Tài liệu Tìm hiểu quá trình sản xuất ximăng pooclăng và các vấn đề môi trường

Tìm hiểu quá trình sản xuất ximăng pooclăng và các vấn đề môi trường MỞ ĐẦU Công cuộc công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước dưới sự lãnh đạo của Đảng và Nhà nước ta đã đạt được một số thành tựu trên tất cả các lĩnh vực Công nghiệp, Nông nghiệp, Dịch vụ…Trong đó ngành công nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng nói chung và ngành sản xuất ximăng nói riêng là một trong những ngành đóng vai trò quan trọng trong công cuộc này. Ximăng là vật liệu thông dụng nhất trong ngành công nghiệp xây dựng vì chúng là chất kết dính rẻ tiền hơn so với các loại chất kết dính khác. Mặc khác khi sử dụng ximăng lại cho cường độ chịu nén, chịu uốn cao. Ximăng đã có mặt trong đời sống của con người hàng nghìn năm qua và cho đến nay con người vẫn sử dụng nó trong hầu hết các công trình xây dựng. Đất nước ta trải qua hai cuộc chiến tranh tàn phá nên cơ sở hạ tầng còn thấp kém. Do vậy nhu cầu sử dụng ximăng ngày càng tăng khi nước ta bước vào thời kỳ đổi mới tiến tới công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước. Hàng loạt các công trình xây dựng: thuỷ điện, cầu cống, đường xá, các công trình thuỷ lợi, nhà ở…tiêu thụ một lượng ximăng rất lớn. Vì vậy việc tăng sản lượng ximăng nhằm cân đối giữa cung - cầu trong nước, một phần tham gia xuất khẩu đang là mục tiêu của ngành công nghiệp ximăng Việt Nam. Để góp phần thúc đẩy sự tăng trưởng kinh tế của đất nước đồng thời thực hiện được mục tiêu trên thì việc xây dựng các nhà máy ximăng là rất cần thiết. Việc nghiên cứu, học tập kỹ thuật và công nghệ sản xuất ximăng và một số môn học liên quan nhằm giúp cho cán bộ, công nhân bắt đầu làm ximăng nắm vững được cơ sở lý thuyết, quá trình công nghệ và những kinh nghiệm thực tế để nhanh chóng làm chủ công nghệ, làm chủ thiết bị từ đó đưa vào vận hành khai thác an toàn dây chuyền thiết bị có trình độ công nghệ cao mới được đầu tư, phát huy hết công suất thiết kế, góp phần tích cực vào sự nghiệp phát triển kinh tế - xã hội của đất nước. Vì những lý do đó em chọn đề tài “TÌM HIỂU QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT XIMĂNG POOC-LĂNG VÀ CÁC VẤN ĐỀ MÔI TRƯỜNG”. 1 Tìm hiểu quá trình sản xuất ximăng pooclăng và các vấn đề môi trường NỘI DUNG Chương I: SƠ LƯỢC VỀ TÌNH HÌNH VÀ CÁC CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XIMĂNG Lịch sử sản xuất ximăng I. Năm mươi thế kỷ trước, người Ai cập đã dùng rơm trộn với đất sét để tạo ra những viên gạch khô và sử dụng vữa vôi với thạch cao làm chất kết dính để xây dựng các Kim tự tháp. Đến thế kỷ XII, người La Mã đã phát minh ra ximăng La Mã để xây dựng các đấu trường, các đền thờ các vị thần ở Rome mà đến nay vẫn còn làm thế giới kinh ngạc. Vào giữa thế kỷ XVIII, John Smeaton (người Anh) đã tìm ra ximăng thuỷ lực để xây dựng Hải đăng Eddystone nổi tiếng và đến giữa thế kỷ XIX Joseph Aspdin (cũng là người Anh) đã phát minh ra quá trình công nghệ sản xuất ximăng Pooclăng mà nhờ đó các công trình xây dựng ngày càng phát triển hơn, bền vững hơn. Nhờ có ximăng Pooclăng mà ở thế kỷ XX người ta có thể tạo nên các kết cấu xây dựng lớn và vĩ đại như nhà hát Champs Elise ở Paris, đập nước lớn Hoover Dam ở bang Nevada – Mỹ, đập Itaipu ở giữa Brazil – Paraguay – Achentina, đập thuỷ điện Tam Hiệp lớn nhất thế giới ở Trung Quốc và tháp đôi Petronas (cao 458 mét) ở Malaisia. Công trình xây dựng là biểu tượng cho sự phát triển công nghệ của loài người và nó gợi lại giá trị của nền văn minh nhân loại. II. Tình hình sản xuất 1. Trong nước Ở Việt Nam, công nghiệp ximăng đã hình thành và phát triển hơn 100 năm, bắt đầu từ năm 1899 bằng việc xây dựng nhà máy ximăng lò đứng đầu tiên tại Hải Phòng. Từ năm 1924 đến năm 1930 đã xây thêm 3 dây chuyền lò quay phương pháp ướt theo công nghệ của Pháp. Sau ngày hoà bình lập lại, Nhà nước ta đã đầu tư tại nhà máy ximăng Hải Phòng thêm 6 dây chuyền lò quay sản xuất theo phương pháp ướt với thiết bị của F.S.Smidth (Đan Mạch) và công nghệ của Rumani cung cấp. Ở miền Nam năm 1964, nhà máy ximăng Hà Tiên được xây dựng với 2 lò quay phương pháp ướt do hãng Venot- pic của Pháp cung cấp. 2 Tìm hiểu quá trình sản xuất ximăng pooclăng và các vấn