Hỏi đáp về thiết kế vòi đốt trong ngành Xi măng trên Thế giới

Khử giảm phát thải vẫn là một mục tiêu lớn đối với rất nhiều nhà sản xuất xi măng. Thiết kế vòi đốt có thể giảm thiểu việc sản sinh ra các phát thải nguy hại như thế nào?

FCT Combustion: CO₂ và NO_x là các phát thải chính cần quan tâm trong ngành Xi măng, tuy nhiên các phát thải này có thể giảm đuợc đáng kể bằng cách sử dụng vòi đốt chuyên dụng.

Quá trình phân rã đá vôi là nguyên nhân chính gây ra phát thải CO₂ trong sản xuất xi măng, tiếp theo là các sản phẩm đốt cháy, trong khi phát thải NOx đuợc tạo ra như là một phụ phẩm vốn có của quá trình đốt cháy và do các đặc tính dòng nhiệt.

Liên quan tới phát thải CO₂, vòi đốt không thể làm đuợc gì nhiều, ngoại trừ tăng hiệu suất của nó lên sẽ làm giảm lượng phát thải CO₂ do quá trình đốt, hoặc thay thế nhiên liệu bằng các nhiên liệu chứa ít carbon hoặc không chứa carbon, ví dụ như khí hydro. Để giảm bớt lượng phát thải CO₂ từ quá trình phân rã đá vôi cần có một sự thay đổi hoàn toàn về mặt công nghệ, bao gồm cả việc thay thế clinker bằng đất sét nung.

Thiết kế vòi đốt lò có thể ảnh hưởng đáng kể tới lượng phát thải NO_x vì NO_x có liên quan tới một vài yếu tố nằm trong tầm kiểm soát của vòi đốt như: khoảng cách đánh lửa từ mặt trước của vòi đốt, tổng lượng gió sơ cấp, phân phối và vị trí gió dọc trục và gió xoáy, tỷ lệ hàm lượng cuốn gió hai và động lượng ngọn lửa, cùng với các yếu tố khác nữa.

Vòi đốt mà có thể kiểm soát được dòng nhiệt cũng có khả năng kiểm soát được NO_x. Vòi đốt Turbu-Flex™ của FCT đã được thiết kế để đáp ứng thách thức này và bao gồm một vòi phun mà có thể điều chỉnh được để thích ứng với hỗn hợp nhiên liệu nhờ cung cấp hai chế độ cho người vận hành: một chế độ có đặc điểm là ngọn lửa vừa phải hơn đặc biệt dùng cho khử giảm phát thải NOx, trong khi chế độ kia tối đa hóa việc đốt cháy nhiên liệu thay thế và nhờ đó giảm bớt lượng phát thải CO₂.

Vòi đốt Turbu-Flex của FCT cho phép chuyển đổi giữa hai chế độ vận hành bằng cách ấn nút trong phòng điều khiển: chế độ tăng cường được thiết kế dành riêng cho đốt hiệu quả những lượng lớn nhiên liệu thay thế và chế độ tiêu chuẩn, cho khử giảm NOx.

Đặc biệt khi nói về các nhiên liệu dạng khí, vòi đốt Gyro-Therm của FCT đã được thiết kế với các yếu tố này trong ý tưởng và sử dụng công nghệ vòi phun phản lực để giảm đáng kể lượng NO_x. Khách hàng đã báo cáo là đã giảm được hon 30% lượng phát thải NOx so với khi sử dụng các vòi phun bằng tia chảy rối thông thường.

Một số phát thải nguy hại khác cũng có thể giảm bớt được nhờ sử dụng các phưong pháp kiểm soát quá trình đốt cháy phù hợp để quản lý vòi đốt chính. Ví dụ, ngọn lửa ngắn và nóng dữ dội sẽ góp phần giảm bớt lượng phát thải SO_x giữ lại lưu huỳnh bên trong ma trận clinker thay vì thải nó vào trong khí quyển cùng với khí thải. Các thành phần thứ yếu khác có thể hưởng lợi từ các hiệu ứng tương tự.

KHD Humboldt Wedag: Quá trình sản xuất xi măng gây ra phát thải hàng loạt các chất gây ô nhiễm trong lò nung, đáng chú ý là NO_x. Vì vòi đốt là một trong những bộ phận quan trọng trong lò nung, thiết kế vòi đốt có thể có tác động đáng kể tới các phát thải nguy hại này.

