Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa

- Các quá trình truyền nhiệt trong lò quay rất phức tạp và đa dạng, bao gồm cả ba phương thức truyền nhiệt: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ.
- Không những vậy, chuyển động quay của lò là nguyên nhân chính làm cho các quá trình truyền nhiệt trong lò quay có những nét đặc trưng riêng so với các lò công nghiệp đứng yên.
- Các lò quay xi măng làm việc ở nhiệt độ cao bao giờ cũng có vùng phát nhiệt, tại đây nhiên liệu được đốt cháy dưới dạng ngọn lửa phun.
- Bởi vậy, xét trên khía cạnh về truyền nhiệt thì lò quay được chia theo chiều dài làm hai vùng lò đặc trưng: vùng có ngọn lửa (vùng cháy) và vùng không có ngọn lửa (vùng sau cháy).
- Bằng phương pháp lý thuyết và thực nghiệm, luận án này tập trung nghiên cứu các quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa, phân tích các phương pháp tính toán trao đổi nhiệt bức xạ khác nhau và từ đó xây dựng mô hình toán học mô tả quy luật truyền nhiệt của các thành phần tham gia trao đổi nhiệt trong lò nhằm phục vụ cho việc thiết kế và vận hành các loại lò quay xi măng khác nhau.
- Mục đích nghiên cứu 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 2 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.
- Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là: Lò quay sản xuất xi măng theo phương pháp khô.
- Phạm vi nghiên cứu là: Các quá trình truyền nhiệt trong lò quay.
- Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu Về mặt lý thuyết, luận án làm sáng tỏ cơ chế truyền nhiệt trong lò quay khi xét tới ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa và góp phần bổ sung vào lý thuyết truyền nhiệt truyền chất những quá trình truyền nhiệt rất đặc trưng và đa dạng này.
- Tổng quan các kết quả nghiên cứu về truyền nhiệt trong lò quay xi măng 1.4.1.
- Các quá trình truyền nhiệt trong lò quay Quá trình truyền nhiệt trong lò quay rất phức tạp bao gồm cả ba phương thức truyền nhiệt: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ.
- Phân tích chi tiết từng phương pháp là cơ sở để xây dựng mô hình toán học nghiên cứu quá trình truyền nhiệt trong lò quay có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa.
- Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu về truyền nhiệt trong các lò quay có tính đặc thù như đã trình bày trong mục 1.2 thì chưa được đề cập đến.
- Một trong những công trình nghiên cứu đầu tiên về truyền nhiệt trong lò quay xi măng được Đặng Quốc Phú [3] đề cập khi nghiên cứu ảnh hưởng của tính chất nhiệt vật lý của lớp vật liệu chịu lửa đến quá trình trao đổi nhiệt trong lò quay xi măng.
- Năm 1986, Đặng Quốc Phú, Võ Xuân Cương và Võ Chí Chính [5] đã dựa vào phương pháp exergie để phân tích quá trình cháy và chế độ nhiệt của lò quay xi măng.
- Với mục đích xác định chế độ nhiệt tối ưu cho lò quay xi măng, năm 1987, Đặng Quốc Phú và Nguyễn Thị Hồng Hà [7] đã xây dựng mô hình toán học dựa trên việc phân tích các quá trình trao đổi nhiệt xảy ra đồng thời trong lò.
- Tuy nhiên, mô hình truyền nhiệt tổng quát không đề cập đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa tới đặc tính truyền nhiệt trong lò quay.
- Hơn nữa, vùng có ngọn lửa không chỉ ảnh hưởng đến toàn bộ quá trình truyền nhiệt trong không gian lò quay mà còn là vùng ảnh hưởng có tính chất quyết định đến chất lượng clinker xi măng.
- Mặc dù đã có rất nhiều công trình nghiên cứu ở cả trong nước và ngoài nước về các quá trình truyền nhiệt trong lò quay với việc vận dụng hết sức linh hoạt các phương pháp tính toán trao đổi nhiệt bức xạ khác nhau để xây dựng mô hình toán học xác định quy luật truyền nhiệt trong lò cũng như xây dựng các công thức tính toán lượng nhiệt trao đổi giữa khí lò với vật nung, giữa vật nung với tường lò vv.
- nhưng việc phân tích một cách có hệ thống và tỉ mỉ các công trình này cho thấy, các tác giả chưa đề cập đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa tới quy luật truyền nhiệt trong lò quay.
- Quá trình truyền nhiệt trong lò quay có quan hệ chặt chẽ với kích thước lò, tốc độ quay, kích thước và nhiệt độ của vật nung cấp vào lò, nhiệt độ của khí vv.
- 5 Vì những lý do đó, việc lựa chọn đề tài: Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa là thực sự cần thiết và hợp lý trong giai đoạn hiện nay, đặc biệt là tại Việt Nam.
