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

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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT HÀ NỘI 2016BỘ 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. TRẦN GIA MỸ 2. GS. TSKH. ĐẶNG QUỐC PHÖ HÀ NỘI 2016i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết quả trong luận án là trung thực và chưa có ai công bố trong bất kỳ công trình nào. Hà Nội, ngày 18 tháng 4 năm 2016 TM. Tập thể hướng dẫn khoa học PGS. TS. TRẦN GIA MỸ Tác giả luận án NGUYỄN ĐĂNG KHOÁTii LỜI CẢM ƠN Luận án tiến sĩ với 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 đã được hoàn thành trong thời gian từ tháng 10 năm 2009 đến tháng 10 năm 2015 tại Trung tâm nghiên cứu ứng dụng, Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt Lạnh, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến hai Thầy hướng dẫn khoa học, PGS. TS. Trần Gia Mỹ và GS. TSKH. Đặng Quốc Phú đã dành nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn, định hướng nghiên cứu giúp tác giả hoàn thành luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt Lạnh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tác giả xin trân trọng cảm ơn các Thầy giáo, Cô giáo trong Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt Lạnh đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo cũng như những góp ý rất quý báu trong quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn các đồng nghiệp trong Bộ môn Kỹ thuật Nhiệt, Ban chủ nhiệm Khoa Cơ khí, Ban Giám hiệu Trường Đại học Giao thông Vận tải đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả tập trung nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo nhà máy xi măng Bút Sơn, Hà Nam đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tác giả được tiếp cận, thu thập số liệu thực tế cũng như tiến hành đo đạc các thông số cần thiết phục vụ quá trình nghiên cứu đề tài. Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn vô hạn đến gia đình và người thân đã luôn ở bên tác giả những lúc khó khăn nhất để khuyến khích, động viên và tạo điều kiện về mọi mặt giúp tác giả hoàn thành bản luận án này. Hà Nội, ngày 18 tháng 4 năm 2016 Tác giả luận án NGUYỄN ĐĂNG KHOÁTiii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN……………………………………………………………………... i LỜI CẢM ƠN…………………………………………………………………………. ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT…………………………………. vii DANH MỤC CÁC BẢNG……………………………………………………………. xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ……………………………………………… xii MỞ ĐẦU……………………………………………………………………………… 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN NHIỆT TRONG LÕ QUAY XI MĂNG…………………………………………………………………………….. 4 1.1. Tổng quan về công nghệ sản xuất xi măng……………………………………….. 4 1.2. Lò quay xi măng và các đặc trưng cơ bản………………………………………... 7 1.3. Nhiên liệu và các yêu cầu về nhiên liệu cho lò quay xi măng……………………. 9 1.4. Tổng quan các kết quả nghiên cứu về truyền nhiệt trong lò quay xi măng………. 10 1.4.1. Các kết quả nghiên cứu ở nước ngoài………………………………...……….. 10 1.4.1.1. Các quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng……………………………. 10 1.4.1.2. Các mô hình truyền nhiệt bức xạ trong lò quay xi măng……………………... 20 1.4.2. Các kết quả nghiên cứu ở Việt Nam…………………………………………... 29 1.5. Một số vấn đề tồn tại và nội dung nghiên cứu của luận án……………………….. 32 1.6. Kết luận chương 1………………………………………………………………… 33 CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU……………..…….………………. 35 2.1. Phương pháp nghiên cứu…………………………………………………………. 35 2.1.1. Nghiên cứu lý thuyết. ………………………………...………………………… 35 2.1.1.1. Ảnh hưởng đặc tính bức xạ của môi trường khí trong lò quay xi măng……… 37 2.1.1.2. Ảnh hưởng của tường lò quay………………………………………………... 40 2.1.1.3. Ảnh hưởng của vùng khí hồi lưu……………………………………………... 42iv 2.1.2. Nghiên cứu thực nghiệm………………………………………………………... 43 2.1.3. Nghiên cứu mô phỏng bằng phương pháp số CFD…………………………….. 44 2.2. Kết luận chương 2………………………………………………………………… 46 CHƢƠNG 3. 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………………………………………………... 47 3.1. Các vùng truyền nhiệt trong lò quay xi măng…………………………………….. 47 3.2. Xác định vùng có ngọn lửa trong lò quay xi măng……………………………….. 48 3.2.1. Sự hình thành ngọn lửa than phun trong lò quay xi măng……………………… 48 3.2.2. Chiều dài ngọn lửa than phun trong lò quay xi măng…………………………... 53 3.3. Hệ số cháy kiệt……………………………………………………………………. 55 3.4. 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 …………………….. 55 3.4.1. Mô hình toán học trong vùng có ngọn lửa……………………………………… 55 3.4.1.1. Các giả thiết khi xây dựng mô hình…………………………………………... 55 3.4.1.2. Mô hình toán học……………………………………………………………... 56 3.4.1.3. Phương pháp giải mô hình toán học………………………………………….. 60 3.4.1.4. Phương pháp xác định các hệ số trao đổi nhiệt……………………………… 62 3.4.1.5. Phương pháp xác định hệ số góc bức xạ……………………………………… 69 3.4.2. Mô hình toán học trong vùng không có ngọn lửa………………………………. 71 3.4.2.1. Các giả thiết khi xây dựng mô hình………………………………………….. 72 3.4.2.2. Mô hình toán học……………………………………………………………... 72 3.5. Mô phỏng số CFD quá trình cháy than phun trong lò quay xi măng………...…... 75 3.5.1. Mô hình hình học của bài toán và chia lưới mô hình…………………………... 75 3.5.1.1. Mô hình hình học của bài toán……………………………………………….. 75 3.5.1.2. Chia lưới mô hình…...………………………………………………………... 76v 3.5.2. Mô hình mô phỏng quá trình cháy than phun trong lò quay xi măng…………... 77 3.5.2.1. Các phương trình chủ đạo trong mô phỏng bằng phương pháp số CFD……... 77 3.5.2.2. Mô hình toán học mô phỏng quá trình cháy than phun………………………. 78 3.5.3. Điều kiện ban đầu……………..………………………………………………... 81 3.6. Kết luận chương 3………………………………………………………………… 81 CHƢƠNG 4. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ VỎ LÕ QUAY XI MĂNG…………………………………………………………………………….. 82 4.1. Thiết bị thực nghiệm và thiết bị đo……………………………………………….. 82 4.2. Bố trí thiết bị đo…………………………………………………………………... 85 4.3. Phương pháp tiến hành thực nghiệm………….