đề môi trường Ngay từ năm 1975 sau khi thống nhất, để đáp ứng nhu cầu xây dựng tái thiết và phát triển đất nước, Chính phủ đã quyết định xây dựng thêm các nhà máy ximăng mới có công suất lớn, đầu tiên là nhà máy ximăng Bỉm Sơn (Thanh Hoá) có công suất 1,2 triệu tấn/năm với 2 dây chuyền thiết bị lò quay phương pháp ướt của Liên Xô, sau đó là nhà máy ximăng Hoàng Thạch (Hải Dương) công suất 1,1 triệu tấn/năm với 1 dây chuyền lò quay phương pháp khô hiện đại, thiết bị do Đan Mạch cung cấp. Từ năm 1986 đến nay, công cuộc đổi mới đã tạo đà cho sự phát triển nhanh chóng và mạnh mẽ của đất nước, nhu cầu xây dựng ngày càng tăng đòi hỏi ngành công nghiệp ximăng phải tiếp tục đầu tư và phát triển. Hàng loạt nhà máy ximăng lò quay phương pháp khô hiện đại đã được xây dựng và đi vào sản xuất như nhà máy ximăng Chinfon (Hải Phòng) 1,4 triệu tấn/năm, ximăng Bút Sơn (Hà Nam) 1,4 triệu tấn/năm, ximăng Nghi Sơn (Thanh Hoá) 2,15 triệu tấn/năm, ximăng Hoàng Mai (Nghệ An) 2 triệu tấn/năm, ximăng Vân Xá (Huế) 0,5 triệu tấn/năm, ximăng Sao Mai (Hà Tiên) 1,76 triệu tấn/năm và 55 cơ sở sản xuất ximăng lò đứng ở khắp cả nước với tổng công suất hơn 3 triệu tấn/năm. Bên cạnh đó, các nhà máy cũ cũng được đầu tư mở rộng hoặc cải tạo nâng cấp như ximăng Hoàng Thạch 2 (1,4 triệu tấn/năm), ximăng Bỉm Sơn 2 (1,4 triệu tấn/năm). Sự phát triển của ngành ximăng đã đáp ứng nhu cầu xây dựng ngày càng nhiều của đất nước và đập thuỷ điện Hoà Bình – “công trình thế kỷ”, cầu Thăng Long, cầu Mỹ Thuận, sân vận động quốc gia Mỹ Đình... đã trở thành niềm tự hào của nhân dân ta. Với sự phát triển trên 100 năm, lịch sử của ngành công nghiệp ximăng Việt Nam đã được đánh dấu bằng những sự đổi mới và phát triển rất nhanh cả về quy mô đầu tư, phương thức đầu tư, trình độ công nghệ sản xuất và đáp ứng kịp thời nhu cầu xây dựng và phát triển đất nước theo từng thời kỳ lịch sử. Cũng trong tiến trình phát triển này, việc ứng dụng tiến bộ về khoa học và công nghệ, tiết kiệm năng lượng, tiết kiệm tài nguyên và bảo vệ môi trường, môi sinh luôn được quan tâm; đồng thời việc đào tạo nguồn nhân lực có đủ trình độ kỹ thuật, quản lý để nhanh chóng tiếp nhận, làm chủ công nghệ tiên tiến, hiện đại của công nghiệp ximăng trên thế giới cũng được chú trọng. 2. Thế giới Hiện nay trên thế giới đang sử dụng các công nghệ sản xuất ximăng rất hiện đại, có khả năng tự động hóa rất cao. Có các chủng loại ximăng phổ biến sau: Pooc-lăng thông 3 Tìm hiểu quá trình sản xuất ximăng pooclăng và các vấn đề môi trường dụng (PC), Pooc-lăng hỗn hợp (PBC), Pooc-lăng puzolan, Pooc-lăng xỉ lò cao, Pooclăng bền sunphat, Pooc-lăng mac cao, Pooc-lăng đóng rắn nhanh, Pooc-lăng giãn nở, Pooc-lăng dành cho xeo tấm lợp uốn sóng amiăng - ximăng, Pooc-lăng cho bêtông mặt đường bộ và sân bay, ximăng alumin, ximăng chống phóng xạ, ximăng chịu axit, ximăng chịu lửa,… Vào năm 2010, sản lượng ximăng của thế giới là 3,3 tỉ tấn. Ba nước sản xuất ximăng nhiều nhất thế giới cũng chính là 3 quốc gia đông dân nhất hành tinh: CHND Trung Hoa (1,8 tỉ), Ấn Độ (220 triệu) và Hoa Kỳ (63,5 triệu), chiếm hơn một nửa tổng sản lượng ximăng thế giới. Đối với trữ lượng ximăng, 3 nước này cũng đứng đầu thế giới với tổng trữ lượng gần bằng một nửa tổng trữ lượng trên thế giới. III. Sơ lược các công nghệ sản xuất ximăng Từ trước tới nay có các công nghệ sản xuất (CNSX) ximăng chủ yếu là: CNSX ximăng lò đứng, lò quay khô, lò quay ướt. Nhưng các phương pháp lò đứng đã lạc hậu mà chủ yếu là dùng lò quay khô. Các công nghệ (CN) được trình bày ở bảng dưới: Chỉ tiêu 1. Nguyên lí làm việc CN lò đứng - Làm việc gián đoạn CN lò quay ướt - Làm việc liên tục CN lò quay khô - Làm việc liên tục - Phối liệu được cấp vào - Phối liệu được nạp từ đầu - Tương tự lò quay theo từng mẻ, đi từ trên cao của lò, đảo trộn đều ướt xuống theo vòng quay của lò - Quá trình tạo khoáng - Quá trình tạo khoáng - Tương tự lò quay diễn ra theo chiều cao của được diễn ra theo chiều dài ướt lò và trong từng viên phối lò liệu - Công suất lớn ( có thể đạt 3000-5800 ngày 4 tấn clinker/ - Tương tự lò quay ướt Tìm hiểu quá trình sản xuất ximăng pooclăng và các vấn đề môi trường 2. - Đá vôi, đất sét, phụ gia, - Tương tự công nghệ lò - Tương tự công Phối liệu xỉ pirit đứng nghệ lò đứng - Thêm phụ gia khoáng - Phối liệu nghiền với - Phối liệu đưa vào hóa photphorit ở dạng nước dạng bùn nhão, độ dạng bột mịn, độ 3. Nhiên liệu viên, độ ẩm 14%, trộn lẫn ẩm 40% ẩm 1-2% tạo thành vào nhau viên - Chỉ dùng nhiên liệu rắn ( - Có thể dùng than hoặc - Tương tự lò quay than) ướt - Tiêu tốn nhiều nhiên liệu - Tiêu tốn nhiên liệu trên 1 - Tiêu tốn nhiên liệu trên 1 đơn vị sản phẩm lớn 4. dầu, khí - Sử dụng lò đứng đơn vị sản phẩm là lớn trên 1 đơn vị sản nhất phẩm là nhỏ nhất - Sử dụng lò quay - Sử dụng lò quay Quá - Phải trải qua giai đoạn - Tương tự lò đứng - Lò quay khô có hệ trình sấy giảm độ ẩm từ 40% thống trao đổi nhiệt, nung xuống 2% tháp xyclon - Nhiệt độ lò rất khó đạt - Nhiệt độ nung 1450ºC - Tương tự lò quay 5. Nhiệt độ và tới 1450ºC chất - Chất lượng không tốt và và ổn định - Chất lượng tốt và ổn định ổn định lượng 6. Mức độ - Chất lượng sản phẩm tốt ướt - Lượng khí thải gây ô - Lượng khí thải gây ô - Lượng khí thải nhiễm lớn. Đặc biệt thải ra nhiễm là lớn nhất do sử gây ô nhiễm là nhỏ gây ô 1 lượng HF- chất khí rất dụng rất nhiều nhiên liệu nhiễm độc hại, cần công nghệ xử lí hiện đại, chi phí cao 5 nhất Tìm hiểu quá trình sản xuất ximăng pooclăng và các vấn đề môi trường 1. Lò quay nung clinker theo phương pháp ướt Lò quay nung clinker theo phương pháp ướt còn gọi là lò quay có thiết bị trao đổi nhiệt bên trong. Nó là 1 ống kim loại hình trụ rỗng, đặt nghiêng 1 góc α so với mặt phẳng ngang, α ~ 3o – 5o, tỉ lệ L/D ~ 30 - 40 lần (L: chiều dài, D: đường kính). Lò quay phương pháp ướt thường có các loại sau: D × L = 3 × 100m; 3,6 × 120m ; 4 × 150m ; 5× 185m 7 × 270m. Lò có kích thước khác nhau sẽ có năng suất khác nhau. Toàn bộ chiều dài lò được đặt trên hệ thống bệ đỡ có con lăn và đặt trên các trụ lò bằng bê tông. Lò chia làm 6 vùng: - Vùng sấy và đốt nóng chiếm 50 – 60% chiều dài - Vùng phân hủy chiếm 20 – 23% chiều dài - Vùng tỏa nhiệt chiếm 5 – 7% chiều dài - Vùng kết khối chiếm 10 – 15% chiều dài - Vùng làm lạnh chiếm 2 – 4% chiều dài Phối liệu được nạp vào lò, chuyển động theo chiều dài của lò, chủ yếu là trượt trên bề mặt trong của lò. Thời gian vật liệu lưu trong lò vào khoảng 3 – 6 giờ. Nguyên liệu 1 2 3 Nhiên liệu ko khí clinker Hình 1. Lò quay nung ximăng 1. Bộ phận nạp nguyên liệu ; 2. Lò quay ; 3. Phần làm nguội sản phẩm Lò quay làm việc theo nguyên tắc ngược chiều: phối liệu vào đầu cao ( đầu lạnh ) của lò, clinker ra đầu thấp (đầu nóng) của lò, nhiên liệu và không khí đi vào đầu thấp của lò, quá trình cháy và sự trao đổi nhiệt xảy ra theo chiều dài của lò, cuối cùng khí 6 Tìm hiểu quá trình sản xuất ximăng pooclăng và các vấn đề môi trường thải được đi ra phía đầu cao của lò. Nguyên, nhiên liệu đi ngược chiều nhau, kết quả nguyên liệu được đốt nóng từ nhiệt độ thường đến nhiệt độ kết khối, còn khí nóng có nhiệt độ giảm dần theo chiều dài lò ra ống khói, nhiệt độ khí thải khoảng 200 – 3000oC. Để tăng hiệu quả trao đổi nhiệt trong lò người ta thường bố trí các thiết bị trao đổi nhiệt bên trong lò như: xích trao đổi nhiệt, các tấm kim loại trao đổi nhiệt ở các dôn như dôn sấy, dôn đốt nóng, dôn phân hủy, phổ biến là xích trao đổi nhiệt. 2. Lò quay nung clinker ximăng theo phương pháp khô Lò quay nung clinker ximăng theo phương pháp khô về cấu tạo thân lò và nguyên tắc làm việc ngược chiều như lò quay phương pháp ướt. Tuy nhiên cũng có những điểm khác nhau: kích thước lò rất ngắn so với lò phương pháp ướt, tỉ lệ L/D ~ 15 - 17 lần, phổ biến là loại lò có kích thước: D × L ~ 3,5 × 50m ; 4 × 60m; 5 × 75m. h 3. Lò đứng nung clinker ximăng Lò đứng là 1 ống hình trụ đứng rỗng, ngoài là vỏ thép, trong lót gạch chịu lửa. Chiều cao (H) và đường kính lò (D) thường có tỉ lệ xác định H/D = 3,5 - 4 lần, tùy theo kích thước lò mà có năng suất khác nhau, để tăng hiệu quả sấy thường mở rộng dôn sấy. Lò đứng cơ khí hóa cao thường có thiết bị nạp liệu, tháo clinker hoàn toàn tự động. Bột phối liệu từ silô chứa vào thiết bị làm ẩm, tạo viên, chuyển xuống thiết bị nạp liệu vào lò và quá trình nung luyện được tiến hành trong lò đứng tương tự trong lò quay. Dựa vào chiều cao lò, nhiệt độ nung mà phân chia lò đứng thành 3 hoặc 4 dôn, phổ biến hơn là 3 dôn: dôn sấy, dôn nung và dôn làm lạnh. 7 Tìm