- Để đạt được mục đích nghiên cứu là xác định quy luật truyền nhiệt trong lò quay và tính toán lượng nhiệt trao đổi giữa các thành phần tham gia trao đổi nhiệt khi xét tới ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa, luận án cần thực hiện các nội dung chính sau: 1.
- Nghiên cứu xác định vùng có ngọn lửa trong lò quay.
- Xây dựng mô hình toán học xác định quy luật truyền nhiệt trong lò quay xi măng khi xét tới ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa.
- Xác định lượng nhiệt trao đổi giữa các thành phần tham gia trao đổi nhiệt, tỷ lệ riêng phần lượng nhiệt trao đổi của từng phương thức trao đổi nhiệt và của từng vùng lò đặc trưng và nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng.
- Đánh giá độ chính xác của mô hình toán học bằng các số liệu thực tế thu được từ lò quay đang hoạt động tại nhà máy xi măng Bút Sơn, Hà Nam.
- Xây dựng mô hình toán học có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa tới quy luật truyền nhiệt giữa khí, tường lò và vật nung trong lò quay sản xuất xi măng và làm tường minh quá trình thay đổi nhiệt độ của khí, tường lò và vật nung theo chiều dài lò cả về định tính và định lượng.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến quá trình truyền nhiệt trong lò quay sản xuất xi măng để xác định các thông số vận hành hợp lý nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm tiêu hao nhiên liệu cho lò.
- Nghiên cứu lý thuyết Nhiệm vụ của nghiên cứu lý thuyết là xây dựng mô hình toán học mô tả các quá trình trao đổi nhiệt giữa các thành phần tham gia trao đổi nhiệt (khí, tường lò và vật nung) trong lò quay xi măng có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa.
- Trao đổi nhiệt trong lò quay là quá trình rất phức tạp và chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như: đặc tính bức xạ của môi trường khí (đặc biệt là ngọn lửa), tường lò và 6 vùng khí hồi lưu.
- Phân tích các yếu tố ảnh hưởng này đến quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng là điều cần thiết để thiết lập các giả thiết đơn giản hóa khi xây dựng mô hình toán học.
- Bằng cách xây dựng hai mô hình bức xạ: mô hình thứ nhất coi khí trong lò quay là khí thực.
- mô hình thứ hai coi khí trong lò quay là vật xám, Gorog [55] đã tính toán và đi đến kết luận rằng: Nếu độ đen của tường lò và vật nung hớn hơn hoặc bằng 0,8 thì giả thiết khí là vật xám khi tính toán trao đổi nhiệt bức xạ có sai số nhỏ và có thể áp dụng để nghiên cứu quá trình truyền nhiệt trong các lò quay.
- Trên cơ sở phân tích mô hình tính toán lượng nhiệt vật nung nhận được từ phía mặt thoáng của Gorog [55], chúng tôi cho rằng: có thể xem nhiệt độ tường lò là giá trị nhiệt độ trung bình của một vòng quay khi nghiên cứu quá trình truyền nhiệt trong lò quay mà không gặp phải sai số lớn.
- Trong công trình này, do tính đặc thù của lò quay xi măng nên chúng tôi sử dụng phương pháp đo không tiếp xúc.
- Đây là phương pháp đo được sử dụng rất phổ biến trong các lò quay xi măng.
- Mô hình toán học nghiên cứu quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa được xây dựng trên cơ sở phương pháp tương tự nhiệt - điện kết hợp với các phương trình cân bằng năng lượng viết cho các thành phần tham gia trao đổi nhiệt trong lò là giải pháp phù hợp nhất.
- Nhiệt độ tường lò quay xi măng biến thiên tuần hoàn sau từng vòng quay.
- Tuy nhiên, do biến thiên nhiệt độ lớn nhất của tường lò không vượt quá 100 K nên có thể xem nhiệt độ tường lò là giá trị nhiệt độ trung bình trong một vòng quay khi nghiên cứu các quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng.
- Độ chính xác của mô hình lý thuyết được đánh giá trên cơ sở các kết quả đo biến thiên nhiệt độ vỏ lò quay xi măng đang hoạt động và các thông số nhiệt độ tại một số vị trí đặc trưng trong lò.
- Các vùng truyền nhiệt trong lò quay xi măng Khi nghiên cứu về truyền nhiệt, lò quay được chia theo chiều dài làm hai vùng đặc trưng: vùng có ngọn lửa và vùng không có ngọn lửa.
- Để xây dựng 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 của ngọn lửa, chúng tôi tiến hành xây dựng hai mô hình toán học.
- Mô hình toán học mô tả các quá trình truyền nhiệt trong vùng có ngọn lửa.
