Chuyên đề Tìm hiểu về công nghệ sản xuất phân lân nung chảy và vấn đề môi trường

Trường đại học Bách khoa hà nội Viện KH- CN Môi trường Bài tập chuyên đề: Quá trình sản xuất cơ bản Tên chuyên đề: Tìm hiểu về công nghệ sản xuất phân lân nung chảy và vấn đề môi trường. Thành viên thực hiện: Trần Cát Linh Tống Duy Cương Nguyễn Thị Ngọc Ánh Đinh Thu Hằng Hà nội ngày 19\10\08 I.Tình hình sản xuất phân lân nung chảy hiện nay trên thế giới và trong nước. - Thực tế hiện nay, nhu cầu sử dụng phân bón trong sản xuất nông nghiệp ở các quốc gia là rất lớn.Theo số liệu năm 2006-2007, số lượng phân bòn được sử dụng ở: Trung Quốc la 48,8 triệu tân Ấn Độ là 22,045 triệu tấn Mỹ là 20,821 triệu tấn EU là 13,86 triệu tân Thái Lan là 1,69 triệu tấn. Việt Nam là 2,604 triệu tấn.Trong đó lượng phân lân sử dụng là 0,634 mới đáp ứng được 30% nhu cầu sử dụng. - Muốn đáp ứng được nhu cầu phân bón hiện tại và sự phát triển sản xuất nông nghiệp trong những năm sau này thì không thể theo con đường nhập khẩu ngày một tăng về phân bón mà phải phát triển sản xuất để đáp ứng tối đa nhu cầu của nông nghiệp và cải thiện chất lượng phân bón giúp người nông dân không cần bón nhiều mà vẫn đạt hiệu quả. Một trong những công nghệ sản xuất phân bón mang lại hiệu quả tương đối cao hiện nay la công nghệ sản xuất phân lân bằng phương pháp nhiệt nói chung và phân lân nung chảy nói riêng.Đây là công nghệ đơn giản, đầu tư tư bản thấp,giá thành sản phẩm hạ.Tùy thuộc vào nguyên liệu và phương pháp chế biến mà sản phẩm có hàm lượng 16-36% P2O5 hữu hiệu. Nguyên lý sản xuất phân lân nung chảy: Cơ sở của phương pháp là dùng nhiệt nung nóng biến lân từ dạng vô định hình ( cây không hấp thụ được , khó tiêu, khó tan ) thành dạng vô định hình mà cây có thể hấp thụ được. Căn cứ vào nguyên lý trên: đem phối trộn quặng apatit với các chất phụ gia theo một tỉ lệ nhất định sau đó nung trong lò cao ở nhiệt độ từ 1400-1500 0C…làm cho hỗn hợp quặng và phụ gia hóa lỏng. Liệu lỏng được lấy ra và được làm lạnh đột ngột bằng nước có áp lực cao ( lưu lượng nước gấp 15-20 lần sản phẩm ) nhằm phá vỡ tinh thể trong quặng chuyển P2O5 trong quặng thành dạng dễ tan trong axit yếu (có thể tan 98% trong axit citric 2% chứa trong dịch mà cây tiết ra) thu được bán thành phẩm phân lân Quá trình này chủ yếu là kết quả hình thành trạng thái thủy tinh vô định hình. Ở nhiệt độ 1400-15000C hỗn hợp quặng ở trong lò ở dạng kết tinh bị hóa mềm chảy lỏng linh động, mạng tinh thể bị phá vỡ , sau đó liệu lỏng được làm lạnh đột ngột để chất lỏng không trở về trạng thái ban đầu ( tinh thể bền vững ). Ta thu được sản phẩm ở dạng thủy tinh . Quá trình tạo phân nung chảy thực chất là quá