Những thông tin kỹ thuật để lựa chọn thiết kế vòi đốt tối ưu cho nhà máy xi măng

Bài viết này xin được lược dịch và trình bày tổng hợp những thông tin quan trọng, cần thiết để hỗ trợ các kỹ sư lò và các nhà quản ly sàn xuất các nhà máy xi măng có thể lựa chọn được các vòi đốt phù hợp với nhu cấu hiện tại và tương lai cũng như để hỗ trợ các công ty sử dụng vội đốt đưa ra được những yêu cầu thỏa đáng vế cung cấp sàn phẩm đối với các nhà sản xuất phụ tùng gốc (OEM) va xem xét, đánh gia kỹ lưỡng hơn một số đặc tính vòi đốt mà thường bị bỏ qua trong quá trình sẩn xuất.

I. Phân loại các vòi đốt chính hiện có trên thị trường

Có thể khẳng định rằng nhu cầu đối với vòi đốt thường thay đồi tùy thuộc vào loại công nghệ, cấu hình thiết bị, các nhiên liệu sẵn có và một loạt thông số khác. Các công ty xi măng thường thay vòi đốt cũ của mình bằng một vòi đốt mới nhằm đáp ứng những thay đổi về các hỗn hợp nhiên liệu mới được sử dụng hoặc trong các trường hợp như vòi đốt bị mài mòn quá mức, không thể xử lý được các vấn đề về công nghệ đối với vòi đốt hiện có; khi các máy làm nguội kiểu hành tinh được thay thế bằng các máy làm nguội kiểu ghi; tăng công suất và giảm lượng phát thải NOx. Dựa vào cách thức mà các dòng gió sơ cấp (PA) được phân phối và điều chỉnh, Xavier D’hubert đã phân loại (tương đối) các vòi đốt chính hiện có sẵn trên thị trường thành ba nhóm, cụ thề như sau:

a. Nhóm 1:

Nhóm này bao gồm các vòi đốt đa kênh cố định mà có từ hai đến bốn kênh gió riêng, không tính kênh ở tấm/làm nguội/hồi lưu. Gió sơ cấp (PA) được phân chia tại đầu vào vòi đốt thành các kênh hướng trục, hướng kính, xoáy, phân tán (và/hoặc các kênh khác). Lượng gió đi qua các kênh tương ứng được điều chỉnh bằng các van, các van quạt hoặc các VDF và đôi khi bằng sử dụng nhiều quạt hoặc quạt thổi.

Trong nhóm 1 này có thề kể đến vòi đốt FLEXIFLAME của GRECO, TURBO-JET của FCT, D-FLAME của Dynamis, POLFLAME của Polysius và PYRO-JET của KHD. Vòi đốt ROTAFLAM của Fives Pillard cũng thuộc loại này. Vòi đốt ROÍAFLAM đã từng là vòi đốt hàng đầu trong nhiều năm, nhưng hiện không còn được Fives Pillard đề xuất chính trong các hồ sơ dự thầu nữa.

Các thông số quan trọng trong nhóm đầu tiên này bao gồm: Số lượng các tia PA và 'chất lượng’ của chúng, theo đó, là các giá trị thực, nghĩa là: tỉ lệ giữa chiều dài và đường kính của vòi phun khí? và có bao nhiêu kênh PA hướng trục và hướng kính, cũng như các vị trí tựơrìg ứng của chúng trong vòi đốt?

Theo truyền thống, các vòi đốt ‘3 kênh' trong những năm 1980 được bố trí một kênh than xen vào giữa các kênh gió hướng trục (bên ngoài) và gió hướng kính/gió xoáy (bên trong). Trong những năm 1990, khi mà xu hướng hướng tới các vòi đốt thấp NOx bật đầu thì hai kênh gió đã được lắp ở bên ngoài kênh than. Điều này đã làm chậm lại sự phối trộn với gió sơ cấp và do vậy làm giảm nhiệt độ của ngọn lửa (và theo đó làm giảm lượng phát thải là NOx).

b. Nhóm 2:

Nhóm 2 gồm các vòi đốt mà phối trộn PA hướng trục (A) và hướng kính (R) bên trong vòi đốt trong một buồng đốt được đặt hướng về phía đầu vòi đốt. Lượng PA-A và PA-R tương ứng hoặc cường độ tương ứng của chúng có thể điều chỉnh được từ sàn vòi đốt bằng các kênh trượt. Do vậy, chỉ có một đầu ra PA riêng dụy nhất. Ngược lại, có thể có một đầu vào PA riêng tới vòi đốt với hai đầu ra riêng biệt ở phía sau phần chia tách có thề điều chỉnh trong vòi đốt. Nhóm này có vòi đốt DUOFLEX của FLSmidth và vòi đột NOVAFLAM của Pillard. Vòi đốt NOVAFLAM có môt đầu vào thông thường và hai đầu ra riêng, trong đó tỉ lệ (% hướng trục so với % hướng kính) được cố định ở giai đoạn thiết kế. Hiệu ứng xoay đạt được nhờ các cánh quạt có bước thay đổi mà làm cho nó có thể điều chỉnh được góc ra của tia gió hướng kính từ 5° đến 35°. Thiết kế VÒI đốt DUOFLEX cũ có hai dòng gió trộn lẫn nhau trước khi được phun vào qua vòi phun khí hình côn. Sự phối trộn bên trong vòi đốt này đòi hỏi các kênh sẽ phải chuyển đồl từ kênh này sang kênh khác, nên cần có một cơ chế ở phía đầu vào của vòi đốt.

c. Nhóm 3:

Là các vòi đốt có các tia phun PA hựớng trục/hướng kính có thể điều chỉnh được trong một kênh đơn, có hoặc không có chi tiết xoáy nhỏ. Nhóm này gồm có vòi đốt Mono Airduct System (MAS) của Unitherm; vòi đốt POLFLAME VN của Polysius và vòi đốt JETFLEX mới của FLSmidth; kề cả vòi đốt PYROSTREAM hiện đã ngừng sản xuất của KHD. Tất cả các vòi đốt này là các vòi đốt có thể điều chỉnh và cố định ngoại trừ vòi đốt MAS của Unitherm. Các khác biệt khác bao gồm vị trí các tia phun PA liên quan tới kênh than và sự có mặt hay vắng mặt của kênh hướng kính phụ (gốc cố định).

Mặc dù, các OEM chào bán các kiều mẫu khác nhau và có các thiết kế thay đổi xung quanh các phân loại này, các nhóm này chủ yếu phản ánh sự phát triển của thị trường từ việc tăng cường đột than/than cốc với ưu điểm là đốt gián tiếp, sang các loại thấp, cực thấp và siêu thấp NOx, đến các loại thiết kế động lượng cao cho đốt nhiên liệu thay thế, sau đó là các thiết kế đa năng và, cuối cùng là, trở lại các thiết kế cơ bản hơn) linh hoạt hơn. Các nhóm này đươc phân chia chỉ mang tính chất tương đối, vì mỗi nhóm đều có một số đặc điểm vay mượn từ các loại khác.

Để so sánh thêm thiết kế của mỗi vòi đốt, các thông số dựới đây cần được xem xét, cân nhắc:

- Dòng PA và vận tốc đầu ra (áp suất);

- Số lượng, khả năng điều chỉnh và các góc đầu ra PA;

- Góc phun than (đồng tâm, lệch tâm, hội tụ, phân tán);

- Các vị trí tựơng đối của tất cả các đường ống/các kênh gió và nhiên liệu;

- Phần PA ở tâm/làm nguội/ hồi lưu của vòi đốt. Phần này dao động từ không tồn tại đến các tấm có đục lỗ đơn giản đến các lỗ sàng. Cho dù một số nhà cung cấp khẳng định cần đảm bảo hồi lưu phù hợp các khí đốt vào trong ngọn lửa, nhưng trong thực tế ảnh hưởng của nó chưa được chứng minh.

Các thông số thiết kế trên được tính tóan bởi các OEM sự dụng các số liệu và các yếu số chưa xác định khác nhau, gồm cả yếu số chảy rối, số đường tiếp tuyến, số dòng xung và chảy rối. Đấy là các thông tin độc quyền của OEM và các nhà máy không được sử dụng để so sánh giữa các nhà sản xuất với nhau, ví dụ, Dynamis sử dụng hệ số hình học phi kích thước để đánh giá dòng gió sơ cấp đi vào các vùng phun nhiên liệu theo khoảng mở. FCT sử dụng thông số Craya-Curtet trong thiết kế vòi đốt, kết nối hiệu quả động lượng vòi đốt với động lượng gió sơ cấp hơn là xem xet động lượng vòi đốt riêng.

