CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN
5.1. Nghiên c ứu quá trình cháy than Hòn Gai bằng phần mềm mô phỏng CFD
5.1.1. Xác định trường tốc độ dòng hỗn hợp bột than trong buồng đốt
Với thông số điều kiện biên đầu vào đã trình bày ở chương 4, tác giả đã thực hiện chạy mô phỏng quá trình cháy than phun trong lò hơi nhà máy nhiệt điện Vũng Áng 1. Kết quả mô phỏng phân bố trường vecto tốc độ bên trong buồng đốt lò hơi của than Hòn Gai được thể hiện trên hình 5.1.
Hình 5.1: Phân bố vector tốc độ tại mặt cắt đứng buồng đốt lò hơi khi cháy 100% than Hòn Gai [13]
60
Quan sát hình 5.1, ở đầu vào các vòi phun tốc độ không khí đạt lớn nhất sau đó giảm dần do khuếch tán và ma sát với môi trường xung quanh. Một số vị trí xuất hiện vùng hồi lưu, xoáy đặc biệt các góc chuyển tiếp ở bề mặt tường và tại đầu ra của các vòi phun. Những vùng hồi lưu tại đầu ra của các miệng vòi phun hình thành do dòng hỗn hợp bột than không khí vào buồng lửa có vận tốc lớn làm áp suất hai bên vòi phun giảm đột ngột hình thành vùng hồi lưu. Những vùng hồi lưu này có tác dụng nâng cao nhiệt độ dòng hỗn hợp bột than, không khí vào buồng lửa do đó làm giảm thời gian bắt cháy. Nhưng ngược lại nó cũng có thể gây ra hiện tượng cháy sớm gần vòi phun làm đóng xỉ tắc vòi phun nếu không được điều chỉnh hợp lý.
Không khí ở phần đáy lò chuyển động rất chậm do ở đây chỉ có hiện tượng chuyển động do đối lưu chứ không có đường khói thải. Dòng ra tại vòi đậm có tốc độ cao nhất có hướng chếch vào tâm buồng đốt, cuốn theo dòng của vòi loãng theo phương chuyển động của dòng tại vòi đậm hướng vào tâm buồng đốt sau đó chuyển động lên trên và đi ra ngoài nhờ lực nâng khi cháy và lực hút tại đầu ra buồng lửa, điều này lý giải hiện tượng hình thành ngọn lửa W tăng thời gian lưu của hạt trong buồng đốt.
5.1.2. Xác định trường nhiệt độ trong buồng đốt
Cùng với kết quả mô phỏng về phân bố trường tốc độ trong buồng đốt như trên, tác giả cũng đã thu được các kết quả về trường nhiệt độ trong buồng đốt của lò hơi trong trường hợp mô phỏng cháy than Hòn Gai như sau.
61
Hình 5.2: Phân bố nhiệt độ tại mặt cắt đứng buồng đốt khi cháy than Hòn Gai [13]
Hình 5.3: Phân bố nhiệt độ tại mặt cắt ngang buồng đốt khi cháy than Hòn Gai [13]
62
Bảng 5.1: Nhiệt độ trung bình tại các mặt cắt ngang trong buồng đốt lò hơi khi cháy than Hòn Gai [13]
Mặt cắt A B C D E
Nhiệt độ trung bình ( oC) 1.467 1.565 1.644 1.623 1.394 Quan sát các hình 5.2 ÷ hình 5.3, theo chiều cao buồng đốt, nhiệt độ có sự phân tầng rõ rệt. Nhiệt độ cao tập trung ở trung tâm buồng đốt (mặt cắt A đến E) về phía đáy và ngực lò nhiệt độ giảm dần. Trung tâm buồng đốt nhiệt độ cao là do cấu tạo của buồng lửa tạo thành ngọn lửa hình W nơi đây gần vòi đốt tập trung mật độ hỗn hợp bột than và không khí nóng cao. Khi quá trình cháy xảy ra nhiệt lượng tỏa ra do quá trình cháy sẽ lớn. Từ mặt cắt D đến E nhiệt độ giảm dần do sự trao đổi nhiệt bức xạ, đối lưu giữa không khí nóng và tường buồng lửa, ngoài ra cũng cho thấy, càng lên cao sự đồng đều về nhiệt độ trên các mặt cắt ngang của buồng đốt càng thể hiện rõ. Điều này là do sự phân bố trường tốc độ của không khí nóng và sản phẩm cháy trong buồng đốt cũng đồng đều và ổn định hơn khi càng lên cao.