………………………………….. 86 4.4. Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm…………………………………………. 87 4.5. Kết quả đo………………………………………………………………………… 88 4.6. Kết luận chương 4………………………………………………………………… 91 CHƢƠNG 5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN……………………… 92 5.1. Đối tượng tính toán……………………………………………………………….. 92 5.2. Kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm 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.. 94 5.2.1. Xác định vùng ngọn lửa trong lò quay xi măng………………………………... 94 5.2.2. Phân bố nhiệt độ của khí, tường lò và vật nung………………………………… 95 5.2.3. Đường cong cháy kiệt…………………………………………………………... 100 5.2.4. Lượng nhiệt vật nung nhận được……………………………………………….. 100 5.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng…………………………………………………………………………... 103 5.3.1. Ảnh hưởng của mức điền đầy…………………………………………………... 104 5.3.2. Ảnh hưởng chuyển động quay của lò…………………………………………... 108vi 5.4. Kết quả nghiên cứu mô phỏng số CFD quá trình cháy than phun trong lò quay xi măng…………………………………………………………………………………… 110 5.5. Kết luận chương 5………………………………………………………………… 112 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……………………………………………………….. 114 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN…………….. 117 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………… 118 PHỤ LỤC A. Một số công thức tính toán để giải mô hình toán học…………………. 126 PHỤ LỤC B. Chương trình thực hiện mô phỏng số CFD quá trình cháy than phun trong lò quay xi măng…………………………………………………………………. 127 PHỤ LỤC 1. Kết quả giải mô hình toán học với điều kiện vận hành của lò quay xi măng Bút Sơn: G = 166660 kgh, n = 3 vph,  = 12%, ta = 350C, tnl = 800C………... 134 PHỤ LỤC 2. Kết quả tính toán phân bố nhiệt độ của vật nung và lượng nhiệt vật nung nhận được khi mức điền đầy thay đổi  = 13%,  = 13,2% và giữ các thông số còn lại không đổi: n = 3 vph, ta = 350C, tnl = 800C…………………………………… 148 PHỤ LỤC 3. Kết quả tính toán phân bố nhiệt độ của vật nung và lượng nhiệt vật nung nhận được khi mức điền đầy thay đổi  = 12,1%,  = 12,2% và giữ các thông số còn lại không đổi: n = 3 vph, ta = 350C, tnl = 800C……………………………….. 155 PHỤ LỤC 4. Kết quả tính toán phân bố nhiệt độ của vật nung và lượng nhiệt vật nung nhận được khi tốc độ quay của lò thay đổi n = 2,7 ‚ 3,1 vph và giữ các thông số còn lại không đổi: G = 166660 kgh, ta = 350C, tnl = 800C…………………………. 162vii Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt Ký hiệu Chữ viết tắt Tên gọi Đơn vị đo a Hệ số dẫn nhiệt độ m2s A Hệ số hấp thụ Di Đường kính trong của lò m Do Đường kính ngoài của lò m L Chiều dài lò m Ri Bán kính trong của lò m Ro Bán kính ngoài của lò m Rw Hệ số phản xạ của tường lò Rs Hệ số phản xạ của vật nung Lm Chiều dài trung bình của tia bức xạ m F Diện tích m2 V Thể tích m3 m g Lưu lượng khối lượng của khí kgs Ki Hệ số làm yếu tia bức xạ p Phân áp suất của chất khí atm G Năng suất lò kgh K Hệ số truyền nhiệt Wm2.K Ji Mật độ dòng bức xạ hiệu dụng của bề mặt i Wm2 Ei Năng suất bức xạ của bề mặt i Wm2 Et, i Mật độ dòng bức xạ tới trên bề mặt i Wm2 Eo Năng suất bức xạ của vật đen tuyệt đối Wm2 Q Dòng nhiệt kW q Mật độ dòng nhiệt kWm2viii mo Lưu lượng khối lượng hỗn hợp không khí và nhiên liệu kgs mr Lưu lượng khối lượng của khí hồi lưu kgs ms Lưu lượng khối lượng của vật nung kgs do Đường kính miệng vòi phun m c p Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp của sản phẩm cháy kJkg.K c ps Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp của vật nung kJkg.K Lf Chiều dài ngọn lửa m n Tốc độ quay của lò vph x Khoảng cách tính từ miệng vòi phun m v g Tốc độ chuyển động của dòng khí ms Hu Nhiệt trị thấp của nhiên liệu kJkg De Kích thước xác định m t Nhiệt độ bách phân oC T Nhiệt độ tuyệt đối K i Entanpi kJkg z Chiều dày của phần tử tính toán m ReD Trị số Reynolds theo phương dọc trục Re Trị số Reynolds theo góc quay Nu Tiêu chuẩn Nusselt Pr Tiêu chuẩn Prandtl Gr Tiêu chuẩn Grashof Ký tự Hy Lạp  Hệ số tỏa nhiệt đối lưu Wm2.Kix  Hệ số dẫn nhiệt Wm.K (Lm) Hệ số xuyên qua  Độ đen o Hằng số bức xạ của vật đen tuyệt đối Wm2.K4  Chiều dài trung bình bước sóng của phổ năng lượng m  Hệ số góc bức xạ  Tốc độ quay của lò rads L Một nửa góc chắn bởi cung tròn chứa vật nung rad  Góc chắn bởi cung tròn chứa vật nung rad  Góc quay của lò rad β Góc nghiêng của lò độ  Thời gian s  Chiều dày tường lò m  Hệ số cháy kiệt  Biến thiên hệ số cháy kiệt a Khối lượng riêng của không khí đi vào vòi phun kgm3 o Khối lượng riêng của hỗn hợp không khí và nhiên liệu kgm3  Độ nhớt động lực N.sm2  Mức điền đầy của vật nung % Chỉ số trên, dƣới Ý nghĩa a Môi trường không khí sh Vỏ lò f Ngọn lửax g Khí lò w Tường lò s Vật nung o Thông số ban đầu pl Dòng không khí cấp 1 sa Dòng không khí cấp 2 nl Dòng nhiên liệu e Dòng sơ cấp bx Bức xạ đl Đối lưu đn Đốt nóng ln Làm nguội z Vị trí z z + z Vị trí z + z Các chữ viết tắt Ý nghĩa SPC Sản phẩm cháy KK1 Không khí cấp 1 KK2 Không khí cấp 2 NL Nhiên liệu VN Vật nung TĐN Trao đổi nhiệt CFD Tính toán động lực học dòng chảyxi Danh mục các bảng Bảng 1.1. Nhiệt độ và nhiệt phản ứng của các vùng trong lò quay xi măng.................... 7 Bảng 1.2. Chiều dài bước sóng quan trọng đối với đặc tính bức xạ của khí CO2 và H2O................................................................................................................................... 12 Bảng 1.3. Công thức xác định hệ số truyền nhiệt giữa tường lò và vật nung khi chúng tiếp xúc với nhau............................................................................................................... 19 Bảng 3.1. Các nhiệt trở và hệ số trao đổi nhiệt của mô hình trong vùng có ngọn lửa..... 59 Bảng 3.2. Các nhiệt trở và hệ số trao đổi nhiệt của mô hình trong vùng không có ngọn lửa..................................................................................................................................... 74 Bảng 3.3. Các hằng số hiệu chỉnh trong mô hình dòng chảy rối k ............................. 