Thông tin chuyên ngành Xi măng Việt Nam

>> Q&A về hệ thống vòi đốt trong các nhà máy xi măng (P2)

Việc sử dụng ngày càng nhiều các nhiên liệu thay thế có chất lượng và độ ổn định khác nhau có thể gây ra những thách thức trong sản xuất xi măng. Các nhiên liệu này có thể tác động ra sao tới hiệu suất vòi đốt và có thể làm gì để giảm thiểu các ảnh hưởng này?

FCT Combustion: Nhiên liệu khác nhau có nghĩa là kích thước hạt liệu, mật độ khối, độ ẩm, và nhiệt trị khác nhau cùng với khả năng sấy khô, đánh lửa, và thời gian cháy hết cũng như động lực học đốt cháy khác nhau. Loại nhiên liệu thay thế, sự khác nhau về chủng loại và tỷ lệ mà nhiên liệu được đưa tới vòi đốt có thể tác động đến chiều dài ngọn lửa và biên dạng dòng nhiệt bên trong lò cũng như lượng khí phát thải. Hầu hết các hệ thống định lượng nhiên liệu đều hoạt động trên nguyên tắc thể tích, có nghĩa rằng nhiệt năng được cấp tới vòi đốt có thể thay đổi theo thời gian, kể cả khi định lượng theo thể tích ổn định, do các đặc tính nhiên liệu thay đổi.

Để giảm thiểu tất cả các ảnh hưởng này, vòi đốt phải được thiết kế sao cho có thể vận hành thật sự linh hoạt để kiểm soát khí động học và quá trình đốt cháy phù hợp, tăng cường sức hút gió thứ cấp (gió hai) vào ngọn lửa. FCT giới thiệu Vòi đốt Turbu-Flex^TM với thiết kế đầu đốt bằng khí hướng trục, độ chảy rối được cấu hình lại, và khí nâng nhiên liệu thay thế được phân chia giữa việc nâng nhiên liệu từ đáy đường ống vận chuyển và không khí phân tán giúp phát tán nhiên liệu vào gió sơ cấp (gió một) và gió thứ cấp khi nó rời khỏi đầu vòi đốt.

Ngoài những thách thức tại vòi đốt lò, điều quan trọng cần nói đến đó là một số nhiên liệu vốn dĩ đã phù hợp hơn với calciner, và sẽ không vấn đề gì nếu khắc phục được những khó khăn khi sử dụng chúng tại lò nung, còn khi sử dụng chúng tại calciner sẽ dễ dàng hơn nhiều. Các loại nhiên liệu như vậy bao gồm các nhiên liệu có độ ẩm cao hơn, nhiệt trị thấp hơn, kích thước hạt lớn hơn, thời gian đốt cần thiết lâu hơn, hoặc hàm lượng chất bốc thấp, cùng với các yếu tố khác nữa.

Như là một nguyên tắc chung, các nhiên liệu thay thế dễ đốt cháy hơn sẽ được dùng cho vòi đốt lò, và các nhiên liệu khó đốt cháy hơn sẽ được dùng tại calciner. Trong trường hợp không có sẵn calciner, một hỗn hợp nhiên liệu thay thế khó đốt cháy và dễ đốt cháy hơn sẽ là hỗn hợp nhiên liệu dung hòa tốt nhất để tăng mức thay thế chung lên đồng thời tác động ít hơn đến quá trình vận hành lò. Giải pháp khác có thể là sử dụng các vòi đốt kiểu hành tinh. Lập mô hình CFD cũng có thể là một phương án tốt cho giải quyết vấn đề cụ thể.