hiểu quá trình sản xuất ximăng pooclăng và các vấn đề môi trường Chương II: QUY TRÌNH SẢN XUẤT XIMĂNG Thành phần hóa học của clinker I. Clinker là bán sản phẩm trong quá trình sản xuất xi măng. Clinker được sản xuất bằng cách nung kết hợp hỗn hợp nguyên liệu đá vôi, đất sét và quặng sắt với thành phần xác định đã được định trước, clinker có dạng cục sỏi nhỏ, kích thước 10-50mm. Thành phần chính Tỉ lệ (%) Tạp chất Tỉ lệ (%) CaO 63 – 67 MgO 1–5 SiO2 21 – 24 SO3 0.1 – 2.5 Al2O3 4–7 P2O5 0 – 1.5 Fe2O3 2,5 – 4 Mn2O3 0–3 TiO2 0 – 0.5 K2O + Na2O 0–1 Nguyên liệu được pha trộn theo tỷ lệ xác định rồi đem nung ở nhiệt độ cao khoảng 1450 – 14550C nhằm tạo hợp chất chứa thành phần pha cần thiết (gồm các loại khoáng và pha thủy tinh). Các oxit chính phản ứng tạo thành khoáng cần thiết. Một phần nguyên liệu không phản ứng nằm trong pha thủy tinh hoặc ở dạng tự do. Ngoài ra clinker còn chứa những khoáng khác do tạp chất phản ứng tạo nên trong quá trình nung. Khoáng chính Tên khoáng Công thức HH Kí hiệu Thành phần % Alít 3CaO.SiO2 C3S 40 – 60 Belít 2CaO.SiO2 C2S 15 – 35 Tricanxi Aluminat 3CaO.Al2O3 C3A 4 – 14 Aluminoferit Canxi 4CaO.Al2O3.Fe2O3 C4AF 10 – 18 8 Khoáng phụ Tìm hiểu quá trình sản xuất ximăng pooclăng và các vấn đề môi trường Aluminat Alkali (K.Na)2O.8CaO.3Al2O3 Sunfat Alkali (K.Na)2SO4 (KN)2C8A3 0–1 0–1 Alumo Manganat 4CaO.Al2O3.Mn2O3 Canxi 0–3 Sunfat Canxi 0–2 CaSO4 Trong đó C3S quyết định chất lượng ximăng, bởi vì C3S đóng rắn nhanh, cho cường độ chịu nén cao. C3S chỉ hình thành trong quá trình nung luyện trên cơ sở các khoáng khác đã tạo thành pha lỏng. II. Các hệ số đặc trưng của clinker xi măng Tính chất của xi măng phụ thuộc vào thành phần khoáng clinker. Thành phần khoáng lại liên quan chặt chẽ với hàm lượng các oxit tham gia phản ứng. Bởi vậy các nhà hóa học xi măng đã đưa ra các khái niệm về hệ số đặc trưng của clinker. Các khái niệm này được sử dụng không thay đổi cho tới ngày nay vì chúng có ý nghĩa vừa định tính vừa định lượng, vừa có tính lý thuyết, vừa có ý nghĩa thực tiễn. Đáng chú ý là các hệ số sau: - Hệ số bão hòa vôi - Mô đun silicat - Mô đun aluminat 1. Biểu diễn quan hệ giữa các oxit bằng các hệ số 1.1. Hệ số bão hoà vôi Theo công thức của V.A. Kind, hệ số bão hòa vôi (KH) là tỷ lệ của lượng CaO còn lại trong clinker sau khi đã liên kết đủ với Al2O3 , Fe2O3 và SO3 so với lượng CaO cần thiết đủ liên kết với tất cả lượng SiO2 để tạo thành khoáng C3S: KH = CaO -1, 65 Al2O3 - 0, 35Fe2O3 - 0, 7 SO3 2,8SiO2 9 Tìm hiểu quá trình sản xuất ximăng pooclăng và các vấn đề môi trường Theo công thức của Lea và Parker thì hệ số bão hòa vôi (LSF) là tỷ lệ giữa hàm lượng CaO có trong clinker so với lượng CaO cần thiết đủ để liên kết với SiO2 để tạo thành C3S, với Al2O3 và Fe2O3 để tạo thành C3A và C4AF: LSF = CaO  100% 2,8SiO2 + 1,18 Al2O3 + 0,65Fe2O3 Khi hệ số bão hoà vôi càng lớn thì khả năng tạo thành C3S càng nhiều. Đối với các loại ximăng pooclăng thông thường thì KH luôn nhỏ hơn 1 (từ 0,86  0,95) và LSF luôn nhỏ hơn 100 (từ 85  100). 1.2. Mô đun Silic (SR) Đặc trưng cho tỷ lệ giữa pha rắn (các khoáng silicat) và pha lỏng nóng chảy (các khoáng aluminat và alumo ferit) có trong clinker ở nhiệt độ cao, được biểu thị bằng công thức: SR = % SiO2 % Al2O3 + % Fe2O3 Khi SR càng cao thì pha lỏng nóng chảy càng ít, clinker càng khó kết luyện. Đối với xi măng pooclăng thông dụng: 1.3. 1,7 < SR < 2,5 Mô đun Aluminat (AR) Đặc trưng cho độ nhớt của pha lỏng nóng chảy của clinker, được biểu thị bằng công thức: AR = % Al2O3 % Fe2O3 Khi AR càng cao thì pha lỏng nóng chảy có độ nhớt càng lớn, phản ứng tạo khoáng C3S càng khó. Đối với xi măng pooclăng thông dụng: 1,0 < AR < 2 2. Hình dáng cấu trúc của các khoáng clinker 10 Tìm hiểu quá trình sản xuất ximăng pooclăng và các vấn đề môi trường Khoáng Alít (C54S16AM) Khoáng Belit (-C2S) Hình 2. Hình dáng cấu trúc của khoáng clinker III. Quá trình sản xuất ximăng 1. Nguyên liệu, nhiên liệu, năng lượng dùng cho sản xuất ximăng 1.1. Nguyên liệu - Đất sét (cung cấp SiO2, Al2O3 ): đất sét làm nguyên liệu ximăng không đòi hỏi cao như đất sét làm nguyên liệu gốm sứ.Yêu cầu kĩ thuật chính ở đây là đảm bảo thành phần hóa học ( hàm lượng SiO2, Al2O3) trong một phạm vi nhất định. Các tạp