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

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

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],



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

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

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

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 




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. 

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 


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.



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



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


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 

 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 

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



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)

R2
R3

R9

Ew

R10

Esh

Ea

R8
R1

Eg

R4

Jw

R7

Js

Es

R5
R6

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



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

 .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  

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

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.


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

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

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


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

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

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