78 Bảng 4.1. Các thông số cơ bản của lò quay xi măng Bút Sơn......................................... 82 Bảng 4.2. Các thông số làm việc của thiết bị đo TMC8 HT.......................................... 84 Bảng 4.3. Kết quả đo biến thiên nhiệt độ vỏ lò dọc theo chiều dài.................................. 89 Bảng 4.4. Nhiệt độ của lò tại một số vị trí đặc trưng....................................................... 90 Bảng 5.1. Các thông số tính toán của lò quay xi măng Bút Sơn...................................... 92 Bảng 5.2. Thành phần sử dụng của than cám sau khi sấy, % khối lượng……………… 93 Bảng 5.3. Kết quả tính toán cháy than phun trong lò quay xi măng Bút Sơn………….. 94 Bảng 5.4. Thông số đặc trưng của quá trình trao đổi nhiệt trong lò quay xi măng Bút Sơn……………………………………………………………………………………… 96 Bảng 5.5. Kết quả tính toán và thực tế…………………………………………………. 98xii Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 1.1. Quy trình công nghệ sản xuất xi măng........................................................... 5 Hình 1.2. Hệ thống thiết bị sản xuất xi măng................................................................. 6 Hình 1.3. Các vùng phản ứng trong lò quay xi măng.................................................... 7 Hình 1.4. Các quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng.......................................... 11 Hình 1.5. Độ đen của khí CO2........................................................................................ 13 Hình 1.6. Độ đen của hơi nước (H2O) và hệ số hiệu chỉnh β......................................... 14 Hình 1.7. Độ hiệu chỉnh ............................................................................................ 15 Hình 1.8. Phân bố nhiệt độ của khí và vật nung dọc theo chiều dài lò.......................... 21 Hình 1.9. Sơ đồ mạch điện của phương pháp tương tự nhiệt điện.............................. 28 Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc nghiên cứu lý thuyết quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng khi xét tới ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa .............. 36 Hình 2.2.Các quá trình bức xạ và hấp thụ nhiệt trong lò quay xi măng xét cho các tia nhiệt xuất phát từ bề mặt thoáng của vật nung............................................................... 37 Hình 2.3. Các quá trình bức xạ và hấp thụ nhiệt trong lò quay xi măng xét cho các tia nhiệt bức xạ từ khí lò................................................................................................. 38 Hình 2.4. Biến thiên nhiệt độ bề mặt bên trong của tường lò theo góc quay (theo thời gian)................................................................................................................................ 40 Hình 2.5. Mô hình xác định nhiệt lượng vật nung nhận được từ phía mặt thoáng........ 41 Hình 2.6. Vùng khí hồi lưu trong lò quay xi măng........................................................ 42 Hình 2.7. Sơ đồ cấu trúc mô phỏng quá trình cháy than phun bằng phương pháp CFD................................................................................................................................. 44 Hình 3.1. Các dòng nhiệt của các vùng trong lò quay xi măng..................................... 47 Hình 3.2. Mô hình truyền nhiệt trong vùng có ngọn lửa................................................ 56 Hình 3.3. Mô hình tương tự nhiệt điện trong vùng có ngọn lửa.................................. 58 Hình 3.4. Sơ đồ thuật toán giải mô hình toán học bằng phương pháp Newton Raphson.......................................................................................................................... 61xiii Hình 3.5. Hệ số góc bức xạ của hai vật đặt bất kỳ trong không gian............................. 69 Hình 3.6. Các thành phần tham gia trao đổi nhiệt trong vùng có ngọn lửa................... 70 Hình 3.7. Quá trình truyền nhiệt giữa tường lò và vật nung phía mặt thoáng............... 71 Hình 3.8. Mô hình truyền nhiệt trong vùng không có ngọn lửa..................................... 72 Hình 3.9. Mô hình tương tự nhiệt điện trong vùng không có ngọn lửa....................... 73 Hình 3.10. Mô hình hình học lò quay xi măng.............................................................. 76 Hình 3.11. Mô hình vòi phun……………………………………………………......... 76 Hình 3.12. Chia lưới mô hình theo phương pháp Sweep Mesh………………………. 76 Hình 4.1. Lò quay xi măng Bút Sơn………………………………………………….. 82 Hình 4.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống giám sát nhiệt độ lò…………. 83 Hình 4.3. Phương pháp xác định vị trí thiết bị nhận tín hiệu nhiệt độ vỏ lò.................. 85 Hình 4.4. Bố trí thiết bị nhận tín hiệu nhiệt độ vỏ lò..................................................... 85 Hình 4.5. Vị trí lấy số liệu nhiệt độ vỏ lò…………....................................................... 88 Hình 4.6. Các thông số vận hành của lò………………………………......................... 90 Hình 5.1. Vòi phun đa kênh dạng tròn đốt than antraxit................................................ 93 Hình 5.2. Phân bố nhiệt độ của khí, tường lò, vật nung và vỏ lò theo chiều dài........... 97 Hình 5.3. Biến thiên nhiệt độ vỏ lò theo chiều dài giữa lý thuyết và thực nghiệm…… 98 Hình 5.4. Đường cong cháy kiệt.................................................................................... 100 Hình 5.5. Lượng nhiệt vật nung nhận được bằng bức xạ và đối lưu từ phía mặt thoáng.............................................................................................................................. 101 Hình 5.6. Lượng nhiệt vật nung nhận được từ tường lò................................................ 102 Hình 5.7. Ảnh hưởng của mức điền đầy đến lượng nhiệt vật nung nhận được............. 105 Hình 5.8. Ảnh hưởng của mức điền đầy đến tổn thất nhiệt qua vỏ lò............................ 105 Hình 5.9. Ảnh hưởng của mức điền đầy đến phân bố nhiệt độ của vật nung………… 105 Hình 5.10. Ảnh hưởng của mức điền đầy đến phân bố nhiệt độ của vật nung trong phạm vi từ 12 ‚ 12,1%................................................................................................... 