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 (TT)

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 được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS. TS. Trần Gia Mỹ
2. GS. TSKH. Đặng Quốc Phú

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án Tiến sĩ cấp

Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam


1

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 lửa 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


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.
3. 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.
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 biến 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.
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG
1.1. Tổng quan về công nghệ sản xuất xi măng
Trong mục này, chúng tôi giới thiệu tổng quan về công nghệ sản xuất xi măng và
mức nhiệt độ yêu cầu trong quá trình gia nhiệt cho vật nung.
1.2. Lò quay xi măng và các đặc trƣng cơ bản
Lò quay xi măng là một ống thép hình trụ có xây gạch chịu lửa, cách nhiệt ở bên
trong, quay quanh trục với tốc độ 1 ÷ 3 v/ph và được đặt nghiêng so với mặt phẳng
nằm ngang một góc 3 ÷ 5 độ. Những đặc trưng cơ bản của lò quay thể hiện cả về đặc
trưng hình học lẫn đặc trưng về truyền nhiệt.
1.3. Nhiên liệu và các yêu cầu về nhiên liệu cho lò quay xi măng
Nhiên liệu sử dụng trong công nghiệp sản xuất xi măng thường gồm cả ba loại:

khí, lỏng, rắn; nhưng sử dụng phổ biến nhất hiện nay là nhiên liệu rắn.
1.4. Tổng quan các kết quả nghiên cứu về truyền nhiệt trong lò quay xi
măng
1.4.1. Các kết quả nghiên cứu ở nƣớc ngoài
1.4.1.1. 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. Các quá trình này chồng chéo và ảnh
hưởng lẫn nhau.
1.4.1.2. Các mô hình truyền nhiệt bức xạ trong lò quay xi măng
Mô hình tính toán đầu tiên về truyền nhiệt trong lò quay xi măng được Gygi [127]
dựng vào năm 1937, dựa trên các kết quả nghiên cứu thực nghiệm đối với một lò
quay đang hoạt động, theo đó Gygi đã tiến hành đo nhiệt độ của khí và vật nung tại


3

rất nhiều vị trí khác nhau dọc theo chiều dài lò kết hợp với đo các thông số nhiệt vật
lý của vật nung bằng cách lấy mẫu vật nung tại các vị trí khác nhau trong lò. Từ kết
quả thực nghiệm, Gygi xây dựng thành các đường cong phân bố nhiệt độ của khí,
tường lò và vật nung dọc theo chiều dài.
Với mục đích xây dựng các mô hình toán học để tính toán sự phân bố dòng nhiệt
của vật nung trong lò, Cross và Young [43] đã xây dựng mô hình truyền nhiệt trong
lò quay với giả thiết bỏ qua nhiệt tỏa ra (thu vào) do phản ứng hóa học của khối vật
nung. Kết quả tính toán đã xác định được phân bố nhiệt độ của khí và vật nung dọc
theo chiều dài lò.
Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là khoa học máy tính,
các nhà khoa học đã vận dụng các phương pháp tính toán trao đổi nhiệt bức xạ khác
nhau để xây dựng các mô hình truyền nhiệt trong lò quay với mục đích xác định quy
luật truyền nhiệt của các thành phần tham gia trao đổi nhiệt và tính toán lượng nhiệt
trao đổi giữa chúng. Có thể tìm thấy các mô hình đó trong [5], [54], [55], [56], [57],

[70]. Hệ thống các công trình nghiên cứu này cho thấy, các mô hình truyền nhiệt chủ
yếu được xây dựng dựa trên ba phương pháp tính toán trao đổi nhiệt bức xạ, đó là:
phương pháp vùng, phương pháp phản xạ và phương pháp tương tự nhiệt - điện. Mặc
dù, các phương pháp tính toán trao đổi nhiệt bức xạ có đặc điểm chung là đều dựa
trên các phương trình cân bằng nhiệt nhưng sự khác biệt giữa chúng là cách xác định
điều kiện biên làm cho mỗi phương pháp có những đặc trưng riêng. 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.
1.4.2. Các kết quả nghiên cứu ở Việt Nam
Ở Việt Nam có rất nhiều tác giả nghiên cứu về truyền nhiệt với hai hướng nghiên
cứu chính là nâng cao hiệu suất cháy và khả năng trao đổi nhiệt trong các lò công
nghiệp có tính phổ biến như các lò hơi, lò luyện thép, lò nung gốm...vv; và nghiên
cứu xử lý các khí phát thải trong quá trình đốt nhiên liệu trong các lò công nghiệp kể
trên. Còn đối với các loại 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 [6] 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.
Tiếp đến là hàng loạt công trình nghiên cứu về truyền nhiệt xảy ra bên trong lò quay
hoặc thiết bị gia nhiệt kiểu thùng quay được công bố.
Năm 1986, Đặng Quốc Phú, Võ Xuân Cương và Võ Chí Chính [3] đã dựa vào
phương pháp exergie để phân tích quá trình cháy và chế độ nhiệt của lò quay xi
măng. Cũng dựa trên quan điểm exergie, Đặng Quốc Phú [4] đã xây dựng phương
pháp xác định độ mịn tối ưu của bụi than cho ngọn lửa than trong buồng đốt hình trụ.
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 [2] đã xây dựng mô hình toán học dựa trên việc
phân tích các quá trình trao đổi nhiệt xảy ra đồng thời trong lò.
Dựa vào các kết quả nghiên cứu về cơ chế truyền nhiệt trong lò, dựa vào phân tích
riêng rẽ từng quá trình truyền nhiệt và dựa vào những yêu cầu đặt ra khi xây dựng mô

4

hình với quan điểm phải xem xét toàn diện các mối quan hệ giữa khả năng nâng cao
độ chính xác và khối lượng tính toán phải thực hiện cùng với việc chú ý đúng mức
đến toàn bộ quá trình xảy ra (tức là nếu quá tập trung vào một quá trình nào đó mà
không đồng thời chú ý đúng mức đến những quá trình khác thì sẽ không đạt được kết
quả mong đợi), Đặng Quốc Phú [5] đã xây dựng mô hình truyền nhiệt tổng quát trong
lò quay trên cơ sở phương pháp vùng của Hottel và Sarofim [61]. Mô hình cho phép
xác định trường nhiệt độ của các thành phần tham gia trao đổi nhiệt trong lò cũng như
tính toán lượng nhiệt trao đổi giữa chúng.
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. Bởi vì
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. Đây là vùng lò quan trọng nhất, ảnh
hưởng đến toàn bộ quá trình truyền nhiệt xảy ra trong lò.
Mặc dù vậy, mô hình truyền nhiệt tổng quát đã xây dựng là cơ sở rất quan trọng để
mở ra hàng loạt vấn đề nghiên cứu tuy rất khó khăn nhưng mang lại nhiều ý nghĩa
khoa học và kinh tế lớn.
1.5. Một số vấn đề tồn tại và nội dung nghiên cứu của luận án
Xét trên khía cạnh về truyền nhiệt thì trong lò quay luôn luôn tồn tại hai vùng lò
đặc trưng được chia theo chiều dài, đó là: vùng có ngọn lửa và vùng không có ngọn
lửa. Các quá trình truyền nhiệt ở cả hai vùng lò này đều bao gồm ba phương thức
truyền nhiệt cơ bản: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ. Tuy nhiên, do sự xuất hiện của
ngọn lửa nên đặc tính trao đổi nhiệt trong vùng có ngọn lửa khác so với trong vùng
không có ngọn lửa. 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... nhưng
điều quan trọng và nổi bật nhất là quá trình truyền nhiệt này được quyết định bởi quá
trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa.
Nghiên cứu quy luật truyền nhiệt trong lò quay có xét đến ảnh hưởng của quá trình
cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa là bài toán phức tạp, khó khăn nhưng lại là yêu cầu
cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn bởi vì vùng lò có ngọn lửa là vùng cơ
bản nhất của lò quay sản xuất xi măng cả về phương diện kích thước, cả về phương
diện công nghệ (vì vùng lò này tạo khoáng quan trọng của clinker xi măng là C 3S),
đặc biệt sự xuất hiện của ngọn lửa ảnh hưởng đến toàn bộ quá trình truyền nhiệt trong
lò và quyết định đến chất lượng sản phẩm.