Việc sử dụng khí hydro làm nhiên liệu trong sản xuất xi măng cũng là một xu hướng đang nổi lên mà có thể tác động tới hiệu suất của vòi đốt. Do chi phí cao và tính sẵn có thấp của nó, khí hydro có thể được xem xét như là một loại nhiên liệu thay thế trong ngắn hạn đến trung hạn. Quá trình sản xuất khí hydro thông qua điện phân cũng sản sinh ra khí oxi, do vậy tính sẵn có của khí hydro hay khí oxi hoặc cả hai khí cho các hệ thống vòi đốt mở ra các khả năng mới cho kiểm soát đặc tính ngọn lửa được tối ưu hóa cho sản xuất xi măng.
ThyssenKrupp Industrial Solutions: Rất nhiều đặc tính của nhiên liệu thay thế (AFs) đặt ra những vấn đề đối với quá trình vận hành lò nung. Một số ví dụ như sau:

• Thành phần hóa học, bao gồm nồng độ các loại chất tuần hoàn như clo dẫn đến việc hình thành lớp cô-la bên ngoài zôn nung.

• Hình dạng và kích thước hạt ảnh hưởng tới việc đánh lửa, đốt cháy hết, do đó là chiều dài ngọn lửa.

• Hàm lượng độ ẩm ảnh hưởng tới tính chất dòng chảy hạt liệu, sự đánh lửa và nhiệt độ ngọn lửa.

• Có thể thách thức lớn nhất trong đó chính là tính không đồng nhất bên trong của các nguyên liệu này vì nó yêu cầu giám sát và hiệu chỉnh liên tục các thông số vận hành của lò nung.

Thiết kế vòi đốt hiệu quả góp phần cải thiện độ ổn định vận hành khi sử dụng AFs, nhưng vận hành với mức thay thế cao lại là vấn đề tối ưu hóa dây chuyền lò nung trên toàn cầu chứ không phải chỉ là vấn đề của riêng vòi đốt. Theo quan điểm thiết kế, động lượng ngọn lửa ổn định để đạt được sự phối trộn tốt giữa gió hai nóng và các hạt nhiên liệu và tăng tốc đánh lửa là rất quan trọng. Hàm lượng độ ẩm, kích thước và hình dạng hạt làm gia tăng các yêu cầu về gió một và động lượng của AF so với các yêu cầu của các nhiên liệu rắn khác. Với thiết kế vòi đốt hiệu quả, nhiệt độ ngọn lửa cao có thể đạt được mà không cần đến lượng gió một và mức tiêu hao điện năng cực cao tại vòi đốt. Với mức thay thế từ 50% nhiên liệu vùng phân hủy trở lên, khuyến nghị sử dụng các đường ống kiểu hành tinh khi đưa AF vào lò nung. Các đường ống này giúp đạt được sự phân phối nhiên liệu tốt hơn mà nếu không sẽ là một thách thức khi đưa nhiên liệu vào thông qua các kênh trung tâm của các vòi đốt rất lớn. Ngoài ra, nhờ điều chỉnh độ sâu lồng vào/chèn vào của đường ống cấp liệu, các nhiên liệu có hàm lượng độ ẩm cao hơn đạt được thời gian lưu kéo dài thêm để sấy khô trong chụp lò.

Unitherm Cemcon: Chất lượng ổn định, đặc biệt là về kích thước hạt và độ ẩm, nồng độ cũng quan trọng đối với nhiên liệu thứ cấp như đối với nhiên liệu sơ cấp. Nếu chỉ một trong số các thông số này thay đổi quá nhiều sẽ không thể đảm bảo được sự hoạt động ổn định của vòi đốt.

Để chống lại những tác động do sự thay đổi chất lượng này, người vận hành lò phải điều chỉnh thủ công lượng nhiên liệu sơ cấp cấp vào lò để đảm bảo quá trình vận hành vòi đốt, đặc biệt là khi lò bắt đầu trở nên yếu đi.

Điều này có thể tránh được nhờ tự động hóa các khả năng điều chỉnh chính tại vòi đốt chính như áp suất gió một và ngọn lửa hình thành và điều chỉnh nó bằng các thiết lập vòi đốt được xác định trước. 