Ví dụ, thiết kế vòi đốt có thể được tối ưu hóa để giảm thiểu phát thải NOx khi đốt cháy các nhiên liệu thay thế như sinh khối, nhiên liệu phế thải và lốp xe đã qua sử dụng. Vòi phun Pyrojet Multi-Fuel có đặc điểm là một vòi phun hiệu quả, đầu vào gió sơ cấp thấp và động lượng vòi đốt sẽ thích ứng vớiloại nhiên liệu thay thế đang được sử dụng tại nhà máy.

Nhiên liệu thay thế và nhiên liệu có nguồn gốc từ rác thải (RDFs) liên tục được gia tăng sử dụng đáng kể trong quá trình sản xuất xi măng, đặc biệt là trong bối cảnh giá nhiên liệu hóa thạch ngày càng tăng. Có thể làm gì để đảm bảo đốt hiệu quả các nhiên liệu này?

FCT Combustion: Có sự khác biệt rõ ràng giữa việc đốt nhiên liệu thay thế trong calciner và trong lò quay.

Để đảm bảo đốt hiệu quả trong calciner, điều quan trọng là phải nghiên cứu khí động học để đảm bảo RDF được đưa vào đúng vị trí để đạt được đủ thời gian lưu, sự sẵn có khí oxy, các zôn nhiệt độ và phối trộn, vì đây là các khía cạnh chính tác động tới việc đốt hiệu quả. Trong rất nhiều trường hợp, FCT đã sử dụng động lực học chất lỏng tính toán (CFD) để điều chỉnh đường ống dẫn đầu vào gió ba, cổ ngỗng, đường ống dẫn ra và các vị trí đốt để cải thiện khí động học, độ chảy rối và sự phân bố nhiệt độ, nâng cao hiệu quả đốt và nung bột liệu.

Trong vòi đốt lò quay, RDF có thể được đốt cháy thành công với mức tỷ lệ thay thế cao trên 80%. Tùy thuộc vào các đặc tính của RDF sẽ được sử dụng, RDF có thể được đưa vào qua một kênh trong vòi đốt hoặc có thể được đưa vào bên cạnh vòi đốt trong vòi đốt kiểu hành tinh. Kiến thức thu được qua nhiều năm với các nhiên liệu khó đốt cho thấy rằng động lượng ngọn lửa, sự cuốn hút vào gió hai, vị trí phun và sự phân phối nhiên liệu và khí bên trong ngọn lửa, cùng với các đặc tính của chính nhiên liệu thay thế, là những ảnh hưởng chính tới việc đốt luệu quả với mức tỷ lệ thay thế cao.

Trong những trường hợp khó đạt được mức tỷ lệ thay thế cao, một nghiên cứu có thể bao gồm cả yếu tố CFD có thể giúp làm sáng tỏ các nguyên nhân, đưa ra các giải pháp mà sẽ cho phép đạt được mức tỷ lệ thay thế cao hơn.

KHD Humboldt Wedag: Sản xuất xi măng là nguồn phát thải đáng kể khí hiệu ứng nhà kính, chiếm khoảng 7% lượng phát thải toàn cầu. Phần lớn khí phát thải này là do quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch trong lò xi măng gây ra. Việc thay thế các nhiên liệu hóa thạch này bằng các nhiên liệu thay thế do đó là một phần quan trọng trong hành trình đạt tới thuần bằng 0 của ngành Xi măng.

Khi nói đến việc sử dụng các nhiên liệu thay thế và các nhiên liệu có nguồn gốc từ rác thải, vòi đốt đóng một vai trò quan trọng. Thiết kế vòi đốt nên được điều chỉnh theo các đặc tính nhiên liệu riêng và có tính đến sự biến đổi cố hữu đối với các nhiên liệu thay thế. Ví dụ, vòi đốt Pyrojet Multi-Fuel cho phép đốt một loạt các nhiên liệu, mang lại sự linh hoạt nhiên liệu tối đa.

Các cân nhắc thiết kế khác bao gồm việc phối trộn nhanh và hiệu quả nhiên liệu với khí đốt để đảm bảo đốt cháy hết, giữ nhiên liệu trong ngọn lửa và cho phép phun khí oxy vào để gia tăng đánh lửa.

Hydro cũng đang ngày càng được xem xét đến như là một phần trong hỗn hợp nhiên liệu thân thiện với môi trường hơn. Hydro tác động ra sao tới hiệu suất vòi đốt? 

