Nghiên cứu cải tiến lò than hóa khí thông dụng thành lò có nhiệt độ và áp suất lớn đáp ứng yêu cầu đặc thù sản xuất sắt xốp

Sắt xốp là sản phẩm được hoàn nguyên trực tiếp từ quặng sắt FeO₂, Fe₃O₄, FeO khi lấy hết oxy trả lại cho ta sắt. Thép nấu từ sắt xốp có độ bền cơ học cao gấp một lần rưỡi thép nấu từ gang bình thường khác. Sắt xốp dùng nấu thép hợp kim có độ bền cao phục vụ kinh tế và quốc phòng. Trên thế giới các nước tiên tiến đã sản xuất sắt xốp từ nhiều năm trước. Tại Việt Nam, công ty cổ phần khoáng sản và luyện kim Việt Nam - Mirex- là công ty đầu tiên đưa công nghiệp sản xuất sắt xốp vào nhà máy sản xuất sắt xốp tại xóm Bản Tấn, huyện Hòa An tỉnh Cao Bằng với công suất 100.000 tấn/năm.

Nhằm cải tiến lò than hóa khí hiện có, nhóm đề tài Công ty Cổ phần Khoáng sản và Luyện kim Việt Nam do ThS. Đặng Văn Mấn làm chủ nhiệm đã đề xuất thực hiện đề tài: “Nghiên cứu cải tiến lò than hóa khí thông dụng thành lò có nhiệt độ và áp suất lớn đáp ứng yêu cầu đặc thù sản xuất sắt xốp” với nhiệm vụ nghiên cứu lò than hóa khí khi Trung Quốc lắp đặt tại nhà máy; thiết kế cải tiến 4 lò đạt các chỉ tiêu về khí CO đạt từ 22 đến 30%, khí oxy đạt 1%, áp suất từ 800 đến 1500, nhiệt độ khí CO đạt 350 đến 500 độ C; xây dựng 50 quy trình sử dụng, vận hành và bảo dưỡng lò than hóa khí; cảnh báo khí độc khu vực sản xuất; an toàn phòng nổ khi rách màng phòng nổ và lọc bụi khí CO.

Trong quá trình triển khai thực hiện đề tài gặp rất nhiều khó khan do chủ quan và khách quan, nên thời gian kéo dài. Được sự giúp đỡ tích cực từ bộ Khoa học Công nghệ, UBND tỉnh Cao Bằng, sở KHCN tỉnh Cao Bằng và cơ quan chủ trì dự án Công ty cổ phần khoáng sản và luyện kim Việt Nam Mirex, đề tài đã cơ bản hoàn thành.

Tác giả khẳng định rằng hiện nay trên thế giới chưa có nước nào chế tạo một chiếc lò theo thiết kế này, vì các nước sản xuất sắt xốp theo công nghệ khác. Các nước sản xuất bằng công nghệ lò tuy nen thì không cần áp suất khí CO cao như của công nghệ Mirex Cao Bằng. Mà dùng lò THK thông thường áp suất thấp. Bản thân Trung Quốc sau khi nhà máy Cao Bằng hoàn thành, mới làm một lò hoàn nguyên kiểu của Mirex, họ không dùng khí CO từ lò Khí hóa than như của Mirex mà dùng khí thiên nhiên đồng hành từ mỏ khí đốt. Vì vậy chỉ có Mirex mới chế tạo lò than hóa khí có đĩa tro cao 1100 mm thay vì lò thông thường có đĩa tro cao 800 mm. Khi cần áp suất cao đến 1500 Pa mới cần có đĩa tro cao 1100 mm. Điều đó tạo ra nhiều khó khăn về vấn đề kỹ thuật mà đề tài chúng tôi đã giải quyêt.

Đề tài đã cải tiến hoàn chỉnh 4 lò than hóa khí bảo đảm phục vụ cho nhiệm vụ sản xuất sắt xốp của nhà máy đạt các chỉ tiêu kỹ thuật của nhiệm vụ đề tài; Xây dựng bộ 50 quy trình vận hành, sử dụng, bảo dưỡng trạm than hóa khí Mirex Cao Bằng; Nghiên cứu lắp đặt 10 bộ thiết bị đo và cảnh báo khí độc cho nhà máy sản xuất sắt xốp Mirex Cao Bằng; Thiết kế lắp đặt hệ thống đường ống giải thoát khí CO khỏi vùng nguy hiểm cho người, khi màng phòng nổ đường ống dẫn khí CO tổng bị rách; Thiết kế lắp đặt hệ lọc bụi quán tính đường dẫn khí CO tổng; Bộ 55 bản vẽ 3D, bản vẽ lắp và bản vẽ chi tiết của lò nguyên thủy và lò cải tiến đảm bảo tiêu chuẩn bản vẽ kỹ thuật cơ khí.

Sau nghiên cứu cải tiến chủ nhiệm đề tài đưa ra biện pháp nâng cao áp suất và nhiệt độ khí than co với lò than hóa khí cải tiến như sau:

+ Để đạt áp suất lên đến 1500 pa:

Về thiết kế hệ thống tất cả các đĩa tro đều nâng độ cao từ 800 mm lên 1100 mm: Các thủy phong đáy lò, bồn chứa khí, hệ ống dẫn khí CO, thủy phong bẫy lọc bụi đều tính toán chịu áp suất khí CO 1500 pa. mức nước cao hơn; Lá van chống dòng ngược hộp cấp gió đáy lò phải thay đổi độ dày phù hợp vơi áp suất 1500 pa thay vì chịu 800 pa; Các đệm làm kín, nắp cửa thao tác có trọng lượng chịu áp suất trên 1500 pa.

Về vận hành: Đặt các bộ biến tần chạy ba quạt cấp gió đáy lò ở giới hạn áp suất từ 1600 đến 2200 pa bù tổn hao đường ống; Tùy theo yêu cầu của lò Hoàn nguyên sắt xốp mà nâng hạ áp suất khí than kịp thời để phục vụ sản xuất. Áp suất sẽ được thay đổi thường xuyên, vì vậy người vận hành lò Than hóa khí phải thường trực và nhận lệnh hợp đồng, phối hợp chặt chẽ. Nếu không sẽ có sự cố sản xuất. Trong thực tế sản xuất tùy theo giai đoạn nâng nhiệt độ lò Hoàn nguyên mà thay đổi áp suất khí than từ 600 pa đến 1500 pa. Nếu không nâng được áp suất theo yêu cầu của lò Hoàn nguyên (Tùy theo công suất của lò Hoan nguyên) phải khởi động cả 3 hoặc 4 lò cùng cấp khí. Vấn đề này trả lời câu hỏi tại sao giải áp suất lại từ 500 pa đến 1500 pa.

+ Để đạt nhiệt độ lên đến 500 độ C

Về thiết bị: Tất cả các thiết bị liên quan trực tiếp đến khí than như đồng hồ, chỉ thị hiện số, các đệm làm kín khí, các van phải chịu được nhiệt độ 500 độ C; Than cấp vào lò không để ướt ngậm nước; Bảo ôn đường ống dẫn khí CO.

+ Về thủ thuật phối trộn hơi nước bão hòa cấp gió đáy lò

Nếu tăng lượng hơi nước bão hòa thì phản ứng thu nhiệt nhiều làm nhiệt độ khí than giảm nhưng chất lượng khí CO được nâng cao do không cháy CO, H₂. Ngược lại nếu cấp ít hơi nước bão hòa thì phản ứng tỏa nhiệt nhiều nhiệt độ tăng nhanh, song có nhược điểm là chất lượng CO giảm do đốt cháy các thành phần CO và H₂.. Hơn nữa tang nhiệt độ cao sẽ ảnh hưởng đến vỏ lò và các thiết bị phụ. Thậm chí phản ứng cháy mạnh mẽ tạo lớp cháy ô xy hòa dày dẫn đến vỏ lò không được làm mát kịp sẽ lớp cháy xuống váy lò làm đỏ váy lò. Trong quá trình sản xuất nhà máy sản xuất sắtt xốp Cao Bằng đã gặp phải vấn đề này. Vì thế Đề tài đã rút ra kết luận nên điều khiển lượng hơi bão hòa vừa đủ để nhiệt độ mũ gió đáy lò ở khoảng nhiệt độ 60 đến 65 độ C. Việc sấy không khí lên 500 độ C qua bộ trao đổi nhiệt của lò Hoàn nguyên và nhiệt độ khí than đạt 500 độ C đã đóng góp đáng kể nâng cao hiệu quả kinh tế của nhà máy sản xuất sắt xốp Cao Bằng cùng với việc sử dụng thêm than cám 3 ép viên.

Nhóm đề tài đề xuất việc sử dụng và áp dụng các kết quả nghiên cứu của đề tài (có thể áp dụng ngay vào thực tiễn; cần tiếp tục hoàn thiện trên cơ sở hình thành dự án sản xuất thử nghiệm hoặc cần tiến hành những nghiên cứu tiếp theo…); kiến nghị chuyển giao các kết quả của dự án vào sản xuất ở qui mô công nghiệp, thương mại hóa sản phẩm…

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 17557/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

P.T.T (TH)