107xiv Hình 5.11. Ảnh hưởng của mức điền đầy đến lượng nhiệt vật nung nhận được trong phạm vi từ 12 ‚ 12,1%................................................................................................... 107 Hình 5.12. Ảnh hưởng của chuyển động quay đến phân bố nhiệt độ của vật nung…... 109 Hình 5.13. Ảnh hưởng của chuyển động quay đến lượng nhiệt vật nung nhận được… 109 Hình 5.14. Phân bố nhiệt độ của khí dọc theo chiều dài lò…………………………… 110 Hình 5.15. Phân bố nhiệt độ của tường dọc theo chiều dài lò……………………… 110 Hình 5.16. Phân bố nhiệt độ của vật nung dọc theo chiều dài lò…………………… 111 Hình 5.17. Phân bố nhiệt độ vỏ lò dọc theo chiều dài lò…………………………… 1111 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Xi măng là vật liệu cơ bản không thể thiếu trong tất cả các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp. Nhu cầu tiêu thụ xi măng trên thế giới cũng như ở Việt Nam không ngừng tăng. Để đáp ứng nhu cầu này, không những cần tăng số lượng các nhà máy mà còn phải hoàn thiện công nghệ và thiết bị. Trải qua nhiều giai đoạn phát triển, công nghệ sản xuất xi măng bằng lò đứng đã được thay thế bởi công nghệ sản xuất xi măng bằng lò quay theo phương pháp ướt rồi đến ngày nay là công nghệ sản xuất xi măng bằng lò quay theo phương pháp khô có khả năng tự động hóa hoàn toàn, tiêu tốn ít năng lượng, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và cho chất lượng xi măng rất cao. Trong công nghệ sản xuất xi măng, chất lượng sản phẩm cũng như mức độ tiết kiệm năng lượng được quyết định chủ yếu bởi các quá trình trao đổi nhiệt hay chế độ gia nhiệt cho lò. Bởi vậy, nghiên cứu các quá trình trao đổi nhiệt trong lò quay sẽ góp phần làm giảm tiêu hao nhiên liệu, nâng cao chất lượng sản phẩm và qua đó tác động rất lớn tới việc giảm giá thành sản phẩm. Do đó, đây là lĩnh vực nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn. 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; các quá trình này chồng chéo và ảnh hưởng lẫn nhau. 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 đặc trưng riêng này thể hiện ở cả quá trình truyền nhiệt bên trong lò lẫn bên ngoài lò. Do tầm quan trọng cũng như tính đặc thù của các quá trình truyền nhiệt trong lò quay nên đã có hàng loạt các công trình nghiên cứu về truyền nhiệt trong lò quay mà trọng tâm là xây dựng các mô hình toán học ngày càng hoàn thiện hơn để mô tả một cách đầy đủ và chi tiết các quá trình truyền nhiệt thực tế xảy ra trong lò, nhưng sự phức tạp và đa dạng của chúng khiến cho vẫn còn nhiều vấn đề chưa được giải quyết thỏa đáng. 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). Sự xuất hiện của vùng ngọn lửa2 không chỉ ảnh hưởng đến toàn bộ quá trình truyền nhiệt trong lò mà còn là vùng có ảnh hưởng quyết định đến chất lượng xi măng. 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. 2. 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 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. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Các lò công nghiệp có chung một nhiệm vụ là tạo ra một môi trường thích hợp để thực hiện quá trình gia nhiệt cho vật nung trong một quá trình công nghệ nào đó. Sự đa dạng của các quá trình công nghệ nhiệt làm cho chủng loại của các lò công nghiệp rất phong phú. Trong số đó phải kể đến các loại lò quay, đây là một trong những loại lò công nghiệp được ứng dụng rất phổ biến hiện nay, trong nhiều lĩnh vực công nghệ khác nhau như công nghiệp xử lý chất thải, công nghiệp hóa chất, công nghiệp nung luyện vật liệu và đặc biệt là trong công nghiệp sản xuất xi măng. Ngày nay, hầu hết lượng xi măng đồ sộ mà loài người tiêu thụ hàng năm được sản xuất bởi các lò quay. Đối tượng nghiên cứu là lò quay sản xuất xi măng theo phương pháp khô được chúng tôi lựa chọn để nghiên cứu bởi đây không chỉ là thiết bị có tính phổ biến và tầm quan trọng trong công nghiệp sản xuất xi măng hiện nay mà còn bởi những quá trình truyền nhiệt rất đặc trưng xảy ra trong lò. Chất lượng clinker và khả năng tiết kiệm năng lượng trong quá trình sản xuất xi măng được quyết định chủ yếu bởi chế độ nhiệt của lò. Vì vậy, trong luận án này chúng tôi xác định: Phạm vi nghiên cứu là các quá trình truyền nhiệt trong lò quay. Cũng cần lưu ý rằng, các kết quả tính toán cho đối tượng cụ thể được đề cập trong luận án là các lò quay đốt than phun cũng chỉ bởi đây là loại nhiên liệu được sử dụng phổ biến3 nhất trong các lò quay sản xuất xi măng hiện nay, chứ không có nghĩa là phạm vi nghiên cứu chỉ giới hạn ở các loại lò sử dụng nhiên liệu này. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Luận án được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm trên cơ sở các số liệu đo đạc thực tế và mô phỏng bằng phương pháp số CFD. 5. 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. Về mặt thực tiễn, kết quả nghiên cứu của luận án không chỉ làm cơ sở cho thiết kế các lò quay xi măng mà còn góp phần xây dựng một phương pháp luận để thiết lập các thông số vận hành tối ưu cho lò.4 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN NHIỆT TRONG LÕ QUAY XI MĂNG Trên cơ sở hiểu biết về công nghệ và thiết bị sản xuất xi măng mới có thể phân tích, đánh giá các quá trình truyền nhiệt trong lò nung clinker một cách khoa học và chính xác. Phân tích tổng quan những thành tựu nghiên cứu về truyền nhiệt trong lò quay để từ đó làm cơ sở xác định mục tiêu và nhiệm vụ của luận án là nội dung chính được giải quyết trong chương này. 1.1. Tổng quan về công nghệ sản xuất xi măng Xi măng là sản phẩm của hỗn hợp nghiền mịn bao gồm clinker, thạch cao và chất phụ gia công nghệ. Xi măng là vật liệu quan trọng nhất trong xây dựng các công trình dân dụng và công nghiệp, đây là loại vật liệu có tính năng đặc biệt so với các loại vật liệu khác. Tại Việt Nam, xi măng là một trong những ngành công nghiệp được hình thành sớm nhất. Nhà máy sản xuất xi măng đầu tiên của Việt Nam được xây dựng ở Hải Phòng vào năm 1889 và đến nay đã có hàng trăm công ty, đơn vị tham gia trực tiếp vào sản xuất và phục vụ sản xuất xi măng trong cả nước. Theo Võ Đình Lương 31, công nghệ sản xuất xi măng được chia làm ba công đoạn chính, thể hiện trên hình 1.1. Trong số các công đoạn này, quá trình nung để tạo ra clinker là công đoạn quan trọng nhất trong quy trình công nghệ sản xuất xi măng. Bởi vậy, luận án tập trung nghiên cứu các quá trình truyền nhiệt trong công đoạn này. Nguyên liệu dùng trong sản xuất xi măng là đá vôi, đất sét và các chất phụ gia công nghệ. Trong đó, đá vôi là nguyên liệu chủ yếu. Theo Hoàng Văn Phong 8, đá vôi dùng làm nguyên liệu sản xuất xi măng Portland phải đảm bảo yêu cầu về hàm lượng các chất, cụ thể: CaCO3 > 85% và MgCO3 < 5%; đất sét là thành phần nguyên liệu đứng thứ hai sau đá vôi, hỗn hợp nguyên liệu đất sét dùng để sản xuất xi măng phải đảm bảo hàm lượng các ôxít: SiO2 = 55  70%, Al2O3 = 10  24%, K2O + Na2O  3%. Ngoài hai thành phần chính là đá vôi và đất sét, trong công nghệ sản xuất xi măng còn có các chất phụ gia công nghệ. Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, ngành công nghiệp sản xuất xi măng cũng không ngừng phát triển. Từ công nghệ sản xuất xi măng bằng lò đứng đến công nghệ sản xuất xi măng bằng lò quay theo phương pháp ướt rồi đến công nghệ hiện đại nhất hiện nay là bằng công nghệ lò quay theo phương pháp khô.5 Hình 1.1. Quy trình công nghệ sản xuất xi măng Công nghệ sản xuất bằng lò đứng, ngoài hạn chế về năng suất, còn bị hạn chế về khả năng nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sử dụng năng lượng thấp nên theo quy hoạch tổng thể phát triển công nghiệp ngành sản xuất xi măng ở Việt Nam, tất cả các lò đứng sẽ phải đóng cửa vào năm 2020 1 và thực tế hiện nay xi măng sản xuất bằng công nghệ lò đứng không thể cạnh tranh được với các sản phẩm được sản xuất bằng công nghệ lò quay. Với công nghệ sản xuất xi măng bằng lò quay theo phương pháp ướt, so với công nghệ sản xuất bằng lò đứng, chất lượng clinker tốt hơn rất nhiều do phối liệu sau khi nghiền đạt được độ đồng đều cao. Tuy nhiên, sản xuất xi măng bằng lò quay theo phương pháp ướt thì hàm lượng ẩm trong phối liệu cao làm tiêu tốn nhiều nhiệt năng trong quá trình sấy và nung (khoảng từ 5651 ‚ 6698 kJkg clinker 1); đồng thời do tất cả các quá trình hóa lý xảy ra như sấy, dehydrat các khoáng sét, phân hủy carbonat đá vôi đều xảy ra trong lò quay nên chiều dài lò rất lớn lên đến 238 m 89. Khắc phục nhược điểm đó, công nghệ sản xuất xi măng bằng lò quay theo phương pháp khô ra đời với khả năng tận dụng nhiệt của khí thải để sấy, nghiền phối liệu và phân hủy đá vôi trong tháp trao đổi nhiệt (TĐN) nên không những chiều dài lò nung được rút ngắn hơn rất nhiều so với công nghệ lò quay theo phương pháp ướt, từ 238 m xuống còn khoảng 70 m 89 mà còn giảm được lượng nhiệt trong quá trình nung tạo khoáng clinker (từ 2930 ‚ 3558 kJkg clinker 1). Đá vôi Than Đất sét Chuẩn bị nguyên liệu Công đoạn chuẩn bị nguyên nhiên liệu Công đoạn nung clinker Phụ gia Nghiền phối liệu Than Nung tạo ra clinker Làm nguội clinker Ủ clinker Công đoạn nghiền và đóng bao xi măng Si lô xi măng Phụ gia, thạch cao Nghiền tạo ra xi măng Đóng bao xi măng Điện Vỏ bao Không khí6 Với công nghệ vượt trội và được tự động hóa hoàn toàn trong sản xuất nên hiện nay, trên thế giới các nhà máy sản xuất xi măng đều sử dụng công nghệ lò quay theo phương pháp khô và ở Việt Nam cũng không nằm ngoài xu hướng phát triển đó. Dây chuyền sản xuất xi măng theo công nghệ này được thể hiện trên hình 1.2. Hình 1.2. Hệ thống thiết bị sản xuất xi măng Theo công nghệ này, nguyên liệu từ kho chứa, được thiết bị vận chuyển đưa lên tháp trao đổi nhiệt. Tại đây, 95% đá vôi phân hủy thành CaO và chuyển xuống lò quay, 5% còn lại tiếp tục phân hủy hoàn toàn trong phần đầu của lò. Sau đó, phối liệu được nung ở nhiệt độ cao trong lò quay và diễn ra các phản ứng tạo clinker. Nhiệt độ nung chín clinker xi măng phụ thuộc vào thành phần phối liệu nhưng thường dao động trong khoảng từ 1380 ÷ 14500C 129. Clinker xi măng có bốn thành phần chính bao gồm: 2CaO.SiO2 (C2S), 4CaO.Al2O3.Fe2O3 (C4AF), 3CaO.Al2O3 (C3A), 3CaO.SiO2 (C3S) 41. Các thành phần này được hình thành ở các mức nhiệt độ khác nhau và được trình bày trong bảng 1.1 41. Một cách tương đối, dựa vào các mức nhiệt độ, có thể chia lò quay làm ba vùng đặc trưng, thể hiện trên hình 1.3 114. Khí Khí Vật nung Hệ thống làm mát clinker Lò quay Khí Vật nung Vật nung Tháp TĐN Thiết bị vận chuyển nguyên liệu Kho chứa nguyên liệu7 Bảng 1.1. Nhiệt độ và nhiệt phản ứng của các vùng trong lò quay xi măng Vùng phản ứng Thành phần Nhiệt độ Nhiệt phản ứng Vùng phân hủy CaO 8000C  9000C +1660 kJkg CaCO3 Vùng chuyển tiếp C2S 9000C  13000C 603 kJkg C2S Vùng chuyển tiếp C4AF 9000C  13000C 109 kJkg C4AF Vùng chuyển tiếp C3A 9000C  13000C 37 kJkg C3A Vùng nung C3S 13000C  14000C 448 kJkg C3S 1.2. Lò quay xi măng và các đặc trƣng cơ bản Lò quay là một ống thép hình trụ có xây gạch chịu lửa và cách nhiệt ở bên trong, quay quanh trục với tốc độ 1 đến 3 vòngphút, được đặt nghiêng so với mặt phẳng nằm ngang khoảng 3 đến 5 độ; kích thước lò rất lớn: chiều dài từ 30 đến 238 m, đường kính bên trong lò từ 2 đến 8 m 81. Về nguyên lý, lò quay là một thiết bị trao đổi nhiệt có thể hoạt động theo sơ đồ cùng chiều hoặc ngược chiều nhưng giữa các chất mang nhiệt không có vách ngăn cách. Thông thường các lò quay hoạt động ở nhiệt độ cao làm việc theo sơ đồ ngược chiều (hình 1.2). Hiện nay, lò quay là một trong những loại lò công nghiệp được ứng dụng phổ biến nhất, trong nhiều lĩnh vực công nghệ khác nhau như công nghiệp xử lý chất thải, công nghiệp hóa chất, công nghiệp nung luyện vật liệu và đặc biệt là trong công nghiệp sản xuất xi măng. 