FCT Combustion: Hydro là một nhiên liệu mới nổi có thể thay thế các nhiên liệu hóa thạch truyền thống vì nó có thể được sản xuất ra từ năng lượng tái tạo với số lượng vừa đủ và với chi phí hợp lý.

Hiện tại, những lượng nhỏ khí hydro có thể được đưa vào vòi đốt lò, trong đó nó có thể có những ảnh hưởng tích cực tới việc đánh lửa sớm các nhiên liệu thay thế. Bất kỳ việc sử dụng khí hydro nào đều sẽ giảm bớt lượng phát thải CO₂ từ quá trình đốt cũng như cho phép sử đụng được nhiều nhiên liệu thay thế hơn.

Loại vòi đốt đa nhiên liệu hiện nay của FCT có thể phù hợp với khí hydro trong các lò quay và công ty đã có kinh nghiệm trước đây khi lắp đặt thành công các vòi đốt với mức thay thế hydro lên tới 65% trong các ngành công nghiệp xử lý nhiệt độ cao khác.

FCT là một đối tác quan trọng trong chương trình nghiên cứu CRC về công nghệ thấp carbon trong ngành công nghiệp nặng (HILT), bao gồm cả việc tập trung vào hydro, làm việc cùng với các đối tác học thuật và công nghiệp để tim ra các giải pháp cho các thách thức hiện đang gặp phải trong việc áp dụng hydro chính thống bao gồm cả tiềm năng để truyền nhiệt thấp hơn tới clinker cũng như tiềm năng đối với phát thải NO_x tăng lên do nhiệt độ ngọn lửa đoạn nhiệt cao.

FCT hiện đang phát triển một thiết kế vòi đốt lò quay có khả năng đốt tới 100% khí hydro. Nhóm nghiên cứu và phát hiển của công ty đã thiết kế một phiên bản tạo viên quặng sắt thấp NO_x của vòi đốt cho các lò nung có ghi di động mà đang trong giai đoạn thử mẫu và sẽ được thử nghiệm tại các cơ sở của một đối tác công nghiệp ở Châu Âu trong năm 2023.

Một bài báo tìm hiểu khí hydro như là một phương pháp để giảm bớt luợng phát thải CO₂ trong quá trình sản xuất clinker chi hết hơn bao gồm các sản phẩm, các lợi ích và những thất bại đã đuợc viết ra bởi FCT và đã công bố trong ấn bản World Cement số tháng 11/2022.¹

KHD Humboldt Wedag: Hydro là một nhiên liệu có độ hoạt tính cao có thể đuợc sử dụng để thúc đẩy tính năng đánh lửa của các hỗn hợp nhiên liệu kém chất lượng. Nó đuợc quan tâm đặc biệt vì nó không giải phóng ra carbon dioxide trong quá trình đốt - chỉ có nuớc. Tuy nhiên, không phải tất cả hydro đuợc tạo ra như nhau và một số phương pháp sản xuất hydro giải phóng ra những luợng lớn carbon dioxide.

Trái nguợc với loại hydro đuợc gọi là hydro ‘xám’ này, quá trình sản xuất hydro "xanh" là một quá trình sản xuất sạch dựa vào quá trình điện phân đuợc cấp nguồn bởi năng luợng tái chế. Nhiên liệu không carbon này có khả năng là một thành phần quan trọng cho sản xuất xi măng xanh trong tương lai.

Sử dung vòi đốt Pyrojet KHD với thiết kế vòi phun thích hợp, có thể sử dụng tới 100% hydro, đồng thời đảm bảo được sự truyền nhiệt tương tự trong lò quay như các nhiên liệu hóa thạch.

Thiết kế vòi đốt có thể đóng vai trò ra sao trong việc tối đa hóa độ ổn định của quá trình?

FCT Combustion: Thiết kế vòi đốt đóng một vai trò rất quan trọng trong sự ổn định quá trình. Vòi đốt tạo ra ngọn lửa và bức xạ nhiệt được sử dụng trong quá trình nung clinker. Chiều dài ngọn lửa và biên dạng bức xạ nhiệt là quan trọng để kiểm soát nhiệt độ và vị trí zôn nung. Vị trí và nhiệt độ zôn nung ổn định mang lại sự vận hành lò nung ổn định.