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 tình hình 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
1.6. Kết luận chƣơng 1
Trên cơ sở phân tích, đánh giá tổng quan các kết quả nghiên cứu liên quan đến đề
tài, chúng tôi rút ra kết luận chính sau:
Đã xác định được vấn đề cần giải quyết và các nội dung cần thực hiện trong luận
án là:
- 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.
- Tính toán lượng nhiệt trao đổi của các thành phần tham gia trao đổi nhiệt, tỷ lệ riêng
phần lượng nhiệt trao đổi của từng phương thức và của từng vùng lò đặc trưng.
- 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.
CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của luận án được lựa chọn là nghiên cứu lý thuyết kết
hợp với nghiên cứu thực nghiệm trên cơ sở các số liệu đo đạc thực tế và mô phỏng
bằng phương pháp số CFD.
2.1.1. 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. Nội dung này sẽ được chúng tôi trình bày trong các
mục 2.1.1.1; 2.1.1.2 và 2.1.1.3.
2.1.1.1. Ảnh hưởng đặc tính bức xạ của môi trường khí trong lò quay xi măng
Có thể thấy rằng, môi trường khí trong lò quay xi măng là môi trường khí thực.
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, có thể áp
dụng để nghiên cứu quá trình truyền nhiệt trong các lò quay.
2.1.1.2. Ảnh hưởng của tường lò quay
Chuyển động quay của lò làm cho nhiệt độ bề mặt bên trong tường lò biến thiên
theo từng vòng quay. Vì thế, lượng nhiệt trao đổi giữa tường lò với vật nung, giữa
tường lò với dòng khí cũng thay đổi theo thời gian. 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.
2.1.1.3. Ảnh hưởng của vùng khí hồi lưu
Nghiên cứu của Moles và các cộng sự [81], nhận thấy rằng, mặc dù khí hồi lưu có

ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt trong các lò quay nhưng do mức độ hồi lưu
trong vùng cháy của lò nhỏ nên khi xây dựng mô hình toán học mô tả các quá trình
truyền nhiệt trong vùng có ngọn lửa của lò quay thì có thể xem khí xung quanh ngọn
lửa là trong suốt đối với bức xạ nhiệt.
2.1.2. Nghiên cứu thực nghiệm
Do khó khăn khi xây dựng mô hình thực nghiệm và những khó khăn còn tăng lên
gấp nhiều lần khi xác định bằng thực nghiệm sự phân bố nhiệt độ của khí, tường lò và
vật nung đối với một lò quay xi măng đang hoạt động nên trong phạm vi nghiên cứu
của luận án này, chúng tôi chỉ có thể đo sự biến thiên nhiệt độ vỏ lò dọc theo chiều
dài và khảo sát, thu thập các thông số nhiệt độ tại một số vị trí đặc trưng trong lò để
so sánh với kết quả nghiên cứu lý thuyết.
Có rất nhiều phương pháp khác nhau để đo nhiệt độ nhưng có thể nhóm chúng
thành hai phương pháp chính là đo tiếp xúc và đo không tiếp xúc [13]. 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. Chúng tôi sẽ trình bày chi tiết vấn đề này trong nội dung chương 4.
2.1.3. Nghiên cứu mô phỏng bằng phƣơng pháp số CFD
Trong những năm gần đây, với sự tiến bộ vượt bậc về khoa học và công nghệ đặc
biệt là công nghệ máy tính, đã có hàng loạt công trình nghiên cứu sử dụng công nghệ
mô phỏng số để thực hiện các nghiên cứu mà không thể tiến hành bằng thực nghiệm
hoặc nghiên cứu thực nghiệm gặp nhiều khó khăn. Trong đó, phương pháp mô phỏng
số dựa trên tính toán động lực học dòng chảy (Computation Fluid Dynamics; viết tắt


7

là CFD) được ứng dụng phổ biến nhất hiện nay, đặc biệt là ứng dụng trong mô phỏng
quá trình cháy than.
Trong luận án này, để đánh giá tính đúng đắn của mô hình toán học, ngoài việc so
sánh kết quả tính toán với các số liệu đo được khi lò quay đang hoạt động, còn so

sánh kết quả tính toán với các kết quả tính được từ việc nghiên cứu mô phỏng quá
trình cháy than bằng phương pháp mô phỏng số CFD.
2.2. Kết luận chƣơng 2
Trên cơ sở lựa chọn phương pháp nghiên cứu, chúng tôi rút ra một số kết luận
chính sau:
- 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.
- Khi độ đen của tường lò và vật nung lớn hơn hoặc bằng 0,8 thì có thể coi khí trong
lò là vật xám khi tính toán quá trình trao đổi nhiệt bức xạ.
- 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.
- Mặc dù khí hồi lưu ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt trong lò quay nhưng do
lượng khí hồi lưu trong vùng có ngọn lửa nhỏ nên khi xây dựng mô hình toán học mô
tả các quá trình trao đổi nhiệt trong vùng này thì có thể xem khí xung quanh ngọn lửa
có thành phần chủ yếu là O2 và N2 được cung cấp bởi dòng không khí cấp hai cấp cho
quá trình cháy và do đó coi là môi trường trong suốt đối với bức xạ nhiệt.
- 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. Ngoài ra, kết quả tính toán còn được so sánh với kết quả
nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng số CFD.
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
3.1. 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 là 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.
Để giải quyết được nhiệm vụ nêu trên, nhất thiết phải xác định được chiều dài và
đặc trưng nhiệt vật lý của vùng có ngọn lửa trong lò. Vấn đề này được chúng tôi trình
bày trong mục 3.2.


