hệ thống điều khiển trong các nhà máy xi măng

1. Hệ thống điều khiển nghiền xi măng BARBICH
NMR
Tiến sĩ Lenart Barbic - nhà khoa học người Sloven, từng là giám đốc một nhà máy xi măng - đã
phát triển một hệ thống điều khiển có tính cách mạng cho các máy nghiền xi măng. Sau một thời
gian vài năm cộng tác chặt chẽ với PTM - Zyklontechnik, hệ thống này đã được tối ưu hoá và
những sản phẩm đầu tiên đã cho các kết quả lạ thường.
Hệ thống điều khiển nghiền Barbich NMR là hệ thống mới và duy nhất để đo chính xác bề mặt
riêng của xi măng và để giám sát trực tuyến sự kết hạt trong máy nghiền xi măng. Nó cho phép
tăng năng suất máy nghiền lên 20% và chất lượng xi măng cực kỳ ổn định, điều này không thể
thực hiện được đối với những phương pháp truyền thống như phương pháp Blaine, phương
pháp đo kích thước hạt bằng laser, phương pháp đo độ sót sàng.
Nguyên lý cơ bản
Cộng hưởng từ hạt nhân (Nuclear Magnetic Resonance - NMR) dựa trên nguyên lý cơ học lượng
tử, tuy nhiên nó sẽ không được trình bày tỷ mỉ trong phạm vi bài này.
Nói một cách khác ngắn gọn, NMR là một phương pháp quang phổ dựa trên mức năng lượng
của các spin hạt nhân trong các nguyên tử định hướng theo từ trường của một nam châm vĩnh
cửu. Do tương tác của các spin này với một điện từ trường bổ sung, các hạt nhân tăng lên một
+
mức năng lượng cao hơn. Ta có thẻ tưởng tượng các hạt nhân này (các ion H ) giống như các
nam châm nhỏ có thể gây ra trong cuộn cảm một tín hiệu NMR phụ thuộc vào thời gian.
Tín hiệu trong phổ NMR sinh ra do sự thay đổi vị trí từ trạng thái có mức năng lượng cao xuống
trạng thái có mức năng lượng thấp hơn. Cường độ của tín hiệu tỷ lệ với mức chênh lệch năng
lượng giữa các trạng thái, NMR là phổ cực kỳ nhạy vì nó có khả năng dò được những chênh
lệch rất nhỏ này.
Đo đạc
Mẫu xi măng được trộn với nước trong một ống thuỷ tinh rồi đặt vào một từ trường mạnh làm
+
+
phân cực ion H trong nước. Ngay lập tức, một phần các ion H phân cực gắn chặt lên bề mặt
+
các hạt xi măng hydrat hoá, che phủ toàn bộ bề mặt hạt xi măng. Các ion H còn lại nằm tự do.
+
Sau đó các ion H nhất thời bị sóng điện từ phát ra từ máy phát sóng vô tuyến ép dao động cộng
+
hưởng. Tín hiệu thu được cho biết chính xác số lượng các ion H đã gắn lên bề mặt hạt và từ đó
-1
-1
cho ta một trị số gọi là “trị số Barbich”[s ] (giây ), nó có mối liên quan rất rõ ràng tới bề mặt thật
của hạt.
So với các phương pháp Blaine, Laser và sàng, giả sử một điều khác hẳn thực tế rằng hình dạng
các hạt hầu như là cầu tròn và trên cơ sở đó do diện tích mặt ngoài thì phương pháp này xác
định chính xác diện tích bề mặt thật của hạt. Thêm vào đó và một lần nữa so với các phương
pháp khác, hệ thống đo đạc mới này còn đo được diện tích mặt trong của các tổ hợp hạt vì các
+
ion H cũng thấm cả vào bên trong tổ hợp hạt và hấp thụ lên bề mặt của các hạt nhỏ nằm trong
tổ hợp.
-1
2
Ví dụ, trị số Barbich bằng 20s nghĩa là vật liệu có bề mặt riêng bằng 90m /g (đây là trị số điển
hình của xi măng portland loại 1). Cũng với mẫu đó, phương pháp Blaine và laser cho trị số bề
2
2
mặt riêng biệt bằng 4500cm /g hay 0,45m /g. Điều đó có nghĩa là phương pháp Blaine và laser
cho kết quả đo được bằng phương pháp Barbich. Hơn nữa phương pháp laser lại bịn hạn chế vì
nó chỉ làm việc ở bước sóng khoảng 0,5μm nên không thể xác định được các hạt có kích thước
<0,5μm. Thực tế là các hạt này đặc biệt cần thiết để đạt cường độ đá xi măng và công suất máy

2. nghiền.