chất trong đất sét như cát, tràng thạch, đá vôi, chất hữu cơ vẫn được chấp nhận trong phạm vi tương đối rộng.Thường sử dụng đất sét bãi sông, đất sét ruộng, phiến thạch sét (đất đồi), đất sét vôi,… - Đá vôi (cung cấp CaO): thường là loại đá vôi có hàm lượng CaO cao. Cũng có thể sử dụng đá phấn, đá vôi sét… và cần khống chế tạp chất có hại MgO < 5% vì MgO sẽ gây mất ổn định thể tích của ximăng khi đóng rắn. + Đá vôi Dvon Trung D2: hạt nhỏ, mịn, đồng nhất (thành phần hỗn hợp: CaO ≥5 % ; MgO ≤ 1%) + Đá vôi cacbon Trung Pecni: hạt rất nhỏ, mịn, màu xám (thành phần hỗn hợp : CaO ≥ 50% ; MgO ≤ 1,5%) 11 Tìm hiểu quá trình sản xuất ximăng pooclăng và các vấn đề môi trường + Đá vôi Triat Trung T2: màu đen hoặc màu xám sáng hạt nhỏ (thành phần hỗn hợp CaO > 48,8% - 54% ; MgO ~ 0,4 – 2,83%) - Quặng sắt (cung cấp Fe2O3 ) : sử dụng loại quặng getit ( Fe2O3.H2O) hoặc loại quặng limonit (Fe2O3.n H2O). Loại có hàm lượng Fe2O3 ít nhất (25-45%) ở dạng sỏi đỏ lẫn sét và thạch anh là quặng latenit. - Các loại phụ đưa vào hỗn hợp ximăng trong giai đoạn nghiền clinker nhằm điều chỉnh tốc độ đóng rắn của ximăng (như thạch cao) và để hạ giá thành sản phẩm (như xỉ lò cao, xỉ nhiệt điện, cát, đá silic, đá vôi…) - Nguyên liệu phụ để điều chỉnh thành phần hóa học của phối liệu như quartzit phong hóa, diatomic để tăng hàm lượng SiO2, boxit để tăng Al2O3, xỉ pyrit (phế thải công nghiệp super photphat) để tăng Fe2O3. 1.2. Nhiên liệu Để cung cấp nhiệt cho quá trình phân huỷ đá vôi, sét, phụ gia thành các oxit và tạo ra điều kiện nhiệt độ cao để xảy ra phản ứng giữa các oxit với nhau tạo thành các khoáng của clinker, cần phải đốt nhiên liệu để nung nóng phối liệu đến nhiệt độ 1450 1500oC. Chất lượng nhiên liệu ảnh hưởng quyết định đến quá trình nung, vì vậy cần phải chọn loại nhiên liệu phù hợp với điều kiện thiết bị công nghệ của từng nhà máy cụ thể. Nhiên liệu tốt nhất là khí thiên nhiên (chứa chủ yếu là khí metan - CH4) vì dễ cháy, thiết bị đốt đơn giản, nhiệt lượng cao và không có tro. Nhiên liệu tốt thứ 2 là nhiên liệu lỏng (thường dùng dầu FO) cũng có nhiệt lượng cao (hơn 9000 kcal/kg) và không có tro, dễ cháy, nhưng thiết bị đốt phức tạp hơn và phải có bộ phận hâm sấy. Loại nhiên liệu thứ ba không có các ưu điểm như hai loại trên nhưng lại được dùng phổ biến nhất là nhiên liệu rắn (thường dùng than antraxit có chứa 75  85% cacbon, có nhiệt lượng từ 6000  7000 kcal/kg). Sau khi than cháy để lại khoảng 15  25% tro, có thành phần hoá học gần giống thành phần của sét đã nung (SiO2 ~ 58  68%, Al2O3 ~ 23  28%, Fe2O3 ~ 3  8 % và một ít tạp chất khác). Ở Việt Nam trước năm 1995 sử dụng hỗn hợp than nâu Trung Quốc hoặc than mỡ Autralia với than antraxit Quảng Ninh tại nhà máy ximăng Hải Phòng, hỗn hợp than 12 Tìm hiểu quá trình sản xuất ximăng pooclăng và các vấn đề môi trường cám 3 Quảng Ninh với than Na Dương Lào Cai tại nhà máy ximăng Bỉm Sơn, dầu FO tại nhà máy ximăng Hà Tiên…Tuy nhiên sử dụng than làm nhiên liệu phức tạp hơn dầu hoặc khí vì than phải được nghiền thật mịn và được phun vào lò (đối với lò quay) hoặc nghiền cùng với phối liệu (đối với lò đứng). Mặt khác, lượng tro than còn lại sau khi cháy cũng tham gia vào phản ứng tạo khoáng clinker nên khi tính toán phối liệu phải coi nó như 1 cấu tử nguyên liệu và cần khống chế đúng tỷ lệ yêu cầu trong quá trình sản xuất. Đối với công nghệ sản xuất ximăng bằng lò quay phương pháp khô, cần sử dụng loại than có hàm lượng tro ít, nhiệt lượng cao và hàm lượng lưu huỳnh (tạo ra SO3 độc hại) càng thấp càng tốt. Hiện nay hầu hết các nhà máy đều quy định chỉ sử dụng than cám có chất lượng tốt, ví dụ nên dùng than cám Hòn Gai có mức chất lượng từ 3C- HG trở lên (có trị số tỏa nhiệt toàn phần khô Qk > 6500 kcal/kg, hàm lượng tro Ak < 20%, chất bốc khô trung bình Vk 6 - 8%, hàm lượng lưu huỳnh Sk < 0,8%). 