TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HĨA HỌC BỘ MƠN Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CNHH&TP BÀI TẬP LỚN Môn học: Kỹ thuật hệ thống Cơng nghệ hóa học Đề tài: Phân tích tổng hợp hệ thống cơng nghệ hóa học sở nhiệt động học (Exergy) Giảng viên hướng dẫn: TS Vũ Phương Anh Lớp: QTTB – K54 Sinh viên thực hiện: Đào Thị Oanh Hoàng Sum Nguyễn Thị Thu Phạm Minh Dũng Nguyễn Cơng Hồng Hà Nội, tháng 12 – 2013 Phân tích tổng hợp hệ thống cơng nghệ hóa học sở nhiệt động học (Exergy) MỤC LỤC Giới thiệu 2 Mô tả hệ thống Phân tích Exergy sản xuất xi măng 3.1 Phương trình sử dụng phân tích exergy hệ thống sản xuất xi măng bê tông .5 3.2 Exergy hóa học trình nung 3.3 Exergy hóa học nhiên liệu 10 Exergy tổn thất lượng 11 Các phương pháp giảm mát exergy 14 Kết luận 15 Tài liệu tham khảo 15 Phân tích tổng hợp hệ thống cơng nghệ hóa học sở nhiệt động học (Exergy) Giới thiệu Ngành công nghiệp xi măng ngành tiêu hao nhiều lượng Để sản xuất clinker theo cơng nghệ lị nung tiên tiến phải tiêu tốn 730.000-800.000 kcal tương đương với 110-120kg than tiêu chuẩn, đồng thời thải ngồi khơng khí lương khí thải lớn, khoảng 2500-2800 m3 nhiệt độ từ 350-380oC với nồng độ bụi trung bình 50mg/Nm3 gây hiệu ứng nhà kính, nhiễm mơi trường Vì cần phải tối ưu hóa thiết kế lại q trình để nâng cao hiệu Năng lượng đưa vào trình cao, lên tới 3.22GJ/t nên việc tiến hành phân tích exergy q trình quan trọng Theo đánh giá OECD năm 2000 giá trị thực nghiệm tốt khoảng 2.9-3.2 GJ/t So với giá trị tính tốn phù hợp Trong hầu hết đơn vị sản xuất xi măng, chi phí lượng chiếm 25 % tổng chi phí sản xuất Các khái niệm exergy hữu ích việc xác định cơng việc mà phải cung cấp cho hệ thống để loại bỏ từ trạng thái cân Exergy trở thành thước đo công việc tối thiểu cần thiết để sản xuất hàng hóa sử dụng để đánh giá chuyển đổi sử dụng lượng cho hệ thống sản xuất kinh tế quốc gia Mô tả hệ thống Hệ thống cơng nghệ có operator cơng nghệ operator công nghệ trộn để trộn nguyên liệu than đất sét, thạch cao phụ gia Operator biến đổi hóa học thiết bị nung clinker…và nhiều operator công nghệ khác Sản xuất xi măng bao gồm giai đoạn sau:  Khai thác vận chuyển đá vôi: Đá vôi khai thác theo phương pháp cắt tầng nổ mìn sau dùng xe ủi hạng lớn ủi xuống chân núi, chân núi máy xúc công suất lớn xúc đá lên xe tải, băng tải xích chuyển máy đập đá Đá sau đập có kích thước cực đại cỡ 15 mm, Qua hệ thống băng tải cao su vận chuyển vào cầu rải (cầu rải có khả tịnh tiến đồng thời ngang dọc) Đồng thời với trình đá vôi vận chuyển kho đồng sơ  Công đoạn dập vận chuyển đá sét Cũng đá vơi đá sét có kích thước nhỏ 1000mm máy xúc đổ lên xe Koockum tự đổ vận chuyển vào phễu tiếp liệu, nhờ băng tải xích đá sét vào máy đập kiểu va đập đàn hồi, đập sơ xuống cỡ nhỏ 75mm Sau đá sét băng tải cao su vận chuyển tới máy cán hai trục để đập lần xuống kích thước cịn nhỏ 25mm Sau cán đá sét hệ thống băng tải cao su vận chuyển kho đồng sơ Phân tích tổng hợp hệ thống cơng nghệ hóa học sở nhiệt động học (Exergy)  Kho đồng sơ Đá vôi đá sét xếp vào kho thành đống loại, đổ vào kho cầu rải Cầu rải liệu thành luống lượt lượt (có từ đến 29 luống) có hệ thống gầu xúc, khoảng 20 gầu, dùng để xúc liệu từ kho đồng lên hệ thống cân định lượng tự động Đôsimat, định khối lượng cần thiết theo tỉ lệ cân từ băng tải chung chuyển đá tới cổ tiếp liệu cho máy sấy nghiền nguyên liệu Nguyên tắc làm việc kho đống đổ đống xúc  Cơng đoạn nghiền liệu Liệu sau đồng sơ đưa vào máy nghiền nguyên liệu, đồng thời với trình này, xỉ tháo từ kết cân định lượng đổ vào băng tải chung đổ vào cổ tiếp liệu vào máy sấy nghiền Liệu nghiền máy nghiền bi Liệu từ máy nghiền, qua gầu nâng lên hệ thống phân ly để sàng, hạt không đạt yêu cầu đưa trở máy nghiền qua cân hồi lưu Còn hạt qua sàng có độ mịn đạt u cầu khơng khí thổi lên silơ lắng Phân tích tổng hợp hệ thống cơng nghệ hóa học sở nhiệt động học (Exergy)  Công đoạn đồng liệu Liệu cyclone lắng tháo vào si lô theo kiểu tháo chéo (đây bước sơ nữa) Silơ gồm tầng, đáy silơ có hệ thống máy nén khí – sục khí vào silơ để đồng phối liệu tạo linh động cho phối liệu tháo dễ dàng Khi khởi động công đoạn hai silô nạp đến nửa Sau liệu nạp vào silô theo khoảng thời gian đặt trước Khi liệu điền đầy hai silơ tháo từ silô đầy xuống silô chứa bên theo nguyên tắc silơ tháo khơng nạp cịn silơ nạp khơng tháo Mỗi silơ có thiết bị đo mức báo mức đầy đên trung tâm điều khiển tình trạng tầng silơ  Công đoạn nung Clinker Trước liệu đưa vào lò nung, phải qua tháp sấy tầng Với tháp sấy tầng gồm silô đồng nhất, sillo chia thành tầng: tầng dùng để đồng tầng dùng để chứa bột liệu Liệu tháo từ tầng1 Silo thứ sang tầng Silo thứ tháo trực tiếp xuống tầng silơ Liệu sấy sơ đến gần 1000 C trước vào lò nung Nhiên liệu để nung bột than đựoc phun áp suất cao dạng mù Dịng khí nóng ngược từ đáy lị đến đỉnh lò Liệu từ két chứa xuống, liệu vào lò nhiệt độ tăng dần làm phản ứng pha rắn xảy kết khối 1300 C đến 1450 C tạo thành Clinker  Cơng đoạn vận chuyển Clinker Clinker khỏi lị có nhiệt độ cao làm nguội qua hệ thống làm mát đến nhiệt độ khoảng 120 C Đối với dây truyền 1: Hệ thống làm mát hệ thống lò quay Đối với dây truyền : Hệ thống làm mát hệ thống giàn ghi Clinker ủ từ đến 15 ngày trước tháo phụ gia + thạch cao vào máy nghiền xi măng  Công đoạn nghiền xi măng Clinker, thạch cao phụ gia sau đồng cho vào máy nghiền xi măng để tạo sản phẩm xi măng Thành phần Clinker , thạch cao, phụ gia điều chỉnh để đạt chất lượng xi măng theo yêu cầu Máy nghiền xi măng máy nghiền kiểu bi đạn Để đảm bảo nhiệt độ xi măng, nghiền nước phun vào dạng sương mù áp suất cao Phân tích tổng hợp hệ thống cơng nghệ hóa học sở nhiệt động học (Exergy) Xi măng khỏi máy nghiền đưa qua hệ thống phân ly Tại có sàng lọc Nếu hạt xi măng to thu hồi trở lại đầu máy nghiền Nếu xi măng đạt tiêu chuẩn đưa kho chứa Nếu xi măng nhỏ thu hồi hệ thống lọc bụi  Cơng đoạn đóng bao Xi măng từ Silô chứa vận chuyển vít tải, gầu xúc băng tải tới phân xưởng đóng bao Tại có Silơ chứa, Silô chứa xi măng sục liên tục nhờ máy nén khí để đồng lần cuối trước đưa đến máy đóng bao đưa đến cầu cảng để xuất xi măng rời Phân tích Exergy sản xuất xi măng 3.1 Phương trình sử dụng phân tích exergy hệ thống sản xuất xi măng bê tơng Định lượng dịng đầu vào đầu dẫn đến nhiều thông số kỹ thuật để phan tích exergetic Các yếu tố đầu vào (nguyên liệu lượng) đầu (khi thải) để sản xuất xi măng minh họa hinh Lượng đầu vào cac nhiên liệu khác rõ hình, bao gồm đầu vào đầu cho qua trinh sản xuất bê tông Năng lượng đầu vào dạng khác Nhiên liệu rắn, chủ yếu than đá đóng góp 57,6%, đóng vai trò nguồn lượng cung cấp lớn Nhiên liệu lỏng, dầu nặng dầu diesel chiếm 35,95%.Trong điện khí propan tạo thành hai loại nhiên liệu khác tương ứng với 6,42% 0,002% Một phần dầu