Thông số hiệu suất quan trọng nữa đó mà vòi đốt lò nung hiện đại sử dụng để khắc phục những thách thức về mức nhiên liệu thứ cấp cao chính là động lượng vòi đốt. Khả năng cuốn vào gió hai nóng càng hiệu quả càng tốt, với thất thoát phối trộn tối thiểu, vào trong chân ngọn lửa là một tiêu chí quan trọng đối với quá trình sấy khô sớm, nhiệt phân và đốt cháy. Trong trường hợp này, hiệu quả động lượng - có thể sử dụng bao nhiêu năng lượng gió một có sẵn trong thực tế để hình thành ngọn lửa - là quan trọng hơn nhiều so với lượng N/MW về lý thuyết. Ví dụ Hệ thống Mono-Airduct-System (M.A.S) của Unitherm là một sự phát triển hợp lý của vòi đốt 3 kênh truyền thống. Vòi đốt này có đặc điểm là hiệu quả động lượng cao vì không bị thất thoát gió hướng trục và gió hướng kính khi phối trộn tại đầu vòi đốt.

Những giải pháp nào có thể thực hiện để giảm thiểu các phát thải nguy hại như NO_x?

FCT Combustion: Người ta thường tin rằng giảm thiểu lượng gió một là một cách để giảm bớt phát sinh NO_x tại vòi đốt. Tuy nhiên, trong thực tế, câu trả lời lại không hề đơn giản. Nếu xét riêng ra thì, việc giảm bớt lượng gió một có thể dẫn đến sự gia tăng NO_x, ví dụ, nếu nó gây ra sự đánh lửa chậm của nhiên liệu. Hơn nữa, chỉ riêng việc giảm bớt lượng gió một cũng có thể ảnh hưởng tới chất lượng clinker, làm giảm cường độ xi măng và có thể gây ra các vấn đề về vận hành lò liên quan tới khả năng phản ứng chậm hơn, các chu kỳ kiềm và lưu huỳnh tăng lên trong lò, và sự đốt cháy không kiểm soát được.

Điều quan trọng đó là phát thải NO_x có thể giảm thiểu được nhờ giảm bớt gió một, miễn là có kèm theo việc kiểm soát quá trình đốt cháy tương tự hoặc tốt hơn. Ngoài lượng gió một, sự phân bố trong ngọn lửa có thể có tác động đáng kể đến phát thải NO_x. Sự cuốn vào gió hai bị trễ có thể giảm bớt lượng NO_x miễn là nó không gây trễ việc đánh lửa của nhiên liệu. Sự đánh lửa sớm của ngọn lửa đã từ lâu được biết đến là sẽ giảm bớt lượng NO_x và thiết kế đầu vòi đốt và gió một là quan trọng cho điểm đánh lửa. Vị trí và động lượng của gió một tại đầu vòi đốt là quan trọng trong cách thức và vị trí mà gió hai được cuốn vào ngọn lửa. Nó sẽ cho phép đánh lửa nhiên liệu nhanh nhưng về tổng thể quá trình đốt cháy lại diễn ra chậm hơn - một sự cân đối rất hài hòa. Nước phun vào ngọn lửa từ đầu vòi đốt cũng có thể hữu ích trong việc kiểm soát nhiệt độ cao nhất mà cũng là một yếu tố khác dẫn đến phát sinh NO_x nhưng điều này sẽ phải gánh chịu những khoản tiền phạt.

Nếu có thể, một chương trình hiệu quả và ưu thế về kinh tế để giảm bớt phát thải NO_x là sử dụng các nhiên liệu thay thế. Các đặc tính của nhiên liệu thay thế như độ ẩm cao hơn, kích thước hạt lớn hơn, hoặc nhiệt trị thấp, cùng với các yếu tố khác làm chậm quá trình đốt cháy. Nhiên liệu có nồng độ ni-tơ thấp thơn cũng có thể sử dụng được để giảm bớt NO_x, mặc dù với các kết quả bị hạn chế. Vòi đốt linh hoạt mà có thể điều chỉnh được theo các điều kiện khác nhau và nhiên liệu là quan trọng nhất.

