Nghiền than anthracite bằng máy nghiền đứng

Trong những năm gần đây, Polysius đã bán năm máy nghiền đứng phục vụ việc nghiền than anthracite tại Việt Nam. Trong số này, ba máy đã được đưa vào vận hành và đang hoạt động tốt, một máy đang được đưa vào sử dụng, chiếc còn lại đang được lắp đặt. Máy nghiền đứng có thể cho ra bột than anthracite với độ mịn rất cao với điều kiện tốc độ quay của bàn nghiền phải được điều chỉnh theo các yêu cầu vận hành. Được trang bị một bộ truyền động có khả năng thay đổi tốc độ, máy nghiền đứng đã được thiết kế phục vụ việc nghiền các loại than anthracite khác nhau một cách tối ưu.

Nhiên liệu than anthracite

Anthracite là loại nhiên liệu nổi bật so với các loại than khác. Là loại than trầm tích được hình thành từ các đầm lầy thời tiền sử, nơi thực vật bị chết dưới nước và bị ức chế nên không phân hủy được như ở trong không khí. Khi đó, cả đầm lầy và các trầm tích hữu cơ được tạo thành đều bị bồi tích bao phủ. Dưới tác động của áp suất và bị tiếp xúc với nhiệt độ tăng cao, quá trình các-bon hóa sẽ bắt đầu diễn ra. Đầu tiên hình thành sẽ là than bùn, tiếp theo là than nâu – loại than được hình thành dưới áp suất cao sau xấp xỉ từ 2,5 đến 65 triệu năm. Áp lực ở mức thậm chí còn cao hơn dẫn tới sự hình thành than cứng. Trầm tích than cứng tồn tại ngày nay được hình thành cách đây xấp xỉ 360 đến 290 năm. Cuối cùng, than Anthracite sẽ hình thành khi áp suất tiếp tục tăng cao. Mức độ các-bon hóa phụ thuộc vào niên đại và độ sâu của trầm tích riêng lẻ.

Bảng 1 minh họa các số liệu đặc trưng chính của các loại than khác nhau. Sự phát triển từ than nâu lên than anthracite có đặc điểm đặc trưng là mức độ các-bon hóa liên tục gia tăng, và kéo theo đó là tỷ lệ các-bon lớn hơn cũng như hàm lượng than cao hơn bao giờ hết. Ở mặt ngược lại, hàm lượng chất bốc lại giảm đi liên tục. Xét về mặt hàm lượng năng lượng, than anthracite là loại than có hoạt tính cao nhất. Tuy nhiên, trầm tích anthracite rất hiếm và chỉ chiếm chưa tới 1% lượng trầm tích than được biết đến. Đó chính là lý do tại sao than anthracite hiếm khi được sử dụng làm nhiên liệu cho các lò xi măng ở các nước trên thế giới.

Việt Nam có trữ lượng trầm tích than rất lớn, trong đó than anthracite là loại than được khai thác chủ yếu tại thời điểm này. Đồng thời, Việt Nam cũng là một trong những nước cung cấp than anthracite hàng đầu thế giới. Ngành công nghiệp xi măng của Việt Nam như vậy rõ ràng là đang sử dụng than anthracite trong nước ở mức độ rất lớn. Tuy nhiên, đây chỉ là trường hợp ngoại lệ ở cấp độ quốc tế.

Nhìn chung, than anthracite có đặc trưng như sau: nhiệt trị thuần tương đối cao, có thể lên tới 6900 - 7300 kcal/kg. Hàm lượng chất bốc rất thấp, điều này làm than anthracite khó bắt lửa hơn các loại than khác. Điều này có nghĩa là than anthracite phải được nghiền thật mịn mới có thể sử dụng trong quá trình sản xuất xi măng, thường độ mịn phải là dư lượng 2-5% sót sàng 0,09 mm. Tính khả nghiền của than anthracite tại Việt Nam dao động từ 35 tới 55 °HG. Hàm lượng ẩm thường thấp hơn 10% và không tác động nhiều tới thiết kế của các máy nghiền, vốn phụ thuộc rất lớn vào tính khả nghiền của nguyên liệu. Than anthracite tại Việt Nam có hàm lượng tro cao (từ 10-20%). Do vậy, các xưởng nghiền than anthracite thường sẽ có tốc độ mài mòn lớn hơn. Nhiên liệu rắn giống than anthracite nhất là petcoke, nhiên liệu có tỷ lệ chất bốc cao hơn đôi chút và hàm lượng tro thấp hơn không đáng kể.

