Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm năng lượng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
………WX………

TRẦN THỊ MỸ NGA

NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH
LÒ NUNG GỐM TIẾT KIỆM NĂNG LƯNG

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
MÃ SỐ: 2.10.00

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 01 NAÊM 2004


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TSKH. LÊ XUÂN HẢI

Cán bộ chấm nhận xét 1:

………………………………………………………

Cán bộ chấm nhận xét 2:

………………………………………………………

LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐƯC BẢO VỆ TẠI
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Ngày

tháng

năm 2004


Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
… … … WX … … …

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
… … … WX… … …

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên:

TRẦN THỊ MỸ NGA

Phái: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh:

27/ 02/ 1978

Nơi sinh: Tp. Hồ Chí Minh

Chuyên ngành:

CÔNG NGHỆ HÓA HỌC MSHV: CNHH 12- 015

I.

TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH LÒ NUNG GỐM
TIẾT KIỆM NĂNG LƯNG
II.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Xây dựng mô tả toán học cho lò bông gốm sử dụng LPG
- Mô phỏng sự hoạt động của lò bông gốm
- Xác định chế độ điều khiển tối ưu
- Xây dựng thuật toán và phần mềm tính toán các thông số cấu trúc lò
III.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: …………………………………………………………………….…………………………………….

IV.

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ………………………………….…………………………………………………..

V.

HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TSKH. LÊ XUÂN HẢI

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TSKH. LÊ XUÂN HẢI

CHỦ NHIỆM NGÀNH

BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH

GS.TS. MAI HỮU KHIÊM

Nội dung và đề cương luận văn Thạc só đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông
qua.
Ngày
PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

tháng

năm 2004

KHOA QUẢN LÝ NGÀNH


i

LỜI CẢM ƠN
Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TSKH.
Lê Xuân Hải, Người Thầy đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong việc hoàn
thành luận án này. Sự tận tụy của Thầy là nguồn động viên cho em trong suốt

thời gian thực hiện luận án.

Xin chân thành cảm ơn ThS. Trần Thái Thanh, Ban Giám Đốc cùng
toàn thể Cán bộ nhân viên Công ty Sành Sứ Thuỷ Tinh Việt Nam đã giúp đỡ,
tạo mọi điều kiện cho tôi thực hiện các cuộc khảo sát thực nghiệm và góp ý
cho luận án này.

Em xin cảm ơn các Thầy Cô ở Bộ môn Máy và Thiết Bị Khoa Công
Nghệ Hóa học và Dầu Khí đã động viên và truyền đạt cho em những kiến thức
quý báu trong suốt thời gian ở bậc Đại học và Cao học.

Em xin cảm ơn Thầy Cô trong hội đồng chấm luận án đã dành thời
gian q báu để đọc luận án và cho các nhận xét xác đáng và bổ ích.

Xin chân thành cảm ơn các bạn lớp Cao học hoá K12 đã hỗ trợ giúp
đỡ tôi trong suốt thời gian học Cao học.

Cuối

cùng, xin cảm ơn Gia đình, là nguồn động viên và điểm tựa

vững chắc đã hỗ trợ và tạo cho tôi nghị lực trong suốt quá trình học cũng như
hoàn thành luận án này.

Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm năng lượng


ii

TÓM TẮT

Mục tiêu của đề tài là sử dụng phương pháp mô hình hoá toán học để giải
quyết vấn đề mô phỏng, tính toán thiết kế và quy trình vận hành tối ưu cho lò nung
gốm. Trên cơ sở đó, luận án trình bày những nội dung sau:
−

Chương 1, tổng quan về sản xuất gốm sứ thủ công mỹ nghệ, lò nung gốm

mỹ nghệ và lò bông gốm, phương pháp tiếp cận hệ thống các quá trình công nghệ,
lý thuyết mô phỏng, nghiên cứu ứng dụng máy tính để mô hình hoá và mô phỏng
với sự trợ giúp của ngôn ngữ lập trình bậc cao Matlab.
−

Chương 2, xây dựng mô tả toán học cho lò bông gốm hoạt động gián đoạn

sử dụng nhiên liệu LPG
−

Chương 3, mô phỏng và phân tích quá trình nung trong lò nung gốm sứ mỹ

−

Chương 4, thiết kế sơ bộ lò bông gốm dung tích 48m3 trên cơ sở các kết

nghệ

quả mô phỏng.
−

Chương 5, tính toán một số thông số cơ bản của bộ điều khiển tự động PI

trên cơ sở các kết quả mô phỏng và vận dụng phương pháp thoát ly vùng cấm giải
quyết bài toán tối ưu đa mục tiêu.
−

Phần kết luận và kiến nghị hướng phát triển của đề tài.

Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm năng lượng


iii

ABSTRACT
The aim of this thesis is using mathematical modelling method to simulate,
calculate and determine optimal operation of ceramic kiln. The research content is
composed of:
−

The first chapter of research presents an overview of ceramic

manufacture, ceramic and ceramic fiber kiln. System approach method, simulation
theories, computer simulation and application of computer modelling and
simulation by the Matlab 6.0 software are also studied.
−

In the second chapter, the mathematical modelling of ceramic fiber kiln,

which operates discontinuously and uses LPG as a fuel is established.
−

Simulating to analyse the effect of controlling and structural variables on

firing process is covered at in Chapter 3.
−

In Chapter 4, based on the simulation results, ceramic fiber kiln with 48

cubic meter volume is preliminary designed.
−

In Chapter 5, basis variables of PI controller is calculated based on the

simulation results. In this part, release forbidden area method is also applied to
solve a problem of muti – criterion optimization.
−

Lastly, the conclusion and suggestion are presented.

Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm năng lượng


iv

MỤC LỤC
Trang

Lời mở đầu
Chương 1. Tổng quan .............................................................................1
1.1 Sản xuất gốm sứ mỹ nghệ ở các làng nghề truyền thống Việt Nam.........1
1.2 Lò nung gốm thủ công mỹ nghệ ...............................................................2
1.3 Lò bông gốm .............................................................................................5

1.4 Phương pháp tiếp cận hệ thống các quá trình công nghệ ..........................7
1.4.1 Hệ thống và phân tích hệ thống .........................................................8
1.4.2 Mô hình hóa toán học của đối tượng công nghệ ................................10
1.4.2.1 Toán tử công nghệ .....................................................................10
1.4.2.2 Toán tử quan hệ hàm ................................................................12
1.4.2.3 Sự tương thích của mô tả toán học .............................................13
1.4.2.4 Các phương pháp xây dựng mô tả toán học – Mô hình toán ....14
1.5 Mô phỏng hệ thống ...................................................................................14
1.5.1 Khái niệm ..........................................................................................14
1.5.2 Quy trình mô phỏng ...........................................................................16
1.5.3 Ưu điểm và hạn chế của mô phỏng ...................................................19
1.6 Mô hình hóa và mô phỏng bằng máy tính ................................................19
1.6.1 Sơ bộ về ngôn ngữ lập trình Matlab...................................................20
1.6.2 Mô hình hóa và mô phỏng bằng máy tính các bài toán khoa học......20

Chương 2. Xây dựng mô tả toán học lò bông gốm ........................23
2.1 Cấu trúc và hoạt động của lò bông gốm ...................................................23

Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm năng lượng


v
2.2 Phương pháp mô hình hóa lò bông gốm ....................................................25
2.2.1 Các phương trình bảo toàn vi mô .......................................................25
2.2.1.1 Phương trình bảo toàn khối lượng..............................................25
2.2.1.2 Phương trình bảo toàn nhiệt lượng.............................................26
2.2.2 Các phương trình bảo toàn vó mô .......................................................26
2.2.2.1 Phương trình bảo toàn khối lượng..............................................27
2.2.2.2 Phương trình bảo toàn năng lượng.............................................27
2.2.3 Mô tả toán học của lò bông gốm........................................................29

2.2.3.1 Phương trình bảo toàn dòng vật chất .........................................33
2.2.3.2 Phương trình bảo toàn dòng nhiệt lượng....................................34
2.2.3.3 Các phương trình động học cho các quá trình tham gia vào thành
phần bảo toàn ............................................................................35
2.2.3.4 Các phương trình mô tả quá trình nung trong lò ........................49
2.3 Xây dựng thuật giải mô hình trên cơ sở ngôn ngữ lập trình Matlab.........49
2.4 Kiểm định sự tương thích của mô hình......................................................54

Chương 3. Mô phỏng và Phân tích quá trình nung.......................60
3.1 Mô phỏng hoạt động của lò theo sản phẩm nung .....................................60
3.1.1 Mô phỏng quá trình nung với lượng sản phẩm nung thay đổi...........60
3.1.2 Mô phỏng quá trình nung với các loại sản phẩm nung khác nhau.....64
3.2 Mô phỏng theo kết cấu lò .........................................................................66
3.2.1 Mô phỏng theo bề dày tường, nóc lò bông gốm ................................66
3.2.2 Mô phỏng theo loại vật liệu kết cấu lò ..............................................68
3.3 Mô phỏng quá trình nung theo phương thức điều khiển hoạt động...........69
3.3.1 Mô phỏng khả năng hoạt động của lò 18m3 theo phương thức điều
khiển hoạt động của lò......................................................................70

Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm năng lượng


vi
3.3.2 Mô phỏng khả năng hoạt động của lò 48m3 theo phương thức điều
khiển hoạt động của lò......................................................................76
3.4 Mô phỏng quá trình nung theo chế độ nhiệt độ ........................................79
3.5 Mô phỏng quá trình nung theo chế độ cấp khí α ......................................81

Chương 4. Thiết kế sơ bộ lò bông gốm dung tích 48m3 .............85
4.1 Xác định cấu trúc lò ..................................................................................85

4.2 Xác định công suất béc đốt và kết cấu tường nóc lò .................................87
4.2.1 Xác định kết cấu tường, nóc lò ..........................................................87
4.2.2 Xác định công suất béc đốt ................................................................87

Chương 5. Tính toán một số thông số cơ bản ..................................92
5.1 Xác lập bài toán xác định các thông số đánh giá hoạt động của lò ..........92
5.2 Phương pháp thoát ly vùng cấm ................................................................94
5.3 Phương pháp luân phiên từng biến ............................................................96
5.4 Bài toán tối ưu cho lò bông gốm trên cơ sở phương pháp thoát ly vùng cấm
..................................................................................................................97
KẾT LUẬN ..........................................................................................................101
HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ................................................................103
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................104
PHỤ LỤC ..........................................................................................................108

Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm năng lượng


vii

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1– Các ký hiệu sử dụng trong phần 2.2.3 – Mô tả toán học của lò bông
gốm ...................................................................................................29
Bảng 2.2 – Sự phụ thuộc của khối lượng riêng theo nhiệt độ ..............................58
Bảng 2.3 – Sự phụ thuộc của nhiệt dung riêng theo nhiệt độ ..............................58
Bảng 2.4 – Sự phụ thuộc của hệ số dẫn nhiệt theo nhiệt độ ..............................59
Bảng 2.5 – Các thông số kỹ thuật của lò 48m3 ....................................................59
Bảng 2.6 – Các thông số kỹ thuật của lò 18m3 ....................................................59
Bảng 2.7 – Kết quả nhiệt độ nung mẻ nung thứ nhất với sản phẩm nung đổ rót

đất sét trắng, không men...................................................................57
Bảng 2.8 – Kết quả nhiệt độ nung mẻ nung thứ hai với sản phẩm in, dày nặng
có tráng men ....................................................................................57
Bảng 3.1 – Kết quả mô phỏng quá trình nung của lò 48m3 theo công suất mẻ
nung với loại sản phẩm nung đổ rót, không men ..............................61
Bảng 3.2 – Kết quả mô phỏng quá trình nung của lò 48m3 theo công suất mẻ
nung với loại sản phẩm nung dày, nặng, có tráng men....................63
Bảng 3.3 – Tiêu hao nhiên liệu của mẻ nung theo bề dày tường vòm lò bông
gốm ...................................................................................................67
Bảng 3.4 – Kết quả mô phỏng quá trình nung với các loại vật liệu chịu lửa khác
nhau làm kết cấu lò...........................................................................69
Bảng 3.5 – Kết quả độ sai lệch nhiệt độ giữa đường cong nung tính toán với
đường cong nung quy định trong trường hợp lò 18m3 điều chỉnh thủ
công và điều khiển tự động với sản phẩm nung đổ rót, có men, thời
gian lưu 100 phút (mẻ nung 01) ........................................................71

Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm năng lượng


viii
Bảng 3.6 – Kết quả độ sai lệch nhiệt độ giữa đường cong nung tính toán với
đường cong nung quy định trong trường hợp lò 18m3 điều chỉnh thủ
công và điều khiển tự động với sản phẩm nung đổ rót, có men, thời
gian lưu 30 phút (mẻ nung 02) ..........................................................71
Bảng 3.7 – Kết quả độ sai lệch nhiệt độ giữa đường cong nung tính toán với
đường cong nung quy định trong trường hợp lò 18m3 điều chỉnh thủ
công và điều khiển tự động với sản phẩm nung xoay tay, thời gian
lưu 120 phút (mẻ nung 03) ................................................................71
Bảng 3.8 – Kết quả mô phỏng quá trình nung của lò 18m3 theo phương thức điều
khiển hoạt động.................................................................................72

Bảng 3.9 – Kết quả độ sai lệch nhiệt độ giữa đường cong nung tính toán với
đường cong nung quy định trường hợp lò 48m3 điều chỉnh thủ công và
điều khiển tự động với sản phẩm nung đổ rót, không men, thời gian
nung 1080 phút, thời gian lưu 120 phút .............................................76
Bảng 3.10 – Kết quả mô phỏng quá trình nung của lò 48m3 theo phương thức điều
khiển hoạt động.................................................................................76
Bảng 3.11 – Kết quả mô phỏng quá trình nung theo chế độ nhiệt độ .................80
Bảng 3.12 – Dữ liệu quá trình mô phỏng thay đổi chế độ cấp khí α giai đoạn nhiệt
độ 300 – 5000C.................................................................................81
Bảng 3.13 – Kết quả mô phỏng quá trình nung khi thay đổi chế độ cấp khí α trong
giai đoạn nhiệt độ 300 – 5000C ......................................................82
Bảng 3.14 – Dữ liệu quá trình mô phỏng thay đổi chế độ cấp khí α giai đoạn nhiệt
độ 850 – 10500C ............................................................................83
Bảng 3.15 – Kết quả mô phỏng quá trình nung khi thay đổi chế độ cấp khí α trong
giai đoạn nhiệt độ 850 – 10500C ....................................................83
Bảng 4.1 – Kết quả mô phỏng xác định bề dày bông gốm làm kết cấu lò
48m3 .................................................................................................87
Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm năng lượng


ix

Bảng 4.2 – Kết quả tính cân bằng nhiệt lò 48m3 theo phương pháp cổ điển ......91
Bảng 5.1 – Một số kết quả giải bài toán tối ưu cho sản phẩm đổ rót, trọng lượng
mẻ nung 5170kg................................................................................99

Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm năng lượng


x

DANH SÁCH CÁC HÌNH
Trang
Hình 1.1– Đối tượng công nghệ ..........................................................................11
Hình 1.2a – Toán tử công nghệä ...........................................................................11
Hình 1.2b – Toán tử công nghệ dạng vector .......................................................11
Hình 1.3 – Quy trình mô phỏng ...........................................................................18
Hình 2.1 – Sơ đồ dòng vật chất của lò bông gốm gián đoạn ...............................33
Hình 2.2 – Sơ đồ cấu trúc dòng nhiệt lượng ........................................................34
Hình 2.3 – Sơ đồ khối thuật toán Runghe –Kutta................................................51
Hình 2.4 – Kết quả giải hệ phương trình vi phân ................................................52
Hình 2.5 – Kết quả giải hệ phương trình vi phân ................................................52
Hình 2.6 – Kết quả giải hệ phương trình vi phân ................................................53
Hình 2.7 – Kết quả mô phỏng với sản phẩm nung mỏng, nhẹ, không men.........56
Hình 2.8 – Kết quả mô phỏng với sản phẩm nung dày có tráng men .................56
Hình 3.1 – Ảnh hưởng của công suất mẻ nung đến lượng nhiên liệu tiêu hao
cho một mẻ nung và nhiên liệu tiêu hao tính cho một đơn vị sản phẩm
nung đối với loại sản phẩm nung mỏng nhẹ không men ..................62
Hình 3.2 – Ảnh hưởng của công suất mẻ nung đến nhiên liệu tiêu hao cho một
mẻ nung và tiêu hao nhiên liệu tính cho một đơn vị sản phẩm nung
đối với loại sản phẩm nung dày, nặng, có tráng men ......................63
Hình 3.3 – Kết quả mô phỏng với loại sản phẩm đổ rót không men...................65
Hình 3.4 – Kết quả mô phỏng với loại sản phẩm nung dày tráng men ...............65
Hình 3.5 – Ảnh hưởng của kết cấu tường, nóc lò đến nhiên liệu tiêu hao cho một
mẻ nung.............................................................................................67

Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm năng lượng


xi

Hình 3.6 – Độ chênh lệch nhiệt độ giữa đường cong nung thực với đường cong
nung quy định trong trường hợp lò điều chỉnh thủ công (1) và lò điều
khiển tự động (2) đối với mẻ nung thứ nhất (mẻ nung 01) ...............73
Hình 3.7 – Kết quả mô phỏng quá trình nung của lò 18m3 theo chế độ điều khiển
với sản phẩm nung đổ rót, có men, thời gian lưu dài (mẻ nung thứ
nhất - 01) ...........................................................................................74
Hình 3.8 – Kết quả mô phỏng quá trình nung của lò 18m3 theo chế độ điều
khiển với sản phẩm nung đổ rót, có men, thời gian lưu ngắn (30 phút)
(mẻ nung thứ hai - 02).......................................................................75
Hình 3.9 – Kết quả mô phỏng quá trình nung của lò 18m3 theo chế độ điều khiển
với sản phẩm nung xoay tay, không men (mẻ nung thứ ba - 03) .....75
Hình 3.10 – Kết quả mô phỏng quá trình nung lò 48m3 điều khiển thủ công .....77
Hình 3.11 – Kết quả mô phỏng quá trình nung lò 48m3 có trang bị hệ thống
điều khiển tự động ............................................................................78
Hình 3.12 – Một số quy trình nung thực hiện trong quá trình mô phỏng sự ảnh
hưởng của tốc độ nâng nhiệt độ đến hiệu quả nung gốm..................79
Hình 3.13 – Một số quy trình nung thực hiện trong quá trình mô phỏng sự ảnh
hưởng của tốc độ nâng nhiệt độ đến hiệu quả nung gốm..................80
Hình 3.14 – Một số quy trình nung thực hiện trong quá trình mô phỏng sự ảnh
hưởng của tốc độ nâng nhiệt độ đến hiệu quả nung gốm..................82
Hình 3.15 – Ảnh hưởng của chế độ cấp khí đến lượng nhiên liệu tiêu hao cho một
mẻ nung.............................................................................................83
Hình 4.1 – Trình bày kết quả mô phỏng quá trình nung lò 48m3 với bề dày bông
gốm 225 mm .....................................................................................89
Hình 4.2 – Trình bày kết quả mô phỏng quá trình nung lò 48m3 với bề dày bông
gốm 275 mm .....................................................................................90

Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm năng lượng

xii
Hình 4.3 – Trình bày kết quả mô phỏng quá trình nung lò 48m3 với bề dày bông
gốm 325 mm ....................................................................................90
Hình 5.1 – Điểm không tưởng và vùng cấm trong bài toán tối ưu hai mục tiêu ..95
Hình 5.2 – Phương pháp luân phiên từng biến ....................................................97

Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm năng lượng


xiii

DANH SÁCH CÁC PHỤ LỤC
PHỤ LỤC I − Kết quả mô phỏng quá trình nung theo phương thức điều khiển
chế độ nhiệt độ
Phụ lục I.1 − Kết quả mô phỏng quá trình nung theo chế độ nhiệt độ, thời gian nung
15h, nhiên liệu tiêu hao 985 kg LPG
Phụ lục I.2 − Kết quả mô phỏng quá trình nung theo chế độ nhiệt độ, thời gian nung
15.5h, nhiên liệu tiêu hao 990 kg LPG
Phụ lục I.3 − Kết quả mô phỏng quá trình nung theo chế độ nhiệt độ, thời gian nung
16.5h, nhiên liệu tiêu hao 1031 kg
Phụ lục I.4 − Kết quả mô phỏng quá trình nung theo chế độ nhiệt độ, thời gian nung
17.5h, nhiên liệu tiêu hao 1056 kg LPG
Phụ lục I.5 − Kết quả mô phỏng quá trình nung theo chế độ nhiệt độ, thời gian nung
18h, nhiên liệu tiêu hao 1093 kg LPG
Phụ lục I.6 − Kết quả mô phỏng quá trình nung theo chế độ nhiệt độ, thời gian nung
19h, nhiên liệu tiêu hao 1130 kg LPG
Phụ lục I.7 − Kết quả mô phỏng quá trình nung theo chế độ nhiệt độ, thời gian nung
20h, nhiên liệu tiêu hao 1172kg LPG
Phụ lục I.8 − Kết quả mô phỏng quá trình nung theo chế độ nhiệt độ, thời gian nung
21h nhiên liệu tiêu hao 1218 kg LPG

