60
a, Vị trí mặt cắt b, mặt cắt z=0 (mặt cắt dọc)
c, chi tiết các mặt cắt ngang
61
Kết quả mô phỏng khi xem trực tiếp trên máy tính sẽ trực quan hơn, kết quả cho ta thấy các vector vận tốc xoáy ngược chiều kim đồng hồ và hướng vector chuyển động hường lên phía trên đỉnh lò và thoát ra khỏi mặt ra outlet.
Quan sát kết quả mô phỏng trên hình 5.1 ta thấy ở các đầu vòi phun tốc độ không khí đạt giá trị lớn nhất, sau đó giảm dần do khuếch tán và ma sát bên trong lò hơi, có một số hiện tượng xoáy cục bộ một vài vị trí.
Không khí phần đáy lò chuyển động chậm do ở đây chỉ có hiện tượng đối lưu và không có đường khói thoát.
Ở phần trên cao của lò phân bố tốc độ đồng đều vì lúc này động lực của quá trình chuyển động chỉ là lực nâng do chênh lệch nhiệt độ.
Trong kết quả mô phỏng ta cũng thấy hiện tượng vòng xoáy tâm lò, được giải thích là do hướng phun của các vòi đốt sao cho nó tiếp tuyến với một đường tròn tưởng tượng tại tâm lò.
Kết quả này phù hợp với kết quả thực nghiệm mà Viện năng lượng đã xác định cho tốc độ phân bố bên trong lò ở chế độ vận hành: vận tốc có giá trị gần 0 khi tiến về sát tường lò và tăng dần khi tiến vào tâm, vận tốc có giá trị max tại trung điểm nối tâm lò và tường lò.
62
5.1.2. Trường nhiệt độ
a, vị trí mặt cắt b, z=0 (mặt cắt dọc)
c, trường nhiệt độ tại các mặt cắt ngang
63
Bảng 5.1: Số liệu nhiệt độ trên bề mặt cắt ngang
Mặt cắt Nhiệt độ (oC)
Trung bình Max Min ∆T
Mặt A 1372.26 1540.99 220.00 1320.99 Mặt B 1445.55 1569.91 610.01 959.90 Mặt C 1395.70 1605.21 88.00 1517.21 Mặt D 1393.23 1495.37 908.07 587.30 Mặt E 1314.92 1397.14 618.51 778.63 Outlet 1054.73 1200.19 471.63 728.56
Quan sát kết quả mô phỏng về trường nhiệt độ bên trên ta thấy theo chiều cao của lò hơi nhiệt độ có sự phân tầng khá rõ rệt. Nhiệt độ giữa mặt A và D có nhiệt độ cao và giảm dẫn về 2 phía đỉnh lò và đáy lò.
Số liệu nhiệt độ từ kết quả mô phỏng trong bảng 5.1 cho ta thấy giá trị Mặt A, B, C, D có nhiệt độ cao nhất, điều này được giải thích là do đây là vùng không gian vòi phun nhiên liệu vào và phun không khí nóng vào và phản ứng cháy diễn ra tại đây kết hợp với sự hình thành dòng khí xoáy do các vòi phan tạo ra nên khả năng hòa trộn bột than và không khí tăng sự trao đổi nhiệt diễn ra tốt hơn từ đó duy trì nhiệt độ cao vùng không gian này.
Từ kết quả trực quan trên hình 5.2 và bảng dữ liệu 5.1 ta thấy trở lên đỉnh lò giá trị nhiệt độ giảm dần điều này được giải thích là do tổn thất nhiệt do quá trình trao đổi nhiệt bức xạ, đối lưu giữa không khí nóng và tường buồng lửa. Càng lên cao tới đỉnh lò độ đồng đều về phân bố nhiệt độ được thể hiện rõ ràng hơn. Sự phân bố nhiệt độ khá tương đồng do sự phân bố trường tốc độ của không khí nóng và sản phẩm cháy trong buồng đốt cũng đồng đều và ổn định khi lên cao đến đỉnh lò như đã trình bày trong kết quả về trường nhiệt độ bên trên.
