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 (TT)

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 n

NGUYỄN ĐĂNG KHOÁT

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG LÕ QUAY XI MĂNG CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG 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

Người hướng dẫn khoa học:

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 tượng 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 Phương 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

CHƯƠNG 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 trưng 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 nước 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

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

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Phương 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 phương 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

- 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

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG

LÕ QUAY XI MĂNG CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG 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:

1,245 0,442

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:

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 hưởng 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)

(3.5)

Phương trình cân bằng nhiệt cho ngọn lửa có dạng:

Hình 3.2 Mô hình truyền nhiệt trong vùng có ngọn lửa

Hình 3.3 Mô hình tương tự nhiệt - điện trong vùng có ngọn lửa

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

1

1 R

w

R (T T ).(T T ).ln

R R

w wg

1 R

.F





s 8

s s

1 R

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:

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

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:

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 2

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

   (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