Tác giả: Xavier d’Hubert, XDH-energy
Đăng trên Tạp chí Global Cement Magazine số tháng 11/2023, Tr.16-18
Người dịch: Nguyễn Thị Kim Lan.
Với rất nhiều sự quan tâm dành cho các giải pháp khử carbon ấn tượng hơn như thu gom CO2, sản xuất clinker và đất sét nung bằng điện mặt trời, người ta rất dễ bỏ lỡ vai trò quan trọng của các bộ phận tưởng chừng như khiêm tốn trong nhà máy, bao gồm cả vai trò quan trọng của các vòng bít lò nung hiệu quả.
Mỗi một lò quay đều cần có vòng bít lò, một ở đầu vào và một ở đầu ra, để giữ cho lò chịu áp suất âm nhẹ, kiểm soát được cả quá trình lẫn phát thải. Các vòng bít lò chắc chắn không đặc biệt hấp dẫn so với các hạng mục khác, nhưng vẫn rất quan trọng.
Tại sao vậy? Các vòng bít lò hiệu quả giảm đáng kể – hoặc thậm chí loại bỏ – lượng gió giả đi vào hệ thống. Điều này giảm bớt lượng khí thải, mà từ đó làm giảm bớt lượng điện năng tiêu thụ của nhà máy, đặc biệt là đối với quạt hút gió (ID). Lượng nhiên liệu yêu cầu cũng được giảm bớt. Mặc dù giống nhau, vẫn có những khác biệt giữa vòng bít đầu vào và vòng bít đầu ra của lò. Trái ngược với vòng bít đầu vào, trên vòng bít đầu ra, vòng xoay được gắn vào vỏ chụp hút gió cũng như phần vỏ lò, với một số thanh giằng cụ thể để chừa chỗ cho gió làm mát vành thông hơi. Trên vòng bít đầu ra, có một hệ thống bảo vệ áp suất dương bổ sung, nghĩa là: một quạt nhỏ, để tạo áp suất đối trọng vào trong vỏ vòng bít bất cứ khi nào cần thiết.
Các loại vòng bít lò
Các công nghệ vòng bít lò truyền thống bao gồm các vòng bít với những chiếc lá phủ chồng lên nhau. Lò xo thép được sử dụng để duy trì kết nối thường xuyên với vỏ lò. Tuy nhiên, thép biến dạng dần do nhiệt độ vận hành cao, các dịch chuyển của lò và/hoặc sự bất ổn định của quá trình, khiến cho gió giả lọt vào trong. Phải thường xuyên sửa chữa để tránh xuất hiện các khe hở lớn. Các thay đổi bao gồm các vòng bít với hai lớp lá và các vòng bít với những chiếc lá lật ngược chiều, có hoặc không có cáp kéo căng.
Các vòng bít loại áp suất thủy lực hoặc khí nén đẩy các tấm lại với nhau theo hướng trục lò. Các bề mặt tiếp xúc có thể là kim loại với kim loại hoặc, đôi khi, các tấm mài mòn trên các bề mặt kim loại. Có thể khó duy trì được sự tiếp xúc liên tục giữa bề mặt tròn, lớn, quay và bề mặt tĩnh. Cũng có nguy cơ các pit-tông thủy lực/khí nén bị mòn đi do nhiệt độ cao. Một lần nữa, các khe hở có thể xuất hiện và cần phải thường xuyên bảo trì để ngăn ngừa gió giả lọt vào quá mức.