1.3. Năng lượng Trong công nghiệp sản xuất ximăng sử dụng một lượng rất lớn năng lượng, chủ yếu là điện năng. Điện năng cung cấp năng lượng để vận hành các thiết bị trong dây chuyền ( lò quay, băng tải, quạt phân ly…). Tính trung bình năng lượng dùng trong sản xuất ximăng khoảng 85÷95 Kwh/tấn ximăng. Tùy theo công suất của mỗi nhà máy mà lượng điện năng tiêu thụ khác nhau. Có một số nhà máy xây dựng đường điện riêng phục vụ cho sản xuất như nhà máy ximăng Hoàng Thạch, ximăng ChinFon Hải Phòng… 2. Quá trình hóa lý xảy ra khi nung clinker Phối liệu từ khi vào lò tới khi ra lò (trải qua quá trình tăng nhiệt độ từ nhiệt độ bình thường tới khi đạt nhiệt độ kết khối, rồi sau đó nguội dần tới nhiệt độ bình thường) có nhiều biến đổi hóa lý phức tạp qua nhiều giai đoạn. Có thể chia các giai đoạn phản ứng một cách tương đối như sau: 2.1. Giai đoạn nung nóng và sấy khô phối liệu Khi nhiệt độ của phối liệu được nâng dần từ nhiệt bình thường tới khoảng 250 3000C là quá trình khử nước lý học, nung nóng phối liệu và lúc này có thể xảy ra một 13 Tìm hiểu quá trình sản xuất ximăng pooclăng và các vấn đề môi trường vài loại phản ứng hóa học nhưng không ảnh hưởng lớn tới quá trình tạo khoáng clinker sau này. Trong công nghệ sản xuất clinker bằng lò quay phương pháp khô có hệ thống tháp trao đổi nhiệt xyclon, giai đoạn này xảy ra ở xyclon cấp I, tại đó bột phối liệu được trộn lẫn với dòng khí nóng có nhiệt độ 450 – 5000C từ dưới đi lên và truyền nhiệt cho bột phối liệu. Sau đó bột phối liệu nóng được tách ra khỏi dòng khí (nhờ lực ly tâm) và chảy xuống xyclon cấp II. Hình 3. Hệ thống trao đổi nhiệt xyclon 2.2. Giai đoạn phân hủy các khoáng sét Khi nhiệt độ tăng dần, các loại khoáng sét như caolinit, montmorilonit, ilit,…trong đó chủ yếu là caolinit (Al2O3.2SiO2.2H2O) sẽ bị phân hủy. Nhiệt độ khử nước của caolinit chủ yếu phụ thuộc vào cấu trúc tự nhiên của nó: caolinit cấu trúc phân tán mịn dễ dàng khử nước ở 300 - 4200C, loại caolinit tinh thể thô phải nâng cao nhiệt độ tới 475 - 5050C. Khi nhiệt độ lên đến 500 - 6000C thì caolinit không còn nước kết tinh, chuyển sang meta caolinit, nếu tăng thêm nhiệt độ thì một phần phân hủy thành dạng vô định hình Al2O3 và SiO2 có hoạt tính: 500-600 C 900 C Al 2O3.2SiO2 .2H 2O ⎯⎯⎯⎯ → Al 2O3.2SiO 2 ⎯⎯⎯ → Al 2O3 + 2SiO 2 0 0 14 Tìm hiểu quá trình sản xuất ximăng pooclăng và các vấn đề môi trường Trong công nghệ sản xuất clinker bằng lò quay phương pháp khô, giai đoạn này xảy ra ở xyclon cấp II và cấp III, tại đó bột phối liệu được trộn lẫn với dòng khí nóng có nhiệt độ 500 – 9000C từ dưới đi lên và truyền nhiệt cho bột liệu. Quá trình này tương tự như ở xyclon cấp I, bột liệu được nâng nhiệt dần và xảy ra các phản ứng phân huỷ khoáng sét và một phần khoáng cacbonat, được tách ra khỏi dòng khí (nhờ lực ly tâm) và chảy xuống xyclon cấp IV hoặc vào thiết bị tiền nung. 2.3. Giai đoạn phân hủy cacbonat Khi nung phối liệu ximăng, đá vôi (thành phần khoáng là canxi cacbonat CaCO3) bị 600-900 C → CaO + CO2 phân hủy nhiệt theo phản ứng: CaCO3 ⎯⎯⎯⎯ o Đây là phản ứng dị thể thuận nghịch, nếu khống chế tốt các điều kiện, phản ứng có thể xảy ra hoàn toàn. Theo lý thuyết, CaCO3 bắt đầu phân hủy ở 6000C, mạnh nhất ở 9000C. Trong thực tế nhiệt độ bắt đầu phân hủy CaCO3 trên 6000C nhưng rất chậm, phân hủy mạnh ở 750 - 9000C và mãnh liệt trên 9000C. Một số yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phân giải của CaCO3 là: + Nhiệt độ tăng cao, tốc độ phản ứng nhanh. + Giảm áp lực riêng phần CO2 sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho phân hủy CaCO3. + Khoáng canxi kết tinh thô, hạt to, thì tốc độ phân giải chậm và ngược lại. 2.4. Giai đoạn phản ứng ở pha rắn Trong quá trình sét và đá vôi phân hủy, các oxit mới sinh lập tức phản ứng với nhau hình thành khoáng clinker. Trước hết là sự hình thành canxi aluminat (CA) ở nhiệt độ khoảng 7000C, sau đó CA kết hợp với CaO ở 900 - 10000C để chuyển thành C5A3 và cuối cùng tạo thành C3A ở 12000C. Sự tạo thành ferit có nhiều ý kiến khác nhau, nhưng đa số cho rằng ở khoảng nhiệt độ trên 7000C đã có phản ứng giữa CaO và Fe2O3 tạo thành C2F, sau đó kết hợp thêm CaO và Al2O3 hình thành C4AF. Nhiều công trình nghiên cứu cho rằng các khoáng ferit tạo thành một dãy dung dịch rắn C6A2F - C4AF - C6AF2, mà công thức khoáng đại diện của nó là C4AF (tetracanxi alumo ferit). 15 Tìm hiểu quá trình sản xuất ximăng pooclăng và các vấn đề môi trường Từ trên 7000C bắt đầu phản ứng của CaO với SiO2 tạo thành đicanxi silicat (C2S). Quá trình trên có thể đơn giản hóa bằng các phương trình phản ứng như sau: 3CaO + Al 2O ⎯⎯ → 3CaO.Al 2O3 ⎯⎯ → 4CaO + Al 2O3 + Fe 2O3 2CaO + SiO2 ⎯⎯ → 4CaO.Al 2O3.Fe 2O3 2CaO.SiO2 Từ nhiệt độ 10000C tới 1200 - 12500C C3A và C4AF tiếp tục được tạo thành và C2S đạt tới hàm lượng lớn nhất, trước khi C2S tham gia phản ứng với CaO của giai đoạn tiếp theo. Giai đoạn phản ứng pha rắn thực tế đã bắt đầu ngay trong hệ thống trao đổi nhiệt xyclon, trong thiết bị tiền nung và tiếp tục xảy ra trong lò quay. 2.5. Giai đoạn phản ứng tạo khoáng C3S khi xuất hiện pha lỏng Phản ứng giữa SiO2 và CaO trước hết tạo thành C2S rồi sau đó kết hợp tiếp với CaO mới sinh để chuyển thành C3S, là một khoáng clinker chính tạo cho đá ximăng có cường độ ban đầu cao và phát triển cường độ nhanh. Điều kiện để phản ứng C2S kết hợp với CaO thành C3S là sự xuất hiện của pha lỏng. Khi pha lỏng xuất hiện thì C2S, CaO bắt đầu hòa tan vào pha lỏng và kết hợp với nhau thành C3S theo phản ứng sau: (1250-1450 C) pha long C2Shòa tan + CaO hòa tan ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ → 3CaO.SiO2 (ket tinh) o Lượng pha lỏng và độ nhớt của pha lỏng ảnh hưởng rất lớn đến sự tạo thành C 3S. Các cation có tác dụng làm giảm độ nhớt của pha lỏng được sắp xếp theo thứ tự: K+ < Na+ < Ba2+ < Sr2+ < Ca2+ < Mg2+ < Fe2+ < Mn2+ Như vậy, các cation Fe2+ và Mn2+ có tác dụng làm giảm độ nhớt nhiều nhất. Vì thế trong phối liệu clinker ximăng pooclăng nếu thiếu Fe2O3 người ta phải sử dụng phụ gia giàu sắt để điều chỉnh. Trên thực tế ở Việt Nam, nguồn nguyên liệu của tất cả các nhà máy ximăng đều thiếu Fe2O3, vì vậy phụ gia giàu sắt (quặng sắt hoặc xỉ pyrit, laterit) là phụ gia không thể thiếu trong sản xuất clinker ximăng pooclăng. Trong lò quay nung clinker ximăng, giai đoạn phản ứng pha lỏng để tạo khoáng C3S xảy ra ở nhiệt độ cao nhất (1350 – 1500oC) và tại đó được gọi là dôn nung. Quá trình 16 Tìm hiểu quá trình sản xuất ximăng pooclăng và các vấn đề môi trường này cần khoảng thời gian từ 25 – 30 phút để tất cả CaO trong bột liệu có thể liên kết hết thành C3S, vì vậy dôn nung của lò quay thường có chiều dài khoảng 20 – 30 m. 2.6. Giai đoạn làm nguội clinker Tốc độ làm nguội clinker ảnh hưởng rất lớn tới hình thái cấu trúc của khoáng clinker và tính chất của clinker. Để giữ được các khoáng clinker đã tạo thành khi nung ở nhiệt độ kết khối thì việc làm nguội nhanh clinker là cần thiết để hạn chế sự phân hủy các khoáng đó, đặc biệt để ngăn cản sự biến đổi thù hình của C2S từ dạng - C2S sang dạng - C2S. Khi làm nguội nhanh, đồng thời với sự đông cứng đột ngột của pha thủy tinh, các tinh thể C3S sẽ kết tinh dạng hạt mịn làm tăng hoạt tính của chúng khi thủy hóa. Khi làm nguội nhanh, clinker dễ nghiền hơn do có ứng suất nội lớn. Giai đoạn làm nguội clinker xảy ra ngay ở cuối dôn nung chuyển sang dôn làm nguội, khi đó nhiệt độ của clinker giảm nhanh từ 1450oC xuống 1100 – 1200oC và được đưa ra khỏi lò quay. Quá trình làm nguội tiếp theo được thực hiện trong thiết bị làm nguội. Trong công nghệ sản xuất clinker ximăng có các dạng thiết bị làm nguội khác nhau như làm nguội kiểu lò hành tinh, làm nguội kiểu ống quay và làm lạnh kiểu ghi, trong đó thiết bị làm nguội kiểu ghi có hiệu suất làm nguội nhanh nhất. Quy trình sản xuất ximăng 3. Quy trình sản xuất ximăng gồm 5 công đoạn đoạn sau: - Công đoạn 1: Công đoạn khai thác vận tải, đập nhỏ và đồng nhất sơ bộ các nguyên liệu. - Công đoạn 2: Công đoạn nghiền và đồng nhất bột sống. - Công đoạn 3: Công đoạn nung luyện clinker ximăng. - Công đoạn 4: Công đoạn làm nguội clinker - Công đoạn 5: Công đoạn nghiền, đồng nhất, đóng bao. 3.1. Công đoạn khai thác vận tải, đập nhỏ và đồng nhất sơ bộ các nguyên liệu 17 Tìm hiểu quá trình sản xuất ximăng pooclăng và các vấn đề môi trường Trước khi khai thác mỏ nguyên liệu cần được thăm dò tỉ mỉ, ít nhất phải có 20% tổng trữ lượng đá vôi cả mỏ. Yêu cầu kĩ thuật đối với công đoạn này là làm thế nào để đá vôi, đất sét, quặng sắt…từ các mỏ nguyên trạng thái về đến kho nhà máy có độ chênh lệch về thành phần hoá học ít nhất so với vốn có tại mỏ, có kích thước cỡ cục cấp được cho nhà máy nghiền bột sống phôi liệu với giá thành thấp nhất và với khối lượng dự trữ cần thiết để đảm bảo cho sản xuất liên tục ở các công đoạn sau. Đối với đá vôi, chỉ phân tích cacbonat hoặc chính xác hơn là CaO. Đối với đất sét thì có thể phân tích