TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ──────── * ───────

THỰC TẬP TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG

QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG BUỒNG ĐỐT

Sinh viên thực hiện : HOÀNG TIẾN ĐẠT Lớp : KSCLC – CƠ KHÍ HÀNG KHÔNG – K55 Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS. NGUYỄN PHÚ KHÁNH

TS. HOÀNG THỊ KIM DUNG

HÀ NỘI 04-2015

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ THỰC TẬP TỐT NGHIỆP

1. Thông tin về sinh viên Họ và tên sinh viên: Hoàng Tiến Đạt Điện thoại liên lạc: 090 212 2130 Email: tiendat92.hoang@gmail.com Lớp: KSCLC - Cơ khí Hàng không K55 Hệ đào tạo: Chính quy Thực tập tốt nghiệp (TTTN) được thực hiện tại: Viện Nghiên cứu Quốc tế về Khoa học và Kỹ thuật Tính toán, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Thời gian làm TTTN:

Ngày giao nhiệm vụ: 20 / 01 / 2015 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 31 / 03 / 2015

2. Mục đích nội dung của TTTN - Mô phỏng quá trình cháy của than trong lò quay xi măng.

3. Các nhiệm vụ cụ thể của TTTN - Tìm hiểu tổng quan về lò quay xi măng. - Tìm hiểu lý thuyết về than, quá trình cháy của than. - Mô phỏng cháy than trong lò quay, đưa ra các kết quả về phân bố nhiệt độ cháy,

tính toán hiệu suất cháy. 4. Lời cam đoan của sinh viên:

Tôi – Hoàng Tiến Đạt – cam kết TTTN là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Phú Khánh và TS. Hoàng Thị Kim Dung. Các kết quả nêu trong TTTN là trung thực, không phải là sao chép toàn văn của bất kỳ công trình nào khác.

Hà Nội, ngày 31 tháng 03 năm 2015 Tác giả TTTN

Hoàng Tiến Đạt

5. Xác nhận của giáo viên hướng dẫn về mức độ hoàn thành của TTTN và cho phép bảo vệ: ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………

Hà Nội, ngày….tháng….năm 2015

Giáo viên hướng dẫn

PGS.TS. Nguyễn Phú Khánh

TÓM TẮT NỘI DUNG THỰC TẬP

Đồ án môn học “Nghiên cứu và mô phỏng quá trình cháy trong buồng đốt” đã thu được những kết quả về quá trình cháy của than trong lò hơi nhà máy nhiệt điện. Tiếp tục những kết quả đã thu được từ Đồ án môn học và để chuẩn bị cho Đồ án tốt nghiệp sắp tới, em chọn nghiên cứu về “Quá trình cháy than trong lò quay xi măng” trong kì Thực tập tốt nghiệp của mình, với mong muốn tích thu thêm kiến thức và kinh nghiệm nghiên cứu bài toán cháy than. Kì thực tập của em được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Phú Khánh, TS. Hoàng Thị Kim Dung tại Viện Nghiên cứu Quốc tế về Khoa học và Kỹ thuật Tính toán (ICSE). Nội dung của kì thực tập là mô phỏng quá trình cháy than trong lò quay xi măng sử dụng phần mềm ANSYS CFX 15.0, với bản quyền phần mềm được hỗ trợ bởi viện ICSE. Lò quay xi măng là bộ phận chính trong hệ thống nhà máy xi măng, có chức năng chính là biến đổi từ bột phối liệu nguyên liệu thành các hạt clinker là thành phần chính của xi măng. Quá trình biến đổi này diễn ra dưới điều kiện nhiệt độ cao trong lò nhờ nhiệt lượng từ sự cháy của nhiên liệu than. Quá trình cháy là đối tượng chính của nghiên cứu này. Các kết quả cần đạt được là các phân bố nhiệt độ bên trong lò và thành phần của hỗn hợp khí sau cháy.

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG LÒ QUAY XI MĂNG .............................. 1 

1.1. Lò quay ............................................................................................................ 1 

1.2. Hệ thống vòi đốt ............................................................................................. 2 

CHƯƠNG 2: QUÁ TRÌNH CHÁY THAN TRONG LÒ QUAY XI MĂNG ...... 3 

2.1. Giai đoạn I: Bốc hơi chất bốc ........................................................................ 3 

2.2. Giai đoạn II: Cháy chất bốc .......................................................................... 4 

2.3. Giai đoạn III: Cháy hạt cốc ........................................................................... 5 

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH CHÁY THAN TRONG LÒ QUAY XI MĂNG .................................................................................................... 10 

3.1. Mô hình hình học của bài toán ................................................................... 10 

3.2. Chia lưới mô hình ......................................................................................... 10 

3.3. Điều kiện đầu vào của bài toán ................................................................... 11 

3.3.1.  Thành phần và tính chất than ........................................................ 11 

3.3.2.  Các phương trình phản ứng của quá trình cháy .......................... 12 

3.3.3.  Điều kiện tại mặt vào và mặt ra. Điều kiện tương tác ................. 13 

3.4. Kết quả mô phỏng ........................................................................................ 14 

3.4.1.  Phân bố nhiệt độ trong lò ................................................................ 14 

3.4.2.  Phân bố các sản phẩm cháy ............................................................ 17 

3.4.3.  Quỹ đạo chuyển động của các hạt than và hiệu suất cháy .......... 18 

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG .................................................... 19 

