Tóm tắt 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:27

Thêm vào BST

Báo xấu

87
lượt xem 7
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: Tóm tắt 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 Chuyên ngành: Kỹ thuật Nhiệt Mã số: 62520115 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT Hà Nội - 2016
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Trần Gia Mỹ 2. GS. TSKH. Đặng Quốc Phú Phản biện 1: GS. TSKH. Trần Văn Phú Phản biện 2: GS. TSKH. Nguyễn Minh Tuyển Phản biện 3: PGS. TS. Lê Công Cát Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án Tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ……… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
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 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
2 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 Đối tượng nghiên cứu là lò quay sản xuất xi măng theo phương pháp khô. 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 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. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG 1.1. Tổng quan về công nghệ sản xuất xi măng Trong mục này, chúng tôi giới thiệu tổng quan về công nghệ sản xuất xi măng và mức nhiệt độ yêu cầu trong quá trình gia nhiệt cho vật nung. 1.2. Lò quay xi măng và các đặc trƣng cơ bản Lò quay xi măng là một ống thép hình trụ có xây gạch chịu lửa, cách nhiệt ở bên trong, quay quanh trục với tốc độ 1 ÷ 3 v/ph và được đặt nghiêng so với mặt phẳng nằm ngang một góc 3 ÷ 5 độ. Những đặc trưng cơ bản của lò quay thể hiện cả về đặc trưng hình học lẫn đặc trưng về truyền nhiệt. 1.3. Nhiên liệu và các yêu cầu về nhiên liệu cho lò quay xi măng Nhiên liệu sử dụng trong công nghiệp sản xuất xi măng thường gồm cả ba loại: khí, lỏng, rắn; nhưng sử dụng phổ biến nhất hiện nay là nhiên liệu rắn. 1.4. Tổng quan các kết quả nghiên cứu về truyền nhiệt trong lò quay xi măng 1.4.1. Các kết quả nghiên cứu ở nƣớc ngoài 1.4.1.1. Các quá trình truyền nhiệt trong lò quay Quá trình truyền nhiệt trong lò quay rất phức tạp 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. 1.4.1.2. Các mô hình truyền nhiệt bức xạ trong lò quay xi măng Mô hình tính toán đầu tiên về truyền nhiệt trong lò quay xi măng được Gygi [127] dựng vào năm 1937, dựa trên các kết quả nghiên cứu thực nghiệm đối với một lò quay đang hoạt động, theo đó Gygi đã tiến hành đo nhiệt độ của khí và vật nung tại
3 rất nhiều vị trí khác nhau dọc theo chiều dài lò kết hợp với đo các thông số nhiệt vật lý của vật nung bằng cách lấy mẫu vật nung tại các vị trí khác nhau trong lò. Từ kết quả thực nghiệm, Gygi xây dựng thành các đường cong phân bố nhiệt độ của khí, tường lò và vật nung dọc theo chiều dài. Với mục đích xây dựng các mô hình toán học để tính toán sự phân bố dòng nhiệt của vật nung trong lò, Cross và Young [43] đã xây dựng mô hình truyền nhiệt trong lò quay với giả thiết bỏ qua nhiệt tỏa ra (thu vào) do phản ứng hóa học của khối vật nung. Kết quả tính toán đã xác định được phân bố nhiệt độ của khí và vật nung dọc theo chiều dài lò. Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là khoa học máy tính, các nhà khoa học đã vận dụng các phương pháp tính toán trao đổi nhiệt bức xạ khác nhau để xây dựng các mô hình truyền nhiệt trong lò quay với mục đích xác định quy luật truyền nhiệt của các thành phần tham gia trao đổi nhiệt và tính toán lượng nhiệt trao đổi giữa chúng. Có thể tìm thấy các mô hình đó trong [5], [54], [55], [56], [57], [70]. Hệ thống các công trình nghiên cứu này cho thấy, các mô hình truyền nhiệt chủ yếu được xây dựng dựa trên ba phương pháp tính toán trao đổi nhiệt bức xạ, đó là: phương pháp vùng, phương pháp phản xạ và phương pháp tương tự nhiệt - điện. Mặc dù, các phương pháp tính toán trao đổi nhiệt bức xạ có đặc điểm chung là đều dựa trên các phương trình cân bằng nhiệt nhưng sự khác biệt giữa chúng là cách xác định điều kiện biên làm cho mỗi phương pháp có những đặc trưng riêng. Phân tích chi tiết từng phương pháp là cơ sở để xây dựng mô hình toán học nghiên cứu quá trình truyền nhiệt trong lò quay có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa. 1.4.2. Các kết quả nghiên cứu ở Việt Nam Ở Việt Nam có rất nhiều tác giả nghiên cứu về truyền nhiệt với hai hướng nghiên cứu chính là nâng cao hiệu suất cháy và khả năng trao đổi nhiệt trong các lò công nghiệp có tính phổ biến như các lò hơi, lò luyện thép, lò nung gốm...vv; và nghiên cứu xử lý các khí phát thải trong quá trình đốt nhiên liệu trong các lò công nghiệp kể trên. Còn đối với các loại lò quay có tính đặc thù như đã trình bày trong mục 1.2 thì chưa được đề cập đến. Một trong những công trình nghiên cứu đầu tiên về truyền nhiệt trong lò quay xi măng được Đặng Quốc Phú [6] đề cập khi nghiên cứu ảnh hưởng của tính chất nhiệt vật lý của lớp vật liệu chịu lửa đến quá trình trao đổi nhiệt trong lò quay xi măng. Tiếp đến là hàng loạt công trình nghiên cứu về truyền nhiệt xảy ra bên trong lò quay hoặc thiết bị gia nhiệt kiểu thùng quay được công bố. Năm 1986, Đặng Quốc Phú, Võ Xuân Cương và Võ Chí Chính [3] đã dựa vào phương pháp exergie để phân tích quá trình cháy và chế độ nhiệt của lò quay xi măng. Cũng dựa trên quan điểm exergie, Đặng Quốc Phú [4] đã xây dựng phương pháp xác định độ mịn tối ưu của bụi than cho ngọn lửa than trong buồng đốt hình trụ. Với mục đích xác định chế độ nhiệt tối ưu cho lò quay xi măng, năm 1987, Đặng Quốc Phú và Nguyễn Thị Hồng Hà [2] đã xây dựng mô hình toán học dựa trên việc phân tích các quá trình trao đổi nhiệt xảy ra đồng thời trong lò. Dựa vào các kết quả nghiên cứu về cơ chế truyền nhiệt trong lò, dựa vào phân tích riêng rẽ từng quá trình truyền nhiệt và dựa vào những yêu cầu đặt ra khi xây dựng mô