Khi phân loại và đánh giá chất lựợng vòi đốt do nhà cung cấp đề xuất, các thiết bị ngoại vi và các phụ kiện, gồm cả máy quét ngọn lửa, thiết bị đánh lửa, các thiết bị giám sát đo lường, kiểm soát độ an toàn, các quạt gió làm mát và sự cố và các thiểt bị khác... cũng cần được xem xét kỹ lưỡng.

Cuối cùng là, các yếu tố về không gian, các vị trí đấu nối cần thiết và trọng lượng vòi đốt là các yếu tố rất quan trong. Hình chụp bên trên cho thấy đầu vòi đốt được trang bị một hệ thống súng bắn khí. Bình khí/thiết bị bắn khí được lắp vào phía sau vòi đốt. Thiết kế của thiết bị này thường là một vấn đề, vì nếu khe xả khí quá xa tính từ đầu vòi đốt, thì việc bắn khí sẽ yếu và nếu quá gần thì khi đó nó sẽ chỉ loại bỏ được một phần sừng tê giác.

II. Giới thiệu các loại vòi đốt mới nhất

Vòi đốt lò luôn là tâm điềm thu hút sự quan tâm đặc biệt của các nhà quản lý nhà máy xi măng vì nó có tính quyết định quan trọng đối với chất lượng clinker cũng như năng suất lò. Khi lựa chọn một vòi đốt mới cho lò quay nung clinker, các nhà máy xi măng cần hết sức lưu ý một số thông số quan trọng cũng như các thắc mắc dưới đây, bao gồm:

- Kích thước, hình dạng (tròn, vuông, hình chữ nhật, kép), số lượng và các vị trí của các tia phun gió sơ cấp (hoặc chỉ là gió hướng trục hoặc là sự kết hợp giữa gió hướng trục và gió xoáy) cho tính hiệu quả của chúng, đặc biệt là các vòi đốt đa nhiên liệu;

- Hiệu quả của đặc điểm sẵn có của vòi đốt được thiết kế nhằm đảm bảo phân tán tốt các nhiên liệu rắn thay thế (chủ yếu là loại “bụi xơ giấy”) khi đi ra khỏi vòi đốt để đảm bảo đốt cháy hoàn toàn khi đang ở trạng thái treo lơ lửng;

- Hiệu quả của cái gọi là kênh gió ở tâm/làm mát/hồi lưu;

- Có nên trang bị các vòi đốt đa kênh cùng với một quạt thổi cho mỗi kênh để kiếm soát dễ dàng hơn các dòng gió sơ cấp tương ứng?

Ngoài ra, có một số vấn đề cân nhăc mà hiện chưa được các nhà sản xuất lớn đưa ra như các đặc tính vòi đốt ‘dòng chính’. Các vấn đề này có thể bao gồm các đặc tính như phun O2 vào để gia tăng đốt cháy nhiên liệu thay thế hoặc phun H2O vào đề kiểm soát NOx. Các chi tiết phun này được lắp cho một số vòi đốt nhưng lại thường chỉ được hứa hẹn sẽ nâng cấp cải tạo, thay vì là các lựạ chọn có sẵn ở giai đoạn thiết kế;

Các vấn đề vận hành liên quan tới các vòi đốt sẽ thường tồn tại, bao gồm sự hỏng sớm lớp bê tông bảo vệ bên ngoài, sự thiếu hiệu quả của các súng bắn khí để phá vỡ liệu bám dính mà được xem như là “sừng tê giác”, nhu cầu thay đồi các đầu vòi đốt trong quá trinh vận hành để tìm ra góc xoáy phù hợp, hoặc sự mài mòn quá mức của các thanh giằng bên trong kênh cấp than.

Để hỗ trợ các nhà quản lý cũng như các kỹ sư và các nhân viên vận hành lò ở các nhà máy xi măng có thể nắm bắt được những thông tin cơ bản về một số loại vòi đốt đang được sừ dụng trên thế giới nhằm phục vụ cho việc lựa chọn đúng loại vòi đốt phù hợp với quan điểm vận hành và nhu cầu của họ trong giai đoạn bắt đầu đầu tư mới hoặc trong quá trình thực hiện các dự án nâng cấp, cải tạo nhà máy hiện có, dươi đây là các thông tin về loại vòi đốt chính của các nhà sản xuất, cung cấp vòi đốt hàng đầu trên thế giới.

a. Vòi đốt PYROJET của KHD

KHD đã cung cấp các vòi đốt lò được hơn 100 năm. Các hệ thống vòi đốt hiện đại của KHD được bắt đầu với vòi đốt khí áp lực cao không cần sử dụng gió sơ cấp vào năm 1979. Vòi đốt này có đặc điểm là có một số vòi phun riêng tương đối nhỏ, từ đó khí đốt phóng ra với vận tốc siêu thanh. Điều này tạo ra hiệu ứng hút mạnh đối với gió hai ở xung quanh và do đó phối trộn hiệu quả gió và nhiên liệu với nhau.

Thiết kế vòi phun đơn khi đó đẫ được áp dụng cho các vòi đốt đốt than. Trước năm 1979, các vòi đốt đốt than chủ yếu sử dụng gió xoáy cho ổn định ngọn lửa và gió hướng trục qua một khe hở vòng để tạo hình thêm ở chu vi ngoài. Khe hở gió hướng trục ngoài này tạo ra một lớp khí mát xung quanh côn nạp nhiên liệu, làm chậm lại sự phối trộn hỗn hợp nhiên liệu và gió xoáy.

Đến thiết kế vòi đốt PYROJET, KHD đã sử dụng một vòng jic-lơ cho gió hướng trục, hoặc ‘gió xung’, giúp cải thiện đáng kể hiệu suất đốt cháy: Gió xung cuốn gió hai đi bằng các tia phun vận tốc cao và phối trộn nó một cách hiệu quả hơn, với phễu nạp nhiên liệu ở giữa. Vòi đốt này đã trở thành một trong số những vòi đốt được biết đến nhiều nhất trong ngành xi măng.

Tuy nhiên, mục tiêu môi trường của những năm 1980 đã cho thấy rằng, do nhiệt độ ngọn lửa cao va tính sẵn có của khí o-xi và ni-tơ tại chân ngọn lửa, vòi đốt đã làm gia tăng các mức NOx cao. Để giảm bớt lượng phát thải này, lượng gió phun vào được giảm bớt và tăng áp suất phun lên.

Năm 2000, đầu vòi phun đã được đơn giản hóa, dẫn đến thiết kế hiện tại là tất cả các chi tiết của đầu vòi phun được hàn với nhau tạo thành một đầu gọn gàng hơn. Đồng thời, KHD đã sử dụng đường ống làm mát cho vòi đốt PYROJET. Đường ống làm mát này chịu trọng lượng của vật liệu chịu lửa của vòi đốt và bảo vệ đường ống đỡ mà chịu tải trọng tĩnh của vòi đốt. Có thể thay thế nhanh vật liệu chịu lửa trong trường hợp bị hư hỏng, trong khi gió làm mát khẩn cẩp bảo vệ đường ống đỡ vòi đổt khỏi bị hư hỏng thêm. Nhu cầu gió làm mát cần thiết là 1,5% tổng lượng khí đốt.

Trong khoảng 10 - 15 năm trước, các vòi đốt thường có nhiều kênh ở giữa và các đường ống cho các nhiên liệu thay thế khác nhau, các kết quả vận hành và nghiên cứu CFD đều cho thấy rằng các vòi đốt không nhất thiết phải lớn. Với sự phối trộn thông minh các nhiên liệu hoặc các tổ hợp bàn trượt mà có thể thay đổi được trong quá trình vận hành để thích ứng với các trường hợp nhiên liệu khác nhau, đường kính vòi đốt có thể giảm đi tới mức tối thiểu hợp lý.

Các ưu điểm của việc điều chỉnh vòi đốt dễ dàng hơn và việc đốt cháy tốt hơn nói chung nên được cân đối với việc kinh doanh phát thải NOx cao hơn, nhu cầu năng lượng điện tăng lên đối với quạt/quạt thổi gió sơ cấp và tất nhiên, hiệu suất máy làm nguội giảm đi, vì gió sơ cấp lạnh làm giảm bớt việc sử dụng gió thứ cấp. Tình hình nhiên liệu không ngừng thay đồi hiện nay yêu cầu một giải pháp thiết kế vòi đốt linh hoạt. KHD cung cấp một hệ thống tạo dòng chảy rối có thể điều chinh được cho phân phối các nhiên liệu rắn thay thể tốt hơn mà sẽ được phun vào qua đường ống ở giữa.

Bên cạnh vòi đốt PYROJET, theo Xavier D’Hubert, KHD đã cố gắng tuân thủ theo xu hướng các xung gió sơ cấp có thể điều chỉnh bằng việc cho ra đời vòi đốt PYROSTREAM nhưng, thiết kế này đã không được phát triển thêm vì chi phí cho điều chỉnh cơ khí là tốn kém và yêu cầu phải thực hiện bảo trì, bảo dưỡng thêm.

b. Vòi đốt TURBUJET của FCT

FCT là một chuyên gia về đốt của Úc. Giải pháp của công ty đối với các loại vòi đổt lò xi măng tập trung chủ yếu vào việc lập mô hình tỷ lệ và mô phỏng CFD. TURBLUET™ là một vòi đốt lò động lượng cao mà tạo ra ngọn lửa rất ổn định và chắc chắn có thể được thiết kế để phù hợp với thực trạng mỗi lò.

Các rãnh gió sơ bộ tạo ra các tia phun hiệu quả mà mang lại sự phối trộn tốt hơn gió hai vào ngọn lửa. Kênh gió xoáy được đặt vào bên trong của kênh than cốc/than đá để mang lại sự phân tán tốt hơn lớp mù nhiên liệu. Cấu hình này mang lại sự phối trộn rất tốt than mịn, tạo ra điểm đánh lửa gần vòi đốt khiến cho nó có thể đốt cháy các nhiên liệu có chất bốc thấp.

Hình dạng ngọn lửa được kiểm soát nhờ một van đơn cân bằng tổng lượng gió sơ cấp ở giữa các kênh gió hướng trục và gió xoáy. Lượng gió sơ cấp được kiểm soát bởi rnôt bộ truyền động có tần số biến đổi.

Hầu hêt các vòi đôt FCT có cấu hình được tối ưu hóa đặc biệt cho lò cụ thể sử dụng mô hình CFD. Các thông số sử dụng bao gồm: Lượng và áp suất gió sơ bộ; Định yị vòi đốt vào lò; Biến dạng nhiệt tốt nhất; Vận tốc phun nhiên liệu vào, và các thông số khác nữa. Đối với các nhiên liệu rắn thay thế, FCT đã phát triển hệ thống LOFTING AIR™ đề cải thiện đường đi của các hạt nhiên liệu vào trong lò. Điều này tránh các hạt nhiên liệu chưa được đốt cháy rơi xuống lớp clinker và các vấn đề có liên quan với các điều kiện khử giảm cục bộ và clinker có màu nâu. Lượng và áp suất gió, cũng như góc phun, được thiết kế tùy biến phụ thuộc vào các đặc tính riêng của nhiên liệu thay thế, bao gồm cả kích thước hạt, hình dạng, giá trị nhiệt thấp hơn, thành phần và các thông số khác có liên quan, cũng như các đặc tính của lò.

Các giá trị tiêu biểu được sử dụng cho vòi đốt lò xi măng TURBLUET™ là: Áp suất gió sơ cấp: 250 - 700 mbar; Tốc độ gió sơ cấp: 6 - 10%; Động lượng hướng trục của vòi đổt: 6 - 14N/MW; Vận tốc than: 26 - 32 m/giây; Vận tốc nhiên liệu rắn thay thế: 35 - 45 m/giây.

Ở vị trí mà NOx cần được duy trì ở mức tối thiểu, áp suất gió sơ cấp cao hơn (tới 700 mbar) được áp dụng để giảm thiểu lượng gió sơ cấp trong khi vẫn đảm bảo được tính hồi lưu ngọn lửa. Các vòi đốt của FCT có đặc tính mang lại sự đánh lửa sớm nhiên liệu (gần đầu vòi đốt) mà đã cho thấy sẽ làm giảm nhiệt độ cao nhất của ngọn lửa và tạo ra ít NOx hơn. Các biện pháp khác có thể bao gồm gió sơ cấp có thể điều chỉnh một phần, dẫn đến các thay đổi về tỷ lệ nhiên liệu/gió trong ngọn lửa, hoặc phun nước vào để làm giảm nhiệt độ cao nhất của ngọn lửa.

FCT đã xử lý được các vấn đề mài mòn và bảo trì, bảo dưỡng quan trọng trên vòi đốt bằng một kênh than mà được bảo vệ bằng lớp gạch gốm sứ hoặc bằng một lớp thép cứng chịu mài mòn, như “Durapate” hoặc tương tự. Các đường ống nhiên liệu thay thế được chế tạo từ thép được tôi cứng đặc biệt đề bảo vệ chống lại sự mài mòn.

c. Vòi đốt MAS của Unitherm

Unitherm là một công ty vòi đốt có thâm niên 60 năm và khi bắt đầu đã sớm chào bán các vòi đốt ba kênh tiêu chuẩn. Vào những năm 1990, công ty đã sáng chế ra vòi đốt có Hệ thống Đơn Khí (Mono Air System - MAS). Lúc đó, nó là vòi đốt dụy nhất tạo ra kênh gió sơ cấp hướng trục và hướng kính kểt hợp mà đầu vòi có các tia linh hoạt có thể điều chỉnh được (góc thông minh). Đây là một khái niệm mang tính đột phá cho thấy các ý tưởng thiết kế và kinh doanh phù hợp có thể kết hợp với nhau ra sao.

Một trong những tranh luận đối với thiết kế MAS đó là một dòng gió đơn có thề điều chỉnh sẽ hiệu quả hơn so với việc phối trộn hai dòng gió khác nhau. Nó hiệu quả hơn vì không bị thất thoát năng lượng trong khi phối trộn hai dòng gió và nó hiệu quả hơn vì sự thay đổi góc lớn của gió sơ cấp đi ra khỏi các tia phun mạnh tạo thành ngọn lửa. Hình dạng có thể dễ dàng tái tạo được nhờ sử dụng một trục khuỷu đơn giản với tỷ lệ 0 – 10 gắn vào phía đầu nguội của vòi đốt. Vì hiệu quả này, áp suất gió sơ cấp thấp hơn (và vận tốc đi ra) có thể sử dụng được, nên không cần sử dụng các quạt thổi cao áp. Cũng vậy, một kênh gió sơ cấp đơn làm giảm đường kính vòi đốt, một yếu tố quan trọng để đốt hiệu quả.

Ban đầu, trước việc các kỹ sư lò thường lo lắng về các hạt nhiên liệu di chuyền bên trong vòi đốt, các đường ống mềm linh hoạt và các vòng đỡ được sử dụng đề làm thay đổi các góc phun và đã cho thấy là đặc biệt chắc chắn và rất dễ vận hành. Kết cấu này ít khi phải sửa chữa.

Vòi đốt MAS đưa ra một số tính năng lựa chọn như đầu đường ống ngoài tách rời được; một thiết bị chuyển dòng khí (pneumo-detlector®) để nâng các hạt nhiên liệu rắn thay thế lên đi vào trong ngọn lửa và việc tập trung vào góc phun dòng than (hội tụ hoặc phân tán) hỗ trợ kiểm soát các phát thải NOx.

d. Vòi đốt POLFLAME cua Polysius (TklS)

Văn hóa công nghiệp hơn 150 năm của Polysius AG hiện tiếp tục với tên gọi mới Thyssenkrupp Industrial Solutions (TkIS) OU Cement Technologies.

(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Trải qua nhiều năm, các vòi đốt POLFLAME đã được phát triển để đáp ứng các yêu cầu mới, trước hết là cho việc đốt trực tiếp lò sử dụng khí thải máy nghiền có chứa bụi than, sau đó là các hệ thống đốt gián tiếp và đến nay là một loạt các nhiên liệu thay thế.
Vào những năm 1990, các nhiên liệu mà khó đánh lửa như than anthracite và than cốc, bắt đầu đựợc sử dụng. Do đó, Polysius bắt đầu tìm hiểu công nghệ vòi đốt mới, đưa đến sự phát triển vòi đốt POLFLAME VN. Giải pháp góc phun có thể điều chỉnh với các vòi phun di động cho phép thiết lập các đặc tính ngọn lửa tùy thuộc vào việc đốt cháy than hoặc nhiên liệu rắn thay thế.