nhiên liệu nặng sử dụng để gia nhiệt trước cho lò nung, phần lại sử dụng cho nhu cầu nhiệt nhà máy.Các động diesel sử dụng cho việc vận chuyển nguyên vật liệu nhiên liệu khác,Ngoài ra, điện sử dụng cho hoạt động phận điện tử nhà máy.Chẳng hạn để vận chuyển, propan sử dụng trình sản xuất clinker.Tiêu thụ lượng lớn hệ thống trình sản xuất clinker, chiếm tới 59,6% tổng nhu cầu lượng Đây kết mong đợi kể từ nâng nhiệt độ clinker lên 1450 độ C Phần lại lượng dùng cho đơn vị lại nhà máy sản xuất Phân tích tổng hợp hệ thống cơng nghệ hóa học sở nhiệt động học (Exergy) Định nghĩa Exergy:ta biến đổi phần lượng nhiệt thành cơng q trình thuận nghịch,và Exergy(j/kg) lượng mà biến đổi hồn tồn thành cơng q trình thuận nghịch Biểu thức tốn học: Trong đó: U lượng nội P áp suất T nhiệt độ S entropy i hóa học ni số mol cấu tử i Phân tích tổng hợp hệ thống cơng nghệ hóa học sở nhiệt động học (Exergy) Exergy có hệ thống điều kiện định cơng hữu ích tối đa thu từ hệ thống cơng thực trình phụ thuộc vào trạng thái ban đầu, trạng thái cuối cùng, vào trình Trong phân tích exergy, trạng thái ban đầu xác định, khơng phải biến Exergy vật liệu khác cho trước, cân exergy trình trở thành phương tiện việc tính tốn mát exergy hiệu suất exergy trình Sự cân exergy mơ tả (hình 3) theo phương trình: Tổn thất exergy chủ yếu q trình khơng thuận nghịch exergy chất thải bao gồm: chất thải rắn lỏng, khí thải Exergy hữu ích exergy sản phẩm Điều tính từ phương trình cân exergy: Hiệu trình xác định từ % exergy hữu ích tổng số exergy đầu vào: % tổn thất exergy, định nghĩa lượng tính sau: Trong sản xuất xi măng coi có sản phẩm nên phương trình áp dụng Phân tích tổng hợp hệ thống cơng nghệ hóa học sở nhiệt động học (Exergy) Exergy vật lý dòng định đưa phương trình sau: Nếu nhiệt dịng biết đến Cp (T) phương trình sau sử dụng: Mix exergy: exergy trộn dịng khí nơi mà tất thành phần coi khí lý tưởng đưa phương trình (Koroneos et al, 2003.): Exergy trộn khí đốt có thành phần dễ cháy cho phương trình sau đây: Exergy hóa học: exergy hóa học chất tối đa, cơng hữu ích sinh q trình cân vật lý hóa học chất với mơi trường xung quanh Exergy hóa học chất tính phương trình sau đây: Exergy hóa học chất tham gia vào phản ứng : có liên quan đến lượng tự Gibbs phản ứng phương trình: Exergy hóa học chất cho bảng exergy hóa học dịng khí với N thành phần đưa ra: Tổng exergy dòng là: Exergy nhiệt: Hiệu suất exergy : Phân tích tổng hợp hệ thống cơng nghệ hóa học sở nhiệt động học (Exergy) Định lượng dòng đầu vào đầu dẫn đến nhiều thơng số kỹ thuật để phan tích exergetic Các yếu tố đầu vào (nguyên liệu lượng) đầu (khi thải) để sản xuất xi măng minh họa hinh Lượng đầu vào cac nhien liệu khác rõ hình, bao gồm đầu vào đầu cho qua trinh sản xuất bê tông Năng lượng đầu vào dạng khác Nhiên liệu rắn, chủ yếu than đá đóng góp 57,6%, đóng vai trị nguồn lượng cung cấp lớn Nhiên liệu lỏng, dầu nặng dầu diesel chiếm 35,95%.Trong điện khí propan tạo thành hai loại nhiên liệu khác tương ứng với 6,42% 0,002% Một phần dầu nhiên liệu nặng sử dụng để gia nhiệt trước cho lò nung, phần lại sử dụng cho nhu cầu nhiệt nhà máy.Các động diesel sử dụng cho việc vận chuyển nguyên vật liệu nhiên liệu khác,Ngoài ra, điện sử dụng cho hoạt động phận điện tử nhà máy.Chẳng hạn để vận chuyển, propan sử dụng trình sản xuất clinker.Tiêu thụ lượng lớn hệ thống trình sản xuất clinker, chiếm tới 59,6% tổng nhu cầu lượng Đây kết mong đợi kể từ nâng nhiệt độ clinker lên 1450 độ C Phần lại lượng dùng cho đơn vị lại nhà máy sản xuất 3.2 Exergy hóa học q trình nung Ngun liệu đầu vào cho lị nung có chứa 75% đá vơi, 25% thạch diệp anh Phản ứng hóa học xảy trình nung : Thành phần sản phẩm thu sau q trình nung có bảng sau: Phân tích tổng hợp hệ thống cơng nghệ hóa học sở nhiệt động học (Exergy) Lượng lượng cần thiết cho trình nung lượng exergy tích lũy kg clinker tính sau: Như vậy, với phần lượng cung cấp cho q trình nung, có khoảng 73,2% sinh cơng Phần lượng cịn lại làm nóng thiết bị, làm nóng nguyên liệu mát ngồi mơi trường 3.3 Exergy hóa học nhiên liệu Quá trình nung clinker trình tiêu tốn nhiều lượng toàn dây chuyền sản xuất xi măng, chiếm tới 59.6% tổng nhu cầu lượng Nhiên liệu cho trình nung clinker chủ yếu than cốc dầu FO nặng Propan chiếm tỉ lệ nhỏ.Thành phần loại nhiên liệu cho bảng đây: Exergy hóa học nhiên liệu tính sau: Đối với than cốc: Đối với dầu FO nặng: Trong đó: xH, xC, xO, xN, xS: phần khối lượng nguyên tố H, C, O, N có nhiên liệu Kết tính tốn cho bảng sau: 10 Phân tích tổng hợp hệ thống cơng nghệ hóa học sở nhiệt động học (Exergy) Hiệu trình xác định từ % exergy hữu ích tổng số exergy đầu vào: Tổn thất exergy, định nghĩa lượng tính sau: Dựa kết tính tốn theo bảng số liệu trên, hiệu trình đạt 50.2% Như vậy, điều hồn tồn tn theo ngun lí thứ II nhiệt động học: Cơng biến đổi hồn tồn thành nhiệt, nhiệt khơng thể biến đổi thành công Exergy tổn thất lượng Sơ đồ dịng q trình sản xuất clinker với dịng nhiệt mơ tả xác hình Việc đánh giá giá trị lượng lượng sử dụng hệ thống thực qua phân tích dịng vào dịng Năng lượng đầu vào exergy dòng khác q trình sản xuất clinker tính kg clinker sản xuất thể bảng Dựa theo bảng 4, xây dựng sơ đồ Sankey biểu diễn lượng exergy Các sơ đồ (hình hình 6) ví dụ điển hình exergy cân entanpy exergy hữu ích hay mát q trình ta thấy có khoảng 68.5% lượng hữu ích cho hệ thống giá trị đại diện cho 50% exergy hữu ích 50% exergy cịn lại tổn thất exergy giai đoạn khác hệ thống tổn thất lớn (30.9% ) tính chất bất thuận nghịch gia nhiệt trước dòng vào làm mát dòng sản phẩm khí thải q trình đốt cháy ngun liệu gây rò rỉ khoảng 15.1% exergy 11 Phân tích tổng hợp hệ thống cơng nghệ hóa học sở nhiệt động học (Exergy) Tóm tắt trình: Ngun liệu thơ đá có 75% đá vơi 20% diệp thạch đưa vào tháp nung, khí thái trình nung thải đỉnh tháp Đáy tháp lị nung cung cấp khơng khí từ phận làm nguội khơng khí đáy tháp than đá (pet-coke) cung cấp nhiệt chung cho lò nung lò quay Đi khỏi đáy lị nung dịng ngun liệu khơ vào lị quay Khơng khí đưa vào lị, làm mát đưa từ mơi trường xung quanh vào Clinker lị làm lạnh khơng khí 12 Phân tích tổng hợp hệ thống cơng nghệ hóa học sở nhiệt động học (Exergy) 13 Phân tích tổng hợp hệ thống cơng nghệ hóa học sở nhiệt động học (Exergy) Các phương pháp giảm mát exergy Ta có: Cơng W tiêu thụ tính dựa vào khác Exergy nhiệt độ đầu vào T1 nhiệt độ đầu T2 nguồn nhiệt: 1 𝑇2 𝑇1 W = E1 - E2 = QT0( − ) E1, E2 exergy nhiệt độ đầu vào đầu nguồn nhiệt Như lượng W cần thiết cho q trình khơng phụ thuộc vào nhiệt lượng Q mà phụ thuộc vào mức nhiệt độ T1 T2 Hiệu số nhiệt độ T1 – T2 thường bé tính tốn nên mát exergy thường nhỏ Tuy nhiên trình thực tế, lượng nhiệt cấp cho qua trình thường có dịng nhiệt có nhiệt độ Tvào>T1 lượng nhiệt lấy thiết bịlàm nguội thường có nhiệt độ Tra