Một số vòng bít lò, bao gồm cả các vòng bít được làm từ graphit của ITECA, là hoàn toàn kín. Lịch sử của thiết kế này bắt nguồn từ sự ra đời của công ty, ban đầu là một sản phẩm phụ từ Bộ phận Nghiên cứu & Phát triển và Cơ khí của Lafarge vào năm 1985. Các khối graphit được định vị bên trong một kênh và được phân bố xung quanh chu vi lò giữa vành trượt quay, mà được gắn vào lò, và phần vỏ làm kín được gắn cố định. Điều này mang lại sự làm kín hiệu quả chống lại chuyển động quay và hướng trục. Các tấm graphit có thể chuyển động vuông góc với trục lò để hấp thụ bất kỳ khiếm khuyết quay nào của lò. Độ rộng của đường trượt cho phép dịch chuyển dọc trục của lò.
Tiết kiệm năng lượng
Không giống như rất nhiều dự án mà nhằm mục đích tiết kiệm năng lượng và tiền bạc ở các nhà máy xi măng, người ta dễ dàng tính toán và xác định được lợi nhuận thu được từ việc thay thế vòng bít có khe hở bằng vòng bít kín không rò rỉ. Những khoản tiết kiệm được từ các quạt ID và nhu cầu nhiên liệu giảm bớt là những lợi ích chính. Tuy nhiên, do mối tương tác giữa các thành phần trong quá trình sản xuất xi măng, các quạt khác trong hệ thống cũng có thể được tác động thuận lợi.
Để tính toán các khoản tiết kiệm được, thì cần phải tính toán được lượng gió giả. Điều này có thể thực hiện được hoặc bằng phương pháp cân bằng hóa học sử dụng các phép đo nồng độ khí ô-xy, hoặc các phép tính toán dựa vào phương trình Bernoulli tận dụng thực tế là vận tốc chất lỏng bị buộc phải đi qua chỗ co thắt là tỷ lệ với căn bậc hai của độ sụt áp của chất lỏng đó.
Bảng 1 cho thấy một ví dụ tính toán để ước tính các khoản tiết kiệm dự kiến khi lắp vòng bít kín lò bằng graphit không rò rỉ của ITECA. Ví dụ này cho thấy các giá trị điển hình, với việc hoàn vốn nói chung chưa đầy 2 năm.
Bảng 1 – Ví dụ tính toán cho vòng bít đầu vào lò nung
| Tiết kiệm nhiên liệu | Giá trị |
| Đường kính lò nung (mm) | 4800 |
| Áp suất hộp khói (mm WG) | -25,4 |
| Khe hở vòng bít trung bình hiện tại (mm) | 6,0 |
| Nhiệt độ khí hộp khói (oC) | 1100 |
| Năng suất clinker (t/ngày) | 3300 |
| Nhiệt độ môi trường (oC) | 30 |
| Sản xuất (ngày/năm) | 320 |
| Chi phí nhiên liệu (USD/t) | 70 |
| Nhiệt trị của nhiên liệu (kCal/kg) | 6000 |
Kết quả
| Chi phí nhiệt (USD/1000 kCal) | 0,011667 |
| Tốc độ gió (m/s) | 12,76 |
| Thể tích khí (m3/s) | 1,22 |
| Tiết kiệm nhiên liệu (kCal/s) | 384,26 |
| Tiết kiệm chi phí nhiên liệu (USD/năm) | 123,947 |
| Tiết kiệm nhiên liệu (kCal/kg clinker) | 10,06 |
| Khí cần để đốt cháy (Nm3/1000 kCal) | 1,1 |
| Khí dư (%) | 10 |
| Hiệu suất lò nung (kCal/kg clinker) | 800 |
| Khí để đốt cháy (Nm3/kg clinker) | 0,968 |
| Sản xuất (kg clinker/s) | 38 |
| Khí để đốt cháy (Nm3/s) | 36,97 |
| Rò rỉ gió giả (%) | 3,30 |
Tiết kiệm nguồn điện năng cung cấp
| Quạt ID hiện có (kW) | 4000 |
| Điện năng của quạt làm mát vòng bít (kW) | 3 |
| Chi phí (USD/kWh) | 0,06 |
Kết quả
| Tiết kiệm hàng giờ (kWh) | 381 |
| Tiết kiệm điện năng (USD/năm) | 175.337 |
| TỔNG NĂNG LƯỢNG TIẾT KIỆM ĐƯỢC (USD/năm) | 299.284 |
Những lợi ích khác
Vòng bít kín lò nung không rò rỉ cũng mang lại những lợi ích ngoài những lợi ích liên quan tới lượng gió giả được giảm bớt. Rõ ràng nhất là việc giảm bớt nhu cầu sửa chữa và bảo trì bảo dưỡng. Các bộ phận mài mòn là các khối graphit, mà, ngay khi chúng chấp nhận hình dạng của vành thép dẫn, bị mài mòn rất ít. Thực vậy, tuổi thọ trung bình của các khối graphit là từ 4 đến 7 năm. Lịch làm việc duy nhất là hàng năm thay thế bộ cáp thép giữ cho các khối ở đúng vị trí.