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 20 

DANH MỤC HÌNH, BẢNG VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống lò quay xi măng. ................................................................. 1 Hình 1.2: Quá trình biến đổi hóa lý trong lò quay. .................................................... 2 Hình 1.3: Cấu tạo vòi phun than nhiên liệu trong lò quay xi măng. .......................... 2 Hình 2.1: Mô hình Kobayashi. .................................................................................... 4 Hình 2.2: Cơ chế của mô hình lớp biên ổn định, trong đó oxi và cacbon monoxit

khuếch tán tới hạt mà không có phản ứng hóa học. ........................................... 6 Hình 2.3: Cơ chế mô hình màng kép của quá trình cháy hạt cacbon. ........................ 7 Hình 2.4: Các chế độ cháy ứng với nhiệt độ và kích thước hạt than khác nhau. ....... 7 Hình 3.1: Mô hình lò quay có dạng trụ tròn dài 78 m. ............................................. 10 Hình 3.2: Vị trí đầu vào lò và mô hình hóa đầu vòi đốt và lớp vật liệu nung. ......... 10 Hình 3.3: Lưới mô hình chia theo phương pháp Sweep Mesh. ................................. 11 Hình 3.4: Thiết lập các thông số cho phản ứng bốc hơi chất bốc ............................ 12 Hình 3.5: Thiết lập các thông số cho phản ứng cháy chất bốc................................. 12 Hình 3.6: Các giá trị thiết lập cho tốc độ cháy bề mặt và tốc độ khuếch tán khí oxi. ... 13 Hình 3.7: Phân bố nhiệt tại mặt cắt giữa lò. ............................................................ 14 Hình 3.8: Phân bố nhiệt độ tại vùng đầu vào của lò. ............................................... 14 Hình 3.9: Phân bố nhiệt độ trên bề mặt lớp vật liệu................................................. 14 Hình 3.10: Phân bố nhiệt độ tại các mặt cắt ngang Z dọc theo chiều dài lò. .......... 15 Hình 3.11: Phân bố thành phần CO2 và H2O theo tỉ lệ khối lượng. ......................... 17 Hình 3.12: Quỹ đạo chuyển động của hạt than bên trong lò quay. .......................... 18

Bảng 2.1: Nhiệt lượng cháy của một số hiđrocacbon. ................................................ 5 Bảng 3.1: Bảng thành phần cấu tạo của than cám dùng trong mô phỏng. .............. 11 Bảng 3.2: Điều kiện phun than và khí. ...................................................................... 13

Đồ thị 3.1: Phân bố nhiệt độ dọc theo chiều dài lò. ................................................. 16 Đồ thị 3.2: Phân bố nhiệt độ trong vùng ngọn lửa. .................................................. 16 Đồ thị 3.3: Phân bố thành phần các chất trong hỗn hợp cháy dọc theo chiều dài lò. .. 17

bộph

Cđểdàtrụbinhchth

1.

lòbivàkhmđưcáđầliệnhkh(ctrì

CH

Hệ thốngột nguyên hổ biến nhấ

ấu tạo chuể đổ vào mài lớn thườục đối xứniến đổi từ bhiên liệu đhỉ quan tâmhống vòi đố

.1. Lò quaLò quay l

ò từ 30 – 40iến đổi của à lực quay hoảng 35 –

mặt nhận nhược phun tác sản phẩmầu ra khoảnệu thành xhờ dòng khhoảng 30 –calcining) lình nhiệt ph

HƯƠNG 1:

g lò quay xliệu. Lò quất hiện nay

ung của hệ một đầu củaờng từ 70 –ng với tốc bột nguyênể cung cấp

m tới hai bốt (3).

ay là ống thép 0. Bên tronxi măng ncủa lò mà

– 45 cm/phúhiệt từ quátừ phía đầum cháy (khng 500 – 70i măng. Sấhí nóng tro– 40% khốlàm nhiệt đhân, trong

: GIỚI TH

xi măng là uay là phưy. Hình 1 m

Hình 1.1: S

thống gồma lò quay (đ– 100m, đặtđộ từ 1 –

n liệu thànhp nhiệt lượnộ phận chí

hình trụ, trng lò là nơi guyên liệu.chuyển độút. Trong q

á trình cháyu thấp của hí thải) tho00oC. Hìnhấy khô (dryong lò. Khối lượng vàđộ của nguđó có phản

C

HIỆU HỆ T

một kiểu hương pháp mô tả một h

Sơ đồ hệ thố

m các xyclođầu cao hơt nghiêng t3 vòng/ph

h xi măng;ng cho toàính liên qu

rong lót gạcxảy ra quá

. Nguyên liộng dần tớiquá trình diy và biến đlò, cháy và

oát ra ở phíh 2 mô tả cying) là quhi mới vàoà giảm xuố

uyên liệu bộn ứng phân

3

otCaCO

THỐNG L

hệ thống dsản xuất x

hệ thống lò

ống lò quay

on (1) dạngơn); lò quaytừ 3 – 5o soút, là bộ phệ thống v

àn bộ quá truan tới quá

ch chịu lửaá trình cháyiệu vào lò t phía đầu ti chuyển, bđổi lý hóa à truyền nhía đầu cao các quá trìná trình làm

o lò lượng ống còn 8 ột tăng lênhủy của đá

CaO C

LÒ QUAY

dùng trong xi măng hiò quay điển

y xi măng.

g tháp cao cy (2) có dạo với phươnphận chính vòi đốt (3) rình biến đtrình cháy

a. Tỉ lệ chiềy của nhiêntừ phía đầuthấp của lòbột nguyên

thành xi mhiệt cho bộcủa lò, nhi

nh biến đổi m mất nước

nước tron– 10% sau

n cao và bắá vôi là qua

2CO

Y XI MĂN

sản xuất xện đại và đ

n hình.

chứa bột nạng trụ trònng ngang, nơi xảy rahòa trộn vđổi trong lòy là lò quay

ều dài/đườnn liệu và cáu cao, theo đò, tốc độ ch

liệu luôn tmăng. Nhiêt nguyên liiệt độ của khóa lý từ b

c của bột ng nguyên u khi sấy. ắt đầu xảy an trọng nh

1

NG

xi măng từđược dùng

nguyên liệun với chiềuquay xunga quá trìnhvà đốt cháyò. Ở đây tay (2) và hệ

ng kính củaác quá trìnhđộ nghiêng

huyển độngthay đổi bềên liệu đốtiệu, sau đókhí thải tạibột nguyênnguyên liệuliệu chiếmNung khôra các quá

hất:

(0.1)

ừ g

u u g h y a ệ

a h g g ề t ó i n u

m ô á

)

Hình 1.2: Quá trình biến đổi hóa lý trong lò quay.

Quá trình nung kết (sintering) làm các hạt bột gắn kết lại với nhau ở nhiệt độ cao, hình thành nên các viên clinker, là thành phần chính của xi măng.