Việc thay thế dần các nhiên liệu hóa thạch bằng các nhiên liệu thay thế và các hạn mức phát thải nghiêm ngặt hơn là những yếu tố đưa đến sự phát triển các vòi đốt, mà được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu như chất lượng clinker cao, vận hành lò suôn sẻ, (ví dụ, kiểm soát nhiệt độ đầu vào lò), và đạt được đọ linh hoạt cao liên quan tới hỗn hợp nhiên liệu.

Tuy nhiên, vòi đốt không phải là thiết bị duy nhất cấp nhiên liêu cho zôn nung. Trong một số trường hợp, các đường ống phun nhiên liệu riêng đã được sử dụng. Lý do đó là các nhiên liệu thay thế chỉ có thể được phun vào khi mức nhiệt độ trong hệ thống đủ cao và việc đốt cháy hoàn toàn được đảm bảo.Đó là lý do tại sao lò nung, sau khi đánh lửa, thường đựợc khởi động với nhiên liệu ‘truyền thống’, nhự thạn non. Để khởi động, vòi đốt gần như đạt được 100% công suất của nó. Sau khi đạt được mức nhiệt độ cần thiết, nhiên iiệu tiêu chuẩn được giảm đi tùy thuộc vào mức thay thế nhiên liệu thay thế, có nghĩa là vòi đốt phải đạt được mức độ linh hoạt rất cao.

Việc sử dụng nhiên liệu thay thế cao liên tục có thể dẫn đến các vòi đốt cực kỳ lớn vì vận tốc gió bị hạn chế tại đầu vòi đốt và sẽ cần nhiều kênh nhiên liệu thay thế phụ hơn. Đây là lý do mà TkIS khuyến cáo phải có một lượng nhất định, ví dụ lên tới 50% nhiên liệu rắn thay thế phun vào qua vòi đốt và lắp đặt các đường ống phun riêng cho phần còn lại. Điều này có nghĩa rằng các vòi đốt có thể giữ được đường kính hợp lý. Khi được phun vào phía trên vòi đốt chính, nhiên liệu rắn thay thế có phẩm cấp kém hơn cần nhiều thời gian hơn để sấy khô, sẽ có cơ hội phân tán lớn hơn và đốt cháy tốt hơn và sẽ không rơi xuống lớp clinker.

Thách thức hiện tại và trong thời gian tới vẫn là các hạn chế đối với các phát thải khí. Hơn nữa, các nhà cung cấp thường được yêu cầu thiết kế vòi đốt mà không biết nhiên liệu đó có thể sử dụng được sau khi một nhà máy mới được hoàn thành. Mặc dù vậy, chiều dài và nhiệt độ zôn nung vẫn phải được kiểm soát cẩn thận.

e. Vòi đốt D-Flame của DYNAMIS

Dynamis được Eng. Guilherme, người đã nghiên cứu và làm việc với giáo sư Clemente Greco của Brazil, thành lập vào năm 2003. Khi đó, Dynamis cung cấp các dịch vụ tư vấn, còn hiện tại là một Công ty thiết kế kỹ thuật và dự án cũng như là một Công ty cung cấp các thiết bị theo yêu cầu của khách hàng.

Vòi đốt Đa kênh D-Flame của Dynamis được thiết kế với cả hai kênh gió sơ cấp hướng trục và hướng kính cố định. Vòi đốt này có 18 lỗ phun để phun gió sơ cấp bên ngoài và tiếp tuyến. Một số cải tiến vận hành bao gồm: 1) Các tinh thể C3S mịn hơn; 2) Khả năng sử dụng các nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao hơn mà không bị đóng cặn; 3) Vận hành lò ổn định, và 4) Tăng được tuổi thọ vật liệu chịu lửa.

Đối với Dynamis, việc tối đa hóa độ cuốn theo gió hai là một khái niệm rất quan trọng, tiếp theo là việc giảm thiểu phun gió sơ cấp. Liên quan tới động lượng, Dynamis sử dụng khái niệm động năng, với việc tập trung nhiều hơn vào tốc độ so với dòng lưu lượng khối để thiết kế các đầu vòi đốt. Khi thiết kế vòi đốt, các tính toán về các giá trị như xung lực ngọn lửa, chỉ số chảy rối và số lượng dòng chảy rối là các giá trị quan trọng để làm cho thiết kế phù hợp với các nhiên liệu, nhiệt độ gió hai, đường kính lò và các thông số khác. Các giá trị này bổ sung cho các đặc điểm thiết kế hình học của đầu vòi đốt, gồm cả các vị trí tương ứng để phun gló và nhiên liệu vào, số lượng và kích thước các tia phun gió và tương tự như vậy.

Dynamis đã công bố một số bài viết về các nghiên cứu của mình về số lượng tối ưu các tia gió sơ cấp hướng trục. Các phát hiện cho thấy rằng số lượng tia phun càng ít, đến một giá trị tối thiểu nhất định, thì sẽ càng hiệu quả hơn so với nhiều tia phun.

g. Vòi đốt JETFLEX® của FLSmidth

Vòi đốt JETFLEX là một minh chứng rõ ràng về sự phát triển một vòi đốt mới đáp ứng các thay đổi theo nhu cầu thị trường.
Theo cách thức tương tự mà Pillard đã phát triển vòi đốt ROTAFLAM® của mình trở lại cuối những nărn 1980 để đáp ứng các yêu cầu về các vòi đốt thấp NOx, hoặc cách thức mà Greco đã phát triển FLEXIFLAME® vào đầu những năm 2000 để giải quyết ‘vấn đề nhất thời’ về động lượng cao của thập kỷ, JETFLEX® kế tiếp vòi đốt DUOFLEX™ nổi tiếng, hướng tới mức thay thế nhiên liệu thay thế không ngừng gia tăng, đặc biệt là sử dụng nhiên liệu rắn thay thế trong vòi đốt chính.

Một vài ý tưởng mới đã được đưa vào trong thiết kế của vòi đốt này và nhiều ý tưởng hơn nữa đã được đánh giá trong quá trình phát triển. Việc sử dụng nhiều CFD và lập mô hình là một đặc điểm của quá trình phát triển các vòi đốt mới trong thế kỷ 21.

Các ý tưởng mới bao gồm: Các vòi phun gió sơ cấp có dạng hình chữ nhật phẳng hoặc được lắp cố định hoặc có thề điều chỉnh được theo hướng để tạo hình dạng ngọn lửa; Một đường ống ở gíữa thông thường và có thể điều chỉnh (trong và ngoài phần thân chính của vòi đốt) cho các nhiên liệu rắn, mà tạo cho nhiên liệu khả năng kéo dài trước khi tiếp xúc với khí đốt (cho thời gian lưu lâu hơn).

Gió ở tâm (có hoặc không có gió xoáy) có một vai trò quan trọng đối với việc làm nguội và hồ lưu khí thải ở bên trong. Lợi điểm đầu tiên đó là vòi đốt có đường kính nhỏ hơn, dẫn đến sự tiếp xúc sát hơn của gió sơ cấp và các nhiên liệu rắn thay thế và sự phối trộn cũng như đốt cháy tốt hơn.

Giải pháp mới nữa cho đốt nhiều nhiên liệu rắn thay thế là phối trộn nó với nhiên liệu rắn hóa thạch, (mà chiếm một phần nhỏ trong nhiệt đầu vào), cho dù đường ống thông thường được đặt ở tâm vòi đốt.

Theo xu hướng trên thị trường, JETFLEX® có các lựa chọn khác nhau, như các tia phun gió sơ cấp được lắp cố định hoặc theo định hướng và khả năng bao chứa (hoặc không) của kênh gió xoáy.

h. Vòi đốt NOVAFLAM của Fives Pillard

Trong một thời gian dài, Fives Pillard là nhà cung cấp vòi đốt lò xi măng độc lập duy nhất, được biết đến với các vòi đốt ‘ba kênh’ thông thường và sau đó là vòi đốt ROTẠFLAM® nổi tiếng. Đây là lần đầu tiên Công ty chuyển hướng sang bố trí kênh gió xoáy nhiên liệu rắn hóa thạch bằng gió hướng trục truyền thống và bắt đầu cuộc cách mạng của các vòi đốt để dẫn dắt hoặc đáp ứng các nhu cầu trên thị trường.

Pillard đã cung cấp vòi đốt NOVAFLAM được khoảng 8 năm, kết hợp nhiều ý tưởng vào một vòi đốt. Một vài thay đổi kể từ đó hoặc đã được bổ sung thêm hoặc được thử nghiệm ‘trên bản vẽ.’

