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
Ngày
nay, than chủ yếu được nghiền trong máy nghiền đứng. Máy nghiền đứng
tích hợp các thao tác nghiền, sấy khô và phân ly nguyên liệu trong cùng
một thiết bị và nhờ đó có mức độ tiêu thụ năng lượng thấp hơn đáng kể so
với máy nghiền bi. Khái niệm mài mòn được chứng minh là một ưu thế khác
của máy nghiền đứng, cũng như tính linh hoạt của chúng đối với việc
thay đổi các thuộc tính của nguyên liệu tiếp cho máy nghiền. Polysius đã
lắp đặt trên 300 xưởng nghiền than trên khắp thế giới, trong đó có hơn
130 xưởng sử dụng máy nghiền đứng.
Hình 1: Máy nghiền than DOROL của Polysius – các cấu kiện cơ khí chính
Hình 1
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 – Khi nguyên liệu vụn đi tới mép và ra khỏi bàn, nguyên liệu sẽ được luồng khí gom lại và vận chuyển lên
phía trên cùng với khí. Dòng khí nóng sau đó sẽ sấy khô nguyên liệu.
Không lâu sau khi rời khỏi vòng phun, tốc độ khí được giảm đi để nguyên
liệu thô được tách khỏi dòng khí và rơi trở lại bàn để được nghiền nhỏ
hơn. Luồng khí mang các hạt mịn hơn tiếp tục di chuyển lên phía trên và
được dẫn vào bộ phân ly đặt phía trên các cặp con lăn. Vỏ máy nghiền
được thiết kế sao cho vận tốc của khí được tăng lên liên tục từ phía
trên các trục lăn tới bộ phân ly và đủ cao để luôn bảo đảm công suất chở
để nguyên liệu được tách. Độ mịn của sản phẩm được đặt tại bộ phân ly
động, ví dụ ở mức 5% sót sàng 0,09 mm đối với than anthracite. Sản phẩm
đi qua bộ phân ly, các hạt thô hơn ( hồi lưu) sẽ được gom và dồn trở lại
qua phễu tới tâm bàn nghiền để nghiền tiếp. Bộ phân ly động bao gồm một
cánh dẫn có thể điều chỉnh, cánh dẫn này sẽ giúp tạo ra một dòng nguyên
liệu đi vào một cách có kiểm soát trong buồng phân ly. Tại tâm của vòng
cánh dẫn, một lồng chứa bộ phân ly được trang bị các thanh chắn sẽ quay
sao cho chỉ các hạt có kích thước theo yêu cầu mới có thể lọt qua. Thao
tác phân ly thực tế diễn ra tại khe hở giữa vòng cánh dẫn và lồng đựng
bộ phân ly. Kích thước cắt của bộ phân ly động có thể được cài đặt trong
một khoảng rộng bằng cách điều chỉnh tốc độ quay của lồng chứa bộ phân
ly.
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.
Nguy
cơ nổ gia tăng cùng với sự gia tăng hàm lượng chất bốc của than. Do
than anthracite rất nghèo chất bốc, nguy cơ nổ là không có khả năng xảy
ra. Do vậy, các yêu cầu về nhiệt độ và môi trường khí nóng không quá
nghiêm ngặt và rất dễ đáp ứng. Khái niệm bảo vệ chống nổ chủ động của
Polysius tại các trạm nghiền than anthracite được dựa chủ yếu vào việc
cắt giảm bụi bám với thiết kế nhà máy phù hợp và hạn chế nhiệt độ tối đa
của khí nóng tại cửa vào của máy nghiền.
Hình 5: Các biện pháp bảo vệ chống nổ bị động
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.
Máy
nghiền tại Nhà máy xi măng Bình Phước hiện đang được đưa vào sử dụng.
Một máy nghiền khác cho Công ty xi măng Hà Tiên 2 hiện đang được lắp
đặt. Bảng 3 trình bày các thông số kỹ thuật của những máy nghiền này.
Hình 6: Máy nghiền than của Polysius tại Việt Nam – Địa điểm phân bố
Bảng 4
– 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.
Để
đảm bảo công suất của trạm nghiền than trong mọi tình huống, đồng nghĩa
với việc phải đáp ứng các yêu cầu rất cao về độ mịn và tính khả nghiền,
nhất là trong trường hợp chất lượng than không đồng đều, Polysius đã
quyết định trang bị cho trạm nghiền than tại Nhà máy xi măng Bình Phước
một bộ truyền động có thể điều chỉnh tốc độ. Thiết kế này cho phép giảm
tốc độ trong trường hợp thiếu tính ổn định về chiều dày của lớp liệu
nghiền hoặc sử dụng toàn bộ tiềm năng của máy nghiền khi chạy ở 100% tốc
độ trong những thời điểm có đủ độ ổn định về chiều dày của lớp liệu
nghiền, như ta thấy xảy ra trong tình huống vận hành. Do vậy, việc sử
dụng máy nghiền một cách tối ưu luôn luôn được bảo đảm.
Theo Tiến sỹ Thomas Schmitz, Beckum, CHLB Đức