Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật nhiệt, có xét ảnh hưởng 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

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

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

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

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 C3S), 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.

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

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

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.

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:

(3.5)

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:

(3.6)

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).

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: (3.7)

(3.8)

(3.9)

(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:

(3.13)

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:

(3.14)

Để khép kín hệ hai phương trình (3.13) và (3.14), mô hình tương tự nhiệt - điện

R10

R11

Esh

được thành lập và được thể hiện trên hình 3.3.

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.

Bảng 3.1. Các nhiệt trở và hệ số trao đổi nhiệt của mô hình trong vùng có ngọn lửa

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:

(3.19)

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]

đã xây dựng phương trình xác định hệ số tỏa nhiệt đối lưu áp dụng đối với ống dài

như sau:

(3.23)

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:

(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:

(3.26)

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]:

(3.32)

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:

(3.41) (3.42)

(3.43)

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

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: (3.44)

(3.45)

(3.46)

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:

(3.47)

Bỏ qua nhiệt tỏa (thu) do các phản ứng hóa học, phương trình cân bằng nhiệt cho

khối vật nung được viết như sau:

(3.48)

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.

R10

Esh

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

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:

(3.53)

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

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):

(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.

- 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.

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.

Hình 5.2. Phân bố nhiệt độ của khí, tường lò, vật nung và vỏ lò theo chiều dài

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 vùng có ngọn lửa thay đổi rất lớn (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

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 Nhiệt độ cực đại của ngọn lửa, 0C Nhiệt độ cực đại của vật nung, 0C Nhiệt độ khí ra khỏi lò, 0C Nhiệt độ vỏ lò, 0C Tính toán 1724 1466 1012 104 ÷ 340 Thực tế 1749 1380 ÷ 1450 900 ÷ 1100 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.

Hình 5.3. Biến thiên nhiệt độ vỏ lò theo chiều dài giữa lý thuyết và thực nghiệm

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 nhiệt độc lập: mô hình trong vùng có 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

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

Hình 5.4. Đường 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 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,

tường lò, vật nung và vỏ lò, sẽ xác định lượng nhiệt vật nung nhận được trong quá trình trao đổi giữa vật nung với khí và với tường lò. Giải hệ phương trình xác định được tổng lượng nhiệt vật nung nhận được bằng bức xạ (từ khí và từ tường lò phía mặt thoáng) là 10790 kW; nhận được bằng đối lưu (từ khí) là 2071,79 kW; tổng lượng nhiệt vật nung nhận được bằng cả bức xạ và đối lưu từ phía mặt thoáng là 12861,79 kW. Như vậy, lượng nhiệt vật nung nhận được bằng bức xạ chiếm 83,9%, bằng đối lưu chiếm 16,1% tổng lượng nhiệt vật nung nhận được từ phía mặt thoáng. Tường lò đóng vai trò rất lớn trong các quá trình truyền nhiệt của lò quay, thể hiện không chỉ bởi quá trình truyền nhiệt bằng bức xạ từ phía bề mặt thoáng đến vật nung mà còn truyền nhiệt đến vật nung thông qua cơ chế truyền nhiệt tiếp xúc. Đây là một trong những đặc trưng, chỉ xảy ra đối với các thiết bị truyền nhiệt như lò quay. Kết quả giải mô hình toán học đã xác định được lượng nhiệt vật nung nhận được từ tường lò theo cả hai phía nêu trên. Theo kết quả tính toán, lượng nhiệt vật nung nhận được do bức xạ từ tường lò phía mặt thoáng là 4769,28 kW; do tiếp xúc với tường lò là 1035,28 kW; tổng lượng nhiệt vật nung nhận được từ tường lò là 5804,56 kW; tổng lượng nhiệt vật nung nhận được từ tường lò và khí là 13897,07 kW. Như vậy, lượng nhiệt tường lò truyền cho vật nung chiếm 41,8% tổng lượng nhiệt vật nung nhận được, trong đó tường lò truyền cho vật nung bằng bức xạ phía mặt thoáng chiếm 34,3%, phía tiếp xúc chiếm 7,5%. Kết quả này cho thấy vai trò rất lớn của tường lò trong các quá trình truyền nhiệt của lò quay đặc biệt là trao đổi nhiệt bằng bức xạ.