Trong một số trường hợp, công nghệ vòi đốt thực tế có thể có tác động lớn đến phát thải NO_x, ví dụ, vòi đốt Gyro-Therm^TM cho đốt khí tự nhiên sử dụng công nghệ hoàn toàn mới để phối trộn nhiên liệu và khí giảm thiểu sự hình thành NO_x đồng thời giảm bớt biên dạng dòng nhiệt nóng, ngắn lý tưởng cho vận hành lò nung xi măng.

Mặc dù vậy, nhìn chung đều không mong muốn làm giảm chất lượng sản phẩm, sản lượng lò nung, tiêu hao nhiên liệu, tuổi thọ vật liệu chịu lửa... do đó phải kiểm soát phát thải NO_x và tốt hơn là phải xử lý khí thải ống khói để loại bỏ NO_x ra khỏi dòng khí thải.

Unitherm Cemcon: Hầu hết các vòi đốt lò hiện đại đều được thiết kế theo nguyên tắc "thấp NO_x", có nghĩa là gió một được đưa vào lò bên ngoài các nhiên liệu và tỷ lệ gió một được duy trì ở mức tỷ lệ phần trăm thấp.

Việc tạo ra NO_x nhiệt là kết quả trực tiếp của chất lượng quá trình đốt cháy, có nghĩa là quá trình đốt cháy càng hiệu quả, giá trị NO_x càng cao. Hiện nay, hầu hết các nhà máy xi măng đều mong muốn tối đa hóa tỷ lệ phần trăm nhiên liệu rắn thứ cấp của họ để vận hành tiết kiệm về chi phí (chi phí nhiên liệu, thuế CO₂…).

Mục tiêu này có thể đạt được nhờ một vòi đốt hiệu suất cao, như vòi đốt M.A.S. Nhìn chung, có thể nói rằng những lợi ích của việc đốt cháy những lượng lớn các nhiên liệu rắn thứ cấp trong lò nung là hiệu quả hơn về mặt chi phí so với các biện pháp hỗ trợ được sử dụng để giảm bớt NO_x trong sấy sơ bộ.

Vòi đốt kiểu hành tinh có thể đóng vai trò gì trong các hệ thống vòi đốt hiện đại?

FCT Combustion: Các vòi đốt kiểu hành tinh có thể đóng một vai trò trong các hệ thống vòi đốt hiện đại ở một giới hạn nhất định. Các vòi đốt kiểu hành tinh được bố trí trong khu vực cao oxi trong lò và thường được lắp vào phía sau và bên trên vòi đốt chính của lò. Chúng có thể cho phép sấy khô hiệu quả hơn các nhiên liệu trước khi đi vào ngọn lửa, cho phép thời gian bay lơ lửng tăng lên (đặc biệt là đối với các hạt 3D hoặc lớn hơn), và khi thiết kế chuẩn xác, chúng có thể cho phép vận hành linh hoạt và kiểm soát chắc chắn khí động học và quá trình đốt cháy. 

Tuy nhiên, ở vòi đốt chính, mặc dù AF được phun vào khu vực có O₂ thấp hơn, nơi có thể làm giảm bớt quá trình sấy khô trước khi đốt cháy và thời gian bay lơ lửng bị giảm đi chút ít, những ưu điểm chung của nhiên liệu đang ở trong vòi đốt làm gia tăng sự linh hoạt trong vận hành cũng như việc kiểm soát khí động học và quá trình đốt cháy. Ngoài ra, đó là sự định vị tương đối vị trí của vòi đốt kiểu hành tinh và vòi đốt chính, mà hạn chế lượng nhiên liệu có thể được cấp bởi vòi đốt kiểu hành tinh vì sẽ không lý tưởng khi đưa phần lớn nhiên liệu đầu vào tới một vị trí ở xa tâm lò (như vòi đốt kiểu hành tinh đã làm được). Do đó, vòi đốt kiểu hành tinh là một giải pháp tuyệt vời cho sử dụng nhiên liệu thay thế mà không cần phải đầu tư vào vòi đốt mới, hay phải bổ sung thêm quá trình vận hành vòi đốt nhiên liệu thay thế đặc biệt là đối với các nhiên liệu khó đốt cháy.

ThyssenKrupp Industrial Solutions: Vòi đốt kiểu hành tinh có thể đóng một vai trò trong việc gia tăng tỷ lệ thay thế nhiên liệu trong lò, đồng thời giảm thiểu đến một mức độ nào đó các vấn đề vận hành thông thường liên quan tới mức thay thế cao. Do kích thước hạt lớn hơn và hàm lượng độ ẩm cao hơn, các hạt đánh lửa muộn hơn và ngọn lửa dài hoặc thậm chí có thể xảy ra hiện tượng ngọn lửa kép. Điều này ảnh hưởng tới các chu kỳ lưu huỳnh và kiềm và sự hình thành lớp cô-la. Nó cũng có thể ảnh hưởng tới nhiệt độ ngọn lửa với những ảnh hưởng tiêu cực tới chất lượng sản phẩm, vì cơ chế truyền nhiệt chính trong lò dựa vào bức xạ nhiệt do nhiệt độ ngọn lửa cao. Việc đưa thêm AF vào qua các đường ống vệ tinh giúp hình thành ngọn lửa. Thiết kế phù hợp của hệ thống định lượng và việc tìm ra điểm chèn vào hợp lý nhất và chiều sâu của đường ống kiểu hành tinh là những yêu cầu để vận hành thành công. Việc lựa chọn được đường kính đầu ống tối ưu có thể giúp cải thiện thêm lượng AF đầu vào. Một vấn đề tiềm ẩn khi sử dụng các đường ống kiểu hành tinh là điểm trích gió ba. Các lò sử dụng AF là chính sẽ yêu cầu lượng khí đốt cao hơn, do đó dẫn đến các chụp lò lớn hơn, đặc biệt là khi gió ba cũng được lấy ra từ chụp lò. Các chụp lò lớn hơn yêu cầu các đường ống kiểu hành tinh dài hơn chèn vào một môi trường không khí nóng, có tính mài mòn với tỷ lệ mài mòn cao hơn. Cũng vậy, nếu như gió ba được lấy tại chụp lò, tùy thuộc vào điểm đấu nối và vị trí đường ống kiểu hành tinh so với nó, các  hạt nhiên liệu có thể bị cuốn vào dòng gió ba. Các đường ống kiểu hành tinh hoạt động hiệu quả nhất với gió ba được lấy từ máy làm nguội.

Unitherm Cemcon: Khái niệm vòi đốt kiểu hành tinh đã xuất hiện trong ngành xi măng được vài thập kỷ rồi.

Trước đây, vòi đốt kiểu hành tinh bao gồm một đường ống đơn giản có hoặc không có lớp lót. Hiện nay, vòi đốt kiểu hành tinh của Unitherm (UNISAT) được thiết kế là một vòi đốt thực sự có thể điều chỉnh theo hướng trục và theo chiều thẳng đứng/ ngang. Mục đích là phối trộn tối ưu nhiên liệu sơ cấp đưa vào từ vòi đốt chính và nhiên liệu thứ cấp từ vòi đốt kiểu hành tinh để tránh hình thành ngọn lửa kép.

Các ưu điểm của vòi đốt kiểu hành tinh là rất rõ ràng: nhờ phun nhiên liệu thứ cấp ở phía trên và đằng sau vòi đốt chính, nhiên liệu đi vào vùng có nhiệt độ cao và có nồng độ ô-xi cao, trong đó nhiên liệu được sấy khô và bắt đầu giải phóng ra lượng chất dễ bay hơi.
(Còn nữa)

>> Q&A về hệ thống vòi đốt trong các nhà máy xi măng (P2)