4 hình với quan điểm phải xem xét toàn diện các mối quan hệ giữa khả năng nâng cao độ chính xác và khối lượng tính toán phải thực hiện cùng với việc chú ý đúng mức đến toàn bộ quá trình xảy ra (tức là nếu quá tập trung vào một quá trình nào đó mà không đồng thời chú ý đúng mức đến những quá trình khác thì sẽ không đạt được kết quả mong đợi), Đặng Quốc Phú [5] đã xây dựng mô hình truyền nhiệt tổng quát trong lò quay trên cơ sở phương pháp vùng của Hottel và Sarofim [61]. Mô hình cho phép xác định trường nhiệt độ của các thành phần tham gia trao đổi nhiệt trong lò cũng như tính toán lượng nhiệt trao đổi giữa chúng. Tuy nhiên, mô hình truyền nhiệt tổng quát không đề cập đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa tới đặc tính truyền nhiệt trong lò quay. Bởi vì trong các lò quay làm việc ở nhiệt độ cao, luôn tồn tại vùng phát nhiệt, tại đây nhiên liệu được đốt cháy dưới dạng ngọn lửa phun. Đây là vùng lò quan trọng nhất, ảnh hưởng đến toàn bộ quá trình truyền nhiệt xảy ra trong lò. Mặc dù vậy, mô hình truyền nhiệt tổng quát đã xây dựng là cơ sở rất quan trọng để mở ra hàng loạt vấn đề nghiên cứu tuy rất khó khăn nhưng mang lại nhiều ý nghĩa khoa học và kinh tế lớn. 1.5. Một số vấn đề tồn tại và nội dung nghiên cứu của luận án Xét trên khía cạnh về truyền nhiệt thì trong lò quay luôn luôn tồn tại hai vùng lò đặc trưng được chia theo chiều dài, đó là: vùng có ngọn lửa và vùng không có ngọn lửa. Các quá trình truyền nhiệt ở cả hai vùng lò này đều bao gồm ba phương thức truyền nhiệt cơ bản: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ. Tuy nhiên, do sự xuất hiện của ngọn lửa nên đặc tính trao đổi nhiệt trong vùng có ngọn lửa khác so với trong vùng không có ngọn lửa. Hơn nữa, vùng có ngọn lửa không chỉ ảnh hưởng đến toàn bộ quá trình truyền nhiệt trong không gian lò quay mà còn là vùng ảnh hưởng có tính chất quyết định đến chất lượng clinker xi măng. Mặc dù đã có rất nhiều công trình nghiên cứu ở cả trong nước và ngoài nước về các quá trình truyền nhiệt trong lò quay với việc vận dụng hết sức linh hoạt các phương pháp tính toán trao đổi nhiệt bức xạ khác nhau để xây dựng mô hình toán học xác định quy luật truyền nhiệt trong lò cũng như xây dựng các công thức tính toán lượng nhiệt trao đổi giữa khí lò với vật nung, giữa vật nung với tường lò vv..., nhưng việc phân tích một cách có hệ thống và tỉ mỉ các công trình này cho thấy, các tác giả chưa đề cập đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa tới quy luật truyền nhiệt trong lò quay. Quá trình truyền nhiệt trong lò quay có quan hệ chặt chẽ với kích thước lò, tốc độ quay, kích thước và nhiệt độ của vật nung cấp vào lò, nhiệt độ của khí vv... nhưng điều quan trọng và nổi bật nhất là quá trình truyền nhiệt này được quyết định bởi quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa. Nghiên cứu quy luật truyền nhiệt trong lò quay có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa là bài toán phức tạp, khó khăn nhưng lại là yêu cầu cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn bởi vì vùng lò có ngọn lửa là vùng cơ bản nhất của lò quay sản xuất xi măng cả về phương diện kích thước, cả về phương diện công nghệ (vì vùng lò này tạo khoáng quan trọng của clinker xi măng là C 3S), đặc biệt sự xuất hiện của ngọn lửa ảnh hưởng đến toàn bộ quá trình truyền nhiệt trong lò và quyết định đến chất lượng sản phẩm.
5 Vì những lý do đó, việc lựa chọn 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 là thực sự cần thiết và hợp lý trong tình hình hiện nay, đặc biệt là tại Việt Nam. Để đạt được mục đích nghiên cứu là xác định quy luật truyền nhiệt trong lò quay và tính toán lượng nhiệt trao đổi giữa các thành phần tham gia trao đổi nhiệt khi xét tới ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa, luận án cần thực hiện các nội dung chính sau: 1. Nghiên cứu xác định vùng có ngọn lửa trong lò quay. 2. Xây dựng mô hình toán học xác định quy luật truyền nhiệt trong lò quay xi măng khi xét tới ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa. 3. Xác định lượng nhiệt trao đổi giữa các thành phần tham gia trao đổi nhiệt, tỷ lệ riêng phần lượng nhiệt trao đổi của từng phương thức trao đổi nhiệt và của từng vùng lò đặc trưng và nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng. 4. Đánh giá độ chính xác của mô hình toán học bằng các số liệu thực tế thu được từ lò quay đang hoạt động tại nhà máy xi măng Bút Sơn, Hà Nam. 1.6. Kết luận chƣơng 1 Trên cơ sở phân tích, đánh giá tổng quan các kết quả nghiên cứu liên quan đến đề tài, chúng tôi rút ra kết luận chính sau: Đã xác định được vấn đề cần giải quyết và các nội dung cần thực hiện trong luận án là: - Xây dựng mô hình toán học có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa tới quy luật truyền nhiệt giữa khí, tường lò và vật nung trong lò quay sản xuất xi măng và làm tường minh quá trình thay đổi nhiệt độ của khí, tường lò và vật nung theo chiều dài lò cả về định tính và định lượng. - Tính toán lượng nhiệt trao đổi của các thành phần tham gia trao đổi nhiệt, tỷ lệ riêng phần lượng nhiệt trao đổi của từng phương thức và của từng vùng lò đặc trưng. - Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến quá trình truyền nhiệt trong lò quay sản xuất xi măng để xác định các thông số vận hành hợp lý nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm tiêu hao nhiên liệu cho lò. CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu của luận án được lựa chọn là nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm trên cơ sở các số liệu đo đạc thực tế và mô phỏng bằng phương pháp số CFD. 2.1.1. Nghiên cứu lý thuyết Nhiệm vụ của nghiên cứu lý thuyết là xây dựng mô hình toán học mô tả các quá trình trao đổi nhiệt giữa các thành phần tham gia trao đổi nhiệt (khí, tường lò và vật nung) trong lò quay xi măng có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa. Trao đổi nhiệt trong lò quay là quá trình rất phức tạp và chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như: đặc tính bức xạ của môi trường khí (đặc biệt là ngọn lửa), tường lò và
