Nâng cao hiệu quả quá trình nung clinker trong các nhà máy sản xuất xi măng

Công nghệ sản xuất clinke là một quá trình phức tạp và tiêu hao nhiều năng lượng. Quá trình này liên quan tới nhiều thành phần của hỗn hợp nguyên liệu, nhiều pha của các quá trình lý-hóa nhiệt độ cao. Thiết bị công nghệ có kết cấu phức tạp.

Như đối tượng của sự điều khiển, quá trình nung clinke là một quá trình công nghệ phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: các tính chất của nguyên liệu, các tính chất và trạng thái của thiết bị công nghệ, khả năng hạn chế của các phương tiện kiểm tra và điều khiển.
Một loạt các yếu tố có ảnh hưởng tới hiệu quả cuối cùng thu clinker đó là: Thành phần khoáng của nguyên liệu đầu vào, các tính chất lý hóa của các thành phần điều chỉnh, sự mài mòn liên tục thiết bị công nghệ, thông tin không đầy đủ về quá trình công nghệ và các yếu tố khác. Trong giai đoạn thông qua giải pháp quản lý quá trình công nghệ, thì đội ngũ kỹ thuật kỹ sư vận hành lò nung, thợ vận hành lò nung thường bằng trực giác, kinh nghiệm riêng của mình mà lựa chọn giải pháp hợp lý và tối ưu hơn cả.
Việc nâng cao hiệu quả quản lý quá trình công nghệ đòi hỏi phải có sự phân tích thông tin từ nhiều phía, giải quyết bài toán tối ưu quản lý các quá trình công nghệ và tăng cường các phương tiện kiểm tra.

1. Phân tích sự làm việc của kỹ sư vận hành lò nung xi măng

Biết rằng, chế độ nung clinke và công nghệ đốt nhiên liệu quyết định suất chi phí nhiên liệu, độ bền của lớp ốp lò, độ bền lâu làm việc của các rèm xích, của các thiết bị trao đổi nhiệt và chất lượng của clinker thu được. Sự không đầy đủ các thiết bị kiểm tra quá trình công nghệ và đặc biệt là kiểm tra thành phần của các khí thải sẽ dẫn đến làm việc kém hiệu quả của lò nung.
Thực tế chứng minh rằng, trong một số trường hợp có thể chỉ sau 1 ca lớp ốp lò và rèm xích đã bị đốt cháy, buồng làm mát và thiết bị công nghệ khác cũng ngừng hoạt động. Để đưa lò nung vào trạng thái hoạt động, và hơn nữa vào trạng thái tối ưu, thì cần phải có một thời gian đáng kể. Kết quả là dẫn đến những thiệt hại đáng kể về vật chất và kinh tế.
Sự theo dõi lâu dài hoạt động của lò nung cho thấy rằng, về nguyên tắc, mỗi một kỹ sư vận hành lò nung khi vào ca, lại điều chỉnh lại quá trình công nghệ. Thí dụ, các biểu đồ dao động nhiệt độ của các khí thải lò nung đều thay đổi khi các kỹ sư vận hành lò nung khác nhau điều khiển.
Việc phân tích tiếp theo hoạt động của lò nung cho thấy rằng, chi phí nhiên liệu mỗi ca cho cùng một lò nung là không giống nhau. Sự chênh lệch giữa chi phí nhiên liệu lớn nhất và nhỏ nhất cho nung clinke là 5,5 kg/tấn clinker.
Theo dõi sự làm việc của lò nung cho thấy rằng, các kỹ sư vận hành lò nung chủ yếu đều muốn tăng chi phí nhiên liệu để tiến hành quá trình nung với dự trữ nhiệt cao hơn, để tránh trường hợp không đủ nhiệt trong lò nung vì một nguyên nhân nào đó. Việc làm này thường dẫn đến nung quá vật liệu trong vùng zôn nung kết, dẫn đến nhiều bụi và giảm sút chất lượng clinker, lãng phí nhiên liệu, giảm độ bền của lớp ốp chịu lửa, mài mòn mạnh hơn các bộ phận trao đổi nhiệt, buồng làm mát và của toàn bộ thiết bị. Kết quả dẫn đến giảm hiệu quả của quá trình công nghệ.

2. Phân tích sự làm việc của lò nung

Mặc dù các quá trình diễn ra trong sản xuất clinker là phức tạp và có liên quan với nhau, nhưng phần lớn các kỹ sư vận hành lò nung trong điều khiển chế độ nung chủ yếu là điều chỉnh nhiệt độ của các chất khí thải, được đo sau mép phần làm mát của lò nung. Trong đó, các kỹ sư vận hành lò nung chú ý tới sự thay đổi nhiệt độ sau các xích trao đổi nhiệt ở cuối của vùng nung sơ, điều chỉnh nhiệt độ khí thải bằng chi phí nhiên liệu và giảm áp suất trong khoang chứa bụi. Trong lò nung có buồng làm nguội kiểu ghi cũng bổ sung điều chỉnh nhiệt độ của không khí thứ cấp bằng cách chọn chế độ khí động lực học làm nguội clinker.
Để đánh giá hiệu quả đốt nhiên liệu cần phải có thông tin về thành phần của các chất khí thải, nói riêng, về hàm lượng khí ô xy, khí cabonic CO2, và khí CO. Sự có mặt của khí ô xy trong các chất khí thải chứng tỏ sự thừa không khí trong vùng đốt nhiên liệu, còn sự có mặt của CO- chứng tỏ nhiên liệu không cháy hết. Sự dao động của mỗi thông số này so với các giá trị tối ưu đều dẫn đến vượt chi phí nhiên liệu. Biết rằng, khi không khí dư tăng lên sẽ làm giảm nhiệt độ cháy, mà để giữ được chế độ nhiệt cần thiết trong vùng nung kết clinker, thì phải tăng chi phí nhiên liệu tương ứng.
Sự xuất hiện khí CO trong các khí thải liên quan tới sự không cháy hết của nhiên liệu. Sự không cháy hết của nhiên liệu dẫn đến giảm nhiệt độ trong vùng cháy, tăng độ dài ngọn lửa và vượt chi phí nhiên liệu. Khi sự không cháy hết nhiên liệu đáng kểví dụ quá 1% và trong thời gian kéo dài, thì chế độ nung đó có thể dẫn đến làm cháy các bộ phận trao đổi nhiệt.
Một thông số quan trọng trong điều khiển quá trình nung là kiểm tra hàm lượng CO2 trong thành phần của khí thải. Sự thay đổi thông số này có thể đặc trưng cho mức độ chuẩn bị nguyên liệu trong vùng phân giải cacbonat, cho sự tăng hay giảm lớp vật liệu ở cuối vùng này. Thông số này là thông số có giá trị thông tin nhất để đánh giá chế độ nung và trạng thái nhiệt của lò nung. Đặc biệt quan trọng là thông tin về lượng CO2 trong các khí thải dưới các chế độ chuyển tiếp không bền vững.
Cần lưu ý rằng, không phải trong tất cả các nhà máy đều tổ chức được việc kiểm tra thường xuyên thành phần khí thải của lò nung. Điều này dẫn đến vượt chi phí nhiên liệu.

3. Nghiên cứu thiết kế hệ thống bảo quản năng lượng

Trong nhiều năm đã tiến hành nghiên cứu thiết kế xây dựng hệ thống bảo quản năng lượng trong công nghệ nung clinke. Đặc điểm chính của hệ thống này là kiểm tra liên tục quá trình đốt nhiên liệu, nói riêng là kiểm tra hàm lượng khí ô xy, CO và CO2 trong khí thải. Mục đích của nghiên cứu trong bước thứ nhất là xây dựng một tổ hợp bảo quản năng lượng cho phép đánh giá liên tục hiệu quả đốt nhiên liệu trong tất cả các quá trình công nghệ. Trong bước thứ hai-xây dựng hệ thống theo dõi về công nghệ và sinh thái, nhằm giảm thiểu phát thải các chất gây tác động xấu tới môi trường xung quanh.
Hiện nay, đã xây dựng dược tổ hợp thiết bị bao gồm trạm phân tích khí, hệ thống chuẩn bị và thu gom khí, hệ thống kiểm tra khí hậu, một bộ thiết bị cho phép tiến hành kiểm tra và chuẩn độ thiết bị đo trong các điều kiện sản xuất hiện thời. Tổ hợp thiết bị được nghiên cứu thiết kế dành riêng cho sản xuất xi măng, có tính đến đặc điểm của công nghệ nung clinker và được đưa vào sử dụng thành công trong sản xuất xi măng.
Việc ứng dụng hệ thống kiểm tra liên tục lượng khí O2, CO và CO2 vào công nghệ nung clinke cho phép bảo đảm việc quản lý tốt hơn quá trình đốt nhiên liệu. Kiểm tra liên tục cho phép đảm bảo tỷ lệ tối ưu của các thành phần được trộn của nhiên liệu khí và không khí, nạp vào vùng đốt và làm tăng hiệu suất đốt nhiên liệu. Việc đưa vào ứng dụng hệ thống kiểm tra liên tục lượng khí O2, CO và CO2 cho phép giảm tiêu hao nhiên liệu tới 5 - 10%. Ngoài ra, nhờ việc đốt nhiên liệu hiệu quả hơn và giảm chi phí nhiên liệu mà giảm được thể tích các chất khí thổi qua lò nung. Điều đó cho phép giảm được tốc độ chuyển động của các chất khí, giảm được bụi thải từ lò nung, giảm được thể tích các chất khí độc hại thải ra môi trường xung quanh.

4. Những yêu cầu đối với thiết bị phân tích khí

Khi xây dựng trạm phân tích khí cần đặc biệt chú ý tới độ an toàn và ổn định làm việc của máy phân tích, cũng như độ chính xác đo các thông số. Cần phải bố trí thiết bị phân tích khí dự trữ để kiểm tra lượng khí O2, CO2 và CO. Đã tiến hành thử nghiệm công nghiệp thiết bị được lắp đặt trong thời gian 3-4 tháng, và sau đó luôn có sự giám sát của tác giả đối với sự làm việc ổn định của thiết bị.

5. Đào tạo đội ngũ kỹ thuật

Khi đưa vào áp dụng hệ thống phân tích tự động các chất khí, thì điểm đáng chú ý nhất là đào tạo đội ngũ kỹ thuật của nhà máy về các thao tác công nghệ và sử dụng thiết bị phân tích khí và các dụng cụ kiểm tra khác quá trình công nghệ.
Để làm việc này, đã xây dựng một chương trình đào tạo, gồm phân tích sự ảnh hưởng của không khí thừadư trong vùng đốt tới chi phí nhiên liệu, tới nhiệt độ và hình dạng ngọn lửa, tới hiệu quả tính toán lượng khí O2 trong vùng đốt đối với một dây chuyền sản xuất cụ thể. Trong chương trình này có xem xét các vấn đề liên quan tới mối quan hệ giữa chế độ nung và lượng khí CO2 trong khí thải, tiến hành các tính toán giá trị CO2 tối ưu, các nguyên nhân làm tăng và giảm CO2, các nguyên nhân gây dao động so với các giá trị tối ưu. Tiến hành đánh giá hiệu quả của việc áp dụng chế độ nung theo lượng CO2 trong khói lò, cũng như xem xét các biệp pháp và phương pháp tối ưu hóa việc tiến hành chế độ nung clinke theo lượng khí CO2, O2 và CO trong khói lò.
Việc đào tạo được tiến hành tại chỗ làm việc trong điều kiện sản xuất thực tế. Đặc biệt chú ý tới các chế độ chuyển tiếp, tới sự phân tích các tình huống trước sự cố, tới các phương pháp và biện pháp đưa quá trình nung về chế độ tĩnh tối ưu. Cũng xem xét các vấn đề khác có liên quan tới các quá trình trao đổi nhiệt của lò nung, sự làm việc của buồng làm mát, cấu tạo của ngọn lửa và hiệu suất cháy nhiên liệu. Cách tiếp cận này tạo ra khả năng cho đội ngũ kỹ thuật trong một thời gian ngắn có thể khai thác được các phương pháp mới điều khiển quá trình công nghệ.
Trong khuôn khổ thực hiện chương trình bảo quản năng lượng, đã đề xuất một gói các chương trình cơ bản và tài liệu phương pháp luận, có liên quan tới sự tối ưu hóa tính toán hỗn hợp nguyên liệu và clinke, các tính toán nhiệt kỹ thuật, phân tích nhiệt vật lý, nhiệt động học và công nghệ của các quá trình diễn ra khi nung clinke.

6. Phương pháp tổ hợp trong giải quyết các bài toán tiết kiệm năng lượng

Việc đưa vào sử dụng thiết bị phân tích khí được tiến hành kết hợp với đội ngũ kỹ thuật của nhà máy không chỉ cho phép giảm tiêu hao nhiên liệu mà còn làm tăng chất lượng quản lý quá trình công nghệ, trên cơ sở đó thu được hiệu quả kinh tế đáng kể. Việc lắp đặt trong lò nung hệ thống đo liên tục các chất khí thải cho phép nâng cao thêm năng suất của thiết bị hiện có và độ an toàn điều khiển quá trình nung. Việc này đặc biệt quan trọng đối với các lò nung chạy bằng nhiên liệu than.

7. Phân tích các kết quả sử dụng thiết bị phân tích khí

Việc lắp đặt thiết bị phân tích khí cho lò nung đã đưa vào áp dụng công nghiệp và khai thác sử dụng tại nhiều nhà máy xi măng của LB Nga. Tại nhà máy xi măng Vonga, chi phí nhiên liệu đã giảm được 20 kg/tấn clinke.

8. Kết luận

Việc nghiên cứu thiết kế và đưa vào sử dụng hệ thống kiểm tra liên tục thành phần khí thải từ lò quay trong các nhà máy xi măng ở LB Nga cho phép làm ổn định quá trình công nghệ nung clinker, và bằng cách đó làm giảm tiêu hao nhiên liệu, nâng cao chất lượng clinker và nâng cao hiệu quả của thiết bị công nghệ nói chung.
Một bước quan trọng trong việc đưa vào sử dụng hệ thống kiểm tra liên tục thành phần khí thải đó là việc đào tạo đội ngũ kỹ thuật về các nguyên tắc và phương pháp điều khiển quá trình công nghệ, trong đó có việc điều chỉnh đúng đắn các dụng cụ kiểm tra và cách sử dụng có hiệu quả nhất thiết bị được lắp đặt.
Các kết quả đạt được cao hơn cả khi áp dụng các giải pháp kết hợp do các nhà chuyên môn đưa ra nhằm tối ưu hóa quá trình nung, các phương tiện đo và kiểm tra, cũng như điều khiển các quá trình công nghệ.
Các khoản đầu tư cho trang bị hệ thống kiểm tra liên tục thành phần các chất khí thải, cho việc đào tạo đội ngũ kỹ thuật và hiện đại hóa quá trình nung clinke, về nguyên tắc có thể được hoàn vốn trong thời gian ngắn-trong vòng 3-4 tháng.

BIÊN DỊCH: (Đinh Bá Lô dịch - xaydung.gov.vn)

NGUỒN TIN: Tạp chí Xi măng Nga, tháng 7-8/2005