Công nghệ lò gạch liên tục kiểu đứng

1. Tổng quan

Lò gạch thủ công truyền thống

Gạch nung là vật liệu xây dựng truyền thống chiếm vị trí quan trọng trong 8 loại vật liệu xây dựng cơ bản: xi măng, vôi, gạch ngói, cát đá sỏi, tre gỗ, sành sứ, sắt thép và kính xây dựng.Trong tình hình kinh tế nước ta tăng trưởng với tốc độ cao, nhu cầu về xây dựng lớn khiến cho nhu cầu về gạch nung cũng tăng nhanh.

Hiện nay, cả nước có hơn 300 xí nghiệp sản xuất gạch sử dung công nghệ lò tuynen, gồm gần 100 doanh nghiệp nhà nước và trên 200 danh nghiệp ngoài quốc doanh. Ngoài ra còn có hàng ngàn cơ sở sản xuất gạch bằng lò thủ công truyền thống và gần 250 doanh nghiệp sản xuất bầng công nghệ lò nung gạch liên tục kiểu đứng (LTKĐ). Sản lượng gạch toàn ngành năm 2005 đạt 16,7 tỷ viên, trong đó các doanh nghiệp ngoài quốc doanh sản xuất 13,9 tỷ viên.

Lò gạch LTKĐ tại Hoà Bình

Lò gạch thủ công cùng với nhược điểm vốn có của nó đã gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng. Vì vậy ngày 01/8/2001, thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số 11/2001/QĐ-TTg trong đó đã nhấnmạnh “Tiến tới xoá bỏ việc sản xuất gạch đất sét nung bằng lò thủ công ở ven đô thị trước năm 2005 và ở các vùng khác trước 2010”. Câu hỏi đặt ra là công nghệ sản xuất gạch nào có thể thay thế phươngthức nung gạch thủ công như hiện nay, trong khi lò gạch tuynen vẫn chưa phổ biến được rộng rãi do chi phí đầu tư lớn, không phù hợp với các cơ sở sản xuất nhỏ và vừa.

Lò gạch LTKĐ có xuất xứ từ Trung Quốc, được chuyển giao sang Pakistan, Nepal, Ấn Độ và được chuyển giao sang Việt Nam vào năm 2001 theo dự án VIE/00/004 do Chương trình tài trợ các dự án nhỏ của Quỹ Môi trường Toàn cầu tại Việt Nam. Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt - Lạnh trực thuộc trường Đại học Bách khoa Hà Nội là đơn vị đồng thực hiện, đã tiếp thu việc chuyển giao công nghệ của giáo sư Yin Fuyin, Trung Quốc. Từ khi chuyển giao sang Việt Nam , mô hình lò gạch LTKĐ đã được nghiên cứu cải tiến khá nhiều với các ưu điểm nỗi trội là tiết kiệm năng lượng và giảm ô nhiễm môi trường rõ rệt trong sản xuất gạch nung. Vì vậy khuynh hướng nhân rộng công nghệ lò gạch LTKĐ hiệu suất cao là một giải pháp có tính khả thi cao trong giai đoạn hiện nay.

Cấu tạo của lò gạch LTKĐ:

Lò gạch LTKĐ được xây dựng theo kết cấu khung dầm chịu lực. Lớp tường ngoài cùng xây bằng gạch đỏ dày 0,22 m có tác dụng trang trí và che chắn các lớp cách nhiệt phía trong. Lớp tường chịu lửa và cách nhiệt dày khoảng 0,5 m, xây bằng vật liệu chịu lửa và cách nhiệt. Buồng nung gạch hiện nay thường có kích thước: rộng 1,1 m - 1,3 m; dài 2 - 2,2 m; cao 4,5- 5,5 m tuỳ theo kích thước viên gạch nung và chủng loại gạch (hình 3).

