So sánh máy nghiền bi và máy nghiền con lăn đứng để nghiền xi măng (Phần 1)

(13/01/2012) Hiệu qủa nghiền của máy nghiền con lăn đứng kết hợp với khả năng sấy khô và phân loại sản phẩm trong cùng một máy nghiền làm cho máy nghiền con lăn đứng có những ưu điểm có tính quyết định hơn máy nghiền bi.

 

1. Lời nói đầu

Đối với ngành công nghiệp sản xuất xi măng, máy nghiền bi đã thực sự là một khám phá lớn lao trong khoảng 80 năm qua, nó là loại máy nghiền chiếm ưu thế để nghiền bột liệu và nghiền than và ngày nay nó hầu như vẫn là loại máy nghiền được sử dụng nhiều nhất để nghiền xi măng. Tuy nhiên, hơn 3 thập kỷ qua, máy nghiền con lăn đứng đã trở thành loại máy nghiền được yêu thích hơn để nghiền bột liệu. Hiệu qủa nghiền của máy nghiền con lăn đứng kết hợp với khả năng sấy khô và phân loại sản phẩm trong cùng một máy nghiền làm cho máy nghiền con lăn đứng có những ưu điểm có tính quyết định hơn máy nghiền bi. Mặc dù có các tính năng như vậy nhưng hiện nay để nghiền xi măng máy nghiền con lăn vẫn chưa được sử dụng thịnh hành hơn máy nghiền bi.

Hình 1: Các bộ phận nghiền của máy nghiền OK

Máy nghiền bi hai ngăn hoạt động theo chu trình kín có phân ly hiệu suất cao vẫn đuợc sử dụng thích hợp để nghiền xi măng mặc dù máy nghiền con lăn đứng hiện nay đã nổi lên như một sự lựa chọn có thể chấp nhận được thay thế hệ thống máy nghiền bi và đóng góp vào thị trường các máy nghiền xi măng trong hơn thập kỷ qua. Có một số giải thích về tình trạng này liên quan đến giải quyết một số vấn đề như giá, vận hành dễ dàng, chi phí lắp đặt và dễ duy tu bảo dưỡng, chất lượng sản phẩm, khả năng tận dụng lại như đảo đầu tấm lót.....
Sau đây sẽ trình bày sự so sánh giữa hai hệ thống nghiền đứng và nghiền bi.

2. Qui trình nghiền

Qui trình nghiền giữa máy nghiền bi và máy nghiền con lăn căn bản rất khác nhau. Trong máy nghiền bi, quá trình nghiền diễn ra bởi va đập và cọ sát. Trong máy ngiền con lăn quá trình nghiền diễn ra bởi áp lực nghiền cao để đập vỡ các hạt trong lớp đệm nghiền. Vì vậy,  cần thiết phải có lớp đệm nghiền thích hợp và ổn định được định dạng giữa bàn nghiền và con lăn trong máy nghiền đứng. Lớp đệm nghiền ổn định luôn đạt được một cách dễ dàng khi nghiền bột liệu trong một máy nghiền đứng có phân ly hiệu suất cao. Tuy nhiên, để có lớp đệm nghiền ổn định khi nghiền xi măng có nhiều khó khăn hơn vì:

- Xi măng được nghiền mịn hơn so với bột liệu
- Việc cấp liệu tới máy nghiền xi măng thông thường khô hoàn toàn và nghiền xi măng khó khăn hơn khi bột liệu.
-Nhu cầu về phân bố cỡ hạt khi nghiền xi măng khắt khe hơn khi nghiền bột liệu

Sự khác nhau giữa việc nghiền xi măng và nghiền bột liệu tạo ra một thách thức lớn nhằm đạt được hiệu quả tốt khi nghiền xi măng bằng máy nghiền con lăn đứng. Tuy nhiên, hiện nay máy nghiền OK, một kiểu máy nghiền con lăn đứng do FLSmidth chế tạo đã trở thành một thiết kế mẫu đã khắc phục được các điệu kiện nghiền khắt khe để nghiền clinker ximăng và các sản phẩm tương tự.