Công đoạn nghiền trong máy nghiền đứng

biểu diễn lưu trình điển hình của một xưởng nghiền than anthracite sử dụng máy nghiền đứng. Nguyên liệu anthracite được xả ở tốc độ được kiểm soát từ thùng chứa thông qua bộ tiếp liệu bàn, được đưa vào máy nghiền đứng qua một van quay tiếp liệu thô. Van tiếp liệu thô đóng vai trò như một nút không khí, bởi có áp suất âm bên trong máy nghiền đứng vì các lý do quy trình-công nghệ. Khí nóng để sấy khô và phân ly than được thổi qua máy nghiền. Khí được xả từ máy nghiền cùng với than mịn đã sấy khô và được chuyển tới bộ lọc bụi túi, bộ lọc bụi túi sẽ tách than mịn khỏi dòng khí. Than mịn sau đó được chứa ngay lập tức trong silo cho đến khi được tiếp cho quy trình lò với lưu lượng được điều chỉnh.

Hình 2: Máy nghiền đứng cho than – Lưu trình điển hình

Hình 2 – Quá trình nghiền, sấy khô và phân tách diễn ra bên trong máy nghiền đứng. Than anthracite thô được dẫn từ van tiếp liệu thô qua một máng tới tâm bàn nghiền. Bàn nghiền được quay bởi một hộp số được bố trí bên dưới và được dẫn động bởi một bộ truyền động điện. Nhờ chuyển động quay của bàn nghiền và lực ly tâm tác động lên nguyên liệu, nguyên liệu sẽ được dịch chuyển về phía mép bàn nghiền. Máy nghiền đứng của Polysius được cung cấp cùng một đường nghiền hai rãnh.

Hình 3: Sự di chuyển của nguyên liệu trên Bàn nghiền rãnh kép

Hình 3 – Hai cặp con lăn kép được bố trí trong đường dẫn có rãnh và được truyền động bằng thủy lực tới rãnh nghiền thông qua thanh kéo. Trong khi nguyên liệu đang được chuyển từ tâm bàn nghiền với mép bàn, các trục lăn sẽ lăn qua lăn lại nguyên liệu nhiều lần. Nguyên liệu sẽ bị cán vỡ và nghiền nát. Áp suất nghiền tối ưu được đặt cụ thể và được kiểm soát qua hệ thống thủy lực. Một vòng phun được lắp bên cạnh mép bàn nghiền. Khí nóng chạy theo chiều dọc ngang qua vòng phun này (từ dưới lên trên).

Hình 4: Nguyên liệu và luồng khí

Bảo vệ chống nổ trong máy nghiền đứng

Việc nghiền than luôn luôn đi đôi với nguy cơ cháy hay nổ do tai nạn. Vì lý do, quá trình vận hành phải tuân thủ nghiêm ngặt những quy định về an toàn. Nguy cơ nổ chỉ xảy ra nếu những điều kiện tiên quyết không được tôn trọng, ví dụ như để xảy ra cháy và để tồn tại một lượng oxy và bụi nhất định. Việc bảo vệ chống nổ chủ động do vậy hướng vào việc tránh xảy ra những tình huống này. Về cơ bản, điều này có nghĩa là ngăn chặn sự hình hành của bụi bám trong hệ thống bằng cách sử dụng các biện pháp mang tính cấu trúc cũng như việc làm sạch thường xuyên và tuân thủ các điều kiện về nhiệt độ và thành phần của môi trường khí nóng.

Hình 5 – Tuy nhiên, nguy cơ nổ không thể được loại trừ hoàn toàn. Điều này đồng nghĩa với việc ngay cả các xưởng nghiền cũng phải được thiết kế để bất cứ phản ứng nổ nào có thể xảy ra cũng sẽ được dẫn ra khỏi nhà xưởng một cách có điều khiển để giảm thiểu thương vong cho người. Ý tưởng của Polysius về bảo vệ chống nổ bị động thể hiện ở việc thiết kế bộ kháng quá áp cho máy nghiền đứng lên tới 8 bar. Van tiếp liệu thô cũng được thao tác chống quá áp. Van giảm áp chống nổ được cung cấp cho các tuyến dẫn khí đi đến cũng như xuất phát từ máy nghiền và cho bộ lọc. Chúng đảm bảo rằng bất cứ vụ nổ nào cũng sẽ được dẫn hướng ra môi trường một cách có kiểm soát mà không gây thương tích cho người. Nếu phát hiện lửa trong máy nghiền, máy sẽ ngay lập tức được xả CO₂ để dập lửa. Máy nghiền đứng của Polysius dùng cho mục đích nghiền than được thiết kế sao cho máy nghiền tuân thủ tất cả các quy chuẩn của chỉ thị ATEX đối với các nhà cung cấp máy.