trình chuyển hóa -Ca3(PO4)2 từ dạng kết tinh thành dạng “ thủy tinh “ . Giới thiệu về phân lân nung chảy: Phân lân nung chảy là một hỗn hợp photphat silicat(Ca và Mg).Thành phần của phân lân nung chảy gồm chủ yếu là: 4(Ca,Mg)O.P2O5 5(Ca,Mg)O.P2O5.SiO2 Tóm lại trong thành phần của phân lân nung chảy gồm chủ yếu là nguyên tố P, nguyên tố Ca,Mg và một số nguyên tố vi lượng như Fe, Co, Mn, Cu, Mo,… Thực tế trong quá trình sản xuất phân lân sẽ được phối trộn để tạo ra nhiều loại phân mà khi hòa tan có độ pH từ 6-8 phù hợp với các loại đất khác nhau. Ưu điểm của phân lân nung chảy: Trong thành phần có bổ xung nhiều nguyên tố dinh dưỡng trung lượng như : Mg: chất chủ yếu tạo nên diệp lục tố của cây , giúp cây tổng hợp P , đường và chất béo.Đất đồi thoái hóa , đất xám và đất bạc màu, đất phù sa sông thường thiếu Mg. Nó rất có lợi cho phẩm chất của cây lấy đường , cây lấy dầu , cây họ đậu , vv Silic : tích lũy trên cây hòa thảo ( ngô , lúa , cao lương ) làm cây cứng cáp , giảm sâu bệnh. Mặt khác đây là loại phân có tính kiềm thích hợp với các loại đất phèn ,đất chua. Lân trong phân lân tồn tại ở dạng không hòa tan trong nước nên hiệu quả đối với cây trồng chậm hơn phân supe nhưng lại có hiệu quả bền lâu vì không bị chuyển thành dạng cây khó hấp thụ Với các loại đất có dung tích hấp thụ lớn và giữ lân như đất phù sa chua , đất phèn , đất pheralit chua, …vv thì hiệu quả của lân nung chảy cao hơn rất nhiều so với supe lân. II. Đặc điểm sử dụng nguyên,nhiên vật liệu trong sản xuất phân lân nung chảy.Một số công nghệ sản xuất phân lân nung chảy hiện nay 1.Về nguyên liệu Nguyên liệu chính dùng trong sản xuất phân lân nung chảy gồm có:quặng apatit và đá secpentin. - Quặng apatit có công thức cấu tạo là Ca10F2(PO4)6 và Ca5F(P04)3 Trong đó thành phần dao động gòm có: CaO:43% P2O5:31-35% Fe2O3: 1,7-2,0% Al2O3: 2-2,2% MgO: 1,7-2,0% SiO2: 2,5-3% F: 1,7-2,0% CO2: 1,9-2,3% Quặng Flo apatit có đặc điểm:màu xám,nâu;khối lượng riêng d = 3,18-3,21 g/cm3;tnc = 1400-1559 0C. Kích cỡ của quặng để đưa vào lò cao là 11-90mm - Đá secpentin có công thức cấu tạo là 3MgO.2SiO2.2H2O .Ngoài ra trong đá secpentin còn có một số nguyên tố vi lượng như Ni, Mn, Cu, …. Có lợi cho cây trồng Kích thước của đá sau khi nghiền đập và sàng để đưa vào lò cao là 11-90mm. -Ngoài 2 nguyên liệu chính trên, còn sử dụng thêm một số loại đá và quặng khác như: +Đá sa thạch:thành phần SiO2 > 90%,cỡ hạt từ 11-90mm +Quặng bánh: là sản phẩm tận thu của các loại quặng dá có kích thước < 10mm, trộn thêm chất kết dính (xi măng 7%) dùng máy ép thành bánh 2.Về nhiên liệu Than được sử dụng trong quá trinh đốt lò để sản xuat phân lân nung chảy là thanh có chất