Phiên bản ANSYS CFX sử dụng ở đây là 14.5. CFX hỗ trợ thiết lập và giải bài toán cháy than thông qua việc thiết lập các chất phản ứng, các phương trình và các điều kiện của phản ứng. Các thiết lập cần thực hiện như sau:
3.2.3.1. Thiết lập các chất phản ứng và chất sản phẩm có trong mô hình cháy
Thư viện của chương trình CFX có sẵn các chất sau: air (không khí), CO, CO2, O2, N2, NO, SO2, các khí hiđrocacbon CxHy, H2O (cả ở dạng lỏng và hơi). Ngoài những chất có sẵn, ta cần định nghĩa thêm chất mới là than. Ở đây than có dạng hạt rắn với cấu tạo và các tính chất vật lý, hóa học như sau:
- Cấu tạo: Thành phần than được cho trong bảng 3.1 với 3 loại than đưa vào mô phỏng.
Phân tích xấp xỉ, AR Đơn vị Than Hòn Gai Than nhkhẩu ập Than tr9:1 ộn tỉ lệ theo khối lượng
Độ ẩm % 6.38 20.62 7.804 Chất bốc % 7.37 38.45 10.478 Xỉ % 25.33 9.23 23.72 Cốc % 60.92 31.7 57.998 Phân tích chính xác, DAF - - - - C % 90.06 74.29 88.483 H % 3.4 5.12 3.572 S % 0.91 0.45 0.864 N % 1.52 1.49 1.517 O % 4.11 18.65 5.564 Nhiệt trị thực kJ/kg 21 844 18 125 21 472.1
Bảng 3.1: Thành phần cấu tạo của ba loại than: than Hòn Gai, than nhập khẩu và
than trộn.
- Tính chất vật lý và hóa học: Các tính chất cần quan tâm của than trong bài toán cháy là:
•Kích thước hạt than: Trong trường hợp đơn giản nhất, coi các hạt than là các hình cầu giống hệt nhau có cùng đường kính 100 μm.
•Nhiệt trị: Nhiệt trị là nhiệt lượng sinh ra khi đốt cháy hoàn toàn một đơn vị khối lượng nhiên liệu. Có hai loại nhiệt trị là nhiệt trị cao (Higher Heating Value – HHV) và nhiệt trị thấp hay nhiệt trị thực (Lower Heating Value – LHV/Net Calorific Value – NCV). Ở đây ta xét tới giá trị nhiệt trị thực NCV.
3.2.3.2. Thiết lập các phản ứng của quá trình cháy
Trong CFX không có sẵn các phản ứng cháy của than nhưng cho phép định nghĩa thêm phản ứng mới, do vậy ta cần định nghĩa thêm các phản ứng cần thiết:
- Quá trình bốc hơi của chất bốc: Trong quá trình này hạt than được đốt nóng, chất bốc thoát ra khỏi than. Phương trình mô tả quá trình:
Than →to Cốc + Chất bốc (3.1) Tốc độ của phản ứng đã được đề cập tới trong phần Cơ sở lý thuyết cháy. Ở đây ta sử dụng mô hình tốc độ Arrhenius đơn với các hằng số năng lượng hoạt hóa E = 230 kJ/mol; hệ số trước hàm mũ exp (tần số va chạm) B = 1.34x105
s-1.
Hình 3.5: Thiết lập các thông số cho phản ứng bốc hơi chất bốc
- Phản ứng cháy của chất bốc: Bản chất của phản ứng này là sự cháy các khí hiđrocacbon có trong chất bốc. Để đơn giản hóa, coi chất bốc chỉ gồm khí CH4. Khi đó phản ứng cháy chất bốc sẽ là:
4 2 2 to 2 2 2
CH + O →CO + H O (ΔH = −891 kJ/mol) (3.2) Năng lượng hoạt hóa của phản ứng bằng năng lượng hoạt hóa CH4 bằng 74.85 kJ/mol. Hệ số trước hàm mũ exp hay tần số va chạm B = 8.3×106
s-1.