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; các quá trình này chồng chéo và ảnh hưởng lẫn nhau. Dòng khí trong lò là hỗn hợp của sản phẩm cháy, bụi than, khí thoát ra từ vật nung, tro, muội sẽ truyền nhiệt trực tiếp cho bề mặt vật nung và bề mặt tường lò bằng bức xạ và đối VN KK2 Clinker 14000C 13000C 9000C 8000C Vùng nung Vùng chuyển tiếp Khí Vùng phân hủy KK1+NL Khí đến tháp TĐN Hình 1.3. Các vùng phản ứng trong lò quay xi măng8 lưu. Sau khi nhận nhiệt từ khí, nhiệt độ của tường lò tăng lên và tường lò lại truyền nhiệt cho vật nung từ hai phía: phía mặt thoáng bằng bức xạ và phía tiếp xúc bằng dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ. Nhiệt truyền từ bề mặt bên trong của tường lò ra bề mặt vỏ lò bằng dẫn nhiệt sẽ tiếp tục truyền vào môi trường không khí xung quanh bằng bức xạ và đối lưu. Những đặc trưng của lò quay thể hiện cả về đặc trưng hình học lẫn đặc trưng về truyền nhiệt. Đặc trưng về hình học: là thiết bị có kích thước rất lớn (như đã đề cập ở trên). Đặc trưng về truyền nhiệt thể hiện ở cả quá trình truyền nhiệt bên trong lò lẫn bên ngoài lò. Ở bên trong lò, sự khác biệt chủ yếu trong quá trình trao đổi nhiệt bằng bức xạ và dẫn nhiệt của lò quay so với các lò công nghiệp khác thể hiện ở các chi tiết như hình dáng, tính chất nhiệt vật lý và vị trí tương đối giữa các vật tham gia trao đổi nhiệt. Đối với quá trình trao đổi nhiệt bằng đối lưu, do chuyển động quay của lò, bề mặt lớp vật nung luôn biến động: các hạt vật nung lúc thì nằm bên trên bề mặt thoáng và tham gia trao đổi nhiệt trực tiếp với dòng khí và bề mặt thoáng tường lò; lúc thì nằm sâu trong lòng lớp vật nung. Bề mặt vật nung biến động làm cho lớp biên sát bề mặt vật nung luôn luôn bị xáo trộn. Sự xáo trộn này còn chịu ảnh hưởng của quá trình biến đổi lý, hóa xảy ra trong lớp vật nung như quá trình bay hơi nước, khí thoát ra từ các phản ứng phân hủy, các hạt bụi từ than và vật nung vv... Những yếu tố này vừa ảnh hưởng tới sự hình thành ổn định chiều dày lớp biên trên bề mặt vật nung vừa làm thay đổi tính chất nhiệt vật lý của dòng khí, do đó ảnh hưởng đến cường độ trao đổi nhiệt đối lưu. Ngoài ra, sự chênh lệch nhiệt độ của khí và của vật nung giữa các vùng lò khá lớn nên vai trò của trao đổi nhiệt đối lưu cũng thay đổi theo chiều dài lò. Cũng do chuyển động quay của lò, nhiệt độ bề mặt bên trong tường lò không ổn định như các loại lò công nghiệp khác mà thay đổi một cách tuần hoàn theo từng vòng quay: nhiệt độ bề mặt tăng dần theo thời gian khi tiếp xúc với dòng khí, đạt đến giá trị cực đại, sau đó giảm dần theo thời gian khi tiếp xúc với vật nung cho đến khi đạt giá trị ban đầu trước khi bắt đầu một chu kỳ mới. Sự thay đổi nhiệt độ bề mặt tường lò không chỉ ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nhiệt bức xạ với vật nung mà còn ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nhiệt với vật nung khi chúng tiếp xúc với nhau. Đặc trưng truyền nhiệt trong các lò quay còn thể hiện ở quá trình trao đổi nhiệt bên ngoài lò: giữa bề mặt vỏ lò với môi trường không khí xung quanh. Đặc trưng này được quyết định bởi hai yếu tố sau:9 Thứ nhất, sự thay đổi nhiệt độ vỏ lò không chỉ theo chiều dài mà còn thay đổi theo góc quay. Nhiệt độ của vỏ lò tại bất kỳ vị trí nào dọc theo chiều dài đều biến thiên một cách tuần hoàn sau từng vòng quay 5. Thứ hai, các lò quay có kích thước rất lớn cả về chiều dài lẫn đường kính nên chúng thường được đặt ngoài trời, do đó tốc độ và hướng gió thổi qua lò thay đổi liên tục làm cho cường độ trao đổi nhiệt đối lưu giữa vỏ lò và môi trường không khí xung quanh thay đổi theo. Ngoài ra, các lò quay thường được đặt nằm nghiêng so với mặt phẳng nằm ngang khoảng từ 3 ÷ 5 độ 81 nên cũng gây ảnh hưởng đến cường độ trao đổi nhiệt đối lưu. Tóm lại, chuyển động quay của lò là nguyên nhân chính làm cho cơ chế và cường độ trao đổi nhiệt giữa các thành phần tham gia trao đổi nhiệt trong lò quay cũng như trao đổi nhiệt giữa vỏ lò với môi trường không khí xung quanh có những đặc trưng riêng so với các loại lò công nghiệp đứng yên. Nghiên cứu chi tiết các quá trình trao đổi nhiệt này được trình bày trong nội dung tiếp theo của luận án. 1.3. Nhiên liệu và các yêu cầu về nhiên liệu cho lò quay xi măng Công nghiệp sản xuất xi măng là lĩnh vực tiêu thụ năng lượng rất lớn. Theo tính toán ở Mỹ, nhiên liệu sử dụng trong lĩnh vực này chiếm khoảng 1,4% tổng lượng nhiên liệu tiêu thụ cho các ngành công nghiệp 110. Nhiên liệu sử dụng trong công nghiệp sản xuất xi măng thường gồm cả ba loại: khí, lỏng và rắn. Nhiên liệu khí dễ cháy, nhiệt trị cao và không tạo tro. Tuy nhiên, chúng rất ít dùng trong công nghiệp sản xuất xi măng do điều kiện khai thác, vận chuyển và giá thành cao; thường được sử dụng cho các nhà máy sản xuất xi măng xây dựng ở gần các mỏ khí. Trước đây, ở Việt Nam chỉ có nhà máy sản xuất xi măng Thái Bình sử dụng khí thiên nhiên ở mỏ khí Tiền Hải nhưng hiện nay nhà máy này đã chuyển sang sử dụng nhiên liệu rắn. Nhiên liệu lỏng được sử dụng chủ yếu là dầu FO, có nhiệt trị cao, dễ cháy và khi đốt không tạo tro. Trong công nghiệp, để đốt cháy nhiên liệu lỏng cần đưa chúng về dạng các giọt sương có đường kính khoảng 0,05 đến 0,3 mm 24. Để đốt dầu trong các lò quay xi măng cần phải nung trước dầu đến nhiệt độ từ 100 đến 1100C. Trong thực tế sản xuất tại Việt Nam, sử dụng dầu làm tăng giá thành sản phẩm, do đó dầu chủ yếu được sử dụng trong giai đoạn nhóm lò hoặc đốt kết hợp với than khi cần thiết 1. Nhiên liệu rắn thường được sử dụng là than đá, tuy không có các ưu điểm như nhiên liệu khí và nhiên liệu lỏng nhưng lại được sử dụng phổ biến nhất hiện nay trong công nghiệp sản xuất xi măng do giá than thấp hơn nhiều so với nhiên liệu khí và lỏng.10 Ở Việt Nam, than có trữ lượng khá lớn với hai loại chủ yếu là than antraxit Quảng Ninh và than nâu ở vùng đồng bằng Bắc Bộ. Hiện nay, than antraxit là nhiên liệu được sử dụng chủ yếu trong các nhà máy sản xuất xi măng tại Việt Nam. Đặc tính chung của than antraxit là hàm lượng các bon và hàm lượng tro cao, hàm lượng chất bốc và hàm lượng lưu huỳnh thấp. Do đó, antraxit là loại than khó bắt cháy 14. Chất lượng than dùng trong sản xuất xi măng cần đáp ứng các yêu cầu sau 1: Nhiệt trị tối thiểu: 23000 kJkg Hàm lượng tro tối đa: 25% Than phải được sấy khô và nghiền mịn: độ ẩm nhỏ hơn hoặc bằng 1% và độ mịn phải nhỏ hơn 5% còn lại trên sàng 0,08 mm. 1.4. Tổng quan các kết quả nghiên cứu về truyền nhiệt trong lò quay xi măng Truyền nhiệt trong lò quay là quá trình rất phức tạp và đa dạng các phương thức trao đổi nhiệt. Phân tích riêng rẽ từng quá trình trao đổi nhiệt trong lò là cơ sở rất quan trọng để xây dựng các mô hình toán học mô tả quy luật truyền nhiệt của chúng. Trong mục này, chúng tôi tiến hành phân tích những thành tựu nghiên cứu về truyền nhiệt trong các lò quay trên cơ sở phân tích riêng rẽ từng phương thức trao đổi nhiệt và phân tích các mô hình truyền nhiệt đã được xây dựng để từ đó xác định mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án. 1.4.1. Các kết quả nghiên cứu ở nƣớc ngoài 1.4.1.1. Các quá trình truyền nhiệt trong lò quay Sự phức tạp của cơ chế truyền nhiệt trong lò quay không chỉ bởi sự chồng chéo của các phương thức truyền nhiệt mà còn bởi chuyển động quay của lò làm cho các thông số nhiệt vật lý của các thành phần tham gia trao đổi nhiệt thay đổi, nhiệt độ tường lò không ổn định như các loại lò công nghiệp đứng yên khác mà thay đổi tuần hoàn sau từng vòng quay. Các quá trình truyền nhiệt trong lò quay được Pearce 88 miêu tả và thể hiện trên hình 1.4. Nhiệt từ dòng khí truyền đến bề mặt thoáng vật nung và mặt thoáng tường lò bằng bức xạ và đối lưu. Lượng nhiệt tường lò nhận được, một phần truyền đến vật nung bằng bức xạ, một phần bằng cơ chế truyền nhiệt tiếp xúc và một phần truyền vào môi trường không khí xung quanh bằng bức xạ và đối lưu qua vỏ lò.11 Qgs  dòng nhiệt do bức xạ giữa khí và vật nung Qgs  dòng nhiệt do đối lưu giữa khí và vật nung Qgw  dòng nhiệt do bức xạ giữa khí và tường Qgw  dòng nhiệt do đối lưu giữa khí và tường Q ws,g dòng nhiệt do bức xạ giữa tường và vật nung Qws,w dòng nhiệt trao đổi giữa tường và vật nung khi tiếp xúc với nhau Qsh  dòng nhiệt tổn thất qua vỏ lò do bức xạ Qsh  dòng nhiệt tổn thất qua vỏ lò do đối lưu. a) Trao đổi nhiệt bức xạ Trao đổi nhiệt bức xạ là phương thức truyền nhiệt chủ yếu trong lò quay, nơi có môi trường nhiệt độ rất cao, lên tới trên 10000C. Theo Farber và Bennat 50, khi nhiệt độ lò lớn hơn 10000C thì lượng nhiệt vật nung nhận được bằng bức xạ chiếm đến 75% tổng lượng nhiệt vật nung nhận được. Công trình có quy mô lớn đầu tiên nghiên cứu về truyền nhiệt trong lò quay mà chủ yếu là trao đổi nhiệt bức xạ được Gygi 127 công bố vào năm 1937. Theo đó, Gygi đã tiến hành đo các thông số trên một lò quay xi măng đang vận hành và xây dựng thành đường cong phân bố nhiệt độ của khí, tường lò và vật nung dọc theo chiều dài lò. Đồ thị phân bố nhiệt độ của Gygi được xem là chuẩn mực để đánh giá các kết quả nghiên cứu về truyền nhiệt trong lò quay 5. Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu về phân bố nhiệt độ trong lò quay, Gygi đã tính toán lượng nhiệt trao đổi giữa khí và vật nung, giữa vật nung và tường lò theo công thức tính toán trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai tấm phẳng đặt song song trong môi trường không trong suốt. Tuy nhiên, công thức tính toán của Gygi chưa tính đến ảnh hưởng của nồng độ bụi thoát ra từ vật nung đến quá trình trao đổi nhiệt bức xạ. Bụi thoát ra từ vật nung hòa vào dòng sản phẩm cháy làm thay đổi đặc tính bức xạ của dòng khí trong lò. Cũng xây dựng công thức tính toán lượng nhiệt trao đổi trong lò quay, Weber 118 đã tiến xa hơn khi tính toán trao đổi nhiệt bức xạ có xét đến ảnh hưởng của yếu tố này. Bằng thực nghiệm trên mô hình vật lý và lý thuyết đồng dạng, Seidel 134 đã xây dựng được phương trình dạng không thứ nguyên để xác định nhiệt độ cực đại của ngọn lửa và Hình 1.4. Các quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng12 nhiệt độ cực đại của bề mặt bên trong tường lò cũng như xác định vị trí tương ứng của chúng trong lò quay. Kết quả nghiên cứu của Seidel là cơ sở rất quan trọng đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố cơ bản đến quá trình trao đổi nhiệt bức xạ trong lò quay xi măng. Tuy nhiên, các phương trình của Seidel rất khó áp dụng trong thực tiễn do sự không đồng dạng giữa mô hình vật lý và mô hình thực tế của các lò quay đang vận hành. Khi nghiên cứu về truyền nhiệt trong lò quay thì đặc tính bức xạ của môi trường tham gia trao đổi nhiệt có ý nghĩa rất quan trọng quyết định đến lượng nhiệt trao đổi giữa chúng. Môi trường bức xạ và hấp thụ trong lò quay xi măng là hỗn hợp của khí ba nguyên tử có thành phần chủ yếu là CO2 và H2O do quá trình cháy của nhiên liệu tạo thành và các hạt chất rắn như bụi than, khí thoát ra từ vật nung, tro, muội. Các thành phần này thay đổi dọc theo chiều dài lò nên đặc tính bức xạ của chúng thể hiện qua độ đen cũng thay đổi theo. Đặc trưng bức xạ, hấp thụ của môi trường khí ba nguyên tử là chúng không có khả năng phản xạ mọi loại bức xạ giáng xuống và chúng chỉ có khả năng bức xạ, hấp thụ năng lượng trong những khoảng chiều dài bước sóng nhất định 61. Ngoài những chiều dài bước sóng nhất định đó, chất khí là trong suốt đối với bức xạ nhiệt. Những khoảng chiều dài bước sóng quan trọng nhất đối với đặc tính bức xạ và hấp thụ của khí CO2 và hơi nước (H2O) được trình bày trong bảng 1.2 7. Bảng 1.2. Chiều dài bước sóng quan trọng đối với đặc tính bức xạ của khí CO2 và H2O Thành phần khí CO2 H2O Chiều dài bước sóng, µm 2,6 ÷ 2,8 1,3 ÷ 1,5 4,2 ÷ 5,1 1,7 ÷ 2,0 13,0 ÷ 17,0 2,3 ÷ 13,4 4,5 ÷ 8,5 12,0 ÷ 30,0 Theo Hottel và Sarofim 61, độ đen trung bình của khí trên toàn phổ bức xạ được xác định theo công thức: g i i m   n     a . 1 exp K .p.L     (1.1) Trong đó: ai hệ số tỉ trọng, i n a 1 13 Ki hệ số làm yếu tia bức xạ p phân áp suất của chất khí Lm chiều dài trung bình của tia bức xạ Cũng theo Hottel và Sarofim 61, hệ số hấp thụ của khí thực được tính toán tương tự như tính với độ đen, nhưng do giá trị của hệ số này phụ thuộc vào cả nhiệt độ nguồn phát lẫn nhiệt độ của khí nên việc tính toán phức tạp hơn rất nhiều. Ảnh hưởng của nhiệt độ nguồn phát tới hệ số hấp thụ của khí lớn hơn nhiều so với ảnh hưởng của nhiệt độ chính nó nên có thể bỏ qua ảnh hưởng của nhiệt độ khí mà không mắc phải sai số lớn. Trên cơ sở đó, Hottel và Sarofim 61 đã thiết lập công thức xác định hệ số hấp thụ cho hai thành phần chính của sản phẩm cháy là CO2 và H2O, đây là hai thành phần chủ yếu trong môi trường bức xạ và hấp thụ của lò quay xi măng. Hệ số hấp thụ của CO2 và H2O được xác định như sau: 0,65 s g CO g s m CO s m 2 2 g s T T A (T ,T ,p.L ) T ,p.L . . T T                  (1.2) 0,45 s g H O g s m H O s m 2 2 g s T T A (T ,T ,p.L ) T ,p.L . . T T                  (1.3) Không như vật xám, khả năng bức xạ và hấp thụ của khí CO2 và H2O là không bằng nhau, phụ thuộc không chỉ vào chiều dài bước sóng mà còn phụ thuộc vào nhiệt độ của cả khí và nhiệt độ của nguồn phát 61. Bằng thực nghiệm, Hottel và Sarofim 61 đã xây dựng thành các toán đồ xác định độ đen của CO2 và H2O, và được thể hiện trên hình 1.5, hình 1.6. Hình 1.5. Độ đen của khí CO214 Hình 1.5 biểu diễn sự phụ thuộc độ đen của khí CO2 vào nhiệt độ và tích số p.Lm. Do đặc trưng bức xạ, hấp thụ của khí CO2 tuân theo định luật Beer 38 nên đồ thị này được sử dụng để xác định độ đen của khí CO2 ở các phân áp suất khác nhau. Đối với hơi nước (H2O), do không tuân theo định luật Beer nên độ đen của hơi nước không chỉ phụ thuộc vào tích số p.Lm mà còn phụ thuộc vào phân áp suất của nó trong hỗn hợp (pp), thể hiện trên hình 1.6. Có nghĩa rằng, cùng một giá trị p.Lm nhưng khi phân áp suất bé thì độ đen của hơi nước nhận được ứng với phân áp suất hơi nước pH2O = 1at phải được nhân với hệ số hiệu chỉnh  như trên hình 1.6. Về nguyên tắc, độ đen của hỗn hợp khí (CO2 và H2O) bằng tổng độ đen của các khí thành phần nhưng do quang phổ bức xạ, hấp thụ của khí CO2 và H2O ảnh hưởng lẫn nhau trong môi trường bức xạ, có nghĩa là một phần năng lượng bức xạ của khí CO2 bị hơi nước hấp thụ và ngược lại, nên khả năng bức xạ (hay hấp thụ) của hỗn hợp khí nhỏ hơn tổng khả năng bức xạ (hay hấp thụ) của các khí thành phần 61. Do vậy, độ đen hay hệ số hấp thụ trung bình của hỗn hợp khí (gồm hai thành phẩn chủ yếu là CO2 và H2O) được tính theo công thức sau:       g CO H O 2 2 . (1.4) Ở đây,  là độ hiệu chỉnh do sự chồng chéo quang phổ bức xạ, hấp thụ của khí CO2 và H2O được xác định trên đồ thị hình 1.7 61. Hình 1.6. Độ đen của hơi nước (H2O) và hệ số hiệu chỉnh 15 Chiều dài trung bình của tia bức xạ là hàm số phụ thuộc vào hình dáng và kích thước của khối khí, được xác định theo 61: m 4.V L 0,9. F  (1.5) Trong đó: V thể tích của khối khí, m3 F diện tích bề mặt bao quanh khối khí, m2 Trong các lò quay làm việc ở nhiệt độ cao luôn tồn tại vùng phát nhiệt, tại đây nhiên liệu được đốt cháy dưới dạng ngọn lửa phun. Vì vậy, khi nghiên cứu về truyền nhiệt, lò quay được chia theo chiều dài làm hai vùng đặc trưng: vùng có ngọn lửa (vùng cháy) và vùng không có ngọn lửa (vùng sau cháy). Đối với vùng cháy, độ đen của ngọn lửa phụ thuộc vào loại nhiên liệu, cấu tạo vòi phun, tỷ lệ và nhiệt độ dòng không khí cấp 1, dòng không khí cấp 2 vv... tức là phụ thuộc vào quá trình cháy. Trong vùng sau cháy, độ đen của dòng khí phụ thuộc vào thành phần sản phẩm cháy, nồng độ bụi, tro, muội và các khí thoát ra từ vật nung. Bụi thoát ra từ vật nung hòa vào dòng khí sẽ làm tăng khả năng bức xạ của dòng khí trong lò nhưng lúc đầu các hạt bụi thâm nhập vào dòng khí sẽ làm giảm nhiệt độ đáng kể, do đó độ đen đo được của dòng khí trong lò dao động trong khoảng từ 0,3 đến 0,8 129. Đối với vùng cháy, nếu chấp nhận định luật Beer 38 cho bức xạ toàn phần của ngọn lửa chiếu sáng và dòng khí chứa bụi thì độ đen của ngọn lửa được tính theo công thức 5: ε =1 exp K +K .L F G B m       (1.6) Ở đây: KG hệ số làm yếu tia của khí khi không có bụi KB hệ số làm yếu tia của bụi. Hình 1.7. Độ hiệu chỉnh 16 Theo Bierman 121: Đối với các loại muội có .d 1  thì: K B.T .C B g  Đối với các loại bụi có .d 1  thì: B 2 3 g A.C K 0,42. d ρ . T  Trong đó: d đường kính trung bình của hạt chất rắn, m  chiều dài trung bình bước sóng của phổ năng lượng, m C nồng độ bụi, kgm3  khối lượng riêng của bụi, kgm3 T g nhiệt độ của khí, K A hệ số đặc trưng cho các loại bụi B hệ số đặc trưng cho các loại muội, B  1000  , m2kg.K Bụi lò quay xi măng thường có hệ số A = 0,15 ÷ 0,2, đường kính trung bình d = 25 m, khối lượng riêng  = 2372 kgm3 133. Đối với ngọn lửa than, bức xạ nhiệt xảy ra chủ yếu là do bức xạ của các hạt chất rắn như các hạt các bon, các thành phần hydrocacbon và tro 70. Tính toán lý thuyết đặc tính bức xạ của ngọn lửa cần phải giải quyết đồng thời nhiều vấn đề phức tạp như các đặc trưng của dòng chảy rối, động lực học các phản ứng cháy của nhiên liệu, các vấn đề về truyền nhiệt, truyền chất xảy ra khi cháy, đặc biệt phải xác định hai thông số rất quan trọng là phân bố nồng độ muội bên trong ngọn lửa và quang phổ bức xạ của muội trong ngọn lửa 51. Do khó khăn trong việc xác định phân bố nồng độ muội bên trong ngọn lửa và đến nay vẫn chưa có một phương pháp lý thuyết nào có thể xác định sự thay đổi kích thước hạt than dọc theo chiều dài ngọn lửa nên tính toán độ đen của ngọn lửa theo lý thuyết là điều đặc biệt khó khăn. Vì vậy, khi nghiên cứu về đặc tính bức xạ của ngọn lửa thì độ đen thường được xác định dựa trên các kết quả nghiên cứu thực nghiệm của một loại ngọn lửa xác17 định, có thể tìm thấy các công trình nghiên cứu xác định độ đen của ngọn lửa trong 66, 67, 118. Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu thực nghiệm, Gorog, Adams và Brimacombe 57 cho rằng, khi nghiên cứu về trao đổi nhiệt bức xạ thì có thể giả thiết dòng khí trong lò là vật xám mà không mắc phải sai số lớn. Độ đen của các loại ngọn lửa khác nhau phụ thuộc vào loại nhiên liệu, cấu tạo và hình dạng vòi