lượng tốt, hàm lượng chất bốc nhỏ, cường độ chịu nhiệt cao, nhiệt năng lớn Có 2 loại than hiện đang sử dụng là than Antraxit, và thanh Cốc - Than Atraxit:Hàm lượng tro chiếm < 12%, cỡ hạt là 40-90mm.Hiện có ở Na Dương Thanh Hóa. - Than Cốc:trữ lượng nhiệt tốt nhất, lượng tro chiếm dưới 18%, cỡ hạt là 40-90mm (dùng trong lò cao), 11-30mm (dùng cho lò đốt khí CO).Than Cốc hiện phải nhập ngoại từ Trung Quốc vì loại than này không có trong nước 3.Công nghệ sản xuát phân lân nung chảy Hiện nay,trong nước ta có 2 qui trình công nghệ sản xuất phân lân nung chảy chinh -Công nghệ 1:Là công nghệ được đưa từ Trung Quốc sang với việc sử dụng nguyên liệu là Quặng Apatit loại I với thành phần P205 là 28-40%, sử dụng nhiên liệu than Cốc.Kích thước hat nguyên liệu khi đưa vào lò là 25-80mm -Công nghệ 2: Là công nghệ với việc sử dụng nguyên liệu là Quặng Apatit loại II với thành phần P205 18-25%, sử dụng nhiên liệu than Antraxit.Kích thước hạt nguyên liệu khi dưa vào lò là 11- 90mm 4.Qui trình sản xuất phân lân nung chảy chung Sơ đồ nguyên lý sản xuất phân lân nung chảy: Nguyên liệu Kẹp hàm đập Sàng khô Rửa Lọc bụi Lò cao 1450÷15000C Tôi nước 3 ÷ 5atm Rửa bụi Bãi rửa Sấy Xử lý Ca(OH)2 Nghiền thái sàng Lọc bụi Khí thải Sản phẩm Thuyết minh sơ đồ : Quặng apatit, đá secpentin được đưa về bãi chứa và nhờ ô tô, máy xúc chuyển về phễu của máy đập nhằm gia công nguyên liệu về kích thước cần thiết, rồi được qua sàng khô, sàng ướt để loại bỏ các hạt dưới cỡ.Lượng mịn được tập trung vào bãi chứa.Than được chọn lọc, đảm bảo chất lượng và kích cỡ chuyển về sàn lò cao. - Quặng đá, than được cân theo phối liệu, chuyển vào thùng tời đưa lên lò cao.Ở trong lò cao diễn ra các quá trình sấy, hóa mềm chảy lỏng và quá nhiệt chuyển hoắ quặng chứa lân thành dạng vô định hình bằng cách làm lạnh đột ngột bằng nước, rồi được cần trục múc từ bể tôi bán thành phẩm đưa vào phễu chứa, nhờ hệ thống băng tải đưa về bãi ráo. Ở Việt Nam: Nguyên liệu P2O5 CaO MgO SiO2 Tỉ lệ phối tử 1 3-4 2-3 2-3 - Bán thành phẩm ở bãi ráo tự nhiên (độ ẩm < 7%) được cầu trục mức đưa vào phễu rồi theo hệ thống băng tải chuyển vào máy sấy thung quay, ở đây bán thành phẩm được sấy với nhiệt độ 600-7000C, sau khi ra bán thành phẩm có dộ ẩm < 1% được đi gia công chế biến theo yêu cầu: + Để sản xuất lân nghiền: bán thành phẩm được chuyển vào máy nghiền đến độ mịn 50-70% tùy theo yêu cầu của sản xuất + Để sản xuất lân hạt: bán thành phẩm được chuyển sang sàng thu dược sản phẩm hạt. -Sản phẩm được đóng bao nhãn, xếp kho, xuất cho khách hay chuyển sang tổ sản xuất khác. III.Quy trình sản xuất phân lân nung chảy 1.Sơ đồ cấu tạo lò cao:( hình bên ) 1: Chuông nạp liệu 2: thùng chứa của bộ phận nạp liệu 3: Lớp cách nhiệt của vỏ lò 4: Gạch chịu nhiệt của vỏ lò 5: Vỏ thân lò 6: Ống phân phối gió 7: Bọc nước làm mát 8: Lớp bột chịu lửa bảo vệ bọc nước 9: Cửa tháo liệu 10: Ống gió vào lò 11: Ống thoát khí 12: Chuông nạp nhiên liệu thứ 2 13: Phễu chứa liệu đỉnh lò 2.Các quá trình hóa lý xảy ra trong lò cao. Có thể chia từ đỉnh lò đến đáy lò làm 4 khu vực: - Khu vực sấy phối liệu-Khu vực đỉnh lò: Khu vực này nhiệt độ khống chế trong khoảng nhiệt độ 150-7000C.Nếu thấp hơn hoặc bằng nhiệt độ bay hơi nước sẽ làm ngưng tụ hơi nước, bụi than sẽ bị kết tinh.Nước kết tinh được thoát ra:Ở nhiệt độ lớn hơn 1500C nhiên liệu vào lò bắt đầu bị bốc hơi Ở nhiệt độ lớn hơn 5000C thì nước kết tinh trong secpentin thoát ra Ở nhiệt độ lớn hơn 650oC thì nước kết tinh bay hết theo khí lò;Secpentin bắt đầu bị phân hủy theo phản ứng: 3MgO.2SiO2 à 2MgO.SiO2+MgSiO2+2H2O Ở các nhiệt độ lớn hơn 6500C sẽ tạo thành 3Mg2SiO4 theo phản ứng: 2(3MgO.2SiO2) à 3Mg2SiO4+2MgSiO3 - Khu vực phân giải muối cacbonat Nhiệt độ khoảng 730- 9200C, xảy ra các phản ứng phân giải muối cacbonat và phán ứng hoàn nguyên kim loại Fe, Ni MgCO3 MgO+CO2 CaCO3 CaO+CO2 Fe2O3+C 2Fe+3CO Fe2O3+3CO à 2Fe+3CO NiO+CO à Ni+CO2 Vì tỷ trọng của Fe và Ni lớn hơn rất nhiều so với tỷ trọng phối liệu nên Fe và Ni lắng xuống đáy tạo thành xỉ feroniken (xỉ gang niken).Hợp chất này được tháo qua cửa liệu hoặc đáy lò. - Khu vực hóa mềm và chảy lỏng Khi nhiệt độ bắt đầu đạt 8000C quặng bắt đầu mềm và tiếp tục mềm dần cho tới nhiệt độ 12000C thì nó bắt đầu chảy.Nhưng ở nhiệt độ này quặng vẫn chưa đủ linh động nếu lấy ra ngay sẽ rất khó khăn và rất chậm. Tại đây oxy không khí và than cháy mạnh hơn.Trong lò xảy ra các phản ứng Phản ứng chính: 2C+O2 à 2CO+Q Phản ứng phụ: C+H2O à CO+2H2-Q 2CO+O2à 2CO2 +Q Và phản ứng khử F, hoàn nguyên Ni và P 2Ca5F(PO4) +SiO2 +H2O à 3Ca3(PO4)2 +CaSiO2 +HF 4Ca5F(PO4) +3SiO2 à 6Ca3(PO4)2+2CaSiO3 +SiF4 Hoặc dạng tổng quát : Ca10F2(PO4)+3(3MgO.SiO2.2H2O)à3(3MgO.3CaO.SiO2.P2O5.CaF)+6H2O Trong đó một phần CaF2 phản ứng với SiO2 và hơi nước CaF2+SiO2+H2O à CaSiO3+2HF - Khu vực quá nhiệt Nằm từ vùng tâm mắt gió trở xuống (nồi lò) Nguyên nhiên liệu sau khi được chảy lỏng nhò quá trình cháy tiếp tục được nâng lên nhiệt độ từ 1300-15000C.Tại nhiệt độ này chất lân sẽ ở trạng thái lơngr và rất linh động (vô định hình), hiệu suất chuyển hóa cao.Chất lân ở trạng thái này được tháo ra bởi 2 cửa ra liệu, làm lạnh đột ngột rồi tôi nhanh bằng nước có áp lực cao(lưu lượng nước gấp 15-20 lần lượng sản phẩm), ta thu được bán thành phẩm phân lân có chất lân ở dạng vô định hình tan tốt trong axit xitric 2% có trong thành phần của nhựa