Các kết quả CFD đã cho thấy rõ ràng rằng có khả năng thiết kế vòi đốt NOVAFLAM như là một kênh gió ‘đơn’ có hai đầu dẫn gió sơ cấp ra riêng, có thể kiểm soát được tại đầu vòi đốt. Gió hướng trục và gió xoáy hỗ trợ đạt được ngọn lửa mạnh, có đựờng kính nhỏ, được kiểm soát tốt nhờ vận tốc gió cao trong gió hướng trục tại ngoại vi ngọn lửa. Nó có khả năng lặp lại hình dạng ngọn lửa tốt. Các tiết diện ngang được cố định để tránh các tác động tiêu cực của sự thay đổi nhiệt độ lò tới hình dạng đầu vòi mà do giãn nở nhiệt gây ra.

Đặc điểm chính là đầu vào gió sơ cấp đơn và đầu ra gió sơ cấp kép (hướng trục và hướng kính) với việc phun gió xoáy tại góc tịnh tiến. Việc sử dụng một trục khuỷu ở cuối vòi đốt) đầu vòi hướng kính có thể được di chuyển ra sau và về phía trước để điều chỉnh độ rộng ngọn lửa đồng thời điều chỉnh áp suất gió sơ cấp để thay đổi xung lực vòi đốt nhờ sử dụng một chiếc van.

i. Vòi đốt FLEXIFLAME của TEC-GRECO

Công ty vòi đốt GRECO đã trở nên nổi tiếng vào những năm 1990 nhờ nhà sáng lập của mình Giáo sư Clement Greco, người đã đi vòng quanh thế giới để phát triển các khái niệm vòi đốt của mình như là ‘thiết kế đồng tâm hoàn toàn'. Tuy nhiên, lúc đó, Công ty chỉ cung cấp thiết kế kỹ thuật, các khách hàng của Công ty chế tạo các vòi đốt từ các bản vẽ do Greco cung cấp. Sau này, Công ty trở thành Công ty OEM thực sự.

Các nguyên tắc chính của vòi đốt FLEXIFLAME thực tế là nó không có các chi tiết dịch chuyển và có ba kênh gió sơ cấp chính, gió hướng trục, hướng kính/gió xoáy và kênh phân tán với kênh nhiên liệu rắn hóa thạch được đặt vào giữa các kênh hướng trục, kênh gió xoáy và kênh phân tán.

(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Các lợi ích là cung cấp một vòi đốt chắc chắn và linh hoạt với lượng gió sơ cấp tương đối ở giữa các kênh gió xoáy và kênh phân tán mang lại sự điều chỉnh giữa NOx thấp hơn (xoáy hơn) và nhiên liệu rắn thay thế cao hơn (phân tán nhiều hơn).

FLEXIFLAME có khả năng xoay lớn hơn. Đôi khi, các nhà máy dự kiến tăng sản lượng sản xuất nhưng lại không muốn có một vòi đốt quá cỡ lúc đầu. Vòi đốt này có khả năng đưa vào (và tháo ra sau đó) một số trong số các rãnh khí để cho phép tối ưu hóa lượng dòng chảy gió sơ cấp - theo yêu cầu tỷ lượng - so với công suất đầu ra của vòi đốt lớn.

Một thay đổi mới đây là vòi đốt FLEXIFLAME ECOPRO® phun các nhiên liệu rắn thay thế vào chân ngọn lửa qua một kênh vòng. Điều này đòi hỏi chuẩn bị cẩn thận (nghiền) các nhiên liệu rắn thay thế.

k. Vòi đốt International của ROCKTEQ

Vòi đốt của ROCKTEQ là một vòi đốt đa kênh sử dụng gió sơ cấp cổ điển với than được đưa vào giữa gió sơ cấp hướng trục và gió sơ cấp hướng kính. Thiết kế vòi đốt ROCKTEQ có nguồn gốc từ thiết kế của GRECO, hướng tới việc duy trì các tia phun gió hướng trục hình vuông là nét đặc trưng của GRECO hồi cuồi những năm 1990, với ý tưởng mọi thứ được bố trí đồng tâm xung quanh trục vòi đốt. Ví dụ, kể cả các vòi phun nhiên liệu lỏng đều được chia thành bốn để giữ được nét đặc trưng của nguyên lý đó.

Các đặc điểm của các vòi đốt này là: Cung cấp đồng trục tất cả các nhiên liệu và gió sơ cấp. Gió sơ cấp (gió hướng trục, gió xoáy và gió hướng tâm) được cấp bởi ba kênh vòng đồng trục riêng, được đo và được điều chỉnh hiệu quả bởi các van lật có thể điều chỉnh. Van cấp khí ba ngả cho phép thiết lập tối ưu hình dạng ngọn lửa. Nhờ phối trộn tốt gió/khí ôxi và các nhiên liệu sẽ đạt được ngọn lửa chảy rối ngắn.

Việc đốt cháy than hiệu quả đạt được nhờ phối trộn khí ôxi vào tâm ngọn lửa do vị trí đường ống than được đặt vào giữa gió hướng trục và gió xoáy. Do đó, than là nhiên liệu hỗ trợ cho các nhiên liệu rắn thứ cấp đảm bảo ngọn lửa nóng và ngắn.

Gió ở tâm và gió xoáy tạo ra sự hồi lưu trong tối ưu vớithời gian lưu cao tương ứng cho đốt các nhiên liệu rắn thứ cấp. Hơn nữa, nhờ hồi lưu trong của các khí đốt, việc hình thành NOx tức thời giảm đi.

III. Các phát triển vòi đốt hiện đại

Các khái niệm và các thiết kế vòi đốt mới được đưa ra từ sự kết hợp các nhu cầu đang thay đổi của ngành xi măng (do các yếu tố bên ngoài) và sự tiếp thị thuần túy của các OEM mà tìm cách để tạo ra sự khác biệt giữa họ để cạnh tranh. Thực vậy, các thiết kế mới nổi lên gần như chủ yếu từ mong muốn đạt được một sản phẩm mà khác biệt so với đối thủ cạnh tranh, và sau đó được hợp lý hóa như là ‘các đồi mới về công nghệ’ nhằm đáp ứng các yêu cầu ngày càng nghiêm ngặt liên quan tơi vấn đề bảo vệ môi trường cũng như tăng cường sử dụng các nhiên liệu thay thế khi mà các nhiên liệu hóa thạch đang dần trở nên khan hiếm và các vấn đề công nghệ gặp phải trong quá trình vận hành sản xuất. Các xu hướng phát triển vòi đốt hiện đại bao gồm những xu hương chính sau:

a. Thấp NOx

Xu hướng hướng tới các vòi đốt siêu thấp NOx đã chấm dứt vào cuối những năm 1990 vì thông số chính có thể điều chỉnh (Lưu lượng khối PA) đã đạt tới giới hạn của nó về chất lượng ngọn lửa (và theo đó là clinker). Các hệ thống khử giảm xúc tác và phi xúc tác có lựa chọn cũng đã mang lại một giải pháp mớị đề khử giảm NOx mà không làm yếu ngọn lửa. Điều quan trọng là phải khống chế tối đa sự hình thành NOx vì hàm lượng NOx hình thành sẽ trực tiếp gây tác động tới quy mô của các hệ thống khử NOx và tới hàm lượng u-rê hoặc ammonia chúng yêu cầu.

Bên cạnh việc tối ưu hóa lượng gió sơ cấp, một số nhà máy cũng đã xem xét việc hồi lưu khí thải (FGR) đề khử giam NOx. Ví dụ như nhà máy Gargenville ở Pháp, khi nhà máy được Ciment Francai (nay là HeidelbergCement) đưa vào vận hành, hệ thống này đã được phát triển dựa trên cơ sở thiết kế vòi đốt GRECO hồi cuối những năm 1990. Khí thải được thu lại tại đầu ra lọc bụi điện (100°C, 10% O2, độ ẩm cao) và được phun vào tại đầu vào của một trong những đầu vào quạt thổi PA. Thử nghiệm này đã không đạt được thành công và chỉ diễn ra trong một thời gian ngắn. Nhà máy đã giảm được mức NOx từ 1000nng/Nrn3 xuống 900mg/Nm3, trong khi một nhà máy tương tự áp dụng phun nước vào bên trong vòi đốt lò đã giảm được mức NOx xuống khoảng 800 mg/Nm3, cho dù hệ thống SNCR sau đó đã được lắp đặt.

Việc áp dụng đốt phân kỳ, giàu ô-xi và phun nước vào cũng đã được một số nhà máy thực hiện như là một sự bổ sung thêm cho các vòi đốt thấp NOx. Điều này dẫn đến chấm dứt việc thiết kế lại các vòi đốt siêu thấp NOx siêu thấp PA.