- Mô hình toán học mô tả các quá trình truyền nhiệt trong vùng không có ngọn lửa.
- Xác định vùng có ngọn lửa trong lò quay xi măng 3.2.1.
- Sự hình thành ngọn lửa than phun trong lò quay xi măng Quá trình hình thành ngọn lửa khi cháy bột than bao gồm 3 giai đoạn chính sau: thoát chất bốc, cháy chất bốc (giai đoạn bắt lửa), cháy cốc và tạo xỉ [15].
- Vì lý do đó, trong luận án này chúng tôi lựa chọn công thức tính toán của Ruhland để xác định chiều dài ngọn lửa lửa than phun trong lò quay xi măng.
- Mô hình toán học nghiên cứu 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 3.4.1.
- Mô hình toán học trong vùng có ngọn lửa 3.4.1.1.
- Các giả thiết khi xây dựng mô hình Để xây dựng mô hình toán học mô tả các quá trình truyền nhiệt trong vùng có ngọn lửa của lò quay cần có các giả thiết sau.
- Các quá trình truyền nhiệt trong lò quay là ổn định - Ngọn lửa, tường lò, vật nung là vật xám và có độ đen không đổi (mục 1.4.1.1.
- Mô hình truyền nhiệt trong vùng có ngọn lửa Hình 3.3.
- Hệ phương trình (3.19) chính là mô hình toán học mô tả các quá trình truyền nhiệt trong vùng có ngọn lửa của lò quay.
- Kết quả tính toán đều cho rằng, hệ số tỏa nhiệt đối lưu giữa khí và tường lò trong các lò quay xi măng thực tế dao động trong phạm vi từ 10 ÷ 30 W/m2.K.
- Kirslis [71] đã tính toán hệ số truyền nhiệt của tường lò khi tiếp xúc với vật nung đối với các loại lò quay xi măng có kích thước khác nhau, kết quả tính toán đều xác định được hệ số truyền nhiệt này dao động trong khoảng từ 50 ÷ 100 W/m2.K.
- Phương pháp xác định hệ số góc bức xạ Hệ số góc bức xạ của các vật tham gia trao đổi nhiệt trong vùng có ngọn lửa của lò quay xi măng: fw fs1.
- Mô hình toán học trong vùng không có ngọn lửa 3.4.2.1.
- Các quá trình truyền nhiệt trong lò quay là ổn định - Khí, tường lò, vật nung là vật xám và có độ đen không đổi (mục 1.4.1.1.
- Mô hình truyền nhiệt trong vùng không có ngọn lửa 13 Hình 3.9.
- Hệ phương trình (3.53) chính là mô hình toán học mô tả các quá trình truyền nhiệt trong vùng không có ngọn lửa của lò quay xi măng.
- Mô phỏng số CFD quá trình cháy than phun trong lò quay xi măng 3.5.1.
- Mô hình hình học của bài toán Lò quay xi măng được mô hình hóa theo tỷ lệ 1:1 với chiều dài lò 78 m, đường kính trong 4 m.
- Chia lưới mô hình Mô hình lò quay xi măng được chia lưới trong ANSYS MESHING sử dụng phương pháp Sweep Mesh.
- Mô hình mô phỏng quá trình cháy than phun trong lò quay xi măng 3.5.2.1.
- Kết luận chƣơng 3 Từ các kết 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 ngọn lửa đã được xây dựng từ hai mô hình toán học: mô hình thứ nhất mô tả các quá trình truyền nhiệt trong vùng có ngọn lửa.
- mô hình thứ hai mô tả các quá trình truyền nhiệt trong vùng không có ngọn lửa.
- Đã nghiên cứu quá trình cháy than phun trong lò quay xi măng bằng phương pháp mô phỏng số CFD trên cơ sở lựa chọn ba mô hình: mô hình dòng chảy rối k.
- Đối tƣợng tính toán Về nguyên tắc, mô hình toán học đã xây dựng có thể được ứng dụng để tính toán cho tất cả các loại lò quay xi măng khác nhau.
- 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 Với các đại lượng đặc trưng của quá trình cháy than phun đã tính được, áp dụng công thức (3.5) xác định được chiều dài ngọn lửa than phun trong lò quay xi măng Bút Sơn là 19,23 m.
- Nhưng có thể khẳng định trước rằng, với các kết quả nghiên cứu của nhóm tác giả trên, thì kết quả tính toán chiều dài ngọn lửa than phun trong lò quay xi măng Bút Sơn là đáng tin cậy.
- Kết quả này phù hợp với quy luật biến thiên nhiệt độ của các thành phần tham gia trao đổi nhiệt trong các lò quay thực tế, điều này có được là do trong mô hình toán học đã xây dựng có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa.