6 vùng khí hồi lưu. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng này đến quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng là điều cần thiết để thiết lập các giả thiết đơn giản hóa khi xây dựng mô hình toán học. Nội dung này sẽ được chúng tôi trình bày trong các mục 2.1.1.1; 2.1.1.2 và 2.1.1.3. 2.1.1.1. Ảnh hưởng đặc tính bức xạ của môi trường khí trong lò quay xi măng Có thể thấy rằng, môi trường khí trong lò quay xi măng là môi trường khí thực. Bằng cách xây dựng hai mô hình bức xạ: mô hình thứ nhất coi khí trong lò quay là khí thực; mô hình thứ hai coi khí trong lò quay là vật xám, Gorog [55] đã tính toán và đi đến kết luận rằng: nếu độ đen của tường lò và vật nung hớn hơn hoặc bằng 0,8 thì giả thiết khí là vật xám khi tính toán trao đổi nhiệt bức xạ có sai số nhỏ, có thể áp dụng để nghiên cứu quá trình truyền nhiệt trong các lò quay. 2.1.1.2. Ảnh hưởng của tường lò quay Chuyển động quay của lò làm cho nhiệt độ bề mặt bên trong tường lò biến thiên theo từng vòng quay. Vì thế, lượng nhiệt trao đổi giữa tường lò với vật nung, giữa tường lò với dòng khí cũng thay đổi theo thời gian. Trên cơ sở phân tích mô hình tính toán lượng nhiệt vật nung nhận được từ phía mặt thoáng của Gorog [55], chúng tôi cho rằng: có thể xem nhiệt độ tường lò là giá trị nhiệt độ trung bình của một vòng quay khi nghiên cứu quá trình truyền nhiệt trong lò quay mà không gặp phải sai số lớn. 2.1.1.3. Ảnh hưởng của vùng khí hồi lưu Nghiên cứu của Moles và các cộng sự [81], nhận thấy rằng, mặc dù khí hồi lưu có ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt trong các lò quay nhưng do mức độ hồi lưu trong vùng cháy của lò nhỏ nên khi xây dựng mô hình toán học mô tả các quá trình truyền nhiệt trong vùng có ngọn lửa của lò quay thì có thể xem khí xung quanh ngọn lửa là trong suốt đối với bức xạ nhiệt. 2.1.2. Nghiên cứu thực nghiệm Do khó khăn khi xây dựng mô hình thực nghiệm và những khó khăn còn tăng lên gấp nhiều lần khi xác định bằng thực nghiệm sự phân bố nhiệt độ của khí, tường lò và vật nung đối với một lò quay xi măng đang hoạt động nên trong phạm vi nghiên cứu của luận án này, chúng tôi chỉ có thể đo sự biến thiên nhiệt độ vỏ lò dọc theo chiều dài và khảo sát, thu thập các thông số nhiệt độ tại một số vị trí đặc trưng trong lò để so sánh với kết quả nghiên cứu lý thuyết. Có rất nhiều phương pháp khác nhau để đo nhiệt độ nhưng có thể nhóm chúng thành hai phương pháp chính là đo tiếp xúc và đo không tiếp xúc [13]. Trong công trình này, do tính đặc thù của lò quay xi măng nên chúng tôi sử dụng phương pháp đo không tiếp xúc. Đây là phương pháp đo được sử dụng rất phổ biến trong các lò quay xi măng. Chúng tôi sẽ trình bày chi tiết vấn đề này trong nội dung chương 4. 2.1.3. Nghiên cứu mô phỏng bằng phƣơng pháp số CFD Trong những năm gần đây, với sự tiến bộ vượt bậc về khoa học và công nghệ đặc biệt là công nghệ máy tính, đã có hàng loạt công trình nghiên cứu sử dụng công nghệ mô phỏng số để thực hiện các nghiên cứu mà không thể tiến hành bằng thực nghiệm hoặc nghiên cứu thực nghiệm gặp nhiều khó khăn. Trong đó, phương pháp mô phỏng số dựa trên tính toán động lực học dòng chảy (Computation Fluid Dynamics; viết tắt
7 là CFD) được ứng dụng phổ biến nhất hiện nay, đặc biệt là ứng dụng trong mô phỏng quá trình cháy than. Trong luận án này, để đánh giá tính đúng đắn của mô hình toán học, ngoài việc so sánh kết quả tính toán với các số liệu đo được khi lò quay đang hoạt động, còn so sánh kết quả tính toán với các kết quả tính được từ việc nghiên cứu mô phỏng quá trình cháy than bằng phương pháp mô phỏng số CFD. 2.2. Kết luận chƣơng 2 Trên cơ sở lựa chọn phương pháp nghiên cứu, chúng tôi rút ra một số kết luận chính sau: - 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 được xây dựng trên cơ sở phương pháp tương tự nhiệt - điện kết hợp với các phương trình cân bằng năng lượng viết cho các thành phần tham gia trao đổi nhiệt trong lò là giải pháp phù hợp nhất. - Khi độ đen của tường lò và vật nung lớn hơn hoặc bằng 0,8 thì có thể coi khí trong lò là vật xám khi tính toán quá trình trao đổi nhiệt bức xạ. - Nhiệt độ tường lò quay xi măng biến thiên tuần hoàn sau từng vòng quay. Tuy nhiên, do biến thiên nhiệt độ lớn nhất của tường lò không vượt quá 100 K nên có thể xem nhiệt độ tường lò là giá trị nhiệt độ trung bình trong một vòng quay khi nghiên cứu các quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng. - Mặc dù khí hồi lưu ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt trong lò quay nhưng do lượng khí hồi lưu trong vùng có ngọn lửa nhỏ nên khi xây dựng mô hình toán học mô tả các quá trình trao đổi nhiệt trong vùng này thì có thể xem khí xung quanh ngọn lửa có thành phần chủ yếu là O2 và N2 được cung cấp bởi dòng không khí cấp hai cấp cho quá trình cháy và do đó coi là môi trường trong suốt đối với bức xạ nhiệt. - Độ chính xác của mô hình lý thuyết được đánh giá trên cơ sở các kết quả đo biến thiên nhiệt độ vỏ lò quay xi măng đang hoạt động và các thông số nhiệt độ tại một số vị trí đặc trưng trong lò. Ngoài ra, kết quả tính toán còn được so sánh với kết quả nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng số CFD. 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 3.1. Các vùng truyền nhiệt trong lò quay xi măng Khi nghiên cứu về truyền nhiệt, lò quay được chia theo chiều dài làm hai vùng đặc trưng là vùng có ngọn lửa và vùng không có ngọn lửa. Để xây dựng mô hình toán học mô tả các quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ của ngọn lửa, chúng tôi tiến hành xây dựng hai mô hình toán học: Mô hình toán học mô tả các quá trình truyền nhiệt trong vùng có ngọn lửa. Mô hình toán học mô tả các quá trình truyền nhiệt trong vùng không có ngọn lửa. Để giải quyết được nhiệm vụ nêu trên, nhất thiết phải xác định được chiều dài và đặc trưng nhiệt vật lý của vùng có ngọn lửa trong lò. Vấn đề này được chúng tôi trình bày trong mục 3.2.