các cây tiết ra, giúp cây hấp thụ tốt Bán thành phần được nước áp lực cao đẩy về bể tôi IV.Vấn đề ô nhiễm trong quá trinh sản xuất phân lân nung chảy 1.Khí thải - Khí CO, CO2 sinh ra trong quá trình đốt nhiên liệu - Khí H2S, HF sinh ra trong quá trinh đốt nguyên liệu trong lò cao Các khí này rất độc hại đến môi trường và sức khỏe con người Để xử lý khí thải, hỗn hợp khí được đưa qua tháp phân li bụi, ở đây bụi được tách ra, khí được tiếp tục hấp thụ.Các khí CO2, H2S, HF được hấp thụ nhờ có dung dịch sữa vôi được lắng xuống tại bể chứa hấp thụ, khí thải được tiếp tục đi vào tháp tách nước để tách nước trước khi vào lò đốt CO.Tại lò đốt diễn ra quá trình cháy:2CO+O2=CO2 Sau đó khí thải theo ống khói và thải ra môi trường.Nhiệt độ đốt CO được tận dụng để nung gia nhiệt cho không khí cấp vào lò nhờ quạt cao áp, khí nóng khi ra khỏi thiết bị có nhiệt độ từ 300-4000C dùng để sấy qua nguyên liệu tăng nhiệt độ nguyên liệu đầu vào vừa làm tăng hiệu suất lò cao, vừa giảm được tiêu hao nhiên liệu . 2.Chất thải rắn - Chất thải rắn trong sản xuất phân lân chủ yếu là quặng mịn dưới cõ, trung bình cứ 1 tấn phân bón tỉ lệ loại bỏ sẽ vào khoảng 0,25-0,35 tấn quặng mịn. Quặng mịn sinh ra trong quá trình đập nguyên liệu, sàng nguyên liệu trước khi đưa vào lò cao để nung lên. Trước đây lượng quặng mịn phải vất bỏ làm cho bãi thải chứa quặng mịn ngày một cao như núi, vừa gây ô nhiễm môi trường, vừa lãng phí tài nguyên, vừa tăng giá thành sản phẩm.Hiện nay, ở một số nhà máy, điển hình là nhà máy Phân lân Vân Điển,có giải pháp là tạo chất kết dính vô cơ đóng bánh toàn bộ lượng quặng min thải ra thành nguyên liệu đạt tiêu chuẩn theo kích cỡ nguyên liệu đưa vào lò cao.Quặng mịn quay trở lại sản xuất giúp tận dụng gần 300000 tấn quặng mịn đưa vào sản xuất.Lượng chất thải rắn từ chỗ tồn đọng nhiều năm không kiểm soát được, nay đã vơi dần và trở thành nguyên liệu phục vụ sản xuất, vừa tiết kiệm tài nguyên, vừa giải quyết ô nhiễm môi trường, vừa hạ giá thành sản phẩm - Chất thải rắn là lượng bụi phát sinh trong quá trình nghiền nguyên liệu, bụi phát sinh trong các dây chuyền sản xuất, và trong quá trình đóng bao bì sản phẩm Để xử lý lượng bụi trong quá trinh nghiền nguyên liệu,sau khi sàng khô, người ta tiến hàng sàng ướt để khử bụi tận gốc Để xử lý bụi phát sinh trong quá trinh sấy bán thành phẩm, tiến hành tạo ẩm hợp lý cho nguyên liệu(để lượng ẩm <5%), để không phải qua công đoạn sấy nữa. Với bụi phái sinh trong quá trinh nghiền sàng,và đong bao bì sản phẩm, ở công đoạn này người ta lắp đặt 6 hệ thống xiclon rửa bụi, 4 hệ thống hút, xử lý bụi máy đóng bao thu hồi triệt để bụi, không để cho bụi phát sinh ra ngoài đảm bảo môi trường Lượng bụi lại đem rửa qua lắng lọc trong hệ thống thu hồi làm phân lân mịn. Ngoài ra còn lượng chất thải rắn là cặn lắng lại sau quá trình trung hòa khí H2S, HF bằng sữa vôi.Cặn lắng lại này chính là CaF2.Cặn được xử lý bằng cách đem dùng làm nguyên liệu trong sản xuất HF , nguyên liệu trong quá trình sản xuất gốm sứ . Chất thải răn khác là xỉ Ni, Fe trong quá trình nung lò cao.Lượng xỉ này được tháo ra định kì sau mổi mẻ nung nguyên liệu 3.Nước thải Phát sinh trong quá trình : - làm lạnh lò cao - sàng ướt nguyên liệu trước khi vào lò - bơm nước làm lạnh liệu lỏng - nước của quá trình trung hòa khí thải Phương án xử lý : phải lắp đặt hệ thống thu triệt để các nước thải trên dẫn ra các bể lọc - Đối với 3 loại đầu có thể dẫn trong cùng một đường ống , trong nước chủ yếu là bụi quặng nên sau khi qua các bể lắng lọc thu triệt để lượng bụi này để có thể quay trở lại làm nguyên liệu như quặng mịn dưới cỡ. Còn nước sau khi đã được xử lý có thể tuần hoàn trở lại làm 3 nhiệm vụ đầu ( làm lạnh lò, sàng ướt nguyên liệu, bơm nước làm lạnh liệu lỏng) Nước này qua bộ phân trao đổi nhiệt để hạ đến nhiệt độ theo yêu cầu. - Còn nước thải của quá trình trung hòa khí HF + Ca (OH)2 à CaF2 + H2O H2S + Ca (OH)2 à CaS2 + H2O Nước sau quá trình này có độ pH nằm trong vùng axit sẽ dẫn qua bể trung hòa để đạt đến môi trường trung tính rồi mới được thải ra môi trường. Thực tế nước này có chứa một số nguyên tố vi lượng nên được phép thải ra môi trường thủy sinh có lợi cho thủy vật. Nước thải có độ pH từ 6,5- 7,5 vì lượng khí HF trong nước thải chỉ được xác định một cách tương đối nên quá trình trung hòa nước thải bằng sữa vôi không thế làm được một cách triệt để. Nước thải sau khi sử lý có thể hơi kiềm hơn hoặc hơi axit hơn.Biện pháp sử lý là cho lượng nước thải đi qua một bể trung hòa lần cuối cùng để đảm bảo lượng nước thải thải ra môi trường là trung tính. 4.Tiếng ồn Lắp đặt các hệ thống giảm tiếng ồn và các trấn động ở các máy nghiền, máy sàng… Trồng một vành đai cây xanh xung quanh nhà máy vừa giảm tiếng ồn vừa góp phần lọc không khí. Ngoài ra tình trạng chung là nông dân việt nam sử dụng phân bón không hợp lí bón quá nhiều làm lượng phân mà cây không hấp thụ được sẽ tồn dư trong đất quá lâu trở thành một nhân tố gây ô nhiễm, làm biến đổi thành phần đất, mất cân bằng các yếu tố trong đất. Chính vì thế đòi hỏi cả nhà sản xuất và người sử dụng phải có ý thức bảo vệ môi trường, sản xuất sạch và sử dụng hợp lý. IV. Các tài liệu sử dụng Công nghệ sản xuất phân bón vô cơ – La Văn Bình Kỹ thuật hóa đại cương - Tiến sĩ Nguyễn Thị Diệu Văn Sách Khoa học – Công nghệ - Môi trường _Viện Khoa học Công nghệ môi trường.