Để đối phó với những thay đổi tự nhiên của quá trình, vòi đốt với sự vận hành linh hoạt là cần thiết. Bằng cách đó, vòi đốt có thể giải quyết và thậm chí giảm thiểu được một vài sự bất ổn định do các yếu tố khác gây ra chứ không phải do chính vòi đốt gây ra như các đặc tính nhiên liệu, sự biến động về nguyên liệu và sự bất ổn định trong vận hành, cùng với các yếu tố khác nữa.

Vòi đốt Turbu-Flex của FCT có dải vận hành rộng, được thiết kế đặc biệt để có thể điều chỉnh theo nhu cầu của khách hàng. Vòi đốt có thể được vận hành ở chế độ tiêu chuẩn hoặc chế độ tăng cường nhiên liệu thay thế, tùy thuộc vào sự lựa chọn nhiên liệu của người vận hành và có một "van đóng - mở" để dễ dàng chuyển đổi giữa hai chế độ mà không gây gián đoạn vận hành hoặc sản xuất.

Khi hỗn hợp nhiên liệu thay đổi, cụ thể khi sử dụng RDF có sự biến động, điều quan trọng là vòi đốt duy trì được độ dài và vị trí ngọn lửa ổn định. Trong một số trường hợp cụ thể hoặc để khắc phục sự cố, FCT sử dụng CFD để đảm bảo vòi đốt phù hợp với khí động học của lò và phạm vi hỗn hợp nhiên liệu dự kiến để đảm bảo zôn nung ổn định.

KHD Humboldt Wedag: Vòi đốt đóng một vai trò quan trọng trong việc mang lại biên dạng nhiệt ổn định cần thiết cho thiêu kết clinker hiệu quả - đặc biệt là khi sử dụng các loại nhiên liệu thay thế khác nhau có chất lượng khác nhau.

Việc sử dụng các vòi đốt đa nhiên liệu đặc biệt cho phép sử dụng hiệu quả nhiều loại nhiên liệu, với vòi đốt đơn, không gây ảnh hưởng tới độ ổn định của quá hình. Do đó, họ có thể cải thiện trường hợp kinh doanh để chuyển hướng sang các nhiên liệu thay thế, đồng thời cho phép nhà máy xi măng giảm thiểu những rủi ro về nguồn cung nhiên liệu. Tất cả nhưng không làm giảm chất lượng clinker.

Những biện pháp nào có thể thực hiện được để giảm bớt chi phí bảo trì và tối đa hóa tuổi thọ vòi đốt?

FCT Combustion: Giám sát các thông số về vòi đốt, như gió sơ cấp hoặc áp suất và lưu lượng khí (nếu khí đốt được sử dụng làm nhiên liệu) là cần thiết để đảm bảo vòi đốt ở điều kiện cơ khí tốt. Bất cứ sự sai lệch nào bên ngoài các điều kiện vận hành thông thường cần được kiểm tra ngay lập tức để giảm thiểu hư hại cho vòi đốt. Ngoài ra, nhiệt độ tại một số bộ phận chính của vòi đốt có thể đo trực tuyến để lường trước mọi sự cố.

Thiết kế vòi đốt có chủ ý cũng giảm bớt được chi phí bảo trì và gia tăng tuổi thọ. FCT tính đến việc mở rộng các kênh vòi đốt so với nhau trong thiết kế của mình để tránh thiệt hại do sự mở rộng khác biệt. Thiết kế đầu vòi đốt không hạn chế việc mở rộng dọc trục.

FCT cũng sử dụng lớp phủ đặc biệt trên các chi tiết tấm mặt quan trọng để kéo dài tuổi thọ vòi đốt, cũng như sử dụng các vật liệu chịu mài mòn, thép chịu nhiệt phẩm cấp cao và thiết kế thông minh để giảm thiểu độ mài mòn và tạo điều kiện thuận lợi cho bảo trì.

KHD Humboldt Wedag: Việc nhận được đúng bản thiết kế vòi đốt là cách tốt nhất để giảm bớt chi phí bảo trì và tối đa hóa tuổi thọ vòi đốt. Điều này đưa đến hai nguyên tắc cơ bản:

Bảo vệ chống mài mòn chuyên dụng và hiệu quả là cần thiết. Ví dụ, sử dụng hợp kim phẩm cấp cao cho các đầu vòi đốt sẽ giúp chịu được các ứng suất nhiệt và hóa học từ việc sử dụng các nhiên liệu thay thế. Trong khi đó, nhờ giảm thiểu số lượng các chi tiết chuyển động ở vùng nóng, nhu cầu bảo trì ở các bộ phận không thể tiếp cận được nhất của vòi đốt sẽ giảm đi - giữ cho lò chạy lâu hơn và giảm thiểu các nguy cơ về an toàn liên quan đến trong quá trinh bảo trì vòi đốt.