8

3.2. 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 [14].
3.2.2. Chiều dài ngọn lửa than phun trong lò quay xi măng
Bằng nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình vật lý kết hợp với các số liệu có được
từ lò quay xi măng đang vận hành, Ruhland [132] đã xây dựng mối quan hệ giữa
chiều dài ngọn lửa phun với cấu trúc của vòi phun, kích thước lò và mômen động
lượng của dòng chảy. Phương trình của Ruhand để tính chiều dài ngọn lửa than phun
được viết theo công thức:
msa  me
Lf

do
 msa me 



 f
 sa e 


3,21  2  B   3,862  1
e 



 3

 n 1






0,442


m 
do

exp  2,12 sa 
m
D
e  i  do



1,245 


Di  do 

exp
0,1052



 (3.5)
do 





Phương trình tính toán (3.5) đã được Ruhland [93], Moles và cộng sự [81], Jenkins
và Moles [65] tiến hành tính toán kiểm tra đối với hàng loạt các lò quay đang vận
hành khác nhau và đều cho kết quả phù hợp với thực tế. 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.
3.3. Hệ số cháy kiệt
Theo Đặng Quốc Phú [5] hệ số cháy kiệt của các loại ngọn lửa phun khác nhau có
thể được tính theo công thức (3.6) [130] mà không mắc phải sai số lớn:
2

 x  
  1  exp   4, 605. 

 
Lf  





(3.6)

Sự biến thiên hệ số cháy kiệt dọc theo chiều dài ngọn lửa tạo thành đường cong
cháy kiệt. Xác định đường cong cháy kiệt là cơ sở quan trọng để tổ chức quá trình
cháy hợp lý nhằm thiết lập chế độ nhiệt tối ưu cho lò.
3.4. 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)
- Ngọn lửa có dạng hình trụ với đường kính không đổi [55]
- Bỏ qua ảnh hưởng gradient nhiệt độ của ngọn lửa, vật nung theo phương bán kính
- Nhiệt dung riêng của sản phẩm cháy không đổi
- Khí xung quanh ngọn lửa là trong suốt đối với bức xạ nhiệt (mục 2.1.1.3).
3.4.1.2. Mô hình toán học
Chia ngọn lửa thành các phần tử có chiều dày xác định (hình 3.2a) và thiết lập
phương trình cân bằng nhiệt cho từng phần tử (hình 3.2b).

9

b) Các dòng nhiệt
của một phần tử

a) Các phần tử trong vùng có ngọn lửa

Hình 3.2. Mô hình truyền nhiệt trong vùng có ngọn lửa
Phương trình cân bằng nhiệt cho ngọn lửa có dạng:
Qz  Qgen  Qs  Qsh  Qzz

(3.7)

Tz
 cp .dT  mf ,z .cp . Tz  To
To
Tz z
Qzz  mf ,zz .  cp .dT  mf ,zz .cp .
To



Qz  mf ,z .



(3.8)

 Tzz  To 

(3.9)

Qgen  mnl .Hu . 

(3.10)
Thay các phương trình từ (3.8) ÷ (3.10) vào (3.7) và biến đổi, nhận được phương
trình tính toán nhiệt độ của ngọn lửa tại các vị trí khác nhau dọc theo chiều dài:
Tzz  To 

1

.  mf ,z .cp .  Tz  To   Qgen  Qs  Qsh 
mf ,zz .cp 

(3.13)

Bỏ qua nhiệt tỏa (hoặc thu) do phản ứng hóa học của vật nung, phương trình cân
bằng nhiệt cho khối vật nung có dạng:
Qs  Qws,w  ms .cps .(Ts z  Ts
)
(3.14)
zz

Để khép kín hệ hai phương trình (3.13) và (3.14), mô hình tương tự nhiệt - điện
được thành lập và được thể hiện trên hình 3.3.
R2
R3

Ew

R4
Ef

R1

R5

Esh

R11

Ea

R9
Js

Jw

R10

R8
Es

R6
R7

Hình 3.3. Mô hình tương tự nhiệt - điện trong vùng có ngọn lửa
Các biểu thức xác định nhiệt trở và các đại lượng trong mô hình được xác định theo
[96] và được trình bày trong bảng 3.1.

10

Bảng 3.1. Các nhiệt trở và hệ số trao đổi nhiệt của mô hình trong vùng có ngọn lửa
R1 

1
 f .  wf .Fwg

1

R2 

'fw .Fwg

R10 

2
o .(Tw  Tsh ).(Tw2  Tsh
).ln

2.  . z.  w
fs

R3 

1  w
 w .Fwg

R4 

1
sw .Fs

'fs 

R5 

1
sf .Fs . f

R6 

1
f . sf .Fs

'fw 

R8 

1  s
s .Fs

'ws, w 

R7 
R9 

1
'fs .Fs

1

R11 

'ws, w .Fws

1
'
sh
.Fsh

'
sh




o .  Tf  Ts  . Tf2  Ts2
fw





o .  Tf  Tw  . Tf2  Tw2



 ws, w



o .  Tw  Ts  . Tw2  Ts2

sh



Ro
RI

2
o .  Tsh  Ta  . Tsh
 Ta2





Áp dụng định luật Kirchoff viết cho dòng nhiệt, viết phương trình tại các điểm nút
Jw, Js, Ew, Esh và kết hợp với phương trình (3.13) và (3.14) được hệ phương trình:
Tzz  To 

1

.  mf ,z .cp .  Tz  To   Qgen  Qs  Qsh 
mf ,zz .cp 

Qs  Qws,w  ms .cps .(Ts z  Ts

zz

)

 1
 1 
 1
 1 
1
1
1 
1 





 .J w    .E f  
 .E w  
 .J s  0
 R1 
 R1 R 3 R 4 R 5 
 R3 
 R 4 R5 
 1
 1
 1 
 1 
1
1

1 
1 





 .Js  
 .J w  
 .E f    .Es  0
R
R
R
R
R
R
R
5
6
8
5
 4
 4
 6
 R8 
 1
 1 
 1 
 1 
 1 

1
1
1 




 .E w  
 .J w  
 .Es  
 .Esh  0
 .E f  
 R2 
 R 2 R 3 R 9 R10 
 R3 
 R9 
 R10 

(3.19)

 1
 1 
 1 
1 


 .Esh  
 .E w  
 .Ea  0
 R11 

 R10 R11 
 R10 

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.
Giải hệ phương trình (3.19) với điều kiện ban đầu là các thông số vận hành của lò
quay và các thông số nhiệt vật lý của môi trường tham gia trao đổi nhiệt sẽ xác định
được quy luật truyền nhiệt của ngọn lửa, tường lò, vật nung và vỏ lò, qua đó xác định
được các dòng nhiệt trao đổi giữa chúng.
3.4.1.3. Phương pháp giải mô hình toán học
Trong luận án này, chúng tôi lựa chọn phương pháp lặp Newton - Raphson để giải
mô hình toán học trên. Giải hệ phương trình (3.19) bằng phương pháp lặp Newton Raphson được chúng tôi lập trình bằng phần mềm Microsoft Excel 2010.
3.4.1.4. Phương pháp xác định các hệ số trao đổi nhiệt
a) Hệ số tỏa nhiệt đối lưu giữa khí và tường lò phía mặt thoáng
Trên cơ sở phương trình tính toán của Kreith [73], nhóm tác giả Kreith và Black [74]


11

đã xây dựng phương trình xác định hệ số tỏa nhiệt đối lưu áp dụng đối với ống dài
10 

L
 400 như sau:
Di

gw


D 

 0, 036. a .Re0,8 .Pr 0,33 .  i 
Di
 L

0,055

(3.23)

Công thức (3.23) đã được Gorog [55], Gorog, Adams và Brimacombe [56] sử dụng
để tính toán hệ số tỏa nhiệt đối lưu giữa khí và tường lò phía mặt thoáng trong các lò
quay xi măng khác nhau. 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.
b) Hệ số tỏa nhiệt đối lưu giữa khí và vật nung
Trên cơ sở các số liệu thu được từ nghiên cứu thực nghiệm, nhóm tác giả Gorog,
Adams và Brimacombe [56] đã xây dựng phương trình xác định hệ số tỏa nhiệt đối
lưu giữa khí và vật nung trong lò quay như sau:

 

gs  0, 4. mg

0,62

(3.25)

Áp dụng phương trình (3.25), Gorog [55] tính được hệ số tỏa nhiệt đối lưu giữa
khí và vật nung trong các lò quay xi măng dao động trong khoảng từ 50 ÷ 100
W/m2.K.
c) Hệ số truyền nhiệt giữa tường lò và vật nung khi tiếp xúc với nhau

Dựa vào các số liệu thực nghiệm trong [75], [115], [119], Tscheng và Watkinson
[109] đã xây dựng phương trình tính toán hệ số truyền nhiệt của tường lò và vật nung
khi chúng tiếp xúc với nhau:
 ws, w

s   .R i2 . L 
 11, 6 .
.

L .Di  30.a s 

0,3

(3.26)

Sử dụng phương trình (3.26), Gorog [55] và Steven J. Kirslis [70] 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.
d) Hệ số truyền nhiệt giữa vỏ lò và môi trường
Hệ số truyền nhiệt giữa vỏ lò và môi trường không khí xung quanh [5]:
sh  0,15. 

1,88

0,11
0,21
 2,54.t sh
.Do

2

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 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  1  fs
(3.41)
sw  1  sf
(3.42)
sf 

Ff
. fs
Fs

3.4.2. Mô hình toán học trong vùng không có ngọn lửa
3.4.2.1. Các giả thiết khi xây dựng mô hình

(3.43)


12

Để xây dựng mô hình toán học, cần phải chấp nhận một số giả thiết sau:
- 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)
- Bỏ qua ảnh hưởng gradient nhiệt độ của khí, vật nung theo phương bán kính
- Nhiệt dung riêng của sản phẩm cháy không đổi.
3.4.2.2. Mô hình toán học
Chia vùng không có ngọn lửa thành các phần tử có chiều dày xác định (hình 3.8a)
và thiết lập phương trình cân bằng nhiệt cho từng phần tử (hình 3.8b).

a) Các phần tử trong vùng không có ngọn lửa

b) Các dòng nhiệt của một phần tử
Hình 3.8. Mô hình truyền nhiệt trong vùng không có ngọn lửa
Phương trình cân bằng nhiệt của 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) và (3.46) vào phương trình (3.44) và biến đổi, nhận được
phương trình xác định nhiệt độ của khí tại các vị trí khác nhau dọc theo chiều dài lò:
Tzz  Tz 

1
.  Qs  Qsh 
mg.cp

(3.47)

Bỏ qua nhiệt tỏa (thu) do các phản ứng hóa học, phương trình cân bằng nhiệt cho
khối vật nung được viết như sau:
Qs  Qws,w  ms .cps .(Ts z  Ts
)
(3.48)
zz

Để khép kín hệ hai phương trình (3.47) và (3.48), mô hình tương tự nhiệt điện
trong vùng không có ngọn lửa được xây dựng và thể hiện trên 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 trong vùng không có ngọn lửa
Bảng 3.2. Các nhiệt trở và hệ số trao đổi nhiệt của mô hình
trong vùng không có ngọn lửa
R1 

1
 g .  wg .Fwg

R2 

R3 

1  w
 w .Fwg

R4 

R5 

1
g . sg .Fs

R6 

R7 

1  s
s .Fs

R8 

R10 

1

2
o .(Tw  Tsh ).(Tw2  Tsh
).ln

'gw .Fwg

R9 

1
sw .Fs . g

'ws, w 

1

'gs 

'gs .Fs
1
'ws, w .Fws

1

'gw 

'
sh


'
sh
.Fsh

2.  . z.  w
 ws, w



o .  Tw  Ts  . Tw2  Ts2



gs



o . Tg  Ts . Tg2  Ts2



gw



o . Tg  Tw . Tg2  Tw2

sh



Ro
RI






2
o .  Tsh  Ta  . Tsh
 Ta2



Áp dụng định luật Kirchoff viết cho dòng nhiệt, viết phương trình tại các điểm nút
và kết hợp với các phương trình (3.47), (3.48) được hệ phương trình:
Tzz  Tz 

1
.  Qs  Qsh 
mg.cp

Qs  Qws,w  ms .cps .(Ts z  Ts

zz

)

 1
 1 
 1 
 1 
1
1 



 .J w    .E g  
 .E w  
 .J s  0
 R1 
 R4 
 R1 R 3 R 4 
 R3 
 1
 1 
 1 
 1 
1
1 



 .Js  
 .E g  

 .Es  0
 .J w  
R
R
R
R
R
5
7
 4
 4
 5
 R7 

(3.53)

 1
 1 
 1 
 1 
 1 
1
1
1 




 .E w  
 .J w  

 .Es  
 .Esh  0
 .E g  
 R2 
 R 2 R 3 R8 R9 
 R3 
 R8 
 R9 
 1
 1 
 1 
1 


 .Esh  
 .E w  
 .Ea  0
 R 9 R10 
 R9 
 R10 

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. Hệ phương trình (3.53) được giải


14

bằng phương pháp lặp Newton - Raphson và được chúng tôi lập trình bằng phần mềm
Microsoft Excel 2010.
Để giải hệ phương trình (3.53), ngoài các hệ số tỏa nhiệt đối lưu và hệ số truyền

nhiệt đã tính toán được trong mô hình truyền nhiệt trong vùng có ngọn lửa thì cần
phải xác định hệ số góc bức xạ giữa các thành phần tham gia trao đổi nhiệt bức xạ
trong vùng không có ngọn lửa. Các thành phần tham gia trao đổi nhiệt bức xạ trong
vùng này bao gồm: khí, tường lò và vật nung. Dựa vào sự trao đổi nhiệt bức xạ của
từng thành phần trên, xác định được hệ số góc bức xạ từ vật nung đến khí (sg), hệ số
góc bức xạ từ tường lò phía mặt thoáng đến khí (wg) và hệ số góc bức xạ từ vật nung
đến tường lò phía mặt thoáng (sw):
sg  wg  sw  1
(3.54)
3.5. Mô phỏng số CFD quá trình cháy than phun trong lò quay xi măng
3.5.1. Mô hình hình học của bài toán và chia lƣới mô hình
3.5.1.1. 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.
Vòi phun được mô hình hóa là những hình vành khuyên đồng tâm biểu thị các
kênh dẫn khí và kênh dẫn than
3.5.1.2. Chia lưới mô hình
Mô hình lò quay xi măng được chia lưới trong ANSYS MESHING sử dụng phương
pháp Sweep Mesh.
3.5.2. Mô hình mô phỏng quá trình cháy than phun trong lò quay xi măng
3.5.2.1. Các phương trình chủ đạo trong mô phỏng bằng phương pháp số CFD
Các phương trình chủ đạo trong mô phỏng số CFD bao gồm hệ phương trình động
lực học chất lưu và phương trình trạng thái
3.5.2.2. Mô hình toán học mô phỏng quá trình cháy than phun
a) Mô hình dòng chảy rối
b) Mô hình cháy
c) Mô hình bức xạ nhiệt
3.5.3. Điều kiện ban đầu
Dữ liệu ban đầu để mô phỏng quá trình cháy than phun là các thông số tính toán
ban đầu lấy từ mô hình lý thuyết. Giải mô hình mô phỏng bằng phần mềm ANSYS sẽ

xác định được trường nhiệt độ của khí, tường lò, vật nung và vỏ lò. Kết quả mô
phỏng được trình bày trong nội dung chương 5 của luận án.
3.6. 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.