Ứng dụng thực tế
Đối với mỗi loại xi măng, để đạt cường độ như mong muốn cần nghiền tới độ mịn nhất định (theo
Blaine). Nhưng các hạt mịn có thể có bề mặt riêng lớn lại có xu hướng dính tụ lại với nhau tạo
nên một tổ hợp hạt lớn hơn. Các phương pháp laser và Blaine cho người vận hành máy nghiền
thấy rằng sản phẩm nghiền vẫn còn “thô” thậm chí ngay cả khi trong sản phẩm nghiền thực sự
đã có một lượng nhất định các tổ hợp hạt mịn. Vì thế người vận hành lại tiếp tục nghiền “mịn
hơn” và kết quả là vật liệu bị “quá nghiền”. Điều này dẫn tới tiêu hao điện năng lớn hơn và năng
suất máy nghiền nhỏ hơn vì có nhiều bột liệu bị tái hồi lưu lại máy nghiền từ buồng phân ly (lúc
này đã được cài đặt chế độ “nghiền mịn hơn”. Có quá nhiều tổ hợp hạt thì cường độ đá xi măng
lại giảm.
Trị số Barbich chỉ ra tình huống thực tế. Nó nhận ra các tổ hợp hạt là tập hợp các hạt mịn và do
đó coi là sản phẩm cuối cùng của quá trình nghiền. Trong trường hợp tạo tổ hợp hạt, các số liệu
đo được bằng phương pháp laser và Blaine cho thấy bề mặt hạt giảm (“thô hơn”) trong khi
Barbich xác định là bề mặt hạt tăng (“mịn hơn”).
Khi trị số Barbich tăng, những người vận hành máy nghiền sẽ giảm tần số phân ly. Điều này có
nghĩa là lượng hồi lưu ít hơn và do đó “mở rộng chỗ” để tăng tốc độ nạp liệu. Tốc độ nạp liệu vào
máy nghiền tăng và năng suất đạt được cao hơn.
Đó thực sự là điều trái ngược với những gì những người vận hành vẫn làm trước đây dựa trên
phương pháp Blaine và laser. Ban đầu phương pháp Barbich khiến họ thấy hơi khó hiểu và cần
một chút ít “lối suy nghĩ một chiều”. Song, kết quả thử nghiệm ở các hệ thống được lắp đặt đầu
tiên đã có sức thuyết phục cực kỳ lớn.
Về cơ bản, mối máy nghiền có thể hoạt động chỉ với một trị số Barbich nhưng nên sử dụng song
song cả máy đo hạt laser hoặc máy đo độ sót sàng vì khi đó có thể xác định dễ dàng và nhanh
chóng mức độ kết hạt trong hệ thống nghiền. Nếu phương pháp laser hay độ sót sàng cho thấy
bề mặt riêng giảm mà trị số Barbich lại tăng thì người vận hành hiểu rằng trong hệ thống nghiền
có nhiều tổ hợp hạt.
Quy trình đo đạc
Trong quá trình lắp đặt và điều chỉnh hệ thống điều khiển nghiền Barbich NMR, từng mẫu xi
măng khác nhau lấy từ các nhà máy tương ứng phải được đo bằng phổ NMR để điều chỉnh dải
trị số Barbich cho mỗi loại xi măng. Lưu ý rằng mỗi loại xi măng có một trị số Barbich riêng nằm
-1
trong khoảng 12 ÷ 32s .
Ban đầu khi đo đạc kiểm tra và điều chỉnh trong nhà máy, mẫu xi măng được lấy ra hàng giờ từ
dây chuyền sản xuất, đo trị số Barbich và so sánh với trị số Barbich đo được trước đó. Nếu trị số
Barbich tăng nghĩa là máy nghiền quá mịn thì phải giảm tần suất buồng phân ly hoặc tăng tốc độ
quạt hoặc cả hai. Trong hai trường hợp, hạt hồi lưu lại máy nghiền giảm và tốc độ nạp liệu có thể
tăng. Ngược lại, nếu trị số Barbich thấp và giảm nghĩa là vật liệu nghiền chưa đủ mịn. Khi đó phải
tăng tần suất buồng phân ly, thậm chí phải giảm tốc độ quạt.
Việc điều chỉnh này lặp đi lặp lại cho đến khi máy nghiền hoạt động ổn định. Sau đó không cần
điều chỉnh lại trị số Barbich cho loại xi măng này nữa. Trị số Barbich là thông số kỹ thuật có giá trị
khá lâu dài, ngay cả khi trong nguyên liệu có một sự thay đổi vừa phải. Đây là một ưu điểm thêm
vào của phương pháp.
Sau hai hoặc ba lần sản xuất thử nghiệm với cùng một loại xi măng, trị số Barbich cho các điều
-1
kiện nghiền lý tưởng được xác định và ấn định (ví dụ 18 ÷ 20s cho loại xi măng này), và tương
ứng với nó, tần suất buồng phân ly và quạt được đặt ở chế độ ổn định ở mức tối ưu. Sau đó, các
trị số Barbich này được ghi lại làm “số liệu tham khảo” cho những lần điều chỉnh sau đối với loại
xi măng này. Các thông số kỹ thuật của phương pháp đo bề mặt Blaine, laser hay độ sót sàng

3. phải được thay đổi thường xuyên hơn. Do vạy một hệ thống nghiền phải chịu nhiều biến đổi hoặc
phải chịu đựng các điều kiện làm việc rất khắc nghiệt nên ổn định hoá bằng cách áp dụng hệ
thống điều khiển mới.