5.1.3. Phân bố sản phẩm cháy trong buồng đốt
Mô hình mô phỏng còn có thể đưa ra sự phân bố sản phẩm cháy trong buồng đốt. Luận văn sẽ xét đại diện sự phân bố sản phẩn cháy trong buồng đốt tại vị trí mặt cắt vòi phun số 1, xét cho chất bốc, CO, CO2, O2.
64
Hình 5.3. Sự phân bố nồng độ mol sản phẩm cháy trong buồng đốt qua mặt cắt ngang vòi phun 1
65
Ta thấy nồng độ mol của chất bốc phân bố tập trung ở 4 góc vòi đốt. Khoảng cách tới vòi đốt chính là giai đoạn mà các hạt than sau khi phun vào được sấy và gia nhiệt. Sau đó là giai đoạn thoát chất bốc mới xảy ra. Lượng chất bốc sinh ra sẽ phản ứng ngay với Ôxy trong không khí cấp vào. Nên nồng độ mol chất bốc ở vị trí khác gần như bằng 0.
Nồng độ mol của CO cũng tập trung cao ở vùng xung quanh vòi đốt, các vùng còn lại gần như bằng 0 là vì quá trình cháy cốc, sản phẩm cháy không chỉ tạo thành CO2 mà còn tạo thành CO (quá trình hoàn nguyên), do ở nhiệt độ cao quá trình Ôxy hóa bề mặt hạt xảy ra quá nhanh trong khi lượng Ôxy không đủ (bột than và Ôxy không thể hòa trộn tuyệt đối) nên sản phẩm cháy là CO trước khi bị Ôxy hóa tiếp thành CO2.
Nồng độ mol của CO2 cũng phân bố khá đều, chỉ có tại đầu ra của vòi đốt có nồng độ thấp do không khí cấp vào thành phần chủ yếu là N2 và O2. CO2 là sản phẩm cháy của quá trình cháy than nên xung quanh ngọn lửa có nồng độ CO2 cao.
Ngược lại với sự phân bố của CO2, nồng độ mol của O2 lại cao nhất ở miệng vòi đốt, sau đó giảm dần. Điều này được giải thích là do trong không khí cấp vào có thành phần O2 lớn, khi vào buồng đốt theo không gian và thời gian lượng O2 giảm dần theo các phản ứng cháy. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
5.1.4. Phân bố tốc độ phản ứng cháy bên trong buồng đốt.
Xét sự phân bố tại mặt cắt qua vòi phun cấp 1, vòi phun cấp 2 và vòi phun cấp 3.
66
Hình 5.4: Sự phân bố tốc độ phản ứng cháy trên các mặt bên trong buồng đốt (kg/s)
Theo kết quả mô phỏng trên 3 mặt cắt ngang đi qua vòi đốt, sự phân bố tốc độ phản ứng cháy khá tương đồng, không gian có tốc độ phản ứng cháy cao tập trung gần 4 góc của tường lò. Sự phân bố này được giải thích do các các vùng này nằm trên hướng chuyển động của dòng bột than, kết cấu phun dòng bột than theo kiểu tiếp tuyến làm cho dòng bột than thạo thành một vòng xoáy. Trên phương chuyển động, mật độ hỗn hợp dòng bột than lớn cho nên khi xảy ra quá trình cháy, tốc độ phản ứng cháy xảy ra rất nhanh. Vị trí của các vùng có tốc độ phản ứng cháy cao này cách mặt vòi đốt một khoảng. Điều này được giải thích là do khi dòng hỗn hợp bột than phun vào buồng đốt gặp nhiệt độ cao sẽ diễn ra quá trình sấy, gia nhiệt, thoát chất bốc trước sau đó mới xảy ra phản ứng cháy. Còn theo chiều cao của buồng đốt càng lên cao vòng xoáy càng thu hẹp lại, cùng với đó là sự hòa trộn giữa bột than và không khí cũng tốt hơn cho nên vùng tốc độ phản ứng cháy cao nằm ở tâm lò và phía trên các vòi đốt.
Vị trí mặt cắt C qua vòi phun cấp 3 cho tốc độ cao nhất bởi vì tại đây lượng không khí dư là nhiều nhất và là nơi cháy và nơi này có khả năng hòa trộn Ôxy và nhiên liệu tốt.
67
5.1.5. Sự chuyển động và thời gian tồn tại của hạt than.
Xét cho chuyển động của các hạt của 2 vòi phun đối diện nhau và có độ cao khác nhau làm để xét điển hình cho các trường hợp vòi phun khác. Ta sẽ khảo sát vòi phun đậm số 1 ở độ cao 8,7m và vòi phun đậm số 1 ở độ cao 9,8m. đồng thời 2 vòi phun này ở 2 phía đối diện nhau.
Vòi phun 1 độ cao 8.7 m Vòi phun 1 độ cao 9.8 m
Hình 5.5: Thời gian lưu của các hạt và sự chuyển động bên trong buồng đốt (s)
Quan sát kết quả trên hình ta thấy quỹ đạo chuyển động của các hạt phun từ 2 vòi có độ cao khác nhau có sự khác nhau khá rõ rệt.
Do hiện tượng chuyển động rối cũng như vùng không gian dưới đáy lò không có cửa thoát khói cho nên một số dòng hạt bị quẩn xuống dưới sau đó mới theo hướng khói đi lên hướng khói thoát.
68
Quỹ đạo vòi phun phía cao hơn, vì ở vị trí cao hơn đồng thời nơi đây dòng sản phẩm cháy nhiệt độ cao hướng lên phía của thoát tạo ra xu thế chung là hướng về cửa thoát nên vị trí này dòng không còn bị quẩn xoáy xuống dưới đáy lò mà hướng lên của thoát khói và có trường tốc độ phun vào ổn định hơn.
5.1.6. Xác định hiệu xuất cháy
Kết quả mô phỏng không thể trực tiếp xác định hiệu xuất cháy, nên luận văn này sẽ coi hiệu xuất cháy là tỉ lệ Ôxy tham gia phản ứng và lượng Ôxy cần cung cấp theo lí thuyết:
Bảng 5.2 Thành phần mẫu than nhận được.
Thành
phần Kí hiệu
Thành phần mẫu than nhận được của than mô phỏng theo tỉ lệ (than Hòn gai - than nhập khẩu)
Hòn gai Nhập khẩu 95 - 5 90 - 10 85 - 15 80 - 20 Các bon C 61.500 50.070 60.929 60.357 59.786 59.214 Hydro H 2.320 3.380 2.373 2.426 2.479 2.532 Ôxy O 2.810 11.140 3.227 3.643 4.060 4.476 Nito N 1.040 0.710 1.024 1.007 0.991 0.974 Lưu huỳnh S 0.620 0.730 0.626 0.631 0.637 0.642 Độ tro A 25.330 8.190 24.473 23.616 22.759 21.902 Độ ẩm M 6.380 11.140 6.618 6.856 7.094 7.332
Lưu lượng cấp nhiên liệu: B = 5.424 kg/s
Thể tích Ôxy lí thuyết để cháy hoàn toàn 1kg than là:
𝑉𝑂02 = 1.866 𝐶𝑎𝑟 100+ 0.7 𝑆𝑎𝑟 100+ 5.6 𝐻𝑎𝑟 100− 𝑂𝑎𝑟 100𝑥1.428; ( 𝑚𝑡𝑐3 𝑘𝑔) 𝑉𝑂02 = 1.86661.5 100 + 0.7 0.62 100 + 5.6 2.32 100 − 2.81 100𝑥1.428 = 1.26217; ( 𝑚𝑡𝑐3 𝑘𝑔)
Thể tích lí thuyết để cháy hoàn toàn lượng than cấp vào là
𝑉𝑂0′2 = 𝐵𝑥𝑉𝑂02 = 5.424 𝑥 1.26217 = 6.84602; (𝑚𝑡𝑐
3
𝑠 )
Khối lượng riêng của Ôxy ở điều kiện tiêu chuẩn là: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
69
Khối lượng Ôxy lí thuyết để cháy hết lượng than cấp vào là:
G0’O2 = V0’O2 x ρ = 6.84602 x 1.346 = 9.21475 (kg/s)
Các số liệu lấy từ phần mềm mô phỏng trên mặt outlet:
Lưu lượng Ôxy cấp vào mô hình là: GO2 = 9.22760 (kg/s)
Lưu lượng Ôxy ra khỏi bề mặt outlet của mô hình là: GO2outlet = 0.76937 kg/s
Lưu lượng Ôxy tham gia phản ứng cháy là:
GO2pu = GO2 - VO2outlet = 9.2276 – 0.76937 = 8.45823 (kg/s)
Tỉ lệ Ôxy tham gia phản ứng cháy là:
Ƞ𝑂2 =𝐺𝑂2
𝑝𝑢
𝐺𝑂20 =
8.45823
9.21475= 0.9179
Tỉ lệ Ôxy tham gia phản ứng trên có thể xem là hiệu suất của phản ứng cháy than.
Vậy hiệu suất cháy than trong trường hợp mô phỏng này là:
Ƞchay = 0.9179 = 91.97%
5.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ trộn đến quá trình cháy than trong buồng đốt.
Trong luận mục này sẽ đánh giá nhân tố ảnh hưởng đến quá trình cháy than và nâng cao hiệu suất cháy của lò hơi cụ thể là yếu tố than trộn (trộn than Hòn gai với than nhập khẩu) theo tỉ lệ sau:
% than nội địa (Hòn gai) - % than nhập khẩu
70
Với mô hình và phương pháp làm giữ nguyên như trường hợp mô phỏng cháy than Hòn gai và chỉ thay đổi các điều kiện đầu vào liên quan đến than tương ứng với các tỉ lệ trộn.
5.2.1. Ảnh hưởng của các tỉ lệ trộn than đế sự phân bố nhiệt độ trong buồng đốt.
Bên dưới là hình ảnh phân bố nhiệt độ mặt cắt dọc buồng đốt khi cháy ở các tỉ lệ than trộn khác nhau, giữ nguyên các điều kiện vận hành khác, chỉ thay đổi tỉ lệ trộn than.
71
100% than Hòn gai Than trộn 95 – 5 Than trộn 90 - 10
Than trộn 85 – 15 Than trộn 80 – 20
Hình 5.6. Trường phân bố nhiệt độ bề mặt cắt dọc trong buồng đốt theo các tỉ lệ trộn khác nhau
72
Bảng 5.3. Giá trị nhiệt độ trung bình (oC) trên các bề mặt cắt ngang ứng với các tỉ lệ trộn (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mặt cắt
Nhiệt độ trung bình (oC) cho các tỉ lệ trộn (Than Hòn gai – Than nhập khẩu)
100 - 0 95 - 5 90 - 10 85 - 15 80 - 20 A 1372.26 1363.16 1356.20 1356.70 1346.16 B 1445.55 1438.85 1436.09 1436.01 1426.43 C 1395.70 1392.49 1393.46 1387.83 1383.69 D 1393.23 1390.98 1392.68 1386.15 1383.47 E 1314.92 1314.05 1314.22 1310.29 1307.06 Outlet 1054.73 1053.52 1052.66 1052.29 1048.54 z=0 1264.52 1256.89 1256.48 1256.54 1252.20
Từ kết quả cho nhiệt độ trung bình bảng 5.3 cho ta thấy khi tỉ lệ trộn thay đổi phân bố của trường nhiệt độ theo mặt cắt dọc không có quá nhiều thay đổi. Điều này là do các tỉ lệ trộn không quá cao chỉ tử 5% đến 20% than nhập khẩu nên các thông số than đầu vào mô hình thay đổi không nhiều, sự thay đổi nhiệt trị là không lớn, cụ thể xem bảng 5.2.
Khi tăng tỉ lệ trộn ta thấy thay đổi ít về sự phân bố nhiệt độ, tuy nhiên độ lớn nhiệt độ có sự giảm dần theo chiều tăng tỉ lệ trộn, điều này được giải thích là do sự giảm dần nhiệt trị nhiên liệu khi tăng tỉ lệ trộn (nhiệt độ trung bình của các mặt cắt), xem bảng 5.2.
5.2.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ trộn than đến hiệu suất cháy của buồng đốt.
Tương tự như than Hòn gai đã trình bày trên ta xác định được hiệu suất cháy của các tỉ lệ trộn như sau:
Bảng 5.4: Tính toán hiệu suất cho ứng với các tỉ lệ trộn than khác nhau
STT Hạng mục tính Đơn vị Than trộn (Than Hòn gai - than nhập khẩu) 100 - 0 95 - 5 90 - 10 85 - 15 80 - 20
73
STT Hạng mục tính Đơn vị Than trộn (Than Hòn gai - than nhập khẩu) 100 - 0 95 - 5 90 - 10 85 - 15 80 - 20
2
Thể tích cháy Ôxy lí thuyết cháy hoàn toàn 1kg than
m3
tc/kg 1.26217 1.25160 1.24102 1.23045 1.21987
3
Thể tích Ôxy lí thuyết cần để cháy lượng than cấp vào
m3
tc/s 6.84602 6.78867 6.73131 6.67396 6.61660
4
Khối lượng riêng của Ôxy ở điều kiện tiêu chuẩn
kg/m3 1.34600 1.34600 1.34600 1.34600 1.34600
5
Khối lượng Ôxy lí thuyết cần cháy lượng than cấp vào
kg/s 9.21475 9.13754 9.06034 8.98314 8.90594
6 Lượng Ôxy thực tế cấp
vào mô hình kg/s 9.22760 9.22760 9.22760 9.22760 9.22760
7 Lượng Ôxy đi ra khỏi
mặt outlet kg/s 0.76937 0.76055 0.75096 0.73443 0.73183 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
8 Lượng Ôxy thực tế đã
tham gia phản ứng cháy kg/s 8.45823 8.46705 8.47664 8.49317 8.49577
9 Hiệu suất cháy % 91.79011 92.66218 93.55762 94.54567 95.39436
Từ số liệu tính toán bảng 5.4 ta thấy cùng chế độ vận hành hiệu xuất cháy của tỉ lệ trộn 20% là cao nhất và hiệu suất tăng dần theo tỉ lệ trộn. Điều này phù hợp với thực nghiệm khi mà chất lượng than tăng thì hiệu suất cháy càng cao.
5.3. Ảnh hưởng của tỉ lệ gió cấp 1/ cấp 2 đến quá trình cháy than trộn 80 - 20 trong buồng đốt. trong buồng đốt.
Mục này sẽ đánh giá sự ảnh hưởng của tỉ lệ gió cấp 1 / cấp 2 (C1/C2) đến quá trình cháy than trộn tỉ lệ 80% than Hòn gai và 20% than nhập khẩu. Cụ thể với các tỉ lệ gió như sau:
Tỉ lệ gió cấp 1/ gió cấp 2
Giá trị 0.52 0.8 1 1.2 1.5 2
Với mô hình và phương pháp làm giữ nguyên như trường hợp mô phỏng cháy than Hòn gai và chỉ thay đổi các điều kiện đầu vào liên quan đến than tương ứng với các tỉ lệ gió cấp 1 và cấp 2. Và tỉ lệ trộn than là 80 – 20.
5.3.1. Ảnh hưởng của các tỉ lệ gió cấp 1 / cấp 2 đến quá trình cháy than trộn 80% than nội địa – 20% than nhập khẩu. 80% than nội địa – 20% than nhập khẩu.
74
C1/C2 = 0.52 C1/C2 = 0.8 C1/C2 = 1
C1/C2 = 1.2 C1/C2 = 1.5 C1/C2 = 2
Hình 5.7. Trường phân bố nhiệt độ bề mặt cắt dọc trong buồng đốt theo các tỉ lệ gió cấp 1/ cấp 2 khi đốt than trộn 80% than nội địa và 20% than nhập khẩu.
75
Bảng 5.5. Giá trị nhiệt độ trung bình (oC) trên các bề mặt cắt ngang ứng với các tỉ lệ gió cấp 1/ cấp 2 khi đốt than trộn 80% than nội địa và 20% than nhập khẩu
Mặt cắt
Nhiệt độ trung bình (oK) cho các tỉ lệ gió cấp 1/ cấp 2 (80% Than Hòn gai – 20% Than nhập khẩu)
0.52 0.8 1 1.2 1.5 2 A 1346.16 1355.10 1367.64 1377.28 1365.32 1348.90