15

- Trên cơ sở phương pháp lặp Newton - Raphson đã lập chương trình tính toán bằng
phần mềm Microsoft Excel 2010 để giải mô hình toán học.
- Trên cơ sở phân tích, đánh giá hàng loạt các công thức, đã lựa chọn được các công
thức tính toán phù hợp để xác định các hệ số trao đổi nhiệt và hệ số góc bức xạ trong
mô hình toán học.
- 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 - , mô
hình cháy EDM và mô hình bức xạ nhiệt P1.
CHƢƠNG 4. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ VỎ LÕ QUAY XI MĂNG
4.1. Thiết bị thực nghiệm và thiết bị đo
Đối tượng khảo sát được thực hiện trên lò quay xi măng đang hoạt động thuộc
dây chuyền số 2 nhà máy xi măng Bút Sơn, Hà Nam.
Thiết bị giám sát nhiệt độ vỏ lò trong các 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 là 78m và góc quét của thiết bị nhận tín hiệu nhiệt độ vỏ lò điều
chỉnh ở giá trị 1200, thì thiết bị sẽ cách bề mặt vỏ lò một khoảng là 22 m. Tín hiệu sau
khi về bộ thu nhận sẽ được phần mềm PCS 7 V7.0 xử lý và hiển thị trên màn hình
máy tính tại trung tâm điều khiển PLC của nhà máy.
4.3. Phƣơng pháp tiến hành thực nghiệm
Trong mục này, chúng tôi trình bày các bước tiến hành đo biến thiên nhiệt độ vỏ lò
khi lò đang hoạt động.
4.4. Phƣơng pháp xử lý số liệu thực nghiệm
Để đánh giá độ tin cậy của các kết quả thực nghiệm, chúng tôi tiến hành đo biến
thiên nhiệt độ vỏ lò ở ba thời điểm khác nhau, mỗi thời điểm cách nhau 45 phút
(tương ứng với một mẻ clinker). Các số liệu này được phân tích và xử lý nhằm loại đi
các giá trị không phù hợp, mắc phải sai số quá lớn [12]. Kết quả cuối cùng để so sánh
với kết quả nghiên cứu trong mô hình lý thuyết là giá trị trung bình cộng của ba lần
đo.
4.5. Kết quả đo
Có thể nhận xét ở đây rằng, biến thiên nhiệt độ vỏ lò dao động trong khoảng từ
382 ÷ 591 K (tức là khoảng 109 ÷ 3180C), khoảng giá trị này nằm trong phạm vi dao
động cho phép đối với các lò quay xi măng từ 100 ÷ 5000C.
4.6. Kết luận chƣơng 4
Trong chương này, chúng tôi đã thực hiện được các nội dung chính sau:
- Đã lựa chọn đối tượng thực nghiệm là lò quay thuộc dây chuyền số 2 nhà máy xi
măng Bút Sơn, Hà Nam để đo biến thiên nhiệt độ vỏ lò và xác định các giá trị nhiệt
độ tại một số vị trí đặc trưng của 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 và sử dụng
độ lệch tương đối trung bình (MRD) để đánh giá độ chính xác của mô hình lý thuyết.
- Đã xác định được biến thiên nhiệt độ vỏ lò tại nhà máy xi măng Bút Sơn dọc theo
chiều dài trên cơ sở ba lần lấy số liệu thực nghiệm trong cùng điều kiện vận hành như
nhau và đã xác định được nhiệt độ của khí, vật nung tại một số vị trí đặc trưng của lò.

16

CHƢƠNG 5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
5.1. 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. 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
Với các đại lượng đặc trưng của quá trình cháy than phun đã tính được ở trên, 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.
Do rất khó xác định bằng thực nghiệm vùng có ngọn lửa trong lò quay xi măng nên
để đánh gia độ tin cậy của kết quả tính toán, bên cạnh các kết quả nghiên cứu của
Moles, Watson và Lain [81], Jenkins và Moles [65] cũng áp dụng công thức tính toán
của Ruhland để xác định chiều dài ngọn lửa trong lò quay, độ tin cậy của kết quả tính
toán chiều dài ngọn lửa than phun trong lò quay xi măng Bút Sơn còn được đánh giá
thông qua kết quả nghiên cứu mô phỏng số CFD quá trình cháy than phun, đây là
phương pháp tính toán có độ tin cậy rất cao. Nội dung này sẽ được phân tích trong
phần tiếp theo của luận án. 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 tại Bút Sơn là đáng tin cậy.
5.2.2. Phân bố nhiệt độ của khí, tƣờng lò và vật nung
Giải hệ phương trình xác định được
phân bố nhiệt độ của khí, tường lò,
vật nung và vỏ lò dọc theo chiều
dài, được trình bày trong phụ lục 1

và thể hiện trên đồ thị hình 5.2.
Kết quả tính toán thể hiện trên đồ
thị hình 5.2 cho thấy, khác với quy
luật biến thiên nhiệt độ của khí và
vật nung trong [43], ở đây nhiệt độ
của khí, tường lò và vật nung trong
Hình 5.2. Phân bố nhiệt độ của khí, tường lò,
vùng có ngọn lửa thay đổi rất lớn
vật nung và vỏ lò theo chiều dài
(vùng từ vị trí 0 m đến vị trí 19,23
m); theo chiều dài lò, nhiệt độ của
các thành phần này tăng dần đến giá trị cực đại sau đó giảm dần xuống theo quy luật
parabol đến hết vùng có ngọn lửa, còn ở vùng không có ngọn lửa, sự biến thiên nhiệt
độ của khí, tường lò và vật nung giảm gần như tuyến tính. 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.
Cũng từ đồ thị hình 5.2 nhận thấy, ở vị trí nhiệt độ vật nung đạt giá trị cực đại thì
nhiệt độ của ngọn lửa, tường lò, vật nung có giá trị gần bằng nhau (cả ba đường phân


17

bố nhiệt độ này đều đi qua một điểm trên đồ thị hình 5.2), kết quả này phù hợp với
nghiên cứu trong [124]. Vị trí để nhiệt độ của ngọn lửa và nhiệt độ bề mặt bên trong
của tường lò đạt giá trị cực đại gần như trùng nhau, kết quả nghiên cứu này trùng hợp
với kết quả nghiên cứu của Geoffrey D. Silcox và David W. Pershing [96]. Giải mô
hình toán học xác định được nhiệt độ vật nung tại vị trí đầu lò (vị trí mà vật nung bắt
đầu đi vào lò quay) là 8710C. Giá trị này rất phù hợp với yêu cầu công nghệ đặt ra,
theo đó nhiệt độ của vật nung bắt đầu đi vào lò sau khi ra khỏi tháp trao đổi nhiệt dao

động trong khoảng từ 800 ÷ 9000C [41]. Kết quả tính toán cũng xác định được nhiệt
độ tại một số vị trí đặc trưng như nhiệt độ cực đại của ngọn lửa, nhiệt độ cực đại của
vật nung, nhiệt độ khí tại cuối lò và nhiệt độ vỏ lò. Các kết quả này được trình bày
trong bảng 5.5.
Bảng 5.5. Kết quả tính toán và thực tế
Thông số
Tính toán
Thực tế
0
Nhiệt độ cực đại của ngọn lửa, C
1724
1749
0
Nhiệt độ cực đại của vật nung, C
1466
1380 ÷ 1450
0
Nhiệt độ khí ra khỏi lò, C
1012
900 ÷ 1100
0
Nhiệt độ vỏ lò, C
104 ÷ 340
109 ÷ 318
Kết quả so sánh trong bảng 5.5 nhận thấy, sai lệch nhiệt độ cực đại của ngọn lửa
giữa tính toán và thực tế là 1,43%, sai lệch này trong [5] là 1,96%; sai lệch nhiệt độ
cực đại của vật nung là 1,10%, nhiệt độ khí tại vị trí đầu lò (vị trí mà vật nung bắt đầu
từ cuối tháp trao đổi nhiệt đi vào lò quay) và nhiệt độ vỏ lò hầu như nằm trong phạm
vi dao động cho phép. Những số liệu này cho thấy có sự trùng hợp rất tốt giữa kết
quả tính toán lý thuyết và số liệu thực tế vận hành tại nhà máy.

Ngoài các giá trị nhiệt độ so sánh giữa lý thuyết và thực tế tại một số vị trí đặc
trưng như đã trình bày ở trên, đánh giá độ chính xác của mô hình lý thuyết còn được
so sánh giữa kết quả tính toán biến thiên nhiệt độ vỏ lò với số liệu thực nghiệm đo
được tại nhà máy, thể hiện trên hình 5.3.
Từ đồ thị hình 5.3 nhận thấy, quy luật
biến thiên nhiệt độ vỏ lò giữa lý thuyết
và thực nghiệm khá phù hợp với nhau.
Sai số tương đối trung bình (MRD) tính
theo công thức (4.4) là 7,52%. Với sai
số này và từ những phân tích ở trên có
thể khẳng định rằng mô hình toán học
đã xây dựng có độ chính xác đáp ứng
được yêu cầu đề ra. Mô hình toán học
Hình 5.3. Biến thiên nhiệt độ vỏ lò theo
được xây dựng bởi hai mô hình truyền
chiều dài giữa lý thuyết và thực nghiệm
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. 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 so với các mô hình
truyền nhiệt không xét đến vấn đề này.
Kết quả giải mô hình toán học cũng xác định được nhiệt độ cực đại của ngọn lửa

và vị trí trong lò để đạt được giá trị đó. Đây là thông số đặc biệt quan trọng trong vận
hành lò quay xi măng, bởi phải dựa vào thông số này để điều chỉnh tỷ lệ thành phần
khoáng C3S trong clinker. Nhiệt độ cực đại của ngọn lửa phù hợp nhất để tỷ lệ thành
phần C3S trong clinker đạt yêu cầu công nghệ dao động trong phạm vi từ
1627 ÷ 21270C [82]. Rõ ràng với kết quả tính toán nhiệt độ cực đại của ngọn lửa là
17240C thì tỷ lệ thành phần C3S đã đạt được yêu cầu của công nghệ và dựa vào thông
số này có thể điều chỉnh chính xác tỷ lệ thành phần khoáng quan trọng này của
clinker xi măng.
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. Đây là cơ sở để tính toán lượng nhiệt trao đổi của
từng vùng lò đối với các thành phần tham gia trao đổi nhiệt và sẽ tính được thời gian
gia nhiệt cho vật nung khi thiết kế các lò quay sản xuất xi măng với công suất cho
trước. Ngoài ra, mô hình còn 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 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.
Đồ thị hình 5.4 cho thấy, dọc theo chiều
dài ngọn lửa, hệ số cháy kiệt tăng dần,
điều này phù hợp với nghiên cứu trong
[37], [71]; bắt đầu từ vị trí đầu lò nơi quá
trình cháy chưa xảy ra thì hệ số cháy kiệt
bằng 0 đến khi nhiên liệu được đốt cháy
hoàn toàn thì hệ số này bằng 1. Kết quả

tính toán cho thấy tại vị trí cách miệng
vòi phun khoảng 9 m, nhiệt độ của ngọn
lửa đạt giá trị cực đại là 17240C, tương
Hình 5.4. Đường cong cháy kiệt
ứng là hệ số cháy kiệt bằng 0,64.
Dựa vào đường cong cháy kiệt này, các nhà công nghệ sẽ có sơ sở để lựa chọn các
thông số hợp lý như tốc độ phun, cấu tạo mỏ đốt, tỷ lệ không khí vv... để tổ chức quá
trình cháy thích hợp nhằm tạo ra chế độ nhiệt tối ưu cho lò.
5.2.4. Lƣợng nhiệt vật nung nhận đƣợc
Mục tiêu cuối cùng trong các tính toán về truyền nhiệt là xác định lượng nhiệt trao
đổi giữa các thành phần tham gia trao đổi nhiệt. Dựa vào phân bố nhiệt độ của khí,


19

tường lò, vật nung và vỏ lò, sẽ xác định lượng nhiệt vật nung nhận được trong quá
trình trao đổi giữa vật nung với khí và với tường lò. Giải hệ phương trình xác định
được tổng lượng nhiệt vật nung nhận được bằng bức xạ (từ khí và từ tường lò phía
mặt thoáng) là 10790 kW; nhận được bằng đối lưu (từ khí) là 2071,79 kW; tổng
lượng nhiệt vật nung nhận được bằng cả bức xạ và đối lưu từ phía mặt thoáng là
12861,79 kW. Như vậy, lượng nhiệt vật nung nhận được bằng bức xạ chiếm 83,9%,
bằng đối lưu chiếm 16,1% tổng lượng nhiệt vật nung nhận được từ phía mặt thoáng.
Tường lò đóng vai trò rất lớn trong các quá trình truyền nhiệt của lò quay, thể hiện
không chỉ bởi quá trình truyền nhiệt bằng bức xạ từ phía bề mặt thoáng đến vật nung
mà còn truyền nhiệt đến vật nung thông qua cơ chế truyền nhiệt tiếp xúc. Đây là một
trong những đặc trưng, chỉ xảy ra đối với các thiết bị truyền nhiệt như lò quay. Kết
quả giải mô hình toán học đã xác định được lượng nhiệt vật nung nhận được từ tường
lò theo cả hai phía nêu trên. Theo kết quả tính toán, lượng nhiệt vật nung nhận được
do bức xạ từ tường lò phía mặt thoáng là 4769,28 kW; do tiếp xúc với tường lò là
1035,28 kW; tổng lượng nhiệt vật nung nhận được từ tường lò là 5804,56 kW; tổng