Hiện nay, hầụ hết các OEM chuyên cung cấp vòi đốt đều nhất trí rằng các vòi đốt lò mà đang đốt từ 20 - 40% than/than cốc, 50 - 60% nhiên liệu rắn thay thế và một số nhiên liệu lỏng thay thế phải đạt đựợc tổng lượng PA (không tính đến lượng gió vận chuyển) bằng khoảng 10% khí tỷ lượng. Vợi việc không còn tập trung vào vấn đề dòng lưu lượng PA, mà chỉ tập trung xem xét giải pháp chính nhằm giảm bớt phát thải NOx và với sự tiến bộ trong việc thay thế nhiên liệu rắn thay thế (AF), trong thời gian tới sẽ cần thiết lập một tiêu chí mới để đạt được mục tiêu khử giảm phát thải NOx.

b. Thuật từ ‘M’

Thuật từ ‘M’ là ‘Động lượng (Momentum)’ đã trở nên thịnh hành một vài năm trước đây như lặ một phản ứng đối với các vòi đốt siếu thấp NOx cuối những năm 1990 vì vòi đồt phải thực hiện đúng chức năng của nó chứ không chỉ tập trung vào việc khử giảm NOx.

Động lượng (theo N/MW) đơn giản là tổng dòng lưu lượng gió sơ cấp nhân với vận tốc phun tuyệt đối tương ứng của chúng (tại đầu vòi đốt) được phân chia theo công suất nhiệt vòi đốt. Vấn đề là ở chỗ liệu động lượng có bao gồm hay không bao gồm các dòng khí vận chuyền đã làm nảy sinh nhiều tranh luận không cần thiết giữa các nhà máy và các nhà cung cấp.

Ngành xi măng đã bị chi phối bởi động lượng, mà theo đó, động lượng đã trở thành tiêu chí duy nhất để so sánh các vòi đốt với nhau. Một số OEM hàng đầu đã đạt được các giá trị động lượng ngày càng cao hơn, đạt khoang 13N/MVV. Để đạt được điều nàỷ, họ buộc phải sử dụng các quạt thổi PA thay vì các quạt, đôi khi là một quạt thổi/mỗi kênh gió. Để kiểm soát sự gia tăng hướng tới ‘số lượng càng lớn, thì vòi đốt càng tốt hơn’, một số OEM đã chú ý tới ‘động lượng hữu ích’. Ví dụ, Pillard đã tập trung vào hiệu suất xung động, mà có đặc điểm là tỷ lệ giữa lượng gió hai tương đối mà được hấp thụ trong 2m đầu tiên của ngọn lửa (kg/giây) và động lượng hướng trục (N/MW).

c. Hướng tói sử dụng 100% nhiên liệu rắn thay thế

Bên cạnh xu hướng thiên về động lượng nói trên, việc gia tăng sử dụng nhiên liệu thay thế (chủ yếu là nhiên liệu rắn) (AF) trong vòi đốt chính đã và đang được các nhà máy xi măng cũng như các OEM đặc biệt quan tâm hiện nay. Tất nhiên, có thể khẳng định rằng việc thiết kế các vòi đốt, lò đốt 100% nhiên liệu rắn thay thế có thể dễ dàng đạt được thông qua việc tối ưu hóa kích thước các đường ống AF, tiếp theo là các kênh PA và đường kính chung của vòi đốt.

Tuy nhiên, tùy thuộc vào loại AF rắn, nhiên liệu được đốt một phần trên lớp clinker tạo ra vùng khử giảm cục bộ và clinker có ‘màu nâu’, thiết kế đốt 100% nhiên liệu thay thế cho vòi đốt chính làm nảy sinh những vấn đề mới. Lượng nhiên liệu có thể đốt cháy được phụ thuộc chủ yếu vào thời gian treo lơ lửng của các hạt bên trong ngọn lửa. Các hạt nhỏ hơn, nhẹ hơn nhìn chung được tiêu thụ nhanh chóng và không chạm vào lớp clinker nhưng các hạt lớn hơn, nặng hơn lại gây ra các vấn đề. Bên cạnh đó, nhiều nhà máy mong muốn có được 100% công suất nhiên liệu hóa thạch dự trữ.

Có hai vấn đề chính phải giải quyết: 1. Làm thế nào chúng ta có thể đưa đủ PA và SA vào tiếp xúc với các nhiên liệu khác nhau đề không gây ra đốt cháy chậm hoặc không đốt cháy hết và rằng hình dạng và cường độ ngọn lửa có tương xứng với công nghệ lò không? 2. Làm thế nào chúng ta duy trì được AF ở trạng thái treo lơ lưng?

Các OEM khác nhau giải quyết các vấn đề này ra sao? Nhìn chung mọi người đều nhất trí rằng tì lệ giữa đường kính ngoài của vòi đốt và đường kính trong của lò (không tính phần bê tông và vật liệu chịu lửa) không được vượt quá 12 - 15%. Lý do là các đường kính lớn hơn làm giảm khả năng đốt hết SA của vòi đốt liên quan tới các loại nhiên liệu sử dụng, đặc biệt là các AF rắn vì chúng thường được đưa vào bên trong vòi đốt.

Ngoài ra, các OEM đã bồ sung thêm các kênh PA vào gần hơn các đường ống AF (Greco); Đã phun thêm AF vào phía trên vòi đốt qua một đường ổng riêng (Pọlysius); Đã tăng được hiệu suất các tia phun PA hướng trục trong đường hút SA vào ngọn lửa và đã thiết kế các kênh gió ở tâm cho một hiệu ứng hồi lưu thực. Một giải pháp mà có thể được áp dụng cho tất cả các thiết kế vòi đốt là phun ô-xi vào. Ý tưởng là phải đưa khí ô-xi cục bộ vào gần đầu ra AF bên cạnh các dòng PA và SA. Điều này hỗ trợ đốt nhiên liệu khó đốt, đồng thời không làm tăng tổng dung tích khí thải và nếu được phun phù hợp, cũng có thể khử giảm phát thải NOx.Tuy nhiên, chi phí O2 phải được cân đối với các lợi ích.

Để tăng thời gian mà AF trải qua trạng thái treo lơ lửng, có thề sử dụng các thiết bị phân tán cơ học. Tuy nhiên, các thiết bị này sẽ bị mòn đi hoặc bị bít lại nhanh chóng. Thiết bị chuyển hướng gió UNITHERM phun khí vào bên dưới SAF và nâng nó lên vài độ từ trục vòi đốt, đủ để tăng thời gian treo lơ lửng lên 50% và nhờ vậy đảm bảo đốt cháy hết. Thiết bị này yêu cầu một đựờng ống bao, qua đó gió cần thiết (khoảng 30% gió vận chuyển AF khoảng 250mBar) được phun vào. Gió này kết nối với đường ống gió một ở phía sau vòi đốt hoặc tới một quạt gió riêng.

Vòi đốt Flexiflame của GRECO sử dụng các tia phun gió xung quanh đầu ra của đường ống AF rắn cũng như kênh phân tán gió xung quanh tâm của vòi đốt. Lotting Air của FCT, cho phân tán RDF được hỗ trợ bởi gió và các nhiên liệu tương tự khác.

Trong khi đó, vòi đốt JETFLEX của FLSmidth thu các đựờng ống AF rắn vào trong vòi đốt để tạo ra một buồng giãn nở nhiệt nhỏ. Các đường ống ở tâm có thể được co lại tới 200mm và các hạt AF rắn được chặn lại và sau đó tăng tốc trở lại. Việc co lại cùng với các vòi phun gió hướng trục có thể làm giảm đáng kể vận tốc nhiên liệu ở phía trước vòi đốt. Đặc điểm này làm tăng mạnh thời gian lưu của nhiên liệu trong ngọn lửa và có thể gây đánh lửa sớm AF phẩm cấp thấp.

Cũng có các giải pháp mới được điều chỉnh bởi một số OEM, bao gồm phun AF qua một kênh (đối diện với đường ống) như được thực hiện đối với than và than cốc. Lợi ích là đánh lửa nhanh hơn vì gió hai tiếp xúc với AF tại điểm sớm hơn. Tuy nhiên, nó yêu cầu các hạt AF mịn, trái lại kênh này sẽ bị| bít lại nhanh chóng ở vị trí các trụ đỡ. Một số loại AF, như bùn thải sấy khô và thậm chí là thịt và bột xương (MBM) có thể được trộn lẫn với than/than cốc và nhờ vậy được phun qua một kênh thay vì một đường ống ở tâm.

