BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN ĐĂNG KHOÁT 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 Chuyên ngành: Kỹ thuật Nhiệt Mã số: 62520115 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT Hà Nội - 2016 Công trình hoàn 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: Phản biện 2: Phản biện 3: 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 công 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 phải hoàn thiện công nghệ thiết bị Trải qua nhiều giai đoạn phát triển, công nghệ sản xuất xi măng lò đứng thay công nghệ sản xuất xi măng lò quay theo phương pháp ướt đến ngày công nghệ sản xuất xi măng lò quay theo phương pháp khô có khả tự động hóa hoàn toàn, 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 lò Bởi vậy, nghiên cứu trình trao đổi nhiệt lò 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 trình truyền nhiệt lò quay phức tạp đa dạng, bao gồm ba phương thức truyền nhiệt: dẫn nhiệt, đối lưu xạ; trình chồng chéo ảnh hưởng lẫn Không vậy, chuyển động quay lò nguyên nhân làm cho trình truyền nhiệt lò quay có nét đặc trưng riêng so với lò công nghiệp đứng yên Các đặc trưng riêng thể trình truyền nhiệt bên lò lẫn bên lò Do tầm quan trọng tính đặc thù trình truyền nhiệt lò quay nên có hàng loạt công trình nghiên cứu truyền nhiệt lò quay mà trọng tâm xây dựng mô hình toán học ngày hoàn thiện để mô 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 lò đặc trưng: vùng có lửa (vùng cháy) vùng lửa (vùng sau cháy) Sự xuất vùng lửa không ảnh hưởng đến toàn trình truyền nhiệt lò mà 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 lò quay xi măng có xét đến ảnh hưởng trình cháy xạ nhiệt lửa, phân tích phương pháp tính toán trao đổi nhiệt xạ khác từ xây dựng mô hình toán học mô 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 lò quay có xét đến ảnh hưởng trình cháy xạ nhiệt lửa, đồng thời tính toán 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 trình truyền nhiệt lò quay Cũng cần lưu ý rằng, kết tính toán 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, 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 không làm sở cho thiết kế lò quay xi măng mà 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 Lò 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 1.4.1.1 Các trình truyền nhiệt lò quay Quá 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 mô hình truyền nhiệt xạ lò quay xi măng Mô hình tính toán 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 lò kết hợp với đo thông số nhiệt vật lý vật nung cách lấy mẫu vật nung vị trí khác lò Từ kết thực nghiệm, Gygi xây dựng thành đường cong phân bố nhiệt độ khí, tường lò vật nung dọc theo chiều dài Với mục đích xây dựng mô hình toán học để tính toán phân bố dòng nhiệt vật nung lò, Cross Young [43] xây dựng mô hình truyền nhiệt lò quay với giả thiết bỏ qua nhiệt tỏa (thu vào) phản ứng hóa học khối vật nung Kết tính toán 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 mô hình truyền nhiệt lò quay với mục đích xác định quy luật truyền nhiệt thành phần tham gia trao đổi nhiệt tính toán lượng nhiệt trao đổi chúng Có thể tìm thấy mô hình [5], [54], [55], [56], [57], [70] Hệ thống công trình nghiên cứu cho thấy, mô hình truyền nhiệt chủ yếu xây dựng dựa ba phương pháp tính toán trao đổi nhiệt xạ, là: phương pháp vùng, phương pháp phản xạ phương pháp tương tự nhiệt - điện Mặc dù, phương pháp tính toán 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 mô hình toán học nghiên cứu trình truyền nhiệt lò 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 lò công nghiệp có tính phổ biến lò hơi, lò luyện thép, lò nung gốm vv; nghiên cứu xử lý khí phát thải trình đốt nhiên liệu lò công nghiệp kể Còn loại lò quay có tính đặc thù trình bày mục 1.2 chưa đề cập đến Một công 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 lò quay xi măng Tiếp đến hàng loạt công 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 trình cháy chế độ nhiệt lò 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 mô hình toán học dựa việc phân tích trình trao đổi nhiệt xảy đồng thời lò Dựa vào kết nghiên cứu chế truyền nhiệt lò, dựa vào phân tích riêng rẽ trình truyền nhiệt dựa vào yêu cầu đặt xây dựng mô hình với quan điểm phải xem xét toàn diện mối quan hệ khả nâng cao độ xác khối lượng tính toán phải thực với việc ý mức đến toàn trình xảy (tức tập trung vào trình mà không đồng thời ý mức đến trình khác không đạt kết mong đợi), Đặng Quốc Phú [5] xây dựng mô hình truyền nhiệt tổng quát lò quay sở phương pháp vùng Hottel Sarofim [61] Mô hình cho phép xác định trường nhiệt độ thành phần tham gia trao đổi nhiệt lò tính toán lượng nhiệt trao đổi chúng Tuy nhiên, mô hình truyền nhiệt tổng quát không đề cập đến ảnh hưởng trình cháy xạ nhiệt lửa tới đặc tính truyền nhiệt lò quay Bởi lò 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 toàn trình truyền nhiệt xảy lò Mặc dù vậy, mô hình truyền nhiệt tổng quát 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 lò quay luôn tồn hai vùng lò đặc trưng chia theo chiều dài, là: vùng có lửa vùng lửa Các 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 lửa Hơn nữa, vùng có lửa không ảnh hưởng đến toàn trình truyền nhiệt không gian lò quay mà vùng ảnh hưởng có tính chất định đến chất lượng clinker xi măng Mặc dù có nhiều công trình nghiên cứu nước nước trình truyền nhiệt lò quay với việc vận dụng linh hoạt phương pháp tính toán trao đổi nhiệt xạ khác để xây dựng mô hình toán học xác định quy luật truyền nhiệt lò xây dựng công thức tính toán lượng nhiệt trao đổi khí lò với vật nung, vật nung với tường lò vv , việc phân tích cách có hệ thống tỉ mỉ công trình cho thấy, tác giả chưa đề cập đến ảnh hưởng trình cháy xạ nhiệt lửa tới quy luật truyền nhiệt lò quay Quá trình truyền nhiệt lò quay có quan hệ chặt chẽ với kích thước lò, tốc độ quay, kích thước nhiệt độ vật nung cấp vào lò, nhiệt độ khí vv điều quan trọng bật trình truyền nhiệt định trình cháy xạ nhiệt lửa Nghiên cứu quy luật truyền nhiệt lò quay có xét đến ảnh hưởng trình cháy xạ nhiệt lửa toán phức tạp, khó khăn lại yêu cầu cấp thiết, có ý nghĩa khoa học thực tiễn lớn vùng lò có lửa vùng lò quay sản xuất xi măng phương diện kích thước, phương diện công nghệ (vì vùng lò tạo khoáng quan trọng clinker xi măng C 3S), đặc biệt xuất lửa ảnh hưởng đến toàn trình truyền nhiệt lò định đến chất lượng sản phẩm Vì lý đó, việc lựa chọn đề tài: Nghiên cứu trình truyền nhiệt lò 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 lò quay tính toán 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 lò quay Xây dựng mô hình toán 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 trình truyền nhiệt lò quay xi măng Đánh giá độ xác mô 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, rút kết luận sau: Đã xác định vấn đề cần giải nội dung cần thực luận án là: - Xây dựng mô hình toán học có xét đến ảnh hưởng trình cháy xạ nhiệt lửa tới quy luật truyền nhiệt khí, tường lò vật nung lò quay sản xuất xi măng làm tường minh trình thay đổi nhiệt độ khí, tường lò vật nung theo chiều dài lò định tính định lượng - Tính toán 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 trình truyền nhiệt lò 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 mô hình toán học mô tả trình trao đổi nhiệt thành phần tham gia trao đổi nhiệt (khí, tường lò vật nung) lò 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 môi trường khí (đặc biệt lửa), tường lò vùng khí hồi lưu Phân tích yếu tố ảnh hưởng đến trình truyền nhiệt lò quay xi măng điều cần thiết để thiết lập giả thiết đơn giản hóa xây dựng mô hình toán học Nội dung trình bày mục 2.1.1.1; 2.1.1.2 2.1.1.3 2.1.1.1 Ảnh hưởng đặc tính xạ môi trường khí lò quay xi măng Có thể thấy rằng, môi trường khí lò quay xi măng môi trường khí thực Bằng cách xây dựng hai mô hình xạ: mô hình thứ coi khí lò quay khí thực; mô hình thứ hai coi khí lò quay vật xám, Gorog [55] tính toán đến kết luận rằng: độ đen tường lò vật nung hớn 0,8 giả thiết khí vật xám tính toán 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 vòng quay Vì thế, lượng nhiệt trao đổi tường lò với vật nung, tường lò với dòng khí thay đổi theo thời gian Trên sở phân tích mô hình tính toán lượng nhiệt vật nung nhận từ phía mặt thoáng Gorog [55], cho rằng: xem nhiệt độ tường lò giá trị nhiệt độ trung bình vòng quay nghiên cứu trình truyền nhiệt lò 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 trình truyền nhiệt lò quay mức độ hồi lưu vùng cháy lò nhỏ nên xây dựng mô hình toán học mô tả trình truyền nhiệt vùng có lửa lò quay xem khí xung quanh lửa suốt xạ nhiệt 2.1.2 Nghiên cứu thực nghiệm Do khó khăn xây dựng mô hình thực nghiệm khó khăn tăng lên gấp nhiều lần xác định thực nghiệm phân bố nhiệt độ khí, tường lò vật nung lò quay xi măng hoạt động nên phạm vi nghiên cứu luận án này, đo biến thiên nhiệt độ vỏ lò dọc theo chiều dài khảo sát, thu thập thông số nhiệt độ số vị trí đặc trưng lò 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 không tiếp xúc [13] Trong công trình này, tính đặc thù lò quay xi măng nên sử dụng phương pháp đo không tiếp xúc Đây phương pháp đo sử dụng phổ biến lò quay xi măng Chúng 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 công nghệ máy tính, có hàng loạt công trình nghiên cứu sử dụng công nghệ mô số để thực nghiên cứu mà tiến hành thực nghiệm nghiên cứu thực nghiệm gặp nhiều khó khăn Trong đó, phương pháp mô số dựa tính toán động lực học dòng chảy (Computation Fluid Dynamics; viết tắt CFD) ứng dụng phổ biến nay, đặc biệt ứng dụng mô trình cháy than Trong luận án này, để đánh giá tính đắn mô hình toán học, việc so sánh kết tính toán với số liệu đo lò quay hoạt động, so sánh kết tính toán với kết tính từ việc nghiên cứu mô trình cháy than phương pháp mô số CFD 2.2 Kết luận chƣơng Trên sở lựa chọn phương pháp nghiên cứu, rút số kết luận sau: - Mô hình toán học nghiên cứu trình truyền nhiệt lò 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 lò vật xám tính toán trình trao đổi nhiệt xạ - Nhiệt độ tường lò quay xi măng biến thiên tuần hoàn sau vòng quay Tuy nhiên, biến thiên nhiệt độ lớn tường lò không vượt 100 K nên xem nhiệt độ tường lò giá trị nhiệt độ trung bình vòng quay nghiên cứu trình truyền nhiệt lò quay xi măng - Mặc dù khí hồi lưu ảnh hưởng đến trình truyền nhiệt lò quay lượng khí hồi lưu vùng có lửa nhỏ nên xây dựng mô hình toán học mô tả trình trao đổi nhiệt vùng xem khí xung quanh lửa có thành phần chủ yếu O2 N2 cung cấp dòng không khí cấp hai cấp cho trình cháy coi môi trường suốt xạ nhiệt - Độ xác mô 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 lò Ngoài ra, kết tính toán 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 lửa Để xây dựng mô hình toán học mô tả trình truyền nhiệt lò quay xi măng có xét đến ảnh hưởng trình cháy xạ lửa, tiến hành xây dựng hai mô hình toán học: Mô hình toán học mô tả trình truyền nhiệt vùng có lửa Mô hình toán học mô tả trình truyền nhiệt vùng lửa Để giải nhiệm vụ nêu trên, thiết phải xác định chiều dài đặc trưng nhiệt vật lý vùng có lửa lò Vấn đề trình bày mục 3.2 3.2 Xác định vùng có lửa lò quay xi măng 3.2.1 Sự hình thành lửa than phun lò quay xi măng Quá 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 mô hình vật lý kết hợp với số liệu có từ lò quay xi măng vận hành, Ruhland [132] xây dựng mối quan hệ chiều dài lửa phun với cấu trúc vòi phun, kích thước lò mômen động lượng dòng 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 toán (3.5) Ruhland [93], Moles cộng [81], Jenkins Moles [65] tiến hành tính toán kiểm tra hàng loạt lò quay vận hành khác cho kết phù hợp với thực tế Vì lý đó, luận án lựa chọn công thức tính toán 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 công thức (3.6) [130] mà không 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 Mô hình toán học nghiên cứu trình truyền nhiệt lò quay xi măng có xét đến ảnh hƣởng trình cháy xạ nhiệt lửa 3.4.1 Mô hình toán học vùng có lửa 3.4.1.1 Các giả thiết xây dựng mô hình Để xây dựng mô hình toán học mô tả trình truyền nhiệt vùng có lửa lò quay cần có giả thiết sau: - Các trình truyền nhiệt lò quay ổn định - Ngọn lửa, tường lò, vật nung vật xám 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 lửa, vật nung theo phương bán kính - Nhiệt dung riêng sản phẩm cháy không đổi - Khí xung quanh lửa suốt xạ nhiệt (mục 2.1.1.3) 3.4.1.2 Mô hình toán 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 toán hệ số tỏa nhiệt đối lưu khí tường lò phía mặt thoáng lò quay xi măng khác Kết tính toán 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 lò 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 toán 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 toán hệ số truyền nhiệt tường lò tiếp xúc với vật nung loại lò quay xi măng có kích thước khác nhau, kết tính toán xác định hệ số truyền nhiệt dao động khoảng từ 50 ÷ 100 W/m2.K d) Hệ số truyền nhiệt vỏ lò