Trong quá trình hoạt động, lò nung gạch hình thành làm 4 vùng. Tính từ phía trên xuống dưới ta thấy có vùng sấy, vùng gia nhiệt, vùng nung và vùng làm nguội. Ở điều kiện làm việc bình thường, vùng nung có nhiệt độ từ 800 - 950 ⁰C. Không khí đi từ phía dưới lên qua lớp gạch thành phẩm có tác dụng làm nguội gạch (vùng làm nguội) nhưng bản thân không khí lại được sấy cho nóng lên trước khi đi vào vùng nung. Sau đó, không khí nóng từ vùng nung lại làm nhiệm vụ gia nhiệt cho các lớp gạch phía trên (vùng gia nhiệt) trước khi nung. Sau khi qua vùng gia nhiệt thì nhiệt độ không khí đã giảm bớt, nó tiếp tục truyền bớt nhiệt cho các lớp gạch ở vùng sấy trước khi đi vào ống khói để thoát ra ngoài.

Sơ đồ dây chuyền công nghệ lò gạch (LTKĐ):(hình 4)

Đất nguyên liệu tập kết về bãi chứa nguyên liệu, được máy xúc, máy ủi đảo và làm tơi, phong hoá theo thời gian từ 3 đến 6 tháng. Sau đó, đất nguyên liệu được cấp vào máy chế biến và tạo hình cùng với nhiên liệu than. Công đoạn này, đất và than được phối trộn đồng đều trước khi tạo hình thành viên gạch mộc. Gạch mộc được công nhân vận chuyển và hong phơi trên sân cáng hoặc chuyển vào hầm sấy để sấy khô trước khi đưa vào lò nung.

Trong quá trình nung gạch, gạch mộc được xếp trên đỉnh lò (xem hình 6) và hạ dần xuống vùng nung ở giữa lò rồi được hạ tiếp xuống phía dưới cùng của lò và trở thành gạch thành phẩm. Mẻ gạch thành phẩm được đặt lên xe goòng và đưa ra ngoài. Cứ khoảng 300 phút lấy ra được một mẻ gạch như vậy.

2. Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp điều tra, phân tích, kế thừa và tổng hợp tài liệu.

- Phương pháp thực nghiệm.

- Phương pháp chuyên gia

- Kết hợp với nghiên cứu lý thuyết.

Sơ đồ cấu tạo lò gạch LTKĐ

Cân bằng vật chất trong lò gạch LTKĐ được thể hiện trên hình 5 gồm các phần:

- Tổng khối lượng vật chất đưa vào lò,

- Tổng khối lượng các sản phẩm tại đầu ra,

- Tổng khối lượng vật chất mất mát trong quá trình nung gạch.

Phương trình cân bằng vật chất:

M _t+ M _gm+ M _kk= M _tr+ M _gn+ M _kh

Trong đó:

M _t: khối lượng than đưa vào lò (kg/ viên)

M _gm: Khối lượng gạch mộc đưa vào lò (kg/ viên)

M _kk: khối lượng không khí sử dụng trong quá trình cháy trong lò (kg/ viên)

M _tr: khối lượng tro sinh ra trong quá trình đốt (kg/ viên)

M _gn: khối lượng gạch sau khi nung (kg/ viên)

M _kh:khối lượng khói sinh ra trong quá trình nung gạch trong lò (kg/ viên)

M _ẩm: khối lượng ẩm bốc ra khỏi gạch (kg/ viên)

Việc cân bằng năng lượng ở đây thực hiện theo phương pháp cân bằng nghịch, theo đó nhiệt lượng trong lò được phân bố như sau:

[1]:

Nhiệt lượng đưa vào lò: Được xác định theo lượng nhiên liệu tiêu hao để sản xuất một viên gạch và nhiệt trị nhiên liệu.

Sơ đồ dây chuyền công nghệ

Nhiệt lượng do khói thải mang ra khỏi lò:Khói thải ra khỏi lò còn có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ môi trường nên mang theo nhiệt. Lượng nhiệt thấtthoát này phụ thuộc vào nhiệt độ và lượng khói thải. Lượng khói thải được xác định trên cơ sở cân bằng khối lượng, còn nhiệt độ khói thải được đo trong ống khói.

Nhiệt lượng do gạch còn nóng mang ra ngoài:Khi ra khỏi lò, gạch còn có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ môi trường nên có tích trữ một lượng nhiệt không được sử dụng. Lượng nhiệt này được xác định dựa trên cơ sở nhiệt độ trung bình của gạch đo được trong thực tế vận hành.

Nhiệt lượng do tro xỉ nóng mang ra ngoài:Do phần lớn than được trộn lẫn trong gạch (80%) và chỉ có khoảng 20% là được rắc bên ngoài, nên nhiệt lượng tổn thất này là không lớn.