Vòi đốt FLEXIFLAME ECOPRO® của GRECO cũng phun xơ giấy vào chân ngọn lửa qua một kênh vòng khuyên. Phía bên trong và bên ngoài, có một dòng gió xoáy được tạo ra bởi các kênh gió xoáy. Bằng cách này độ cháy rối do bụi xơ giấy gây ra tăng lên, dẫn đến đánh lửa nhanh hơn và đốt cháy tốt hơn. Ý tưởng cơ bản là đế tạo ra nhiệt độ cao và hàm lượng ô-xi cao cho các hạt. Tuy nhiên, giải pháp này không yêu cầu độ phân phối cỡ hạt phải nằm trong tiêu chuẩn hiện hành đối với RDF mà chỉ cần trang bị một máy nghiền đặc biệt.

Có thể phân tán cơ học dòng AF cho dù sẽ phải xem xét đến khả năng mài mòn nhanh của một hệ thống như vậy. Giải pháp khác sẽ là đặt nghiêng đường ống AF hướng lên trên bên trong vòí đốt đi vài độ, cho dù có hạn chế là độ nghiêng chỉ có thề hiệu chỉnh được qua việc điều chỉnh vòi đốt. Cũng có thể điều chỉnh lượng và áp suất gió vận chuyển đề đáp ứng các đặc tính của AF. Giải pháp dễ dàng hơn, mà sẽ được áp dụng từ rất sớm khi phun AF rắn vào, là phải phun AF có nhiệt trị thấp hơn và khối lượng lớn hơn vào một đường ống riêng hoặc các đường ống phía trên vòi đốt chính. Giải pháp này đã được cải tiến bởi Polysius và có ưu điểm lớn là một vòi đốt chính có đường kính nhỏ hơn. Các loại AF khác nhau cũng có thể được phối trộn vào trong một đường ống hoặc một kênh phun đơn. Đây là một giải pháp mà đang tiếp tục được các OEM phát triển thêm".

d. Các vấn đề bị bỏ qua và các vấn đề thực tế

Như đã trình bày ở trên, ngành xi măng và các OEM rất dễ ‘bị ám ảnh’ bơi các thông số vòi đốt khác nhau như NOx thấp hoặc động lượng cao. Tuy nhiên, điều này có thể khiến họ bỏ qua những vấn đề quan trọng khác mà cần được xem xét thấu đáo hơn. Nhiều nhà máy đã phải vật lộn trong nhiều năm khi gặp phải những vấn đề như sự hình thành vòm a-nô và viên cầu liệu, sự nghẽn tắc, hư hỏng sớm vật iiệu chịu lửa và các vấn đề khác. Đôi khi, nguyên nhân là do vòi đốt được thiết kế kém hoặc không phù hơp với nhà máy. Tuy nhiên, nhiều nhà máy mặc dù đã thay thế các vòi đốt của họ nhưng vẫn không đạt được hiệụ quả gì. Dưới đây là các tiêu chí cần xem xét thêm khi lựa chọn vòi đốt và khi vòi đốt hoạt động không đúng như mong đợi.

1. Cỡ hạt (phân phối): Việc đạt được độ phân phối cỡ hạt chuẩn xác nói thì dễ dàng hơn là làm, đặc biệt khi các nhà cung cấp AF có lợi thế hơn. Tuy nhiên, thậm chí với than và than cốc, một số vấn đề như sự hình thành vòm a-nô tái diễn có thể giải quyết được bằng các độ mịn than khác nhau, vì than thô hơn có thề làm chậm lại quá trình đốt cháỵ.

2. Nhiệt độ gió hai là rất quan trọng đối với chất lượng và hình dạng ngọn lửa, cũng như tổng hiệu suất của lò.

3. Vị trí vòi đốt bên trong lò: Đây là một thông số quan trọng mà chưa được sử dụng hết mức. Nó thiết lập khởi động vùng làm mát nhưng cũng gây ảnh hưởng tới đặc tính dòng AF xung quanh vòi đốt và do vậy tới hình dạng ngọn lửa và gây tác động tới vật liệu chịu lửa của lò.

4. Tầm quan trọng thực sự của kênh gió ở tâm/ làm mát/ hồi lưu là gì? Người ta cho là sẽ phải tạo ra một vùng hồi lưu bên trong (IRZ), giả thiết rằng một vùng hồi lưu bên trong được thiết kế đúng theo mục đích và không phải khắc phục sau này. Trong thực tế, cáp vùng hồi lưu bên trong này là phần dễ vỡ nhất của đầu vòi đốt, chúng đôi khí bị bít lại hoặc bị đốt cháy và các nhân viên vận hành thường không nhìn thấy bất kỳ sự thay đổi nào. Người ta cho rằng làm nguội là giải pháp duy nhất. Giải pháp này không phải lúc nào cũng được nghĩ tới vì các thiết kế trước đó tập trung nhiều hơn vào việc cung cấp đủ gió tại chân ngọn lửa. Kinh nghiệm và CFD cho thấy rằng sự hữu ích của gió ở tâm không thể chứng minh được.

5. Phun than: các vòi phun, hình dạng, và các góc. Tất nhiên, than không phẩí là ‘chủ đề’ nhưng hầu hết các vòi đốt trên thế giới vẫn vận hành từ 20 - 100% than hoặc than cốc. Còn than được phun vào ra sao từ vòi đốt không phải là một thông số quan trọng được chỉ ra trong tài liệu của các OEM. Khi bạn đang cố gắng gây ảnh hưởng tới việc phối trộn 5 tấn than/giờ với 80.000Nm3 SA/giờ mà chỉ sử dụng 8000Nm3 PA/giờ, thì khi đó thiết kế vòi phun than mới là quan trọng. Lực va đập là quan trọng và cần được xem xét kỹ càng hơn. Vòi phun có thẳng, được tạo góc hướng tới trục vòi đốt (hội tụ) hoặc tới tiết diện bề mặt phân kỳ, có thể điều chỉnh được không? Hình dạng và số lượng các thanh giằng ra sao? Lực tác động có thể là rất lớn.

6. Vấn đề than đá, một vấn đề thường gặp phải là sự phân phối than không đều tại đầu vòi đốt, mà thường là do góc phun than đầu vào dẫn tới vòi đốt không phù hợp hoặc vận tốc quá cao. Cũng có thề là do kênh than quá hẹp. Trong hầu hết các trường hợp, 20mm là mức an toàn tối thiểu.

Khi một vòi đốt được lựa chọn, cần lưu ý:

a. Sử dụng một bút trỏ tia laze và một mục tiêu để định vị lại vị trí vòi đốt một cách chính xác nơi mà nó đã được định vị trước khi tháo ra trong quá trình bảo trì bảo dưỡng. Bút trỏ tia laze được lắp vào một trong số các đường ống của vòi đốt và chiếu vào một số mét mục tiêu dọc xuống lò. Bút trỏ tia laze có thể chiếu tới bề mặt trên sàn vòi đốt.

b. Khi tiến độ đổ bê tông đường ống ngoài của vòi đốt lò đạt đượẹ do không gặp phải nhiều sự cố và chỉ tiêu độ bền trong năm đạt được, cho dù thực tế các mức AF cao hơn dẫn đến các mức ăn mòn hóa học cao hơn. Tuy nhiên, việc lắp các ngẫu nhiệt vào giữa đường ống thép ngoài của vòi đốt và lớp bê tông trong khi đổ sẽ phát ra cảnh báo cho người vận hành trong trường hợp bê tông bị hỏng để quyết định xem vòi đốt có nên kéo ra khỏi lò ngay không.

c. Đã có những cố gắng trước đây để nâng cao tuổi thọ bê tông bằng cách sử dụng gạch chịu lửa đặc biệt, các neo thép đặc biệt và các phương pháp lẳp đặt đặc biệt. Đây là chủ đề đặc biệt được quan tâm khoảng cách đây 12 năm với việc sử dụng gạch gốm sứ nung giữa các gân tăng cứng được hàn lên đường ống bên ngoài.

d. Xử lý hiện tượng ‘sừng tê giác’. Một số lò nung và máy làm nguội sẽ tạo ra tích tụ lớn trên đỉnh vòi đổt. Hai giải pháp thông thường là sử dụng đồ bê tông tạo hình bằng giọt hoặc sử dụng súng bắn khí. Giải pháp súng bắn khí là khó để có được thiết kế phù hợp: Quá gần đầu vòi đốt sẽ chỉ có thể xử lý một phần liệu tích tụ. Quá xa sẽ bị mất đi sức mạnh thổi. Bê tông đổ thêm dạng giọt chảy ngược có thể có tác dụng nhưng lại làm tăng thêm đáng kể trọng lượng.

e. Vấn đề tự động điều chỉnh của vòi đốt là một vấn đề thường xuyên được đề cập đến. Nhưng đó có phải là giải pháp hữu hiệu không?