Máy nghiền OK này do các công ty Onoda Cement, công ty tư vấn và công nghệ Onoda và và công ty Kobe Steel chế tạo ở Nhật Bản vào những năm 1980. Năm 1993 hãng FLSmidth-Fuler đã  được  quyền chế tạo và bán máy nghiền này ra thị trường.

Về khía cạnh xác định lớp đệm nghiền ổn định, thiết kế con lăn và bàn nghiền được cấp bằng sáng chế của máy nghiền OK là một phát minh quan trọng lớn đáng tự hào. Như thể hiện ở hình 1, các con lăn của máy nghiền OK có dạng hình cầu và có một rãnh nằm ở giữa. Bàn nghiền cũng được làm cong hình thành một vùng nghiền và nén có dạng hình chêm giữa các con lăn và bàn nghiền. Đây là một thiết kế tối ưu để nghiền clinker vì nó cung cấp hai vùng khác nhau,  vùng áp suất thấp và vùng áp suất cao như được thể hiện ở hình 2
 
Hình 2 Phân bố áp suất hướng kính trong vùng làm việc của máy nghiền OK

Vùng áp suất thấp phía dưới mặt cong phía trong có tác dụng giữ khí và làm cứng vững vật liệu khi nghiền. Quá trình nghiền thích hợp diễn ra ở vùng áp suất cao bên dưới, phía ngoài con lăn. Rãnh nằm giữa  con lăn có tác dụng giữ khí làm cho lớp vật liệu cứng vững.

Để vận hành ổn định hơn với độ rung nhỏ, máy nghiền OK này có một phân ly hiệu suất cao. Điều này dẫn đến chu trình tuần hoàn bột liệu mịn bên trong máy nghiền giảm và tốc độ cấp liệu cao tương ứng. Bột liệu trên đường nghiền vì vậy sẽ thô hơn và vì vậy sẽ ít linh động hơn và như vậy sẽ hiệu quả hơn.

Kinh nghiệm trong lĩnh vực công nghiệp đã cho thấy rõ ràng rằng do thiết kế các bộ phận nghiền và phân ly hiệu quả cao, máy nghiền OK (hình 3) đã chỉ ra một cách đầy đủ tất cả  các trạng thái nghiền phức tạp để nghiền xi măng và các sản phẩm tương tự, cho phép hiệu suất nghiền cao và hoạt động ổn định. Tuy nhiên, mặc dù nhìn chung máy nghiền con lăn được sử dụng tốt để nghiền xi măng và các sản phẩm tương tự, máy nghiền này vẫn kém  máy nghiền bi về độ mịn và tỉ lệ cấp liệu cho máy nghiền

Hình 3. Máy nghiền OK tiêu biểu

3. Chất lượng sản phẩm

Hệ thống nghiền có mục tiêu là nghiền bột liệu tới độ mịn đáp ứng yêu cầu về mặt cường độ xi măng. Độ mịn của sản phẩm xi măng luôn luôn được kiểm soát theo phương pháp Blaine hoặc theo lượng sót sàng. Tuy nhiên, hiệu quả về chất lượng của hệ thống máy nghiền này có thể phức tạp hơn khi phản ánh theo Blaine hoặc theo lựơng sót sàng. Chúng bao gồm các yếu tố sau:

- Phân bố kích cỡ hạt
- Độ háo nước của thạch cao pha vào xi măng
- Sự hydrat hóa sớm và các bo nát hóa của các chất tạo khoáng trong clinker

3.1 Phân bố kích cỡ hạt

Một đặc tính của máy nghiền con lăn đứng là năng lượng tới bột liệu qua rãnh cán giữa con lăn và bàn nghiền là nhỏ, do vậy cần có  một số rãnh lớn nhằm đạt được năng lượng cụ thể cần thiết. Điều này làm cho yếu tố tuần hoàn bột liệu bên trong máy nghiền rất cao. Yếu tố tuần hoàn bột liệu cao luôn luôn dẫn tới đường cong phân bố cỡ hạt có dạng bậc thang nếu quá trình phân ly có hiệu quả. Vì vậy cần thiết có các dụng cụ đo lường đặc biệt để giảm độ nghiêng của đường cong phân bố cỡ hạt nhằm đạt được chất lượng xi măng tương tự như chất lượng xi măng nghiền bằng máy nghiền bi. Có một số phương pháp điều chỉnh độ nghiêng đường cong phân bố cỡ hạt để nghiền xi măng bằng máy nghiền OK.
 
