Hệ thống tháo TĐN và buồng Calciner

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
---------------o0o---------------

TIỂU LUẬN MÔN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG

ĐỀ TÀI

HỆ THỐNG THÁP TRAO ĐỔI NHIỆT
VÀ BUỒNG CALCINER

Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng 10 năm 2019
iv


iv


MỤC LỤC

iv


DANH MỤC HÌNH ẢNH

DANH MỤC BẢNG

4

5


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về quá trình nung tạo clinker
Quá trình nung clinker là phần quan trọng nhất trong toàn bộ quá trình sản xuất xi
măng. Ở giai đoạn này, nguyên liệu thô sẽ được gửi vào lò nung xi măng và được nung ở
nhiệt độ cao để tạo ra các phản ứng hóa học với nhau, cuối cùng tạo thành clinker. Ngoài
ra, các clinker sau khi hoàn thành quá trình nung sẽ có nhiệt độ cao, do đó, một máy làm
mát thường được đặt phía sau lò quay để clinker có thể đi trực tiếp vào bộ làm mát để
giảm xuống nhiệt độ bình thường.
-

-

-

Sau khi phối trộn các nguyên liệu lại với nhau, bước tiếp theo trong quy trình là
đun nóng hỗn hợp hỗn hợp nguyên liệu thô (hỗn hợp thô) để chuyển hóa thành vật
liệu dạng hạt gọi là clinker xi măng.
Điều này đòi hỏi nhiệt độ tối đa đủ cao để làm tan chảy một phần hỗn hợp thô. Bởi
vì các thành phần thô không được nấu chảy hoàn toàn, hỗn hợp phải được khuấy
trộn để đảm bảo rằng clinker hình thành với thành phần đồng nhất.
Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng lò nung hình trụ dài dốc xuống và
quay chậm.
Để làm nóng lò nung, hỗn hợp nhiên liệu và không khí được bơm vào lò nung và
đốt cháy ở đầu dưới. Các khí nóng đi lên lò nung lên đỉnh, thông qua một bộ thu
bụi và thoát ra một ống khói. Một loạt các nhiên liệu có thể được sử dụng, bao gồm
than nghiền hoặc than cốc, khí tự nhiên, than non và dầu nhiên liệu. Những nhiên
liệu này tạo ra các loại và lượng tro khác nhau, có xu hướng có thành phần tương

tự như một số thành phần alumino silicate trong hỗn hợp thô. Vì tro kết hợp với
hỗn hợp thô bên trong lò nung, điều này phải được tính đến để dự đoán chính xác
lòng trắc ẩn của xi măng. Cũng có một xu hướng ngày càng tăng để sử dụng các
sản phẩm chất thải như một phần của nhiên liệu, ví dụ như lốp xe cũ. Trong trường
hợp tốt nhất, điều này giúp tiết kiệm tiền nhiên liệu, giảm lượng khí thải CO 2 và
cung cấp một phương pháp xử lý an toàn

 Đốt clinker
Để sản xuất clinker xi măng, nguyên liệu thô ở giai đoạn này phải được nung
nóng đến nhiệt độ khoảng 1550oC trong lò quay hình trụ dài. Nguyên liệu của lò nung
đi vào hệ thống ở đỉnh lò sưởi trước và rơi cho đến khi đầu lò thấp hơn. Sự trao đổi
nhiệt xảy ra trong quá trình này khi các khí nóng từ đầu lò bốc lên đến đỉnh của lò sưởi
trước. Quá trình hình thành clinker được chia thành bốn phần: sấy khô, nung, nung kết
và làm mát.

6


Hình 1.1 – Hệ thống đốt clinker
Nguyên liệu thô được sử dụng để sản xuất Xi măng Portland là đá vôi, đất sét và
quặng sắt.
a) Đá vôi (CaCO3) chủ yếu cung cấp canxi dưới dạng canxi oxit (CaO)
CaCO3 (1000oC) → CaO + CO2
b) Đất sét chủ yếu cung cấp silicat (SiO2) cùng với một lượng nhỏ Al2O3 + Fe2O3
Đất sét (1450oC) → SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 + H2O
c) Quặng sắt và Bauxite đang cung cấp thêm nhôm và oxit sắt (Fe 2O3) giúp hình
thành canxi silicat ở nhiệt độ thấp. Chúng được kết hợp vào hỗn hợp thô.
d) Clinker được nghiền thành các cỡ nhỏ (<75 μm). 3 – 5% thạch cao (canxi
sunfat) được thêm vào để kiểm soát cài đặt và làm cứng. Kích thước hạt đa số của xi
măng là từ 2 đến 50 μm.

Bảng 1.1 - Quá trình phản ứng nhiệt hóa lò
Nhiệt độ (oC) Phản ứng
Hỗn hợp thô trước
tiên sẽ hoàn thành quá
Sấy khô
20 – 100
trình bay hơi nước sau
khi vào lò quay
Tiền
gia 100 – 300
nhiệt
Nước bị đẩy ra ngoài,
phân hủy đá phiến với
400 – 750
sự hình thành của
metakaolinte
600 – 900
Sự phân hủy của
metakaolinte và các
hợp chất khác với sự
hình thành của hỗn hợp
Quá trình