8 3.2. Xác định vùng có ngọn lửa trong lò quay xi măng 3.2.1. Sự hình thành ngọn lửa than phun trong lò quay xi măng Quá trình hình thành ngọn lửa khi cháy bột than bao gồm 3 giai đoạn chính sau: thoát chất bốc, cháy chất bốc (giai đoạn bắt lửa), cháy cốc và tạo xỉ [14]. 3.2.2. Chiều dài ngọn lửa than phun trong lò quay xi măng Bằng nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình vật lý kết hợp với các số liệu có được từ lò quay xi măng đang vận hành, Ruhland [132] đã xây dựng mối quan hệ giữa chiều dài ngọn lửa phun với cấu trúc của vòi phun, kích thước lò và mômen động lượng của dòng chảy. Phương trình của Ruhand để tính chiều dài ngọn lửa than phun được viết theo công thức:  0,442  1,245   Lf msa  me 3,21  2  B   3,862  1   m  do    Di  do    e    exp  2,12 sa    exp  0,1052  (3.5)  msa me    3   n 1  e  i  do   do  do  m D     f    sa e  Phương trình tính toán (3.5) đã được Ruhland [93], Moles và cộng sự [81], Jenkins và Moles [65] tiến hành tính toán kiểm tra đối với hàng loạt các lò quay đang vận hành khác nhau và đều cho kết quả phù hợp với thực tế. Vì lý do đó, trong luận án này chúng tôi lựa chọn công thức tính toán của Ruhland để xác định chiều dài ngọn lửa lửa than phun trong lò quay xi măng. 3.3. Hệ số cháy kiệt Theo Đặng Quốc Phú [5] hệ số cháy kiệt của các loại ngọn lửa phun khác nhau có thể được tính theo công thức (3.6) [130] mà không mắc phải sai số lớn:   x   2   1  exp   4, 605.    (3.6)   Lf     Sự biến thiên hệ số cháy kiệt dọc theo chiều dài ngọn lửa tạo thành đường cong cháy kiệt. Xác định đường cong cháy kiệt là cơ sở quan trọng để tổ chức quá trình cháy hợp lý nhằm thiết lập chế độ nhiệt tối ưu cho lò. 3.4. Mô hình toán học nghiên cứu quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng có xét đến ảnh hƣởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa 3.4.1. Mô hình toán học trong vùng có ngọn lửa 3.4.1.1. Các giả thiết khi xây dựng mô hình Để xây dựng mô hình toán học mô tả các quá trình truyền nhiệt trong vùng có ngọn lửa của lò quay cần có các giả thiết sau: - Các quá trình truyền nhiệt trong lò quay là ổn định - Ngọn lửa, tường lò, vật nung là vật xám và có độ đen không đổi (mục 1.4.1.1) - Ngọn lửa có dạng hình trụ với đường kính không đổi [55] - Bỏ qua ảnh hưởng gradient nhiệt độ của ngọn lửa, vật nung theo phương bán kính - Nhiệt dung riêng của sản phẩm cháy không đổi - Khí xung quanh ngọn lửa là trong suốt đối với bức xạ nhiệt (mục 2.1.1.3). 3.4.1.2. Mô hình toán học Chia ngọn lửa thành các phần tử có chiều dày xác định (hình 3.2a) và thiết lập phương trình cân bằng nhiệt cho từng phần tử (hình 3.2b).
9 a) Các phần tử trong vùng có ngọn lửa b) Các dòng nhiệt của một phần tử Hình 3.2. Mô hình truyền nhiệt trong vùng có ngọn lửa Phương trình cân bằng nhiệt cho ngọn lửa có dạng: Qz  Qgen  Qs  Qsh  Qzz (3.7) Tz Qz  mf ,z .   cp .dT  mf ,z .cp . Tz  To  (3.8) To Tz z Qzz  mf ,zz .  cp .dT  mf ,zz .cp .  Tzz  To  (3.9) To Qgen  mnl .Hu .  (3.10) Thay các phương trình từ (3.8) ÷ (3.10) vào (3.7) và biến đổi, nhận được phương trình tính toán nhiệt độ của ngọn lửa tại các vị trí khác nhau dọc theo chiều dài: 1 Tzz  To  .  mf ,z .cp .  Tz  To   Qgen  Qs  Qsh  (3.13) mf ,zz .cp  Bỏ qua nhiệt tỏa (hoặc thu) do phản ứng hóa học của vật nung, phương trình cân bằng nhiệt cho khối vật nung có dạng: Qs  Qws,w  ms .cps .(Ts z  Ts ) (3.14) zz Để khép kín hệ hai phương trình (3.13) và (3.14), mô hình tương tự nhiệt - điện được thành lập và được thể hiện trên hình 3.3. R2 R3 R10 Esh R11 Ea Ew R4 R9 R1 Jw Js R8 Ef Es R5 R6 R7 Hình 3.3. Mô hình tương tự nhiệt - điện trong vùng có ngọn lửa Các biểu thức xác định nhiệt trở và các đại lượng trong mô hình được xác định theo [96] và được trình bày trong bảng 3.1.
10 Bảng 3.1. Các nhiệt trở và hệ số trao đổi nhiệt của mô hình trong vùng có ngọn lửa Ro 1 1 o .(Tw  Tsh ).(Tw2  Tsh 2 ).ln R1  R2  RI  f .  wf .Fwg 'fw .Fwg R10  2.  . z.  w 1  w 1 fs R3  R4  'fs   w .Fwg sw .Fs  o .  Tf  Ts  . Tf2  Ts2  1 1 fw R5  R6  'fw  sf .Fs . f f . sf .Fs  o .  Tf  Tw  . Tf2  Tw2  1 1  s  ws, w R7  R8  'ws, w  'fs .Fs s .Fs  o .  Tw  Ts  . Tw2  Ts2  1 1 sh R9  R11  sh '  'ws, w .Fws sh ' .Fsh o .  Tsh  Ta  . Tsh 2   Ta2  Áp dụng định luật Kirchoff viết cho dòng nhiệt, viết phương trình tại các điểm nút Jw, Js, Ew, Esh và kết hợp với phương trình (3.13) và (3.14) được hệ phương trình: 1 Tzz  To  .  mf ,z .cp .  Tz  To   Qgen  Qs  Qsh  mf ,zz .cp  Qs  Qws,w  ms .cps .(Ts z  Ts ) zz  1 1 1 1   1   1   1 1       .J w    .E f    .E w     .J s  0  R1 R 3 R 4 R 5   R1   R3   R 4 R5   1 1 1 1   1 1   1   1  (3.19)      .Js     .J w    .E f    .Es  0  4 R R 5 R 6 R 8  4 R R 5  6 R  R8   1 1 1 1   1   1   1   1       .E w    .E f    .J w    .Es    .Esh  0  R 2 R 3 R 9 R10   R2   R3   R9   R10   1 1   1   1     .Esh    .E w    .Ea  0  R10 R11   R10   R11  Hệ phương trình (3.19) chính là mô hình toán học mô tả các quá trình truyền nhiệt trong vùng có ngọn lửa của lò quay. Giải hệ phương trình (3.19) với điều kiện ban đầu là các thông số vận hành của lò quay và các thông số nhiệt vật lý của môi trường tham gia trao đổi nhiệt sẽ xác định được quy luật truyền nhiệt của ngọn lửa, tường lò, vật nung và vỏ lò, qua đó xác định được các dòng nhiệt trao đổi giữa chúng. 3.4.1.3. Phương pháp giải mô hình toán học Trong luận án này, chúng tôi lựa chọn phương pháp lặp Newton - Raphson để giải mô hình toán học trên. Giải hệ phương trình (3.19) bằng phương pháp lặp Newton - Raphson được chúng tôi lập trình bằng phần mềm Microsoft Excel 2010. 3.4.1.4. Phương pháp xác định các hệ số trao đổi nhiệt a) Hệ số tỏa nhiệt đối lưu giữa khí và tường lò phía mặt thoáng Trên cơ sở phương trình tính toán của Kreith [73], nhóm tác giả Kreith và Black [74]
11 đã xây dựng phương trình xác định hệ số tỏa nhiệt đối lưu áp dụng đối với ống dài L 10   400 như sau: Di 0,055  D  gw  0, 036. a .Re0,8 .Pr 0,33 .  i  (3.23) Di  L Công thức (3.23) đã được Gorog [55], Gorog, Adams và Brimacombe [56] sử dụng để tính toán hệ số tỏa nhiệt đối lưu giữa khí và tường lò phía mặt thoáng trong các lò quay xi măng khác nhau. Kết quả tính toán đều cho rằng, hệ số tỏa nhiệt đối lưu giữa khí và tường lò trong các lò quay xi măng thực tế dao động trong phạm vi từ 10 ÷ 30 W/m2.K. b) Hệ số tỏa nhiệt đối lưu giữa khí và vật nung Trên cơ sở các số liệu thu được từ nghiên cứu thực nghiệm, nhóm tác giả Gorog, Adams và Brimacombe [56] đã xây dựng phương trình xác định hệ số tỏa nhiệt đối lưu giữa khí và vật nung trong lò quay như sau:   0,62 gs  0, 4. mg (3.25) Áp dụng phương trình (3.25), Gorog [55] tính được hệ số tỏa nhiệt đối lưu giữa khí và vật nung trong các lò quay xi măng dao động trong khoảng từ 50 ÷ 100 W/m2.K. c) Hệ số truyền nhiệt giữa tường lò và vật nung khi tiếp xúc với nhau Dựa vào các số liệu thực nghiệm trong [75], [115], [119], Tscheng và Watkinson [109] đã xây dựng phương trình tính toán hệ số truyền nhiệt của tường lò và vật nung khi chúng tiếp xúc với nhau: 0,3 s   .R i2 . L   ws, w  11, 6 . .  (3.26) L .Di  30.a s  Sử dụng phương trình (3.26), Gorog [55] và Steven J. Kirslis [70] đã tính toán hệ số truyền nhiệt của tường lò khi tiếp xúc với vật nung đối với các loại lò quay xi măng có kích thước khác nhau, kết quả tính toán đều xác định được hệ số truyền nhiệt này dao động trong khoảng từ 50 ÷ 100 W/m2.K. d) Hệ số truyền nhiệt giữa vỏ lò và môi trường Hệ số truyền nhiệt giữa vỏ lò và môi trường không khí xung quanh [5]: 2 0,11 t  t  sh  0,15.  1,88  2,54.t sh 0,21 .Do  0, 69.  sh   2, 26.  sh   5, 27 (3.32)  100   100  3.4.1.5. Phương pháp xác định hệ số góc bức xạ Hệ số góc bức xạ của các vật tham gia trao đổi nhiệt trong vùng có ngọn lửa của lò quay xi măng: fw  1  fs (3.41) sw  1  sf (3.42) Ff sf  . fs (3.43) Fs 3.4.2. Mô hình toán học trong vùng không có ngọn lửa 3.4.2.1. Các giả thiết khi xây dựng mô hình
12 Để xây dựng mô hình toán học, cần phải chấp nhận một số giả thiết sau: - Các quá trình truyền nhiệt trong lò quay là ổn định - Khí, tường lò, vật nung là vật xám và có độ đen không đổi (mục 1.4.1.1) - Bỏ qua ảnh hưởng gradient nhiệt độ của khí, vật nung theo phương bán kính - Nhiệt dung riêng của sản phẩm cháy không đổi. 3.4.2.2. Mô hình toán học Chia vùng không có ngọn lửa thành các phần tử có chiều dày xác định (hình 3.8a) và thiết lập phương trình cân bằng nhiệt cho từng phần tử (hình 3.8b). a) Các phần tử trong vùng không có ngọn lửa b) Các dòng nhiệt của một phần tử Hình 3.8. Mô hình truyền nhiệt trong vùng không có ngọn lửa Phương trình cân bằng nhiệt của dòng khí có dạng: Qz  Qs  Qsh  Qzz (3.44) Tz Qz  mg .  cp .dT  mg .cp .  Tz  To  (3.45) To Tz z Qzz  mg .  cp .dT  mg .cp .  Tz z  To  (3.46) To Thay biểu thức (3.45) và (3.46) vào phương trình (3.44) và biến đổi, nhận được phương trình xác định nhiệt độ của khí tại các vị trí khác nhau dọc theo chiều dài lò: 1 Tzz  Tz  .  Qs  Qsh  (3.47) mg.cp Bỏ qua nhiệt tỏa (thu) do các phản ứng hóa học, phương trình cân bằng nhiệt cho khối vật nung được viết như sau: Qs  Qws,w  ms .cps .(Ts z  Ts ) (3.48) zz Để khép kín hệ hai phương trình (3.47) và (3.48), mô hình tương tự nhiệt điện trong vùng không có ngọn lửa được xây dựng và thể hiện trên hình 3.9.
13 R2 R3 Ew R9 Esh R10 Ea R8 Eg R1 Jw R4 Js R7 Es R5 R6 Hình 3.9. Mô hình tương tự nhiệt - điện trong vùng không có ngọn lửa Bảng 3.2. Các nhiệt trở và hệ số trao đổi nhiệt của mô hình trong vùng không có ngọn lửa Ro 1 1 o .(Tw  Tsh ).(Tw2  Tsh 2 ).ln R1  R2  RI  g .  wg .Fwg 'gw .Fwg R9  2.  . z.  w 1  w 1  ws, w R3  R4  'ws, w   w .Fwg sw .Fs . g  o .  Tw  Ts  . Tw2  Ts2  1 1 gs R5  R6  'gs  g . sg .Fs 'gs .Fs   o . Tg  Ts . Tg2  Ts2  1  s 1 gw R7  R8  'gw  s .Fs 'ws, w .Fws   o . Tg  Tw . Tg2  Tw2  1 sh R10  sh '  sh ' .Fsh o .  Tsh  Ta  . Tsh 2  Ta2  Áp dụng định luật Kirchoff viết cho dòng nhiệt, viết phương trình tại các điểm nút và kết hợp với các phương trình (3.47), (3.48) được hệ phương trình: 1 Tzz  Tz  .  Qs  Qsh  mg.cp Qs  Qws,w  ms .cps .(Ts z  Ts ) zz  1 1 1   1   1   1  (3.53)     .J w    .E g    .E w    .J s  0  R1 R 3 R 4   R1   R3   R4   1 1 1   1   1   1      .Js    .J w    .E g    .Es  0  4 R R 5 R 7  4 R  5 R  R7   1 1 1 1   1   1   1   1       .E w    .E g    .J w    .Es    .Esh  0  R 2 R 3 R8 R9   R2   R3   R8   R9   1 1   1   1     .Esh    .E w    .Ea  0  R 9 R10   R9   R10  Hệ phương trình (3.53) chính là mô hình toán học mô tả các quá trình truyền nhiệt trong vùng không có ngọn lửa của lò quay xi măng. Hệ phương trình (3.53) được giải
14 bằng phương pháp lặp Newton - Raphson và được chúng tôi lập trình bằng phần mềm Microsoft Excel 2010. Để giải hệ phương trình (3.53), ngoài các hệ số tỏa nhiệt đối lưu và hệ số truyền nhiệt đã tính toán được trong mô hình truyền nhiệt trong vùng có ngọn lửa thì cần phải xác định hệ số góc bức xạ giữa các thành phần tham gia trao đổi nhiệt bức xạ trong vùng không có ngọn lửa. Các thành phần tham gia trao đổi nhiệt bức xạ trong vùng này bao gồm: khí, tường lò và vật nung. Dựa vào sự trao đổi nhiệt bức xạ của từng thành phần trên, xác định được hệ số góc bức xạ từ vật nung đến khí (sg), hệ số góc bức xạ từ tường lò phía mặt thoáng đến khí (wg) và hệ số góc bức xạ từ vật nung đến tường lò phía mặt thoáng (sw): sg  wg  sw  1 (3.54) 3.5. Mô phỏng số CFD quá trình cháy than phun trong lò quay xi măng 3.5.1. Mô hình hình học của bài toán và chia lƣới mô hình 3.5.1.1. Mô hình hình học của bài toán Lò quay xi măng được mô hình hóa theo tỷ lệ 1:1 với chiều dài lò 78 m, đường kính trong 4 m. Vòi phun được mô hình hóa là những hình vành khuyên đồng tâm biểu thị các kênh dẫn khí và kênh dẫn than 3.5.1.2. Chia lưới mô hình Mô hình lò quay xi măng được chia lưới trong ANSYS MESHING sử dụng phương pháp Sweep Mesh. 3.5.2. Mô hình mô phỏng quá trình cháy than phun trong lò quay xi măng 3.5.2.1. Các phương trình chủ đạo trong mô phỏng bằng phương pháp số CFD Các phương trình chủ đạo trong mô phỏng số CFD bao gồm hệ phương trình động lực học chất lưu và phương trình trạng thái 3.5.2.2. Mô hình toán học mô phỏng quá trình cháy than phun a) Mô hình dòng chảy rối b) Mô hình cháy c) Mô hình bức xạ nhiệt 3.5.3. Điều kiện ban đầu Dữ liệu ban đầu để mô phỏng quá trình cháy than phun là các thông số tính toán ban đầu lấy từ mô hình lý thuyết. Giải mô hình mô phỏng bằng phần mềm ANSYS sẽ xác định được trường nhiệt độ của khí, tường lò, vật nung và vỏ lò. Kết quả mô phỏng được trình bày trong nội dung chương 5 của luận án. 3.6. Kết luận chƣơng 3 Từ các kết quả nghiên cứu về truyền nhiệt trong lò quay xi măng có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa, rút ra một số kết luận sau: - Trên cơ sở phương pháp tương tự nhiệt - điện kết hợp với các phương trình cân bằng năng lượng và dựa vào các giả thiết, mô hình toán học mô tả 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 đã được xây dựng từ hai mô hình toán học: mô hình thứ nhất mô tả các quá trình truyền nhiệt trong vùng có ngọn lửa; mô hình thứ hai mô tả các quá trình truyền nhiệt trong vùng không có ngọn lửa.
15 - Trên cơ sở phương pháp lặp Newton - Raphson đã lập chương trình tính toán bằng phần mềm Microsoft Excel 2010 để giải mô hình toán học. - Trên cơ sở phân tích, đánh giá hàng loạt các công thức, đã lựa chọn được các công thức tính toán phù hợp để xác định các hệ số trao đổi nhiệt và hệ số góc bức xạ trong mô hình toán học. - Đã nghiên cứu quá trình cháy than phun trong lò quay xi măng bằng phương pháp mô phỏng số CFD trên cơ sở lựa chọn ba mô hình: mô hình dòng chảy rối k - , mô hình cháy EDM và mô hình bức xạ nhiệt P1. CHƢƠNG 4. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ VỎ LÕ QUAY XI MĂNG 4.1. Thiết bị thực nghiệm và thiết bị đo Đối tượng khảo sát được thực hiện trên lò quay xi măng đang hoạt động thuộc dây chuyền số 2 nhà máy xi măng Bút Sơn, Hà Nam. Thiết bị giám sát nhiệt độ vỏ lò trong các nhà máy sản xuất xi măng làm việc theo nguyên lý phản xạ ánh sáng. 4.2. Bố trí thiết bị đo Với chiều dài lò là 78m và góc quét của thiết bị nhận tín hiệu nhiệt độ vỏ lò điều chỉnh ở giá trị 1200, thì thiết bị sẽ cách bề mặt vỏ lò một khoảng là 22 m. Tín hiệu sau khi về bộ thu nhận sẽ được phần mềm PCS 7 V7.0 xử lý và hiển thị trên màn hình máy tính tại trung tâm điều khiển PLC của nhà máy. 4.3. Phƣơng pháp tiến hành thực nghiệm Trong mục này, chúng tôi trình bày các bước tiến hành đo biến thiên nhiệt độ vỏ lò khi lò đang hoạt động. 4.4. Phƣơng pháp xử lý số liệu thực nghiệm Để đánh giá độ tin cậy của các kết quả thực nghiệm, chúng tôi tiến hành đo biến thiên nhiệt độ vỏ lò ở ba thời điểm khác nhau, mỗi thời điểm cách nhau 45 phút (tương ứng với một mẻ clinker). Các số liệu này được phân tích và xử lý nhằm loại đi các giá trị không phù hợp, mắc phải sai số quá lớn [12]. Kết quả cuối cùng để so sánh với kết quả nghiên cứu trong mô hình lý thuyết là giá trị trung bình cộng của ba lần đo. 4.5. Kết quả đo Có thể nhận xét ở đây rằng, biến thiên nhiệt độ vỏ lò dao động trong khoảng từ 382 ÷ 591 K (tức là khoảng 109 ÷ 3180C), khoảng giá trị này nằm trong phạm vi dao động cho phép đối với các lò quay xi măng từ 100 ÷ 5000C. 4.6. Kết luận chƣơng 4 Trong chương này, chúng tôi đã thực hiện được các nội dung chính sau: - Đã lựa chọn đối tượng thực nghiệm là lò quay thuộc dây chuyền số 2 nhà máy xi măng Bút Sơn, Hà Nam để đo biến thiên nhiệt độ vỏ lò và xác định các giá trị nhiệt độ tại một số vị trí đặc trưng của lò. - Đã lựa chọn phương pháp đo nhiệt độ không tiếp xúc theo nguyên lý phản xạ ánh sáng, bố trí thiết bị đo, lấy số liệu thực nghiệm, xử lý số liệu thực nghiệm và sử dụng độ lệch tương đối trung bình (MRD) để đánh giá độ chính xác của mô hình lý thuyết. - Đã xác định được biến thiên nhiệt độ vỏ lò tại nhà máy xi măng Bút Sơn dọc theo chiều dài trên cơ sở ba lần lấy số liệu thực nghiệm trong cùng điều kiện vận hành như nhau và đã xác định được nhiệt độ của khí, vật nung tại một số vị trí đặc trưng của lò.
16 CHƢƠNG 5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 5.1. Đối tƣợng tính toán Về nguyên tắc, mô hình toán học đã xây dựng có thể được ứng dụng để tính toán cho tất cả các loại lò quay xi măng khác nhau. Trong luận án này, lò quay thuộc dây chuyền số 2 nhà máy xi măng Bút Sơn, Hà Nam được lựa chọn để tính toán. 5.2. Kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng có xét đến ảnh hƣởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa 5.2.1. Xác định vùng ngọn lửa trong lò quay xi măng Với các đại lượng đặc trưng của quá trình cháy than phun đã tính được ở trên, áp dụng công thức (3.5) xác định được chiều dài ngọn lửa than phun trong lò quay xi măng Bút Sơn là 19,23 m. Do rất khó xác định bằng thực nghiệm vùng có ngọn lửa trong lò quay xi măng nên để đánh gia độ tin cậy của kết quả tính toán, bên cạnh các kết quả nghiên cứu của Moles, Watson và Lain [81], Jenkins và Moles [65] cũng áp dụng công thức tính toán của Ruhland để xác định chiều dài ngọn lửa trong lò quay, độ tin cậy của kết quả tính toán chiều dài ngọn lửa than phun trong lò quay xi măng Bút Sơn còn được đánh giá thông qua kết quả nghiên cứu mô phỏng số CFD quá trình cháy than phun, đây là phương pháp tính toán có độ tin cậy rất cao. Nội dung này sẽ được phân tích trong phần tiếp theo của luận án. Nhưng có thể khẳng định trước rằng, với các kết quả nghiên cứu của nhóm tác giả trên, thì kết quả tính toán chiều dài ngọn lửa than phun trong lò quay xi măng tại Bút Sơn là đáng tin cậy. 5.2.2. Phân bố nhiệt độ của khí, tƣờng lò và vật nung Giải hệ phương trình xác định được phân bố nhiệt độ của khí, tường lò, vật nung và vỏ lò dọc theo chiều dài, được trình bày trong phụ lục 1 và thể hiện trên đồ thị hình 5.2. Kết quả tính toán thể hiện trên đồ thị hình 5.2 cho thấy, khác với quy luật biến thiên nhiệt độ của khí và vật nung trong [43], ở đây nhiệt độ của khí, tường lò và vật nung trong Hình 5.2. Phân bố nhiệt độ của khí, tường lò, vùng có ngọn lửa thay đổi rất lớn vật nung và vỏ lò theo chiều dài (vùng từ vị trí 0 m đến vị trí 19,23 m); theo chiều dài lò, nhiệt độ của các thành phần này tăng dần đến giá trị cực đại sau đó giảm dần xuống theo quy luật parabol đến hết vùng có ngọn lửa, còn ở vùng không có ngọn lửa, sự biến thiên nhiệt độ của khí, tường lò và vật nung giảm gần như tuyến tính. Kết quả này phù hợp với quy luật biến thiên nhiệt độ của các thành phần tham gia trao đổi nhiệt trong các lò quay thực tế, điều này có được là do trong mô hình toán học đã xây dựng có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa. Cũng từ đồ thị hình 5.2 nhận thấy, ở vị trí nhiệt độ vật nung đạt giá trị cực đại thì nhiệt độ của ngọn lửa, tường lò, vật nung có giá trị gần bằng nhau (cả ba đường phân
17 bố nhiệt độ này đều đi qua một điểm trên đồ thị hình 5.2), kết quả này phù hợp với nghiên cứu trong [124]. Vị trí để nhiệt độ của ngọn lửa và nhiệt độ bề mặt bên trong của tường lò đạt giá trị cực đại gần như trùng nhau, kết quả nghiên cứu này trùng hợp với kết quả nghiên cứu của Geoffrey D. Silcox và David W. Pershing [96]. Giải mô hình toán học xác định được nhiệt độ vật nung tại vị trí đầu lò (vị trí mà vật nung bắt đầu đi vào lò quay) là 8710C. Giá trị này rất phù hợp với yêu cầu công nghệ đặt ra, theo đó nhiệt độ của vật nung bắt đầu đi vào lò sau khi ra khỏi tháp trao đổi nhiệt dao động trong khoảng từ 800 ÷ 9000C [41]. Kết quả tính toán cũng xác định được nhiệt độ tại một số vị trí đặc trưng như nhiệt độ cực đại của ngọn lửa, nhiệt độ cực đại của vật nung, nhiệt độ khí tại cuối lò và nhiệt độ vỏ lò. Các kết quả này được trình bày trong bảng 5.5. Bảng 5.5. Kết quả tính toán và thực tế Thông số Tính toán Thực tế 0 Nhiệt độ cực đại của ngọn lửa, C 1724 1749 0 Nhiệt độ cực đại của vật nung, C 1466 1380 ÷ 1450 0 Nhiệt độ khí ra khỏi lò, C 1012 900 ÷ 1100 0 Nhiệt độ vỏ lò, C 104 ÷ 340 109 ÷ 318 Kết quả so sánh trong bảng 5.5 nhận thấy, sai lệch nhiệt độ cực đại của ngọn lửa giữa tính toán và thực tế là 1,43%, sai lệch này trong [5] là 1,96%; sai lệch nhiệt độ cực đại của vật nung là 1,10%, nhiệt độ khí tại vị trí đầu lò (vị trí mà vật nung bắt đầu từ cuối tháp trao đổi nhiệt đi vào lò quay) và nhiệt độ vỏ lò hầu như nằm trong phạm vi dao động cho phép. Những số liệu này cho thấy có sự trùng hợp rất tốt giữa kết quả tính toán lý thuyết và số liệu thực tế vận hành tại nhà máy. Ngoài các giá trị nhiệt độ so sánh giữa lý thuyết và thực tế tại một số vị trí đặc trưng như đã trình bày ở trên, đánh giá độ chính xác của mô hình lý thuyết còn được so sánh giữa kết quả tính toán biến thiên nhiệt độ vỏ lò với số liệu thực nghiệm đo được tại nhà máy, thể hiện trên hình 5.3. Từ đồ thị hình 5.3 nhận thấy, quy luật biến thiên nhiệt độ vỏ lò giữa lý thuyết và thực nghiệm khá phù hợp với nhau. Sai số tương đối trung bình (MRD) tính theo công thức (4.4) là 7,52%. Với sai số này và từ những phân tích ở trên có thể khẳng định rằng mô hình toán học đã xây dựng có độ chính xác đáp ứng được yêu cầu đề ra. Mô hình toán học được xây dựng bởi hai mô hình truyền Hình 5.3. Biến thiên nhiệt độ vỏ lò theo nhiệt độc lập: mô hình trong vùng có chiều dài giữa lý thuyết và thực nghiệm ngọn lửa và mô hình trong vùng không có ngọn lửa đã phản ánh được bản chất của các quá trình truyền nhiệt trong các lò quay xi măng. Hơn nữa, mô hình còn cho phép xác định tỷ lệ riêng phần lượng nhiệt trao đổi bằng bức xạ và đối lưu giữa các thành phần tham gia trao đổi nhiệt, tỷ lệ riêng phần lượng nhiệt vật nung nhận được của hai vùng lò đặc trưng. Đây chính là
18 sự khác biệt của mô hình truyền nhiệt có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ của ngọn lửa tới quá trình truyền nhiệt trong lò quay so với các mô hình truyền nhiệt không xét đến vấn đề này. Kết quả giải mô hình toán học cũng xác định được nhiệt độ cực đại của ngọn lửa và vị trí trong lò để đạt được giá trị đó. Đây là thông số đặc biệt quan trọng trong vận hành lò quay xi măng, bởi phải dựa vào thông số này để điều chỉnh tỷ lệ thành phần khoáng C3S trong clinker. Nhiệt độ cực đại của ngọn lửa phù hợp nhất để tỷ lệ thành phần C3S trong clinker đạt yêu cầu công nghệ dao động trong phạm vi từ 1627 ÷ 21270C [82]. Rõ ràng với kết quả tính toán nhiệt độ cực đại của ngọn lửa là 17240C thì tỷ lệ thành phần C3S đã đạt được yêu cầu của công nghệ và dựa vào thông số này có thể điều chỉnh chính xác tỷ lệ thành phần khoáng quan trọng này của clinker xi măng. Như vậy, mô hình toán học có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa đã mô tả không chỉ định tính sự phân bố nhiệt độ của các thành phần tham gia trao đổi nhiệt trong lò quay (thể hiện trên hình 5.2) mà còn xác định được định lượng sự phân bố này. Đây là cơ sở để tính toán lượng nhiệt trao đổi của từng vùng lò đối với các thành phần tham gia trao đổi nhiệt và sẽ tính được thời gian gia nhiệt cho vật nung khi thiết kế các lò quay sản xuất xi măng với công suất cho trước. Ngoài ra, mô hình còn cho phép nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến quá trình truyền nhiệt trong lò quay. Từ đó, thiết lập được chế độ vận hành hợp lý của lò để cho chất lượng xi măng tốt nhất và giảm tiêu hao nhiên liệu trong quá trình sản xuất. Các nghiên cứu ảnh hưởng này sẽ được trình bày trong nội dung tiếp theo của luận án. 5.2.3. Đƣờng cong cháy kiệt Kết quả giải mô hình toán học trong vùng có ngọn lửa với các thông số vận hành của lò quay xi măng Bút Sơn đã xác định được hệ số cháy kiệt tại từng vị trí dọc theo chiều dài ngọn lửa và được thể hiện trên đồ thị hình 5.4. Đồ thị hình 5.4 cho thấy, dọc theo chiều dài ngọn lửa, hệ số cháy kiệt tăng dần, điều này phù hợp với nghiên cứu trong [37], [71]; bắt đầu từ vị trí đầu lò nơi quá trình cháy chưa xảy ra thì hệ số cháy kiệt bằng 0 đến khi nhiên liệu được đốt cháy hoàn toàn thì hệ số này bằng 1. Kết quả tính toán cho thấy tại vị trí cách miệng vòi phun khoảng 9 m, nhiệt độ của ngọn lửa đạt giá trị cực đại là 17240C, tương Hình 5.4. Đường cong cháy kiệt ứng là hệ số cháy kiệt bằng 0,64. Dựa vào đường cong cháy kiệt này, các nhà công nghệ sẽ có sơ sở để lựa chọn các thông số hợp lý như tốc độ phun, cấu tạo mỏ đốt, tỷ lệ không khí vv... để tổ chức quá trình cháy thích hợp nhằm tạo ra chế độ nhiệt tối ưu cho lò. 5.2.4. Lƣợng nhiệt vật nung nhận đƣợc Mục tiêu cuối cùng trong các tính toán về truyền nhiệt là xác định lượng nhiệt trao đổi giữa các thành phần tham gia trao đổi nhiệt. Dựa vào phân bố nhiệt độ của khí,