí ở 400℃ bằng ikk=535,9kj/Nm3. Vì vậy hàm nhiệt của sản phẩm cháy sẽ bằng: i = QtlVα + 0,7. Lα'.ikkVα = 27998,398,7385 + 0,7 . 8,6288.535,98,7385 = 3574,45 (Kj/Nm3) = 853,71 (Kcal/Nm3) Hàm nhiệt của sản phẩm cháy khi hệ số η=0,75 sẽ bằng: i’ = i. η =3574,45.0,75 = 2680,84 (Kj/Nm3) = 640,28 (Kcal/Kg) Theo giản đồ i-t ta tìm được nhiệt độ cháy thực tế ttt= 1580℃. 5. Thiết kế cấp phối trong quá trình sản xuất xi măng 5.1. Chọn mo đun hệ số 5.1.1. Một số ký hiệu, quy ước: S=SiO2 M=MgO F=Fe2O3 A=Al2O3 C=CaO K=K2O N=Na2O S=SO3 CK= chất khác R=R2O MKN= mất khi nung Nguyên liệu chưa nung i : Sio, Aio, Fio, Cio=100% Nguyên liệu đã nung i : Sik, Aik, Fik, Cik=100% Phối liệu : S0, A0, F0, C0=100% Clinker: Sk, Ak, Fk, Ck=100% Với i=1 ( 1÷ số nguyên liệu) 5.1.2. Các modun, hệ số đặc trưng cho thành phần clinker + Hệ số bão hòa vôi KH theo Kind (hệ số bão hòa): Thông thường KH= 0.82-0.95 + Hệ số bão hòa vôi LSF LSF trong giới hạn: 90÷97. + Mô đun Silicat (hoặc có thể ký hiệu là n, thường MS = 1,9– 3,2) tốt nhất là MS trong giới hạn2,2 – 2,6. + Mô đun nhôm (hoặc có thể ký hiệu là p, thường MA = 1,5 – 2,5) Modul MA còn giàu trữ lượng pha lỏng trong clinker. Để phối liệu vừa đảm bảo thành phần hóa , vừa đảm bảo thành phần khoáng của clinker sau nung, vừa đảm bảo lượng pha lỏng phù hợp cho việc tạo khoáng chính. Chọn LSF=95, p=1,55, n=2,5. 5.2. Chọn số nguyên liệu 5.2.1. Nguyên liệu Nguyên liệu chính để sản xuất clinker XMP là đá vôi và đất sét. Chúng có thành phần chính như sau : Bảng 5.1 Thành phần hóa của hai nguyên liệu chính 100% Nguyên liệu S A F C M R SO3 CK MKN Đá vôi 2,66 0,82 0.44 52,78 0,49 0,07 0,01 1,19 41,59 100,05 Đất sét 59,92 17,18 5,67 4,20 0,85 1,79 1,11 0,56 8,72 100 Bảng 5. 2 Bảng quy đổi về nguyên liệu khô chưa nung 100% Nguyên liệu S A F C M R SO3 CK MKN Đá vôi 2,66 0,82 0,44 52,75 0,49 0,07 0,01 1,19 41,57 100 Đất sét 59,92 17,18 5,67 4,20 0,85 1,79 1,11 0,56 8,72 100 Ta có: MSđv= 2.660,82+0,44 = 2,111 MAđv= 0,820,44 = 1,864 MSđs = 59,9217,18+5,67 = 2,622 MAđs = 17,185,67 = 3,03 Nhận thấy các mô đun MA, Ms của đá vôi và đất sét đều nằm ngoài giới hạn của các mô đun đối với lò quay phương pháp khô. MA = 1,5÷2,5 MS = 2,2 ÷2,6 Ta bổ sung thêm quặng sắt để giảm alumin . Khi cố định alumin P = MAđs= 1,55 = AF+∆F Suy ra : ∆F = A1,55 – F Trên ta đã có: AF=3,03 nên ta suy ra ∆F = 3,03F1,55 – F = 0,955F Khi đó MSđs= SA+F+0,955F = 59,9217,18+5,67+0,955.5,67 = 2,121 MSđs=2,121<2,5 do đó ta phải bổ sung cả diatomit để tăng hàm lượng SiO2. Bảng 5.3 Thành phần cấu tử điều chỉnh (nguyên liệu khô chưa nung 100%) Nguyên liệu Sio Aio Fio Cio CKi0 MKNi0 W Quặng sắt 19,5 4,03 65,26 3,08 5,44 2,69 4 100 Diatomit 81,04 7,00 2,14 3,45 1,01 5,36 2 100 5.2.2. Nhiên liệu Sử dụng 100% altracite_loại cám 3. Bảng 5.4 Thành phần hóa học của tro than . Than S A F C M CK Cám 3 60,32 27,12 4,99 6,58 0,79 0,2 100 Vậy ta sẽ chọn bài phối liệu 4 cấu tử có lẫn tro than. 5.3.Quy về nguyên liệu khô đã nung 100% và tính lượng tro trong clinker 5.3.1.Nguyên liệu khô đã nung 100% và các modun, hệ số: Hệ số chuyển đổi: k0 = Bảng 5.5 Nguyên liệu khô đã nung 100% Nguyên liệu Sik Aik Fik Cik Mik Rik Sik CKik Đá vôi 4,55 1,4 0,75 90,28 0,84 0,12 0,02 2,04 Đất sét 65,64 18,82 6,21 4,61 0,93 1,96 1,22 0,61 Quặng sắt 20,04 4,14 67,06 3,17 - - - 5,59 Diatomit 85,63 7,40 2,26 3,65 - - - 1,07 Than 60,32 27,12 4,99 6,58 0,79 - - 100 Bảng 5.6 Các modun, hệ số Nguyên liệu Các hệ số Ban đầu kH MA MS Đá vôi a 1.00 76,144 0,24 -0,816 Đất sét b 1.00 -195,367 9,193 3,006 Quặng sắt c 1.00 -96,219 -102,81 -158,889 Diatomit d 1.00 -233,385 3,887 61,495 Than e 0.98 -200.37 19.39 -19.96 5.3.2. Lượng tro trong clinker t% = n.A.B.100% Trong đó: n : hệ số lắng tro trong clinker. Chọn n = 100%. A : độ tro của than. A = 15,12% B : lượng than tiêu tốn cho 1 kg clinker, kg/kgCL. Ta có : B = qQtl Với q : nhiệt tiêu tốn để nung 1 kg clinker. Chọn q = 730 kcal/kgCl. Qtl: nhiệt sinh thấp của than, kcal/kg than. Qtl = 81Cl + 246Hl – 26(Ol - Sl) - 6Wl = 81.77,763+246.1,512 – 26.(1,62-2,15) – 6,1 = 6678,535 ( kg/kgthan) Suy ra: B = 7306678,535 = 0,109 (kg/kgCL) Vậy, t% = 1.0,1512.0,109.100% =  1,648% 5.4. Dựng và giải hệ phương trình: Gọi x1, x2, x3, x4 lần lượt là tỉ lệ của đá vôi , đất sét, quặng sắt, diatomit trong clinker. Ngoài ra, xtro = t% = 1.648% Ta có: x1 + x2 + x3 + x4 + xtro = 100 Thay số liệu ở bảng 5.6 vào các phương trình sau: Ta được hệ sau: Giải hệ bằng phương pháp Gauss ta có: x1 = 72,0012% x3 = 2,29176% xtro = 1,648% x2 = 17,5049% x4 = 6,65414 5.5. Tính kiểm tra 5.5.1 Tính kiểm tra thành phần hóa clinker = 21,8319% = 5,3286% =3,3943% =66,2401%  = 1,7771% 5.5.2. Tính kiểm tra các modun, hệ số: 5.5.3. Tính kiểm tra thành phần khoáng của clinker: C3S = 4,072.Ck – 7,602.Sk – 6,723Ak – 1,433.Fk = 4,07.66,2401 – 7,6.21,8319 – 6,72.5,3286 – 1,42.3,3943 = 63,047% C2S = 8,6.Sk + 5,07.Ak + 1,07Fk – 3,07.Ck = 8,6.21,8319 + 5,07.5,3286 + 1,07.3,3943 – 3,07.66,2401 = 15,045% C3A = 2,65.Ak – 1,7.Fk = 2,65.5,3286 – 1,7.3,3943 = 8,350% C4AF = 3,04.Fk = 3,04.3,3943 = 10,3187% Tổng 4 khoáng chính = 63,047 + 15,045 + 8,350 + 10,3187 = 96,7607% 5.5.4. Hàm lượng pha lỏng nóng chảy: + Tính theo thành phần khoáng: L% = 1,12C3A + 1,35.C4AF = 1,12.8.350 + 1,35.10,3187 = 23,2822% + Tính theo thành phần hóa: L1450 = 3.Ak + 2,25Fk + Mk + Rk = 3.5,3286 + 2,25.3,3943 + 0,7738 + 0,4392 = 24,836% 5.6. Tính thành phần hóa phối liệu, thành phần đóng góp của nguyên liệu trong phối liệu và tít phối liệu: 5.6.1. Phần đóng góp của nguyên liệu trong phối liệu + Đá vôi: + Đất sét + Điatomit + Quặng sắt 5.6.2. Thành phần hóa của phối liệu 5.6.3. Tính tít phối liệu T = 1,785.C0 + 2,09.M0 = 1,785.43,590 + 2,09.0,506 = 78,886% 6. Nhận xét Các kết quả tính toán cho thấy các mo đun, hệ số ta chọn ban đầu là phù hợp Hàm lượng C3S sau khi nung phối liệu tạo clinker là cao (63,047%) có thể đảm bảo cho xi măng có cường độ yêu cầu (mác 40) nhưng cũng làm cho quá trình nung luyện khó khan hơn