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.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN ĐĂNG KHỐT NGHIÊN CỨU Q 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 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Trần Gia Mỹ 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 bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án Tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Xi măng vật liệu thiếu tất cơng trình xây dựng dân dụng công nghiệp Nhu cầu tiêu thụ xi măng giới Việt Nam không ngừng tăng Để đáp ứng nhu cầu này, cần tăng số lượng nhà máy mà cịn phải hồn thiện công nghệ thiết bị Trải qua nhiều giai đoạn phát triển, cơng nghệ sản xuất xi măng lị đứng thay công nghệ sản xuất xi măng lò quay theo phương pháp ướt đến ngày công nghệ sản xuất xi măng lị quay theo phương pháp khơ có khả tự động hóa hồn tồn, tiêu tốn lượng, giảm thiểu ô nhiễm môi trường cho chất lượng xi măng cao Trong công nghệ sản xuất xi măng, chất lượng sản phẩm mức độ tiết kiệm lượng định chủ yếu trình trao đổi nhiệt hay chế độ gia nhiệt cho lị Bởi vậy, nghiên cứu q trình trao đổi nhiệt lị quay góp phần làm giảm tiêu hao nhiên liệu, nâng cao chất lượng sản phẩm qua tác động lớn tới việc giảm giá thành sản phẩm Do đó, lĩnh vực nghiên cứu có ý nghĩa khoa học thực tiễn lớn Các q trình truyền nhiệt lị quay phức tạp đa dạng, bao gồm ba phương thức truyền nhiệt: dẫn nhiệt, đối lưu xạ; trình chồng chéo ảnh hưởng lẫn Khơng vậy, chuyển động quay lị ngun nhân làm cho q trình truyền nhiệt lị quay có nét đặc trưng riêng so với lị cơng nghiệp đứng n Các đặc trưng riêng thể trình truyền nhiệt bên lị lẫn bên ngồi lị Do tầm quan trọng tính đặc thù q trình truyền nhiệt lị quay nên có hàng loạt cơng trình nghiên cứu truyền nhiệt lị quay mà trọng tâm xây dựng mơ hình tốn học ngày hồn thiện để mơ tả cách đầy đủ chi tiết trình truyền nhiệt thực tế xảy lò, phức tạp đa dạng chúng khiến cho nhiều vấn đề chưa giải thỏa đáng Các lò quay xi măng làm việc nhiệt độ cao có vùng phát nhiệt, nhiên liệu đốt cháy dạng lửa phun Bởi vậy, xét khía cạnh truyền nhiệt lò quay chia theo chiều dài làm hai vùng lị đặc trưng: vùng có lửa (vùng cháy) vùng khơng có lửa (vùng sau cháy) Sự xuất vùng lửa không ảnh hưởng đến tồn q trình truyền nhiệt lị mà cịn vùng có ảnh hưởng định đến chất lượng xi măng Bằng phương pháp lý thuyết thực nghiệm, luận án tập trung nghiên cứu trình truyền nhiệt lị quay xi măng có xét đến ảnh hưởng trình cháy xạ nhiệt lửa, phân tích phương pháp tính tốn trao đổi nhiệt xạ khác từ xây dựng mơ hình tốn học mơ tả quy luật truyền nhiệt thành phần tham gia trao đổi nhiệt lò nhằm phục vụ cho việc thiết kế vận hành loại lò quay xi măng khác Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu luận án là: Xác định quy luật truyền nhiệt lị quay có xét đến ảnh hưởng q trình cháy xạ nhiệt lửa, đồng thời tính tốn lượng nhiệt trao đổi thành phần tham gia trao đổi nhiệt để làm sở cho thiết kế vận hành loại lò quay nhằm mục đích cuối nâng cao chất lượng sản phẩm giảm tiêu hao nhiên liệu cho lò Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu lò quay sản xuất xi măng theo phương pháp khô Phạm vi nghiên cứu q trình truyền nhiệt lị quay Cũng cần lưu ý rằng, kết tính tốn cho đối tượng cụ thể đề cập luận án lò quay đốt than phun loại nhiên liệu sử dụng phổ biến lò quay sản xuất xi măng nay, khơng có nghĩa phạm vi nghiên cứu giới hạn loại lò sử dụng nhiên liệu Phƣơng pháp nghiên cứu Luận án thực phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm sở số liệu đo đạc thực tế mô phương pháp số CFD Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài nghiên cứu Về mặt lý thuyết, luận án làm sáng tỏ chế truyền nhiệt lò quay xét tới ảnh hưởng trình cháy xạ nhiệt lửa góp phần bổ sung vào lý thuyết truyền nhiệt truyền chất trình truyền nhiệt đặc trưng đa dạng Về mặt thực tiễn, kết nghiên cứu luận án khơng làm sở cho thiết kế lị quay xi măng mà cịn góp phần xây dựng phương pháp luận để thiết lập thông số vận hành tối ưu cho lò CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG 1.1 Tổng quan công nghệ sản xuất xi măng Trong mục này, giới thiệu tổng quan công nghệ sản xuất xi măng mức nhiệt độ yêu cầu trình gia nhiệt cho vật nung 1.2 Lị quay xi măng đặc trƣng Lò quay xi măng ống thép hình trụ có xây gạch chịu lửa, cách nhiệt bên trong, quay quanh trục với tốc độ ÷ v/ph đặt nghiêng so với mặt phẳng nằm ngang góc ÷ độ Những đặc trưng lò quay thể đặc trưng hình học lẫn đặc trưng truyền nhiệt 1.3 Nhiên liệu yêu cầu nhiên liệu cho lò quay xi măng Nhiên liệu sử dụng công nghiệp sản xuất xi măng thường gồm ba loại: khí, lỏng, rắn; sử dụng phổ biến nhiên liệu rắn 1.4 Tổng quan kết nghiên cứu truyền nhiệt lò quay xi măng 1.4.1 Các kết nghiên cứu nƣớc ngồi 1.4.1.1 Các q trình truyền nhiệt lị quay Q trình truyền nhiệt lò quay phức tạp bao gồm ba phương thức truyền nhiệt: dẫn nhiệt, đối lưu xạ Các trình chồng chéo ảnh hưởng lẫn 1.4.1.2 Các mơ hình truyền nhiệt xạ lị quay xi măng Mơ hình tính tốn truyền nhiệt lò quay xi măng Gygi [127] dựng vào năm 1937, dựa kết nghiên cứu thực nghiệm lò quay hoạt động, theo Gygi tiến hành đo nhiệt độ khí vật nung nhiều vị trí khác dọc theo chiều dài lị kết hợp với đo thông số nhiệt vật lý vật nung cách lấy mẫu vật nung vị trí khác lị Từ kết thực nghiệm, Gygi xây dựng thành đường cong phân bố nhiệt độ khí, tường lị vật nung dọc theo chiều dài Với mục đích xây dựng mơ hình tốn học để tính tốn phân bố dịng nhiệt vật nung lò, Cross Young [43] xây dựng mơ hình truyền nhiệt lị quay với giả thiết bỏ qua nhiệt tỏa (thu vào) phản ứng hóa học khối vật nung Kết tính tốn xác định phân bố nhiệt độ khí vật nung dọc theo chiều dài lò Với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật, đặc biệt khoa học máy tính, nhà khoa học vận dụng phương pháp tính toán trao đổi nhiệt xạ khác để xây dựng mơ hình truyền nhiệt lị quay với mục đích xác định quy luật truyền nhiệt thành phần tham gia trao đổi nhiệt tính tốn lượng nhiệt trao đổi chúng Có thể tìm thấy mơ hình [5], [54], [55], [56], [57], [70] Hệ thống cơng trình nghiên cứu cho thấy, mơ hình truyền nhiệt chủ yếu xây dựng dựa ba phương pháp tính tốn trao đổi nhiệt xạ, là: phương pháp vùng, phương pháp phản xạ phương pháp tương tự nhiệt - điện Mặc dù, phương pháp tính tốn trao đổi nhiệt xạ có đặc điểm chung dựa phương trình cân nhiệt khác biệt chúng cách xác định điều kiện biên làm cho phương pháp có đặc trưng riêng Phân tích chi tiết phương pháp sở để xây dựng mơ hình tốn học nghiên cứu q trình truyền nhiệt lị quay có xét đến ảnh hưởng trình cháy xạ nhiệt lửa 1.4.2 Các kết nghiên cứu Việt Nam Ở Việt Nam có nhiều tác giả nghiên cứu truyền nhiệt với hai hướng nghiên cứu nâng cao hiệu suất cháy khả trao đổi nhiệt lị cơng nghiệp có tính phổ biến lò hơi, lò luyện thép, lò nung gốm vv; nghiên cứu xử lý khí phát thải q trình đốt nhiên liệu lị cơng nghiệp kể Còn loại lò quay có tính đặc thù trình bày mục 1.2 chưa đề cập đến Một cơng trình nghiên cứu truyền nhiệt lò quay xi măng Đặng Quốc Phú [6] đề cập nghiên cứu ảnh hưởng tính chất nhiệt vật lý lớp vật liệu chịu lửa đến trình trao đổi nhiệt lị quay xi măng Tiếp đến hàng loạt cơng trình nghiên cứu truyền nhiệt xảy bên lò quay thiết bị gia nhiệt kiểu thùng quay công bố Năm 1986, Đặng Quốc Phú, Võ Xuân Cương Võ Chí Chính [3] dựa vào phương pháp exergie để phân tích q trình cháy chế độ nhiệt lị quay xi măng Cũng dựa quan điểm exergie, Đặng Quốc Phú [4] xây dựng phương pháp xác định độ mịn tối ưu bụi than cho lửa than buồng đốt hình trụ Với mục đích xác định chế độ nhiệt tối ưu cho lò quay xi măng, năm 1987, Đặng Quốc Phú Nguyễn Thị Hồng Hà [2] xây dựng mơ hình tốn học dựa việc phân tích q trình trao đổi nhiệt xảy đồng thời lò Dựa vào kết nghiên cứu chế truyền nhiệt lò, dựa vào phân tích riêng rẽ q trình truyền nhiệt dựa vào yêu cầu đặt xây dựng mơ hình với quan điểm phải xem xét toàn diện mối quan hệ khả nâng cao độ xác khối lượng tính tốn phải thực với việc ý mức đến tồn q trình xảy (tức q tập trung vào q trình mà khơng đồng thời ý mức đến trình khác khơng đạt kết mong đợi), Đặng Quốc Phú [5] xây dựng mơ hình truyền nhiệt tổng quát lò quay sở phương pháp vùng Hottel Sarofim [61] Mơ hình cho phép xác định trường nhiệt độ thành phần tham gia trao đổi nhiệt lị tính tốn lượng nhiệt trao đổi chúng Tuy nhiên, mơ hình truyền nhiệt tổng qt khơng đề cập đến ảnh hưởng trình cháy xạ nhiệt lửa tới đặc tính truyền nhiệt lị quay Bởi lị quay làm việc nhiệt độ cao, tồn vùng phát nhiệt, nhiên liệu đốt cháy dạng lửa phun Đây vùng lò quan trọng nhất, ảnh hưởng đến tồn q trình truyền nhiệt xảy lị Mặc dù vậy, mơ hình truyền nhiệt tổng qt xây dựng sở quan trọng để mở hàng loạt vấn đề nghiên cứu khó khăn mang lại nhiều ý nghĩa khoa học kinh tế lớn 1.5 Một số vấn đề tồn nội dung nghiên cứu luận án Xét khía cạnh truyền nhiệt lị quay ln ln tồn hai vùng lị đặc trưng chia theo chiều dài, là: vùng có lửa vùng khơng có lửa Các q trình truyền nhiệt hai vùng lò bao gồm ba phương thức truyền nhiệt bản: dẫn nhiệt, đối lưu xạ Tuy nhiên, xuất lửa nên đặc tính trao đổi nhiệt vùng có lửa khác so với vùng khơng có lửa Hơn nữa, vùng có lửa khơng ảnh hưởng đến tồn q trình truyền nhiệt khơng gian lị quay mà cịn vùng ảnh hưởng có tính chất định đến chất lượng clinker xi măng Mặc dù có nhiều cơng trình nghiên cứu nước nước q trình truyền nhiệt lị quay với việc vận dụng linh hoạt phương pháp tính tốn trao đổi nhiệt xạ khác để xây dựng mơ hình tốn học xác định quy luật truyền nhiệt lị xây dựng cơng thức tính tốn lượng nhiệt trao đổi khí lị với vật nung, vật nung với tường lò vv , việc phân tích cách có hệ thống tỉ mỉ cơng trình cho thấy, tác giả chưa đề cập đến ảnh hưởng trình cháy xạ nhiệt lửa tới quy luật truyền nhiệt lị quay Q trình truyền nhiệt lị quay có quan hệ chặt chẽ với kích thước lị, tốc độ quay, kích thước nhiệt độ vật nung cấp vào lị, nhiệt độ khí vv điều quan trọng bật trình truyền nhiệt định trình cháy xạ nhiệt lửa Nghiên cứu quy luật truyền nhiệt lị quay có xét đến ảnh hưởng trình cháy xạ nhiệt lửa tốn phức tạp, khó khăn lại yêu cầu cấp thiết, có ý nghĩa khoa học thực tiễn lớn vùng lị có lửa vùng lò quay sản xuất xi măng phương diện kích thước, phương diện cơng nghệ (vì vùng lị tạo khống quan trọng clinker xi măng C 3S), đặc biệt xuất lửa ảnh hưởng đến tồn q trình truyền nhiệt lò định đến chất lượng sản phẩm Vì lý đó, việc lựa chọn đề tài: Nghiên cứu q trình truyền nhiệt lị quay xi măng có xét đến ảnh hưởng trình cháy xạ nhiệt lửa thực cần thiết hợp lý tình hình nay, đặc biệt Việt Nam Để đạt mục đích nghiên cứu xác định quy luật truyền nhiệt lị quay tính tốn lượng nhiệt trao đổi thành phần tham gia trao đổi nhiệt xét tới ảnh hưởng trình cháy xạ nhiệt lửa, luận án cần thực nội dung sau: Nghiên cứu xác định vùng có lửa lị quay Xây dựng mơ hình tốn học xác định quy luật truyền nhiệt lò quay xi măng xét tới ảnh hưởng trình cháy xạ nhiệt lửa Xác định lượng nhiệt trao đổi thành phần tham gia trao đổi nhiệt, tỷ lệ riêng phần lượng nhiệt trao đổi phương thức trao đổi nhiệt vùng lò đặc trưng nghiên cứu ảnh hưởng số yếu tố đến q trình truyền nhiệt lị quay xi măng Đánh giá độ xác mơ hình toán học số liệu thực tế thu từ lò quay hoạt động nhà máy xi măng Bút Sơn, Hà Nam 1.6 Kết luận chƣơng Trên sở phân tích, đánh giá tổng quan kết nghiên cứu liên quan đến đề tài, chúng tơi rút kết luận sau: Đã xác định vấn đề cần giải nội dung cần thực luận án là: - Xây dựng mơ hình tốn học có xét đến ảnh hưởng trình cháy xạ nhiệt lửa tới quy luật truyền nhiệt khí, tường lị vật nung lò quay sản xuất xi măng làm tường minh trình thay đổi nhiệt độ khí, tường lị vật nung theo chiều dài lị định tính định lượng - Tính tốn lượng nhiệt trao đổi thành phần tham gia trao đổi nhiệt, tỷ lệ riêng phần lượng nhiệt trao đổi phương thức vùng lò đặc trưng - Nghiên cứu ảnh hưởng số yếu tố đến q trình truyền nhiệt lị quay sản xuất xi măng để xác định thông số vận hành hợp lý nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm giảm tiêu hao nhiên liệu cho lò CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu luận án lựa chọn nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm sở số liệu đo đạc thực tế mô phương pháp số CFD 2.1.1 Nghiên cứu lý thuyết Nhiệm vụ nghiên cứu lý thuyết xây dựng mơ hình tốn học mơ tả trình trao đổi nhiệt thành phần tham gia trao đổi nhiệt (khí, tường lị vật nung) lị quay xi măng có xét đến ảnh hưởng trình cháy xạ nhiệt lửa Trao đổi nhiệt lò quay trình phức tạp chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố như: đặc tính xạ mơi trường khí (đặc biệt lửa), tường lị vùng khí hồi lưu Phân tích yếu tố ảnh hưởng đến q trình truyền nhiệt lị quay xi măng điều cần thiết để thiết lập giả thiết đơn giản hóa xây dựng mơ hình tốn học Nội dung chúng tơi trình bày mục 2.1.1.1; 2.1.1.2 2.1.1.3 2.1.1.1 Ảnh hưởng đặc tính xạ mơi trường khí lị quay xi măng Có thể thấy rằng, mơi trường khí lị quay xi măng mơi trường khí thực Bằng cách xây dựng hai mơ hình xạ: mơ hình thứ coi khí lị quay khí thực; mơ hình thứ hai coi khí lị quay vật xám, Gorog [55] tính tốn đến kết luận rằng: độ đen tường lò vật nung hớn 0,8 giả thiết khí vật xám tính tốn trao đổi nhiệt xạ có sai số nhỏ, áp dụng để nghiên cứu trình truyền nhiệt lò quay 2.1.1.2 Ảnh hưởng tường lò quay Chuyển động quay lò làm cho nhiệt độ bề mặt bên tường lò biến thiên theo vịng quay Vì thế, lượng nhiệt trao đổi tường lị với vật nung, tường lị với dịng khí thay đổi theo thời gian Trên sở phân tích mơ hình tính tốn lượng nhiệt vật nung nhận từ phía mặt thống Gorog [55], chúng tơi cho rằng: xem nhiệt độ tường lị giá trị nhiệt độ trung bình vịng quay nghiên cứu q trình truyền nhiệt lị quay mà không gặp phải sai số lớn 2.1.1.3 Ảnh hưởng vùng khí hồi lưu Nghiên cứu Moles cộng [81], nhận thấy rằng, khí hồi lưu có ảnh hưởng đến q trình truyền nhiệt lò quay mức độ hồi lưu vùng cháy lò nhỏ nên xây dựng mơ hình tốn học mơ tả q trình truyền nhiệt vùng có lửa lị quay xem khí xung quanh lửa suốt xạ nhiệt 2.1.2 Nghiên cứu thực nghiệm Do khó khăn xây dựng mơ hình thực nghiệm khó khăn cịn tăng lên gấp nhiều lần xác định thực nghiệm phân bố nhiệt độ khí, tường lị vật nung lò quay xi măng hoạt động nên phạm vi nghiên cứu luận án này, chúng tơi đo biến thiên nhiệt độ vỏ lò dọc theo chiều dài khảo sát, thu thập thông số nhiệt độ số vị trí đặc trưng lị để so sánh với kết nghiên cứu lý thuyết Có nhiều phương pháp khác để đo nhiệt độ nhóm chúng thành hai phương pháp đo tiếp xúc đo khơng tiếp xúc [13] Trong cơng trình này, tính đặc thù lị quay xi măng nên sử dụng phương pháp đo không tiếp xúc Đây phương pháp đo sử dụng phổ biến lị quay xi măng Chúng tơi trình bày chi tiết vấn đề nội dung chương 2.1.3 Nghiên cứu mô phƣơng pháp số CFD Trong năm gần đây, với tiến vượt bậc khoa học công nghệ đặc biệt cơng nghệ máy tính, có hàng loạt cơng trình nghiên cứu sử dụng cơng nghệ mơ số để thực nghiên cứu mà tiến hành thực nghiệm nghiên cứu thực nghiệm gặp nhiều khó khăn Trong đó, phương pháp mơ số dựa tính tốn động lực học dịng chảy (Computation Fluid Dynamics; viết tắt CFD) ứng dụng phổ biến nay, đặc biệt ứng dụng mơ q trình cháy than Trong luận án này, để đánh giá tính đắn mơ hình tốn học, ngồi việc so sánh kết tính tốn với số liệu đo lị quay hoạt động, cịn so sánh kết tính tốn với kết tính từ việc nghiên cứu mơ q trình cháy than phương pháp mơ số CFD 2.2 Kết luận chƣơng Trên sở lựa chọn phương pháp nghiên cứu, rút số kết luận sau: - Mơ hình tốn học nghiên cứu q trình truyền nhiệt lị quay xi măng có xét đến ảnh hưởng trình cháy xạ nhiệt lửa xây dựng sở phương pháp tương tự nhiệt - điện kết hợp với phương trình cân lượng viết cho thành phần tham gia trao đổi nhiệt lò giải pháp phù hợp - Khi độ đen tường lò vật nung lớn 0,8 coi khí lị vật xám tính tốn q trình trao đổi nhiệt xạ - Nhiệt độ tường lò quay xi măng biến thiên tuần hồn sau vịng quay Tuy nhiên, biến thiên nhiệt độ lớn tường lị khơng vượt q 100 K nên xem nhiệt độ tường lò giá trị nhiệt độ trung bình vịng quay nghiên cứu q trình truyền nhiệt lị quay xi măng - Mặc dù khí hồi lưu ảnh hưởng đến trình truyền nhiệt lị quay lượng khí hồi lưu vùng có lửa nhỏ nên xây dựng mơ hình tốn học mơ tả q trình trao đổi nhiệt vùng xem khí xung quanh lửa có thành phần chủ yếu O2 N2 cung cấp dòng khơng khí cấp hai cấp cho q trình cháy coi mơi trường suốt xạ nhiệt - Độ xác mơ hình lý thuyết đánh giá sở kết đo biến thiên nhiệt độ vỏ lò quay xi măng hoạt động thông số nhiệt độ số vị trí đặc trưng lị Ngồi ra, kết tính tốn cịn so sánh với kết nghiên cứu phương pháp mô số CFD CHƢƠNG 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 lò quay xi măng Khi nghiên cứu truyền nhiệt, lò quay chia theo chiều dài làm hai vùng đặc trưng vùng có lửa vùng khơng có lửa Để xây dựng mơ hình tốn học mơ tả q trình truyền nhiệt lị quay xi măng có xét đến ảnh hưởng trình cháy xạ lửa, tiến hành xây dựng hai mơ hình tốn học: Mơ hình tốn học mơ tả q trình truyền nhiệt vùng có lửa Mơ hình tốn học mơ tả q trình truyền nhiệt vùng khơng có lửa Để giải nhiệm vụ nêu trên, thiết phải xác định chiều dài đặc trưng nhiệt vật lý vùng có lửa lị Vấn đề chúng tơi trình bày mục 3.2 3.2 Xác định vùng có lửa lị quay xi măng 3.2.1 Sự hình thành lửa than phun lị quay xi măng Q trình hình thành lửa cháy bột than bao gồm giai đoạn sau: thoát chất bốc, cháy chất bốc (giai đoạn bắt lửa), cháy cốc tạo xỉ [14] 3.2.2 Chiều dài lửa than phun lò quay xi măng Bằng nghiên cứu thực nghiệm mơ hình vật lý kết hợp với số liệu có từ lị quay xi măng vận hành, Ruhland [132] xây dựng mối quan hệ chiều dài lửa phun với cấu trúc vịi phun, kích thước lị mơmen động lượng dịng chảy Phương trình Ruhand để tính chiều dài lửa than phun viết theo công thức: msa me Lf msa me f sa e 3,21 B 3,862 e n 1 0,442 m exp 2,12 sa m D e i 1,245 Di exp 0,1052 (3.5) Phương trình tính tốn (3.5) Ruhland [93], Moles cộng [81], Jenkins Moles [65] tiến hành tính tốn kiểm tra hàng loạt lò quay vận hành khác cho kết phù hợp với thực tế Vì lý đó, luận án chúng tơi lựa chọn cơng thức tính tốn Ruhland để xác định chiều dài lửa lửa than phun lò quay xi măng 3.3 Hệ số cháy kiệt Theo Đặng Quốc Phú [5] hệ số cháy kiệt loại lửa phun khác tính theo cơng thức (3.6) [130] mà khơng mắc phải sai số lớn: x exp 4, 605 Lf (3.6) Sự biến thiên hệ số cháy kiệt dọc theo chiều dài lửa tạo thành đường cong cháy kiệt Xác định đường cong cháy kiệt sở quan trọng để tổ chức trình cháy hợp lý nhằm thiết lập chế độ nhiệt tối ưu cho lò 3.4 Mơ hình tốn học nghiên cứu q trình truyền nhiệt lị quay xi măng có xét đến ảnh hƣởng trình cháy xạ nhiệt lửa 3.4.1 Mơ hình tốn học vùng có lửa 3.4.1.1 Các giả thiết xây dựng mơ hình Để xây dựng mơ hình tốn học mơ tả q trình truyền nhiệt vùng có lửa lị quay cần có giả thiết sau: - Các q trình truyền nhiệt lị quay ổn định - Ngọn lửa, tường lò, vật nung vật xám có độ đen khơng đổi (mục 1.4.1.1) - Ngọn lửa có dạng hình trụ với đường kính khơng đổi [55] - Bỏ qua ảnh hưởng gradient nhiệt độ lửa, vật nung theo phương bán kính - Nhiệt dung riêng sản phẩm cháy khơng đổi - Khí xung quanh lửa suốt xạ nhiệt (mục 2.1.1.3) 3.4.1.2 Mơ hình tốn học Chia lửa thành phần tử có chiều dày xác định (hình 3.2a) thiết lập phương trình cân nhiệt cho phần tử (hình 3.2b) 11 xây dựng phương trình xác định hệ số tỏa nhiệt đối lưu áp dụng ống dài 10 L 400 sau: Di gw D 0, 036 a Re0,8 Pr 0,33 i Di L 0,055 (3.23) Công thức (3.23) Gorog [55], Gorog, Adams Brimacombe [56] sử dụng để tính tốn hệ số tỏa nhiệt đối lưu khí tường lị phía mặt thống lị quay xi măng khác Kết tính tốn cho rằng, hệ số tỏa nhiệt đối lưu khí tường lò lò quay xi măng thực tế dao động phạm vi từ 10 ÷ 30 W/m2.K b) Hệ số tỏa nhiệt đối lưu khí vật nung Trên sở số liệu thu từ nghiên cứu thực nghiệm, nhóm tác giả Gorog, Adams Brimacombe [56] xây dựng phương trình xác định hệ số tỏa nhiệt đối lưu khí vật nung lò quay sau: gs 0, mg 0,62 (3.25) Áp dụng phương trình (3.25), Gorog [55] tính hệ số tỏa nhiệt đối lưu khí vật nung lị quay xi măng dao động khoảng từ 50 ÷ 100 W/m2.K c) Hệ số truyền nhiệt tường lò vật nung tiếp xúc với Dựa vào số liệu thực nghiệm [75], [115], [119], Tscheng Watkinson [109] xây dựng phương trình tính tốn hệ số truyền nhiệt tường lò vật nung chúng tiếp xúc với nhau: ws, w s R i2 L 11, L Di 30.a s 0,3 (3.26) Sử dụng phương trình (3.26), Gorog [55] Steven J Kirslis [70] tính tốn hệ số truyền nhiệt tường lò tiếp xúc với vật nung loại lị quay xi măng có kích thước khác nhau, kết tính tốn xác định hệ số truyền nhiệt dao động khoảng từ 50 ÷ 100 W/m2.K d) Hệ số truyền nhiệt vỏ lị mơi trường Hệ số truyền nhiệt vỏ lị mơi trường khơng khí xung quanh [5]: sh 0,15 1,88 0,11 0,21 2,54.t sh Do t t 0, 69 sh 2, 26 sh 5, 27 100 100 (3.32) 3.4.1.5 Phương pháp xác định hệ số góc xạ Hệ số góc xạ vật tham gia trao đổi nhiệt vùng có lửa lị quay xi măng: fw fs (3.41) sw sf (3.42) sf Ff fs Fs 3.4.2 Mô hình tốn học vùng khơng có lửa 3.4.2.1 Các giả thiết xây dựng mơ hình (3.43) 12 Để xây dựng mơ hình tốn học, cần phải chấp nhận số giả thiết sau: - Các trình truyền nhiệt lị quay ổn định - Khí, tường lị, vật nung vật xám có độ đen không đổi (mục 1.4.1.1) - Bỏ qua ảnh hưởng gradient nhiệt độ khí, vật nung theo phương bán kính - Nhiệt dung riêng sản phẩm cháy khơng đổi 3.4.2.2 Mơ hình tốn học Chia vùng khơng có lửa thành phần tử có chiều dày xác định (hình 3.8a) thiết lập phương trình cân nhiệt cho phần tử (hình 3.8b) a) Các phần tử vùng khơng có lửa b) Các dịng nhiệt phần tử Hình 3.8 Mơ hình truyền nhiệt vùng khơng có lửa Phương trình cân nhiệt dịng khí có dạng: Qz Qs Qsh Qzz (3.44) Tz Qz mg cp dT mg cp Tz To (3.45) Tz z cp dT To (3.46) To Qzz mg mg cp Tz z To Thay biểu thức (3.45) (3.46) vào phương trình (3.44) biến đổi, nhận phương trình xác định nhiệt độ khí vị trí khác dọc theo chiều dài lị: Tzz Tz Qs Qsh mg.cp (3.47) Bỏ qua nhiệt tỏa (thu) phản ứng hóa học, phương trình cân nhiệt cho khối vật nung viết sau: Qs Qws,w ms cps (Ts z Ts ) (3.48) zz Để khép kín hệ hai phương trình (3.47) (3.48), mơ hình tương tự nhiệt điện vùng khơng có lửa xây dựng thể hình 3.9 13 R2 R3 R9 Ew R10 Esh Ea R8 R1 Eg R4 Jw R7 Js Es R5 R6 Hình 3.9 Mơ hình tương tự nhiệt - điện vùng khơng có lửa Bảng 3.2 Các nhiệt trở hệ số trao đổi nhiệt mơ hình vùng khơng có lửa R1 g wg Fwg R2 R3 w w Fwg R4 R5 g sg Fs R6 R7 s s Fs R8 R10 o (Tw Tsh ).(Tw2 Tsh ).ln 'gw Fwg R9 sw Fs g 'ws, w 'gs 'gs Fs 'ws, w Fws 'gw ' sh ' sh Fsh z w ws, w o Tw Ts Tw2 Ts2 gs o Tg Ts Tg2 Ts2 gw o Tg Tw Tg2 Tw2 sh Ro RI o Tsh Ta Tsh Ta2 Áp dụng định luật Kirchoff viết cho dòng nhiệt, viết phương trình điểm nút kết hợp với phương trình (3.47), (3.48) hệ phương trình: Tzz Tz Qs Qsh mg.cp Qs Qws,w ms cps (Ts z Ts zz ) 1 J w E g E w J s R1 R4 R1 R R R3 1 Js E g Es J w R R R R R 7 4 5 R7 (3.53) 1 E w J w Es Esh E g R2 R R R8 R9 R3 R8 R9 Esh E w Ea R R10 R9 R10 Hệ phương trình (3.53) mơ hình tốn học mơ tả q trình truyền nhiệt vùng khơng có lửa lị quay xi măng Hệ phương trình (3.53) giải 14 phương pháp lặp Newton - Raphson chúng tơi lập trình phần mềm Microsoft Excel 2010 Để giải hệ phương trình (3.53), ngồi hệ số tỏa nhiệt đối lưu hệ số truyền nhiệt tính tốn mơ hình truyền nhiệt vùng có lửa cần phải xác định hệ số góc xạ thành phần tham gia trao đổi nhiệt xạ vùng lửa Các thành phần tham gia trao đổi nhiệt xạ vùng bao gồm: khí, tường lò vật nung Dựa vào trao đổi nhiệt xạ thành phần trên, xác định hệ số góc xạ từ vật nung đến khí (sg), hệ số góc xạ từ tường lị phía mặt thống đến khí (wg) hệ số góc xạ từ vật nung đến tường lị phía mặt thống (sw): sg wg sw (3.54) 3.5 Mơ số CFD q trình cháy than phun lị quay xi măng 3.5.1 Mơ hình hình học tốn chia lƣới mơ hình 3.5.1.1 Mơ hình hình học tốn Lị quay xi măng mơ hình hóa theo tỷ lệ 1:1 với chiều dài lị 78 m, đường kính m Vịi phun mơ hình hóa hình vành khun đồng tâm biểu thị kênh dẫn khí kênh dẫn than 3.5.1.2 Chia lưới mơ hình Mơ hình lị quay xi măng chia lưới ANSYS MESHING sử dụng phương pháp Sweep Mesh 3.5.2 Mơ hình mơ q trình cháy than phun lị quay xi măng 3.5.2.1 Các phương trình chủ đạo mơ phương pháp số CFD Các phương trình chủ đạo mơ số CFD bao gồm hệ phương trình động lực học chất lưu phương trình trạng thái 3.5.2.2 Mơ hình tốn học mơ q trình cháy than phun a) Mơ hình dịng chảy rối b) Mơ hình cháy c) Mơ hình xạ nhiệt 3.5.3 Điều kiện ban đầu Dữ liệu ban đầu để mơ q trình cháy than phun thơng số tính tốn ban đầu lấy từ mơ hình lý thuyết Giải mơ hình mô phần mềm ANSYS xác định trường nhiệt độ khí, tường lị, vật nung vỏ lị Kết mơ trình bày nội dung chương luận án 3.6 Kết luận chƣơng Từ kết nghiên cứu truyền nhiệt lị quay xi măng có xét đến ảnh hưởng trình cháy xạ nhiệt lửa, rút số kết luận sau: - Trên sở phương pháp tương tự nhiệt - điện kết hợp với phương trình cân lượng dựa vào giả thiết, mơ hình tốn học mơ tả q trình truyền nhiệt lị quay xi măng có xét đến ảnh hưởng q trình cháy xạ nhiệt lửa xây dựng từ hai mơ hình tốn học: mơ hình thứ mơ tả q trình truyền nhiệt vùng có lửa; mơ hình thứ hai mơ tả q trình truyền nhiệt vùng khơng có lửa 15 - Trên sở phương pháp lặp Newton - Raphson lập chương trình tính tốn phần mềm Microsoft Excel 2010 để giải mơ hình tốn học - Trên sở phân tích, đánh giá hàng loạt công thức, lựa chọn công thức tính tốn phù hợp để xác định hệ số trao đổi nhiệt hệ số góc xạ mơ hình tốn học - Đã nghiên cứu q trình cháy than phun lị quay xi măng phương pháp mô số CFD sở lựa chọn ba mơ hình: mơ hình dịng chảy rối k - , mơ hình cháy EDM mơ hình xạ nhiệt P1 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ VỎ LÕ QUAY XI MĂNG 4.1 Thiết bị thực nghiệm thiết bị đo Đối tượng khảo sát thực lò quay xi măng hoạt động thuộc dây chuyền số nhà máy xi măng Bút Sơn, Hà Nam Thiết bị giám sát nhiệt độ vỏ lò 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 lị 78m góc qt thiết bị nhận tín hiệu nhiệt độ vỏ lị điều chỉnh giá trị 1200, thiết bị cách bề mặt vỏ lò khoảng 22 m Tín hiệu sau thu nhận phần mềm PCS V7.0 xử lý hiển thị hình máy tính trung tâm điều khiển PLC nhà máy 4.3 Phƣơng pháp tiến hành thực nghiệm Trong mục này, chúng tơi trình bày bước tiến hành đo biến thiên nhiệt độ vỏ lò lò hoạt động 4.4 Phƣơng pháp xử lý số liệu thực nghiệm Để đánh giá độ tin cậy kết thực nghiệm, tiến hành đo biến thiên nhiệt độ vỏ lò ba thời điểm khác nhau, thời điểm cách 45 phút (tương ứng với mẻ clinker) Các số liệu phân tích xử lý nhằm loại giá trị không phù hợp, mắc phải sai số lớn [12] Kết cuối để so sánh với kết nghiên cứu mơ hình lý thuyết giá trị trung bình cộng ba lần đo 4.5 Kết đo Có thể nhận xét rằng, biến thiên nhiệt độ vỏ lò dao động khoảng từ 382 ÷ 591 K (tức khoảng 109 ÷ 3180C), khoảng giá trị nằm phạm vi dao động cho phép lò quay xi măng từ 100 ÷ 5000C 4.6 Kết luận chƣơng Trong chương này, thực nội dung sau: - Đã lựa chọn đối tượng thực nghiệm lò quay thuộc dây chuyền số nhà máy xi măng Bút Sơn, Hà Nam để đo biến thiên nhiệt độ vỏ lò xác định giá trị nhiệt độ số vị trí đặc trưng 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 sử dụng độ lệch tương đối trung bình (MRD) để đánh giá độ xác mơ hình lý thuyết - Đã xác định biến thiên nhiệt độ vỏ lò nhà máy xi măng Bút Sơn dọc theo chiều dài sở ba lần lấy số liệu thực nghiệm điều kiện vận hành xác định nhiệt độ khí, vật nung số vị trí đặc trưng lị 16 CHƢƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 5.1 Đối tƣợng tính tốn Về ngun tắc, mơ hình tốn học xây dựng ứng dụng để tính tốn cho tất loại lị quay xi măng khác Trong luận án này, lò quay thuộc dây chuyền số nhà máy xi măng Bút Sơn, Hà Nam lựa chọn để tính tốn 5.2 Kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm q trình truyền nhiệt lị quay xi măng có xét đến ảnh hƣởng trình cháy xạ nhiệt lửa 5.2.1 Xác định vùng lửa lò quay xi măng Với đại lượng đặc trưng q trình cháy than phun tính trên, áp dụng công thức (3.5) xác định chiều dài lửa than phun lò quay xi măng Bút Sơn 19,23 m Do khó xác định thực nghiệm vùng có lửa lò quay xi măng nên để đánh gia độ tin cậy kết tính tốn, bên cạnh kết nghiên cứu Moles, Watson Lain [81], Jenkins Moles [65] áp dụng cơng thức tính tốn Ruhland để xác định chiều dài lửa lị quay, độ tin cậy kết tính tốn chiều dài lửa than phun lò quay xi măng Bút Sơn cịn đánh giá thơng qua kết nghiên cứu mơ số CFD q trình cháy than phun, phương pháp tính tốn có độ tin cậy cao Nội dung phân tích phần luận án Nhưng khẳng định trước rằng, với kết nghiên cứu nhóm tác giả trên, kết tính tốn chiều dài lửa than phun lị quay xi măng Bút Sơn đáng tin cậy 5.2.2 Phân bố nhiệt độ khí, tƣờng lị vật nung Giải hệ phương trình xác định phân bố nhiệt độ khí, tường lị, vật nung vỏ lị dọc theo chiều dài, trình bày phụ lục thể đồ thị hình 5.2 Kết tính tốn thể đồ thị hình 5.2 cho thấy, khác với quy luật biến thiên nhiệt độ khí vật nung [43], nhiệt độ khí, tường lị vật nung Hình 5.2 Phân bố nhiệt độ khí, tường lị, vùng có lửa thay đổi lớn vật nung vỏ lị theo chiều dài (vùng từ vị trí m đến vị trí 19,23 m); theo chiều dài lò, nhiệt độ thành phần tăng dần đến giá trị cực đại sau giảm dần xuống theo quy luật parabol đến hết vùng có lửa, cịn vùng khơng có lửa, biến thiên nhiệt độ khí, tường lị vật nung giảm gần tuyến tính Kết phù hợp với quy luật biến thiên nhiệt độ thành phần tham gia trao đổi nhiệt lò quay thực tế, điều có mơ hình tốn học xây dựng có xét đến ảnh hưởng trình cháy xạ nhiệt lửa Cũng từ đồ thị hình 5.2 nhận thấy, vị trí nhiệt độ vật nung đạt giá trị cực đại nhiệt độ lửa, tường lị, vật nung có giá trị gần (cả ba đường phân 17 bố nhiệt độ qua điểm đồ thị hình 5.2), kết phù hợp với nghiên cứu [124] Vị trí để nhiệt độ lửa nhiệt độ bề mặt bên tường lò đạt giá trị cực đại gần trùng nhau, kết nghiên cứu trùng hợp với kết nghiên cứu Geoffrey D Silcox David W Pershing [96] Giải mơ hình tốn học xác định nhiệt độ vật nung vị trí đầu lị (vị trí mà vật nung bắt đầu vào lò quay) 8710C Giá trị phù hợp với u cầu cơng nghệ đặt ra, theo nhiệt độ vật nung bắt đầu vào lò sau khỏi tháp trao đổi nhiệt dao động khoảng từ 800 ÷ 9000C [41] Kết tính tốn xác định nhiệt độ số vị trí đặc trưng nhiệt độ cực đại lửa, nhiệt độ cực đại vật nung, nhiệt độ khí cuối lị nhiệt độ vỏ lị Các kết trình bày bảng 5.5 Bảng 5.5 Kết tính tốn thực tế Thơng số Tính tốn Thực tế Nhiệt độ cực đại lửa, C 1724 1749 Nhiệt độ cực đại vật nung, C 1466 1380 ÷ 1450 Nhiệt độ khí khỏi lị, C 1012 900 ÷ 1100 Nhiệt độ vỏ lị, C 104 ÷ 340 109 ÷ 318 Kết so sánh bảng 5.5 nhận thấy, sai lệch nhiệt độ cực đại lửa tính tốn thực tế 1,43%, sai lệch [5] 1,96%; sai lệch nhiệt độ cực đại vật nung 1,10%, nhiệt độ khí vị trí đầu lị (vị trí mà vật nung cuối tháp trao đổi nhiệt vào lò quay) nhiệt độ vỏ lò nằm phạm vi dao động cho phép Những số liệu cho thấy có trùng hợp tốt kết tính tốn lý thuyết số liệu thực tế vận hành nhà máy Ngoài giá trị nhiệt độ so sánh lý thuyết thực tế số vị trí đặc trưng trình bày trên, đánh giá độ xác mơ hình lý thuyết cịn so sánh kết tính tốn biến thiên nhiệt độ vỏ lị với số liệu thực nghiệm đo nhà máy, thể hình 5.3 Từ đồ thị hình 5.3 nhận thấy, quy luật biến thiên nhiệt độ vỏ lò lý thuyết thực nghiệm phù hợp với Sai số tương đối trung bình (MRD) tính theo cơng thức (4.4) 7,52% Với sai số từ phân tích khẳng định mơ hình tốn học xây dựng có độ xác đáp ứng u cầu đề Mơ hình tốn học Hình 5.3 Biến thiên nhiệt độ vỏ lị theo xây dựng hai mơ hình truyền chiều dài lý thuyết thực nghiệm nhiệt độc lập: mơ hình vùng có lửa mơ hình vùng khơng có lửa phản ánh chất q trình truyền nhiệt lị quay xi măng Hơn nữa, mơ hình cịn cho phép xác định tỷ lệ riêng phần lượng nhiệt trao đổi xạ đối lưu thành phần tham gia trao đổi nhiệt, tỷ lệ riêng phần lượng nhiệt vật nung nhận hai vùng lò đặc trưng Đây 18 khác biệt mơ hình truyền nhiệt có xét đến ảnh hưởng q trình cháy xạ lửa tới trình truyền nhiệt lị quay so với mơ hình truyền nhiệt không xét đến vấn đề Kết giải mơ hình tốn học xác định nhiệt độ cực đại lửa vị trí lị để đạt giá trị Đây thơng số đặc biệt quan trọng vận hành lò quay xi măng, phải dựa vào thông số để điều chỉnh tỷ lệ thành phần khoáng C3S clinker Nhiệt độ cực đại lửa phù hợp để tỷ lệ thành phần C3S clinker đạt yêu cầu công nghệ dao động phạm vi từ 1627 ÷ 21270C [82] Rõ ràng với kết tính tốn nhiệt độ cực đại lửa 17240C tỷ lệ thành phần C3S đạt yêu cầu cơng nghệ dựa vào thơng số điều chỉnh xác tỷ lệ thành phần khống quan trọng clinker xi măng Như vậy, mô hình tốn học có xét đến ảnh hưởng q trình cháy xạ nhiệt lửa mơ tả khơng định tính phân bố nhiệt độ thành phần tham gia trao đổi nhiệt lị quay (thể hình 5.2) mà cịn xác định định lượng phân bố Đây sở để tính tốn lượng nhiệt trao đổi vùng lò thành phần tham gia trao đổi nhiệt tính thời gian gia nhiệt cho vật nung thiết kế lò quay sản xuất xi măng với công suất cho trước Ngồi ra, mơ hình cịn cho phép nghiên cứu ảnh hưởng số yếu tố đến trình truyền nhiệt lị quay Từ đó, thiết lập chế độ vận hành hợp lý lò chất lượng xi măng tốt giảm tiêu hao nhiên liệu trình sản xuất Các nghiên cứu ảnh hưởng trình bày nội dung luận án 5.2.3 Đƣờng cong cháy kiệt Kết giải mơ hình tốn học vùng có lửa với thơng số vận hành lị quay xi măng Bút Sơn xác định hệ số cháy kiệt vị trí dọc theo chiều dài lửa thể đồ thị hình 5.4 Đồ thị hình 5.4 cho thấy, dọc theo chiều dài lửa, hệ số cháy kiệt tăng dần, điều phù hợp với nghiên cứu [37], [71]; vị trí đầu lị nơi q trình cháy chưa xảy hệ số cháy kiệt đến nhiên liệu đốt cháy hồn tồn hệ số Kết tính tốn cho thấy vị trí cách miệng vịi phun khoảng m, nhiệt độ lửa đạt giá trị cực đại 17240C, tương Hình 5.4 Đường cong cháy kiệt ứng hệ số cháy kiệt 0,64 Dựa vào đường cong cháy kiệt này, nhà công nghệ có sơ sở để lựa chọn thơng số hợp lý tốc độ phun, cấu tạo mỏ đốt, tỷ lệ khơng khí vv để tổ chức q trình cháy thích hợp nhằm tạo chế độ nhiệt tối ưu cho lò 5.2.4 Lƣợng nhiệt vật nung nhận đƣợc Mục tiêu cuối tính tốn truyền nhiệt xác định lượng nhiệt trao đổi thành phần tham gia trao đổi nhiệt Dựa vào phân bố nhiệt độ khí, 19 tường lị, vật nung vỏ lò, xác định lượng nhiệt vật nung nhận trình trao đổi vật nung với khí với tường lị Giải hệ phương trình xác định tổng lượng nhiệt vật nung nhận xạ (từ khí từ tường lị phía mặt thoáng) 10790 kW; nhận đối lưu (từ khí) 2071,79 kW; tổng lượng nhiệt vật nung nhận xạ đối lưu từ phía mặt thống 12861,79 kW Như vậy, lượng nhiệt vật nung nhận xạ chiếm 83,9%, đối lưu chiếm 16,1% tổng lượng nhiệt vật nung nhận từ phía mặt thống Tường lị đóng vai trị lớn q trình truyền nhiệt lị quay, thể khơng q trình truyền nhiệt xạ từ phía bề mặt thống đến vật nung mà cịn truyền nhiệt đến vật nung thơng qua chế truyền nhiệt tiếp xúc Đây đặc trưng, xảy thiết bị truyền nhiệt lị quay Kết giải mơ hình tốn học xác định lượng nhiệt vật nung nhận từ tường lị theo hai phía nêu Theo kết tính tốn, lượng nhiệt vật nung nhận xạ từ tường lị phía mặt thoáng 4769,28 kW; tiếp xúc với tường lò 1035,28 kW; tổng lượng nhiệt vật nung nhận từ tường lò 5804,56 kW; tổng lượng nhiệt vật nung nhận từ tường lị khí 13897,07 kW Như vậy, lượng nhiệt tường lò truyền cho vật nung chiếm 41,8% tổng lượng nhiệt vật nung nhận được, tường lị truyền cho vật nung xạ phía mặt thống chiếm 34,3%, phía tiếp xúc chiếm 7,5% Kết cho thấy vai trò lớn tường lị q trình truyền nhiệt lò quay đặc biệt trao đổi nhiệt xạ Kết tính tốn cịn xác định tổng lượng nhiệt tổn thất qua vỏ lò 5913,25 kW, lượng nhiệt cung cấp cho lò quay từ phản ứng cháy nhiên liệu 56022,54 kW Như vậy, lượng nhiệt tổn thất qua vỏ lò chiếm 10,5% tổng lượng nhiệt cung cấp cho lị Do mơ hình truyền nhiệt có xét đến ảnh hưởng q trình cháy xạ nhiệt lửa xây dựng sở hai mơ hình tốn học độc lập nên xác định tỷ lệ riêng phần lượng nhiệt vật nung nhận hai vùng lò đặc trưng Kết tính tốn xác định lượng nhiệt vật nung nhận vùng có lửa 5232,04 kW; lượng nhiệt vật nung nhận vùng khơng có lửa 8665,03 kW Như vậy, với chiều dài lửa 19,23 m lượng nhiệt trung bình vật nung nhận đơn vị chiều dài vùng có lửa 272,08 kW/m; cịn vùng khơng có lửa, lượng nhiệt 147,44 kW/m, nghĩa lượng nhiệt trung bình vật nung nhận đơn vị chiều dài vùng có lửa gấp 1,85 lần so với vùng khơng có lửa Kết cho thấy, vai trị lớn q trình trao đổi nhiệt vùng có lửa lị quay Hơn nữa, kết tính tốn phân bố nhiệt độ thể đồ thị hình 5.2 cho thấy, vùng có lửa nhiệt độ vật nung đạt nhiệt độ theo yêu cầu công nghệ để nung chín clinker, nhiệt độ trình bày 1380 ÷ 14500C Với kết tính tốn thấy rằng: vùng có lửa khơng có vai trị lớn đến q trình truyền nhiệt lị (thể thơng qua tỷ lệ riêng phần lượng nhiệt vật nung nhận vùng này) mà cịn vùng có tính chất định đến chất lượng clinker tức định đến chất lượng xi măng Trên sở kết thu phân tích, đánh giá chúng cho phép khẳng định rằng: Mơ hình tốn học mơ tả q trình truyền nhiệt lị 20 quay có xét đến ảnh hưởng q trình cháy xạ nhiệt lửa xây dựng hợp lý cần thiết 5.3 Nghiên cứu ảnh hƣởng số yếu tố đến trình truyền nhiệt lò quay xi măng Nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố đến trình truyền nhiệt lò sở quan trọng để thiết lập thông số vận hành hợp lý nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm sử dụng lượng hiệu q trình sản xuất Có hai yếu tố vận hành đặc trưng ảnh hưởng đến trình truyền nhiệt xảy bên lò quay xi măng là: mức điền đầy tốc độ quay lò 5.3.1 Ảnh hƣởng mức điền đầy Kết tính tốn nhận thấy, điều kiện giữ nguyên tốc độ quay lò, tăng mức điền đầy lên 12,1% mức nhiệt độ vật nung đạt nằm giới hạn cho phép, tăng mức điền đầy lên 12,2% mức nhiệt độ vật nung giảm so với yêu cầu công nghệ Điều có nghĩa rằng, để đảm bảo chất lượng clinker xi măng, với tốc độ chuyển động quay lị v/ph mức điền đầy tăng lên tối đa 12,1% Kết tính tốn phân bố nhiệt độ vật nung lượng nhiệt vật nung nhận được, trình bày phụ lục thể đồ thị hình 5.10, hình 5.11 Hình 5.11 Ảnh hưởng mức điền Hình 5.10 Ảnh hưởng mức điền đầy đầy đến lượng nhiệt vật nung nhận đến phân bố nhiệt độ vật nung phạm vi từ 12 ÷ 12,1% phạm vi từ 12 ÷ 12,1% Đồ thị hình 5.11 cho thấy, mức điền đầy tăng từ 12 ÷ 12,1% suất lị tăng lên từ 166660 kg/h ÷ 167920 kg/h (giá trị tăng lên 1260 kg/h) đồng thời tổng lượng nhiệt vật nung nhận tăng lên từ 13897,07 kW ÷ 16304,81 kW, tức tăng 1,17 lần tỷ lệ lượng nhiệt tổn thất mơi trường qua vỏ lị giảm từ 10,5% xuống 10,3% Mức giảm tổn thất nhiệt qua vỏ lị khơng đáng kể kết tính tốn cho thấy, tăng mức điền đầy phạm vi từ 12 ÷ 12,1% khơng làm tăng suất lị mà làm tăng lượng nhiệt vật nung nhận đảm bảo chất lượng xi măng theo yêu cầu công nghệ Kết thu lò quay xi măng Bút Sơn sở quan trọng để vận hành lò cho suất, chất lượng tiết kiệm nhiên liệu 5.3.2 Ảnh hƣởng chuyển động quay lị Kết tính tốn trình bày phụ lục thể đồ thị hình 5.12, hình 5.13 21 Hình 5.12 Ảnh hưởng chuyển động quay đến phân bố nhiệt độ vật nung Hình 5.13 Ảnh hưởng chuyển động quay đến lượng nhiệt vật nung nhận Kết tính tốn thể đồ thị hình 5.12 cho thấy, tăng tốc độ chuyển động quay lò từ 2,7 lên 3,1 v/ph giữ suất lị khơng đổi tổng lượng nhiệt vật nung nhận giảm từ 13957,01 kW xuống 13875,82 kW Giá trị giảm xuống 81,19 kW nhiệt Lượng nhiệt giảm giảm mức điền đầy vật nung nghiên cứu mục 5.3.1 Như vậy, kết tính tốn khẳng định phạm vi chuyển động quay lị từ 2,7 ÷ 3,1 v/ph với suất lị khơng đổi 166660 kg/h phân bố nhiệt độ vật nung dọc theo chiều dài thay đổi không đáng kể đảm bảo chất lượng clinker Tuy nhiên, tăng tốc độ quay lị tổng lượng nhiệt vật nung nhận lại giảm Vì vậy, điều kiện cần trì tốc độ chuyển động quay lò mức thấp phạm vi dao động 5.4 Kết nghiên cứu mơ số CFD q trình cháy than phun lò quay xi măng Các kết nghiên cứu, thể đồ thị từ hình 5.14 đến hình 5.17 Hình 5.14 Phân bố nhiệt độ khí dọc theo chiều dài lị Hình 5.15 Phân bố nhiệt độ tường dọc theo chiều dài lị Hình 5.16 Phân bố nhiệt độ vật nung dọc theo chiều dài lị Hình 5.17 Phân bố nhiệt độ vỏ lị dọc theo chiều dài lị 22 Kết nghiên cứu mơ cho thấy, có trùng hợp tốt mơ hình lý thuyết mơ hình mơ phương pháp số CFD Và từ kết so sánh mơ hình lý thuyết mơ hình mơ với kết thực nghiệm khẳng định vai trị triển vọng mơ hình xây dựng Nhận thấy rằng, ứng dụng mơ hình tốn học xây dựng cho phép thiết lập thông số vận hành tối ưu cho lò quay xi măng khác tính kiểm tra thơng số vận hành cách dễ dàng Đối với mơ hình mơ số CFD, thực cơng việc mà nghiên cứu thực nghiệm gặp nhiều khó khăn tiến hành thực nghiệm Tuy nhiên, phương pháp cần nhiều thời gian chạy chương trình yêu cầu cao kỹ thuật máy tính Bởi vậy, mục đích thiết lập thơng số vận hành tối ưu cho lị quay xi măng sử dụng mơ hình tốn học xây dựng thuận tiện nhiều so với sử dụng mơ hình mơ phương pháp số CFD 5.5 Kết luận chƣơng - Đã xác định phân bố nhiệt độ thành phần tham gia trao đổi nhiệt lò quay xi măng Bút Sơn (khí, tường lị vật nung), xét định tính phù hợp với dạng đường cong phân bố nhiệt độ lò quay xi măng nghiên cứu trước xét định lượng giá trị nhiệt độ khí, tường lị, vật nung có giá trị sát với thực tế Độ xác mơ hình tốn học kiểm chứng thông qua kết đo biến thiên nhiệt độ vỏ lị với sai số tương đối trung bình (MRD) 7,52%; so sánh nhiệt độ số vị trí đặc trưng với sai lệch nhiệt độ cực đại lửa 1,43%, sai lệch nhiệt độ cực đại vật nung 1,10%, nhiệt độ khí vị trí đầu lị khoảng dao động biến thiên nhiệt độ vỏ lò nằm phạm vi cho phép - Kết mơ q trình cháy than phun phương pháp mô số CFD độc lập với mơ hình tốn học với điều kiện vận hành nhà máy xi măng Bút Sơn cho thấy có trùng hợp tốt hai mơ hình tính tốn Cùng với kết so sánh nhiệt độ số vị trí đặc trưng lò lý thuyết thực tế kết so sánh biến thiên nhiệt độ vỏ lị, kết thu từ mô phương pháp số CFD khẳng định thêm độ tin cậy mơ hình tốn học xây dựng Vì vậy, ta dùng mơ hình tốn học để làm sở tính tốn thiết kế lị tính kiểm tra nhanh thơng số lị vận hành khơng có điều kiện đo đạc - Mơ hình tốn học có xét đến ảnh hưởng trình cháy xạ lửa xác định tỷ lệ riêng phần phương thức trao đổi nhiệt: lượng nhiệt vật nung nhận xạ từ phía mặt thống chiếm 83,9% đối lưu chiếm 16,1% tổng lượng nhiệt vật nung nhận từ phía mặt thống; tường lị đóng vai trị lớn q trình truyền nhiệt lị quay xi măng thể thơng qua lượng nhiệt mà tường lò truyền cho vật nung, theo lượng nhiệt tường lị truyền cho vật nung chiếm 41,8% tổng lượng nhiệt vật nung nhận Trong đó, lượng nhiệt tường lị truyền xạ từ phía mặt thoáng chiếm 34,3% truyền cho vật nung theo chế tiếp xúc chiếm 7,5% Đây đặc trưng truyền nhiệt lò quay 23 - Một đặc trưng mơ hình tốn học có xét đến ảnh hưởng trình cháy xạ nhiệt lửa tỷ lệ riêng phần lượng nhiệt vật nung nhận từ vùng có lửa vùng khơng có lửa Theo đó, lượng nhiệt trung bình vật nung nhận đơn vị chiều dài vùng có lửa 272,08 kW/m, vùng khơng có lửa, lượng nhiệt 147,44 kW/m, nghĩa lượng nhiệt trung bình vật nung nhận đơn vị chiều dài vùng có lửa gấp 1,85 lần so với vùng khơng có lửa Kết khẳng định vai trò lớn truyền nhiệt vùng có lửa lị quay - Với điều kiện vận hành lò quay xi măng Bút Sơn tốc độ chuyển động quay v/ph mức điền đầy tối đa tăng lên 12,1% mà đảm bảo chất lượng clinker (tức suất lị tối đa đạt 167920 kg/h) - Sự thay đổi tốc độ chuyển động quay lị phạm vi từ 2,7 ÷ 3,1 v/ph giữ ngun suất lị khơng ảnh hưởng nhiều đến phân bố nhiệt độ vật nung Tuy nhiên, điều kiện tốc độ quay tăng tổng lượng nhiệt vật nung nhận lại giảm Vì vậy, cần trì tốc độ chuyển động quay mức thấp phạm vi dao động KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Từ kết nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm mô số CFD cho phép rút kết luận sau đây: Mơ hình tốn học xây dựng dựa phương pháp tương tự nhiệt - điện kết hợp với phương trình cân lượng có xét đến ảnh hưởng trình cháy xạ nhiệt lửa cho phép xác định phân bố nhiệt độ ba thành phần tham gia trao đổi nhiệt lò quay khí, tường lị vật nung với độ xác kiểm chứng từ thực nghiệm thu từ lò quay vận hành Sai lệch nhiệt độ vỏ lị tính tốn nhiệt độ vỏ lị đo theo MRD 7,52%, sai lệch nhiệt độ cực đại lửa 1,43%, sai lệch nhiệt độ cực đại vật nung 1,10%, nhiệt độ vị trí đầu lị khoảng dao động biến thiên nhiệt độ vỏ lò nằm phạm vi cho phép Các sai lệch chấp nhận tính tốn kỹ thuật Do vậy, mơ hình tốn học xây dựng có khả ứng dụng thực tiễn để tính tốn thiết kế lị tính kiểm tra nhanh thơng số lị vận hành mà khơng có điều kiện đo đạc Trong lò quay xi măng, biến thiên nhiệt độ thành phần tham gia trao đổi nhiệt vùng có lửa lớn nhiều so với vùng khơng có lửa Trong vùng có lửa, theo chiều dài tính từ đầu vịi phun, nhiệt độ chúng tăng dần đến giá trị cực đại sau giảm dần xuống theo quy luật parabol đến hết vùng lửa; cịn vùng khơng có lửa, nhiệt độ chúng biến thiên gần tuyến tính giảm dần theo chiều dài Đặc trưng mơ hình tốn học xây dựng xác định tỷ lệ riêng phần lượng nhiệt vật nung nhận vùng lò Trong điều kiện vận hành ổn định lò quay xi măng Bút Sơn: suất lò 166660 kg/h, tốc độ quay v/ph, mức điền đầy 12% lượng nhiệt trung bình vật nung nhận đơn vị chiều dài vùng có lửa 272,08 kW/m, vùng khơng có lửa 147,44 kW/m, nghĩa lượng nhiệt trung bình vật nung nhận đơn vị chiều dài 24 vùng có lửa gấp 1,85 lần so với vùng khơng có lửa Điều khẳng định vai trò lớn trao đổi nhiệt vùng có lửa lị quay Khơng vậy, kết phân bố nhiệt độ khí, vật nung cho thấy vùng lửa có vai trị định đến điều kiện hình thành thành phần khống quan trọng clinker xi măng C3S Vai trò chủ đạo phương thức truyền nhiệt xạ lị quay thể thơng qua tỷ lệ riêng phần lượng nhiệt vật nung nhận Theo đó, lượng nhiệt vật nung nhận từ phía mặt thống xạ chiếm đến 83,9% tổng lượng nhiệt vật nung nhận từ phía mặt thống (bằng đối lưu chiếm 16,1%) Kết giải mơ hình tốn học thể rõ nét vai trò tường lị q trình truyền nhiệt Tỷ lệ lượng nhiệt vật nung nhận từ tường lò chiếm đến 41,8% tổng lượng nhiệt vật nung nhận được; lượng nhiệt truyền xạ từ phía mặt thống chiếm 34,3% truyền theo chế phía tiếp xúc chiếm 7,5% Đã xây dựng phương pháp luận thiết lập thông số vận hành hợp lý cho lò quay xi măng khác sở mơ hình tốn học xây dựng Với lị quay xi măng Bút Sơn, 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 v/ph), tốc độ quay 2,7 v/ph (khi suất lị giữ khơng đổi mức 166660 kg/h) NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN Đã xây dựng giải thành cơng mơ hình tốn học mơ tả q trình trao đổi nhiệt có xét đến ảnh hưởng trình cháy xạ nhiệt lửa lò quay xi măng sở mơ hình tương tự nhiệt - điện kết hợp với phương trình cân lượng Độ tin cậy mơ hình kiểm chứng thực nghiệm mơ số CFD Có thể dùng mơ hình tốn học đề tài để tính tốn thiết kế lị tính kiểm tra nhanh thơng số lị vận hành khơng có điều kiện đo đạc Đã xác định tỷ lệ riêng phần lượng nhiệt vật nung nhận từ phương thức trao đổi nhiệt khác tỷ lệ riêng phần lượng nhiệt vật nung nhận hai vùng lò đặc trưng lị quay xi măng: vùng có lửa vùng khơng có lửa Đã thiết lập thơng số vận hành hợp lý cho lị quay xi măng Bút Sơn, Hà Nam sở mơ hình toán học sở nghiên cứu độc lập hai yếu tố ảnh hưởng đến trình truyền nhiệt lò quay: mức độ điền đầy tốc độ quay lò MỘT SỐ KIẾN NGHỊ, ĐỀ XUẤT HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Qua nội dung nghiên cứu luận án, nhận thấy, cần tiếp tục nghiên cứu sâu lĩnh vực truyền nhiệt lò quay xi măng sau: Nghiên cứu ảnh hưởng lửa than phun có phun thêm dầu FO để tăng độ đen lửa đến đặc tính truyền nhiệt lò quay Nghiên cứu ảnh hưởng nguồn nhiệt tỏa hay thu vào trình phản ứng tạo khống clinker đến phân bố nhiệt độ khối vật nung Xây dựng mối quan hệ kích thước hình học lị (chiều dài vùng có lửa, vùng khơng có lửa, chiều dài tổng cộng lị, đường kính lị) với suất lò thời gian lưu lại vật nung lị DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Nguyễn Đăng Khốt (2012) Xác định chiều dài lửa than phun lị quay xi măng phương pháp Ruhland Tạp chí khoa học Giao thông Vận tải - Trường Đại học Giao thông Vận tải, số 40, tháng 12 năm 2012 Nguyễn Đăng Khốt (2013) Nghiên cứu q trình trao đổi nhiệt vật liệu tiếp xúc với tường lò quay xi măng Tạp chí khoa học Giao thơng Vận tải - Trường Đại học Giao thông Vận tải, số 41, tháng 03 năm 2013 Trần Gia Mỹ, Nguyễn Đăng Khoát (2013) Nghiên cứu xác định tổn thất nhiệt tường lị quay xi măng mơi trường xung quanh Tạp chí lượng Nhiệt, số 111, tháng 05 năm 2013 Trần Gia Mỹ, Nguyễn Đăng Khoát (2014) Nghiên cứu q trình truyền nhiệt khơng cân từ lửa than phun lò quay xi măng Tạp chí lượng Nhiệt, số 120, tháng 11 năm 2014 Trần Gia Mỹ, Nguyễn Đăng Khốt (2015) Mơ hình truyền nhiệt lị quay xi măng có kể đến ảnh hưởng không cân trường nhiệt độ Tạp chí lượng Nhiệt, số 125, tháng 09 năm 2015 ... sánh với kết nghiên cứu phương pháp mô số CFD CHƢƠNG NGHIÊN CỨU Q TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG LÕ QUAY XI MĂNG CĨ XÉT ĐẾN ẢNH HƢỞNG CỦA QUÁ TRÌNH CHÁY VÀ BỨC XẠ NHIỆT CỦA NGỌN LỬA 3.1 Các vùng truyền. .. q trình truyền nhiệt lị 20 quay có xét đến ảnh hưởng trình cháy xạ nhiệt lửa xây dựng hợp lý cần thiết 5.3 Nghiên cứu ảnh hƣởng số yếu tố đến q trình truyền nhiệt lị quay xi măng Nghiên cứu ảnh. .. học nghiên cứu q trình truyền nhiệt lị quay có xét đến ảnh hưởng q trình cháy xạ nhiệt lửa 1.4.2 Các kết nghiên cứu Việt Nam Ở Việt Nam có nhiều tác giả nghiên cứu truyền nhiệt với hai hướng nghiên