Bảo vệ mài mòn cho quá trình nghiền than anthracite

Kinh nghiệm vận hành cho thấy mức độ mài mòn của một xưởng nghiền than phụ thuộc ở mức độ nhất định vào hàm lượng tro của than, hàm lượng tro càng cao sẽ dẫn tới sự gia tăng mức độ hao mòn. Do  hàm lượng tro cao của nhiều loại than anthracites, mức độ mài mòn cao của máy nghiền là điều chúng ta có thể dự đoán. Nhưng nên nhớ, cần phải có các biện pháp bảo vệ chống mài mòn phù hợp. Hãy lưu ý rằng việc thực hiện các biện pháp bảo vệ chống mài mòn không có nghĩa là loại bỏ được hoàn toàn yếu tố này.

Sự xuất hiện của tình trạng mài mòn rõ ràng là do anthracite, và các biện pháp bảo vệ chống mài mòn chỉ có tác dụng giảm tốc độ mài mòn và kéo dài khoảng thời gian đến khi tiến hành bảo dưỡng. Tuổi thọ của phụ tùng phụ thuộc vào chất lượng của chúng; các phụ tùng chất lượng cao và việc bảo dưỡng thường xuyên là những yêu cầu cơ bản để đảm bảo hiệu suất cao cũng như khả năng sẵn sàng hoạt động của các trạm nghiền.

Máy nghiền đứng phụ vụ nghiền than anthracite tại Việt Nam

Hình 6 – Trong những năm gần đây, năm máy nghiền đứng của Polysius đã được đặt hàng để nghiền than anthracite. Máy nghiền tại Nhà máy xi măng Sông Gianh và các máy nghiền được Công ty xi măng Thăng Long và Công ty xi măng Hà Tiên 2 đều đang hoạt động tốt.

Hình 6: Máy nghiền than của Polysius tại Việt Nam – Địa điểm phân bố

– Ví dụ về máy nghiền đang vận hành của Công ty xi măng Hà Tiên 2 cho thấy những tính chất đặc thù của việc nghiền than anthracite. Nguyên liệu anthracite được sử dụng tại Công ty xi măng Hà Tiên 2 có chỉ số Hardgrove thấp, từ 32 – 40 °HG, và do đó cực kỳ khó nghiền. Nó cũng có đặc điểm là hàm lượng chất bốc rất thấp, chỉ từ 5 – 6%, điều này có nghĩa là người ta phải nghiền than với giá trị dư lượng là 2% sót sàng 0,09 mm để đảm bảo cháy tốt.

Những tính chất này đặt ra điều kiện là nguyên liệu có trên bàn nghiền phải rất mịn, điều này có thể khiến cho việc hình thành nền nghiền ổn định. Trong ví dụ đưa ra, đệm nghiền chỉ có thể được làm cho ổn định bằng cách gia tăng phun nước. Tuy nhiên, độ mịn nguyên liệu theo yêu cầu là 2% sót sàng 0.09 mm về lâu dài là không thể đạt được. Cuối cùng, việc giảm tốc độ bàn nghiền xuống 80% đem lại kết quả theo yêu cầu. Đệm nghiền trở nên ổn định, việc phun nước có thể được giảm một lần nữa xuống mức tối thiểu và độ mịn cũng như các giá trị lưu lượng đều được kiểm định. Việc giảm tốc độ bàn nghiền cho một máy nghiền với đệm nghiền ổn định sẽ dẫn tới năng suất lưu lượng giảm, nhưng điều này lại không áp dụng đối với các máy nghiền có đệm nghiền không ổn định. Đệm nghiền không ổn định có nghĩa là hệ thống thiếu ma sát theo yêu cầu giữ trục lăn, nguyên liệu và bàn tại những khoảng thời gian khác nhau và rằng máy nghiền chỉ tiêu thụ năng lượng mà không có khả năng biến đổi năng lượng thành hiệu suất nghiền, để rồi cuối cùng gây ra những rung động lớn. Trong những trường hợp như vậy, sẽ phải giảm tốc độ để có thể đạt được đệm nghiền ổn định và năng lượng được biến đổi một cách hiệu quả thành hiệu suất nghiền.

Xin lưu ý là những điều chỉnh về tốc độ chỉ cần thiết cho những yêu cầu rất cao về độ mịn nguyên liệu. Ví dụ tại Công ty xi măng Thăng Long, dữ liệu về hiệu suất theo yêu cầu được cho một cách tin cậy đến 100% tốc độ. Tại nhà máy này, các yêu cầu về độ mịn và tính khả nghiền của nguyên liệu nói chung là thấp hơn.