Mô phỏng quá trình cháy giúp nhà máy xi măng tăng sử dụng nhiên liệu thay thế

Khi nhiên liệu thay thế có kích thước, khối lượng riêng và đặc tính cháy khác với than, việc tăng lượng cấp vào lò không phải lúc nào cũng giúp nâng tỷ lệ thay thế nhiệt. Nhiên liệu có thể cháy không hết, rơi xuống đáy lò hoặc đi vào những vùng có nồng độ oxy thấp, kéo theo CO tăng, đóng bám và mất ổn định. Mô phỏng quá trình cháy và dòng khí giúp nhà máy đánh giá những hiện tượng khó quan sát bên trong lò, từ đó xác định nguyên nhân và lựa chọn phương án cải tiến.

Tăng nhiên liệu thay thế và bài toán giữ ổn định sản xuất

Sử dụng nhiên liệu thay thế đang được đẩy mạnh tại nhiều nhà máy xi măng nhờ sự phát triển của công nghệ xử lý, tái chế chất thải và các cơ chế khuyến khích. Nguồn nhiên liệu ngày càng đa dạng cũng đồng nghĩa với việc các nhà máy phải xử lý nhiều loại nhiên liệu có đặc tính nhiệt và vật lý khác nhau.

Tỷ lệ thay thế nhiệt (TSR) có xu hướng tăng tại nhiều thị trường. Một số nhà máy đã đạt TSR tới 100%. Tại Liên minh châu Âu, TSR trung bình đã vượt 50%, trong khi những mức tương đương cũng được ghi nhận tại một số quốc gia châu Á và Bắc Âu. Tại Mỹ, tỷ lệ thay thế nhiệt hiện phổ biến trong khoảng 16 - 25% và đang tiếp tục được cải thiện.

Tuy nhiên, tăng tỷ lệ nhiên liệu thay thế không đơn giản là tăng lượng nhiên liệu cấp vào hệ thống. So với than, nhiên liệu thay thế có thể khác biệt đáng kể về kích thước, khối lượng riêng, độ ẩm, khả năng bay hơi và tốc độ cháy. Những khác biệt này ảnh hưởng trực tiếp đến cách nhiên liệu di chuyển và cháy trong lò.

Nếu quá trình cấp và đốt không được điều chỉnh phù hợp, nhà máy có thể phải đối mặt với nhiều vấn đề như giảm sản lượng clinker, tăng tiêu hao nhiệt, tăng CO và hydrocarbon, đóng bám trong hệ thống hoặc mất ổn định vận hành.

Bài toán này đặc biệt quan trọng đối với sản xuất clinker. Ngay cả khi thị trường dư cung, dây chuyền vẫn cần duy trì sản lượng cao khi vận hành để bảo đảm hiệu quả sử dụng thiết bị. Khi thị trường tiêu thụ tốt, bất kỳ sự sụt giảm nào về sản lượng clinker cũng có thể tác động trực tiếp đến hiệu quả kinh tế của nhà máy.

Một trường hợp thử nghiệm được nghiên cứu cho thấy rõ vấn đề. Khi nhiên liệu thay thế dạng mảnh, kích thước khoảng 30x30 mm, được đưa vào đốt cùng than ở mức TSR 20%, một phần đáng kể nhiên liệu đã rơi xuống đáy lò sau khi chỉ cháy một phần. Các mảnh nhiên liệu này tạo ra những vùng cục bộ giàu nhiên liệu và thiếu oxy. Kết quả là các chu trình bay hơi liên quan đến CO và SO₂ tăng lên, làm lò mất ổn định và có nguy cơ ảnh hưởng đến chất lượng clinker.

Đáng chú ý, CO tại khu vực cuối lò tăng tới 20 lần trong quá trình thử nghiệm. Nguyên nhân chủ yếu là các phần nhiên liệu có kích thước lớn rơi xuống khu vực cấp liệu và cháy trong điều kiện thiếu oxy, tạo ra nồng độ CO khoảng 2.000 ppm. Khi đó, nhà máy có thể giảm kích thước nhiên liệu từ cấp milimet xuống micromet hoặc chuyển sang loại nhiên liệu rắn, lỏng khác. Tuy nhiên, những phương án này có thể làm tăng chi phí. Cải tạo lớn hệ thống đầu đốt cũng không phải lúc nào khả thi.

Phát thải CO tăng khi nhiên liệu thay thế được đưa vào đốt cùng than qua đầu đốt chính.

Điều cần giải quyết vì vậy không chỉ là lựa chọn nhiên liệu, mà còn là xác định nhiên liệu di chuyển ở đâu, cháy như thế nào và vì sao không cháy hết trước khi rơi xuống đáy lò.

Mô phỏng giúp xác định nguyên nhân nhiên liệu cháy không hết

Khu vực phân hủy liệu thường tạo điều kiện thuận lợi hơn cho việc sử dụng nhiên liệu thay thế so với buồng đốt chính của lò. Tại đây có thể bố trí nhiều điểm cấp nhiên liệu, trong khi dòng khí đi lên giúp các loại nhiên liệu rắn có kích thước và khối lượng riêng tương đối lớn cháy trong trạng thái lơ lửng. Tuy nhiên, hiệu quả cháy phụ thuộc lớn vào vị trí cấp nhiên liệu, hướng cấp và mối tương quan giữa nhiên liệu với dòng khí và liệu. Chỉ cần thay đổi vị trí cấp, quỹ đạo của các mảnh nhiên liệu cũng có thể thay đổi đáng kể.

Thực tế, rất khó quan sát trực tiếp toàn bộ quá trình này vì môi trường bên trong khu vực phân hủy liệu có nhiệt độ cao và dòng khí chuyển động phức tạp. Mức độ cháy hết của nhiên liệu cũng không thể dễ dàng theo dõi liên tục từ điểm cấp đến đầu ra. Đây là lúc mô phỏng quá trình cháy và dòng khí bằng máy tính có thể hỗ trợ.

Phương pháp này cho phép tính toán đồng thời dòng khí, phản ứng cháy, nồng độ oxy, nhiệt độ, quỹ đạo của hạt nhiên liệu và quá trình phân hủy liệu. Kết quả mô phỏng có thể cho biết khu vực nào có vận tốc dòng khí thấp, nơi nào xuất hiện dòng tuần hoàn, vùng nào có nồng độ oxy thấp và nhiên liệu có xu hướng rơi xuống đáy ở thời điểm nào.

Đối với nhiên liệu dạng mảnh có khối lượng riêng lớn, vấn đề này đặc biệt rõ tại đường ống đứng nối giữa lò và khu vực phân hủy liệu. Khi dòng khí từ lò đi vào buồng khói, một phần dòng khí dịch chuyển về phía thành sau, tạo vùng vận tốc cao hơn ở khu vực này và vùng vận tốc thấp hơn ở phía đối diện.

Dòng khí từ hệ thống gió cấp ba tiếp tục làm thay đổi sự phân bố dòng khí. Một số mảnh nhiên liệu nặng có thể ban đầu được đưa vào vùng có vận tốc khí đi lên cao nhưng sau đó quán tính khiến chúng di chuyển sang vùng vận tốc thấp hơn. Tại đây, nhiên liệu chỉ cháy một phần trước khi rơi xuống đáy lò.

Mô phỏng dòng khí cho thấy quỹ đạo mảnh lốp và sự phân bố oxy trong buồng phân hủy liệu.

Một trường hợp sử dụng lốp xe cắt nhỏ làm nhiên liệu cho thấy, các mảnh lốp nằm trong vùng có vận tốc dòng khí đi lên thấp chỉ cháy hết khoảng 15 - 20% trước khi rơi xuống đáy lò. Phần nhiên liệu cháy dở tiếp tục cháy với tốc độ thấp hơn sau khi trộn vào lớp liệu ở đáy. Điều này hạn chế khả năng tăng tỷ lệ thay thế nhiệt vì diện tích bề mặt nhiên liệu tiếp xúc với oxy bị giảm. Lượng carbon còn lại trong liệu nóng cũng có thể thúc đẩy chu trình lưu huỳnh và làm tăng nguy cơ đóng bám trong khu vực phân hủy liệu.

Quỹ đạo các mảnh lốp trong buồng phân hủy liệu cho thấy nhiên liệu có thể rơi xuống đáy lò khi chưa cháy hết.

Những yếu tố này thường tác động lẫn nhau. Vì vậy, việc chỉ điều chỉnh một thông số tại hiện trường có thể không giải quyết được nguyên nhân gốc. Mô phỏng cho phép nhà máy đánh giá đồng thời nhiều yếu tố trước khi thực hiện thay đổi trên dây chuyền.

Từ kết quả mô phỏng đến các giải pháp cải tiến

Giá trị đáng chú ý của mô phỏng nằm ở khả năng đánh giá trước các phương án cải tiến, thay vì chỉ thử nghiệm trực tiếp trên thiết bị đang vận hành. Với nhiên liệu từ lốp xe cắt nhỏ, điều chỉnh góc cấp có thể giúp các mảnh lốp duy trì quỹ đạo trong vùng có vận tốc dòng khí đi lên cao hơn. Đây là giải pháp tương đối đơn giản nhưng chỉ tạo ra mức cải thiện từ nhỏ đến trung bình.

Một giải pháp khác là tạo một đoạn thu hẹp trong đường dòng khí tại khu vực các mảnh nhiên liệu di chuyển. Thiết kế này dựa trên nguyên lý Venturi, giúp tăng vận tốc dòng khí lên khoảng 40 - 45 m/s trên đoạn dài từ 2 - 3 m, qua đó giữ các mảnh nhiên liệu lơ lửng lâu hơn và cải thiện quá trình cháy. Giải pháp này tạo ra tổn thất áp suất khoảng 0,5 - 1,0 mbar. Phần tổn thất có thể được bù đắp bằng khả năng tăng tỷ lệ sử dụng chip lốp và giảm nhu cầu thổi khí làm sạch.

Khi các mảnh lốp cháy hoàn toàn hơn trong buồng phân hủy liệu, lượng carbon còn lại trong liệu nóng giảm, qua đó hạn chế đóng bám và giảm nhu cầu xử lý thường xuyên.

Một trường hợp nghiên cứu khác cho thấy các mảnh nhiên liệu lớn không có cấu trúc hỗ trợ phù hợp có thể rơi theo trọng lực và khó duy trì trạng thái lơ lửng trong đường ống đứng. Các mảnh nhiên liệu từ lớn đến trung bình có thể xuống đáy lò trong khoảng 2 giây, với mức độ cháy hết chỉ khoảng 5 - 10%. Khi bổ sung đoạn thu hẹp dòng khí được thiết kế phù hợp, một phần các mảnh lốp được giữ lại lâu hơn trong dòng khí và tiếp tục cháy trước khi rơi xuống đáy lò.

Hiệu quả của giải pháp được thể hiện qua các kết quả tính toán. Với thiết kế Venturi hẹp, mức độ cháy hết của các mảnh lốp xe tăng từ 62% lên 95%. Thiết kế Venturi rộng giúp mức độ cháy hết của các mảnh lốp xe tăng từ 62% lên 90%, trong khi vẫn duy trì tổn thất áp suất thấp hơn so với thiết kế ban đầu.

Mảnh nhiên liệu được cấp vào buồng phân hủy liệu qua đoạn thu hẹp, trong đó các mảnh nhỏ được giữ lại trong dòng khí tốt hơn còn các mảnh lớn dễ rơi xuống đáy lò.

Hai thiết kế Venturi giúp tăng khả năng giữ và cháy hết các mảnh lốp; thiết kế Venturi rộng hạn chế tổn thất áp suất hơn.

Những kết quả này cho thấy cải tiến kỹ thuật không nhất thiết phải bắt đầu bằng một dự án đầu tư lớn. Nếu xác định đúng nguyên nhân hạn chế quá trình cháy, nhà máy có thể lựa chọn giải pháp phù hợp hơn với điều kiện thiết bị và khả năng đầu tư.

Đối với nhiên liệu nhẹ hơn, chẳng hạn nhiên liệu dạng sợi hoặc mảnh nhẹ, yêu cầu lại khác. Hệ thống cấp cần được thiết kế để nhiên liệu không bị giữ lại trong vùng vận tốc thấp hoặc vùng tuần hoàn. Nếu nhiên liệu mắc lại tại đây, các chất bay hơi chưa cháy có thể làm tăng CO.

Khi lượng nhiên liệu thay thế tăng, vùng phản ứng cháy cũng có thể dịch chuyển. Khi đó, dòng liệu cần được điều chỉnh để hạn chế hình thành các điểm nóng gần thành khu vực phân hủy. Một giải pháp được nghiên cứu là chia dòng cấp liệu thành hai hướng và đưa liệu đến các khu vực có nhiệt độ cao hơn.

Mô phỏng cũng giúp so sánh những phương án cải tạo có mức đầu tư khác nhau. Chẳng hạn, thay vì chia tách toàn bộ dòng gió cấp ba để đưa nhiên liệu đến vùng có nồng độ oxy cao hơn, nhà máy có thể giữ một đường gió cấp ba và bổ sung thêm các đầu đốt để phân phối nhiên liệu đến những khu vực phù hợp.

Đối với mục tiêu đạt TSR 100%, một trường hợp nghiên cứu cho thấy khu vực phân hủy liệu có thời gian lưu ngắn cần được cải tạo để tăng thời gian lưu từ khoảng 1,5 giây lên gần 5 giây. Một cấu hình thiết bị khác cũng được chuyển sang cấu hình phù hợp hơn để đạt thời gian lưu tương đương.

Cải tạo thiết bị giúp tăng thời gian lưu từ 1,5 lên khoảng 5 giây, tạo điều kiện nâng tỷ lệ nhiên liệu thay thế.

Như vậy, mô phỏng không chỉ trả lời câu hỏi nhà máy có thể sử dụng thêm nhiên liệu thay thế hay không. Quan trọng hơn, công cụ này giúp xác định cấp nhiên liệu ở đâu, nhiên liệu di chuyển như thế nào, cháy trong bao lâu và cần cải tiến thiết bị ở vị trí nào để đạt TSR cao hơn mà không làm ảnh hưởng đến sản xuất clinker.

Dữ liệu tạo nền tảng cho tối ưu sản xuất

Năng lực tính toán ngày càng tăng đang mở rộng khả năng mô phỏng những quá trình phức tạp trong lò và khu vực phân hủy liệu. Các phương pháp hiện nay có thể xử lý tốt hơn những yếu tố liên quan đến dòng khí, phản ứng cháy, quá trình phân hủy liệu, CO và NOₓ.

Trước đây, mô hình vật lý của lò và khu vực phân hủy liệu được sử dụng để quan sát dòng khí và quá trình trộn. Hiện nay, nhiều hiện tượng có thể được tái hiện bằng máy tính, giúp giảm thời gian và chi phí so với việc xây dựng mô hình thu nhỏ.

Trí tuệ nhân tạo và học máy cũng mở ra hướng ứng dụng mới trong kiểm soát và bảo trì thiết bị. Tuy nhiên, hiệu quả của các công cụ này phụ thuộc lớn vào chất lượng dữ liệu. Nếu dữ liệu không đầy đủ, thiếu nhất quán hoặc không đại diện cho nhiều trạng thái vận hành khác nhau, kết quả dự báo khó đạt độ tin cậy.

Vì vậy, hướng tiếp cận có triển vọng là kết hợp mô phỏng quá trình cháy với dữ liệu vận hành và trí tuệ nhân tạo. Các phép tính chi tiết có thể tạo ra dữ liệu về dòng khí, nhiệt độ, nồng độ oxy, quỹ đạo nhiên liệu, mức độ cháy hết và phát thải. Đây có thể trở thành cơ sở để xây dựng các giải pháp điều khiển và bảo trì phù hợp hơn.

Đối với các nhà máy xi măng đang tìm cách tăng tỷ lệ nhiên liệu thay thế, bài toán không chỉ nằm ở nguồn nhiên liệu. Khi TSR tăng, khả năng kiểm soát quá trình cháy, dòng khí, thời gian lưu, phát thải và sự ổn định của hệ thống trở nên quan trọng hơn.

Mô phỏng bằng máy tính giúp nhà máy nhận diện các điểm nghẽn trước khi thay đổi trên dây chuyền, đồng thời so sánh nhiều phương án cải tiến với mức đầu tư khác nhau. Đây là cơ sở để tăng tỷ lệ nhiên liệu thay thế mà vẫn duy trì sản lượng clinker, kiểm soát tiêu hao nhiệt, hạn chế CO và giảm nguy cơ đóng bám.

Từ góc độ cải tiến kỹ thuật, giá trị lớn nhất của phương pháp này là biến những hiện tượng khó quan sát bên trong lò và khu vực phân hủy liệu thành các dữ liệu có thể tính toán, so sánh và sử dụng để ra quyết định. Khi kết hợp với dữ liệu vận hành thực tế, các công cụ mô phỏng có thể trở thành một phần quan trọng trong quá trình tối ưu sản xuất xi măng.

Cem.Info (TH/ Wolrdcement)