môi trường Hệ số truyền nhiệt vỏ lò môi trường không 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 lò quay xi măng: fw   fs (3.41) sw   sf (3.42) sf  Ff fs Fs 3.4.2 Mô hình toán học vùng lửa 3.4.2.1 Các giả thiết xây dựng mô hình (3.43) 12 Để xây dựng mô hình toán học, cần phải chấp nhận số giả thiết sau: - Các trình truyền nhiệt lò quay ổn định - Khí, tường lò, 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 không đổi 3.4.2.2 Mô hình toán học Chia vùng 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 lửa b) Các dòng nhiệt phần tử Hình 3.8 Mô hình truyền nhiệt vùng lửa Phương trình cân nhiệt dòng khí có dạng: Qz  Qs  Qsh  Qzz (3.44) Tz Qz  mg  cp dT  mg cp  Tz  To  (3.45) Tz z  cp dT To (3.46) To Qzz  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 lò: Tzz  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) zz Để khép kín hệ hai phương trình (3.47) (3.48), mô hình tương tự nhiệt điện vùng 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 Mô hình tương tự nhiệt - điện vùng lửa Bảng 3.2 Các nhiệt trở hệ số trao đổi nhiệt mô hình vùng 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: Tzz  Tz   Qs  Qsh  mg.cp Qs  Qws,w  ms cps (Ts z  Ts zz )        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) mô hình toán học mô tả trình truyền nhiệt vùng lửa lò quay xi măng Hệ phương trình (3.53) giải 14 phương pháp lặp Newton - Raphson lập trình phần mềm Microsoft Excel 2010 Để giải hệ phương trình (3.53), hệ số tỏa nhiệt đối lưu hệ số truyền nhiệt tính toán mô 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 lò phía mặt thoáng đến khí (wg) hệ số góc xạ từ vật nung đến tường lò phía mặt thoáng (sw): sg  wg  sw  (3.54) 3.5 Mô số CFD trình cháy than phun lò quay xi măng 3.5.1 Mô hình hình học toán chia lƣới mô hình 3.5.1.1 Mô hình hình học toán Lò quay xi măng mô hình hóa theo tỷ lệ 1:1 với chiều dài lò 78 m, đường kính m Vòi phun mô hình hóa hình vành khuyên đồng tâm biểu thị kênh dẫn khí kênh dẫn than 3.5.1.2 Chia lưới mô hình Mô hình lò quay xi măng chia lưới ANSYS MESHING sử dụng phương pháp Sweep Mesh 3.5.2 Mô hình mô trình cháy than phun lò quay xi măng 3.5.2.1 Các phương trình chủ đạo mô phương pháp số CFD Các phương trình chủ đạo mô số CFD bao gồm hệ phương trình động lực học chất lưu phương trình trạng thái 3.5.2.2 Mô hình toán học mô trình cháy than phun a) Mô hình dòng chảy rối b) Mô hình cháy c) Mô hình xạ nhiệt 3.5.3 Điều kiện ban đầu Dữ liệu ban đầu để mô trình cháy than phun thông số tính toán ban đầu lấy từ mô hình lý thuyết Giải mô hình mô phần mềm ANSYS xác định trường nhiệt độ khí, tường lò, vật nung vỏ lò Kết mô trình bày nội dung chương luận án 3.6 Kết luận chƣơng Từ kết nghiên cứu truyền nhiệt lò 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, mô hình toán học mô tả trình truyền nhiệt lò quay xi măng có xét đến ảnh hưởng trình cháy xạ nhiệt lửa xây dựng từ hai mô hình toán học: mô hình thứ mô tả trình truyền nhiệt vùng có lửa; mô hình thứ hai mô tả trình truyền nhiệt vùng lửa 15 - Trên sở phương pháp lặp Newton - Raphson lập chương trình tính toán phần mềm Microsoft Excel 2010 để giải mô hình toán học - Trên sở phân tích, đánh giá hàng loạt công thức, lựa chọn công thức tính toán phù hợp để xác định hệ số trao đổi nhiệt hệ số góc xạ mô hình toán học - Đã nghiên cứu trình cháy than phun lò quay xi măng phương pháp mô số CFD sở lựa chọn ba mô hình: mô hình dòng chảy rối k - , mô hình cháy EDM mô 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 lò 78m góc quét thiết bị nhận tín hiệu nhiệt độ vỏ lò 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, 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 mô 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 mô 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 lò 16 CHƢƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 5.1 Đối tƣợng tính toán Về nguyên tắc, mô hình toán học xây dựng ứng dụng để tính toán cho tất loại lò 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 toán 5.2 Kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm trình truyền nhiệt lò 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 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 toán, bên cạnh kết nghiên cứu Moles, Watson Lain [81], Jenkins Moles [65] áp dụng công thức