SiO2 hoặc Al2O3 tuỳ theo yêu cầu cụ thể. Đối với quặng sắt thì phân tích Fe2O3. Đối với than thì có thể thử nhiệt năng hoặc hàm lượng tro,… Đất hoặc đất sét từ mỏ khảo sát tham dò tỉ mỉ cũng được khai thác theo phương pháp lựa chọn. Nếu là đất sét ruộng đồi nhưng độ cứng không cao và sét mềm, tơi mịn không lẫn sỏi sạn thì sử dụng thiết bị xúc – cào chắn theo chiều ngang. Nếu sét đồi có độ cứng lớn hơn thang 3 Morth thì được khai thác bằng gàu xúc ngoạm cỡ lớn có nhiều vỉa khác nhau, đập nhỏ ngay ở mỏ đến cỡ cục nhỏ hơn 50mm rồi được băng tải đưa về. Hình 4. Khai thác đá vôi Quặng sắt dạng bã thải công nghiệp sản xuất axit sunfuric thì ở dạng bột nên không phải qua máy đập nhưng phải qua máy tách kim loại trước khi rút cấp cho máy nghiền nguyên liệu. Trường hợp là quặng kim sắt cũng phải cho qua máy đập và đánh đống để đồng nhất sơ bộ. 18 Tìm hiểu quá trình sản xuất ximăng pooclăng và các vấn đề môi trường Các phụ gia điều chỉnh mođun silic (SR) hoặc mođun aluminat (AR) cũng phải thực hiện như quặng sắt tự nhiên. Trường hợp các loại phụ gia điều chỉnh kể cả quặng sắt nếu kích thước lớn cũng đều phải đưa vào máy đồng nhất sơ bộ. 3.2. Công đoạn nghiền và đồng nhất bột sống Yêu cầu của công đoạn này là đảm bảo thành phần hoá học và ổn định độ mịn của bột sống phối liệu cấp cho lò nung clinker. Để đảm bảo yêu cầu đó, đầu tiên các kỹ sư chế tạo sử dụng các phần mềm tính phối liệu sẵn trong máy vi tính và căn cứ vào thành phần khoáng để tính ra thành phần hoá học và trị số các chỉ tiêu kỹ thuật chế tạo clinker. Đá vôi, đất sét và phụ gia điều chỉnh được cấp vào máy nghiền qua hệ thống cân DOSIMAT và cân bằng điện tử. Máy nghiền nguyên liệu sử dụng hệ thống nghiền bi sấy nghiền liên hợp có phân ly trung gian. Các bộ điều khiển tự động khống chế tỷ lệ % của đá vôi, đất sét, bô xít và quặng sắt cấp vào nghiền được điều khiển bằng máy tính điện tử thông qua các số liệu phân tích của hệ thống QCX, đảm bảo khống chế các hệ số chế tạo theo yêu cầu. Bột liệu sau máy nghiền được vận chuyển đến các silô đồng nhất, bằng hệ thống gàu nâng, máng khí động. Hình 5. Máy nghiền nguyên liệu 3.3. Công đoạn nung luyện lò clinker ximăng 3.3.1. Cấp liệu cho lò nung Yêu cầu công nghệ của công đoạn này là rút bột liệu sống tư đáy silô đồng nhất cấp đều đặn và ổn định năng suất theo kế hoạch vận hành lò nung thông qua cân bằng định 19 Tìm hiểu quá trình sản xuất ximăng pooclăng và các vấn đề môi trường lượng kèm theo van điều tốc rút liệu, băng tải cao su , hệ thống gàu nâng kèm theo các máng khí động tải bột cấp cho lò quay phương pháp khô, hệ thống máng khí động hồi lưu bột quay lại silô đồng nhất trong trường hợp lò có sự cố kỹ thuật phải giảm năng suất hoặc lò đứng. 3.3.2. Nghiền và cấp than mịn, dầu nặng cho lò nung Nhiệm vụ của phần này là giữ vững chất lượng khối lượng than mịn hoặc dầu hoặc than - dầu cấp cho cả hai đầu lò nung. Yêu cầu chất lượng của than mịn cấp cho lò nung là ổn định độ mịn để than cháy hết và dể bắt cháy, ổn định độ ẩm (<0.5%) để đề phòng nổ than trong lò silô chứa than mịn và vận tải trên đường ống từ máy nghiền tới silô và từ silô tới vòi đốt của lò, ổn định nhiệt năng để vận hành lò đốt và ổn định chất lượng clinker. Nhiệt độ bốc cháy của than phụ thuộc vào chính hàm lượng chất bốc của nó. Hàm lượng chất bốc càng nhiều thì nhiệt độ bắt cháy càng thấp, ngọn lửa càng dài, quá trình đốt càng dễ dàng. Hàm lượng chất bốc của than antraxit Quảng Ninh là 6% nên nhiệt độ bốc cháy của nó là khoảng 550-600oC. Vì vậy nhiên liệu trong đốt lò là dầu nặng FO hoặc DO. Riêng dầu nặng FO hay DO tuy nhiệt độ cháy <1000oC nhưng vẩn phải hâm nóng đến 90-95oC mới có thể chuyển tới vòi đốt được, vì độ nhớt của dầu ở nhiệt độ này thường khá lớn không bơm được. Để hâm nóng dầu người ta cho hơi nước đi qua ống ngoài bọc ống tải bên trong. Nhưng công nghệ này đòi hỏi phải trang bị nồi hơi cồng kềnh, chiếm thể tích. Ngày nay người ta sử dụng hâm dầu bằng điện tạo ra nhiệt mắc trong ống sứ bọc ngoài ống dầu nên vừa gọn nhẹ lại rút gọn diện tích nhà máy và công trình vận hành. 3.3.3. Công đoạn lò nung Các quá trình hóa lý xảy ra khi nung: + Ở 200ºC, tách nước liên kết, sự tách nước này kết thúc ở 950ºC: CaCO3→ CaO + CO2↑ MgCO3→MgO + CO2↑ 20