Газодинамічний та тепловий режими, що забезпечують економію природного газу при виробництві вапна в шахтних протитокових печах - Автореферат

Одними з великих споживачів природного газу є шахтні протитокові вапняно-випалювальні печі, в яких виробляють близько 30 % вапна. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі: · розробити математичну модель шахтної протитокової вапняно-випалювальної печі; · розробити і дослідити енергозберігаючі режими опалення шахтної протитокової вапняно-випалювальної печі сумішшю природного та доменного газів. За результатами теоретичних і експериментальних досліджень: · вперше вирішено сполучену задачу газодинаміки і теплообміну шахтної протитокової вапняно-випалювальної печі з центральним та периферійним підведенням газоподібного палива з урахуванням потенційної течії газу в щільному шарі, діючих джерел маси речовини, конвективного та дифузійного переносу речовини, неповного згоряння палива, теплообміну в шарі та куску матеріалу; · отримано енергетичну характеристику шахтної протитокової вапняно-випалювальної печі, що визначає звязок витрати природного газу з розподілом палива, повітря і рециркуляту між центральною та периферійними пальниками в залежності від завантаження печі вапняком та якості вапна, на основі якої вирішено задачу оптимізації режимних параметрів роботи агрегату.Аналіз їх робіт та даних технічної експлуатації шахтних печей з центральним та периферійним підведенням палива показав, що основними недоліками цих агрегатів є високий хімічний недопал палива та нерівномірність випалу вапняку, які обумовлені незадовільним перемішуванням палива з окислювачем у шарі кускового матеріалу. Внутрішні процеси теплообміну при цьому описані рівняннями (4)-(6): · рівняння теплопровідності в ядрі вапняку (RKI[0; rф], RI[0; Rп]): рівняння теплопровідності в прошарку вапна (RKI[rф; Rk], RI[0; Rп]): де , - відповідно щільності вапняку та вапна, кг/м3; , - відповідно теплоємності вапняку та вапна, Дж/(кг·К); , - відповідно коефіцієнти теплопровідності вапняку та вапна, Вт/(м·К); - температура матеріалу, що є в загальному випадку функцією радіуса куска rk, часу t (що визначає положення куску по висоті печі) і поточного радіуса печі r, °С; - радіус печі, м; - поточний радіус, м; - радіус, що відповідає положенню фронту дисоціації, м; - поточний час, с; · рівняння балансу теплоти на границі розділу фаз САО-САСО3 (rk = rф, tm = тдис): де - тепловий ефект ендотермічної реакції дисоціації вапняку, Дж/кг; - комплекс, що виражає відведення теплоти з СО2, Вт/м2; - температура дисоціації вапняку, °С; , - відповідно мольні маси вапняку та диоксиду вуглецю, кг/кмоль; - ізобарна обємна теплоємність диоксиду вуглецю при температурі дисоціації, Дж/(м3?К). Для обробки результатів вимірів була розроблена спеціальна методика, основною відмінністю якої від відомих явилася можливість на основі складу палива, результатів хімічного аналізу димових газів і рівнянь матеріального балансу по вуглецю визначати фактичну витрату повітря на піч, обємний вихід димових газів і вихід СО2 від дисоціації. Для рішення задачі оптимізації була отримана регресійна енергетична характеристика печі, що виражає звязок витрати палива Впг із основними режимними параметрами роботи агрегату (витратою палива Впгц, повітря Vпц і рециркуляту Vp на центральний пальник, витратою повітря в основу печі Vп) і заданими технологічними показниками (добовим завантаженням печі вапняком G і ступенем випалу матеріалу s): Коефіцієнт детермінації R2 рівняння (7) склав 0,95.У дисертації вирішено важливу науково-технічну задачу зниження питомої витрати природного газу при виробництві вапна в шахтних протитокових печах на основі розробки і впровадження енергоефективних режимів випалу та часткової заміни природного газу доменним. Перспективними заходами, що забезпечують зниження споживання природного газу в шахтних печах, є розробка оптимальних режимів випалу, технічних рішень щодо опалення природно-доменною сумішшю, а також рекомендацій щодо використання адіабатичної витримки на діючих агрегатах. У результаті тестування структурних елементів математичної моделі встановлені вимоги до кінцево-різницевої сітки: крок по висоті Dh і радіусу Dr печі неповинен перевищувати 0,25 м, крок по товщині куска матеріалу повинен відповідати умові Dr ? 0,01 м; крок за часом - Dt ? 120 с. За результатами параметричного дослідження вапняно-випалювальної печі встановлено, що розподіл палива між пальниками, витрата повітря в основу печі, витрата первинного повітря і рециркуляту в центральний пальник, завантаження печі вапняком та діаметр кусків вапняку нелінійно впливають на видаткові статті теплового балансу печі та повинні враховуватися при розробці режимів роботи агрегату. На основі узагальнення результатів досліджень отримано енергетичну характеристику шахтної протитокової вапняно-випалювальної печі, що визначає звязок витрати природного газу з розподілом палива, повітря і рециркуляту між центральною та периферійними пальниками в залежності від завантаження печі вапняком та якості вапна.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У дисертації вирішено важливу науково-технічну задачу зниження питомої витрати природного газу при виробництві вапна в шахтних протитокових печах на основі розробки і впровадження енергоефективних режимів випалу та часткової заміни природного газу доменним.