tính toán Ruhland để xác định chiều dài lửa lò quay, độ tin cậy kết tính toán chiều dài lửa than phun lò quay xi măng Bút Sơn đánh giá thông qua kết nghiên cứu mô số CFD trình cháy than phun, phương pháp tính toán 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 toán chiều dài lửa than phun lò quay xi măng Bút Sơn đáng tin cậy 5.2.2 Phân bố nhiệt độ khí, tƣờng lò vật nung Giải hệ phương trình xác định phân bố nhiệt độ khí, tường lò, vật nung vỏ lò dọc theo chiều dài, trình bày phụ lục thể đồ thị hình 5.2 Kết tính toán thể đồ thị hình 5.2 cho thấy, khác với quy luật biến thiên nhiệt độ khí vật nung [43], nhiệt độ khí, tường lò vật nung Hình 5.2 Phân bố nhiệt độ khí, tường lò, vùng có lửa thay đổi lớn vật nung vỏ lò 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, vùng lửa, biến thiên nhiệt độ khí, tường lò 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 mô hình toán 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 lò, 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 mô hình toán học xác định nhiệt độ vật nung vị trí đầu lò (vị trí mà vật nung bắt đầu vào lò quay) 8710C Giá trị phù hợp với yêu cầu công 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 toán xác định nhiệt độ số vị trí đặc trưng nhiệt độ cực đại lửa, nhiệt độ cực đại vật nung, nhiệt độ khí cuối lò nhiệt độ vỏ lò Các kết trình bày bảng 5.5 Bảng 5.5 Kết tính toán thực tế Thông số Tính toán Thực tế Nhiệt độ cực đại lửa, C 1724 1749 Nhiệt độ cực đại vật nung, C 1466 1380 ÷ 1450 Nhiệt độ khí khỏi lò, C 1012 900 ÷ 1100 Nhiệt độ vỏ lò, C 104 ÷ 340 109 ÷ 318 Kết so sánh bảng 5.5 nhận thấy, sai lệch nhiệt độ cực đại lửa tính toán 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 lò (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 toán 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 mô hình lý thuyết so sánh kết tính toán biến thiên nhiệt độ vỏ lò 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 công thức (4.4) 7,52% Với sai số từ phân tích khẳng định mô hình toán học xây dựng có độ xác đáp ứng yêu cầu đề Mô hình toán học Hình 5.3 Biến thiên nhiệt độ vỏ lò theo xây dựng hai mô hình truyền chiều dài lý thuyết thực nghiệm nhiệt độc lập: mô hình vùng có lửa mô hình vùng lửa phản ánh chất trình truyền nhiệt lò quay xi măng Hơn nữa, mô hình 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 mô hình truyền nhiệt có xét đến ảnh hưởng trình cháy xạ lửa tới trình truyền nhiệt lò quay so với mô hình truyền nhiệt không xét đến vấn đề Kết giải mô hình toán học xác định nhiệt độ cực đại lửa vị trí lò để đạt giá trị Đây thông 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 toán nhiệt độ cực đại lửa 17240C tỷ lệ thành phần C3S đạt yêu cầu công nghệ dựa vào thông số điều chỉnh xác tỷ lệ thành phần khoáng quan trọng clinker xi măng Như vậy, mô hình toán học có xét đến ảnh hưởng trình cháy xạ nhiệt lửa mô tả không định tính phân bố nhiệt độ thành phần tham gia trao đổi nhiệt lò quay (thể hình 5.2) mà xác định định lượng phân bố Đây sở để tính toán 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 Ngoài ra, mô hình cho phép nghiên cứu ảnh hưởng số yếu tố đến trình truyền nhiệt lò 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 mô hình toán học vùng có lửa với thông số vận hành lò 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 lò nơi trình cháy chưa xảy hệ số cháy kiệt đến nhiên liệu đốt cháy hoàn toàn hệ số Kết tính toán cho thấy vị trí cách miệng vòi 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 thông số hợp lý tốc độ phun, cấu tạo mỏ đốt, tỷ lệ không khí vv để tổ chức 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 toán truyền nhiệt xác định lượng nhiệt trao đổi thành phần tham gia trao đổi nhiệt Dựa vào phân bố nhiệt độ khí, 19 tường lò, vật nung vỏ lò, xác định lượng nhiệt vật nung nhận trình trao đổi vật nung với khí với tường lò Giải hệ phương trình xác định tổng lượng nhiệt vật nung nhận xạ (từ khí từ tường lò 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 thoáng 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 thoáng Tường lò đóng vai trò lớn trình truyền nhiệt lò quay, thể không trình truyền nhiệt xạ từ phía bề mặt thoáng đến vật nung mà truyền nhiệt đến vật nung thông qua chế truyền nhiệt tiếp xúc Đây đặc trưng, xảy thiết bị truyền nhiệt lò quay Kết giải mô hình toán học xác định lượng nhiệt vật nung nhận từ tường lò theo hai phía nêu Theo kết tính toán, lượng nhiệt vật nung nhận xạ từ tường lò 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 lò 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 lò truyền cho vật nung xạ phía mặt thoáng chiếm 34,3%, phía tiếp xúc chiếm 7,5% Kết cho thấy vai trò lớn tường lò trình truyền nhiệt lò quay đặc biệt trao đổi nhiệt xạ Kết tính toán 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 lò Do mô hình truyền nhiệt có xét đến ảnh hưởng trình cháy xạ nhiệt lửa xây dựng sở hai mô hình toán học độc lập nên xác định tỷ lệ riêng phần lượng nhiệt vật nung nhận hai vùng lò đặc trưng Kết tính toán xác định lượng nhiệt vật nung nhận vùng có lửa 5232,04 kW; lượng nhiệt vật nung nhận vùng 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; vùng 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 lửa Kết cho thấy, vai trò lớn trình trao đổi nhiệt vùng có lửa lò quay Hơn nữa, kết tính toán 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 toán thấy rằng: vùng có lửa vai trò lớn đến trình truyền nhiệt lò (thể thông qua tỷ lệ riêng phần lượng nhiệt vật nung nhận vùng này) mà 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: Mô hình toán học mô tả trình truyền nhiệt lò 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 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 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 toán 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 lò v/ph mức điền đầy tăng lên tối đa 12,1% Kết tính toán 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 lò 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 môi trường qua vỏ lò giảm từ 10,5% xuống 10,3% Mức giảm tổn thất nhiệt qua vỏ lò không đáng kể kết tính toán cho thấy, tăng mức điền đầy phạm vi từ 12 ÷ 12,1% không làm tăng suất lò 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 lò Kết tính toán 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 toán 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 lò không 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 toán khẳng định phạm vi chuyển động quay lò từ 2,7 ÷ 3,1 v/ph với suất lò không 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 lò 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 mô số CFD 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 lò Hình 5.15 Phân bố nhiệt độ tường dọc theo chiều dài lò Hình 5.16 Phân bố nhiệt độ vật nung dọc theo chiều dài lò Hình 5.17 Phân bố nhiệt độ vỏ lò dọc theo chiều dài lò 22 Kết nghiên cứu mô cho thấy, có trùng hợp tốt mô hình lý thuyết mô hình mô phương pháp số CFD Và từ kết so sánh mô hình lý thuyết mô hình mô với kết thực nghiệm khẳng định vai trò triển vọng mô hình xây dựng Nhận thấy rằng, ứng dụng mô hình toán học xây dựng cho phép thiết lập thông số vận hành tối ưu cho lò quay xi măng khác tính kiểm tra thông số vận hành cách dễ dàng Đối với mô hình mô số CFD, thực công 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 thông số vận hành tối ưu cho lò quay xi măng sử dụng mô hình toán học xây dựng thuận tiện nhiều so với sử dụng mô hình mô 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 lò 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 lò, vật nung có giá trị sát với thực tế Độ xác mô hình toán học kiểm chứng thông qua kết đo biến thiên nhiệt độ vỏ lò 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 lò khoảng dao động biến thiên nhiệt độ vỏ lò nằm phạm vi cho phép - Kết mô trình cháy than phun phương pháp mô số CFD độc lập với mô hình toán học với điều kiện vận hành nhà máy xi măng Bút Sơn cho thấy có trùng hợp tốt hai mô hình tính toán 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 lò, kết thu từ mô phương pháp số CFD khẳng định thêm độ tin cậy mô hình toán học xây dựng Vì vậy, ta dùng mô hình toán học để làm sở tính toán thiết kế lò tính kiểm tra nhanh thông số lò vận hành điều kiện đo đạc - Mô hình toán 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 thoáng chiếm 83,9% đối lưu chiếm 16,1% tổng lượng nhiệt vật nung nhận từ phía mặt thoáng; tường lò đóng vai trò lớn trình truyền nhiệt lò quay xi măng thể thông qua lượng nhiệt mà tường lò truyền cho vật nung, theo lượng nhiệt tường lò truyền cho vật