lượng nhiệt vật nung nhận được từ tường lò và khí là 13897,07 kW. Như vậy, lượng
nhiệt tường lò truyền cho vật nung chiếm 41,8% tổng lượng nhiệt vật nung nhận
được, trong đó tường lò truyền cho vật nung bằng bức xạ phía mặt thoáng chiếm
34,3%, phía tiếp xúc chiếm 7,5%. 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 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 và bức xạ
nhiệt của ngọn lửa được xây dựng trên cơ sở hai mô hình toán học độc lập nên có thể
xác định được tỷ lệ riêng phần lượng nhiệt vật nung nhận được ở hai vùng lò đặc
trưng này. Kết quả tính toán xác định được lượng nhiệt vật nung nhận được trong
vùng có ngọn lửa là 5232,04 kW; lượng nhiệt vật nung nhận được trong vùng không
có ngọn lửa là 8665,03 kW. Như vậy, với chiều dài ngọn lửa là 19,23 m thì lượng
nhiệt trung bình vật nung nhận được trên một đơn vị chiều dài trong vùng có ngọn
lửa là 272,08 kW/m; còn vùng không có ngọn lửa, lượng nhiệt này là 147,44 kW/m,
nghĩa là lượng nhiệt trung bình vật nung nhận được trên một đơn vị chiều dài trong
vùng có ngọn lửa gấp 1,85 lần so với vùng không có ngọn lửa. Kết quả này cho thấy,
vai trò rất lớn của quá trình trao đổi nhiệt trong vùng có ngọn lửa của lò quay.
Hơn nữa, kết quả tính toán phân bố nhiệt độ thể hiện trên đồ thị hình 5.2 cho thấy,
chỉ trong vùng có ngọn lửa nhiệt độ của vật nung mới đạt được nhiệt độ theo yêu cầu
công nghệ để nung chín clinker, nhiệt độ này như đã trình bày ở trên là 1380 ÷
14500C.
Với các kết quả tính toán ở trên có thể thấy rằng: vùng có ngọn lửa không chỉ có
vai trò rất lớn đến quá trình truyền nhiệt trong lò (thể hiện thông qua tỷ lệ riêng phần
lượng nhiệt vật nung nhận được trong vùng này) mà còn là vùng có tính chất quyết
định đến chất lượng clinker tức là quyết định đến chất lượng xi măng.
Trên cơ sở các kết quả thu được cũng như những phân tích, đánh giá chúng cho
phép khẳng định rằng: Mô hình toán học mô tả các quá trình truyền nhiệt trong lò

20

quay có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ nhiệt của ngọn lửa đã xây
dựng là hợp lý 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 quá trình truyền nhiệt xảy ra bên
trong lò quay xi măng là: mức điền đầy và tốc độ quay của lò.
5.3.1. Ảnh hƣởng của mức điền đầy
Kết quả tính toán nhận thấy, trong điều kiện giữ nguyên tốc độ quay của lò, khi
tăng mức điền đầy lên 12,1% thì mức nhiệt độ của vật nung đạt được nằm trong giới
hạn cho phép, còn nếu tăng mức điền đầy lên 12,2% thì mức nhiệt độ của vật nung
giảm so với yêu cầu công nghệ. Điều này có nghĩa rằng, để đảm bảo chất lượng
clinker xi măng, với tốc độ chuyển động quay của lò là 3 v/ph thì mức điền đầy chỉ
có thể tăng lên tối đa là 12,1%. Kết quả tính toán phân bố nhiệt độ của vật nung và
lượng nhiệt vật nung nhận được, trình bày trong phụ lục 3 và thể hiện trên đồ thị hình
5.10, hình 5.11.

Hình 5.11. Ảnh hưởng của mức điền
Hình 5.10. Ảnh hưởng của mức điền đầy
đầy đến lượng nhiệt vật nung nhận được
đến phân bố nhiệt độ của vật nung
trong phạm vi từ 12 ÷ 12,1%
trong phạm vi từ 12 ÷ 12,1%
Đồ thị hình 5.11 cho thấy, khi mức điền đầy tăng từ 12 ÷ 12,1% thì năng suất lò sẽ
tăng lên từ 166660 kg/h ÷ 167920 kg/h (giá trị tăng lên là 1260 kg/h) đồng thời tổng

lượng nhiệt vật nung nhận được tăng lên từ 13897,07 kW ÷ 16304,81 kW, tức là tăng
1,17 lần và tỷ lệ lượng nhiệt tổn thất ra môi trường qua vỏ lò giảm từ 10,5% xuống
còn 10,3%. Mức giảm tổn thất nhiệt qua vỏ lò tuy không đáng kể nhưng kết quả tính
toán cho thấy, tăng mức điền đầy trong phạm vi từ 12 ÷ 12,1% không chỉ làm tăng
năng suất lò mà còn làm tăng lượng nhiệt vật nung nhận được và vẫn đảm bảo được
chất lượng xi măng theo yêu cầu công nghệ. Kết quả thu được đối với lò quay xi
măng Bút Sơn là cơ sở quan trọng để vận hành lò cho năng suất, chất lượng và tiết
kiệm nhiên liệu nhất.
5.3.2. Ảnh hƣởng chuyển động quay của lò
Kết quả tính toán được trình bày trong phụ lục 4 và được thể hiện trên đồ thị hình
5.12, hình 5.13.


21

Hình 5.12. Ảnh hưởng của chuyển động
quay đến phân bố nhiệt độ của vật nung

Hình 5.13. Ảnh hưởng của chuyển động
quay đến lượng nhiệt vật nung nhận được

Kết quả tính toán thể hiện trên đồ thị hình 5.12 cho thấy, khi tăng tốc độ chuyển
động quay của lò từ 2,7 lên 3,1 v/ph và giữ năng suất lò không đổi thì tổng lượng
nhiệt vật nung nhận được giảm từ 13957,01 kW xuống còn 13875,82 kW. Giá trị
giảm xuống là 81,19 kW nhiệt. Lượng nhiệt giảm này là do sự giảm mức điền đầy
của vật nung như đã nghiên cứu trong mục 5.3.1. Như vậy, kết quả tính toán khẳng
định rằng trong phạm vi chuyển động quay của lò từ 2,7 ÷ 3,1 v/ph với năng suất lò
không đổi là 166660 kg/h thì phân bố nhiệt độ của vật nung dọc theo chiều dài thay
đổi không đáng kể đảm bảo được chất lượng clinker. Tuy nhiên, khi tăng tốc độ quay
của lò thì tổng lượng nhiệt vật nung nhận được lại giảm. Vì vậy, trong điều kiện này

cần duy trì tốc độ chuyển động quay của lò ở mức thấp nhất trong phạm vi dao động
trên.
5.4. 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.

Hình 5.14. Phân bố nhiệt độ của 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 quả nghiên cứu mô phỏng cho thấy, có sự trùng hợp rất tốt giữa mô hình lý
thuyết và mô hình mô phỏng bằng phương pháp số CFD. Và từ kết quả so sánh giữa
mô hình lý thuyết và mô hình mô phỏng với kết quả thực nghiệm có thể khẳng định
vai trò và triển vọng của các mô hình đã được xây dựng. Nhận thấy rằng, ứng dụng
mô hình toán học đã xây dựng cho phép thiết lập các thông số vận hành tối ưu cho
các lò quay xi măng khác nhau hoặc tính kiểm tra các thông số vận hành một cách dễ
dàng. Đối với mô hình mô phỏng số CFD, có thể thực hiện được các công việc mà
nghiên cứu thực nghiệm gặp nhiều khó khăn hoặc không thể tiến hành bằng thực
nghiệm. Tuy nhiên, phương pháp này cần rất nhiều thời gian chạy chương trình cũng

như những yêu cầu cao của kỹ thuật máy tính. Bởi vậy, nếu mục đích thiết lập các
thông số vận hành tối ưu cho các lò quay xi măng thì sử dụng mô hình toán học đã
xây dựng sẽ thuận tiện hơn nhiều so với sử dụng mô hình mô phỏng bằng phương
pháp số CFD.
5.5. Kết luận chƣơng 5
- Đã xác định được phân bố nhiệt độ của các thành phần tham gia trao đổi nhiệt
trong lò quay xi măng Bút Sơn (khí, tường lò và vật nung), xét về định tính phù hợp
với dạng các đường cong phân bố nhiệt độ trong các lò quay xi măng đã được nghiên
cứu trước đây nhưng xét về định lượng thì các giá trị nhiệt độ của khí, tường lò, vật
nung đều có giá trị sát với thực tế hơn. Độ chính xác của mô hình toán học được kiểm
chứng thông qua kết quả đo biến thiên nhiệt độ vỏ lò với sai số tương đối trung bình
(MRD) là 7,52%; so sánh nhiệt độ tại một số vị trí đặc trưng với sai lệch nhiệt độ cực
đại của ngọn lửa là 1,43%, sai lệch nhiệt độ cực đại của vật nung là 1,10%, nhiệt độ
của khí tại vị trí đầu lò và khoảng dao động biến thiên nhiệt độ vỏ lò đều nằm trong
phạm vi cho phép.
- Kết quả mô phỏng quá trình cháy than phun bằng phương pháp mô phỏng số CFD
độc lập với mô hình toán học nhưng với cùng điều kiện vận hành tại nhà máy xi
măng Bút Sơn cho thấy có sự trùng hợp rất tốt giữa hai mô hình tính toán. Cùng với
kết quả so sánh nhiệt độ tại một số vị trí đặc trưng trong lò giữa lý thuyết và thực tế
cũng như kết quả so sánh biến thiên nhiệt độ vỏ lò, thì những kết quả thu được từ mô
phỏng bằng phương pháp số CFD càng khẳng định thêm về độ tin cậy của mô hình
toán học đã xây dựng. Vì vậy, ta có thể dùng mô hình toán học để làm cơ sở tính toán
thiết kế một lò mới hoặc tính kiểm tra nhanh các thông số của một lò đang vận hành
khi không có điều kiện đo đạc.
- Mô hình toán học có xét đến ảnh hưởng của quá trình cháy và bức xạ của ngọn lửa
đã xác định được tỷ lệ riêng phần của từng phương thức trao đổi nhiệt: lượng nhiệt
vật nung nhận được bằng bức xạ từ phía mặt thoáng chiếm 83,9% và bằng đối lưu
chiếm 16,1% tổng lượng nhiệt vật nung nhận được từ phía mặt thoáng; 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. Trong đó, lượng nhiệt
tường lò truyền bằng bức xạ từ phía mặt thoáng chiếm 34,3% và truyền cho vật nung
theo cơ chế tiếp xúc chiếm 7,5%. Đây chính là một trong những đặc trưng 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 này là 147,44 kW/m, nghĩa là lượng
nhiệt trung bình vật nung nhận được trên một đơn vị chiều dài trong vùng có ngọn
lửa gấp 1,85 lần so với vùng không có ngọn lửa. Kết quả này khẳng định vai trò rất
lớn của truyền nhiệt trong vùng có ngọn lửa của lò quay.
- Với điều kiện vận hành của lò quay xi măng Bút Sơn như tốc độ chuyển động quay
3 v/ph thì mức điền đầy tối đa có thể tăng lên là 12,1% mà vẫn đảm bảo được chất
lượng clinker (tức là năng suất lò tối đa có thể đạt được là 167920 kg/h).
- Sự thay đổi tốc độ chuyển động quay của lò trong phạm vi từ 2,7 ÷ 3,1 v/ph và giữ
nguyên năng suất lò sẽ không ảnh hưởng nhiều đến phân bố nhiệt độ của vật nung.
Tuy nhiên, trong điều kiện này tốc độ quay càng tăng thì tổng lượng nhiệt vật nung
nhận được lại càng giảm. Vì vậy, cần duy trì tốc độ chuyển động quay ở mức thấp
nhất trong phạm vi dao động trên.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
KẾT LUẬN
Từ những kết quả nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng số CFD cho
phép rút ra các kết luận cơ bản sau đây:
1. 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. Sai
lệch giữa nhiệt độ vỏ lò tính toán và nhiệt độ vỏ lò đo được theo MRD là 7,52%, sai
lệch nhiệt độ cực đại của ngọn lửa là 1,43%, sai lệch nhiệt độ cực đại của vật nung là
1,10%, nhiệt độ tại vị trí đầu lò và khoảng dao động biến thiên nhiệt độ vỏ lò đều
nằm trong phạm vi cho phép. Các sai lệch này đều có thể chấp nhận được trong tính
toán kỹ thuật. Do vậy, mô hình toán học đã xây dựng có khả năng ứng dụng trong
thực tiễn để tính toán thiết kế một lò mới hoặc tính kiểm tra nhanh các thông số của
một lò đang vận hành mà không có điều kiện đo đạc.
2. 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.
Trong vùng có ngọn lửa, theo chiều dài tính từ đầu vòi phun, nhiệt độ của chúng tăng
dần đến giá trị cực đại sau đó giảm dần xuống theo quy luật parabol đến hết vùng
ngọn lửa; còn trong vùng không có ngọn lửa, nhiệt độ của chúng biến thiên gần như
tuyến tính và giảm dần theo chiều dài.
3. Đặc trưng của mô hình toán học đã xây dựng là xác định được tỷ lệ riêng phần
lượng nhiệt vật nung nhận được trong từng vùng lò. Trong điều kiện vận hành ổn
định của lò quay xi măng Bút Sơn: năng suất lò 166660 kg/h, tốc độ quay 3 v/ph,
mức điền đầy 12% thì 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 là 147,44
kW/m, nghĩa là lượng nhiệt trung bình vật nung nhận được trên một đơn vị chiều dài