5.1.3. Phân bố sản phẩm cháy bên trong buồng đốt
Mô hình cũng đưa ra được sự phân bố các sản phẩm cháy trong buồng đốt thể hiện sự phân bố tỷ lệ khối lượng của các sản phẩm cháy với tổng khối lượng các chất trên mặt cắt đứng của buồng đốt đi qua vòi đốt như hình 5.4 dưới đây.
63
Hình 5.4: Sự phân bố tỷ lệ khối lượng các chất trong buồng đốt lò tại mặt cắt qua vòi đậm khi cháy than Hòn Gai [13]
Quan sát phân bố tỷ lệ khối lượng ta thấy tỷ lệ khối lượng O2 cao ở miệng vào vòi phun đậm nơi đây các phản ứng cháy chưa xảy ra hoặc xảy ra chưa mãnh liệt tương ứng với tỷ lệ CO2 thấp. Tỷ lệ khối lượng O2 giảm dần từ miệng vòi ra đến trung tâm buồng lửa tương ứng với tỷ lệ CO2 tăng dần do phản ứng cháy xảy ra mạnh hơn, tại các điểm xoáy 2 bên vòi đậm do dòng hồi lưu nên nhiệt độ cao, tỷ lệ khối lượng CO2 cao. Đối với sự phân bố tỷ lệ khối lượng khí CO, ta có thể thấy rằng tỷ lệ khí CO được biểu diễn bằng 0, điều này có nghĩa là toàn bộ khí CO đã được chuyển hóa thành CO2.
5.1.4. Phân bố tốc độ phản ứng cháy bên trong buồng đốt
Phân bố tốc độ phản ứng cháy bên trong buồng đốt được biểu diễn trên hình 5.5 dưới đây.
64
Hình 5.5: Phân bố tốc độ phản ứng cháy trên mặt cắt đứng trong buồng đốt than Hòn Gai [13]
Không gian có tốc độ phản ứng cháy cao tập trung gần vòi đậm và vùng tâm buồng đốt do các vùng này nằm trên hướng chuyển động của dòng bột than kết cấu buồng lửa tạo thành ngọn lửa hình W đối xứng hướng vào tâm buồng đốt. Trên phương chuyển động, mật độ hỗn hợp dòng bột than lớn nên khi xảy ra quá trình cháy, tốc độ của 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 bởi khi dòng hỗn hợp bột than phun vào buồng đốt gặp nhiệt độ cao, sẽ diễn ra quá trình sấy, gia nhiệt và thoát chất bốc trước, sau đó mới xảy ra phản ứng cháy. Còn theo chiều cao của buồng đốt, do sự hình thành ngọn lửa hình W tại tâm lò, càng lên cao ngọn lửa càng thu hẹp lại, cùng với đó sự hòa trộn giữa bột than và không khí cũng tốt hơn nên vùng có tốc độ phản ứng cháy cao nằm ở tâm lò và phía trên vị trí các vòi đốt.
65
5.1.5. Sự chuyển động và sự tồn tại của hạt than bên trong buồng đốt
Để nghiên cứu chuyển động của hạt trong buồng đốt, sự thay đổi các đặc tính của hạt trong buồng đốt, tác giả tập trung vào phân tích chuyển động theo thời gian lưu của hạt từ hai vòi phun điển hình ở giữa buồng đốt đối diện nhau là vòi đậm thứ 6 bên trái và bên phải, được biểu diễn như hình 5.6 dưới đây:
Hình 5.6: Phân tích thời gian lưu của 1 vòi khi cháy than Hòn Gai [13]
Ta thấy thời gian lưu trung bình của hạt than trong buồng đốt tương ứng là 6,08 giây và 10,15 giây. Thời gian lưu của than qua vòi trái nhỏ hơn so với vòi phải dù hai vòi đối xứng nhau do ảnh hưởng của kết cấu lò hơi bị thắt ở ngực lò (mũi lò) phía vòi phải làm lực hút tại đầu ra tác động lên vòi trái lớn hơn vòi phải chuyển động của hạt vòi trái ra khỏi buồng lửa lớn hơn vòi phải, dòng tại vòi phải đâm xuống đáy lò sâu hơn vòi trái. Để minh họa rõ hơn điều này có thể quan sát sự chuyển động dòng của hai vòi như trong hình 5.7 dưới đây.
66
Hình 5.7: Phân tích quỹ đạo chuyển động của hạt trong khi cháy than Hòn Gai [13]