Kết quả tính toán còn xác định được tổng lượng nhiệt tổn thất qua vỏ lò là 5913,25 kW, lượng nhiệt cung cấp cho lò quay từ phản ứng cháy của nhiên liệu là 56022,54 kW. Như vậy, lượng nhiệt tổn thất qua vỏ lò chiếm 10,5% tổng lượng nhiệt cung cấp cho lò. Do mô hình truyền nhiệt có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa được xây dựng trên cơ sở hai mô hình toán học độc lập nên có thể xác định được tỷ lệ riêng phần lượng nhiệt vật nung nhận được ở hai vùng lò đặc trưng này. Kết quả tính toán xác định được lượng nhiệt vật nung nhận được trong vùng có ngọn lửa là 5232,04 kW; lượng nhiệt vật nung nhận được trong vùng không có ngọn lửa là 8665,03 kW. Như vậy, với chiều dài ngọn lửa là 19,23 m thì lượng nhiệt trung bình vật nung nhận được trên một đơn vị chiều dài trong vùng có ngọn lửa là 272,08 kW/m; còn vùng không có ngọn lửa, lượng nhiệt này là 147,44 kW/m, nghĩa là lượng nhiệt trung bình vật nung nhận được trên một đơn vị chiều dài trong vùng có ngọn lửa gấp 1,85 lần so với vùng không có ngọn lửa. Kết quả này cho thấy, vai trò rất lớn của quá trình trao đổi nhiệt trong vùng có ngọn lửa của lò quay.

Hơn nữa, kết quả tính toán phân bố nhiệt độ thể hiện trên đồ thị hình 5.2 cho thấy, chỉ trong vùng có ngọn lửa nhiệt độ của vật nung mới đạt được nhiệt độ theo yêu cầu công nghệ để nung chín clinker, nhiệt độ này như đã trình bày ở trên là 1380 ÷ 14500C.

Với các kết quả tính toán ở trên có thể thấy rằng: vùng có ngọn lửa không chỉ có vai trò rất lớn đến quá trình truyền nhiệt trong lò (thể hiện thông qua tỷ lệ riêng phần lượng nhiệt vật nung nhận được trong vùng này) mà còn là vùng có tính chất quyết định đến chất lượng clinker tức là quyết định đến chất lượng xi măng.

Trên cơ sở các kết quả thu được cũng như những phân tích, đánh giá chúng cho phép khẳng định rằng: Mô hình toán học mô tả các quá trình truyền nhiệt trong lò

quay có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa đã xây dựng là hợp lý và cần thiết. 5.3. Nghiên cứu ảnh hƣởng của một số yếu tố đến quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng

Nghiên cứu ảnh hưởng của những yếu tố này đến quá trình truyền nhiệt trong lò là cơ sở quan trọng để thiết lập các thông số vận hành hợp lý nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và sử dụng năng lượng hiệu quả trong quá trình sản xuất. Có hai yếu tố vận hành rất cơ bản và cũng là đặc trưng ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt xảy ra bên trong lò quay xi măng là: mức điền đầy và tốc độ quay của lò. 5.3.1. Ảnh hƣởng của mức điền đầy

Kết quả tính toán nhận thấy, trong điều kiện giữ nguyên tốc độ quay của lò, khi tăng mức điền đầy lên 12,1% thì mức nhiệt độ của vật nung đạt được nằm trong giới hạn cho phép, còn nếu tăng mức điền đầy lên 12,2% thì mức nhiệt độ của vật nung giảm so với yêu cầu công nghệ. Điều này có nghĩa rằng, để đảm bảo chất lượng clinker xi măng, với tốc độ chuyển động quay của lò là 3 v/ph thì mức điền đầy chỉ có thể tăng lên tối đa là 12,1%. Kết quả tính toán phân bố nhiệt độ của vật nung và lượng nhiệt vật nung nhận được, trình bày trong phụ lục 3 và thể hiện trên đồ thị hình 5.10, hình 5.11.

Hình 5.11. Ảnh hưởng của mức điền đầy đến lượng nhiệt vật nung nhận được trong phạm vi từ 12 ÷ 12,1% Hình 5.10. Ảnh hưởng của mức điền đầy đến phân bố nhiệt độ của vật nung trong phạm vi từ 12 ÷ 12,1%

Đồ thị hình 5.11 cho thấy, khi mức điền đầy tăng từ 12 ÷ 12,1% thì năng suất lò sẽ tăng lên từ 166660 kg/h ÷ 167920 kg/h (giá trị tăng lên là 1260 kg/h) đồng thời tổng lượng nhiệt vật nung nhận được tăng lên từ 13897,07 kW ÷ 16304,81 kW, tức là tăng 1,17 lần và tỷ lệ lượng nhiệt tổn thất ra môi trường qua vỏ lò giảm từ 10,5% xuống còn 10,3%. Mức giảm tổn thất nhiệt qua vỏ lò tuy không đáng kể nhưng kết quả tính toán cho thấy, tăng mức điền đầy trong phạm vi từ 12 ÷ 12,1% không chỉ làm tăng năng suất lò mà còn làm tăng lượng nhiệt vật nung nhận được và vẫn đảm bảo được chất lượng xi măng theo yêu cầu công nghệ. Kết quả thu được đối với lò quay xi măng Bút Sơn là cơ sở quan trọng để vận hành lò cho năng suất, chất lượng và tiết kiệm nhiên liệu nhất. 5.3.2. Ảnh hƣởng chuyển động quay của lò

Kết quả tính toán được trình bày trong phụ lục 4 và được thể hiện trên đồ thị hình

5.12, hình 5.13.

Hình 5.12. Ảnh hưởng của chuyển động quay đến phân bố nhiệt độ của vật nung

Hình 5.13. Ảnh hưởng của chuyển động quay đến lượng nhiệt vật nung nhận được

Kết quả tính toán thể hiện trên đồ thị hình 5.12 cho thấy, khi tăng tốc độ chuyển động quay của lò từ 2,7 lên 3,1 v/ph và giữ năng suất lò không đổi thì tổng lượng nhiệt vật nung nhận được giảm từ 13957,01 kW xuống còn 13875,82 kW. Giá trị giảm xuống là 81,19 kW nhiệt. Lượng nhiệt giảm này là do sự giảm mức điền đầy của vật nung như đã nghiên cứu trong mục 5.3.1. Như vậy, kết quả tính toán khẳng định rằng trong phạm vi chuyển động quay của lò từ 2,7 ÷ 3,1 v/ph với năng suất lò không đổi là 166660 kg/h thì phân bố nhiệt độ của vật nung dọc theo chiều dài thay đổi không đáng kể đảm bảo được chất lượng clinker. Tuy nhiên, khi tăng tốc độ quay của lò thì tổng lượng nhiệt vật nung nhận được lại giảm. Vì vậy, trong điều kiện này cần duy trì tốc độ chuyển động quay của lò ở mức thấp nhất trong phạm vi dao động trên. 5.4. Kết quả nghiên cứu mô phỏng số CFD quá trình cháy than phun trong lò quay xi măng

Các kết quả nghiên cứu, thể hiện trên các đồ thị từ hình 5.14 đến hình 5.17.

Hình 5.14. Phân bố nhiệt độ của khí dọc theo chiều dài lò Hình 5.15. Phân bố nhiệt độ tường dọc theo chiều dài lò

Hình 5.16. Phân bố nhiệt độ vật nung dọc theo chiều dài lò

Hình 5.17. Phân bố nhiệt độ vỏ lò dọc theo chiều dài lò

Kết quả nghiên cứu mô phỏng cho thấy, có sự trùng hợp rất tốt giữa mô hình lý thuyết và mô hình mô phỏng bằng phương pháp số CFD. Và từ kết quả so sánh giữa mô hình lý thuyết và mô hình mô phỏng với kết quả thực nghiệm có thể khẳng định vai trò và triển vọng của các mô hình đã được xây dựng. Nhận thấy rằng, ứng dụng mô hình toán học đã xây dựng cho phép thiết lập các thông số vận hành tối ưu cho các lò quay xi măng khác nhau hoặc tính kiểm tra các thông số vận hành một cách dễ dàng. Đối với mô hình mô phỏng số CFD, có thể thực hiện được các công việc mà nghiên cứu thực nghiệm gặp nhiều khó khăn hoặc không thể tiến hành bằng thực nghiệm. Tuy nhiên, phương pháp này cần rất nhiều thời gian chạy chương trình cũng như những yêu cầu cao của kỹ thuật máy tính. Bởi vậy, nếu mục đích thiết lập các thông số vận hành tối ưu cho các lò quay xi măng thì sử dụng mô hình toán học đã xây dựng sẽ thuận tiện hơn nhiều so với sử dụng mô hình mô phỏng bằng phương pháp số CFD. 5.5. Kết luận chƣơng 5 - Đã xác định được phân bố nhiệt độ của các thành phần tham gia trao đổi nhiệt trong lò quay xi măng Bút Sơn (khí, tường lò và vật nung), xét về định tính phù hợp với dạng các đường cong phân bố nhiệt độ trong các lò quay xi măng đã được nghiên cứu trước đây nhưng xét về định lượng thì các giá trị nhiệt độ của khí, tường lò, vật nung đều có giá trị sát với thực tế hơn. Độ chính xác của mô hình toán học được kiểm chứng thông qua kết quả đo biến thiên nhiệt độ vỏ lò với sai số tương đối trung bình (MRD) là 7,52%; so sánh nhiệt độ tại một số vị trí đặc trưng với sai lệch nhiệt độ cực đại của ngọn lửa là 1,43%, sai lệch nhiệt độ cực đại của vật nung là 1,10%, nhiệt độ của khí tại vị trí đầu lò và khoảng dao động biến thiên nhiệt độ vỏ lò đều nằm trong phạm vi cho phép. - Kết quả mô phỏng quá trình cháy than phun bằng phương pháp mô phỏng số CFD độc lập với mô hình toán học nhưng với cùng điều kiện vận hành tại nhà máy xi măng Bút Sơn cho thấy có sự trùng hợp rất tốt giữa hai mô hình tính toán. Cùng với kết quả so sánh nhiệt độ tại một số vị trí đặc trưng trong lò giữa lý thuyết và thực tế cũng như kết quả so sánh biến thiên nhiệt độ vỏ lò, thì những kết quả thu được từ mô phỏng bằng phương pháp số CFD càng khẳng định thêm về độ tin cậy của mô hình toán học đã xây dựng. Vì vậy, ta có thể dùng mô hình toán học để làm cơ sở tính toán thiết kế một lò mới hoặc tính kiểm tra nhanh các thông số của một lò đang vận hành khi không có điều kiện đo đạc. - Mô hình toán học có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ của ngọn lửa đã xác định được tỷ lệ riêng phần của từng phương thức trao đổi nhiệt: lượng nhiệt vật nung nhận được bằng bức xạ từ phía mặt thoáng chiếm 83,9% và bằng đối lưu chiếm 16,1% tổng lượng nhiệt vật nung nhận được từ phía mặt thoáng; tường lò đóng vai trò rất lớn trong quá trình truyền nhiệt của các lò quay xi măng thể hiện thông qua lượng nhiệt mà tường lò truyền cho vật nung, theo đó lượng nhiệt tường lò truyền cho vật nung chiếm 41,8% tổng lượng nhiệt vật nung nhận được. Trong đó, lượng nhiệt tường lò truyền bằng bức xạ từ phía mặt thoáng chiếm 34,3% và truyền cho vật nung theo cơ chế tiếp xúc chiếm 7,5%. Đây chính là một trong những đặc trưng của truyền nhiệt trong các lò quay.

- Một trong những đặc trưng của mô hình toán học có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa là tỷ lệ riêng phần lượng nhiệt vật nung nhận được từ vùng có ngọn lửa và vùng không có ngọn lửa. Theo đó, lượng nhiệt trung bình vật nung nhận được trên một đơn vị chiều dài trong vùng có ngọn lửa là 272,08 kW/m, vùng không có ngọn lửa, lượng nhiệt này là 147,44 kW/m, nghĩa là lượng nhiệt trung bình vật nung nhận được trên một đơn vị chiều dài trong vùng có ngọn lửa gấp 1,85 lần so với vùng không có ngọn lửa. Kết quả này khẳng định vai trò rất lớn của truyền nhiệt trong vùng có ngọn lửa của lò quay. - Với điều kiện vận hành của lò quay xi măng Bút Sơn như tốc độ chuyển động quay 3 v/ph thì mức điền đầy tối đa có thể tăng lên là 12,1% mà vẫn đảm bảo được chất lượng clinker (tức là năng suất lò tối đa có thể đạt được là 167920 kg/h). - Sự thay đổi tốc độ chuyển động quay của lò trong phạm vi từ 2,7 ÷ 3,1 v/ph và giữ nguyên năng suất lò sẽ không ảnh hưởng nhiều đến phân bố nhiệt độ của vật nung. Tuy nhiên, trong điều kiện này tốc độ quay càng tăng thì tổng lượng nhiệt vật nung nhận được lại càng giảm. Vì vậy, cần duy trì tốc độ chuyển động quay ở mức thấp nhất trong phạm vi dao động trên.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

KẾT LUẬN

Từ những kết quả nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng số CFD cho

phép rút ra các kết luận cơ bản sau đây: 1. Mô hình toán học đã được xây dựng dựa trên phương pháp tương tự nhiệt - điện kết hợp với các phương trình cân bằng năng lượng có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa cho phép xác định sự phân bố nhiệt độ của ba thành phần tham gia trao đổi nhiệt trong lò quay là khí, tường lò và vật nung với độ chính xác được kiểm chứng từ thực nghiệm thu được từ lò quay đang vận hành. Sai lệch giữa nhiệt độ vỏ lò tính toán và nhiệt độ vỏ lò đo được theo MRD là 7,52%, sai lệch nhiệt độ cực đại của ngọn lửa là 1,43%, sai lệch nhiệt độ cực đại của vật nung là 1,10%, nhiệt độ tại vị trí đầu lò và khoảng dao động biến thiên nhiệt độ vỏ lò đều nằm trong phạm vi cho phép. Các sai lệch này đều có thể chấp nhận được trong tính toán kỹ thuật. Do vậy, mô hình toán học đã xây dựng có khả năng ứng dụng trong thực tiễn để tính toán thiết kế một lò mới hoặc tính kiểm tra nhanh các thông số của một lò đang vận hành mà không có điều kiện đo đạc. 2. Trong lò quay xi măng, sự biến thiên nhiệt độ của các thành phần tham gia trao đổi nhiệt trong vùng có ngọn lửa lớn hơn nhiều so với vùng không có ngọn lửa. Trong vùng có ngọn lửa, theo chiều dài tính từ đầu vòi phun, nhiệt độ của chúng tăng dần đến giá trị cực đại sau đó giảm dần xuống theo quy luật parabol đến hết vùng ngọn lửa; còn trong vùng không có ngọn lửa, nhiệt độ của chúng biến thiên gần như tuyến tính và giảm dần theo chiều dài. 3. Đặc trưng của mô hình toán học đã xây dựng là xác định được tỷ lệ riêng phần lượng nhiệt vật nung nhận được trong từng vùng lò. Trong điều kiện vận hành ổn định của lò quay xi măng Bút Sơn: năng suất lò 166660 kg/h, tốc độ quay 3 v/ph, mức điền đầy 12% thì lượng nhiệt trung bình vật nung nhận được trên một đơn vị chiều dài trong vùng có ngọn lửa là 272,08 kW/m, vùng không có ngọn lửa là 147,44 kW/m, nghĩa là lượng nhiệt trung bình vật nung nhận được trên một đơn vị chiều dài

trong vùng có ngọn lửa gấp 1,85 lần so với vùng không có ngọn lửa. Điều này khẳng định vai trò rất lớn của trao đổi nhiệt trong vùng có ngọn lửa của lò quay. Không những vậy, kết quả phân bố nhiệt độ của khí, vật nung cho thấy vùng ngọn lửa có vai trò quyết định đến điều kiện hình thành thành phần khoáng quan trọng của clinker xi măng là C3S. 4. Vai trò chủ đạo của phương thức truyền nhiệt bằng bức xạ trong lò quay thể hiện thông qua tỷ lệ riêng phần lượng nhiệt vật nung nhận được. Theo đó, lượng nhiệt vật nung nhận được từ phía mặt thoáng bằng bức xạ chiếm đến 83,9% tổng lượng nhiệt vật nung nhận được từ phía mặt thoáng (bằng đối lưu chỉ chiếm 16,1%). 5. Kết quả giải mô hình toán học đã thể hiện rõ nét vai trò của tường lò trong các quá trình truyền nhiệt. Tỷ lệ lượng nhiệt vật nung nhận được từ tường lò chiếm đến 41,8% tổng lượng nhiệt vật nung nhận được; trong đó lượng nhiệt truyền bằng bức xạ từ phía mặt thoáng chiếm 34,3% và truyền theo cơ chế phía tiếp xúc chiếm 7,5%. 6. Đã xây dựng một phương pháp luận thiết lập các thông số vận hành hợp lý cho các lò quay xi măng khác nhau trên cơ sở mô hình toán học đã xây dựng. Với lò quay xi măng Bút Sơn, các thông số vận hành hợp lý để vừa đảm bảo yêu cầu công nghệ, vừa mang lại kinh tế là: mức điền đầy 12,1% (khi tốc độ quay 3 v/ph), tốc độ quay 2,7 v/ph (khi năng suất lò giữ không đổi ở mức 166660 kg/h). NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 1. Đã xây dựng và giải thành công mô hình toán học mô tả các quá trình trao đổi nhiệt có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa trong lò quay xi măng trên cơ sở mô hình tương tự nhiệt - điện kết hợp với các phương trình cân bằng năng lượng. Độ tin cậy của mô hình này đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm và bằng mô phỏng số CFD. Có thể dùng mô hình toán học của đề tài để tính toán thiết kế một lò mới hoặc tính kiểm tra nhanh các thông số của một lò đang vận hành khi không có điều kiện đo đạc. 2. Đã xác định được tỷ lệ riêng phần lượng nhiệt vật nung nhận được từ các phương thức trao đổi nhiệt khác nhau và tỷ lệ riêng phần lượng nhiệt vật nung nhận được ở hai vùng lò đặc trưng trong lò quay xi măng: vùng có ngọn lửa và vùng không có ngọn lửa. 3. Đã thiết lập được các thông số vận hành hợp lý cho lò quay xi măng Bút Sơn, Hà Nam trên cơ sở mô hình toán học và trên cơ sở nghiên cứu độc lập hai yếu tố ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt trong lò quay: mức độ điền đầy và tốc độ quay của lò. MỘT SỐ KIẾN NGHỊ, ĐỀ XUẤT HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

Qua nội dung nghiên cứu của luận án, chúng tôi nhận thấy, cần tiếp tục nghiên cứu

sâu hơn về lĩnh vực truyền nhiệt trong lò quay xi măng như sau: 1. Nghiên cứu ảnh hưởng của ngọn lửa than phun có phun thêm dầu FO để tăng độ đen của ngọn lửa đến đặc tính truyền nhiệt trong lò quay. 2. Nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn nhiệt tỏa ra hay thu vào trong quá trình phản ứng tạo khoáng clinker đến sự phân bố nhiệt độ của khối vật nung. 3. Xây dựng mối quan hệ giữa các kích thước hình học của lò (chiều dài vùng có ngọn lửa, vùng không có ngọn lửa, chiều dài tổng cộng của lò, đường kính lò) với năng suất lò và thời gian lưu lại của vật nung trong lò.

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

1. Nguyễn Đăng Khoát (2012) Xác định chiều dài ngọn lửa than phun trong lò quay xi măng bằng phương pháp Ruhland. Tạp chí khoa học Giao thông Vận tải - Trường Đại học Giao thông Vận tải, số 40, tháng 12 năm 2012.

2. Nguyễn Đăng Khoát (2013) Nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt khi vật liệu tiếp xúc với tường lò quay xi măng. Tạp chí khoa học Giao thông Vận tải - Trường Đại học Giao thông Vận tải, số 41, tháng 03 năm 2013.

3. Trần Gia Mỹ, Nguyễn Đăng Khoát (2013) Nghiên cứu xác định tổn thất nhiệt của tường lò quay xi măng ra môi trường xung quanh. Tạp chí năng lượng Nhiệt, số 111, tháng 05 năm 2013.

4. Trần Gia Mỹ, Nguyễn Đăng Khoát (2014) Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt không cân bằng từ ngọn lửa than phun trong lò quay xi măng. Tạp chí năng lượng Nhiệt, số 120, tháng 11 năm 2014.

5. Trần Gia Mỹ, Nguyễn Đăng Khoát (2015) Mô hình truyền nhiệt trong lò quay xi măng có kể đến ảnh hưởng của sự không cân bằng trường nhiệt độ. Tạp chí năng lượng Nhiệt, số 125, tháng 09 năm 2015.