Hình 3.6: Thiết lập các thông số cho phản ứng cháy chất bốc
- Phản ứng cháy của cốc: Phản ứng cháy của cốc là một quá trình phức tạp nhiều giai đoạn như đã được xét tới trong cơ sở lý thuyết về quá trình cháy. Ta thấy rằng nếu lượng oxi đủ lớn (dư) giống như điều kiện cháy trong lò đốt than, sản phẩm sau cùng chỉ là CO2. Vậy để đơn giản bài toán ta coi phản ứng cháy cốc xảy ra như sau:
2 2
o t
C+O →CO (H = −394 kJ/mol) (3.3) Tốc độ cháy hạt cốc phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán oxi và tốc độ cháy bề mặt của hạt cốc. Do vậy ta cần thiết lập các hằng số của phản ứng như sau:
•Tốc độ cháy bề mặt: Hệ số trước hàm mũ exp A = 3050 kg/(m2
s); năng lượng hoạt hóa E = 179.4 kJ/mol.
•Tốc độ khuếch tán: Hệ số khuếch tán động lực học Dref = 1.8×10-5 kg/(ms) tại nhiệt độ quy chiếu Tref = 293K (20oC); hệ số mũ α = 0.75.
Hình 3.7: Các giá trị thiết lập cho tốc độ cháy bề mặt và tốc độ khuếch tán khí oxi 3.2.3.3. Thiết lập điều kiện biên cho bài toán
Sau khi đã định nghĩa các chất phản ứng, chất sản phẩm và các phản ứng cho quá trình cháy, ta đi thiết lập điều kiện biên của bài toán.
- Điều kiện đầu vào (INLET): Vị trí đầu vào của bài toán là 12 miệng vòi phun trên mô hình. Tại mỗi vòi coi than và khí được phun đồng thời vào trong lò với lưu lượng phun, vận tốc phun và nhiệt độ của than và khí đã biết trước (các giá trị này lấy theo giá trị thực tế của Nhà máy Nhiệt điện Ninh Bình):
•Hướng phun: Hai vòi đối diện nhau phun đồng phương với nhau. Mỗi cụm vòi đối diện lần lượt hợp với tường lò các góc 39o
và 48o. Hướng phun song song với phương ngang. Sự bố trí phun như này sẽ tạo ra một vùng xoáy của ngọn lửa ở trung tâm lò giúp tăng hiệu quả đốt cháy than.
Hình 3.8: Hướng phun khí và than tại các miệng vòi phun.
•Vận tốc và lưu lượng phun: Lưu lượng than phun vào lò qua mỗi vòi là 0.292 kg/s, tổng lưu lượng than vào lò là 3.5 kg/s. Vận tốc phun khí và than là 17 m/s.
•Nhiệt độ hỗn hợp: Khí và than được làm nóng trước khi đưa vào lò nhằm tăng hiệu quả cháy và ổn định ngọn lửa. Nhiệt độ của hỗn hợp khí và than tại miệng phun là 523K (250oC).
- Điều kiện đầu ra (OUTLET): Hỗn hợp sau cháy sau khi đi qua các bộ trao đổi nhiệt sẽ được đưa tới các thiết bị lọc khí thải trước khi đi ra ngoài môi trường. Trong phạm vi mô hình bài toán này chỉ xét tới vị trí sau các bộ trao đổi nhiệt. Coi áp suất tại đó bằng áp suất bên ngoài môi trường (1 atm).
Hình 3.9: Vị trí ra của dòng hỗn hợp sau cháy.
- Điều kiện tường (WALL): Trong thực tế mặt trong của tường lò là hệ thống dàn ống nước trao đổi nhiệt. Tuy nhiên trong mô phỏng, để đơn giản hóa ta không mô hình hóa hệ thống này mà coi tường là một bề mặt hấp thụ nhiệt từ hỗn hợp cháy trong lò với hệ số truyền nhiệt được tính như sau: Giả thiết rằng các ống trao đổi nhiệt làm bằng đồng với bề dày 1 mm; bên trong là dòng nước chảy với vận tốc 1 m/s và nhiệt độ là 100oC. Coi diện tích tiếp xúc giữa môi trường trong lò với hệ thống dàn ống bằng diện tích mặt trong của tường lò. Ta tính được hệ số truyền nhiệt tổng cho tường lò là 40 W/m2K.
- Trong bài toán này không xét tới ảnh hưởng của các bộ trao đổi nhiệt.