7

Biến đổi hóa học

Al4Si4O10 → 2(Al2O3.2SiO2) +
4H2O
Al2O3.2SiO2 → Al2O3 + 2SiO2

Nung

Nung kết

600 – 1000

800 – 1550

Làm nguội

oxit phản ứng
Phân hủy đá vôi, CO 2
được tạo ra, hình
thành vôi tự do, với sự
hình thành của CS
(CaO.SiO2) và CA
(CaO.Al2O3)
Sự hấp thu vôi của CS
và CA, Sự hình thành
pha lỏng, sự hình
thành: Belite (C 2S),
Aluminates (C3A) và
Ferrites (C4AF)
Vật liệu được làm mát
trong thời gian nhanh
chóng. Mục
đích
chính của nó là để

ngăn chặn sự phân
hủy
của
silicat
tricalcium

3CaCO3 → 3CaO + 3CO 2
3CaO + 2SiO2 + Al2O3 →
2(CaO.SiO2) +CaO.Al 2O3

CS + C C2S
2C + S → C2S
CA + 2C → C3A
CA + 3C + F → C4AF

1.2 Tổng quan về lò nung
Lò nung thường dài khoảng 180m và đường kính 6m, có độ dốc xuống 3 – 4%
và quay với tốc độ 1 – 2 vòng/ phút. Hỗn hợp thô đi vào đầu trên của lò và từ từ đi
xuống khu vực nóng nhất ở phía dưới trong khoảng thời gian 6 0 – 90 phút, trải qua
một số phản ứng khác nhau khi nhiệt độ tăng. Điều quan trọng là hỗn hợp di chuyển
đủ chậm để cho phép mỗi phản ứng được hoàn thành ở nhiệt độ thích hợp. Bởi vì các
phản ứng ban đầu là phản ứng nhiệt (hấp thụ năng lượng), rất khó để làm nóng hỗn
hợp đến nhiệt độ cao hơn cho đến khi phản ứng hoàn thành.

8


Hình 1.2 - Sơ đồ lò quay
Hình 1.3 – Sơ đồ tổng quát của một lò nung khô quá trình dài

 Vùng phản ứng chung như sau:
1) Vùng khử nước (tối đa ~ 450˚C)
• Đây chỉ đơn giản là sự bay hơi và loại bỏ nước tự do
• Trong quy trình khô, có một độ ẩm hấp phụ trong hỗn hợp thô.
9


• Mặc dù nhiệt độ cần thiết để làm điều này không cao, nhưng điều này đòi
hỏi thời gian và năng lượng đáng kể.
• Trong quy trình ướt, vùng mất nước sẽ cần tới một nửa chiều dài của lò,
trong khi quy trình khô đòi hỏi khoảng cách ngắn hơn một chút.
2) Vùng vôi hóa (> 450˚C - 900˚C)
• Thuật ngữ nung dùng để chỉ quá trình phân hủy vật liệu rắn sao cho một
trong những thành phần của nó được điều khiển dưới dạng khí.
• Khoảng 600˚C, nước bị ràng buộc bị đẩy ra khỏi đất sét, và bởi 900˚C canxi
cacbonat bị phân hủy, giải phóng carbon dioxide.
• Khi kết thúc vùng nung, hỗn hợp bao gồm các oxit của bốn nguyên tố chính
đã sẵn sàng để trải qua phản ứng tiếp theo vào khoáng sản xi măng.
• Vì vôi hóa không liên quan đến sự tan chảy, hỗn hợp vẫn là một loại bột
chảy tự do tại thời điểm này
3) Vùng phản ứng trạng thái rắn (> 900˚ - 1300˚C )
• Vùng này hơi chồng lên nhau và đôi khi được bao gồm với vùng nung.
• Khi nhiệt độ tiếp tục tăng trên ~ 900˚C vẫn không có hiện tượng nóng chảy,
nhưng các phản ứng ở trạng thái rắn bắt đầu xảy ra.
•CaO và silica phản ứng kết hợp với nhau tạo thành các tinh thể nhỏ C 2S
(dicalcium silicate; Belite), một trong bốn khoáng sản xi măng chính.
• Ngoài ra, các hợp chất canxi aluminate trung gian (C 3A) và canxi ferrite
(C4AF) hình thành.
• Những thứ này đóng một vai trò quan trọng trong quá trình tạo nếp nhăn
như các chất gây chảy, trong đó chúng tan chảy ở nhiệt độ tương đối thấp

~1300˚C, cho phép tăng đáng kể tốc độ phản ứng. Nếu không có các chất trợ
lực này, việc hình thành các khoáng chất xi măng canxi silicat sẽ chậm và
khó khăn.
• Trên thực tế, sự hình thành các chất trợ dung là lý do chính khiến xi măng
Portland (canxi silicat) có chứa nhôm và sắt.
• Các khoáng chất xi măng chứa nhôm và sắt cuối cùng (C 3A và C4AF) trong
Xi măng Portland đóng góp rất ít vào các tính chất cuối cùng.
• Khi hỗn hợp đi qua vùng phản ứng ở trạng thái rắn, nó sẽ trở thành dính
dính do quá trình đốt cháy theo xu hướng.
4) Vùng clinkering (> 1300˚C - 1550˚C)
• Đây là vùng nóng nhất nơi hình thành khoáng sản xi măng quan trọng nhất,
Alite (C3S), xảy ra.
• Khu vực bắt đầu ngay khi các giai đoạn canxi aluminate trung gian (C 3A)
và ferrite (C4AF) tan chảy.
• Sự có mặt của pha nóng chảy làm cho hỗn hợp kết tụ thành các nốt tương
đối lớn có kích thước bằng các viên bi bao gồm nhiều hạt rắn nhỏ liên kết với
nhau bằng một lớp chất lỏng mỏng.
10


• Bên trong pha lỏng, Alite (C 3S) hình thành bằng phản ứng giữa tinh thể
Belite (C2S) và CaO. (C2S + C C 3S) • Các tinh thể Alite rắn (C 3S) phát triển
bên trong chất lỏng, trong khi các tinh thể Belite (C 2S) hình thành giảm số
lượng trước đó nhưng tăng kích thước.
• Quá trình nhăn hoàn thành khi tất cả silica nằm trong tinh thể C 3S và C2S và
lượng vôi tự do (CaO) giảm xuống mức tối thiểu (<1%)
5) Vùng làm mát
• Khi clinker di chuyển qua đáy lò, nhiệt độ giảm nhanh và pha lỏng hóa rắn,
tạo thành hai khoáng chất xi măng khác là C 3A (aluminate) và C 4AF (ferrite).
• Ngoài ra, kiềm (chủ yếu là Kali) và sunfat hòa tan trong chất lỏng kết hợp

với nhau tạo thành K 2SO4 và Na 2SO4.
• Các nốt sần hình thành trong vùng nhăn nheo bây giờ cứng và sản phẩm tạo
ra được gọi là clanh xi măng.
• Tốc độ làm mát từ nhiệt độ tối đa xuống khoảng 1100˚C rất quan trọng, với
việc làm lạnh nhanh tạo ra một loại xi măng phản ứng mạnh hơn.
• Điều này xảy ra bởi vì trong phạm vi nhiệt độ này, C 3S có thể phân hủy trở
lại thành C 2S và CaO, trong số các lý do khác. Do đó, nó là điển hình để thổi
không khí hoặc phun nước vào clinker để làm mát nhanh hơn khi thoát ra
khỏi lò. Làm lạnh nhanh clanhke là điều cần thiết vì điều này cản trở sự hình
thành các tinh thể, khiến một phần của pha lỏng hóa rắn thành thủy tinh. Làm
lạnh clinker càng nhanh thì các tinh thể sẽ càng nhỏ khi nổi lên từ pha lỏng.

11


Hình 1.4 – Các vùng phản ứng trong lò quay

12


CHƯƠNG 2: CÁC LOẠI LÒ NUNG CLINKER XI MĂNG PORTLAND
Các quy trình sản xuất xi măng có thể được phân loại thành quy trình phương
pháp khô và quy trình phương pháp ướt. Sự khác biệt chính giữa chúng nằm ở phương
pháp trộn và chuẩn bị nguyên liệu thô khác nhau. Trong quá trình ướt , nước thường
được thêm vào hỗn hợp thô để tạo thành bùn. Trong quá trình khô, hỗn hợp thô là bột
mịn sau khi nghiền và sấy khô. Việc lựa chọn quá trình chủ yếu dựa trên tính chất của
nguyên liệu thô. Khi độ ẩm của chúng hơn 20%, quy trình ướt sẽ được ưu tiên. Trước
đây, quy trình ướt chủ yếu được sử dụng trong sản xuất xi măng vì dễ kiểm soát thành
phần hóa học của hỗn hợp thô, thành phần hóa học được phân phối đều hơn và clinker
có chất lượng tốt hơn, nhưng tiêu thụ nhiều năng lượng hơn. Hiện nay, hầu hết các

nhà máy xi măng áp dụng quy trình phương pháp khô.

13


Hình 2.1 - Sơ đồ chức năng của từng vùng cho các công nghệ lò khác nhau

2.1 Lò quay nung clinker xi măng Portland theo phương pháp ướt
Hỗn hợp vào lò dưới dạng bùn với độ ẩm từ 30 đến 40%. So với lò nung
phương pháp khô có cùng đường kính, lò nung phương pháp ướt cần một vùng bổ
sung (vùng khử nước) để đẩy nước ra khỏi hỗn hợp phối liệu của lò. Do đó, lò phải
dài hơn đáng kể để đạt được cùng một tỷ lệ sản xuất. Để sản xuất một lượng clinker
tương đương, một lò quay phương pháp ướt đòi hỏi nhiều nhiên liệu hơn về mặt lý
thuyết so với lò phương pháp khô vì cần thêm nhiệt để làm bay hơi nước. Tuy nhiên,
thực tế trong quá trình hoạt động này của một lò không phải lúc nào cũng hoàn toàn
đúng.
Lò quay nung clinke XMP theo phương pháp ướt, còn gọi là lò quay có thiết bị
trao đổi nhiệt. Cấu tạo lò là một ống km loại hình trụ rỗng, đặt nghiêng một góc α = 3
– 5o so với mặt phẳng nằm ngang, tỷ lệ L/D = 30 – 40 lần, tốc độ quay 35 – 70cm/s.
Lò quay nung clinke theo phương pháp ướt thường có các loại sau:
D × L = 3×100m; 3,6×120m; 4×150m; 4,5×170m; 5×185m; 7×270m

Hình 2.2 – Lò quay nugn clinke XMP theo phương pháp ướt
Toàn bộ chiều dài lò quay tựa trên hệ thống bệ đỡ con lăn, được đặt trên các trụ
lò bằng bê tông cốt thép, số trụ lò nhiều hay ít phụ thuộc vào chiều dài và đường kính
lò.
14