Nhiệt lượng do than cháy không hết:Quá trình nung gạch trong lò, do than được trộn lẫn với đất để làm gạch nên có thể còn một lượng than cháy chưa hết. Bằng cách phân tích có thể xác định được nhiệt lượng tổn thất này. Lượng than rắc bên ngoài rất ít; với điều kiện thông thoáng khi tốt nên có thể coi là cháy kiệt.

Nhiệt lượng tổn thất do truyền nhiệt qua vách lò:Lò được cách nhiệt rất tốt. Lớp gạch ngoài cùng của vỏ lò có nhiệt độ thấp rất gần với nhiệt độ môi trường (< 60 ⁰C). Ở một số vị trí nhiệt độ có cao hơn như ở phần dưới lò, nơi lấy gạch ra nhưng diện tích rất nhỏ nên tổn thất này cũng rất nhỏ.

Các phần nhiệt lượng còn lại:Được xác định bằng hiệu số nhiệt lượng đưa vào trừ di các thành phần tổn thất. Có thể có một phần rất nhỏ là sai số trong quá trình tính toán các tổn thất đã tính ở trên. Bởi vậy, một cách gần đúng ta có thể coi đây là nhiệt lượng hữu ích theo nguyên lý cân bằng nghịch.

Tính toán chiều dày tường lò nung [2, 3]

Cân bằng vật chất cho lò gạch liên tục kiểu đứng

Tường lò gạch được xây từ các lớp gạch đỏ, gạch chịu lửa, gạch xốp và bông thuỷ tinh. Hệ số dẫn nhiệt của các vật liệu đó biết trước thông qua tài liệu kỹ thuật của nhà sản xuất. Việc xácđịnh kích thước của chúng dựa trên giả thiết sau:

- Tường lò là hoàn toàn phẳng.

- Nhiệt độ làm việc cao nhất trong vùng cháy của lò là 1200 ⁰C.

- Nhiệt độ phía ngoài của lớp bông thuỷ tinh là 60 ⁰C.

- Phía ngoài của lớp bông thuỷ tinh được xây dựng thêm một lớp gạch đỏ dày 220 mm.

- Lựa chọn gạch chịu lửa để xây các lớp trong có hệ số dẫn nhiệt 0,65 - 0,75 W/mK; nhiệt độ cho phép lớn nhất 1300 ⁰C.

- Lựa chọn gạch cách nhiệt để xây các lớp phía ngoài có hệ số dẫn nhiệt 0,24 - 0,26 W/mK; nhiệt độ cho phép lớn nhất 1250 ⁰C.

- Bông thuỷ tinh khối lượng riêng 100 kg/m ³; hệ số dẫn nhiệt 0,051 - 0,059 W/mK.

Các dẫn liệu trên khi áp dụng cho bài toán tường phẳng ta sử dụng công thức sau [2]:

q = k(t _w1– t _w2), W/m ²

Trong đó:

k- Hệ số truyền nhiệt của vách phẳng n lớp.

t _w1, t _w2- nhiệt độ bề mặt trong và mặt ngoài của tường lò.

d_nl_i- chiều dày và hệ số dẫn nhiệt của lớp thứ i

Vùng làm việc nguy hiểm nhất của lò là vùng nung. Trong điều kiện làm việc bình thường nhiệt độ của vùng nung từ 800 ⁰C đến 950 ⁰C. Khi lò bị sự cố, nhiệt độ của vùng này có thể lên đến 1200 ⁰C, khi đó các viên gạch biến dạng và dính lại với nhau. Dòng nhiệt truyền qua vách lò cũng có giá trị lớn nhất tại vùng này. Vì lý do an toàn cho sự làm việc của lò và công nhân vận hành nên khi tính toán, giả thiết nhiệt độ vách tường phía trong bằng 1200 ⁰C. Sau khi tính toán, căn cứ vào các thông số gạch thương phẩm, nhận được kết quả:

- Dòng nhiệt truyền qua vách q = 720 W/m.

- Chiều dày của lớp gạch chịu lửa xây phía trong vùng 226 mm.

- Chiều dày lớp gạch cách nhiệt 113 mm.