Основні результати роботи полягають у наступному: 1. Аналіз вапняно-випалювального виробництва показав, що значна питома витрата палива при виробництві вапна в шахтних протитокових печах (близько 235 кг у.п./т) обумовлена незадовільним перемішуванням палива з окислювачем в щільному шарі кускового матеріалу. При цьому частка паливної складової в собівартості даного продукту досягає 30 ? 40 %. Перспективними заходами, що забезпечують зниження споживання природного газу в шахтних печах, є розробка оптимальних режимів випалу, технічних рішень щодо опалення природно-доменною сумішшю, а також рекомендацій щодо використання адіабатичної витримки на діючих агрегатах.

2. Розроблено математичну модель шахтної протитокової вапняно-випалювальної печі із центральним та периферійним підведеннями палива, що опалюється газоподібним паливом. У моделі враховано рух газів у щільному шарі кускового матеріалу, конвективне та дифузійне перенесення речовини, горіння палива, зовнішній та внутрішній теплообмін. У результаті тестування структурних елементів математичної моделі встановлені вимоги до кінцево-різницевої сітки: крок по висоті Dh і радіусу Dr печі неповинен перевищувати 0,25 м, крок по товщині куска матеріалу повинен відповідати умові Dr ? 0,01 м; крок за часом - Dt ? 120 с.

3. Розроблено методику визначення теплотехнічних показників роботи вапняно-випалювальних печей (загальної витрати повітря, обємного виходу димових газів і диоксиду вуглецю в результаті дисоціації вапняку), що заснована на результатах газового аналізу.

4. На основі порівняння експериментальних даних з результатами розрахунково-теоретичних досліджень роботи шахтної печі №2 цеху випалу вапняку ВАТ «АМК» показано, що урахування турбулентної дифузії газу при моделюванні істотно підвищує вірогідність кількісного і якісного опису фізичних процесів при випалі вапняку. Зокрема, розрахункова ступінь випалу матеріалу з урахуванням та без урахування даного фактору складає відповідно 74,3 % і 30,9 % при значенні експериментального показника 72,6 %.

5. За результатами параметричного дослідження вапняно-випалювальної печі встановлено, що розподіл палива між пальниками, витрата повітря в основу печі, витрата первинного повітря і рециркуляту в центральний пальник, завантаження печі вапняком та діаметр кусків вапняку нелінійно впливають на видаткові статті теплового балансу печі та повинні враховуватися при розробці режимів роботи агрегату. При перерозподілі палива між пальниками та зміні витрати повітря в основу печі існують оптимальні режими, яким відповідає максимум корисно використаної теплоти.

6. На основі узагальнення результатів досліджень отримано енергетичну характеристику шахтної протитокової вапняно-випалювальної печі, що визначає звязок витрати природного газу з розподілом палива, повітря і рециркуляту між центральною та периферійними пальниками в залежності від завантаження печі вапняком та якості вапна.

7. Для умов печі №2 цехи випалу вапняку ВАТ «АМК» на основі рішення задачі оптимізації витрати природного газу розроблені енергозберігаючі режими роботи, що забезпечують зниження питомої витрати палива на 20 ? 25 % при заданих значеннях якості готового продукту і продуктивності агрегату. Показано доцільність налагодження режиму центрального пальника: витрата палива має становити 410 ? 430 м3/год; витрата рециркуляту - 730 ? 780 м3/год; витрата повітря - 980 ? 1040 м3/год. При цьому керування якістю вапна залежно від продуктивності здійснюється шляхом зміни витрати палива на периферійні пальники та витрати повітря в основу печі.

8. На основі розрахункових досліджень розроблено пропозиції щодо переведення печі №2 цеху випалу вапняку ВАТ «АМК» на опалення природно-доменною сумішшю з теплотою згоряння 9,4 МДЖ/м3. Очікувана економія природного газу при цьому становить близько 30 %.

9. Розроблено рекомендації із застосування адіабатичної витримки вапняку в умовах діючого агрегату. Показано, що припустиме скороченні часу перебування матеріалу в зоні випалу становить на 5 ? 6 %. Виконання даної умови забезпечує збереження продуктивності печі. Апробація адіабатичної витримки у промислових умовах дозволила підвищити ступень випалу вапняку на 3 % і зменшити питомі витрати природного газу на 15 кг у.п./т.

ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ по ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

Форись С. М. Результати дослідження теплової роботи шахтної вапняно-випалювальної печі на природному газі / С. М. Форись, С. С. Федоров, О. Г. Федоров // Металургійна теплотехніка: Збірник наукових праць Національної металургійної академії України. Дніпропетровськ: «Нова ідеологія», 2008. С. 297 - 306.

Форись С. М. Дослідження впливу турбулентної дифузії газу на роботу шахтних вапняно-випалювальних печей / С. М. Форись, С. С. Федоров, О. Г. Федоров // Інтегровані технології та енергозбереження. Щоквартальний науково-практичний журнал. 2008. №2. С. 146 - 150.

Форись С. М. Математичне моделювання шахтних вапняно-випалювальних печей / С. М. Форись, С. С. Федоров, М. В. Губинський // Системні технології. Регіональний міжвузівський збірник наукових праць. 2008. Т.2. С. 98 - 104.

Форись С. М. Розробка і реалізація раціональних режимів роботи шахтних вапняно-випалювальних печей / С. М. Форись, С. С. Федоров, О. Г. Федоров // Металургійна теплотехніка: Збірник наукових праць Національної металургійної академії України. Дніпропетровськ: «ПП Грек О. С.», 2007. С. 278 - 287.

Форись С. М. Вплив зовнішнього теплообміну на тривалість випалу вапняку / С. М. Форись, С. С. Федоров, О. Г. Федоров // Металургійна теплотехніка: Збірник наукових праць Національної металургійної академії України. Дніпропетровськ: «ПП Грек О. С.», 2006. С. 340 - 348.

Сазонов С. И. Эффективность замены природного газа доменным в шахтных известково-обжиговых печах / Сазонов С. И., Форись С. Н., Федоров О. Г. // Теория и практика металлургии. Общегосударственный научно-технический журнал. Днепропетровск, 2005. С. 7 - 10.

Форись С. М. Рішення завдання газодинаміки в шахтних вапняно-випалювальних печах / С. М. Форись, О. Г. Федоров, В. М. Бойко // Металургійна теплотехніка: Збірник наукових праць Національної металургійної академії України. Дніпропетровськ: Пороги, 2005. Книга перша. С. 432 - 437.

Форись С. М. Дослідження режимів випалу вапняку з використанням адіабатичної витримки // Металургійна теплотехніка: Збірник наукових праць Національної металургійної академії України. Дніпропетровськ: Пороги, 2005. Книга друга. С. 376 - 382.

Форись С. М. Математичне моделювання процесу термічної дисоціації карбонатів / С. М. Форись, О. Г. Федоров // Металургійна теплотехніка: Збірник наукових праць Національної металургійної академії України. Дніпропетровськ: Пороги, 2004. С. 76 - 83.

Бойко В. Н. Расчет показателей качества известняка и извести / Бойко В. Н., Федоров О. Г., Сазонов С. И., Форись С.Н. // Металлургическая и горнорудная промышленность. Днепропетровск. 2003. № 2. С. 110 - 113.

Федоров О. Г. Методика визначення теплотехнологічних показників роботи шахтних вапняно-випалювальних печей за результатами хімічного аналізу димових газів / О. Г. Федоров, В. М. Бойко, С. І. Сазонов, С. М. Форись // Металургійна теплотехніка: Збірник наукових праць Національної металургійної академії України. Дніпропетровськ: НМЕТАУ. 2003. Т. 9. С. 10 - 15.

Форись С. М. Моделювання енергозберігаючих режимів роботи шахтної вапняно-випалювальної печі / С. М. Форись, С. С. Федоров, О. Г. Федоров // Праці XV міжнародної конференції «Теплотехніка та енергетика в металургії», НМЕТАУ, м. Дніпропетровськ, Україна, 7-9 жовтня 2008 р. Дніпропетровськ: «Нова ідеологія», 2008. С. 252 - 253.

Форись С. М. Економія природного газу при виробництві металургійної вапна / С. М. Форись, О. Г. Федоров // Тези IV міжнар. конф. «Проблеми промислової теплотехніки», 26-30 вересня 2005 р.: тези доп. К.: ІТТФ НАНУ, 2005. С. 195 - 196.

Федоров О. Г. Определение теплотехнологических показателей работы газовых шахтных известково-обжиговых печей / Федоров О. Г., Бойко В. Н., Сазонов С. И., Форись С. Н. // Вопросы тепломассобмена, энергосбережения и экологии в теплотехнологических процессах: Сборник научных трудов / Под ред. Н. П. Гусенковой. Иваново, 2003. С. 68 - 69.