Lò làm việc theo nguyên tắc ngược chiều. Nguyên liệu vào đầu cao của lò,

clinke ra đầu thấp của lò. Nhiên liệu và không khí đi vào đầu thấp của lò. Quá trình
cháy và sự trao đổi nhiệt xảy ra dọc theo chiều dài lò.
Do nhiên liệu được đốt cháy, phối liệu và nhiên liệu đi ngược chiều nhau. Kết
quả là phối liệu được đốt nóng từ nhiệt độ thường đến nhiệt độ kết khối 1400 1450°C, còn nhiệt độ của khí nóng giảm dần theo chiều dài lò. Khí thải thoát ra ống
khói, nhiệt độ khí thải khoảng 180 - 220°C .
Dựa vào chiều dài lò quay, nhiệt độ của phối liệu và dòng khí, người ta phân
chia là thành 6 vùng: vùng sấy, vùng đốt nóng, vùng phân hủy, vùng tỏa nhiệt, vùng
kết khối, vùng làm lạnh . Chiều dài từng vùng không hoàn toàn cố định mà thay đổi
phụ thuộc vào điều kiện sử dụng nguyên liệu, nhiên liệu, trình độ vận hành của công
nhân, thường phân chia như sau:
- Vùng sấy và vùng đốt nóng chiếm 50 - 60 % chiều dài lò
- Vùng phân hủy (decarbonat hóa) chiếm 20 - 23 %
- Vùng tỏa nhiệt chiếm 5 - 7 %
- Vùng kết khối chiếm 10 - 15 %
- Vùng làm lạnh chiếm 2 - 4 %
Để đảm bảo tuổi thọ của lò và giảm tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh,
trong là thường lót gach chịu lửa. Tùy theo tính chất của từng vùng mà sử dụng các
loại gạch chịu lửa khác nhau, như : gạch cao alumin, gạch crom – manhezi.
Để tăng hiệu quả trao đổi nhiệt trong lò, người ta thường lắp các thiết bị trao đổi
nhiệt bên trong của các vùng sấy, vùng đốt nóng, vùng phân hủy.
• Xích trao đổi nhiệt (phổ biến) .
• Các tấm gốm kim loại trao đổi nhiệt.
Tác dụng :
• Tăng bề mặt trao đổi nhiệt cho vật liệu
• Cản bụi mang ra ngoài
• Va đập và tạo viên phối liệu
• Vận chuyển phối liệu đều đặn , liên tục.

15

Hình 2.3 - Hệ
thống xích khác
nhau Hình
2.4 - Sắp xếp xích theo hình xoắn ốc và
hang
 Sự phân khố nhiệt độ và sự truyền
nhiệt trong lò quay:
Sự tuyển việt của ngọn lửa và của sản phẩm cháy lên vật liệu nung và tường lò
có thể xảy ra dưới 3 dạng khác nhau:
- Sự bức xạ của ngọn lửa (ngọn lửa phát sáng)
- Sự bức xạ của khí cháy (ngọn lửa không phát sáng)
- Truyền nhiệt tối ưu (sự tiếp xúc giữa khí thải với phối liệu trong vùng đốt
nóng, mà trước hết là vùng sấy).
Do sản phẩm nung chỉ chiếm một phần tiết diện nhỏ trong lò quay, vì vậy phần
lớn nhiệt lượng truyền cho tường lò, chỉ có một một phần nhỏ nhiệt lượng truyền trực
tiếp cho sản phẩm nung. Theo GYGI, người ta tính được sự truyền nhiệt trong một
giờ trong vùng kết khối là 200.000 kcal/m 2.
Ưu điểm của lò phương pháp ướt:
1. Nguyên liệu được pha trộn đồng đều hơn trong quy trình khô
2. Tổn thất bụi thường nhỏ hơn
3. Ở vùng khí hậu ẩm, phương pháp ướt của nguyên liệu phù hợp hơn khô vì độ
ẩm đã có trong các vật liệu pha trộn.

2.2 Lò quay nung clinker xi măng Portland theo phương pháp khô
Độ ẩm của vật liệu trong lò nung xi măng phương pháp khô là dưới 1%, vì vậy
loại lò này có thể làm giảm nhiệt cần thiết cho nước bay hơi. Nhưng phương pháp này
cũng có nhược điểm của nó, đó là tính lưu động của vật liệu trong lò nung xi măng
kém, dẫn đến thành phần clinker không đồng đều.
Như tên gọi, trong quy trình này, nguyên liệu của lò được đưa vào lò nung ở

dạng bột khô. Kích thước lò xử lý khô tương tự như lò nung ướt ở chỗ chúng dài và
thường hiển thị tỷ lệ giữa chiều dài và đường kính khoảng 30: 1 đến 35: 1. Các lò xử
lý khô hoạt động với nhiệt độ rất cao, nhiệt độ phía sau và yêu cầu các ống dẫn nước
ở đầu cấp liệu để làm mát khí thoát ra đến mức an toàn trước khi chúng đi vào nhà
16


máy đóng gói hoặc lọc bụi. Hầu hết các lò sấy khô được trang bị các phần xích ở đầu
cấp liệu để truyền nhiệt, điều đó sẽ bị mất đi, đến nguồn cấp dữ liệu trước khi khí rời
khỏi lò.

Hình 2.5 - Hình của một phần xích
Các khí đi vào các xích ở nhiệt độ khoảng 800 oC (1470oF) và để lại lối ra lò ở
nhiệt độ 450 oC (840oF). Trong dòng chảy ngược, vật liệu đi vào các xích có nhiệt độ
50oC (120oF) và đi lên từ phần xích có nhiệt độ 730 oC (1350 oF). Phần xích là một
hạng mục bảo trì cao; khó sửa chữa nhưng cần thiết tuyệt đối để vận hành hiệu quả.
Do chi phí cao của các xích này, nhiều nhà máy có xu hướng bỏ bê việc bảo trì
thường xuyên. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, người ta đã phát hiện ra rằng các
chi phí được tiết kiệm, bằng cách không quan tâm đến hệ thống dây chuyền, là chi phí
vận hành nhiên liệu cao hơn.
Xích hấp thụ nhiệt từ khí nóng và truyền nhiệt sang cấp liệu cho lò. Có một lợi
thế được tìm thấy trong các lò sấy khô mà không có loại lò nào khác thể hiện. Nhiệt
độ khí thoát cao trên các lò này cho thấy chúng hoàn toàn phù hợp để đồng phát năng
lượng điện. Vì thực tế, có một số nhà máy có lò sấy tạo ra năng lượng riêng và nhiều
nhà máy hiện đang xem xét tính khả thi của việc thêm nhà máy điện vào cơ sở của họ.
Lý do đơn giản là việc tạo ra năng lượng là tiết kiệm năng lượng và ở một số nơi, việc
bổ sung một nhà máy điện vào lò sấy hiện tại có thể mang tính kinh tế hơn là chuyển
đổi lò nung này sang trạng thái sấy sơ bộ kích hoạt.

