Đang tải... (xem toàn văn)
Nhóm sinh viên thực hiện Phạm Nhật Linh, Nguyễn Như Quỳnh, Nguyễn Tấn Vinh
Mục lục Trang Mục lục hình vẽ LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại hiện nay, cùng với sự phát triển xã hội, quá trình công nghiệp hóa cũng phát triển một cách mạnh mẽ và không ngừng. Những công trình công nghiệp lớn và trọng điểm đều được áp dụng ở mức độ tự động hóa tương đối cao. Mọi thành tựu về tự động hóa đều phải được thực hiện trên nền tảng của lý thuyết điều khiển tự động. Chính vì vậy, lý thuyết điều khiển tự động là yếu tố quyết định của mọi quá trình tự động hóa sau này. Xi măng là vật liệu quan trọng trong ngành xây dựng. Các nhà máy sản xuất xi măng ở nước ta hiện nay đều là những nhà máy có quy mô lớn, có mức độ tự động hóa tương đối cao, sản xuất chủ yếu dựa vào nguồn nguyên liệu sẵn có tại địa phương. Chất lượng xi măng là do chất lượng của clinke quyết định. Chất lượng clinke phụ thuộc vào quá trình canxi hóa. Vì vậy nhóm sinh viên thực hiện đồ án đã chọn đề tài: “Nghiên cứu hệ thống điều khiển công đoạn lò nung cho dây chuyền 2 nhà máy xi măng Hoàng Thạch”. Nội dung đồ án gồm 4 chương như sau: Chương I: Tổng quan chung về sản xuất xi măng Chương II: Hệ thống điều khiển công đoạn sản xuất clinke Chương III: Hệ thống điều khiển cấp liệu Chương IV: Hệ thống điều khiển nhiệt độ buồng canxi hóa 1 Đây là đồ án tốt nghiệp về một nhà máy sản xuất xi măng lớn, hơn nữa chúng em không có đủ điều kiện và tài liệu để tìm hiể về nhà máy nên đồ án của nhóm em chắc chắn không thể tránh khỏi những hạn chế. Chúng em mong nhận được ý kiến đánh giá của thầy cô và các bạn quan tâm đến đề tài này. Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Nguyễn Văn Hòa, và các thầy cô giáo trong bộ môn đã hướng dẫn và chỉ bảo nhiệt tình trong quá trình thực tập và hoàn thành đồ án này. Chúng em xin cảm ơn tới các kỹ sư đang làm việc tại nhà máy xi măng Hoàng Thạch đã hướng dẫn và cung cấp tài liệu trong quá trình tìm hiểu nhà máy. Hà Nội, ngày 28 tháng 5 năm 2009 Nhóm sinh viên thực hiện Phạm Nhật Linh Nguyễn Như Quỳnh Nguyễn Tấn Vinh 2 CHƯƠNG I : TỔNG QUÁT CHUNG VỀ SẢN XUẤT XI MĂNG 1.1 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG POOCLĂNG 1.1.1. Các khái niệm về sản xuất xi măng Pooclăng Xi măng là chất kết dính thuỷ lực cứng trong nước và không khí, được tạo ra bởi việc nghiền chung clinke với thạch cao và một số phụ gia khác. Clinke là thành phần quan trọng nhất của xi măng, quyết định tính chất của xi măng. Nguyên liệu chính để sản xuất clinke là đá vôi (CaO) và đá sét (SiO 2 , Fe 2 O 3 , Al 2 O 3 ). Chất lượng của clinke phụ thuộc vào thành phần hoá học và thành phần khoáng của nó. Thành phần hoá học của clinke được biểu diễn bằng tỉ lệ thành phần các ôxít trong phối liệu và là chỉ tiêu quan trọng để kiểm tra chất lượng clinke. Tổng hàm lượng 4 ôxít cơ bản: CaO, SiO 2 , Fe 2 O 3 , Al 2 O 3 trong clinke chiếm tỉ lệ từ 95 – 98%, tính chất của clinke và xi măng phụ thuộc chủ yếu vào tỉ lệ của các ôxít cơ bản này. Tỉ lệ hàm lượng các ôxít trong clinke thông thường như sau: CaO 63 - 67% SiO 2 21 - 24% Fe 2 O 3 2 - 4 % Al 2 O 3 4 - 7% Bằng việc thay đổi tỷ lệ hàm lượng các ôxít cơ bản này khi cấp vào máy nghiền ta có thể thay đổi tính chất của xi măng. Ngoài các ôxít cơ bản đó trong clinke còn có các ôxít khác như : MgO, Na 2 O, P 2 O 5 ,MnO 2 … Trong quá trình nung luyện clinke bốn ôxít cơ bản trên sẽ tác dụng với nhau để tạo thành các khoáng xác định tính chất của xi măng. Trong xi măng có các khoáng chính như sau : Silicat 3 Canxi (Alit) 3 CaO.SiO 2 Silicat 2 Canxi (Bezit) 2 CaO.SiO 2 3 Aluminat 3 Canxi 3 CaO.Al 2 O 3 Alumoferit 4 Canxi 4 CaO.Al 2 O 3 .Fe 2 O 3 Hàm lượng các khoáng cơ bản trong clinke nằm trong các khoảng sau : Silicat 3 Canxi (Alit) (42 - 60)% Silicat 2 Canxi (Bezit) (15 - 50)% Aluminat 3 Canxi (2 - 15)% Alumoferit 4 Canxi (10 - 25)% Ngoài các phối liệu cơ bản trên còn có các phụ gia được đưa vào phối liệu nung hoặc nghiền cùng clinke nhằm tăng cường hoặc hạn chế một số tính chất nào đó của xi măng: - Phụ gia khoáng làm xúc tác cho những phản ứng hóa học, sau khi hoàn thành sẽ nằm lại luôn trong sản phẩm. - Phụ gia điều chỉnh dùng để điều chỉnh sự kết dính và độ đóng rắn của xi măng, thường dùng thạch cao. - Phụ gia thủy làm tăng tính bền nước của xi măng. Có 2 loại: + Dạng tự nhiên: tro núi lửa, đá bọt. + Dạng nhân tạo: xỉ của nhà máy luyện kim, xỉ lò cao…vv - Phụ gia điền đầy: nhằm tăng sản lượng xi măng, giảm gía thành sản phẩm. - Phụ gia bảo quản: có tác dụng tạo màng ngăn ẩm bao bọc các hạt xi măng, ngăn không cho chúng hút ẩm, thường dùng dầu thực vật dầu lạc có độ phân tán cao. Xi măng là chất kết dính xây dựng, các thành phần hoá học của nó gồm các hợp chất có độ bazơ cao. Trên quan điểm hoá học người ta phân chia như sau : - Nhóm xi măng Silíc – Môi trường nước. - Nhóm xi măng Alumin – Môi trường nhiệt độ cao. - Nhóm xi măng khác – Môi trường đặc biệt. Xi măng Pooclăng là chất kết dính thuỷ lực được sản xuất bằng cách nghiền mịn clinke xi măng với thạch cao (3 – 5%) và phụ gia (nếu có). Xi măng Pooclăng hỗn hợp là sản phẩm nghiền mịn của hỗn hợp clinke, thạch cao (3 – 5%) với phụ gia hỗn hợp (tổng lượng không lớn hơn 40%, trong đó phụ gia đầy không lớn hơn 20%). 4 Khi thành phần trọng lượng phụ gia thêm vào > 15% thì xi măng được gọi theo tên gốc cùng với tên phụ gia như xi măng Pooclăng xỉ, xi măng Pooclăng pudơlan… Clinke xi măng là sản phẩm nung đến kết khối của hỗn hợp nguyên liệu đá vôi, đất sét theo các môđul hệ số phù hợp để tạo được các thành phần khoáng theo mong muốn. Hệ số bão hoà vôi : LSF = 100. 2,8. 1,18. 0,65. C S A F+ + Đối với xi măng Pooclăng thường (LSF = 95 – 100%). Môđul Silíc : SIM = S A F + Đối với xi măng Pooclăng (MS = 1,7 – 3,5). Môđul nhôm : ALM = A F Đối với xi măng Pooclăng (MA = 1 – 3). Trong đó : (C, S, A, F) là % các ôxít CaO, SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 trong clinke. Thành phần khoáng (% khối lượng) xi măng Pooclăng thường : Khoáng Alit C 3 S hàm lượng 45 – 60%. Khoáng Bêlit C 2 S hàm lượng 20 – 30%. Khoáng Alumin canxi C 3 A hàm lượng 5 – 15%. Khoáng Alumôferit canxi C 4 AF hàm lượng 10 – 18%. Pha thuỷ tinh, hàm lượng từ 15 – 30%. Thành phần hoá học : Các ôxít chính gồm : CaO, SiO 2 , Fe 2 O 3 , Al 2 O 3 chiếm từ 95 – 97%, còn lại từ 3 – 5% là các ôxít khác (Na 2 O, K 2 O, MgO, Mn 2 O 3 , SO 3 , TiO 2 ). Xi măng Pooclăng thường các ôxít nằm trong giới hạn : - CaO = 63 – 67%. - SiO 2 = 21 – 24%. - Al 2 O 3 = 4 – 7%. - Fe 2 O 3 = 2,5 – 4% 5 - R 2 O < 1,5%. - TiO 2 < 5%. - MnO 2 < 1,5%. - MgO ≤ 5%. 1.1.2 Nguyên liệu sản xuất xi măng Thành phần phối liệu sản xuất ra clinke gồm bốn ôxít chính là CaO, SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 . + Ôxít canxi do nhóm nguyên liệu cacbonat canxi cung cấp. + Ôxít SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 nằm trong các khoáng sét do đất sét cung cấp. + Để điều chỉnh các môđul cho hợp lý ta phải thêm vào một số phụ gia điều chỉnh như Diantomit, quặng sắt, bôxít. a. Nhóm nguyên liệu chứa CaO : Để tạo ra CaO : CaCO 3 700 1000 o o C C ÷ → CaO + CO 2 Ca(OH) 2 → CaO + H 2 O Trong đó Ca(OH) 2 là tốt nhất vì có độ phân tán cao, hoạt tính. Khi chọn nguyên liệu nếu có đá vôi sét mà hàm lượng sét > 20% là tốt nhất . Cho clinke tốt, công nghệ đơn giản, ít tốn năng lượng. b. Nhóm nguyên liệu chứa SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 : Đất sét chứa các thành phần sau : - Khoáng sét. - Muối khoáng. - Tạp chất hữu cơ. - Đá, sỏi, cát, trường thạch. Trong đó khoáng sét là chủ yếu. Để sản xuất xi măng thì đất sét phải có hàm lượng khoáng sét > 70 – 75%. Trong đó khoáng caolinit là chủ yếu. Khi tỉ lệ môđul, hệ số chưa hợp lý ta phải dùng các cấu tử phụ gia giầu SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 để điều chỉnh. 1.1.3. Nhiên liệu để nung clinke xi măng 6 Quá trình tạo khoáng clinke xi măng thu nhiệt và chỉ xảy ra hoàn toàn ở nhiệt độ cao 1400 – 1500 0 C trong thời gian nhất định. Vì vậy, phải cung cấp nhiên liệu để nung chín được clinke. Trong công nghệ sản xuất xi măng hiện đang sử dụng 3 loại nhiên liệu chính sau : - Nhiên liệu rắn (Than) - Nhiên liệu lỏng (Dầu MFO) - Nhiên liệu khí (Khí thiên nhiên) a. Nhiên liệu rắn : Hiện nay các nhà máy xi măng chủ yếu dùng loại than đá lửa dài, nhiều chất bốc để pha hỗn hợp than bụi hoặc than Atraxit phân loại theo số cám 1, 2, 3 ,4, 5 làm nhiên liệu. Yêu cầu của than dùng trong lò quay : - Nhiệt trị : Q H ≥ 5500 Kcal/kg than. - Chất bốc : V = 15 – 30%. Yêu cầu kỹ thuật của than dùng trong lò đứng : - Nhiệt trị : Q H ≥ 5500 Kcal/kg than. - Chất bốc : V < 20%. b. Nhiên liệu lỏng : Dầu MFO nhiệt năng cao, ít tro, dễ điều chỉnh khi nung nhưng giá thành cao gấp 2 – 3 lần than và phải gia nhiệt trước khi phun vào lò (90 – 100 0 C). Dầu MFO sử dụng làm nhiên liệu cho sản xuất xi măng phải thoả mãn những yêu cầu kỹ thuật sau : - Nhiệt lượng ≥ 9200 Kcal/Kg dầu. - Lượng nước lẫn ≤ 1%. - Tỷ trọng ở 20 0 C ≤ 0,98 Tấn/m 3 . - Hàm lượng lưu huỳnh ≤ 2,1%. c. Nhiên liệu khí : Dùng khí thiên nhiên rất sạch, dễ điều chỉnh, không có tro, dùng để sản xuất xi măng trắng rất tốt. Sử dụng không phải gia công. 7 1.1.4. Các phương pháp sản xuất xi măng Các yêu cầu kỹ thuật của phối liệu : - Đảm bảo thành phần hoá. - Đảm bảo độ mịn (≤ 15% trên sàng R 008). - Đảm bảo độ ẩm . - Đảm bảo độ đồng nhất. Phân loại các phương pháp sản xuất xi măng : Theo chuẩn bị phối liệu : 1- Phương pháp ướt : phối liệu vào lò dạng bùn có độ ẩm W = 36 – 42% 2- Phương pháp khô : phối liệu vào lò dạng bột có độ ẩm W = 1 – 2% 3- Phương pháp bán khô : phối liệu vào lò dạng viên có độ ẩm W = 12 – 14%. Ba phương pháp này chỉ khác nhau cơ bản ở khâu gia công và chuẩn bị phối liệu nung. Theo hệ thống lò : 1. Hệ thống lò đứng. 2. Hệ thống lò quay (lò quay phương pháp ướt hoặc lò quay phương pháp khô). Để lựa chọn phương pháp sản xuất hợp lý, nhà sản xuất phải dựa vào một số điều kiện sau : - Vốn đầu tư. - Quy mô sản xuất. - Mặt bằng sản xuất. - Nguồn nguyên, nhiên liệu. - Trình độ trang thiết bị sản xuất. Từ những điều kiện thực tế mà người ta lựa chọn phương pháp sản xuất hợp lý. Hiện nay, các nhà máy xi măng hiện đại chủ yếu sử dụng lò quay phương pháp khô. 8 1.1.5. Quá trình lý hóa xảy ra khi nung clinke trong lò quay Quá trình diễn biến khi nung trải qua 8 giai đoạn diễn biến theo sơ đồ sau. Theo chiều mũi tên thì quá trình xảy ra đi từ đầu lò, nơi nguyên vật liệu vào đến cuối lò clinke ra lò. (Giai đoạn viết tắt là GĐ) GĐ1 – Mất nước lý học, t 0 ≈ 100 0 C. GĐ2 – Mất nước hoá học phân huỷ khoáng caolinit (khoáng sét), t 0 = 600 – 900 0 C. GĐ3 – Phân huỷ magiê cacbonat (MgCO 3 ) , t 0 = 700 0 C. GĐ4 – Phân huỷ canxi cacbonat (CaCO 3 ), t 0 = (900 0 C – 1000 0 C). GĐ5 – Phản ứng pha rắn xảy ra quá trình khuyếch tán bề mặt, khuyếch tán thể tích. Tạo các khoáng clinke ở nhiệt độ thấp và các khoáng trung gian, t 0 > 600 0 C. GĐ6 – Xuất hiện pha lỏng do các khoáng dễ nóng chảy. Quá trình khuyếch tán hoà tan CaO td , C 2 S quá bão hoà kết tinh ra C 3 S do tương tác của CaO td và C 2 S. GĐ7 – Làm lạnh clinke từ 1450 0 C xuống 1100 0 C. GĐ8 – Clinke ra khỏi giàn làm lạnh nhiệt độ từ 1100 0 C xuống 80 0 C. Các giai đoạn này được tách ra chỉ là tương đối nhằm phản ánh quá trình cơ bản nhất mà ở khoảng nhiệt độ đó tạo ra. Giữa các giai đoạn có tính chất liên tục, phản ứng hay quá trình diễn ra ở cuối giai đoạn này thì là đầu của giai đoạn tiếp theo. Diễn biến của các giai đoạn được trình bày như sau : GĐ1 – Mất nước lý học, khoảng nhiệt độ khoảng 100 0 C. GĐ2 – Mất nước hoá học phân huỷ khoáng caolinit (khoáng sét), t 0 ≈ 600 – 900 0 C. Tách nước hoá học, nước liên kết trong cấu trúc khoáng Al 2 (OH) 4 .[SiO 5 ]. Từ 600 – 950 0 C Al 2 O 3 .2SiO 2 .2H 2 O → Al 2 O 3 vdh + SiO 2 vdh Al 2 O 3 vdh , SiO 2 vdh tồn tại ở dạng tự do. GĐ3 – Phân huỷ magiê cacbonat (MgCO 3 ), t 0 = 700 0 C. MgCO 3 700 o C≥ → MgO + CO 2 GĐ4 – Phân huỷ canxi cacbonat (CaCO 3 ), t 0 = (700 – 1000 0 C). CaCO 3 700 1000 o o C C ÷ → CaO + CO 2 9 GĐ5 – Xảy ra phản ứng pha rắn (t 0 > 600 0 C). Hình thành các khoáng C 2 S, C 3 A, C 4 AF. Phương trình phản ứng : C + F 500 600 o C ÷ → CF C + A 800 900 o C ÷ → CA 3CA + 2C 900 o C> → C 5 A 3 2C + S 900 1000 o C ÷ → C 2 S C + CF 900 1000 o C ÷ → C 2 F C 5 A 3 + 4C 1200 o C> → 3C 3 A C 3 A + CF 1200 o C> → C 4 AF GĐ6 – Xuất hiện pha lỏng ở 1250 0 C – 1450 0 C. Các khoáng C 3 A, C 4 AF, muối kim loại kiềm nếu có nóng chảy tạo ra pha lỏng và đồng thời là quá trình hoà tan C 2 S, CaO td hoạt tính, tinh thể không hoàn chỉnh hoà tan khuyếch tán. Khi nồng độ vượt quá nồng độ bão hoà thì tương tác nhanh giữa C 2 S và CaO tạo mầm và kết tinh ra C 3 S. Vùng phản ứng kết khối, pha lỏng xuất hiện do các khoáng dễ chảy như C 3 A, C 4 AF và một số muối của họ chất kiềm nóng chảy. Các khoáng C 2 S, CaO td khuyếch tán vào pha lỏng. Các hạt này hoà tan dần vào pha lỏng, khi vượt quá nồng độ bão hoà thì có xu hướng kết tinh tạo ra C 3 S. Quá trình này phụ thuộc vào nhiệt độ, độ nhớt của pha lỏng, nồng độ của chất khuyếch tán trong pha lỏng, hoạt tính hoá học của C 2 S và CaO td . Quá trình kết tinh đồng nghĩa với quá trình làm mất trạng thái bão hoà nồng độ C 2 S và CaO td hoà tan trong lỏng giảm. Do đó quá trình hoà tan lại tiếp tục. Ở mỗi nhiệt độ có một nồng độ bão hoà nhất định. Khi làm lạnh nhiệt độ giảm thì quá trình kết tinh tinh thể C 3 S tăng lên, tinh thể C 3 S lớn lên. Khi giảm nhiệt độ tới < 1300 0 C thì C 3 A, C 4 AF, C 2 S tái kết tinh. Tuy nhiên pha lỏng vẫn tồn tại và tồn tại chất hoà tan. Do vậy kết tinh tinh thể C 3 S vẫn được tiếp tục đồng thời với quá trình lớn lên của tinh thể. Tốc độ khuyếch tán phụ thuộc đặc biệt vào nhiệt độ, bản chất của C 2 S và CaO ht . 10