Trên hết, việc tránh được gió giả xâm nhập vào có thể làm thay đổi một số nhiệt động học, động học phản ứng và cân bằng hóa học bên trong lò, mà có thể dẫn đến những thay đổi tích cực đối với kích thước tinh thể trung bình và các đặc tính khác của clinker. Cũng vậy, nếu một nhà máy bổ sung thêm hệ thống thu gom CO2 vào một thời điểm nào đó sau này, các vòng bít lò nung hiệu quả sẽ giảm thiểu tải trọng lên hệ thống đó, đồng thời tăng tối đa nồng độ CO2 trong dòng khí.
Trường hợp nghiên cứu
Vòng bít kín bằng graphit không rò rỉ của ITECA đã được lắp đặt mở rộng ở các nhà máy xi măng trên khắp thế giới, bao gồm tại La Salle, Illinois, nhà máy do Illinios Cement, một bộ phận của Eagle Materials, vận hành. Dự án đã được lắp đặt trong tháng 4/2022 và được giám sát bởi Michael Swingel của Illiniois Cement. Công tác lắp đặt vòng bít lò như vậy đã được thực hiện trong lần dừng sản xuất chính, được lên kế hoạch tiến độ và phối hợp thực hiện cẩn thận để đảm bảo công việc diễn ra đồng thời với việc xây lại gạch cho lò.
Swingel đã nhận xét “Việc lắp đặt thành công vòng bít đầu vào ITECA cho lò nung của chúng tôi đã mang lại những kết quả đầy ấn tượng và đã góp phần làm tăng hiệu suất và tính bền vững.” “Các đặc điểm tiến bộ của vòng bít này đã giảm thiểu đáng kể lượng gió giả lọt vào, làm giảm mức tiêu hao điện năng của quạt ID, tiết kiệm nhiên liệu và tích tụ liệu ít hơn trong ống đứng. Chúng tôi đã nhận được sự hỗ trợ đặc biệt từ ITECA và nhà thầu lắp đặt của chúng tôi, Kiln Technology, đã mang lại sự nâng cấp hoàn hảo cho nhà máy của chúng tôi.”
Mike Schweinert, Giám đốc dự án tại Kiln Technology, nhà thầu bảo trì lò nung có trụ sở ở bang Wisconsin thực hiện thi công lắp đặt, đã biết rõ các vòng bít kín bằng graphit của ITECA từ các dự án trước đây. Ông cho biết, “Trong những năm qua, chúng tôi đã lắp đặt nhiều loại vòng bít khác nhau. Bất kể loại vòng bít nào, chúng tôi đều nhận thấy rằng phần khó khăn nhất trong quá trình lắp đặt là kết nối với kết cấu đầu cấp liệu hiện có, mà thường xuyên bị biến dạng do hiệu quả kém của các vòng bít trước đây, gây quá nhiệt và/hoặc làm vật liệu chịu lửa mỏng đi và các kiểu mài mòn khác. ITECA cung cấp một số tấm cắt sẵn để hỗ trợ khắc phục điều này. Chúng được cắt theo kích thước để xử lý nguyên liệu dễ dàng hơn và dễ dàng điều chỉnh để hỗ trợ lắp đặt.”