PHỤ LỤC II – Tính cân bằng nhiệt cho lò nung 48m3 theo phương pháp cổ điển
PHỤ LỤC III – Một số hình ảnh về lò bông gốm dung tích 48m3

Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm năng lượng


xiv

ĐẶT VẤN ĐỀ
Gốm sứ là ngành thủ công mỹ nghệ truyền thống tồn tại hàng ngàn năm ở Việt
Nam. Những năm gần đây cùng với xu thế chung của thế giới, ngành công nghệ sản
xuất gốm sứ đã khởi sắc theo quy luật cạnh tranh cơ chế kinh tế thị trường, từng
bước khẳng định vị trí của mình trong danh mục các mặt hàng góp phần nâng cao
kim ngạch xuất khẩu của cả nước.
Trong công nghệ sản xuất gốm sứ, nung là khâu quyết định chất lượng sản
phẩm và hiệu quả kinh tế kỹ thuật của toàn bộ quá trình. Lò nung là thiết bị trung
tâm, thực hiện quá trình nung ở nhiệt độ cao làm biến đổi các đặc tính hoá lý và cơ
học của sản phẩm nung. Chính vì thế việc nâng cao hiệu quả công nghệ sản xuất
gốm sứ đồng nghóa với việc cải tiến khâu nung đốt đồng thời cũng là hoàn thiện
công nghệ thiết kế, chế tạo và lắp đặt lò nung.
Lò nung gốm truyền thống của Việt Nam nói chung còn quá thủ công lạc hậu
và đang được thay thế dần bởi những loại lò có tính năng ưu việt hơn. Vài năm trở
lại đây, với sự xuất hiện của các lò nung bông gốm sử dụng bông gốm chịu lửa làm
vật liệu xây lò và khí hoá lỏng (LPG) làm nhiên liệu đã mở ra một bước ngoặt mới
trong công nghệ nung đốt. Loại lò nung này đã thể hiện những ưu điểm vượt trội so
với các thế hệ lò nung trước đây như: tiết kiệm nhiên liệu, hiệu suất thu hồi sản
phẩm cao, bảo vệ môi trường… Tuy nhiên các lò bông gốm đều được xây dựng dựa
trên cơ sở kinh nghiệm của các tổ chức chuyển giao công nghệ. Do đó để có thể
khai thác triệt để và phát triển loại lò này cần phải tập trung nghiên cứu sâu hơn và
đầy đủ hơn các khía cạnh sau:

−

Quá trình cháy và trao đổi nhiệt trong lò

−

Quan hệ giữa thể tích lò, kết cấu và thông số cấu trúc lò với các chỉ tiêu
đánh giá chất lượng của lò

Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm năng lượng


xv
−

Hệ thống điều khiển tự động và quy trình vận hành tối ưu.

Việc nghiên cứu thiết kế một đối tượng công nghệ thường dựa trên hai phương
pháp: phương pháp tính toán cổ điển và phương pháp hiện đại dựa trên cơ sở phép
tiếp cận hệ thống. Với phép tiếp cận hệ thống quá trình nghiên cứu đối tượng công
nghệ được thực hiện theo trình tự: xây dựng mô tả toán học cho hệ thống công
nghệ, tiến hành phân tích đánh giá và tìm chế độ hoạt động của hệ thống thông qua
quá trình mô phỏng, giải các bài toán tối ưu được đặt ra…. Ngoài ra có thể giải quyết
bài toán tự động hoá dựa trên mô hình toán, các kết quả mô phỏng với sự hỗ trợ của
công cụ computer và các phần mềm thích hợp.
Do vậy, luận án ”Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm năng
lượng” định hướng vào việc sử dụng phương pháp mô hình hoá toán học để mô
phỏng và nghiên cứu lò nung bông gốm góp phần giải quyết các vấn đề nêu trên
nhằm khai thác và phát triển mở rộng sự ứng dụng hiệu quả của loại lò này cho
ngành sản xuất gốm sứ thủ công mỹ nghệ truyền thống của Việt Nam ở các mặt: tiết

kiệm năng lượng, nâng cao hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trường. Về phương diện
khoa học, luận án này góp phần xây dựng và hoàn chỉnh phương pháp nghiên cứu lò
nung gốm mỹ nghệ bằng phương pháp mô hình hoá và mô phỏng, tạo cơ sở khoa
học cho việc ứng dụng tin học vào việc giải quyết vấn đề nghiên cứu, tính toán thiết
kế và xác định quy trình nung gốm tối ưu trong lò bông gốm tiết kiệm năng lượng.
Đề tài đã kế thừa các nghiên cứu về phương pháp luận tiếp cận hệ thống, mô
hình toán học, các ứng dụng của phần mềm toán học Matlab 6.0, các kinh nghiệm
của các chuyên gia trong lónh vực mô hình hoá, chuyên gia về mô phỏng trên máy
tính, về quá trình nung và chế tạo lò nung gốm mỹ nghệ. Kết quả là đã thiết lập
được mô tả toán học cho lò nung bông gốm, mô phỏng và đánh giá ảnh hưởng của
các yếu tố vận hành và thông số cấu trúc lò đến hiệu quả hoạt động của lò, xác định
được chế độ vận hành tối ưu và góp phần xây dựng hệ thống điều khiển tự động và
Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm năng lượng


xvi
các phần mềm mô hình hoá mô phỏng quá trình nung trong lò nung gốm, thiết kế
mở rộng dung tích lò.

Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm năng lượng


1

Chương

1

TỔNG QUAN
1.1 Sản xuất gốm sứ mỹ nghệ ở các làng nghề truyền thống Việt

Nam
Gốm sứ là ngành thủ công mỹ nghệ truyền thống đã có từ rất lâu đời ở Việt
Nam và hiện đang phát triển mạnh mẽ theo chiều hướng hội nhập quốc tế. Trong
những thập niên cuối của thế kỷ XX, sự phát triển như vũ bão của khoa học công
nghệ, trong đó có công nghệ vật liệu silicat đã dẫn tới những thành công làm thay
đổi hẳn diện mạo của một lónh vực sản xuất xưa nay vẫn gắn liền với những khái
niệm thủ công, thô sơ, nặng nhọc.
Các cơ sở sản xuất của ngành gốm sứ mỹ nghệ Việt Nam hiện nay chủ yếu tập
trung thành các làng nghề ở các địa phương có nghề sản xuất gốm sứ truyền thống.
Ở phía Bắc, các cơ sở sản xuất gốm sứ mỹ nghệ chủ yếu tập trung ở vùng
Quảng Ninh, Thái Bình, làng Cậy (Hải Dương) và làng gốm Bát Tràng (Hà Nội).
Do lợi thế có sẵn nguồn nguyên vật liệu phong phú nên sản phẩm gốm sứ phía Bắc
được sản xuất ở dạng đồ sứ hoặc đồ bán sứ nhiệt độ nung khoảng 1.2500C với các
sản phẩm như: ấm, chén, ly, bát, đóa, bình hoa, lư hương, đồ lưu niệm, sản phẩm
trang trí, tượng, thú… Bát Tràng là khu vực làng nghề mạnh nhất chiếm khoảng 90%
thị phần xuất khẩu của cả khu vực.
Ở phía Nam, các cơ sở sản xuất gốm sứ thủ công mỹ nghệ chủ yếu tập trung ở
vùng Đồng Nai, Bình Dương, Vónh Long. Do đặc thù của nguồn nguyên liệu sẵn có
nên gốm sứ mỹ nghệ phía Nam đa phần được sản xuất ở dạng gốm có nhiệt độ nung

Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm năng lượng


2

thấp khoảng 1.150 – 1.1800C (Đồng Nai, Bình Dương) và xương đất đỏ terracotta
với nhiệt độ nung khoảng 950 – 1.0000C (Vónh Long). Sản phẩm gốm sứ mỹ nghệ
phía Nam cũng rất phong phú, đa dạng về chủng loại nhưng thế mạnh tập trung ở
các sản phẩm gốm vừa và lớn như: các loại chậu trồng hoa, cây cảnh, các loại sản
phẩm sử dụng và trang trí ngoài vườn, các loại tượng thú …

Các sản phẩm gốm sứ mỹ nghệ nước ta chủ yếu là để xuất khẩu. Trước tình
hình cạnh tranh gay gắt hiện nay trên thế giới, việc nâng cao chất lượng và giảm giá
thành sản phẩm đã trở thành yếu tố quyết định sự phát triển của nghề gốm. Điều
này phụ thuộc rất nhiều vào việc hoàn thiện khâu nung đốt, công đoạn cực kỳ hệ
trọng đã được khẳng định bởi kinh nghiệm “nhất liệu, nhì nung”.

1.2 Lò nung gốm thủ công mỹ nghệ
Xét về mặt lịch sử, nghề làm gốm thủ công mỹ nghệ đã tồn tại hàng ngàn năm
nay. Ở Trung Quốc, những sản phẩm gốm đất nung nổi tiếng đã có từ thời Thang,
Kiệt, Trụ (thế kỷ XIX trước công nguyên). Tuy vậy, trong nhiều thế kỷ lò nung gốm
chỉ dừng lại ở đẳng cấp một thiết bị nhiệt đơn giản sử dụng nhiên liệu rắn như củi,
than … Tất cả những phát triển quan trọng nhất về lò nung gốm thủ công mỹ nghệ
thực ra mới diễn ra trong những năm lịch sử cận đại đi cùng với cuộc đại cách mạng
công nghiệp của nhân loại. Bởi thế, với lịch sử của nghề gốm thủ công mỹ nghệ
gần một ngàn năm của Việt Nam có thể thấy nhiều đặc điểm tương đồng về hệ
thống lò nung gốm thủ công giai đoạn trước cách mạng công nghiệp. Chỉ đến giai
đoạn sau này, khi Việt Nam chưa có điều kiện hoà nhập theo sự phát triển của công
nghệ thế giới nghề gốm thủ công mỹ nghệ Việt Nam mới bị rơi vào tình trạng lạc
hậu xét theo khía cạnh thiết bị nung đốt.
Căn cứ vào lịch sử nghề gốm mỹ nghệ có thể xác định bốn thế hệ lò nung gốm
đã được sử dụng ở nhiều nước trên thế giới:

Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm năng lượng


3

−

Thế hệ lò nung thứ nhất:

Thế hệ này bao gồm toàn bộ các loại lò nung thủ công xây bằng gạch có khả
năng chịu nhiệt độ khác nhau (từ loại gạch thường khả năng chịu lửa kém, tới loại lò
gạch chịu được nhiệt độ cao cỡ 1300 – 14000C). Nhiên liệu dùng đốt lò là củi, trấu,
than … Những lò này thường kết cấu đơn giản, có thể có buồng đốt riêng, hoặc đốt
theo cách xếp lẫn than củi với sản phẩm nung. Nhược điểm của loại lò này là khó
vận hành và kiểm soát quá trình nung, thời gian nung kéo dài, hiệu suất thu hồi sản
phẩm và chất lượng sản phẩm thấp, không ổn định, tiêu hao nhiên liệu lớn và đặc
biệt là gây ô nhiễm môi trường. Ngoài ra loại lò này còn yêu cầu phải dùng bao
nung cồng kềnh, tiêu tốn thêm nhiều nhiên liệu.
Thế hệ lò này hiện vẫn còn khá phổ biến ở Việt Nam như lò ống, lò bao đốt
củi, lò hộp đốt than, lò tròn đốt trấu.
−

Thế hệ lò nung thứ hai:

Đặc trưng của thế hệ lò nung này ở chỗ nhiên liệu từ dạng rắn (than, củi)
chuyển sang dạng lỏng (dầu) hoặc dạng khí (khí thiên nhiên, khí lò cốc, khí than
của lò khí hóa, khí hóa lỏng). Cấu trúc lò thay đổi do xuất hiện của các béc đốt
nhiên liệu lỏng hoặc khí thay cho các buồng đốt có ghi đốt nhiên liệu rắn. Loại lò
này dễ vận hành hơn, không gây ô nhiễm môi trường. Các nhiên liệu này khi đốt
cháy không để lại tro xỉ như các loại nhiên liệu rắn khác. Khí thải sinh ra không
mang bụi nên không làm ảnh hưởng đến màu sắc của sản phẩm nung. Thành phần
của khí thải chủ yếu là hơi nước và khí cacbônic không gây ô nhiễm môi trường.
Nhưng loại lò này tiêu hao nhiều nhiên liệu do gạch chịu lửa có khối lượng riêng
lớn, nhiệt dung riêng cao nên lượng nhiệt tổn thất khá lớn do tích lũy ở vỏ lò trong
quá trình nung. Mặt khác gạch chịu lửa có hệ số dẫn nhiệt khá lớn, do vậy lượng
nhiệt tổn thất do truyền ra môi trường xung quanh cũng khá cao. Xét về mặt tiêu

Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm năng lượng

4

hao nhiên liệu, loại lò này chưa đáp ứng được yêu cầu do chi phí năng lượng cho
một đơn vị sản phẩm vẫn còn khá cao.
−

Thế hệ lò nung thứ ba:

Là các loại lò nung gốm được xây lắp bằng các loại vật liệu chịu lửa mới như
gạch chịu lửa xốp cách nhiệt, bông gốm chịu lửa hoặc kết hợp cả gạch xốp và bông
gốm.
Đặc biệt với sự xuất hiện của bông gốm, một loại vật liệu chịu lửa có khối
lượng riêng nhỏ, nhiệt dung riêng thấp, hệ số dẫn nhiệt nhỏ làm giảm tiêu hao
nhiên liệu rất nhiều so với các loại vật liệu chịu lửa truyền thống trước kia.
Trên cơ sở loại lò nung thế hệ thứ ba vận hành thủ công này, lò nung gốm lại
tiếp tục được nghiên cứu, hoàn thiện và đến nay đã xuất hiện những loại lò nung
thuộc thế hệ thứ ba nhưng sử dụng các béc đốt cưỡng bức, hiệu quả sử dụng năng
lượng tốt hơn.
Cả hai thế hệ lò nung thứ hai và thứ ba vẫn còn đang tồn tại ở các làng nghề
gốm mỹ nghệ Việt Nam trong những năm gần đây. Vào đầu những năm 90, Việt
Nam bắt đầu sử dụng lò xây bằng gạch xốp chịu lửa đốt bằng khí hóa lỏng (LPG)
theo mẫu lò nhập từ Đài Loan. Cuộc thay đổi có ý nghóa cách mạng được đánh dấu
bởi các lò bông gốm đầu tiên của Công ty Sành Sứ Thủy Tinh Việt Nam
(VINACEGLASS) chế tạo theo công nghệ của CHLB Đức. Đến nay lò bông gốm
gián đoạn sử dụng LPG dung tích từ 10 m3 tới 18 m3 đã có mặt phổ biến ở các làng
nghề gốm mỹ nghệ từ Bắc tới Nam.
−

Thế hệ lò nung thứ tư:

Nhìn lại ba thế hệ lò nung gốm đã và đang được sử dụng rộng rãi trong ngành
gốm sứ mỹ nghệ trên thế giới và ở Việt Nam, có thể thấy được sự tiến bộ vượt bậc
trong công nghệ chế tạo lò nung. Tuy nhiên, chúng vẫn không ngừng được hoàn
thiện để đáp ứng các yêu cầu của các nhà sản xuất gốm sứ mỹ nghệ nhất là trong
Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm năng lượng