Những xu hướng nào bạn tin tưởng sẽ hình thành sự phát triển của thiết kế vòi đốt trong những năm tới?

FCT Combustion: Vì hydro trở nên thịnh hành hơn, nó sẽ mang lại những lợi ích về môi trường liên quan tới việc khử giảm CO₂. Tuy nhiên, điều quan trọng cần phải lưu ý rằng việc sử dụng hydro sẽ tạo ra những thách thức của chính nó do các đặc tính đốt cháy của nó, vì nó cháy với độ bức xạ nhiệt thấp và NO_x cao. Các cân nhắc thêm sẽ bao gồm thiết kế bộ truyền động van đặt hàng trước để giải quyết vấn đề rò rỉ khí hydro, lựa chọn thành phần do các vấn đề hóa giòn hydro, thiết kế và sự an toàn hệ thống quản lý vòi đốt (BMS) do các giới hạn cháy rất rộng và dò ngọn lửa do độ bức xạ nhiệt thấp. FCT đã có kinh nghiệm khi làm việc vói khí hydro và có thể hỗ trợ người vận hành sử dụng an toàn nhiên liệu mới trong quá trình của họ.

Nhiên liệu thay thế (AF) bao gồm nhiên liệu có nguồn gốc từ rác thải (RDF) cũng sẽ tiếp tục định hình thiết kế vòi đốt. Cụ thể là việc sử dụng các sinh chất sẽ có thể trở nên phổ biến vì lượng phát thải ròng CO₂ của chúng thấp đến bằng 0. Đối với các mức nhiên liệu thay thế AF và RDF cao trong lò quay, FCT đề xuất vòi đốt Turbu-Flex, mà đã được chứng minh thực tế và được các khách hàng trên toàn cầu tin tưởng. Đối với calciner, một điểm phun được thiết kế phù hợp sẽ góp phần đạt được mức thay thế cao hơn.

FCT có một đội ngũ chuyên gia CFD nội bộ có thể hỗ trợ khách hàng tối ưu hóa thiết kế cho các nhu cầu cụ thể của họ. CFD mang lại những hiểu biết sâu sắc mà thông thường không thể thấy được và có thể hỗ trợ giải quyết các vấn đề mới và đầy thách thức mà vẫn còn chưa xuất hiện.

KHD Humboldt Wedag: Thiết kế vòi đốt sẽ được hình thành bởi các yếu tố tương tự ảnh hưởng tới tất cả các khía cạnh của ngành Xi măng hiện đại - cụ thể là khử carbon và số hóa.

Tất cả các hành trình chính hướng tới xi măng thuần bằng 0 đều yêu cầu một sự thay đổi đáng kể từ nhiên liệu hóa thạch sang nhiên liệu thay thế với mức thay thế được dự kiến sẽ đạt tỷ lệ phần trăm rất cao, thậm chí lên đến 100%. Sự thay đổi này đã tác động tới thiết kế vòi đốt và sẽ tiếp tục như vậy. Trong khi đó, việc sử dụng nhiều loại nhiên liệu hơn sẽ cần đến các vòi đốt mà có thể thích ứng hiệu quả với sự thay đối các hỗn hợp nhiên liệu, vì các nhà máy xi măng tìm cách sử dụng các nhiên liệu có sẵn ở địa phương.

Đồng thời, số hóa liên tục tăng tốc trong ngành Xi măng. Chúng tôi mong đợi sẽ nhìn thấy điều này tác động tới thiết kế vòi đốt với mức độ tự động hóa vòi đốt cao sẽ đạt được. Tự động hóa cũng sẽ giúp đảm bảo vòi đốt có thể giải quyết được nhu cầu mong đợi đối với sự linh hoạt nhiên liệu như đã nêu ở trên. Cuối cùng - nhưng không kém phần quan trọng - an toàn vận hành sẽ vẫn là điều kiện tối cao trong thiết kế vòi đốt.

Tài liêu tham khảo

1. MAIA, J., FCT Combustion, ‘Placmg Our Hopes In Hydrogen’, World Cement, November 2022, p.56.

Nguyễn Thị Kim Lan dịch từ World Cement Magazine số tháng 5/2023
VLXD.org