- Mô hình toán học được xây dựng bởi hai mô hình truyền nhiệt độc lập: mô hình trong vùng có ngọn lửa và mô hình trong vùng không có ngọn lửa đã phản ánh được bản chất của các quá trình truyền nhiệt trong các lò quay xi măng.
- Biến thiên nhiệt độ vỏ lò theo chiều dài giữa lý thuyết và thực nghiệm 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 so với các mô hình truyền nhiệt không xét đến vấn đề này.
- Như vậy, mô hình toán học có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa đã mô tả không chỉ định tính sự phân bố nhiệt độ của các thành phần tham gia trao đổi nhiệt trong lò quay (thể hiện trên hình 5.2) mà còn xác định được định lượng sự phân bố này.
- Ngoài ra, mô hình còn cho phép nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến quá trình truyền nhiệt trong lò quay.
- Đƣờng cong cháy kiệt Kết quả giải mô hình toán học trong vùng có ngọn lửa với các thông số vận hành của lò quay xi măng Bút Sơn đã xác định được hệ số cháy kiệt tại từng vị trí dọc theo chiều dài ngọn lửa và được thể hiện trên đồ thị hình 5.4.
- Kết quả này cho thấy vai trò rất lớn của tường lò trong các quá trình truyền nhiệt của lò quay đặc biệt là trao đổi nhiệt bằng bức xạ.
- Kết quả này cho thấy, vai trò rất lớn của quá trình trao đổi nhiệt trong vùng có ngọn lửa của lò quay.
- Có hai yếu tố vận hành rất cơ bản và cũng là đặc trưng ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt xảy ra bên trong lò quay xi măng là: mức điền đầy và tốc độ quay của lò.
- Kết quả nghiên cứu mô phỏng số CFD quá trình cháy than phun trong lò quay xi măng Các kết quả nghiên cứu, thể hiện trên các đồ thị từ hình 5.14 đến hình 5.17.
- tường lò đóng vai trò rất lớn trong quá trình truyền nhiệt của các lò quay xi măng thể hiện thông qua lượng nhiệt mà tường lò truyền cho vật nung, theo đó lượng nhiệt tường lò truyền cho vật nung chiếm 41,8% tổng lượng nhiệt vật nung nhận được.
- Đây chính là một trong những đặc trưng của truyền nhiệt trong các lò quay.
- Kết quả này khẳng định vai trò rất lớn của truyền nhiệt trong vùng có ngọn lửa của lò quay.
- Mô hình toán học đã được xây dựng dựa trên phương pháp tương tự nhiệt - điện kết hợp với các phương trình cân bằng năng lượng có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa cho phép xác định sự phân bố nhiệt độ của ba thành phần tham gia trao đổi nhiệt trong lò quay là khí, tường lò và vật nung với độ chính xác được kiểm chứng từ thực nghiệm thu được từ lò quay đang vận hành.
- Trong lò quay xi măng, sự biến thiên nhiệt độ của các thành phần tham gia trao đổi nhiệt trong vùng có ngọn lửa lớn hơn nhiều so với vùng không có ngọn lửa.
- Điều này khẳng 24 định vai trò rất lớn của trao đổi nhiệt trong vùng có ngọn lửa của lò quay.
- Vai trò chủ đạo của phương thức truyền nhiệt bằng bức xạ trong lò quay thể hiện thông qua tỷ lệ riêng phần lượng nhiệt vật nung nhận được.
- Đã xây dựng một phương pháp luận thiết lập các thông số vận hành hợp lý cho các lò quay xi măng khác nhau trên cơ sở mô hình toán học đã xây dựng.
- 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.
- Đã xác định được tỷ lệ riêng phần lượng nhiệt vật nung nhận được từ các phương thức trao đổi nhiệt khác nhau và tỷ lệ riêng phần lượng nhiệt vật nung nhận được ở hai vùng lò đặc trưng trong lò quay xi măng: vùng có ngọn lửa và vùng không có ngọn lửa.
- 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.
- 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.
- Nguyễn Đăng Khoát (2012) Xác định chiều dài ngọn lửa than phun trong lò quay xi măng bằng phương pháp Ruhland.
- Nguyễn Đăng Khoát (2013) Nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt khi vật liệu tiếp xúc với tường lò quay xi măng.
- Trần Gia Mỹ, Nguyễn Đăng Khoát (2013) Nghiên cứu xác định tổn thất nhiệt của tường lò quay xi măng ra môi trường xung quanh.
- Trần Gia Mỹ, Nguyễn Đăng Khoát (2014) Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt không cân bằng từ ngọn lửa than phun trong lò quay xi măng.
- Trần Gia Mỹ, Nguyễn Đăng Khoát (2015) Mô hình truyền nhiệt trong lò quay xi măng có kể đến ảnh hưởng của sự không cân bằng trường nhiệt độ

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt