Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật nhiệt: Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:184

Thêm vào BST

Báo xấu

120
lượt xem 15
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận án là: Xác định quy luật truyền nhiệt trong lò quay có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa, đồng thời tính toán lượng nhiệt trao đổi giữa các thành phần tham gia trao đổi nhiệt để làm cơ sở cho thiết kế và vận hành các loại lò quay nhằm mục đích cuối cùng là nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm tiêu hao nhiên liệu cho lò.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật nhiệt: Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN ĐĂNG KHOÁT NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG LÕ QUAY XI MĂNG CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƢỞNG CỦA QUÁ TRÌNH CHÁY VÀ BỨC XẠ NHIỆT CỦA NGỌN LỬA LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT HÀ NỘI - 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN ĐĂNG KHOÁT NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG LÕ QUAY XI MĂNG CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƢỞNG CỦA QUÁ TRÌNH CHÁY VÀ BỨC XẠ NHIỆT CỦA NGỌN LỬA Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt Mã số: 62520115 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. TRẦN GIA MỸ 2. GS. TSKH. ĐẶNG QUỐC PHÖ HÀ NỘI - 2016
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết quả trong luận án là trung thực và chưa có ai công bố trong bất kỳ công trình nào. Hà Nội, ngày 18 tháng 4 năm 2016 TM. Tập thể hướng dẫn khoa học Tác giả luận án PGS. TS. TRẦN GIA MỸ NGUYỄN ĐĂNG KHOÁT
ii LỜI CẢM ƠN Luận án tiến sĩ với đề tài: "Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa " đã được hoàn thành trong thời gian từ tháng 10 năm 2009 đến tháng 10 năm 2015 tại Trung tâm nghiên cứu ứng dụng, Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt - Lạnh, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến hai Thầy hướng dẫn khoa học, PGS. TS. Trần Gia Mỹ và GS. TSKH. Đặng Quốc Phú đã dành nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn, định hướng nghiên cứu giúp tác giả hoàn thành luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt - Lạnh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tác giả xin trân trọng cảm ơn các Thầy giáo, Cô giáo trong Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt - Lạnh đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo cũng như những góp ý rất quý báu trong quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn các đồng nghiệp trong Bộ môn Kỹ thuật Nhiệt, Ban chủ nhiệm Khoa Cơ khí, Ban Giám hiệu Trường Đại học Giao thông Vận tải đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả tập trung nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo nhà máy xi măng Bút Sơn, Hà Nam đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tác giả được tiếp cận, thu thập số liệu thực tế cũng như tiến hành đo đạc các thông số cần thiết phục vụ quá trình nghiên cứu đề tài. Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn vô hạn đến gia đình và người thân đã luôn ở bên tác giả những lúc khó khăn nhất để khuyến khích, động viên và tạo điều kiện về mọi mặt giúp tác giả hoàn thành bản luận án này. Hà Nội, ngày 18 tháng 4 năm 2016 Tác giả luận án NGUYỄN ĐĂNG KHOÁT
iii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN……………………………………………………………………... i LỜI CẢM ƠN…………………………………………………………………………. ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT…………………………………. vii DANH MỤC CÁC BẢNG……………………………………………………………. xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ……………………………………………… xii MỞ ĐẦU……………………………………………………………………………… 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN NHIỆT TRONG LÕ QUAY XI MĂNG…………………………………………………………………………….. 4 1.1. Tổng quan về công nghệ sản xuất xi măng……………………………………….. 4 1.2. Lò quay xi măng và các đặc trưng cơ bản………………………………………... 7 1.3. Nhiên liệu và các yêu cầu về nhiên liệu cho lò quay xi măng……………………. 9 1.4. Tổng quan các kết quả nghiên cứu về truyền nhiệt trong lò quay xi măng………. 10 1.4.1. Các kết quả nghiên cứu ở nước ngoài………………………………...……….. 10 1.4.1.1. Các quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng……………………………. 10 1.4.1.2. Các mô hình truyền nhiệt bức xạ trong lò quay xi măng……………………... 20 1.4.2. Các kết quả nghiên cứu ở Việt Nam…………………………………………... 29 1.5. Một số vấn đề tồn tại và nội dung nghiên cứu của luận án……………………….. 32 1.6. Kết luận chương 1………………………………………………………………… 33 CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU……………..…….………………. 35 2.1. Phương pháp nghiên cứu…………………………………………………………. 35 2.1.1. Nghiên cứu lý thuyết. ………………………………...………………………… 35 2.1.1.1. Ảnh hưởng đặc tính bức xạ của môi trường khí trong lò quay xi măng……… 37 2.1.1.2. Ảnh hưởng của tường lò quay………………………………………………... 40 2.1.1.3. Ảnh hưởng của vùng khí hồi lưu……………………………………………... 42
iv 2.1.2. Nghiên cứu thực nghiệm………………………………………………………... 43 2.1.3. Nghiên cứu mô phỏng bằng phương pháp số CFD…………………………….. 44 2.2. Kết luận chương 2………………………………………………………………… 46 CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG LÕ QUAY XI MĂNG CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƢỞNG CỦA QUÁ TRÌNH CHÁY VÀ BỨC XẠ NHIỆT CỦA NGỌN LỬA………………………………………………... 47 3.1. Các vùng truyền nhiệt trong lò quay xi măng…………………………………….. 47 3.2. Xác định vùng có ngọn lửa trong lò quay xi măng……………………………….. 48 3.2.1. Sự hình thành ngọn lửa than phun trong lò quay xi măng……………………… 48 3.2.2. Chiều dài ngọn lửa than phun trong lò quay xi măng…………………………... 53 3.3. Hệ số cháy kiệt……………………………………………………………………. 55 3.4. Mô hình toán học nghiên cứu quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa …………………….. 55 3.4.1. Mô hình toán học trong vùng có ngọn lửa……………………………………… 55 3.4.1.1. Các giả thiết khi xây dựng mô hình…………………………………………... 55 3.4.1.2. Mô hình toán học……………………………………………………………... 56 3.4.1.3. Phương pháp giải mô hình toán học………………………………………….. 60 3.4.1.4. Phương pháp xác định các hệ số trao đổi nhiệt……………………………… 62 3.4.1.5. Phương pháp xác định hệ số góc bức xạ……………………………………… 69 3.4.2. Mô hình toán học trong vùng không có ngọn lửa………………………………. 71 3.4.2.1. Các giả thiết khi xây dựng mô hình………………………………………….. 72 3.4.2.2. Mô hình toán học……………………………………………………………... 72 3.5. Mô phỏng số CFD quá trình cháy than phun trong lò quay xi măng………...…... 75 3.5.1. Mô hình hình học của bài toán và chia lưới mô hình…………………………... 75 3.5.1.1. Mô hình hình học của bài toán……………………………………………….. 75 3.5.1.2. Chia lưới mô hình…...………………………………………………………... 76
v 3.5.2. Mô hình mô phỏng quá trình cháy than phun trong lò quay xi măng…………... 77 3.5.2.1. Các phương trình chủ đạo trong mô phỏng bằng phương pháp số CFD……... 77 3.5.2.2. Mô hình toán học mô phỏng quá trình cháy than phun………………………. 78 3.5.3. Điều kiện ban đầu……………..………………………………………………... 81 3.6. Kết luận chương 3………………………………………………………………… 81 CHƢƠNG 4. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ VỎ LÕ QUAY XI MĂNG…………………………………………………………………………….. 82 4.1. Thiết bị thực nghiệm và thiết bị đo……………………………………………….. 82 4.2. Bố trí thiết bị đo…………………………………………………………………... 85 4.3. Phương pháp tiến hành thực nghiệm………….………………………………….. 86 4.4. Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm…………………………………………. 87 4.5. Kết quả đo………………………………………………………………………… 88 4.6. Kết luận chương 4………………………………………………………………… 91 CHƢƠNG 5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN……………………… 92 5.1. Đối tượng tính toán……………………………………………………………….. 92 5.2. Kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa.. 94 5.2.1. Xác định vùng ngọn lửa trong lò quay xi măng………………………………... 94 5.2.2. Phân bố nhiệt độ của khí, tường lò và vật nung………………………………… 95 5.2.3. Đường cong cháy kiệt…………………………………………………………... 100 5.2.4. Lượng nhiệt vật nung nhận được……………………………………………….. 100 5.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng…………………………………………………………………………... 103 5.3.1. Ảnh hưởng của mức điền đầy…………………………………………………... 104 5.3.2. Ảnh hưởng chuyển động quay của lò…………………………………………... 108
vi 5.4. Kết quả nghiên cứu mô phỏng số CFD quá trình cháy than phun trong lò quay xi măng…………………………………………………………………………………… 110 5.5. Kết luận chương 5………………………………………………………………… 112 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……………………………………………………….. 114 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN…………….. 117 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………… 118 PHỤ LỤC A. Một số công thức tính toán để giải mô hình toán học…………………. 126 PHỤ LỤC B. Chương trình thực hiện mô phỏng số CFD quá trình cháy than phun trong lò quay xi măng…………………………………………………………………. 127 PHỤ LỤC 1. Kết quả giải mô hình toán học với điều kiện vận hành của lò quay xi măng Bút Sơn: G = 166660 kg/h, n = 3 v/ph,  = 12%, ta = 350C, tnl = 800C………... 134 PHỤ LỤC 2. Kết quả tính toán phân bố nhiệt độ của vật nung và lượng nhiệt vật nung nhận được khi mức điền đầy thay đổi  = 13%,  = 13,2% và giữ các thông số còn lại không đổi: n = 3 v/ph, ta = 350C, tnl = 800C…………………………………… 148 PHỤ LỤC 3. Kết quả tính toán phân bố nhiệt độ của vật nung và lượng nhiệt vật nung nhận được khi mức điền đầy thay đổi  = 12,1%,  = 12,2% và giữ các thông số còn lại không đổi: n = 3 v/ph, ta = 350C, tnl = 800C……………………………….. 155 PHỤ LỤC 4. Kết quả tính toán phân bố nhiệt độ của vật nung và lượng nhiệt vật nung nhận được khi tốc độ quay của lò thay đổi n = 2,7 ‚ 3,1 v/ph và giữ các thông số còn lại không đổi: G = 166660 kg/h, ta = 350C, tnl = 800C…………………………. 162
vii Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt Ký hiệu Tên gọi Đơn vị đo Chữ viết tắt a Hệ số dẫn nhiệt độ m2/s A Hệ số hấp thụ - Di Đường kính trong của lò m Do Đường kính ngoài của lò m L Chiều dài lò m Ri Bán kính trong của lò m Ro Bán kính ngoài của lò m Rw Hệ số phản xạ của tường lò - Rs Hệ số phản xạ của vật nung - Lm Chiều dài trung bình của tia bức xạ m F Diện tích m2 V Thể tích m3 mg Lưu lượng khối lượng của khí kg/s Ki Hệ số làm yếu tia bức xạ - p Phân áp suất của chất khí atm G Năng suất lò kg/h K Hệ số truyền nhiệt W/m2.K Ji Mật độ dòng bức xạ hiệu dụng của bề mặt i W/m2 Ei Năng suất bức xạ của bề mặt i W/m2 Et, i Mật độ dòng bức xạ tới trên bề mặt i W/m2 Eo Năng suất bức xạ của vật đen tuyệt đối W/m2 Q Dòng nhiệt kW q Mật độ dòng nhiệt kW/m2
viii mo Lưu lượng khối lượng hỗn hợp không khí và kg/s nhiên liệu mr Lưu lượng khối lượng của khí hồi lưu kg/s ms Lưu lượng khối lượng của vật nung kg/s do Đường kính miệng vòi phun m cp Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp của sản kJ/kg.K phẩm cháy cps Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp của vật kJ/kg.K nung Lf Chiều dài ngọn lửa m n Tốc độ quay của lò v/ph x Khoảng cách tính từ miệng vòi phun m vg Tốc độ chuyển động của dòng khí m/s Hu Nhiệt trị thấp của nhiên liệu kJ/kg De Kích thước xác định m o t Nhiệt độ bách phân C T Nhiệt độ tuyệt đối K i Entanpi kJ/kg z Chiều dày của phần tử tính toán m ReD Trị số Reynolds theo phương dọc trục - Re Trị số Reynolds theo góc quay - Nu Tiêu chuẩn Nusselt - Pr Tiêu chuẩn Prandtl - Gr Tiêu chuẩn Grashof - Ký tự Hy Lạp  Hệ số tỏa nhiệt đối lưu W/m2.K
ix  Hệ số dẫn nhiệt W/m.K (Lm) Hệ số xuyên qua -  Độ đen - o Hằng số bức xạ của vật đen tuyệt đối W/m2.K4  Chiều dài trung bình bước sóng của phổ năng m lượng  Hệ số góc bức xạ -  Tốc độ quay của lò rad/s L Một nửa góc chắn bởi cung tròn chứa vật nung rad  Góc chắn bởi cung tròn chứa vật nung rad  Góc quay của lò rad β Góc nghiêng của lò độ  Thời gian s  Chiều dày tường lò m  Hệ số cháy kiệt -  Biến thiên hệ số cháy kiệt - a Khối lượng riêng của không khí đi vào vòi phun kg/m3 o Khối lượng riêng của hỗn hợp không khí và kg/m3 nhiên liệu  Độ nhớt động lực N.s/m2  Mức điền đầy của vật nung % Chỉ số Ý nghĩa trên, dƣới a Môi trường không khí sh Vỏ lò f Ngọn lửa
x g Khí lò w Tường lò s Vật nung o Thông số ban đầu pl Dòng không khí cấp 1 sa Dòng không khí cấp 2 nl Dòng nhiên liệu e Dòng sơ cấp bx Bức xạ đl Đối lưu đn Đốt nóng ln Làm nguội z Vị trí z z + z Vị trí z + z Các chữ Ý nghĩa viết tắt SPC Sản phẩm cháy KK1 Không khí cấp 1 KK2 Không khí cấp 2 NL Nhiên liệu VN Vật nung TĐN Trao đổi nhiệt CFD Tính toán động lực học dòng chảy
xi Danh mục các bảng Bảng 1.1. Nhiệt độ và nhiệt phản ứng của các vùng trong lò quay xi măng.................... 7 Bảng 1.2. Chiều dài bước sóng quan trọng đối với đặc tính bức xạ của khí CO2 và H2O................................................................................................................................... 12 Bảng 1.3. Công thức xác định hệ số truyền nhiệt giữa tường lò và vật nung khi chúng tiếp xúc với 19 nhau............................................................................................................... Bảng 3.1. Các nhiệt trở và hệ số trao đổi nhiệt của mô hình trong vùng có ngọn lửa..... 59 Bảng 3.2. Các nhiệt trở và hệ số trao đổi nhiệt của mô hình trong vùng không có ngọn lửa..................................................................................................................................... 74 Bảng 3.3. Các hằng số hiệu chỉnh trong mô hình dòng chảy rối k - ............................. 78 Bảng 4.1. Các thông số cơ bản của lò quay xi măng Bút Sơn......................................... 82 Bảng 4.2. Các thông số làm việc của thiết bị đo TMC8 - HT.......................................... 84 Bảng 4.3. Kết quả đo biến thiên nhiệt độ vỏ lò dọc theo chiều dài.................................. 89 Bảng 4.4. Nhiệt độ của lò tại một số vị trí đặc trưng....................................................... 90 Bảng 5.1. Các thông số tính toán của lò quay xi măng Bút Sơn...................................... 92 Bảng 5.2. Thành phần sử dụng của than cám sau khi sấy, % khối lượng……………… 93 Bảng 5.3. Kết quả tính toán cháy than phun trong lò quay xi măng Bút Sơn………….. 94 Bảng 5.4. Thông số đặc trưng của quá trình trao đổi nhiệt trong lò quay xi măng Bút Sơn……………………………………………………………………………………… 96 Bảng 5.5. Kết quả tính toán và thực tế…………………………………………………. 98
xii Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 1.1. Quy trình công nghệ sản xuất xi măng........................................................... 5 Hình 1.2. Hệ thống thiết bị sản xuất xi măng................................................................. 6 Hình 1.3. Các vùng phản ứng trong lò quay xi măng.................................................... 7 Hình 1.4. Các quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng.......................................... 11 Hình 1.5. Độ đen của khí CO2........................................................................................ 13 Hình 1.6. Độ đen của hơi nước (H2O) và hệ số hiệu chỉnh β......................................... 14 Hình 1.7. Độ hiệu chỉnh ............................................................................................ 15 Hình 1.8. Phân bố nhiệt độ của khí và vật nung dọc theo chiều dài lò.......................... 21 Hình 1.9. Sơ đồ mạch điện của phương pháp tương tự nhiệt - điện.............................. 28 Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc nghiên cứu lý thuyết quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng khi xét tới ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa .............. 36 Hình 2.2.Các quá trình bức xạ và hấp thụ nhiệt trong lò quay xi măng xét cho các tia nhiệt xuất phát từ bề mặt thoáng của vật nung............................................................... 37 Hình 2.3. Các quá trình bức xạ và hấp thụ nhiệt trong lò quay xi măng xét cho các tia nhiệt bức xạ từ khí lò................................................................................................. 38 Hình 2.4. Biến thiên nhiệt độ bề mặt bên trong của tường lò theo góc quay (theo thời gian)................................................................................................................................ 40 Hình 2.5. Mô hình xác định nhiệt lượng vật nung nhận được từ phía mặt thoáng........ 41 Hình 2.6. Vùng khí hồi lưu trong lò quay xi măng........................................................ 42 Hình 2.7. Sơ đồ cấu trúc mô phỏng quá trình cháy than phun bằng phương pháp 44 CFD................................................................................................................................. Hình 3.1. Các dòng nhiệt của các vùng trong lò quay xi măng..................................... 47 Hình 3.2. Mô hình truyền nhiệt trong vùng có ngọn lửa................................................ 56 Hình 3.3. Mô hình tương tự nhiệt - điện trong vùng có ngọn lửa.................................. 58 Hình 3.4. Sơ đồ thuật toán giải mô hình toán học bằng phương pháp Newton - Raphson.......................................................................................................................... 61
xiii Hình 3.5. Hệ số góc bức xạ của hai vật đặt bất kỳ trong không gian............................. 69 Hình 3.6. Các thành phần tham gia trao đổi nhiệt trong vùng có ngọn lửa................... 70 Hình 3.7. Quá trình truyền nhiệt giữa tường lò và vật nung phía mặt thoáng............... 71 Hình 3.8. Mô hình truyền nhiệt trong vùng không có ngọn lửa..................................... 72 Hình 3.9. Mô hình tương tự nhiệt - điện trong vùng không có ngọn lửa....................... 73 Hình 3.10. Mô hình hình học lò quay xi măng.............................................................. 76 Hình 3.11. Mô hình vòi phun……………………………………………………......... 76 Hình 3.12. Chia lưới mô hình theo phương pháp Sweep Mesh………………………. 76 Hình 4.1. Lò quay xi măng Bút Sơn………………………………………………….. 82 Hình 4.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống giám sát nhiệt độ lò…………. 83 Hình 4.3. Phương pháp xác định vị trí thiết bị nhận tín hiệu nhiệt độ vỏ lò.................. 85 Hình 4.4. Bố trí thiết bị nhận tín hiệu nhiệt độ vỏ lò..................................................... 85 Hình 4.5. Vị trí lấy số liệu nhiệt độ vỏ lò…………....................................................... 88 Hình 4.6. Các thông số vận hành của lò………………………………......................... 90 Hình 5.1. Vòi phun đa kênh dạng tròn đốt than antraxit................................................ 93 Hình 5.2. Phân bố nhiệt độ của khí, tường lò, vật nung và vỏ lò theo chiều dài........... 97 Hình 5.3. Biến thiên nhiệt độ vỏ lò theo chiều dài giữa lý thuyết và thực nghiệm…… 98 Hình 5.4. Đường cong cháy kiệt.................................................................................... 100 Hình 5.5. Lượng nhiệt vật nung nhận được bằng bức xạ và đối lưu từ phía mặt thoáng.............................................................................................................................. 101 Hình 5.6. Lượng nhiệt vật nung nhận được từ tường lò................................................ 102 Hình 5.7. Ảnh hưởng của mức điền đầy đến lượng nhiệt vật nung nhận được............. 105 Hình 5.8. Ảnh hưởng của mức điền đầy đến tổn thất nhiệt qua vỏ lò............................ 105 Hình 5.9. Ảnh hưởng của mức điền đầy đến phân bố nhiệt độ của vật nung………… 105 Hình 5.10. Ảnh hưởng của mức điền đầy đến phân bố nhiệt độ của vật nung trong phạm vi từ 12 ‚ 12,1%................................................................................................... 107
xiv Hình 5.11. Ảnh hưởng của mức điền đầy đến lượng nhiệt vật nung nhận được trong phạm vi từ 12 ‚ 12,1%................................................................................................... 107 Hình 5.12. Ảnh hưởng của chuyển động quay đến phân bố nhiệt độ của vật nung…... 109 Hình 5.13. Ảnh hưởng của chuyển động quay đến lượng nhiệt vật nung nhận được… 109 Hình 5.14. Phân bố nhiệt độ của khí dọc theo chiều dài lò…………………………… 110 Hình 5.15. Phân bố nhiệt độ của tường dọc theo chiều dài lò……………………… 110 Hình 5.16. Phân bố nhiệt độ của vật nung dọc theo chiều dài lò…………………… 111 Hình 5.17. Phân bố nhiệt độ vỏ lò dọc theo chiều dài lò…………………………… 111
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Xi măng là vật liệu cơ bản không thể thiếu trong tất cả các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp. Nhu cầu tiêu thụ xi măng trên thế giới cũng như ở Việt Nam không ngừng tăng. Để đáp ứng nhu cầu này, không những cần tăng số lượng các nhà máy mà còn phải hoàn thiện công nghệ và thiết bị. Trải qua nhiều giai đoạn phát triển, công nghệ sản xuất xi măng bằng lò đứng đã được thay thế bởi công nghệ sản xuất xi măng bằng lò quay theo phương pháp ướt rồi đến ngày nay là công nghệ sản xuất xi măng bằng lò quay theo phương pháp khô có khả năng tự động hóa hoàn toàn, tiêu tốn ít năng lượng, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và cho chất lượng xi măng rất cao. Trong công nghệ sản xuất xi măng, chất lượng sản phẩm cũng như mức độ tiết kiệm năng lượng được quyết định chủ yếu bởi các quá trình trao đổi nhiệt hay chế độ gia nhiệt cho lò. Bởi vậy, nghiên cứu các quá trình trao đổi nhiệt trong lò quay sẽ góp phần làm giảm tiêu hao nhiên liệu, nâng cao chất lượng sản phẩm và qua đó tác động rất lớn tới việc giảm giá thành sản phẩm. Do đó, đây là lĩnh vực nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn. Các quá trình truyền nhiệt trong lò quay rất phức tạp và đa dạng, bao gồm cả ba phương thức truyền nhiệt: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ; các quá trình này chồng chéo và ảnh hưởng lẫn nhau. Không những vậy, chuyển động quay của lò là nguyên nhân chính làm cho các quá trình truyền nhiệt trong lò quay có những nét đặc trưng riêng so với các lò công nghiệp đứng yên. Các đặc trưng riêng này thể hiện ở cả quá trình truyền nhiệt bên trong lò lẫn bên ngoài lò. Do tầm quan trọng cũng như tính đặc thù của các quá trình truyền nhiệt trong lò quay nên đã có hàng loạt các công trình nghiên cứu về truyền nhiệt trong lò quay mà trọng tâm là xây dựng các mô hình toán học ngày càng hoàn thiện hơn để mô tả một cách đầy đủ và chi tiết các quá trình truyền nhiệt thực tế xảy ra trong lò, nhưng sự phức tạp và đa dạng của chúng khiến cho vẫn còn nhiều vấn đề chưa được giải quyết thỏa đáng. Các lò quay xi măng làm việc ở nhiệt độ cao bao giờ cũng có vùng phát nhiệt, tại đây nhiên liệu được đốt cháy dưới dạng ngọn lửa phun. Bởi vậy, xét trên khía cạnh về truyền nhiệt thì lò quay được chia theo chiều dài làm hai vùng lò đặc trưng: vùng có ngọn lửa (vùng cháy) và vùng không có ngọn lửa (vùng sau cháy). Sự xuất hiện của vùng ngọn lửa
2 không chỉ ảnh hưởng đến toàn bộ quá trình truyền nhiệt trong lò mà còn là vùng có ảnh hưởng quyết định đến chất lượng xi măng. Bằng phương pháp lý thuyết và thực nghiệm, luận án này tập trung nghiên cứu các quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa, phân tích các phương pháp tính toán trao đổi nhiệt bức xạ khác nhau và từ đó xây dựng mô hình toán học mô tả quy luật truyền nhiệt của các thành phần tham gia trao đổi nhiệt trong lò nhằm phục vụ cho việc thiết kế và vận hành các loại lò quay xi măng khác nhau. 2. Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của luận án là: Xác định quy luật truyền nhiệt trong lò quay có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa, đồng thời tính toán lượng nhiệt trao đổi giữa các thành phần tham gia trao đổi nhiệt để làm cơ sở cho thiết kế và vận hành các loại lò quay nhằm mục đích cuối cùng là nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm tiêu hao nhiên liệu cho lò. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Các lò công nghiệp có chung một nhiệm vụ là tạo ra một môi trường thích hợp để thực hiện quá trình gia nhiệt cho vật nung trong một quá trình công nghệ nào đó. Sự đa dạng của các quá trình công nghệ nhiệt làm cho chủng loại của các lò công nghiệp rất phong phú. Trong số đó phải kể đến các loại lò quay, đây là một trong những loại lò công nghiệp được ứng dụng rất phổ biến hiện nay, trong nhiều lĩnh vực công nghệ khác nhau như công nghiệp xử lý chất thải, công nghiệp hóa chất, công nghiệp nung luyện vật liệu và đặc biệt là trong công nghiệp sản xuất xi măng. Ngày nay, hầu hết lượng xi măng đồ sộ mà loài người tiêu thụ hàng năm được sản xuất bởi các lò quay. Đối tượng nghiên cứu là lò quay sản xuất xi măng theo phương pháp khô được chúng tôi lựa chọn để nghiên cứu bởi đây không chỉ là thiết bị có tính phổ biến và tầm quan trọng trong công nghiệp sản xuất xi măng hiện nay mà còn bởi những quá trình truyền nhiệt rất đặc trưng xảy ra trong lò. Chất lượng clinker và khả năng tiết kiệm năng lượng trong quá trình sản xuất xi măng được quyết định chủ yếu bởi chế độ nhiệt của lò. Vì vậy, trong luận án này chúng tôi xác định: Phạm vi nghiên cứu là các quá trình truyền nhiệt trong lò quay. Cũng cần lưu ý rằng, các kết quả tính toán cho đối tượng cụ thể được đề cập trong luận án là các lò quay đốt than phun cũng chỉ bởi đây là loại nhiên liệu được sử dụng phổ biến
3 nhất trong các lò quay sản xuất xi măng hiện nay, chứ không có nghĩa là phạm vi nghiên cứu chỉ giới hạn ở các loại lò sử dụng nhiên liệu này. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Luận án được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm trên cơ sở các số liệu đo đạc thực tế và mô phỏng bằng phương pháp số CFD. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu Về mặt lý thuyết, luận án làm sáng tỏ cơ chế truyền nhiệt trong lò quay khi xét tới ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa và góp phần bổ sung vào lý thuyết truyền nhiệt truyền chất những quá trình truyền nhiệt rất đặc trưng và đa dạng này. Về mặt thực tiễn, kết quả nghiên cứu của luận án không chỉ làm cơ sở cho thiết kế các lò quay xi măng mà còn góp phần xây dựng một phương pháp luận để thiết lập các thông số vận hành tối ưu cho lò.
4 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN NHIỆT TRONG LÕ QUAY XI MĂNG Trên cơ sở hiểu biết về công nghệ và thiết bị sản xuất xi măng mới có thể phân tích, đánh giá các quá trình truyền nhiệt trong lò nung clinker một cách khoa học và chính xác. Phân tích tổng quan những thành tựu nghiên cứu về truyền nhiệt trong lò quay để từ đó làm cơ sở xác định mục tiêu và nhiệm vụ của luận án là nội dung chính được giải quyết trong chương này. 1.1. Tổng quan về công nghệ sản xuất xi măng Xi măng là sản phẩm của hỗn hợp nghiền mịn bao gồm clinker, thạch cao và chất phụ gia công nghệ. Xi măng là vật liệu quan trọng nhất trong xây dựng các công trình dân dụng và công nghiệp, đây là loại vật liệu có tính năng đặc biệt so với các loại vật liệu khác. Tại Việt Nam, xi măng là một trong những ngành công nghiệp được hình thành sớm nhất. Nhà máy sản xuất xi măng đầu tiên của Việt Nam được xây dựng ở Hải Phòng vào năm 1889 và đến nay đã có hàng trăm công ty, đơn vị tham gia trực tiếp vào sản xuất và phục vụ sản xuất xi măng trong cả nước. Theo Võ Đình Lương [31], công nghệ sản xuất xi măng được chia làm ba công đoạn chính, thể hiện trên hình 1.1. Trong số các công đoạn này, quá trình nung để tạo ra clinker là công đoạn quan trọng nhất trong quy trình công nghệ sản xuất xi măng. Bởi vậy, luận án tập trung nghiên cứu các quá trình truyền nhiệt trong công đoạn này. Nguyên liệu dùng trong sản xuất xi măng là đá vôi, đất sét và các chất phụ gia công nghệ. Trong đó, đá vôi là nguyên liệu chủ yếu. Theo Hoàng Văn Phong [8], đá vôi dùng làm nguyên liệu sản xuất xi măng Portland phải đảm bảo yêu cầu về hàm lượng các chất, cụ thể: CaCO3 > 85% và MgCO3 < 5%; đất sét là thành phần nguyên liệu đứng thứ hai sau đá vôi, hỗn hợp nguyên liệu đất sét dùng để sản xuất xi măng phải đảm bảo hàm lượng các ôxít: SiO2 = 55  70%, Al2O3 = 10  24%, K2O + Na2O  3%. Ngoài hai thành phần chính là đá vôi và đất sét, trong công nghệ sản xuất xi măng còn có các chất phụ gia công nghệ. Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, ngành công nghiệp sản xuất xi măng cũng không ngừng phát triển. Từ công nghệ sản xuất xi măng bằng lò đứng đến công nghệ sản xuất xi măng bằng lò quay theo phương pháp ướt rồi đến công nghệ hiện đại nhất hiện nay là bằng công nghệ lò quay theo phương pháp khô.