17

CHƯƠNG 3: THÁP TRAO ĐỔI NHIỆT
3.1 Xyclon
3.1.1 Xyclone preheaters ở Liên Xô
Ở Liên Xô sử dụng xyclone preheaters 4 giai đoạn hỗn hợp thô được xây dựng theo Viện
Giprocement, công thức sau đây được sử dụng để định cỡ cho preheater xyclones.


−
−
−

Ký hiệu:
D: Đường kính xyclone, m
V: Thể tích đi qua xyclone, m3/sec
Vt: Trọng lực sp của khí tại nhiệt độ trung bình, kg/m3, i.e


−
−
−

Ký hiệu:
K: Nồng độ bụi trong khí, grams/m3
ε: Hệ số giảm áp ≈ 110
∆p: Sụt áp trong xyclone, mm W.G.

Đối với cylcone prheaters hỗn hợp thô theo thiết kế của Liên Xô, tốc độ khí trong các
ống dẫn khí 15-20 m/s được áp dụng; sự sụt giảm áp suất được báo cáo là 520 mm W.G.

Nhiệt độ khí thoát là 200-250oC. Mặc dù nhiệt độ khí thoát thấp bất thường này, mức tiêu
thụ nhiệt cụ thể đối với xyclone preheaters hỗn hợp thô của thiết kế Liên Xô được báo cáo
là 950-1000 kcal/kg clinker, với mức tiêu thụ năng lượng cho hệ thống 25 kwh/t clinker;
tải trọng bụi của khí thoát ra là 3 0/o, được gọi là trọng lượng của clinker.

3.1.2 Tiêu thụ nhiệt cụ thể và nhu cầu năng lượng
Hình cho thấy mức tiêu thụ nhiệt cụ thể đối với xyclone preheaters 4 giai đoạn hỗn
hợp thô với các kích cỡ khác nhau. Preheaters hỗn hợp thô nhỏ hơn cho thấy mức tiêu thụ
nhiệt cụ thể cao hơn các đơn vị lớn hơn. Một hệ thống Humboldt có công suất khoảng
350 tấn, cho thấy mức tiêu thụ nhiệt cụ thể là 920 kcal/kg clinker, trong khi đó preheaters
huyền phù có công suất 3500 tấn/ 24 giờ, chỉ tiêu thụ 740 kcal/kg clinker. Điều này cho
thấy, rõ ràng rằng tổn thất nhiệt cụ thể do bức xạ của các đơn vị lớn hơn là nhỏ hơn, do
đó, dẫn đến tổn thất nhiệt nhỏ hơn do lượng khí thoát ra thấp hơn.

18


Hình 3.1 - Tiêu thụ nhiệt tính bằng kcal / kg clinker của xyclone 4 giai đoạn cho lò gia
nhiệt hỗn hợp thô cho các kích cỡ khác nhau tùy thuộc vào công suất thông qua
Mức tiêu thụ năng lượng cụ thể của xyclone preheaters 4 giai đoạn hỗn hợp thô,
trong phần từ điểm cấp liệu đến đến lò gia nhiệt, đến xích kéo của bộ làm mát clinker
(bao gồm tất cả các bộ lọc bụi), lên tới khoảng 20-22 Wh/t clinker.

3.1.3 Cân bằng nhiệt
Bảng 3.1 - Cân bằng nhiệt của lò nung hỗn hợp thô Humboldt được báo cáo như sau
Kcal/kg clinker
%
Yêu cầu nhiệt theo lý thuyết 415
55.3
Bụi trong khí thoát

3
0.4
Bay hơi nước
5
0.7
Khí rời
150
20.0
Buồng làm mát khí rời
78
10.4
Clinker rời buồng làm mát
34
4.5
Bức xạ và đối lưu
Lò quay với nắp đậy
37
5.0
Thiết bị gia nhiệt huyền phù 25
3.3
Buồng làm mát
3
0.4
750
100
Bảng 3.2 - Cân bằng nhiệt giống nhau được chia thành 4 nhóm qui trình, có dạng sau
Nhóm
Kcal/kg clinker
%
Đơn

Tổng
1
Vật khoảng nhiệt gần như không
đổi
415
19


2
3

4

Yêu cầu nhiệt theo lý thuyết
Bụi trong khí thoát
Bay hơi nước
Mất mát quanh lò quay
Bức xạ
Mất mát quanh lò gia nhiệt
Bức xạ
Khí thoát
Mất mát quanh buồng làm mát
Khí thoát
Clinker
Bức xạ

3
5

423

56.4

37

37

5.0

25
150

175

23.3

115
750

15.3
100.0

78
34
3

 Yêu cầu nhiệt theo lý thuyết cho đốt clinker
Lượng nhiệt của lò quay cho thấy sự khác biệt giữa nhu cầu nhiệt theo lý thuyết của
quá trình đốt clinker và sự tiêu thụ nhiệt thực tế trong lò quay. Nhiệt độ lý thuyết đòi hỏi
là chuyển đổi hỗn hợp thô dạng khô thành các sản phẩm phản ứng của clinker và phản

ứng enthalpy kết nối với quá trình này liên quan đến clinker 20 oC và 1kg, hoặc chuyển
đổi khoảng 1,55kg hỗn hợp thô thành 1kg clinker.
Việc xác định nhiệt của việc hình thành các nguyên liệu xi măng và các khoáng
clinker thu được bắt đầu từ năm 1906, vì các nỗ lực đầu tiên đã thực hiện để xác định khả
anwng phản ứng nhiệt của quá trình đốt clinker. Các giá trị liên quan đến các học giả khác
nhau cho thấy thường có những sai sót thất thường, vì theo thời gian, ý kiến của các nhà
khoa học liên quan đến yêu cầu nhiệt của quá trình đốt xi măng đã thay đổi.
Về lâu dài, các phương pháp tính toán phức tạp và tẻ nhạt cho yêu cầu nhiệt theo lý
thuyết đã được phát triển. H.zur Strassen đã bị thuyết phục rằng việc hoàn thành quy trình
tính toán hoàn chỉnh là rất tốn công và đã phát triển một công thức đơn giản hóa cho phép
đạt được yêu cầu nhiệt trực tiếp từ lý thuyết từ dữ liệu phân tích của hỗn hợp thô và
clinker
Hai công thức đã được phát triển, một công thức không có tác dụng kiềm và một công
thức khác có tác dụng kiềm. Tất cả các thành phần nguyên liệu thô của clinker đều được
kết hợp một cách hợp lý vào các oxit tự do, theo đó lượng nhiệt cần thiết được tích điện.
Hiệu ứng tỏa nhiệt xảy ra trong quá trình hình thành clinker có thể được tính toán từ
các khoáng chất clinker, một lần nữa có thể được xác định theo công thức Bogue, dựa trên
phân tích clinker. Vì để tính toán hiệu ứng nhiệt, kiến thức rõ ràng về khoáng chất clinker
20


là không cần thiết, chúng đã bị loại khỏi tính toán. Hơn nữa, người ta nói rằng hiệu ứng
tỏa nhiệt của quá trình tạo clinker gần như độc lập với hàm lượng vôi tự do trong clinker;
mỗi phần trăm vôi tự do trong clinker bằng 0,1 kcal/kg clinker. Ở các yếu tố thấp của
alumina và oxit sắt, và hàm lượng nhỏ của chúng, ảnh hưởng của các thành phần này
cũng rất ít. Từ đó có thể kết luận rằng hiệu ứng tỏa nhiệt hầu như chỉ được xác định bởi
cấu trúc silica trong clinker.
Các hiệu ứng nhiệt của khoáng sét là:

hoặc

Công thức này đề cập đến trường hợp nhiệt độ bay hơi không được xác định. Nếu
hàm lượng nước của hydrat hóa được xác định riêng biệt và nhiệt độ của hydrat hóa được
tính toán, thì chúng ta sẽ thu được:

trong đó hH đại diện cho nước kết tinh của đất sét trong hỗn hợp thô tính bằng gam/100
gam clinker. Nếu các thành phần đất sét không được biết đến, thì nên sử dụng giá trị trung
bình để tính toán. Do đó, nên sử dụng trung bình số học của ba yếu tố đất sét

Nếu tổng alumina có nguồn gốc từ trạng thái phụ của đất sét được xem xét thì công
thức
Struren của zur thu được biểu thức sau ( một lỗi có thể xảy ra do phép tính này có thể nằm
trong phak, vi 2 kacl/kg clinker)

21


Từ phân tích clinker được trích dẫn dưới đây, có thể tính mức tiêu thụ nhiệt theo lý
thuyết sau đây để đốt clinker:

527,4

-118,4

99,27%

409.0 kcal/kg

Việc xác định các hiệu ứng kiềm đòi hỏi phải tính toán nhiều hơn, nhưng dựa trên
bài báo Struren Zur được trích dẫn, có thể dễ dàng thực hiện. Đối với mục đích định

hướng, có thể nói rằng ở mức độ vừa phải của chất kiềm, yêu cầu nhiệt thấp hơn khoảng 2
kcal/kg clinker, do đó mức tiêu thụ nhiệt tính toán ở trên có thể lên tới 407 kcal/kg
clinker.
Vì nhiên liệu là một trong những thành phần sản xuất đắt nhất của clinker, và các
cuộc đàm phán đề xuất luôn đi kèm với việc mặc cả gần như cho mỗi kcal duy nhất, nên
nhân viên lò nung phải thực hiện các thử nghiệm đốt clinker với khách hàng nguyên liệu
thô, để có thể dựa trên phân tích clinker hoặc nguyên liệu thô - để tính toán yêu cầu nhiệt
lý thuyết. Dựa trên số liệu tiêu thụ nhiệt theo lý thuyết, nhà sản xuất lò nung có thể đảm
bảo số liệu tiêu thụ nhiệt thực tế khi cung cấp hoặc tái cấu trúc cốt liệu lò. Tất nhiên, điều
này cũng đề cập đến các bài kiểm tra chấp nhận.