Về vấn đề này, trước đây đã từng có một công ty camera ghi hình ảnh nhiệt khẳng định rằng có thể dự đoán trực tuyến lượng vôi tự do hoặc lượng phát thầi NOx, chỉ bằng cách đánh giá và phân tích ngọn lửa. Các camera ghi hình ảnh sẽ gửi tín hiệu tới vòi đốt để tự động điều chỉnh các dòng PA khác nhau nhằm tối ưu hóa ngọn lửa. Các dữ liệu lò khác cũng đã được sử dụng bao gồm cả tốc độ quay, các mức O2 và nhiệt độ vỏ lò.

Giải pháp tự động điều chỉnh các thông sổ đặt cho vòi đốt chính dựa trên một loạt các phép đo với các mạch vòng điều khiển tinh vi đã được thử nghiệm nhưng trong thực tể lại rất không thành công và không phải là giải pháp được các OEM chào mời hiện nay.

Điều khiển thiết lập thông số vòi đốt từ xa là một vấn đề nữa mà có thể dễ dàng đạt được bằng cách đầu tư vào các bộ chấp hành phụ cho các van lưu lượng gió PA và điều chỉnh góc các vòi phun (nếu có thể áp dụng) và các bộ truyền phát cho tín hiệu hồi tiếp. Đây cũng là một vấn đề mang tính học thuyết, tùy thuộc vào nhà máy.

IV. Kết luận.

Như trình bày ở trên, vòi đốt chính của lò trong một nhà máy xi măng là một thiết bị quan trọng cần được đặc biệt quan tâm. Mặc dù về lý thuyết, ta có thể thiết kế một vòi đốt lò quay mà hoàn toàn có thề đạt được 100% AF với độ linh hoạt phối trộn nhiên liệu lớn; Loại bỏ đáng kề hiện tượng sừng tê giác; Tự động điều chỉnh ngọn lửa liên quan tới các điều kiện công nghệ của lò; Đo được đầy đủ các dòng lưu lượng, áp suất, nhiệt độ, các vị trí; Vận hành tốt trong bất kỳ điều kiện mang tải nào. Tuy nhiên, trong thực tế lại có rất nhiều ý tưởng khác nhau và thiết kế vòi đốt vẫn không ngừng được các OEM cải tiến nhằm đáp ứng các vấn đề về môi trường, chất lượng, tài chính... Việc để có được một thiết kế vòi đốt ‘hoàn hảo’ phù hợp với các điều kiện lò của nha máy càng trở nên quan trọng hơn bao giờ hết. Chính vì vậy, ngày nay, tất cả các vòi đốt của các OEM lớn đều đạt chất lượng cao.

Các nhà sản xuất vòi đốt mà có các chi tiết chuyển động có thể khẳng định rằng vòi đốt của họ có thể đáp ứng được tất cả cầc điều kiện, các tình huống trong khi các vòi đốt có các chi tiết cố định sẽ mất nhiều thời gian hơn để nghiên cứu các đặc điểm của mỗi ứng dụng. Loại thứ ba, có các đường ống và các kênh dẫn trượt, rõ ràng sẽ không được ưa chuộng vì các điều chỉnh này thường được chứng minh là khó thực hiện được trong các điều kiện bụi và nóng. Các chl tiết thường cố định ở vị trí và gây khó khăn cho việc tái tạo ra các hình dạng ngọn lửa. Hơn nữa, việc đưa hai dòng gió riêng và phối trộn chúng bên trong vòi đốt trước khi được phun vào như là một dòng riêng tạo ra các thất thoát về hiệu suất.

Cũng như với các sản phẩm khác, các xu hướng trên thị trường vòi đốt là theo chu kỳ và các đặc điểm vòi đốt được vay mượn từ vòi đốt khác. Ví dụ, kênh vòi đốt của KHD được áp dụng rộng rãi. Bố trí của vòi đốt ROTAFLAM của Pillard trước tiên bị phá vỡ với cách bố trí thiết lập gió hướng trục - than - gió xoay và hiện các OEM ngày càng tự do hơn trong việc bố trí các kênh và các đường ống. Khái niệm MAS của Unitherm về một kênh PA đơn có thể điều chỉnh là tiền thân của các thiết kế khác. Quan điểm của FCT về ‘các chi tiết không chuyển động’ được chia sẻ bởi các OEM khác như Greco và Dynamis.

Tuy nhiên, cần chú ý tới những lợi ích thực sự từ bên ngoài. Tác động thực của hình dạng các tia phun PA (vuông, tròn, hình chữ nhật) tới hiệu suat phối trộn nhiên liệu/gió là gì? Một số lượng lớn càc tia phun hướng trục PA khác nhau ra sao, trong thực tế, so với một kênh mở? (Một số OEM đơn giản bổ sung thêm một tấm có đục lỗ để đưa ra ảo ảnh về các tia phun). Một số công nghệ kỹ thuật và các thiết bị mà sẽ phá vỡ hoặc mở rộng các dòng AF rắn vào ngọn lửa cũng cần được nghiên cưu kỹ. Khi không kiểm soát được, điều này có nghĩa là ta sẽ thả thêm nhiều RDF lên lớp clinker. Cụối cùng cần biết rằng, do cố gắng duy trì tất cả các lợi ích của các thiết kế trước đây, một số thiết kế đã ngày càng trở nên phức tạp hơn, tạo ra các vòi đốt lớn hơn nhưng hiệu quả hoạt động lại không tốt.

Hiện tại, trên thế giới đang nổi lên các quan điểm mới hơn liên quan tới vòi đốt lò. Nếu 100% than hoặc than cốc dự trữ không còn cần thiết nữa, thì tại sao không phun 10 - 30% qua một đường ống hơn là qua một kênh dẫn? ở Châu Âu, có rất nhiều loại AF rắn với các biến động lớn về chất lượng và số lượng, tại sao không thay đổi cấu hình các chi tiết bên trong vòi đốt để tối ưu tình trạng đã biết? Tại sao không phối trộn các dòng AF khác nhau với than trước khi đi vào vòi đốt? Tại sao không thiết kế một vòi đổt nhỏ hơn, linh hoạt hơn và phun một số AF rắn vào phía trên vòi đốt đó trong các đường ống riêng? Nếu AF có thể được nghiền rnịn vừa đủ, tại sao không phun nó vào qua các kênh dẫn mở? Tại sao không phân tách một số kênh dẫn? Cuối cùng là, tại sao không có một số cấu hình phụ của các chi tiết bên trong vòi đốt và thay thế chúng khi thị trường AF yêu cầu?

Đối với các thị trường như Mỹ và Ai Cập việc lựa chọn giữa đốt than, than cốc và khí tự nhiên (do tính sẵn có hoặc do giá bán), tại sao không có hai vòi đốt được thiết kế tối ưu (mỗi vòi đốt cho mỗi lọại nhiên liệu), thay vì một vòi đốt hỗn hợp mà không được tối ưu hóa cho cả hai?

Nói tóm lại, các vòi đốt trong tương lai sẽ được tiếp tục phát triển do các ưu điểm về kỹ thuật lẫn tiếp thị tốt. Chúng sẽ có một vài thay đổi căn cứ vào những ‘nguyên tắc’ riêng của mỗi một công ty. Tuy nhiên, thiết kế linh hoạt vẫn là xu hướng chính và khó khăn đối với các nhà máy đó là các mục tiêu của họ có thể đạt được không và họ phải đưa ra được quyết định lựa chọn.

NGUỒN: (ximang.vn)

LINK 1 - TÌM KIẾM SÁCH/TÀI LIỆU ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)

LINK 2 - TÌM KIẾM SÁCH/TÀI LIỆU ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)

LINK 3 - TÌM KIẾM SÁCH/TÀI LIỆU ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)

LINK 4 - TÌM KIẾM SÁCH/TÀI LIỆU ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

- Burning alternative fuels in rotary cement kilns (Max Vaccaro).

LINK DOWNLOAD

- Kiln burner design (Llkfer Akman).

LINK DOWNLOAD

- CFD MODELING OF A CEMENT KILNWITH MULTI CHANNEL BURNER FOR
OPTIMIZATION OF FLAME PROFILE (T P BHAD).

LINK DOWNLOAD

VIDEO THAM KHẢO: