>> Các loại vòi đốt tiên tiến nhất và những quan điểm thiết kế vòi đốt tối ưu mới (P1)

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 NO_x. 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 NO_x 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 NO_x 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 TURBUJETcủa 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 NO_x 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 NO_xhơn. 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 NO_x.

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.
  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.
(Còn nữa)