nung chiếm 41,8% tổng lượng nhiệt vật nung nhận Trong đó, lượng nhiệt tường lò 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 mô hình toán 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 lửa Theo đó, lượng nhiệt trung bình vật nung nhận đơn vị chiều dài vùng có lửa 272,08 kW/m, vùng 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 lửa Kết khẳng định vai trò lớn truyền nhiệt vùng có lửa lò 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 lò tối đa đạt 167920 kg/h) - Sự thay đổi tốc độ chuyển động quay lò phạm vi từ 2,7 ÷ 3,1 v/ph giữ nguyên suất lò không 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: Mô hình toán 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 lò vật nung với độ xác kiểm chứng từ thực nghiệm thu từ lò quay vận hành Sai lệch nhiệt độ vỏ lò tính toán nhiệt độ vỏ lò 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 lò khoảng dao động biến thiên nhiệt độ vỏ lò nằm phạm vi cho phép Các sai lệch chấp nhận tính toán kỹ thuật Do vậy, mô hình toán học xây dựng có khả ứng dụng thực tiễn để tính toán thiết kế lò tính kiểm tra nhanh thông số lò vận hành mà 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 lửa Trong vùng có lửa, theo chiều dài tính từ đầu vòi phun, nhiệt độ chúng tăng dần đến giá trị cực đại sau giảm dần xuống theo quy luật parabol đến hết vùng lửa; vùng lửa, nhiệt độ chúng biến thiên gần tuyến tính giảm dần theo chiều dài Đặc trưng mô hình toán 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 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 lửa Điều khẳng định vai trò lớn trao đổi nhiệt vùng có lửa lò quay Không vậy, kết phân bố nhiệt độ khí, vật nung cho thấy vùng lửa có vai trò định đến điều kiện hình thành thành phần khoáng quan trọng clinker xi măng C3S Vai trò chủ đạo phương thức truyền nhiệt xạ lò quay thể thông qua tỷ lệ riêng phần lượng nhiệt vật nung nhận Theo đó, lượng nhiệt vật nung nhận từ phía mặt thoáng xạ chiếm đến 83,9% tổng lượng nhiệt vật nung nhận từ phía mặt thoáng (bằng đối lưu chiếm 16,1%) Kết giải mô hình toán học thể rõ nét vai trò tường lò 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 thoáng 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 mô hình toán học xây dựng Với lò 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 lò giữ không đổi mức 166660 kg/h) NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN Đã xây dựng giải thành công mô hình toán học mô tả trình trao đổi nhiệt có xét đến ảnh hưởng trình cháy xạ nhiệt lửa lò quay xi măng sở mô hình tương tự nhiệt - điện kết hợp với phương trình cân lượng Độ tin cậy mô hình kiểm chứng thực nghiệm mô số CFD Có thể dùng mô hình toán học đề tài để tính toán thiết kế lò tính kiểm tra nhanh thông số lò vận hành 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 lò quay xi măng: vùng có lửa vùng lửa Đã thiết lập thông số vận hành hợp lý cho lò quay xi măng Bút Sơn, Hà Nam sở mô 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 khoáng clinker đến phân bố nhiệt độ khối vật nung Xây dựng mối quan hệ kích thước hình học lò (chiều dài vùng có lửa, vùng lửa, chiều dài tổng cộng lò, đường kính lò) với suất lò thời gian lưu lại vật nung lò DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Nguyễn Đăng Khoát (2012) Xác định chiều dài lửa than phun lò 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 Khoát (2013) Nghiên cứu trình trao đổi nhiệt vật liệu tiếp xúc với tường lò quay xi măng Tạp chí khoa học Giao thông 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 lò quay xi măng môi trường xung quanh Tạp chí lượng Nhiệt, số 111, tháng 05 năm 2013 Trần Gia Mỹ, Nguyễn Đăng Khoát (2014) Nghiên cứu trình truyền nhiệt không cân từ lửa than phun lò quay xi măng Tạp chí lượng Nhiệt, số 120, tháng 11 năm 2014 Trần Gia Mỹ, Nguyễn Đăng Khoát (2015) Mô hình truyền nhiệt lò quay xi măng có kể đến ảnh hưởng không cân trường nhiệt độ Tạp chí lượng Nhiệt, số 125, tháng 09 năm 2015 [...]... quả nghiên cứu về truyền nhiệt trong lò quay xi măng có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa, rút ra một số kết luận sau: - Trên cơ sở phương pháp tương tự nhiệt - điện kết hợp với các phương trình cân bằng năng lượng và dựa vào các giả thiết, 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 nhiệt của. .. dựng có thể được ứng dụng để tính toán cho tất cả các loại lò quay xi măng khác nhau Trong luận án này, lò quay thuộc dây chuyền số 2 nhà máy xi măng Bút Sơn, Hà Nam được lựa chọn để tính toán 5.2 Kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng có xét đến ảnh hƣởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa 5.2.1 Xác định vùng ngọn lửa trong lò quay xi măng. .. của truyền nhiệt trong các lò quay 23 - Một trong những đặc trưng của mô hình toán học có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa là tỷ lệ riêng phần lượng nhiệt vật nung nhận được từ vùng có ngọn lửa và vùng không có ngọn lửa Theo đó, lượng nhiệt trung bình vật nung nhận được trên một đơn vị chiều dài trong vùng có ngọn lửa là 272,08 kW/m, vùng không có ngọn lửa, lượng nhiệt. .. chúng tôi nhận thấy, cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về lĩnh vực truyền nhiệt trong lò quay xi măng như sau: 1 Nghiên cứu ảnh hưởng của ngọn lửa than phun có phun thêm dầu FO để tăng độ đen của ngọn lửa đến đặc tính truyền nhiệt trong lò quay 2 Nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn nhiệt tỏa ra hay thu vào trong quá trình phản ứng tạo khoáng clinker đến sự phân bố nhiệt độ của khối vật nung 3 Xây dựng mối... nhiệt trong các lò quay xi măng Hơn nữa, mô hình còn cho phép xác định tỷ lệ riêng phần lượng nhiệt trao đổi bằng bức xạ và đối lưu giữa các thành phần tham gia trao đổi nhiệt, tỷ lệ riêng phần lượng nhiệt vật nung nhận được của hai vùng lò đặc trưng Đây chính là 18 sự khác biệt của mô hình truyền nhiệt có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ của ngọn lửa tới quá trình truyền nhiệt trong lò quay. .. và cần thiết 5.3 Nghiên cứu ảnh hƣởng của một số yếu tố đến quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng Nghiên cứu ảnh hưởng của những yếu tố này đến quá trình truyền nhiệt trong lò là cơ sở quan trọng để thiết lập các thông số vận hành hợp lý nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và sử dụng năng lượng hiệu quả trong quá trình sản xuất Có hai yếu tố vận hành rất cơ bản và cũng là đặc trưng ảnh hưởng đến. .. tường lò trong các quá trình truyền nhiệt của lò quay đặc biệt là trao đổi nhiệt bằng bức xạ Kết quả tính toán còn xác định được tổng lượng nhiệt tổn thất qua vỏ lò là 5913,25 kW, lượng nhiệt cung cấp cho lò quay từ phản ứng cháy của nhiên liệu là 56022,54 kW Như vậy, lượng nhiệt tổn thất qua vỏ lò chiếm 10,5% tổng lượng nhiệt cung cấp cho lò Do mô hình truyền nhiệt có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy. .. quay xi măng: vùng có ngọn lửa và vùng không có ngọn lửa 3 Đã thiết lập được các thông số vận hành hợp lý cho lò quay xi măng Bút Sơn, Hà Nam trên cơ sở mô hình toán học và trên cơ sở nghiên cứu độc lập hai yếu tố ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt trong lò quay: mức độ điền đầy và tốc độ quay của lò MỘT SỐ KIẾN NGHỊ, ĐỀ XUẤT HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Qua nội dung nghiên cứu của luận án, chúng tôi... độ quay 3 v/ph), tốc độ quay 2,7 v/ph (khi năng suất lò giữ không đổi ở mức 166660 kg/h) NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 1 Đã xây dựng và giải thành công mô hình toán học mô tả các quá trình trao đổi nhiệt có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa trong lò quay xi măng trên cơ sở mô hình tương tự nhiệt - điện kết hợp với các phương trình cân bằng năng lượng Độ tin cậy của. .. cho phép nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến quá trình truyền nhiệt trong lò quay Từ đó, thiết lập được chế độ vận hành hợp lý của lò để cho chất lượng xi măng tốt nhất và giảm tiêu hao nhiên liệu trong quá trình sản xuất Các nghiên cứu ảnh hưởng này sẽ được trình bày trong nội dung tiếp theo của luận án 5.2.3 Đƣờng cong cháy kiệt Kết quả giải mô hình toán học trong vùng có ngọn lửa với các thông ... 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... nung cấp vào lò, nhiệt độ khí vv điều quan trọng bật trình truyền nhiệt định trình cháy xạ nhiệt lửa Nghiên cứu quy luật truyền nhiệt lò quay có xét đến ảnh hưởng trình cháy xạ nhiệt lửa toán phức... xuất lửa ảnh hưởng đến toàn trình truyền nhiệt lò định đến chất lượng sản phẩm 5 Vì lý đó, việc lựa chọn đề tài: Nghiên cứu trình truyền nhiệt lò quay xi măng có xét đến ảnh hưởng trình cháy xạ