Schweinert tiếp tục cho biết: “Nhờ thiết kế ưu việt của các vòng bít này, nên có các đặc điểm bổ sung thêm hỗ trợ lắp đặt.” “Các tấm che phủ có mối nối khối chữ V sáng tạo giúp tự điều chỉnh các mối nối. Vòng lệch tâm có nhiều chỗ cho vòng cữ căn chỉnh, khiến cho việc điều chỉnh vòng và tấm che phủ lần cuối cùng trở nên hiệu quả hơn nhiều.”
“Các khối graphit cũng được cân nhắc kỹ lưỡng. Trước khi đi đường cáp, có các vít giữ các khối này vào vị trí. Toàn bộ các khối có thể được lắp đặt, trước khi cáp kéo căng được căn chỉnh và kéo căng, mà không phải lo sợ các khối dịch chuyển. Điều này cũng có nghĩa rằng nếu điều gì đó xảy ra với cáp, các khối không bị rơi ra.”
Năm 2016, nhà máy Tehachapi ở California, khi đó thuộc quyền sở hữu của Lehigh Southwest, đã tiết kiệm được 290.000 USD/năm nhờ lắp đặt các vòng bít lò nung bằng grphit không rò rỉ của ITECA, một phần do sự khuyến khích tài chính được đưa ra bởi nhà cung cấp tiện ích SoCalEdison. Khoản tiết kiệm này đã tính toán được nhờ tiết kiệm điện năng trong giờ cao điểm >390kW, tiết kiệm điện được 3.200.000kWh/năm và tỷ lệ pha trộn điện 0,09 USD/kWh. Thời gian hoàn vốn là chưa đầy một năm.
Một nhà máy hài lòng khác là Mitsubishi Cement ở Lucerne Valley, California. Với giá điện đang ở mức cao nhất ở Mỹ, thời gian hoàn vốn đầu tư dự định sẽ ngắn hơn mức trung bình. Năm 2014, nhà máy đã quyết định thay thế vòng bít đầu vào hiện có bằng một vòng bít của ITECA. Hài lòng với kết quả đạt được, nhà máy đã đặt mua vòng bít đầu ra vào năm 2018. Đáng tiếc là, sự chậm trễ đáng kể do Covid-19 có nghĩa rằng vòng bít này chỉ có thể lắp đặt được vào năm 2022.
Steve Tyrrell, Giám đốc Bảo trì tại nhà máy, đã cho biết “Kết quả của việc thay thế các vòng vít đầu vào và đầu ra đã góp phần làm giảm đáng kể lượng gió giả đi vào quá trình. Việc giảm thiểu đáng kể nhất đã đạt được với vòng bít đầu vào. Công tác bảo trì bảo dưỡng cũng đã được giảm bớt đáng kể vì các khối graphit bị mài mòn ít hơn so với dự kiến. Việc thay thế cáp hàng năm thực sự chỉ còn là hoạt động duy nhất được yêu cầu. Các chi tiết graphit dự kiến sẽ được thay thế trong vòng 5-7 năm.”
Kết luận
Các vòng bít đầu vào và đầu ra bằng graphit không rò rỉ mang lại những lợi ích lớn cho các nhà máy xi măng về các khía cạnh giảm bớt lượng điện tiêu dùng và giảm bớt chi phí vận hành, với thời gian hoàn vốn nhanh. Việc đạt được trung hòa carbon vào năm 2050 yêu cầu các nhà máy xi măng phải thực hiện các dự án mà giảm bớt mức tiêu hao điện năng riêng. Các dự án nhỏ với thời gian hoàn vốn hiệu quả, như các vòng bít graphit không rò rỉ, có rất nhiều đóng góp.
