Tiết kiệm năng lượng trong công nghiệp sản xuất xi măng
Thứ ba, 23/10/2012
Tiềm năng tiết kiệm năng lượng trong công nghiệp xi măng rất lớn. Các nghiên cứu trên thế giới chỉ ra ngành này có thể đạt tới 50%. Vấn đề tiết kiệm năng lượng của ngành xi măng nói chung và Việt Nam nói riêng hiện là vấn đề "nóng" tại các hội thảo về tiết kiệm năng lượng, nhưng vẫn chưa có quyết sách cũng như đường lối thực sự hiệu quả để giải quyết vấn đề này. Hệ thống lò nung clinker và hệ thống nghiền là 2 vị trí trọng yếu để tiết kiệm năng lượng trong sản xuất xi măng .
Tiềm năng tiết kiệm năng lượng trong công nghiệp xi măng rất lớn. Các nghiên cứu trên thế giới chỉ ra ngành này có thể đạt tới 50%. Vấn đề tiết kiệm năng lượng của ngành xi măng nói chung và Việt Nam nói riêng hiện là vấn đề "nóng" tại các hội thảo về tiết kiệm năng lượng, nhưng vẫn chưa có quyết sách cũng như đường lối thực sự hiệu quả để giải quyết vấn đề này. Hệ thống lò nung clinker và hệ thống nghiền là 2 vị trí trọng yếu để tiết kiệm năng lượng trong sản xuất xi măng .
Giải pháp tiết kiệm năng lượng tại hệ thống lò nung
Hệ thống lò nung bao gồm hệ thống tháp trao đổi nhiệt, buồng phân hủy (calciner), lò quay, hệ thống làm nguội clinker và hệ thống vòi đốt, trong đó tiêu hao chủ yếu là tiêu hao về nhiên liệu và điện.
Tại hệ thống trao đổi nhiệt, gồm các cyclone là tận dụng một cách hiệu quả và triệt để nhiệt có trong dòng khí nóng đi ra khỏi calciner và lò quay để gia nhiệt bột liệu làm bột liệu nóng lên và một phần được phân hủy, sau đó đi vào buồng phân hủy calciner hoặc lò quay để tiếp tục gia nhiệt, phân giải và tạo khoáng, hoàn thành việc nung luyện clinker. Do đó, để có giải pháp tận dụng nhiệt triệt để, cần phải giảm tiêu hao nhiệt hệ thống và tuần hoàn vô ích, đồng thời giảm tổn thất áp suất, dẫn đến giảm tổn thất năng lượng hệ thống.
Viện nghiên cứu xi măng Thiên tân (TCRDI -Trung quốc) đưa ra giải pháp kỹ thuật chế tạo cyclone có hiệu suất phân ly cao, trở lực nhỏ, hình thức kết cấu hợp lý với loại vỏ xoáy ốc 270 độ của ống cyclone. Giải pháp này có thể nâng cao hiệu quả trao đổi nhiệt của tháp trao đổi nhiệt một cách có hiệu quả, giảm lực cản hệ thống thông qua nghiên cứu mô hình hoá bằng kỹ thuật số CFD, làm tối ưu hoá hệ thống cyclone trong tháp trao đổi nhiệt, từ đó thực hiện mục tiêu đạt hiệu suất trao đổi nhiệt cao với trở lực thấp.
Buồng phân hủy, Calciner là hạt nhân của hệ thống trao đổi nhiệt, trong đó hoàn thành một loạt quá trình: đốt nhiên liệu, phân huỷ chất cacbonat, làm chuyển động hai pha rắn và lỏng, trộn đều (phân tán) trao đổi nhiệt, chuyển chất..., đồng thời kèm theo thay đổi về nồng độ vật liệu, kích thước hạt cũng như thay đổi về lưu lượng, thành phần và trường nhiệt độ của khí. Khoảng 60% nhiên liệu dùng trong hệ thống nung đốt clinker xi măng được sử dụng trong Calciner, vì vậy Calciner có kết cấu hợp lý, tính năng ưu việt thì có thể thực hiện khả năng đốt cháy triệt để các loại nhiên liệu khác nhau.
Một số nghiên cứu đề xuất giải pháp tối ưu hoá kết cấu của Calciner, kéo dài thời gian cháy các nhiên liệu có đặc tính khác nhau, nâng cao tỷ lệ đốt triệt để, tránh trường hợp nhiên liệu chưa cháy hết, tiếp tục cháy trong tháp, làm tăng nhiệt độ khí thải. Giải pháp này sử dụng các biện pháp thích hợp, giảm lượng NOx tại đầu ra của calciner, từ đó giảm thiểu lượng khí thải NOx của toàn bộ dây chuyền. Nhiên liệu trong calciner cháy triệt để và vật liệu cũng được phân huỷ triệt để, nhiệt độ đầu ra của hệ thống trao đổi nhiệt thấp xuống. Giải pháp này có thể thực hiện mục tiêu giảm thải và tiết kiệm năng lượng của hệ thống trao đổi nhiệt.
Tại hệ thống lò quay, nhiệt lượng cháy của nhiên liệu làm nâng nhiệt độ nguyên liệu, làm thành phần cacbonat canxi hoàn toàn bị phân huỷ thành oxit canxi sau đó cùng với các thành phần khác được nung luyện ở nhiệt độ 1400oC thiêu kết thành clinker. Thông qua rất nhiều chứng minh thực tiễn, loại lò quay ngắn hai bệ đỡ có tỷ lệ chiều dài và đường kính L/D < 12,5 ngày càng thu hút được quan tâm vì yếu tố tiết kiệm nhiệt nung và năng suất riêng của lò khá cao.
Ưu điểm nổi trội của loại lò ngắn hai bệ đỡ là tiết kiệm năng lượng, tổn thất toả nhiệt chênh lệch so sánh với lò cùng quy cách vào khoảng 16.7 kJ (4kCal/kg clinker), ngoài ra còn có hàng loạt ưu điểm về chi phí sản xuất thiết bị, chi phí xây dựng thấp.
Vòi đốt là một thiết bị công nghệ quan trọng. Nó ảnh hưởng mạnh đến tiêu hao nhiệt và tính năng vận hành của hệ thống lò nung, do đó ảnh hưởng đến chất lượng clinker và hàm lượng các chất có hại thải ra môi trường. Một vòi đốt tốt đầu tiên cần phải có nhiệt độ ngọn lửa đủ cao để sản xuất ra clinker có chất lượng tốt; đồng thời còn có yêu cầu nhiệt độ đỉnh ngọn lửa phải ổn định để duy trì vỏ lò ổn định nhằm kéo dài tuổi thọ của gạch chịu lửa; hình dạng ngọn lửa phải điều chỉnh dễ dàng, bảo đảm cháy hoàn toàn nhiên liệu, giảm lượng CO sinh ra ở đuôi lò; đồng thời khi thiết kế vòi đốt phải cố gắng giảm thiểu gió Iò để giảm tiêu hao nhiệt và giảm thiểu thải ra NOx.
Ghi làm nguội (Cooler), công dụng của ghi làm nguội là sử dụng gió mát để làm nguội clinker có nhiệt độ cao xuống nhiệt độ thấp. Khi đó, gió nguội bị gia nhiệt nóng lên trở thành gió II.
Gió II vào lò để đốt nhiên liệu, giảm nhiệt lượng thoát ra ngoài, từ đó giảm tổn thất năng lượng.
Ghi làm nguội trải qua thế hệ thứ I với thông gió trong buồng gió lớn, thế hệ thứ II với thông gió trong buồng gió nhỏ, thế hệ thứ III với dầm phụt khí cấp gió, đến thế hệ thứ IV với thông gió đơn nguyên theo hướng đứng. Ghi làm nguội không rò liệu kiểu hành tiến thế hệ IV tránh được clinker lọt qua ghi rơi xuống tạo thành trở lực theo hướng đứng, có lợi cho việc thông gió đều đặn. Hiệu suất thu hồi nhiệt của ghi làm nguội thế hệ IV trên 74%, so với mức vận hành thực tế hiện nay của ghi thế hệ III là 68 ~ 70%, có thể tiết kiệm tiêu hao nhiệt 61.9 ~ 92,8kJ/kg (cứ nâng cao 1% hiệu suất thu hồi nhiệt thì có thể giảm tiêu hao nhiệt 15.5kJ/kg).
Hệ thống nghiền xi măng
Hiện nay, công nghệ nghiền xi măng phát triển theo xu hướng giảm tiêu hao năng lượng nghiền.
Do tiêu hao năng lượng nghiền khá lớn, khoảng 60%, để sản xuất xi măng (bao gồm cả nghiền liệu và clanhke, phụ gia) và tập trung chủ yếu ở thiết bị nghiền bi.
Thông thướng có các giải pháp đó là sử dụng thiết bị phân ly hiệu suất cao, có khả năng làm nguội và kết hợp với cụm thiết bị thu hồi sản phẩm (việc lắp đặt thiết bị phân ly cho phép nâng công suất 10 - 25%). Sau khi tách các hạt mịn bằng máy phân ly, thì máy nghiền hoạt động hiệu quả hơn khi nghiền các hạt thô. Hiệu quả chủ yếu của các giải pháp này cho phép tăng năng suất nghiền, giảm tiêu hao điện năng, giảm tiêu hao vật nghiền và chi phí đầu tư thấp.
Bổ sung thiết bị nghiền sơ bộ, nhằm đảm bảo kích thước liệu đầu vào <3 mm (tối đa 5 mm).
Giải pháp này cho phép tăng năng suất nghiền (cho phép nâng công suất 15 – 25% với dải cỡ hạt chụm hơn), đồng thời làm tăng đáng kể độ mịn của sản phẩm, giảm tiêu hao năng lượng nghiền. Tuy nhiên, khi thiết kế thành hệ thống nghiền liên hợp, thì không những không tiết kiệm được điện năng, ngược lại do tăng thêm thiết bị nên còn làm tiêu tốn thêm điện năng.
Nếu sử dụng cán ép với quy cách đủ lớn, thì nên thiết kế thành hệ thống nghiền liên hợp, tức tăng thêm thiết bị sơ tuyển hạt thô, nhằm tuyển bộ phận hạt mịn đi ra khỏi bộ phận máy cán ép đưa vào nghiền tiếp tục cho máy nghiền bi, nếu không thì lượng tuần hoàn sẽ quá nhiều, lượng hạt mịn qua máy cán ép quá nhiều, máy cán ép khó vận hành ổn định làm giảm hiệu quả. Nói chung, kinh nghiệm lựa chọn là nếu tiêu hao điện đơn vị của máy cán ép 6 kwh/t, thì sử dụng hệ thống nghiền trước tuần hoàn; Nếu tiêu hao điện đơn vị của máy cán ép 7kwh/t, thì sử dụng nghiền liên hợp.
Thay thế máy nghiền bi bằng các thiết bị nghiền khác (nghiền đứng – con lăn, nghiền Horomill).
Giải pháp này cho phép tăng năng suất nghiền, đồng thời làm tăng độ mịn của sản phẩm, giảm tiêu hao năng lượng nghiền.
Hệ thống lò nung bao gồm hệ thống tháp trao đổi nhiệt, buồng phân hủy (calciner), lò quay, hệ thống làm nguội clinker và hệ thống vòi đốt, trong đó tiêu hao chủ yếu là tiêu hao về nhiên liệu và điện.
Tại hệ thống trao đổi nhiệt, gồm các cyclone là tận dụng một cách hiệu quả và triệt để nhiệt có trong dòng khí nóng đi ra khỏi calciner và lò quay để gia nhiệt bột liệu làm bột liệu nóng lên và một phần được phân hủy, sau đó đi vào buồng phân hủy calciner hoặc lò quay để tiếp tục gia nhiệt, phân giải và tạo khoáng, hoàn thành việc nung luyện clinker. Do đó, để có giải pháp tận dụng nhiệt triệt để, cần phải giảm tiêu hao nhiệt hệ thống và tuần hoàn vô ích, đồng thời giảm tổn thất áp suất, dẫn đến giảm tổn thất năng lượng hệ thống.
Viện nghiên cứu xi măng Thiên tân (TCRDI -Trung quốc) đưa ra giải pháp kỹ thuật chế tạo cyclone có hiệu suất phân ly cao, trở lực nhỏ, hình thức kết cấu hợp lý với loại vỏ xoáy ốc 270 độ của ống cyclone. Giải pháp này có thể nâng cao hiệu quả trao đổi nhiệt của tháp trao đổi nhiệt một cách có hiệu quả, giảm lực cản hệ thống thông qua nghiên cứu mô hình hoá bằng kỹ thuật số CFD, làm tối ưu hoá hệ thống cyclone trong tháp trao đổi nhiệt, từ đó thực hiện mục tiêu đạt hiệu suất trao đổi nhiệt cao với trở lực thấp.
Buồng phân hủy, Calciner là hạt nhân của hệ thống trao đổi nhiệt, trong đó hoàn thành một loạt quá trình: đốt nhiên liệu, phân huỷ chất cacbonat, làm chuyển động hai pha rắn và lỏng, trộn đều (phân tán) trao đổi nhiệt, chuyển chất..., đồng thời kèm theo thay đổi về nồng độ vật liệu, kích thước hạt cũng như thay đổi về lưu lượng, thành phần và trường nhiệt độ của khí. Khoảng 60% nhiên liệu dùng trong hệ thống nung đốt clinker xi măng được sử dụng trong Calciner, vì vậy Calciner có kết cấu hợp lý, tính năng ưu việt thì có thể thực hiện khả năng đốt cháy triệt để các loại nhiên liệu khác nhau.
Một số nghiên cứu đề xuất giải pháp tối ưu hoá kết cấu của Calciner, kéo dài thời gian cháy các nhiên liệu có đặc tính khác nhau, nâng cao tỷ lệ đốt triệt để, tránh trường hợp nhiên liệu chưa cháy hết, tiếp tục cháy trong tháp, làm tăng nhiệt độ khí thải. Giải pháp này sử dụng các biện pháp thích hợp, giảm lượng NOx tại đầu ra của calciner, từ đó giảm thiểu lượng khí thải NOx của toàn bộ dây chuyền. Nhiên liệu trong calciner cháy triệt để và vật liệu cũng được phân huỷ triệt để, nhiệt độ đầu ra của hệ thống trao đổi nhiệt thấp xuống. Giải pháp này có thể thực hiện mục tiêu giảm thải và tiết kiệm năng lượng của hệ thống trao đổi nhiệt.
Tại hệ thống lò quay, nhiệt lượng cháy của nhiên liệu làm nâng nhiệt độ nguyên liệu, làm thành phần cacbonat canxi hoàn toàn bị phân huỷ thành oxit canxi sau đó cùng với các thành phần khác được nung luyện ở nhiệt độ 1400oC thiêu kết thành clinker. Thông qua rất nhiều chứng minh thực tiễn, loại lò quay ngắn hai bệ đỡ có tỷ lệ chiều dài và đường kính L/D < 12,5 ngày càng thu hút được quan tâm vì yếu tố tiết kiệm nhiệt nung và năng suất riêng của lò khá cao.
Ưu điểm nổi trội của loại lò ngắn hai bệ đỡ là tiết kiệm năng lượng, tổn thất toả nhiệt chênh lệch so sánh với lò cùng quy cách vào khoảng 16.7 kJ (4kCal/kg clinker), ngoài ra còn có hàng loạt ưu điểm về chi phí sản xuất thiết bị, chi phí xây dựng thấp.
Vòi đốt là một thiết bị công nghệ quan trọng. Nó ảnh hưởng mạnh đến tiêu hao nhiệt và tính năng vận hành của hệ thống lò nung, do đó ảnh hưởng đến chất lượng clinker và hàm lượng các chất có hại thải ra môi trường. Một vòi đốt tốt đầu tiên cần phải có nhiệt độ ngọn lửa đủ cao để sản xuất ra clinker có chất lượng tốt; đồng thời còn có yêu cầu nhiệt độ đỉnh ngọn lửa phải ổn định để duy trì vỏ lò ổn định nhằm kéo dài tuổi thọ của gạch chịu lửa; hình dạng ngọn lửa phải điều chỉnh dễ dàng, bảo đảm cháy hoàn toàn nhiên liệu, giảm lượng CO sinh ra ở đuôi lò; đồng thời khi thiết kế vòi đốt phải cố gắng giảm thiểu gió Iò để giảm tiêu hao nhiệt và giảm thiểu thải ra NOx.
Ghi làm nguội (Cooler), công dụng của ghi làm nguội là sử dụng gió mát để làm nguội clinker có nhiệt độ cao xuống nhiệt độ thấp. Khi đó, gió nguội bị gia nhiệt nóng lên trở thành gió II.
Gió II vào lò để đốt nhiên liệu, giảm nhiệt lượng thoát ra ngoài, từ đó giảm tổn thất năng lượng.
Ghi làm nguội trải qua thế hệ thứ I với thông gió trong buồng gió lớn, thế hệ thứ II với thông gió trong buồng gió nhỏ, thế hệ thứ III với dầm phụt khí cấp gió, đến thế hệ thứ IV với thông gió đơn nguyên theo hướng đứng. Ghi làm nguội không rò liệu kiểu hành tiến thế hệ IV tránh được clinker lọt qua ghi rơi xuống tạo thành trở lực theo hướng đứng, có lợi cho việc thông gió đều đặn. Hiệu suất thu hồi nhiệt của ghi làm nguội thế hệ IV trên 74%, so với mức vận hành thực tế hiện nay của ghi thế hệ III là 68 ~ 70%, có thể tiết kiệm tiêu hao nhiệt 61.9 ~ 92,8kJ/kg (cứ nâng cao 1% hiệu suất thu hồi nhiệt thì có thể giảm tiêu hao nhiệt 15.5kJ/kg).
Hệ thống nghiền xi măng
Hiện nay, công nghệ nghiền xi măng phát triển theo xu hướng giảm tiêu hao năng lượng nghiền.
Do tiêu hao năng lượng nghiền khá lớn, khoảng 60%, để sản xuất xi măng (bao gồm cả nghiền liệu và clanhke, phụ gia) và tập trung chủ yếu ở thiết bị nghiền bi.
Thông thướng có các giải pháp đó là sử dụng thiết bị phân ly hiệu suất cao, có khả năng làm nguội và kết hợp với cụm thiết bị thu hồi sản phẩm (việc lắp đặt thiết bị phân ly cho phép nâng công suất 10 - 25%). Sau khi tách các hạt mịn bằng máy phân ly, thì máy nghiền hoạt động hiệu quả hơn khi nghiền các hạt thô. Hiệu quả chủ yếu của các giải pháp này cho phép tăng năng suất nghiền, giảm tiêu hao điện năng, giảm tiêu hao vật nghiền và chi phí đầu tư thấp.
Bổ sung thiết bị nghiền sơ bộ, nhằm đảm bảo kích thước liệu đầu vào <3 mm (tối đa 5 mm).
Giải pháp này cho phép tăng năng suất nghiền (cho phép nâng công suất 15 – 25% với dải cỡ hạt chụm hơn), đồng thời làm tăng đáng kể độ mịn của sản phẩm, giảm tiêu hao năng lượng nghiền. Tuy nhiên, khi thiết kế thành hệ thống nghiền liên hợp, thì không những không tiết kiệm được điện năng, ngược lại do tăng thêm thiết bị nên còn làm tiêu tốn thêm điện năng.
Nếu sử dụng cán ép với quy cách đủ lớn, thì nên thiết kế thành hệ thống nghiền liên hợp, tức tăng thêm thiết bị sơ tuyển hạt thô, nhằm tuyển bộ phận hạt mịn đi ra khỏi bộ phận máy cán ép đưa vào nghiền tiếp tục cho máy nghiền bi, nếu không thì lượng tuần hoàn sẽ quá nhiều, lượng hạt mịn qua máy cán ép quá nhiều, máy cán ép khó vận hành ổn định làm giảm hiệu quả. Nói chung, kinh nghiệm lựa chọn là nếu tiêu hao điện đơn vị của máy cán ép 6 kwh/t, thì sử dụng hệ thống nghiền trước tuần hoàn; Nếu tiêu hao điện đơn vị của máy cán ép 7kwh/t, thì sử dụng nghiền liên hợp.
Thay thế máy nghiền bi bằng các thiết bị nghiền khác (nghiền đứng – con lăn, nghiền Horomill).
Giải pháp này cho phép tăng năng suất nghiền, đồng thời làm tăng độ mịn của sản phẩm, giảm tiêu hao năng lượng nghiền.