Hình 4. Vành chặn có thể dễ dàng điều chỉnh độ cao

Để giảm tuần hoàn, đường nghiền trên bàn nghiền có dạng hình cong hướng lên trên nhằm giữ một lượng bột liệu tối thiểu phía dưới con lăn. Tại chu vi của bàn nghiền được làm thêm một vành chặn có thể điều chỉnh được ( Hình 4). Một vành chặn cao hơn sẽ làm cho lớp đệm nghiền cao hơn tương đương với thời gian giữ bột liệu trên bàn nghiền lâu hơn. Như vậy bột liệu sẽ nhận năng lượng cao hơn trước khi rời bàn nghiền, làm cho vòng tuần hoàn thấp hơn qua phân ly và vì vậy đường cong phân bố cỡ hạt có độ nghiêng thấp hơn.

Áp suất nghiền cũng ảnh hưởng đến phân bố cỡ hạt. Áp suất nghiền càng cao, đầu vào năng lương càng cao qua các rãnh giữa con lăn và bàn nghiền và yếu tố tuần hoàn càng thấp và do vậy độ nghiêng của đường cong phân bố cỡ hạt càng thấp.

Một ví dụ về ảnh hưởng của độ cao vành chặn và áp suất nghiền vào độ nghiêng của đường cong phân bố cỡ hạt được thể hiện ở hình 5. Khuynh hướng được thể hiện là hoàn toàn điển hình, trong khi các thông số được thể hiện có thể thay đổi phụ thuộc vào một số các yếu tố khác và phương pháp áp dụng để phân tích cỡ hạt 

Hình 5. Sự phụ thuộc của độ nghiềng trong đồ thị RRSB vào áp suất nghiền, tốc độ phân ly, độ cao vành chặn và lưu lượng gió

Tỉ lệ giữa tốc độ dòng khí và tốc độ phân ly cũng ảnh hưởng đến phân bố cỡ hạt. Một tốc độ dòng khí thấp hơn sẽ dẫn đến độ nghiêng của đường cong phân bố cỡ hạt thấp hơn. Bằng phương pháp này có thể đạt được phân bố cỡ hạt để nghiền xi măng trong máy nghiền OK tương tự như nghiền trong máy nghiền bi (hình 6). Tuy nhiên, cần phải chú ý rằng vận hành nhằm đạt được một phân bố cỡ hạt thích hợp phải có chi phí. Các phương pháp này được thực hiện nhằm đạt đợc độ nghiêng của đường cong phân bố cỡ hạt thấp. ví dụ một vành chặn cao, áp suất nghiền cao với tốc độ cấp liệu không thay đổi và tốc độ dòng khí thấp, tất cả những điều này dẫn đến hiệu quả nghiền thấp hơn và do đó dẫn đến tiêu thụ năng lượng cụ thể cao hơn.....
 
Hình 6. So sánh sự phân bố cỡ hạt trong biểu đồ sản phẩm RRSB  nghiền trong máy nghiền bi và máy nghiền OK