5

thời kỳ kinh tế toàn cầu hóa như hiện nay. Với sự bùng nổ của công nghệ thông tin
và tự động hóa sản xuất cùng với yêu cầu của ngành gốm sứ là phải nung các sản
phẩm có kích thước lớn, mở rộng quy mô sản xuất lớn hơn đồng thời giảm chi phí
trên một đơn vị sản phẩm đến mức thấp nhất đòi hỏi các nhà sản xuất lò nung phải
tiếp tục cải tiến, hoàn thiện lò. Một thế hệ lò nung tiếp theo ra đời, đó là thế hệ lò
nung thứ tư, loại lò hội tụ được các ưu điểm của các thế hệ lò trên đồng thời tận
dụng được những mặt mạnh của các khoa học công nghệ khác như công nghệ phần
mềm và công cụ computer. Đó là thế hệ lò nung gián đoạn thể tích lớn sử dụng vật
liệu bông gốm hoặc gạch xốp, có thể phân bố nhiệt độ tạo ra các vùng (zôn) nung
khác nhau, hệ thống béc đốt cưỡng bức, được điều khiển tự động đơn giản và dễ
dàng nhờ sự hỗ trợ của các thiết bị tin học (computer và phần mềm chuyên dụng).
Sự ra đời của thế hệ lò nung này đã có một sự tác động lớn đến nghề gốm sứ
mỹ nghệ. Từ chỗ người công nhân phải khuân vác, kéo củi thì nay chỉ cần mở van
cấp LPG vào lò; từ chỗ phải khuân hàng chui vào lò khi xếp và bốc dỡ sản phẩm thì
giờ đây chỉ cần đẩy vào, kéo ra các sản phẩm được đặt lên xe goòng; từ chỗ phải
châm lửa, đốt củi, đóng mở van ống khói, điều chỉnh nhiệt độ lò thì ngày nay chỉ
cần nhấp chuột, bấm bàn phím trong phòng điều khiển. Chính vì thế lò nung gốm
thế hệ thứ tư tiết kiệm nhân lực, tiết kiệm diện tích mặt bằng, có tính nhân văn cao
hơn do hướng tới cải thiện điều kiện và phong cách làm việc của người thợ lò và

chính điều đó làm tăng thêm sức hấp dẫn, thuyết phục đối với khách hàng.

1.3 Lò bông gốm
Trên thế giới, lò bông gốm xuất hiện từ sau sự ra đời của một loại vật liệu chịu
lửa mới có khả năng làm giảm tiêu hao năng lượng khoảng 30 – 40% so với các loại
vật liệu chịu lửa truyền thống. Đó chính là bông gốm chịu lửa.
Cùng với sự phát triển nhanh chóng của các loại vật liệu chịu lửa mới, công
nghệ chế tạo lò nung gốm sứ cũng được các nước công nghiệp phát triển như: Đức,
Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm năng lượng


6

Anh, Nhật Bản, Pháp,… nghiên cứu từ những năm 1960 và hoàn thiện từ những năm
1970. Ở các nước đang phát triển, công nghệ sản xuất lò bông gốm cũng bắt đầu
phát triển từ đầu những năm 1970. Ở Đài Loan và Hàn Quốc lò bông gốm bắt đầu
được chế tạo năm 1993 -1994, còn các nước khu vực Đông Nam Á như: Thái Lan,
Philipin, … tiếp nhận công nghệ chế tạo lò bông gốm thông qua tổ chức hợp tác khoa
học kỹ thuật GTZ của CHLB Đức: Philippin (1989) Thái Lan (1991) và Việt Nam
(06/1999). Ở Việt Nam, Công ty Sành Sứ Thủy Tinh Việt Nam, dựa theo công nghệ
của CHLB Đức đã chế tạo thành công lò 5,5 m3 và sau đó là lò bông gốm có dung
tích 10m3 (06/ 1999).
Sau thời gian đưa vào sử dụng thực tế hàng chục lò loại 5,5m3 và 10m3 tại các
cơ sở sản xuất gốm sứ mỹ nghệ ở phía Nam và phía Bắc, kết quả đã được khẳng
định: “Lò bông gốm cho phép tiết kiệm khoảng hơn 30% nhiên liệu, rút ngắn thời
gian nung 2h và thời gian làm nguội 2h so với loại lò lót bằng gạch xốp cùng dung
tích”[9].
Sau thành công của việc chuyển giao công nghệ chế tạo và sử dụng lò nung
bông gốm 5.5m3 và 10m3, nhu cầu lò nung gốm chế tạo từ các panel bông gốm chịu
lửa tăng một cách đột biến. Để đáp ứng nhu cầu nung các sản phẩm lớn, Công ty

Sành Sứ Thuỷ Tinh Việt Nam đã nghiên cứu thiết kế mở rộng thành công lò bông
18m3. Hiện nay, ở các làng nghề gốm sứ mỹ nghệ nước ta, các loại lò gạch truyền
thống đã và đang được thay thế dần bởi loại lò bông gốm này. Tính đến tháng
04/2003, đã có khoảng 100 lò bông gốm được đưa vào sử dụng ở Bình Dương. Ở các
tỉnh phía Bắc, tính đến tháng 06/2003 chỉ riêng làng gốm Bát Tràng đã đưa vào sử
dụng khoảng 120 lò bông gốm dung tích từ 1 - 10m3.
Hiện nay, các lò bông gốm dung tích dưới 18m3 điều chỉnh bằng tay đang được
sử dụng rộng rãi ở khắp các làng nghề sản xuất gốm sứ mỹ nghệ nước ta và cũng
được đánh giá rất cao.

Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm năng lượng