1.2. Hệ thống vòi đốt Hệ thống vòi đốt có nhiệm vụ chính là đốt cháy nhiên liệu, tạo ra nhiệt lượng lớn

cung cấp cho các quá trình biến đổi của xi măng. Loại nhiên liệu thường được sử dụng là than bột. Có nhiều kiểu hệ thống vòi phun nhưng chúng đều có điểm chung là hướng tới tăng khả năng hòa trộn của nhiên liệu nhằm nâng cao hiệu suất của quá trình cháy. Hình 3 mô tả cấu tạo của một đầu vòi phun.

a) Cấu tạo đầu vòi phun b) Đường phun than và khí bên

trong vòi

Hình 1.3: Cấu tạo vòi phun than nhiên liệu trong lò quay xi măng.

Than nhiên liệu dạng bột hòa trộn với không khí (dòng sơ cấp) và được phun vào lò qua đường màu đen (hình 1.3b, hay đường màu cam ở hình 1.3a), vận tốc phun từ 20 – 30 m/s, nhiệt độ của dòng hỗn hợp thường rơi vào 50 – 70oC. Dòng khí cấp I (màu xanh gồm axial và swirl air) có vận tốc lớn cỡ ~ 200 m/s có tác dụng tăng khả năng hòa trộn của hỗn hợp nhiên liệu than và khí để nâng cao hiệu suất cháy.

2

3

CHƯƠNG 2: QUÁ TRÌNH CHÁY THAN TRONG LÒ QUAY XI MĂNG

Trong lò quay, than nhiên liệu được đốt cháy ở dạng bột min, quá trình cháy là không đồng thể, với than ở dạng hạt rắn và chất oxi hóa là khí oxi có trong không khí. Quá trình cháy của than phức tạp gồm nhiều giai đoạn và có nhiều phản ứng xảy ra. Có thể phân quá trình này thành 3 giai đoạn chính theo thứ tự xảy ra như sau:

- Giai đoạn I: Các hạt than được nung nóng, chất bốc và hơi nước thoát ra khỏi than. - Giai đoạn II: Chất bốc bốc cháy tạo nhiệt độ cao để khởi động sự cháy của thành phần cốc. - Giai đoạn III: Thành phần cốc cháy.

2.1. Giai đoạn I: Bốc hơi chất bốc Trong giai đoạn này, đầu tiên than nóng lên và thành phần nước trong than bốc

hơi trước. Sự bốc hơi nước diễn ra nhanh do nước có hàm lượng nhỏ và nhiệt độ sôi thấp (100oC) so với nhiệt độ trong lò. Tiếp đó là quá trình bốc hơi của chất bốc, đây là quá trình chi phối trong giai đoạn I. Phương trình phản ứng của quá trình này có thể được viết như sau:

Than ot Cốc + Chất bốc (2.1)

Quá trình bốc hơi chất bốc là quá trình thoát ra của thành phần chất bốc khi than bị đốt nóng. Đây là một đặc điểm quan trọng của quá trình cháy của than. Chất bốc ở dạng khí cháy nhanh hơn nhiều so với hạt cốc còn lại và do đó nó có vai trò quan trọng tạo ra sự khởi đầu và ổn định ngọn lửa, và quan trọng trong hình thành các oxit của nitơ (NOx), là các khí thải gây ô nhiễm. Hơn nữa, quá trình bốc hơi này sẽ xác định lượng cốc còn lại bị đốt cháy cũng như các đặc tính vật lý của cốc sinh ra, với những tác động đến sau lên tính chất cháy của cốc. Các loại than khác nhau có hàm lượng chất bốc khác nhau, tối đa có thể chiếm tới 50% khối lượng của than. Bản chất của quá trình bốc hơi chất bốc là sự phá vỡ các liên kết yếu trong cấu trúc phân tử của than. Số lượng chất bốc thoát ra và cấu trúc hóa học của nó phụ thuộc vào nhiệt độ và tốc độ nóng lên của hạt than; kích thước hạt và cấu trúc hóa học của than, trong đó tốc độ làm nóng hạt có ảnh hưởng mạnh nhất. Với tầm quan trọng của quá trình bốc hơi tới sự cháy của hạt rắn và tính phức tạp của các quá trình vật lý và hóa học khi bốc hơi, nhiều mô hình đã được phát triển để mô tả tốc độ bốc hơi của chất bốc từ than. Các mô hình đơn giản nhất dùng tốc độ Arrhenius đơn hoặc đa. Mô hình tốc độ Arrhenius đơn (single Arrhenius rate model) giả thiết rằng tốc độ bốc hơi phụ thuộc bậc nhất vào hàm lượng chất bốc còn lại trong hạt than:

/

( )∞

−

= −

= E RT

dV k V Vdt

k Be (2.2)

Đồng nhất phương trình (2.2) với dữ liệu thực nghiệm tìm ra được năng lượng hoạt hóa hiệu dụng khoảng 230 kJ/mol, phù hợp với năng lượng hoạt hóa để phá vỡ các liên kết yếu trong phân tử than.

Cách tiếp cận tốc độ đơn định nghĩa theo (2.2) phù hợp với tốc độ bốc hơi ở vùng nhiệt độ cao, nhưng không xét tới được sự thay đổi lượng chất bốc thoát ra theo hàm của nhiệt độ. Để làm được điều này, Kobayashi và các cộng sự đã đề xuất mô hình hai phản ứng đồng thời, với năng lượng hoạt hóa và lượng chất bốc tạo ra của mỗi phản ứng khác nhau. Mô hình này được gọi là mô hình Kobayashi. Cơ chế của nó được mô tả như hình 2.1:

Hình 2.1: Mô hình Kobayashi.

Với 1 2/ /1 1 2 2,E RT E RTk B e k B e− −= = , và V1, V2 là lượng chất bốc tạo ra ở mỗi phản ứng.

Với mô hình này, tốc độ bay hơi tức thời bằng tổng hai tốc độ k1 và k2:

( )

( )

1 2

1 1 2 2

dc k k cdtdV V k V k cdt

= − +

= + (2.3)

Với c là khối lượng hạt than còn lại trong quá trình bốc hơi. 2.2. Giai đoạn II: Cháy chất bốc

Trong giai đoạn này, chất bốc sinh ra từ giai đoạn I sẽ bốc cháy khi nhiệt độ đạt trên 500oC. Vì thành phần chính của chất bốc là các khí hiđrocacbon CxHy nên phương trình cháy của chất bốc có thể được viết như sau:

2 2 24 2ot

x yy yC H x O xCO H O + + → +

(2.4)

Nhiệt lượng sinh ra của quá trình phụ thuộc vào thành phần hóa học của chất bốc. Bảng 2.1 trình bày một số khí hiđrocacbon và nhiệt lượng sinh ra khi cháy của chúng.

4

Công thức hóa học Tên gọi Nhiệt lượng cháy (kJ/kg) CH4 Methane 891.5901 C2H2 Acetylene 1301.4559 C2H4 Ethylene 1412.9937 C2H6 Ethane 1562.0739 C3H8 Propane 2223.0883 C4H10 n-Butane 2881.3792

Bảng 2.1: Nhiệt lượng cháy của một số hiđrocacbon.

Tốc độ của phản ứng (2.4) là nhanh hơn nhiều so với tốc độ khuếch tán của khí O2, do vậy tốc độ của quá trình cháy phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán khí O2 tới vùng khí hiđrocacbon. Từ giả thiết này, ta có thể sử dụng mô hình xoáy – phân tán (Eddy – Dissipation Model) để mô hình hóa quá trình cháy chất bốc. Theo mô hình này, tốc độ phản ứng thực của chất I trong phản ứng thứ k, Rk, trong chuỗi phản ứng là biểu thức có giá trị nhỏ hơn trong hai biểu thức dưới đây:

( )

[ ]minkkI

IPk

kI IP

IR Ak v

I WR AB

k v W

ε

ε

= ′

= ′′

∑∑

(2.5)

Trong đó: [I] là nồng độ mol của chất phản ứng I. (I) là nồng độ mol của chất sản phẩm I. WI là khối lượng mol của chất I.

kIv′ là hệ số tỉ lượng của chất phản ứng I trong phản ứng k.

kIv′′ là hệ số tỉ lượng của chất sản phẩm I trong phản ứng k.

P∑ là lấy tổng theo tổng số các chất sản phẩm P.

ε, k lần lượt là tốc độ phân tán và động năng rối (Dissipation Rate, Turbulent Kinetic Energy – TKE).

A, B là các hằng số thực nghiệm. Thông thường A = 4 và B = 0.5. Từ đó tốc độ xảy ra của toàn bộ quá trình đối với chất I sẽ là:

( )1

K

I I kI kI kk

S W v v R=

′′ ′= −∑ (2.6)

2.3. Giai đoạn III: Cháy hạt cốc Sau khi trải qua 2 giai đoạn trên, hạt còn lại lúc này là hạt cốc với thành phần

gồm cacbon cố định và xỉ, trong đó thành phần xỉ không tham gia vào quá trình cháy. Sự cháy hạt cốc là một quá trình phức tạp, phụ thuộc vào nhiệt đô xung quanh hạt và kích thước của hạt. Nếu nhiệt độ cao và kích thước hạt nhỏ thì quá trình cháy sẽ sinh ra chủ yếu là khí cacbon monoxit CO. Nếu nhiệt độ cao và kích thước hạt

5

lớn hơn thì sẽ có nhiều khí CO2 được sinh ra. Phân tích dưới đây coi toàn bộ hạt cốc là cacbon. Hệ số tỉ lượng thích hợp cho phản ứng oxi hóa cacbon thực sự không rõ ràng, vì có hai trạng thái oxi hóa khác nhau của cacbon là cacbon monoxit CO và cacbon đioxit CO2 đều có thể xuất hiện khi bề mặt hạt cacbon bị oxi hóa.

2

2 2

2 2 ( 110 / )

( 94 / )

o

o

t

t

C O CO H kJ mol C

C O CO H kJ mol C

+ → ∆ = −

+ → ∆ = − (2.7)

Sự khác biệt lớn ở lượng nhiệt năng sinh ra của hai phản ứng này và hai điểm khác biệt trong tốc độ khí hóa cacbon trên 1 mol oxi phản ứng là vấn đề cần xem xét để hiểu đúng về phản ứng oxi hóa cacbon. Nhiều thí nghiệm đã được tiến hành để cố gắng làm rõ các phản ứng này. Qua các thí nghiệm người ta tìm ra rằng lượng CO2 sinh ra từ oxi hóa trực tiếp cacbon chỉ đáng kể khi ở nhiệt độ tương đối thấp so với nhiệt độ cháy, và có thể giả thiết rằng ở nhiệt độ cháy chỉ có CO được sinh ra. Trong trường hợp đơn giản nhất, có thể giả thiết thêm rằng CO sinh ra sẽ khuếch tán ra ngoài mà không phản ứng thêm nữa, thường gọi là mô hình lớp biên ổn định như được minh họa trong hình 2.2:

Hình 2.2: Cơ chế của mô hình lớp biên ổn định, trong đó oxi và cacbon monoxit khuếch

tán tới hạt mà không có phản ứng hóa học.

Thực tế nếu nhiệt độ đủ cao (trên 1000 K) và hạt đủ lớn, khí CO sẽ bị oxi hóa thành CO2 ở vùng lớp biên này:

2 22 2otCO O CO+ → (2.8)

Khi đó, lượng oxi đến bề mặt hạt sẽ bị giảm xuống vì một phần đã bị dùng để oxi hóa CO, và CO2 trở thành chất oxi hóa cacbon theo phản ứng Boudouard:

2 2otC CO CO+ → (2.9)

Như vậy khi gặp đủ điều kiện thì hạt cacbon sẽ bị oxi hóa theo một mô hình màng kép (double-film model) với hàm lượng các chất được minh họa theo hình vẽ dưới đây.

6

Hình 2.3: Cơ chế mô hình màng kép của quá trình cháy hạt cacbon.

Cacbon đioxit oxi hóa cacbon với tốc độ chậm hơn đáng kể so với oxi tại cùng nhiệt độ cháy. Kết quả là sự chuyển tiếp từ cháy kiểu màng đơn sang kiểu màng kép tạo ra sự giảm tốc độ oxi hóa cacbon. Trong phản ứng oxi hóa hạt cacbon dạng rắn tạo ra khí CO (bởi O2 hoặc CO2), hai mol khí CO được tạo ra từ một mol khí chất phản ứng, lượng khí sinh ra nhiều hơn lượng khí phản ứng nên hình thành một dòng chất khí chảy ra xa bề mặt của hạt. Dòng chảy này có tên là dòng Stefan, nó làm giảm tốc độ truyền nhiệt và khối lượng từ lớp biên tới bề mặt hạt. Như vậy để mô hình hóa chính xác quá trình oxi hóa cacbon cần tính tới ảnh hưởng của dòng Stefan làm giảm tốc độ khuếch tán oxi tới bề mặt hạt.

Sự xuất hiện của các lỗ tổ ong trong hạt cốc cho phép các chất oxi hóa đi sâu vào bên trong hạt và do đó làm tăng diện tích tiếp xúc cho các phản ứng lên đáng kể. Các hạt cốc thường có tỉ lệ xốp lớn hơn 0.3, phụ thuộc vào lượng chất bốc có trong hạt than ban đầu và sự nở ra hay co lại của hạt trong quá trình bốc hơi. Diện tích bề mặt bên trong của hạt cốc thường trên 100 m2/g. Với khối lượng riêng của cốc thường là 0.8 g/cm2, ta có thể chỉ ra rằng diện tích mặt trong lớn hơn diện tích mặt ngoài của một hạt khoảng 10 lần trên 10 μm (đường kính) hạt, 1000 lần trên 100 μm hạt và 10000 lần trên 1 mm hạt. Tốc độ của phản ứng cháy hạt cốc cũng phụ thuộc vào nhiệt độ và kích thước của hạt. Hình 2.4 mô tả ba chế độ cháy khác nhau:

Hình 2.4: Các chế độ cháy ứng với nhiệt độ và kích thước hạt than khác nhau.

7

- Zone I – Chế độ I: Chế độ cháy này chiếm ưu thế khi nhiệt độ bao quanh hạt thấp và kích thước hạt nhỏ, khi đó tốc độ cháy sẽ được điều khiển hoàn toàn bởi tốc độ phản ứng trên bề mặt hạt. Khi đó tốc độ khuếch tán của oxi nhanh hơn nhiều so với tốc độ cháy, nồng độ oxi bao quanh hạt và bên trong lớp biên của hạt bằng nhau và bằng nồng độ oxi bên ngoài. Sự cháy vùng I xảy ra tại một tốc độ tổng thể bằng với sản phẩm của tốc độ cháy bên trong, được ước lượng tại nồng độ khí oxi bên ngoài, và tổng diện tích mặt trong. Đường kính hạt cốc được coi là hằng số và khối lượng riêng của hạt giảm liên tục (cháy đường kính hạt không đổi).

- Zone II – Chế độ II: Trong vùng II tốc độ cháy được quyết định bởi tổ hợp của các hiệu ứng khuếch tán oxi (cả vào bên trong và xung quanh hạt) và tốc độ độ cháy bề mặt. Đây là chế độ thường diễn ra trong các quá trình cháy than. Sự cháy ở vùng II diễn ra với sự xâm nhập một phần của khí oxi, kết quả là sự thay đổi đồng thời của đường kính và khối lượng riêng của hạt khí các lỗ gần bề mặt hạt và mặt ngoài hạt bị oxi hóa. Tỉ số giữa tốc độ cháy thực tế so với tốc độ cháy tối đa có thể nếu toàn bộ hạt chịu áp suất cục bộ của khí oxi tại bề mặt ngoài của hạt được gọi là hệ số hiệu suất.

- Trong vùng III tốc độ cháy bề mặt nhanh hơn nhiều do oxi không xâm nhập hiệu quả vào bên trong hạt trước khi phản ứng. Đây là sự cháy khuếch tán bị giới hạn. Vùng III cháy ở nhiệt độ cao (tăng tốc độ cháy bề mặt) và kích thước hạt lớn (giảm thông lượng khuếch tán phần tử bề mặt). Tốc độ cháy được xác định bởi thông lượng khuếch tán oxi qua lớp biên hạt. Khối lượng riêng của hạt không đổi khi cháy và kích thước hạt giảm liên tục khi khối lượng hạt bị lấy đi duy nhất từ bề mặt hạt (cháy khối lượng riêng hạt không đổi). Mô hình cháy ở vùng I và vùng III đơn giản là các giới hạn của các điều kiện ở quá trình cháy vùng II.

Than nghiền đạt chuẩn thương mại cần có trên 70% khối lượng các hạt than có kích thước nhỏ hơn 74μm và dưới 2% có kích thước trên 300 μm. Với kích thước nhỏ cùng nhiệt độ cao trong lò, hạt cốc thường sẽ cháy ở vùng II với sự kết hợp điều khiển của khuếch tán và tốc độ phản ứng. Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào áp suất riêng phần của oxi thường được biểu diễn bởi một luật năng lượng, sinh ra một biểu thức tốc độ tham chiếu tới biểu thức động học tường minh bậc n của Arrhenius:

2

/,

pE RT nO sw Ae P−= (2.10)

Với bằng tốc độ cháy tức thời của hạt chia cho diện tích mặt ngoài của nó và luôn được biểu diễn bằng đơn vị kg/(m2s). Theo phân tích các phản ứng trong các chất xúc tác dạng xốp lý tưởng hóa được báo cáo lần đầu tiên bởi Thiele năm 1939, trong sự cháy vùng II năng lượng hoạt hóa E và bậc phản ứng n xuất hiện trong (2.15) có thể liên hệ tới các tham số động học thực tế và ẩn như và n = (m+1)/2 với Eint là năng lượng hoạt hóa ẩn và m là bậc phản ứng ẩn. Năng lượng hoạt hóa ẩn của sự oxi hóa cacbon hoặc cốc được xác định xấp xỉ bằng 180 kJ/mol và bậc phản

8

ứng ẩn được đo (ở các nhiệt độ trung bình) là nằm trong khoảng 0.6 – 1.0. Smith đã hiệu chỉnh dữ liệu oxi hóa cho các loại cacbon khác nhau, bao gồm các hạt cốc xốp và cacbon không thấm nước như bồ hóng để nhận được biểu thức sau cho các động học oxi hóa cốc ẩn với áp suất riêng phần của oxi là 101 kPa:

179.43050expwRT

= −

(2.11)

Vì sự biến thiên trong các bậc phản ứng được suy diễn với các dữ liệu thực nghiệm khác nhau và loại cacbon, một biểu thức chung cho tốc độ động học bao gồm sự phụ thuộc của oxi không thể được xác định. Trong thực tế, sự oxi hóa bề mặt hạt diễn ra thông qua sự hút bám oxi, giải phóng tức thời một phân tử cacbon monoxit hoặc cacbon đioxit hoặc hình thành một sự phức tạp bề mặt ổn định oxi mà có thể thoát ra muộn hơn như CO hoặc CO2. Nhiều loại cơ chế phản ứng nhiều bước được đưa ra để mô tả quá trình này, nhưng thông tin thực nghiệm và lý thuyết sẵn có tới nay không đủ để xác định bất kỳ cơ chế oxi hóa bề mặt nào với mức độ tin cậy có thể chấp nhận được.

9

3.

tr

Đxé

Hhìmdọ

3.MLưorcủm

CHƯ

.1. Mô hìnLò quay

ong D = 4

Để đơn giảnét tới vị trí

Hình

Hình 3.2 môình không

mặt đầu củaọc theo chi

.2. Chia lưMô hình 3Dưới có sốrthogonal qủa nhiên l

mô hình.

ƯƠNG 3:

nh hình họđược mô hm, tỉ lệ L/D

Hình

n hóa bài tođầu vòi nơ

3.2: Vị trí đ

ô tả mặt cắcó bộ phận

a vòi đốt. Biều dài lò v

ưới mô hìnD được chiố phần tử quality nhỏliệu chia tin

MÔ PHỎTR

c của bài thình hóa thD = 19.5, m

3.1: Mô hìn

oán ta sẽ kơi nhiên liệ

đầu vào lò v

ắt ngang tạn vòi đốt mBột nguyênvà được mô

nh ia lưới tron

là 60444ỏ nhất bằnnh, mật độ

ỎNG SỐ QONG LÒ

toán heo tỉ lệ 1:mô hình lò

nh lò quay c

không mô hệu và khôn

và mô hình

ại vị trí đầmà chỉ có cn liệu tronô hình hóa

ng ANSYS40, chỉ sống 0.68, chộ phần tử d

QUÁ TRÌNQUAY XI

1 với chiều có dạng tr

có dạng trụ

hình hóa tog khí bắt đ

hóa đầu vò

ầu dưới củacác vành k

ng lò coi nhlà phần mà

S MESHINskewnessất lượng lưdày, và thô

NH CHÁY I MĂNG

u dài lò L rụ tròn như

tròn dài 78

oàn bộ hệ tđầu đi vào b

òi đốt và lớp

a lò, nơi ckhuyên đồnhư một khàu xanh lục

NG dùng ps lớn nhấtưới đạt mứô dần khi đ

THAN

= 78 m, đư hình 4.

8 m.

thống vòi đbuồng đốt.

p vật liệu nu

ó vòi đốt. ng tâm thể ối rắn đồnc trong hìn

phương pht bằng 0.6ức tốt. Vùnđi về phía

10

đường kính

đốt mà chỉ

ung.

Trong môhiện phần

ng nhất trảinh 5

háp Sweep.63, chỉ sống đầu vàođầu ra của

0

h

ỉ

ô n i

. ố o a

Hình 3.3: Lưới mô hình chia theo phương pháp Sweep Mesh.

3.3. Điều kiện đầu vào của bài toán

Để có thể mô phỏng được quá trình cháy than trong mô hình lò đốt, ta cần khai báo các điều kiện ban đầu như sau:

- Thành phần và tính chất của loại than sử dụng. - Các phương trình phản ứng của quá trình cháy; các chất tham gia và các chất

sản phẩm. - Thông số vận tốc, lưu lượng, áp suất tại đầu vào và đầu ra của mô hình. - Để mô phỏng sự tương tác giữa phần vật liệu và dòng khí trong lò (ở đây chỉ

xét tới tương tác truyền nhiệt), cần định nghĩa bề mặt tương tác giữa hai phần này.

3.3.1. Thành phần và tính chất than Loại than được nghiên cứu ở đây là than cám, có thành phần cấu tạo cho trong bảng 3.1.

Thành phần Đơn vị

Chất bốc Độ tro Độ ẩm Cacbon cố định

% 6.5 16.14 1 76.36 Thành phần Đơn vị

C H S N O

% 76.51 1.72 2.15 0.86 1.62

Bảng 3.1: Bảng thành phần cấu tạo của than cám dùng trong mô phỏng.

Than ở dạng bột nghiền, với kích thước hạt than bằng 57 μm. Nhiệt trị thấp của than là 28067.52 kJ/kg.

11

3.3.2. Các phương trình phản ứng của quá trình cháy Trong CFX không có sẵn các phản ứng cháy của than nhưng cho phép định nghĩa

thêm phản ứng mới, do vậy ta cần định nghĩa thêm các phản ứng cần thiết: - Quá trình bốc hơi của chất bốc: Trong quá trình này hạt than được đốt nóng,

chất bốc thoát ra khỏi than. Phương trình mô tả quá trình như trong (2.1). Tốc độ của phản ứng đã được đề cập tới trong phần Cơ sở lý thuyết cháy. Ở đây ta sử dụng mô hình tốc độ Arrhenius đơn với các hằng số năng lượng hoạt hóa E = 230 kJ/mol; hệ số trước hàm mũ exp (tần số va chạm) B = 1.34x105 s-1.

Hình 3.4: Thiết lập các thông số cho phản ứng bốc hơi chất bốc

- Phản ứng cháy của chất bốc: Bản chất của phản ứng này là sự cháy các khí

hiđrocacbon có trong chất bốc. Để đơn giản hóa, coi chất bốc chỉ gồm khí CH4. Khi đó phản ứng cháy chất bốc sẽ là:

4 2 2 22 2otCH O CO H O+ → + (3.1)

Năng lượng hoạt hóa của phản ứng bằng năng lượng hoạt hóa CH4 bằng 74.85 kJ/mol. Hệ số trước hàm mũ exp hay tần số va chạm B = 8.3×106 s-1.

Hình 3.5: Thiết lập các thông số cho phản ứng cháy chất bốc

- Phản ứng cháy của cốc: Phản ứng cháy của cốc là một quá trình phức tạp nhiều giai đoạn như đã được xét tới trong cơ sở lý thuyết về quá trình cháy. Ta thấy rằng nếu lượng oxi đủ lớn (dư) giống như điều kiện cháy trong lò đốt than, sản phẩm sau cùng chỉ là CO2. Vậy để đơn giản bài toán ta coi phản ứng cháy cốc xảy ra như phản ứng (2.8).

12

Tốc độ cháy hạt cốc phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán oxi và tốc độ cháy bề mặt của hạt cốc. Do vậy ta cần thiết lập các hằng số của phản ứng như sau:

• Tốc độ cháy bề mặt: Hệ số trước hàm mũ exp A = 3050 kg/(m2s); năng lượng hoạt hóa E = 179.4 kJ/mol.

• Tốc độ khuếch tán: Hệ số khuếch tán động lực học Dref = 1.8×10-5 kg/(ms) tại nhiệt độ quy chiếu Tref = 293K (20oC); hệ số mũ α = 0.75.

Hình 3.6: Các giá trị thiết lập cho tốc độ cháy bề mặt và tốc độ khuếch tán khí oxi.

3.3.3. Điều kiện tại mặt vào và mặt ra. Điều kiện tương tác Lưu lượng không khí, lưu lượng than phun và nhiệt độ của mỗi dòng cho trong bảng 3.2.

Lưu lượng

kg/s Nhiệt độ

oC Khí cấp I 1.94 35

Khí cấp II 19.33 773 Khí sơ cấp

(Để đẩy than vào lò) 0.97 54

Than 2.02 54

Bảng 3.2: Điều kiện phun than và khí.

Các tính chất của lớp vật liệu và điều kiện tương tác giữa phần vật liệu với dòng khí nóng trong lò:

- Hệ số dẫn nhiệt của lớp vật liệu: 1.4 W/mK - Độ đen của ngọn lửa: 0.9 - Độ đen của lớp vật liệu và mặt trong tường lò: 0.8 - Hệ số trao đổi nhiệt giữa lớp vật liệu và không khí trong lò: 100 W/m2K

13

3.4. Kết quả mô phỏng 3.4.1. Phân bố nhiệt độ trong lò

Hình 3.7: Phân bố nhiệt tại mặt cắt giữa lò.

Hình 3.7 cho thấy sự phân bố trường nhiệt độ tại mặt cắt đi qua trục đối xứng của lò, vùng màu đỏ thể hiện khu vực có nhiệt độ cao khoảng 1800 – 2000oC, đây là vùng mà các phản ứng cháy xảy ra mạnh nhất. Vùng màu xanh lam phía đầu vào (bên trái) thể hiện nơi có nhiệt độ thấp 100 – 500oC, có thể thấy nhiên liệu khi phun vào lò không bắt cháy ngay mà đi vào một khoảng rồi mới cháy, khoảng cách này xấp xỉ 6 m như thể hiện trong hình 3.8.

Hình 3.8: Phân bố nhiệt độ tại vùng đầu vào của lò.

Nhiệt độ trên bề mặt lớp vật liệu được thể hiện trong hình 3.9. Vùng nhiệt độ cao nhất (màu vàng đậm) khoảng 1400 – 1500oC, đây chính là nơi xảy ra các phản ứng nung kết (sintering).

Hình 3.9: Phân bố nhiệt độ trên bề mặt lớp vật liệu.

14

Z = 0 m Z = 5 m Z = 6 m

Z = 7 m Z = 10 m Z = 15 m

Z = 20 m Z = 25 m Z = 30 m

Z = 40 m Z = 60 m Z = 78 m

Hình 3.10: Phân bố nhiệt độ tại các mặt cắt ngang Z dọc theo chiều dài lò.

15

Đi từ phía đầu vào, vùng Z = 0 ÷ 5 m không có phản ứng cháy, đây là vùng nhiệt độ của than tăng dần và xảy ra quá trình bốc hơi chất bốc. Z = 6 m cho thấy ngọn lửa bắt đầu hình thành có dạng vòng tròn. Z = 7 m ngọn lửa đã định hình rõ ràng với vòng tròn màu đỏ đậm. Z = 6 ÷ 20 là vùng ngọn lửa, từ Z = 25 m trở đi nhiệt độ tại mặt cắt khá đồng đều. Nhiệt độ tại mặt ra Z = 78 m là khoảng 500 – 600oC và nhiệt độ của lớp vật liệu khoảng 100 – 200 oC.

Đồ thị thể hiện sự phân bố nhiệt độ dọc chiều dài lò của dòng khí và lớp vật liệu. Đỉnh nhiệt nằm trong vùng Z = 10 ÷ 20 m.

Đồ thị 3.1: Phân bố nhiệt độ dọc theo chiều dài lò.

Phân bố nhiệt độ trong vùng ngọn lửa được thể hiện trong đồ thị 3.2.

Đồ thị 3.2: Phân bố nhiệt độ trong vùng ngọn lửa.

16

3.4.2. Phân bố các sản phẩm cháy Trong mô hình này, các sản phẩm cháy gồm khí cacbon đioxit CO2 và hơi nước

H2O, ngoài ra các chất còn lại sau quá trình cháy gồm nitơ trong không khí (không tham gia phản ứng cháy) và oxi còn dư. Hình mô tả sự phân bố của CO2 và H2O trong lò theo tỉ lệ khối lượng của các chất.

Hình 3.11: Phân bố thành phần CO2 và H2O theo tỉ lệ khối lượng.

Có thể thấy hơi nước chỉ chiếm một lượng nhỏ (lớn nhất chỉ khoảng 3% về khối lượng) trong hỗn hợp các khí sau cháy, trong khi đó khí CO2 chiếm một lượng tương đối lớn trên 20%. Do đó lượng CO2 sinh ra bởi quá trình cháy là tương đối lớn. Điều này có ý nghĩa tới khía cạnh môi trường khi CO2 là nhân tố chính gây hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu hiện nay. Đồ thị thể hiện sự phân bố thành phần các chất trong dòng khí dọc chiều dài lò.

Đồ thị 3.3: Phân bố thành phần các chất trong hỗn hợp cháy dọc theo chiều dài lò.

17

3.4.3. Quỹ đạo chuyển động của các hạt than và hiệu suất cháy Các hạt than được phun vào lò qua một khe có dạng vành khăn bề rộng khoảng 3

cm với vận tốc ~ 30 m/s, dưới tác dụng của dòng khí phun vào mà các hạt than bay theo dạng xoắn ốc khi vào lò như trong hình b và mở rộng chuyện động theo phương ngang khi đi vào vùng cháy. Từ vùng cháy, các hạt than chuyển động theo quỹ đạo thẳng. Thời gian các hạt than di chuyển từ đầu lò (Z = 0 m) tới hết vùng cháy (Z ~ 20 m) là khoảng 2 s. Hiệu suất cháy của hạt than trong vùng này đạt tới 98%.

Hình 3.12: Quỹ đạo chuyển động của hạt than bên trong lò quay.

Về cách tính hiệu suất cháy, ta sử dụng công thức sau:

0

W1 100%W

H

= − ×

(3.2)

Trong đó: - W là khối lượng các thành phần có thể cháy còn lại trong than ở đầu ra của lò. - W0 là khối lượng các thành phần có thể cháy có trong than ban đầu.

Trong than, xỉ (ash) không tham gia quá trình cháy và nước (moisture) không tạo ra nhiệt lượng trong quá trình cháy. Chỉ có chất bốc (volatiles) và cốc (char) có thể cháy và sinh nhiệt nên sẽ tính hiệu suất cháy dựa trên 2 thành phần này. Trong bài toán này này:

- Lưu lượng than vào lò là 2.02 kg/s. Thành phần than (%): 16.14 xỉ, 76.36 cacbon cố định, 1 nước, 6.5 chất bốc.

- Tổng khối lượng cốc và chất bốc ban đầu: 1.674 kg. - Khối lượng xỉ: 0.326 kg. - Tại đầu ra, thành phần than (%): 94.8 xỉ, 5.2 cacbon cố định. - Do khối lượng xỉ không thay đổi trong quá trình cháy nên lưu lượng than ra là:

0.344 kg. - Khối lượng cốc: 0.018 kg.

Hiệu suất cháy:

0.0181 100% 98.92%1.674

H = − × =

18

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG

4.1. Kết luận Nhiên liệu than đóng một vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp hiện nay,

tuy nhiên đây lại là nguồn phát ra nhiều khí thải CO2 gây tác động tiêu cực tới môi trường. Nghiên cứu quá trình cháy của than là một công việc cần thiết nhằm sử dụng có hiệu quả nguồn tài nguyên này.

Đề tài “Nghiên cứu và mô phỏng quá trình cháy trong buồng đốt” với mô hình là lò quay xi măng đã mô phỏng được quá trình cháy của than trong lò quay xi măng, đưa ra được các kết quả sau:

- Phân bố nhiệt độ trong lò của dòng khí, của vật liệu nung và của mặt trong tường lò. - Phân bố thành phần các chất có trong hỗn hợp trước và sau cháy theo tỉ lệ khối lượng. - Đánh giá hiệu suất của quá trình cháy. Các kết quả thu được là rất khả quan, giúp hiểu sâu hơn về quá trình cháy, từ đó

bổ sung thêm những kiến thức và kinh nghiệm nghiên cứu cho Đồ án Tốt nghiệp sắp tới.

4.2. Định hướng cho Đồ án tốt nghiệp Từ những kết quả thu được, dựa trên cách tính hiệu suất cháy trong nghiên cứu

này, Đồ án tốt nghiệp sẽ tập trung nghiên cứu các tỉ lệ trộn than khác nhau trong lò đốt nhiệt điện nhằm tìm ra tỉ lệ trộn thích hợp nhất. Các công việc cụ thể cần thực hiện như sau:

- Mô phỏng với các tỉ lệ trộn than khác nhau. - Đánh giá hiệu suất cháy của từng trường hợp để tìm ra tỉ lệ trộn có hiệu suất

cháy tốt nhất.

19

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Irvin Glassman and Richard A. Yetter, Combustion, 4th edition, AcademicPress, 2008.

2. Eugene S. Domalski, Selected Values of Heats of Combustion and Heats ofFormation of Organic Compounds Containing the Elements C, H, N, O, P,and S*, Journal of Physical and Chemical Reference Data, Vol. 1, No. 2,1972.

3. Wikipedia, Coal, http://en.wikipedia.org/wiki/Coal, lần cuối truy cập 25/03/2015. 4. The Engineering Toolbox, Overall Heat Transfer Coefficient,

http://www.engineeringtoolbox.com/overall-heat-transfer-coefficient-d_434.html, lần cuối truy cập 27/03/2015.

5. Fawzy el-mahallawy and Saad el-din Habik Fundamentals and technology ofcombustion, p54-73, Elsevier Science, 2002.

6. P. C. Melte and D. T. Pratt. "Measurement of Atomic Oxygen and NitrogenOxides in Jet Stirred Combustion". In 15th Symposium (Int’l) onCombustion. The Combustion Institute. 1061–1070. 1974.

7. N. Kandamby, G. Lazopoulos, F. C. Lockwood, A. Perera, and L. Vigevano."Mathematical Modeling of NOx Emission Reduction by the Use of ReburnTechnology in Utility Boilers". In ASME Int. Joint Power GenerationConference and Exhibition, Houston, Texas. 1996.

8. http://www.ucsusa.org/clean_energy/coalvswind/c02c.html#.VKn4F3u-VaE, lần cuối truy cập 10/03/2015.

9. Modeling Guide, Ansys Help 15.0

20