3.2 Sự mất nước của thạch cao 

Nhiệt lượng được tích tụ và gia nhiệt cho xi măng tăng lên trong suốt quá trình nghiền. Nhiệt độ xi măng khi rời máy nghiền phụ thuộc vào nhiệt độ nguyên liệu (đặc biệt là clinker) cấp vào máy nghiền, các đặc điểm của máy nghiền và qui trình nghiền. Nhiệt độ tiêu biểu nằm trong phạm vi 90-120 0C. Ở nhiệt độ này nước trong tinh thể thạch cao sẽ bị mất đi một phần, nghĩa là thạch cao sẽ bị khử đi một phần nước. Tính mất nước sẽ làm tăng tính tan của thạch cao và như một chất làm chậm phản ứng aluminate trong xi măng và vì vậy kiểm soát được quá trình đông kết hiệu quả hơn và kết quả nói chung là làm tăng cường độ trong suốt quá trình đông cứng của xi măng. Tuy nhiên, một hàm lượng quá cao thạch cao có thể làm kết tủa sớm các tinh thể thạch cao nằm giữa các hạt xi măng và làm cho chúng đông kết sớm (đông kết giả). Pha thêm thạch cao luôn có ưu điểm, nhưng quá nhiều thạch cao sẽ có thể gặp  một số vấn đề rắc rối trong quá trình đông kết.
Khi năng lượng nghiền sử dụng để nghiền xi măng tới độ mịn cần thiết trong một máy nghiền OK thấp và thời gian lưu lại trong máy nghiền này ngắn hơn, xi măng sẽ không bị nóng lên nhiều bằng như nghiền trong máy nghiền bi. Điều này có nghĩa là thạch cao có tính mất nước thấp hơn sẽ phải được tính đến. Có thể sẽ không gặp rắc rối nếu thạch cao đủ để kiểm soát các phản ứng đông kết trong trường hợp bình thường, trong trường hợp đặc biệt không đúng như vậy thì có thể áp dụng các phương pháp khác để khắc phục như:

- Pha thêm thạch cao ( nếu  SO3 còn nằm trong giới hạn)
- Tăng sự mất nước của thạch cao bằng cách gia thêm nhiệt cho hệ thống máy nghiền này
-Pha loại thạch cao phản ứng mạnh hơn 

Để đảm bảo tính mất nước của thạch cao phù hợp, sơ đồ tổng quan hệ thống một máy nghiền con lăn đứng (hình 7) có tính đến sự hồi lưu khí thải nóng của máy nghiền tới đầu vào để duy trì nhiệt độ thích hợp trong chu trình nghiền. Nếu clinker lạnh hoặc phụ gia ẩm ướt thì có thể gia nhiệt thêm cho máy nghiền bằng hệ thống lò đốt phụ. Nếu nhiệt độ clinker cấp vào máy nghiền rất cao, một van khí lạnh tại đầu vào máy nghiền hoặc trong trường hợp nhiệt độ quá lớn có thể  phun nước vào máy nghiền dể kiểm soát nhiệt độ đầu ra máy nghiền.

Hình 7. Sơ đồ công nghệ một trạm nghiền hiện đại có trang bị máy nghiền con lăn đứng nghiền Clilker và xỉ

3.3 Sự hydrat hoá sớm của các khoáng có trong clinker

Một khía cạnh hóa học khác được xem xét đến liên quan đến nghiền xi măng là sự hydrát hóa sớm của các hạt xi măng có thể xảy ra trong suốt quá trình nghiền. Độ ẩm để hydrát hóa sớm có thể đến từ độ ẩm có trong bột liệu, từ hệ thống làm mát bên trong và/hoặc đến từ thạch cao mất nước. Trường hợp sau trở thành một vấn đề chính liên quan đến dự trữ xi măng nóng trong silo. Hiện tượng hydrat sớm vượt quá mức có thể dẫn tới khả năng phản ứng của xi măng bị giảm và vì vậy thời gian đông kết lâu hơn và giảm cường độ, đặc biệt cường độ sớm. Sự hydrát hóa cũng có thể làm tăng khuynh hướng đông kết giả trong xi măng với với hàm lượng thạch cao  mất nước cao.

Bảng 1: So sánh các sản phẩm nghiền bằng máy nghiền xi măng và máy nghiền bi

Trạm nghiền

Trạm nghiền A

Trạm nghiền B

Trạm nghiền C

Loại xi măng

OPC

Hỗn hợp

Hỗn hợp

loại máy nghiền

BÀI KHÁC