3.2 Hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt
Khoảng 15 năm trước, các nhà sản xuất xi măng Nhật Bản đã phải đối mặt với
câu hỏi làm thế nào tốt nhất để tăng tỷ lệ sản xuất của các lò sấy sơ bộ hiện có. Như
đã đề cập trước đó, lò nung gia nhiệt của họ đạt đến giới hạn trong các kích thước đã
dẫn đến các vấn đề thiết kế kết cấu và vận hành đáng kể. Những đường kính lò nung
này trở nên lớn đến mức các vấn đề về tuổi thọ vật liệu chịu lửa gây ra thời gian
xuống lò thường xuyên và tốn kém. Sau đó, cũng có những vấn đề về khả năng sử
dụng nhiên liệu cấp thấp trong các lò nung xi măng phải được giải quyết. Trong số
những cân nhắc này đã phát triển các khái niệm về bắn phụ trợ để làm sạch nguyên
22


liệu bên ngoài lò quay. Các lò nung trước về cơ bản là các lò sấy sơ bộ treo được
trang bị hệ thống bắn thứ cấp (thường được gọi là lò flash) gắn liền với tầng dưới của
tháp sấy sơ bộ. Điều này cho phép các nhà sản xuất lò nung xây dựng các lò nung có
đường kính nhỏ hơn mà không phải hy sinh lò nung lò nung, đối với một lò tiền chế
tạo ra lượng clinker nhiều hơn 50-70% so với lò sấy sơ bộ thông thường có đường
kính bằng nhau. Tuy nhiên, một prealciner không hoạt động với tổng mức tiêu thụ
nhiên liệu cụ thể thấp hơn so với lò sấy sơ bộ; các giả định của họ gần giống nhau.

Nhưng bằng cách đốt 30-50% tổng năng lượng đầu vào ở phía sau lò, tải nhiệt trong
vùng đốt thích hợp sẽ giảm tạo ra hiệu ứng có lợi cho tuổi thọ của vật liệu chịu lửa.
Ngoài ra, việc có thể sử dụng nhiên liệu rẻ hơn trong các đơn vị bắn phụ trợ giúp
giảm chi phí cho mỗi đơn vị trọng lượng của clinker. Do đó, mặc dù mức tiêu thụ
năng lượng là như nhau, chi phí cho năng lượng này thường thấp hơn - một yếu tố
quyết định có lợi cho lò nung trước. Như được thảo luận chi tiết hơn, việc đốt cháy
bất kỳ loại nhiên liệu nào cũng cần một lượng không khí nhất định, do đó không khí
này phải được cung cấp cho bộ phận bắn phụ trợ ở phía sau lò. Điều này được thực
hiện theo hai cách, hoặc là không khí đến từ chính lò nung (không có ống cấp ba)
hoặc nó được cung cấp bởi các khí thải dư thừa khổng lồ từ bộ làm mát clinker bằng
ống gió cấp ba chạy song song với lò. Các máy nung không có ống dẫn khí cấp ba có
thể được trang bị bất kỳ loại máy làm mát nào kể cả máy làm mát hành tinh trong khi
lò nung có ống dẫn thứ ba không thể có máy làm mát hành tinh. Các lò có ống dẫn
thứ ba khó kiểm soát hơn đối với người vận hành vì các lò này chứa hai quá trình đốt
riêng biệt và riêng biệt phải được kiểm soát chặt chẽ độc lập. Tuy nhiên, máy lọc
trước không có ống dẫn khí mát có xu hướng tiết kiệm nhiên liệu kém hơn so với loại
khác khi một tỷ lệ lớn khí thoát ra lò phải được bỏ qua trong tháp sấy sơ bộ. Lắp đặt
một ống ar cấp ba cũng rất tốn kém và tạo thành một hạng mục bảo trì cao. Trong
khoảng thời gian ngắn 90 năm, các lò quay đã trải qua những thay đổi lớn. Những cải
tiến lớn về hiệu quả nhiên liệu và công nghệ điều khiển đã được thực hiện và hầu hết
các lò được xây dựng mới đều hoàn toàn tự động và được điều khiển bởi máy tính.
Với mức đánh giá 55%, modem hiệu quả lò nung xi măng dường như đã đạt đến giới
hạn về hiệu quả và sản lượng nhiên liệu đạt được tốt nhất. Các nhà sản xuất lò nung
đã đạt được dấu hiệu tối ưu của lò chưa? Là lò nung lò trước là lò của tương lai? Tác
giả và nhiều kỹ sư xi măng không nghĩ vậy. Công nghệ chưa bao giờ đứng yên trong
thời đại thúc đẩy nhanh chóng những thay đổi công nghiệp. Lò nung xi măng sẽ
không được miễn khỏi xu hướng này. Mặc dù lò nung lò trước là một phần quan trọng
của thiết bị xử lý, nhưng nó có rất nhiều điều ngắn gọn, chẳng hạn như sự khổng lồ
của tòa tháp cao trên lò nung phụ, và có vấn đề điều kiện môi trường. Bởi vì các hệ
thống này rất phức tạp trong các vấn đề kiểm soát và bảo trì, các chuyên gia được đào

tạo tốt hiện đang là một yêu cầu tuyệt đối. Có nhiều khái niệm mới để đốt clanhke xi
23


măng đã được cải tiến bởi vô số kỹ sư tiên tiến. Lò phản ứng tầng chất lỏng, tách đá
vôi từ quá trình nung sơ bộ nguyên liệu khác, bộ sấy sơ bộ du lịch hai giai đoạn chỉ là
một số ý tưởng "kỳ lạ" đã được đưa lên hàng đầu. Có lẽ một trong số đó sẽ là lò nung
của tương lai, vì vậy điều quan trọng là phải giữ một tâm trí cởi mở đối với những ý
tưởng như vậy và không coi chúng là "không thể."
 Hoạt động của xyclone
Bộ preheater treo là cơ sở của tất cả các hệ thống hiện đại. Nguyên liệu thô ở dạng
bột khô được bơm vào khí thải lò nung nóng trong ống dẫn thẳng đứng. Vận tốc khí đi lên
là đủ để bột được nhấc lên và nâng ống dẫn "lơ lửng" trong khí. Bởi vì trao đổi nhiệt xảy
ra trên diện tích bề mặt rộng lớn của các hạt khoáng riêng lẻ, khí và hỗn hợp thô đạt đến
nhiệt độ cân bằng chung trong một phần của giây. Các chất rắn và khí sau đó được tách ra
trong một cơn bão. Quá trình này được lặp đi lặp lại một số lần - thường là ba đến sáu bằng cách xếp các ống dẫn "riser" và lốc xoáy lên nhau trong một tòa tháp. Bằng cách
trao đổi nhiệt lặp đi lặp lại, hầu hết nhiệt trong khí thải lò nung có thể được thu lại, trong
khi làm nóng nguyên liệu đến nhiệt độ nung. Nhiệt như thoát ra khỏi bộ preheater được sử
dụng để làm nóng máy xay thô.
Khái niệm về bộ preheater treo dần dần xuất hiện khi, từ những năm 1920 trở đi,
một số lò bắt đầu được trang bị lốc xoáy để loại bỏ phần lớn bụi từ các lò sấy và đưa nó
trở lại lò.

Hình 3.2 – 4 giai đoạn của lò preheater

24


 Bố trí lò preheater 4 giai đoạn
Nguyên lý hoạt động của tháp trao đổi nhiệt kiểu xyclon như sau. Bột phối liệu được

đưa vào đường ống dẫn nối xyclon bậc II và bậc I. Tại đây bột liệu được hộp tán liệu phân
tán đều vào dòng khí và không khí lọt và đường cấp liệu. Do vận tốc của dòng khí trong
ống dẫn rất lướn so với vận tốc của nó trong xyclon nên bột liệu được cuốn lên trên vào
xyclon bậc I. Dòng khí đi vào xyclon bậc I theo phương tiếp tuyến với thành xyclon, tạo
thành dòng khí xoáy trong xyclon. Do lực ly tâm các hạt bột lieu văng ra chạm vào vào
thành xyclon và mất động lượng và bị tách khỏi dòng khí rơi xuống đáy xyclon.
Mặt khác do dòng khí đi từ đường ống dẫn có tiết diện nhỏ vào xyclon có tiết diện
lớn nên vận tốc dòng khí bị giảm đột ngột, do đó động lượng của dòng khí giảm nên trjng
lực của các hạt bột liệu lớn hơn lực nâng của dòng khí làm cho các hạt bột liệu bị sa lắng.
Trong khí thải đưa ra ngoài nhờ lực hút ID vẫn còn khá nhều bột liệu, chủ yếu là các hạt
mịn không lắng được trong xyclon bậc I, vì vậy nó cần được làm sạch trong thiết bị lọc
bụi trước khi thải ra môi trường.
Từ xyclon bậc I bột liệu rơi vào đường ống dẫn giữa xyclon bậc III và xyclon bậc II
và lại được dòng khí nóng với vận tốc lớn từ cyxlon bậc III cuốn lên vào xyclon bậc II.
Cứ như vậy quá trình sẽ tiếp diễn đến khi bột liệu từ xyclon bậc IV đi vào lò. Trong quá
trình chuyển động từ trên xuống dưới của các ống dẫn trong xyclon, bột liệu được phân
tán trong dòng khí nóng sẽ thu nhiệt của khí và nóng dần lên. Trong khí đó khí nóng
chuyển động từ lò lên đến xyclon bậc I sẽ trao đổi nhiệt cho bột liệu và nguội dần. Về
tổng thể trong toàn bộ tháp trao đổi nhiệt, sự chuyển động giữa bột liệu và dòng khí nóng
là ngược chiều nhau, tuy nhiên trong các ống dẫn thì sự trao đổi nhiệt xảy ra khi dòng khí
và bột liệu và bột liệu chuyển động cùng chiều. Mức độ lắng của bột liệu trong các xyclon
phụ thuộc vào cấu tạo của xyclon, kích thước hạt bột liệu, vận tốc dòng khí,…Một trong
các yếu tố quyết định đến mức độ lắng của bột liệu là đường kính của xyclon. Do lwujc ly
tâm tỷ lệ nghịch với đường kính xyclon nên đường kính xyclon càng nhỏ thì lực ly tâm
càng lớn và mức độ lắng càng lớn.
Đối với tháp trao đổi nhiệt xyclon bốn bậc như trên, khí nóng đi ra từ lò nung có
nhiệt độ khoảng 100°C được đưa vào hệ thống trao đổi nhiệt, khí thải có nhiệt độ khoảng
300 - 350°C đi vào hệ thống lọc bụi và thải ra ngoài trời ở nhiệt độ t = 200 °C . Bột phối
liệu dựa vào ống dẫn giữa xyclon bậc II và bậc I có nhiệt độ khoảng 50 oC , sau quá trình
thay đổi nhiệt với khí nóng được đổi nóng dần lên và đi vào lò nung có thể đạt 800 –

850oC. Ở nhiệt độ này, một phần các hợp chất cacbonat trong phối liệu bị phân huỷ.
Trong hệ thống gia nhiệt xyclon, sự trao đổi nhiệt phụ thuộc vào bề mặt của bột phối
liệu hay phụ thuộc vào kích thước của các hạt nguyên vật liệu, kích thước và cấu tạo của
25