Nhiên liệu trong sản xuất xi măng

NHIÊN LIỆU TRONG SẢN XUẤT XI MĂNG Nhiên liệu đóng vai trò quan trọng Trong quy trình sản xuất xi măng, nhiên liệu đóng một vai trò quan trọng, thậm chí có tính quyết định tới chất lượng sản phẩm cũng như quá trình tối ưu hóa sản xuất. Chúng tôi xin phép mở chuyên đề giới thiệu lý thuyết cơ bản về nhiên liệu trong công nghệ sản xuất xi măng trích từ Giáo trình của PGS-TS Nguyễn Đăng Hưng, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Phần 1 – THÀNH PHẦN VÀ TÍNH CHẤT NHIÊN LIỆU 1. Thành phần nhiên liệu Nhiên liệu có hai phần: Phần cháy được là các chất hữu cơ phức tạp và phần không cháy được là tro xỉ và hơi ẩm. Thành phần của phần cháy được phụ thuộc vào thành phần chất nguyên thủy tạo ra nhiên liệu đó: Ví dụ than đá, dầu mỏ có thành phần khác nhau do nguồn gốc tạo thành chúng khác nhau. Thành phần nhiên liệu rắn và lỏng được biểu thị bằng phần trăm khối lượng nguyên tố và ký hiệu thành phần nguyên tố đó. Độ tro là những khoáng không cháy được của nhiên liệu ký hiệu là A% và độ ẩm ký hiệu là W%. Có 4 loại thành phần nhiên liệu: thành phần hữu cơ, thành phần cháy, thành phần khô và thành phần làm việc. Trong bảng 1 cho 4 loại thành phần với ký hiệu của chúng. Thành phần nhiên liệu theo ký hiệu Tên thành phần Thành phần hữu cơ Thành phần cháy Thành phần khô Thành phần làm việc Ký hiệu Thành phần nguyên tố (%) H Ch, Hh, Oh, Nh C Cc, Hc, Oc, Nc, Sc K Ck, Hk, Ok, Nk, Sk, Ak L Cl, Hl, Ol, Nl, Sl, Al, Wl Tổng cộng (%) 100 100 100 100 Thông thường các số liệu về nhiên liệu đều cho dưới dạng khô, vì độ ẩm của chúng thay đổi theo thời tiết. Trong kỹ thuật lại cần đến thành phần làm việc. Khi chuyển đổi thành phần khô, thành phần cháy sang thành phần làm việc ta áp dụng công thức sau: Từ thành phần khô (% khối lượng): 100 - Wl Cl = Ck % 100 Từ thành phần cháy (% khối lượng): 100 - Al - Wl Cl = Cc % 100 Các thành phần khác cũng tính tương tự. Khi đã biết thành phần làm việc của than, chẳng hạn Cl1, Hl1, ... Wl1, song kiểm tra thực tế độ ẩm không phải là Wl1 mà là Wl2 do mưa gió hoặc bảo quản. Do đó thành phần nhiên liệu sẽ thay đổi thành Cl2, Hl2 ... và thành phần mới tính theo: 100 - Wl2 Cl2 = Cl1 % 100 - Wl1 Thành phần khí khác tính tương tự. 2. TÍNH CHẤT CỦA NHIÊN LIỆU. Từ các tính chất của nhiên liệu không những ta biết được nhiệt lượng tỏa ra khi cháy mà còn tìm được điều kiện tốt nhất khi cháy cũng như tổ chức việc vận chuyển và bảo quản chúng trong kho. Ngoài ra cũng căn cứ vào tính chất của nhiên liệu mà ta lựa chọn nhiên liệu thích hợp với mỗi kiểu lò nung khác nhau. 2.1 - Nhiệt sinh hay nhiệt trị của nhiên liệu Tính chất của nhiên liệu là khả năng tạo ra nhiệt lượng khi cháy, tính chất này được biểu thị bằng nhiệt trị. Nhiệt trị là nhiệt lượng tỏa ra khi cháy hoàn toàn một kg nhiên liệu rắn hay lỏng hoặc Kj/kg hay kcal/kg. Đơn vị thường dùng ở nước ta là Kcal, do đó có thể chuyển đổi như sau: Kcal / kg = 4,187 Kj / kg Kcal / h = 1,163 W = 1,163 J / s = 3,968 Btu / h Lượng nhiệt tỏa ra khi cháy nhiên liệu là kết quả của các phản ứng tỏa nhiệt do quá trình oxi hóa các nguyên tố riêng biệt của nhiên liệu. Nhưng đồng thời cũng có những quá trình thu nhiệt cùng tiến hành song song như sấy khô, phân hủy các hợp chất phức tạp thành hợp chất đơn giản hơn. Cho nên nhiệt trị chính là tổng của các hiệu ứng nhiệt này tính theo một đơn vị khối lượng (hay thể tích của nhiên liệu khí). Người ta phân biệt nhiệt trị cao Qcl và nhiệt trị thấp Qtl, nhiệt trị cao không tính đến nhiệt tiêu tốn để bốc hơi của nước khi cháy hydro. Nhiệt trị thấp có tính đến lượng nhiệt này. Nhiệt trị của nhiên liệu phụ thuộc nhiều vào thành phần của nhiên liệu và dao động trong một khoảng lớn. Lượng nhiệt tỏa ra nhiều nhất là từ hydro, sau đó là carbon; cho nên nhiên liệu nào giàu thành phần này thì nhiệt trị càng cao. Ví dụ mazut, xăng, dầu hóa có nhiệt trị cao và đạt đến 41000 Kj/kg, nhiên liệu khí nhận được khi gia công dầu mỏ, chứa tới 98% hydrocarbon và hydro nên nhiệt trị gần bằng 36000 Kj/m3. Nhiệt trị nhiên liệu rắn tăng lên theo tuổi hình thành của chúng. Tuổi càng lớn thì hàm lượng carbon càng lớn và hàm lượng oxi càng nhỏ. Ví dụ, củi hay than bùn có nhiệt trị khoảng 18840 Kj/kg và nhiên liệu già hơn, như than đá có nhiệt trị khoảng 35580 Kj/kg. Tro xỉ và lượng ẩm đều hạ thấp nhiệt trị của nhiên liệu. Trong kỹ thuật, cần phải so sánh tiêu tốn nhiệt riêng cho một đơn vị khối lượng (hay thể tích) sản phẩm khi nung sấy hay gia công nhiệt ở các lò khác nhau; cho nên người ta dùng khái niệm đơn vị nhiên liệu tiêu chuẩn hay quy ước. Đó là nhiên liệu “Tưởng tượng” có nhiệt trị bằng 29300Kj/kg (7000Kcal/kg). Để chuyển nhiên liệu bất kỳ nào đó sang nhiên liệu quy ước ta sử dụng hệ số nhiên liệu. K = Qtl/29300 (1-4) Trong đó: Qtl là nhiệt trị nhiên liệu rắn hay lỏng Kj/kg hoặc nhiên liệu khí Kj/m3. Nếu nhiệt trị không dùng đơn vị Kj/kg mà dùng Kcal/kg thì: K = Qtl /7000 2.2 - Vai trò lưu huỳnh trong nhiên liệu Lưu huỳnh trong nhiên liệu thường có ở ba dạng: a. Hợp chất hữu cơ b. Hợp chất sulfua sắt FeS2 c. Sulphat CaSO4, FeSO4. Lưu huỳnh trong hợp chất hữu cơ, sulffua là thành phần cháy được của nhiên liệu S+O2 = SO2 và tỏa ra 9240 Kj/kgS. Lưu huỳnh ở dạng sulphat không cháy được, hàm lượng của nó trong nhiên liệu không đáng kể. Như vậy chỉ có lưu huỳnh ở phần cháy được mới là chất bốc của nhiên liệu. Hàm lượng chung của lưu huỳnh trong nhiên liệu thiên nhiên dao động như sau: Củi gỗ Than bùn Than nâu Than đá Antraxit Dầu mỏ 0 ¸ 2% 0,2 ¸ 2,0% 1,0 ¸ 1,5% 0,2 ¸ 7,0% 0,1 ¸ 5,0% 0 ¸ 3,0% Mặc dù lưu huỳnh cháy được và tỏa nhiệt, nhưng sự có mặt của lưu huỳnh sẽ làm giảm chất lượng nhiên liệu vì sản phẩm cháy của nhiên liệu SO2 sẽ làm ô nhiễm môi trường và đôi khi có hại trực tiếp đến vật liệu gia công trong lò. Nhiên liệu có trên 5 ¸ 7% lưu huỳnh, giá trị sử dụng của nó trong công nghiệp rất kém. Than nâu có chứa lưu huỳnh dễ bị tả vụn trong không khí, vì FeS2 bị ôxi hóa thành Fe(SO4)3 là cho than bị vỡ vụn. Dầu mỏ chứa lưu huỳnh ở dạng nguyên tố S, mercaptan, disulfua, sulfua, những chất cháy này ăn mòn kim loại. Đặc biệt trong lò quay đốt bằng nhiên liệu chứa nhiều lưu huỳnh sẽ gây nên hiện tượng ngưng đọng muối sunphat kiềm làm tắc cyclon, đường ống. Điều này gây trở ngại cho hoạt động bình thường của lò vì phải phá các điểm tắc đó. Chính vì vậy mà hệ trao đổi nhiệt của lò quay phải trang bị các song khí nén để phá các tảng phối liệu bị đóng cục. Việc phá các điểm tắc này phải tuân thủ nghiêm khắc qui trình để tránh gây ra tổn thương đáng tiếc. Cuộc đâú tranh chống ô nhiễm môi trường và luật môi trường đã không cho phép sử dụng than hay nhiên liệu chứa nhiều SO2 trong khói lò. Đây cũng là vấn đề đáng quan tâm khi lựa chọn nhiên liệu dùng trong lò. (Còn nữa) Trích từ GT Hệ thống lò quay hiện đại. PGS-TS Nguyễn Đăng Hưng Tối ưu hóa quá trình cháy. Việc sử dụng vòi đốt đa kênh đã chở thành phổ biến tại các nhà máy xi măng. đây cũng chính là biện pháp tốt nhất để sử dụng trong tương lai đáp ứng việc sử dụng các nhiên liệu thay thế cho các loại nhiên liệu hiện có. Tuy nhiên có hàng loạt các vấn đề nảy sinh cần quan tâm, đó là việc hình thành lớp cola, chất lượng clinker và tuổi thọ của gạch chịu lửa. Có 2 biện pháp để giải quyết các vấn đề nêu trên: Thay đổi thành phần phối liẹu hoặc sử Hình 1 - Tam giác cơ bản dụng vòi đốt phù hợp. Việc thay đổi thành phần phối liệu chỉ có thể được giải quyết trong khoảng hẹp (ảnh hưởng đến chất lượng clinker) nên giải pháp sử dụng vòi đốt phù hợp là hiệu quả hơn cả. Mỗi hệ vòi đốt/lò nung/ thành phần phối liệu nhất định phải được phù hợp theo 3 khía cạnh cơ bản, theo các nghiên cứu mới nhất, đó là: - Chất lượng - clinhker xác định bằng kính hiển vi, cường độ xi măng và các điều kiện thiết đặt. - Chi phí - nhiên liệu, tiêu hao điện, nghiền, việc mất mát sản phẩm khi phải dừng lò. - Môi trường – kết hợp của các giới hạn khí thảiphát xạ như: NOx, SOx, THC, các hạt rắn, CO… Quá trình cháy tại vòi đốt chính được tối ưu hóa tại vị trí trong tam giác cơ bản. Các vấn đề thường gặp: Sự kết hợp giữa nhiên liệu, ngọn lửa, lò nung và nguyên liệu có thể dẫn đến việc hình thành các vòng (vòng bờ côn) trong lò, bề dầy gạch chịu lửa trở nên quá dầy, hoặc một vài biến đổi về chất lượng clinker. Theo mô hình toán học của Greco thì quá trình nung nguyên liệu theo chiều dài lò sẽ tạo ra 2 pik nhiệt độ. Hiện tượng này sẽ làm tăng các vòng bờ côn trong thân lò tại vùng nhiệt độ thấp giữa 2 pik. Hiệu ứng này sẽ tránh được một cách tối thiểu nếu có sự phù hợp tương ứng giữa nhiên liệu và không khí phun vào lò qua vòi đốt chính. Hình 2 - Giản đồ nhiệt theo chiều dài của lò nung. Vấn đề tạo ra bờ côn và ảnh hưởng đến lớp lót gạch chịu lửa xuất hiện mạnh khi các hạt cốc mịn (tạo ra do quá trình cháy nhiên liệu) được phun vào lò. Sự bắt cháy, phân hủy do nhiệt, nhiệt phân và các đặc tính cháy của cốc là rất khác nhau đối với các loại than và dầu. Đối với các vòi đốt có thiết kế đơn giản không có khả năng điều chỉnh thích ứng cao cũng gây ảnh hưởng đến chất lượng clinker và gạch chịu lửa do bức xạ nhiệt và các phản ứng giữa ngọn lửa, phối liệu và vật liệu làm gạch chịu lửa. Bức xạ nhiệt. Một yếu tố hết sức quan trọng khi phân tích quá trình cháy là bức xạ nhiệt ngọn lửa. Bức xạ này rất mạnh ảnh hưởng bởi mức độ tập trung và kích thước cỡ hạt nhiên liệu phân bố tại vị trí cháy (Hình 3). Khí động lực ngọn lửa. Theo các nguyên lý chung, dòng chảy rối, vận tốc phun và dạng hình học cũng như đặc tính nhiên liệu sẽ tạo ra hình dạng ngọn lửa. Theo cách này (từ gió thứ cấp và sơ cấp) được phun vào tạo ra dòng hỗn loạn và các vòng tuần hoàn nội và ngoại của ngọn lửa qua đó khống chế được các vị trí của 2 pik ngọn lửa. Các vòng tuần hoàn chịu ảnh hưởng bởi không chỉ các thành tố vận tốc mà chúng còn chịu ảnh hưởng của cấu trúc (dạng thiết kế) của đầu vòi đốt). Hình 4 cho thấy các vòng tuần hoàn này trong cùng khu vực thuộc zone nung của 2 đầu vòi đốt có cấu trúc hình học rất khác nhau nhưng hoạt động trong cùng điều kiện nhiên liệu như nhau, cùng vận tốc phun. Quá trình cháy của một hạt lỏng. Một hạt cháy thường tạo ra các ngọn lửa khuếch tán xung quanh nó (Hình 5). Như vậy đã tạo ra một vùng bay hơi nhiên liệu xung quanh hạt cháy. Nhiên liệu và ô xy khuếch tán theo hướng ngược nhau tạo ra một vùng bay hơi xác định tỷ lệ cháy. Theo lý thuyết thời gian cháy tỷ lệ nghịch bậc ba với đường kính hạt ban đầu. Hình 5 - Sự cháy của một hạt nhiên liệu. Quá trình cháy của một hạt rắn Quá trình cháy của một hạt rắn sảy ra theo bốn bước,tuỳ thuộc nhiệt độ và mức độ phân huỷ. Bước thứ nhất Đây là quá trình gia nhiệt và nhiệt phân của hạt, sản phẩm tạo ra là hyđrocacbon bay hơi bao phủ lấy hạy cháy. Như vậy không có phản ứng trên bề mặt hạt vì trên bề mặt hạt lúc này chỉ có pha khí (CO2và H2O hình thành).Thành phần chất bay hơi chiếm ưu thế tại giai đoạn này. ... - tailieumienphi.vn