- Chiều dày bông thuỷ tinh 50 mm.

Nhằm mục đích hạn chế tối đa lượng nhiệt tổn thất do khói thải, an toàn cho công nhân vận hành lò, nhiệt độ của khói thải và nhiệt độ của gạch thành phẩm tại đầu ra chọn trong khoảng:

- Nhiệt độ của khói thải: t _kt= 90 ÷ 150 ⁰C.

- Nhiệt độ của gạch thành phẩm: t _tp= 50 ÷ 60 ⁰C.

Với nhiệt độ của khỏi thải như trên sẽ đảm bảo độ chênh lệch về khối lượng riêng giữa dòng khói trong ống khói và không khí lạnh bên ngoài ống khói. Đây là điều kiện cần thiết để khắc phục các trở lực trên đường khói đi.

Trên cơ sở tính toán lý thuyết, tham khảo ý kiến chuyên gia và sử dụng phương pháp thực nghiệm, các mô hình thực tế đã được xây dựng để kiểm nghiệm kết quả tính toán.

3. Kết quả nghiên cứu

Bảng 1. So sánh chỉ tiêu đầu vào của lò gạch liên tục kiểu đứng với lò thủ công tính cho 1000 viên gạch đặc (2 kg/viên).

Qua các mô hình lò gạch đã được xây dựng và vận hành tại xã Xuân Quan, huyện Văn Giang, tỉnh Hưng Yên từ đầu năm 2002; Công ty Cổ phần gạch ngói Quỳnh Lâm, tỉnh Hoà Bình năm 2004; cơ sở sảnxuất tại Phú Nham, Phù Ninh, Phú Thọ từ năm 2006... có thể xác định các đặc điểm chính của lò như sau:

- Suất tiêu hao năng lượng cho việc sản xuất gạch tại lò LTKĐ giảm 40 đến 55% so với lò thủ công (bảng 1).

- Lưu lượng khói thải rất thấp; với nhiệt độ khói ra khỏi lò thấp nên đảm bảo không gây ô nhiễm môi trường cho khu vực xung quanh lò.

Bảng 2. Nồng độ một số khí thải trung bình trong 1 giờ trên mặt lò gạch LTKĐ

Việc đo đạc các thông số về môi trường được thực hiện bởi Trung tâm xử lý môi trường thuộc Bộ Tư lệnh Hoá học cho thấy các tiêu chuẩn về môi trường cho con người lao động đều ở dưới tiêuchuẩn cho phép. Lưu lượng khói phát thải ra khỏi lò giảm nhiều so với lò thủ công (bảng 2).

Bảng 3. Kết quả thí nghiệm gạch thành phẩm 2 lỗ

Việc đo đạc đánh giá chất lượng được thực hiện bởi Viện Khoa học Vật liệu thuộc Bộ Xây dựng cho thấy gạch ở LTKĐ được nung ở nhiệt độ cao hơn và cường độ chịu nén cao hơn so với cùng loạigạch mộc đốt ở lò gạch thủ công (bảng 3).

Công suất của các lò đảm bảo thiết kế. Đối với lò một buồng nung, gạch đặc có công suất 1,5 đến 2 triệu viên gạch tiêu chuẩn/ năm; gạch rỗng từ 25 - 30% có công suất khoảng 3 triệu viên/ năm. Nhiệt độ khói thải, nhiệt độ thành phẩm tại đầu ra, nhiệt độ phía bên ngoài của thành tường lò nung đều đảm bảo và nằm trong các chỉ tiêu đã tính toán.

4. Thảo luận

Xếp gạch mộc trên đỉnh lò

Qua kết quả nhận được tại các lò gạch LTKĐ cho thấy, các thông số ô nhiễm đều nằm dưới giới hạn cho phép của tiêu chuẩn Việt Nam . Trong suốt quá trình vận hành lò gạch LTKĐ, khói được hút rangoài bởi một hệ thống mương khói và hai ống khói cao 5 - 8 m so với mặt lò, tức là cao 12 - 15 m so với mặt đất. Ở độ cao này với lưu lượng khói thải nhỏ, nhanh chóng phát tán vào môi trường, đảmbảo cho nồng độ các khí thải xung quanh lò luôn ở mức thấp, không ảnh hưởng đến hoa màu, cây trồng, vật nuôi và sức khoẻ con người.

