Sử dụng vật liệu compozit sản xuất từ nhựa PET phế thải thay thế gỗ trong sửa chữa tháp làm lạnh nước tại Cty xi măng Bỉm Sơn

Sử dụng vật liệu compozit sản xuất từ nhựa PET phế thải thay thế gỗ trong sửa chữa tháp làm lạnh nước tại Cty xi măng Bỉm Sơn
1. Mở đầu:
Trong dây chuyền công nghệ của nhà máy xi măng Bỉm Sơn do Liên Xô thiết kế và xây dựng trước đây có hệ thống tháp làm lạnh nước tuần hoàn có vai trò làm mát dòng nước nóng được dẫn về từ khu vực sản xuất. Mỗi tháp là một hệ thống kết cấu khung thép đàn hồi, kích thước 37 x 16,6 x 1,25 m bên trong chứa hệ thống quạt gió và hệ thống cấu kiện (modul hướng dòng БВЩ - 1 và chớp dập mưa BP – 1 và BP - 2) có tác dụng làm tản nhiệt của dòng nước nóng đưa vào phun trong tháp.

Công suất làm mát nước tối đa của mỗi tháp là 750 m3/h, nước được làm mát từ 400C xuống còn 310C (trong điều kiện nhiệt độ không khí là 300C). Các cấu kiện này được làm từ gỗ, ưu điểm của loại vật liệu này vào thời điểm đó là rẻ tiền, dễ thay thế khi hỏng hóc, dễ dàng gia công, lắp đặt. Tuy nhiên loại vật liệu này cũng mang những nhược điểm cơ bản của vật liệu gỗ truyền thống:
1. Gỗ có độ bền cơ lý kém nên phải làm dày (thiết kế dày ít nhất tới 10mm) điều này làm tăng khối lượng của các cấu kiện, tăng tải trọng tĩnh cho dàn (tổng khối lượng các cấu kiện/dàn là khoảng 93m3, tương đương cỡ 93 tấn khô).
2. Liên kết chính là mộng và dính. Do khả năng cong vênh lớn của gỗ lớn (nếu xử lý sấy tẩm kém) nên các cấu kiện, nhất là ở hệ 2 các mộng này rất chóng hỏng ở các khớp nối, trước cả khi gỗ mục nát.
3. Gỗ có độ hút nước lớn, tuỳ loại gỗ có thể huts nước từ 30%-100% khối lượng khô ban đầu, điều này làm tăng tải trọng tĩnh của dàn từ gấp rưỡi tới gấp đôi khối lượng các cấu kiện gỗ xếp lên dàn, tác động có hại đến độ bền của dàn mưa.
4. Là vật liệu có nguồn gốc thực vật nên gỗ kém bền khí hậu và vi sinh. Điều này đã được thể hiện rất rõ trong thực tế, nếu không ngâm tẩm thích hợp, sau hai năm hầu như đã hỏng. Nhược điểm này có thể khắc phục bằng cách ngâm tẩm hoá chất theo thiết kế ban đầu của Liên Xô để kéo dài tuổi thọ của gỗ nhưng quá trình xử lý này khá phức tạp, chi phí tốn kém.
5. Khi bị nát, các mảnh gỗ bị cuốn theo nước và có thẻ gây hại cho hệ thống đường ống, van nước và các máy móc liên quan đến nước tuần hoàn. Điều này đã được chứng minh trong quá trình hoạt động, khi bảo dưỡng hệ thống đường ống.
6. Môi trường gỗ xốp và ẩm là môi trường lý tưởng cho vi sinh phát triển, xác vi sinh là 1 nguồn bẩn thứ cấp đáng kể đối với nước tuần hoàn trong công nghiệp. Ở các nước công nghiệp phát triển, đối với hệ thống nước tuần hoàn người ta thường phải cho thêm các chất ức chế vi sinh vì lý do này.
7. Việc thay thế các cấu kiện này đòi hỏi một lượng gỗ lớn (93m3 gỗ/ giàn làm lạnh). Mặc dù là nước ở vùng nhiệt đới, có nhiều rừng rậm nhưng với nước ta nói riêng cũng như thế giới nói chung gỗ ngày càng trở nên quý hiếm do nguồn gỗ rừng ngày càng cạn kiệt, việc khai thác bị hạn chế.
Những nhược điểm trên đã dẫn đến việc tìm kiếm một giải pháp vật liệu thay thế cho vật liệu gỗ nhằm giảm chi phí cho quá trình sửa chữa các tháp làm lạnh đồng thời đảm bảo các yêu cầu về mặt kỹ thuật.
Xuất phát từ quan điểm đó, Viện Vật liệu xây dựng đã nghiên cứu, đề xuất phương án thay thế các cấu kiện gỗ bằng cấu kiện Polyme Compozit cốt sợi thủy tinh nền nhựa Polyeste không no sản xuất từ nhựa PET phế thải. Qua quá trình nghiên cứu, sản xuất, thi công lắp đặt và đưa vào sử dụng thử sản phẩm từ vật liệu gỗ truyền thống. Điều này không những đem lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cho công tác sửa chữa tháp làm lạnh mà còn mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi của loại vật liệu này tại thị trường trong nước.
2. Kết quả thực hiện
2.1 Vật liệu Polyme Composit từ nhựa Polyeste không no UPE -1 sản xuất từ nhựa PET phế thải
Vật liệu Polyme Composit là loại vật liệu tổ hợp được hình thành trên cơ sở nền là các chất kết dính polyme với nhiều chủng loại khác nhau như nhựa Epoxy, nhựa Polyeste không no, phenol phomandehyt...được gia cường bằng các loại sợi như sợi cacbon, sợi polyeste, nylon, sợi silic...và các thành phần phụ gia khác. Với những tính năng ưu việt so với các loại vật liệu truyền thống như độ bền riêng, modul đàn hồi riêng cao, chống mài mòn tốt, bền trong các môi trường xâm thực... vật liệu Polyme Compozit ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp đóng tàu, chế tạo máy bay, ô tô, vật liệu xây dựng và nhiều lĩnh vực khác của đời sống xã hội.
Cách đây, thực hiện nhiệm vụ của Bộ Xây dựng giao, Viện Vật liệu Xây dựng đã nghiên cứu thành công quy trình chế tạo nhựa Polyeste không no từ nhựa PET phế thải làm nguyên liệu cho sản xuất vật liệu Compozit. Đồng thời, đơn vị cũng đã ứng dụng loại vật liệu này vào sản xuất một số chế phẩm như vỏ tàu cao tốc, bồn chưa nước thải, bể nuôi tôm nước mặn, phao cứu sinh...
2.2 Sản xuất, lắp đặt các kết cấu bằng vật liệu compozit
2.2.1 Phương án thiết kế
Qua nghiên cứu về độ bền của vật liệu Compozit kết hợp với yêu cầu kỹ thuật đối với các cấu kiện làm việc trong dàn làm lạnh, chúng tôi đã thiết kế các cấu kiện bằng compozit có diện tích bề mặt bằng diện tích bề mặt của các cấu kiện gỗ, nhưng về chiều dày của các cấu kiện compozit sẽ bị mỏng đi để giảm tải trọng của toàn bộ dàn làm lạnh, cụ thể là:
+ Hệ thống hướng dòng không khí БВЩ - 1:
- Phần nam chớp gỗ kích thước: 1950 x 100 x 10 (mm) được thay thế bằng tấm Compozit kích thước: 1950 x 1700 x 3 (mm). Quanh các tấm có bổ sung gờ chịu lực dày 10mm, cao 15 mm, nhằm chống cong vênh, tăng cứng cho tấm và toàn khối.
- Phần khung thanh chịu lực gỗ kích thước: 1800 x 50 x 50 (mm) được thay thế bằng khung Compozit kích thước: 1800 x 25 x 20 (mm) đúc liền khối cùng tấm phẳng. Giải pháp này sẽ tăng cường tính đồng nhất và bền vững cho cấu kiện.
- Phần khung thanh đỡ dưới bằng gỗ kích thước: 1900 x 100 x 100 (mm) được thay thế bằng thanh Compozit 1900 x 25 x 25 (mm). Khung đỡ trên cũng được làm bằng thanh Compozit kích thước: 1500 x 30 x 25 (mm). Giữa tấm phẳng và khung đỡ được gia cố với nhau mỗi điểm bằng bu lông Ø6 và vít nở vuông góc Compozit, tạo cho cấu kiện tính vững chắc và chống xô lệch do rung động trong quá trình hoạt động.
- Các thanh giằng chéo được thay thế bằng 4 thanh Compozit hình khối kích thước 750 x 25 x 20 (mm). Các thanh này có tác dụng liên kết hai tấm chớp ngoài cùng với hai tấm chip ở giữa bằng kết cấu bu lông phủ nhựa, có tác dụng cố định các tấm phẳng, chống xô lệch do rung trong quá trình hoạt động.
- Các chớp dập mưa BP-1 và BP-2: Các cấu kiện gỗ: Loại dày 50mm rộng 180 được thay thế bằng cấu kiện compozit dầy 25 mm rộng 180 mm ở dạng khối. Các nan chớp dày 10mm được thay thế bằng nan dày 3mm. Điều này làm giảm khối lượng của cấu kiện từ 30 – 40%.
- Để giảm tải trọng và giá thành sản phẩm, các chi tiết dày 25 mm được chế tạo theo phương pháp đúc chi tiết có đưa lõi gỗ vào giữa. Đây là phương pháp sản xuất chi tiết chịu lực bằng vật liệu Compozit có tiết diện lớn vẫn được áp dụng khi chế tạo các khung, sườn cano, thuyền cao tốc, các bể mạ, bể xử lý nước thải, bể nuôi tôm, bể chế biến thuỷ sản... đang phổ biến ở nước ta cũng như trên thế giới, đây là giải pháp vừa mang tính kinh tế vừa đảm bảo kỹ thuật, bởi khi sản xuất các chi tiết vật liệu compozit có tiết diện lớn nếu sử dụng tất cả là nhựa UPE vừa lãng phí vừa khó gia công bởi khi lượng nhựa sử dụng lớn thì khi đóng rắn lượng nhiệt toả ra cũng lớn dễ gây cháy, hoặc làm cho sản phẩm bị biến dạng, cong vênh. Tuỳ diện tích của chi tiết mà thể tích vật liệu gỗ có thể chiếm 30% - 70% thể tích chi tiết. Gỗ đưa vào thường là gỗ thông, bởi gỗ thông có khả năng hút nhựa tốt, khi bọc compozit nhựa dễ thấm vào gỗ, đóng rắn và tạo ra lớp kết cấu dạng sandwich có cường độ chịu tải và độ bền lâu cao hơn nhiều.
2.2.2 Phương pháp tạo hình
Do đặc điểm là bề mặt các kết cấu tản nhiệt làm việc trong tháp làm lạnh không đòi hỏi tính thẩm mỹ cao, hơn nữa khối lượng sản phẩm lại rất lớn, với nhiều chi tiết, nên chúng tôi đã lựa chọn phương pháp tạo hình cho sản phẩm là phương pháp đúc tiếp xúc với các khuôn được làm bằng khuôn xi măng được tạo trên nền đất. Phương án này vừa đảm bảo cho quá trình thao tác diễn ra nhanh gọn, vừa đảm bảo các sản phẩm không bị cong, vênh khi tháo lắp.
2.3.3 Phương án thi công:
Do các điều kiện về mặt bằng sản xuất, nguồn nguyên liệu nên các chi tiết của các cấu kiện được sản xuất sẵn tại Viện Vật liệu Xây dựng theo phương án nói trên. Sau đó các chi tiết này được chuyển đến hiện trường các tháp làm lạnh, ráp với nhau tạo thành các cấu kiện hoàn chỉnh. Các cấu kiện được đưa chuyển lắp đặt lên dàn làm lạnh vào các giá đỡ và quang treo bằng hệ thống ròng rọc. Tổng khối lượng bao gồm 272 cấu kiện hướng dòng БВЩ -1 và 122 cấu kiện chớp dập mưa BP-1, BP – 2 đã được đặt nhanh gọn, không xảy ra sự cố hay hỏng hóc nào.
3. Kết luận:
1. Việc thay thế các kết cấu gỗ vật liệu compozit để sửa chữa tháp làm lạnh của Công ty xi măng Bỉm Sơn là việc làm cần thiết, mang lại hiệu quả kinh tế, kỹ thuật cao, tuổi thọ cả giàn sẽ tăng lên gấp nhiều lần.
2. Trọng tải tĩnh của giàn giảm từ 40 – 50 tấn, do vậy các hệ thống gia cố để đỡ tải trọng cũng ít hơn rất nhiều. Chất lượng nước tốt hơn, tránh sự cố do mảnh gõ bị vỡ, tắc hệ thống ống thoát. Kéo dài chu kỳ bảo dưỡng, tăng hiệu suất sử dụng, tiết kiệm kinh phí, nhân công sửa chữa.
3. Hạn chế việc sử dụng hàng trăm m3 gỗ trong mỗi kỳ sửa chữa góp phần hạn chế việc khai thác, sử dụng gỗ rừng, bảo vệ thiên nhiên.
4. Quá trình sản xuất, thi công đơn giản, thời gian thi công nhanh chóng, tính an toàn trong sản xuất cao hơn nhiều so với gỗ. Khi sản phẩm bị hư hại một phần, việc sửa chữa thay thế vẫn có thể tiến hành một cách đơn giản, nhanh chóng tiện lợi.
5. Sản phẩm đưa vào sử dụng đến nay sau gần một năm vẫn chưa hề có dấu hiệu suy giảm chất lượng.
6. Thực tế trên cho thấy khả năng ứng dụng to lớn của sản phẩm vật liệu compozit góp phần thúc đẩy công tác nghiên cứu, sản xuất vật liệu các loại vật liệu Compozit với các tính năng đặc biệt thay thế cho các vật liệu truyền thống.

(Nguồn tin: Theo Tạp chí Thông tin KHCN Vật liệu xây dựng, số 3/2005)