Vì thế khi điều khiển máy nghiền bằng trị số Barbich, các điều kiện làm việc được ổn định hoá.
Hiện tượng kết hạt trong máy nghiền được giữ ở mức thấp và ổn định. Hiệu suất máy nghiền trở
nên tốt hơn rất nhiều. Thực tế cho thấy những hệ thống đã lắp đặt giúp tăng năng suất lên 20%
mà không cần bất cứ sự thay đổi nào khác.
Ưu điểm của hệ thống điều khiển nghiền Barbich NMR
Tăng năng suất nghiền tới 20%;
Giảm tiêu hao điện năng 3 ÷ 4 kWh/tấn xi măng;
Tăng cường độ đá xi măng tới 15%;
Chất lượng xi măng cực kỳ đồng đều;
Phát hiện sớm hiện tượng kết hạt và tránh được nồng độ kết hạt cao;
Trong trường hợp có kết hạt, hệ thống tiếp tục báo cáo tình trạng máy nghiền đúng đắn hơn
nhiều so với các kỹ thuật truyền thống thiếu độ chính xác và độ nhạy;
Ngăn chặn được hiện tượng “quá nghiền”.
Do không bị quá nghiền nên bi nghiền chỉ bị bao phủ bởi một lượng nhỏ các tổ hợp hạt - chúng
giống như một lớp đệm giữa bi nghiền và xi măng - nhờ vậy hiệu quả nghiền cao hơn;
Hệ thống vẫn đáng tin cậy khi hàm ẩm của vật liệu thay đổi (điều này khoa thực hiện với các
phương pháp đo truyền thống).
Không cần điều chỉnh khi nguyên liệu và bi nghiền thay đổi đáng kể. Các thông số công nghệ giới
hạn và trị số Barbich ổn định hàng tháng và hàng năm sau khi chúng được tối ưu hoá;
Hệ thống (phương pháp và thiết bị) vẫn đáng tin cậy khi hàm ẩm của vật liệu không ổn định
và/hoặc cao, điều này khó đạt được với các kỹ thuật truyền thống;
Các chất trợ nghiền ổn định hơn và có thể dự đoán được ảnh hưởng của chúng lên quá trình
nghiền;
Thực sự có thể nâng cấp mọi máy nghiền có buồng phân ly bằng hệ thống đo kích thước hạt
mới. Điều này cũng thực hiện được với cả những hệ thống nghiền hiện đại nhất mà không đòi
hỏi phải dừng máy;
Lần đầu tiên trong lịch sử, khả năng tự động hoá máy nghiền trở thành hiện thực.
Kết luận
Hệ thống điều khiển nghiền Barbich NMR có năng lực xác định chính xác diện tích bề mặt riêng
của bột xi măng và khống chế hệ thống nghiền ximăng hoạt động tối ưu hơn.
Các kết quả đạt được là chất lượng xi măng cực kỳ ổn định, tăng cường độ đá xi măng lên 20%
và giảm đáng kể điện năng tiêu tốn cho máy nghiền.
Loại xi
măng
(ví dụ)
Tốc độ
nạp
liệu
trung
bình
(trước
NMR)
[t/h]
CEM
I
42.5N
CEM
I
42.5N/SR
74,6
74,6
85,9
Tốc
độ
nạp
liệu
trung
bình
(dùng
NMR)
[t/h]
86,0
84,3
94,0
Mức độ
tăng tốc
độ nạp
liệu khi
dùng
NMR
[t/h]
Trị số
Barbich
-1
[s ]
15,3
13,0
9,4
16-18
16-18
15-17
Tiêu
hao
điện
năng
trước
khi
dùng
NMR
[kWh/t]
27,5
26,8
26,0
Tiêu hao
điện
năng khi
dùng
NMR
[kWh/t]
Mức
tiết
kiệm
điện
năng
[kWh/t]
23,9
24,0
22,5
3,6
2,8
3,5

4. CEMII AL 32.5R
Loại xi măng
(ví dụ)
CEM I 42.5N
CEM I 42.5N/SR
CEMII A-L 32.5R
2 ngày
Tối
ưu
20
20
13
Cường độ đá xi măng
7 ngày
28 ngày
Đạt
21,1
21,4
14,1
Theo
PTM
(Nguồn: Thông tin KHKT Xi măng, số 4/2006)
Tối
ưu
38
38
23
Đạt
38,6
39,3
24,2
Tối
ưu
48
48
38
Dưới sàng
45μm
(đo bằng
phương
pháp laser
[%]
Đạt
51,6
51,0
39,9
3,5 - 8,5
3,7 - 8,9
6,0 – 11,5
ZYLONTECHNIK