Bài phối liệu có đưa tro than vào nhưng số phương trình không đổi. Vế trái không đổi nhưng vế phải thay đổi. Mặc dù vậy, các thông số của tro than đưa vào đều tính được ngay nên hệ vẫn giải bình thường bằng phương pháp Gauss. Hàm lượng pha lỏng L = 24,836% là phù hợp cho quá trình tạo khoáng diễn ra theo yêu cầu. Tít phố liệu T = 78,886% là phù hợp. 7. Tính cường độ của clinker Giả sử tổng hàm lượng kiềm có trong clinker gồm 2 loại là K2O và Na2O. Giả thiết hàm lượng của chúng là như nhau, ta có: Suy ra Do đó : Vậy, Cường độ xi măng là : Tiêu chuẩn xi măng PCB40 nhà máy dự định sản xuất theo tiêu chuẩn chất lượng TCVN 6260-1997. Bảng 7.1Tiêu chuẩn xi măng PCB40 của Việt Nam Các yêu cầu kỹ thuật PCB 40 Cường độ nén (N/mm) : + 72 giờ 45 phút + 28 ngày 8 giờ 18 40 Thời gian đông kết: + Bắt đầu (phút) + Kết thúc (giờ) 45 420 Độ nghiền mịn: + Phần còn lại trên sàng kích thước lỗ 0,09mm (%) +Bề mặt riêng theo phương pháp Blaine (cm2/g) 10 2800 + Độ ổn định thể tích theo phương pháp Le Chatelier (mm) 10 Hàm lượng SO3 (%) 3,5 8. Tính cân bằng vật chất của toàn nhà máy 8.1. Tiêu hao nguyên liệu khô lý thuyết cho 1 kg clinker trong đó là mất khi nung của phối liệu (%). + Tiêu hao đá vôi: + Tiêu hao đất sét : + Tiêu hao quặng sắt: +Tiêu hao điatômit: Với X1, X2, X3, X4 là phần trăm cấu tử trong phối liệu ở trạng thái khô. 8.2. Tiêu hao nguyên liệu ẩm lý thuyết (trạng thái ẩm tự nhiên) Gọi W1, W2, W3, W4 là độ ẩm tự nhiên của đá vôi, đất sét, quặng sắt và điatômit Cho W1 = 3 %, W3 = 4 % (II-85) W2 = 10 % (II-80), W4 = 2 % (II-274). + Tiêu hao đá vôi: + Tiêu hao đất sét : + Tiêu hao quặng sắt: + Tiêu hao điatômit: 8.3. lượng clinker lý thuyết thu được khi nung 1kg phối liệu khô 8.4. Lượng nguyên liệu thực tế để nung 1kg clinker 8.4.1. Nguyên liệu khô thực tế: Gọi p là tổn thất nguyên liệu khi gia công phối liệu. Chọn p=3% (II-86) + Đá vôi: +Đất sét: +Quặng sắt; + Điatômit : 8.4.2. Nguyên liệu ẩm thực tế: + Đá vôi: + Đất sét: + Quặng sắt: + Điatômit: 8.4.3. Lượng clinker thu dược khi nung 1kg phối liệu khô thực tế 8.4.4. Lượng nguyên liệu khô lý thuyết tiêu hao để nung ra 1 kg clinker có lẫn tro nhiên liệu 8.4.5. Tỷ lệ các cấu tử trong phối liệu có độ ẩm tự nhiên + Đá vôi: + Đất sét: + Quặng sắt: + Điatômit: 8.4.6. Tiêu hao than của nhà máy Nhà máy sử dụng 100% than cám 3 + Tiêu hao than cám có độ ẩm 1% để nung 1kg clinker B = 0,109 (kg/kgCL) + Tiêu hao than có độ ẩm tự nhiên 7% : + Tiêu hao than thực tế có kể đến tổn thất: 8.4.7. Tiêu hao phụ gia cho 1 kg clinker Nhà máy dự kiến sản xuất xi măng PCB40 với 75% clinker, 10% phụ gai lười, 11% phụ gia khoáng hoạt tính và 4% thạch cao. + Tiêu hao thạch cao theo lý thuyết cho 1 kg clinker : + Tiêu hao phụ gia theo lý thuyết cho 1 kg clinker : Trong đó: Phụ gia lười: Phụ gia khoáng hoạt tính : Tiêu hao phụ gia thực tế kể cả ẩm (5%) : 9. CÂN BẰNG VẬT CHẤT CHO TOÀN NHÀ MÁY 9.1. Xác định hệ số sử dụng thời gian của lò Thời gian lò không hoạt động trong năm như sau: Thời gian đại tu: 20 ngày/năm Thời gian trùng tu: 10 ngày/năm Thời gian tiểu tu và sửa chữa đột xuất: 6 ngày/năm Vậy thời gian nghỉ lò trong năm: 36 ngày/năm Hệ số sử dụng thời gian của lò nung: K = 365-36365 = 0,9 Thời gian thực tế làm việc trong một năm: T = 365 – 36 = 329 (ngày) = 7896 (giờ/năm) Từ năng suất của nhà máy: 1 000 000 tấn/năm Gọi A là tổng lượng phụ gia có trong xi măng, bao gồm: 10 % phụ gia lười, 11 % phụ gia khoáng hoạt tính và 4 % thạch cao. A = 10% + 11% + 4% = 25% Năng suất nhà máy tính theo clinker: M = 1 000 000 – 1 000 000*25% = 750 000 tấn/năm Năng suất phân xưởng lò nung: G = M7896(100+φ100) = 7500007896*(100+1100) = 95,93 tấn clinker/giờ Trong đó: là hệ số tổn thất trong sản xuất (với công nghệ lò quay của Đức): 1% Dự trữ công suất lò theo kế hoạch sửa chữa: p1 = 1 - K =1 - 0,9 = 10% Do G = 95,93 tấn/giờ, ta chọn lò: 2600 tấn/ngày = 108,33 tấn/giờ Hệ số dự trữ công suất tổng là: P = 108,33-95,93108,33 = 11,45% Hệ số dự trữ công suất dư tổng là: p2 = p – p1 = 1,45 % < 5% Vậy, ta chọn lò có công suất: 108,33 tấn/giờ = 2600 tấn/ngày. 9.2. Xác định kích thước của lò quay nung clinker : Lò nung clinker hiện đại có hệ thống Calciner thì năng suất riêng của lò vào khoảng 85÷ 185 (kgcal/m3.h). Ta chọn năng suất riêng của lò là 96 (kgcal/m3.h). Năng suất của lò là :Nl = 260000024 = 108333 (kgCL/h). Thể tích của lò: V = Slß.Llß = .Llß (m). Theo tài liệu của hãng FCB thì Llß = 20( D - 1) (m). Do đó : V = .20.(D - 1) (m). Mặt khác, V = (m). Suy ra ta có : 5 = 1128,5 Giải phương trình ta được: D 4,5186 (m). Suy ra L = 70,372 (m). Vậy ta chọn lò có đường kính: D = 4,55 (m) và chiều dài L = 71 (m). 9.3. Tổng hợp tiêu hao nguyên, nhiên, vật liệu 1 tÊn clinker (Giả thiết phụ gia thạch cao và tổn thất không đáng kể) (Lấy tiêu hao riêng cho 1kg clinker nhân với lượng clinker sản xuất ra trong 1h là 108,333 tấn/giờ được tiêu hoa trong 1 giờ, từ đó suy ra tiêu hao trong 1 ngày và 1 năm) Bảng 9.1 Tổng hợp tiêu hao nguyên, nhiên, vật liệu 1 tấn clinker Danh mục Mức tiêu hao (tấn / tấnCL) Mức tiêu hao Tấn / giờ Tấn / ngày Tấn / năm Đá vôi khô 1,292 139,966 3359,184 1,105.10 Đá vôi ẩm 1,332 144,300 3463,2 1,139.10 Đất sét khô 0,201 21,775 522,6 1,719.10 Đất sét ẩm 0,224 24,267 582,408 1,916.10 Quặng sắt khô 0,025 2,708 64,992 2,138.10 Quặng sắt ẩm 0,026 2,817 67,608 2,224.10 Điatômit khô 0,072 7,800 187,2 6,159.10 Điatômit ẩm 0,073 7,908 189,792 6,244.10 Than khô 0,109 11,808 283,392 9,324.104 Than ẩm 0,116 12,567 301,608 9,923.104 Thạch cao 0,053 5,742 137,808 4,534.10 Phụ gia khô 0,28 30,333 727,992 2,395.10 Phụ gia ẩm 0,295 31,958 766,992 2,523.10 10. Tài liệu tham khảo [I] Q. M. Do, “ Công nghệ sản xuất xi măng Poóc Lăng và các chất kết dính vô cơ ’’ Bộ môn Silicat, Khoa Công nghệ Vật liệu, Đại học Bách Khoa Tp.HCM. [II] V. C. Bui “ Hướng dẫn thiết kế đồ án môn học và tốt nghiệp kỹ thuật xi măng và chất kết dính”. Năm 1984 [III] Đ. H. Nguyen “ Lò Silicat ” Nhà xuất bản Bách Khoa Hà Nội. Năm 2014