Cùng với thời gian, công nghệ này đã được Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt - Lạnh tiếp tục nghiên cứu và phối hợp với các đơn vị sản xuất hoàn thiện đến mức độ cao hơn, cụ thể:

- Lượng than tiêu thụ giảm so với lò gạch thủ công từ 45 - 55%; giảm ô nhiễm môi trường rõ rệt;

- Chất lượng gạch ổn định, tỉ lệ gạch loại I đạt hơn 95%. Tỷ lệ gạch hỏng chỉ khoảng 2,5% đến 5% trong khi ở lò thủ công khoảng 10%.

Sản phẩm của lò gạch LTKĐ

- Cấu tạp lò đơn giản dễ vận hành, vốn đầu tư phù hợp với các hộ sản xuất nhỏ và vừa.

- Giá thành xây dựng lò 1 buồng nung vào khoảng 300 - 320 triệu đồng (theo giá cuối năm 2007) với công suất 1,5 - 2 triệu viên gạch đặc hoặc 3 triệu viên gạch rỗng 25%.

- Quá trình lò vận hành ổn định, sau từ 4 - 5 năm mới phải đại tu sửa chữa.

Ngoài ra, công nghệ này cũng còn có một số đặc điểm như:

- Lò gạch LTKĐ được thiết kế xây dựng theo từng môđun (mỗi môđun là một buồng nung), do đó muốn mở rộng sản xuất chỉ cần xây dựng tiếp thêm các môđun mới ở bên cạnh lò đang sử dụng.

- Riêng đối với cơ cấu nâng, hạ khối gạch đã được cải tiến rất đa dạng; có thể dùng hệ trục vít quay tay, dùng kích thuỷ lực như lò gạch LTKĐ ở huyện Phù Cừ hoặc điều khiển tự động bằng động cơ điện như lò gạch LTKĐ ở Công ty Quỳnh Lâm, Hoà Bình.

- Do sản xuất liên tục nên tận dụng được lao động nông nghiệp dôi dư trong cả năm, tạo thu nhập cao và ổn định cho người lao động.

- Nhiệt độ khói thải đối với lò gạch truyền thống vào giai đoạn cháy mạnh nhất khoảng 600 - 800 ⁰C, trong khi đối với lò gạch LTKĐ nhiệt độ khói thải qua ống khói luôn ổn định ở mức 100 - 150 ⁰C.

5. Kết luận

a. Qua tính toán kiểm tra và được chứng minh bằng các mô hình thử nghiệm đã khẳng định công nghệ lò gạch LTKĐ có nhiều ưu điểm nổi trội.

b. Nếu thiết kế và xây dựng đúng kỹ thuật thì lò gạch LTKĐ tiết kiệm được nhiều nhiên liệu, ít ô nhiễm môi trường, chất lượng gạch tốt, mang lại hiệu quả kinh tế cao cho chủ đầu tư.

c. Lò gạch LTKĐ có suất đầu từ thấp hơn nhiều so với lò gạch tuynen, do đó phù hợp với khả năng kinh tế của các cơ sở nhỏ và vừa.

Với những đặc điểm trên, hy vọng đây là mô hình phù hợp để nhân rộng và thay thế các lò gạch thủ công truyền thống, góp phần bảo vệ môi trường và cải thiện đời sống của người dân, thực hiện tốt quyết định của Chính phủ về việc ngừng sản xuất gạch nung bằng lò thủ công truyền thống.

Tài liệu tham khảo

1. PGS. Hoàng Bá Chư, Báo cáo tổng kết xây dựng mô hình lò gạch liên tục kiểu đứng hiệu suất cao, tháng 1 – 2003.

2. Bùi Hải, Trần Thế Sơn; Bài tập nhiệt động, truyền nhiệt và kỹ thuật lạnh; Nhà xuất bản KH & KT, Hà Nội 2005.

3. Nguyễn Đức Quyền; Nghiên cứu và cải tiến kết cấu lò nung gạch liên tục kiểu đứng và thiết bị cơ khí để nâng hạ gạch thành phẩm. Đề tài cấp Trường T 2005 - 90.

Nguồn: KH & CN Nhiệt, 3 - 2008, tr 5