Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна металургійна академія України

УДК 66.041.44: 502.172 (043)

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

05.14.06 - Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ФОРИСЬ СВІТЛАНА МИКОЛАЇВНА

Дніпропетровськ 2009

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент ФЕДОРОВ ОЛЕГ ГЕОРГІЙОВИЧ, Національна металургійна академія України, доцент кафедри промислової теплоенергетики, м. Дніпропетровськ.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор КРАВЦОВ ВЛАДЛЕН ВАСИЛЬОВИЧ, Донецький національний технічний університет, завідувач кафедрою технічної теплофізики.

кандидат технічних наук, доцент ЖУК СЕРГІЙ МИКОЛАЙОВИЧ, Дніпродзержинський державний технічний університет, доцент кафедри промислової теплоенергетики.

Захист дисертації відбудеться « 17 » червня 2009 р. о 12³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 при Національній металургійній академії України за адресою: НМетАУ, пр. Гагаріна, 4, 49600, м. Дніпропетровськ.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної металургійної академії України, пр. Гагаріна, 4, 49600, м. Дніпропетровськ.

Автореферат розісланий « 08 » травня 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03,

доктор технічних наук, професор Л.В. Камкіна

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. На фоні зростання вартості природного газу на внутрішньому ринку України, важливим є його ефективне використання в найбільш енергоємних галузях промисловості.

Одними з великих споживачів природного газу є шахтні протитокові вапняно-випалювальні печі, в яких виробляють близько 30 % вапна. Основними недоліками їхньої роботи є значний хімічний недопал палива і нерівномірність випалу вапняку, які, у свою чергу, обумовлені незадовільним перемішуванням палива з окислювачем у щільному шарі кускового матеріалу. У результаті, фактичні показники питомої витрати природного газу на тонну вапна перевищують проектні на 20 ч 35 %. Таким чином, зниження споживання природного газу в цих агрегатах має велике практичне та економічне значення.

Вирішення цієї задачі можливе за рахунок розробки та впровадження ефективних газодинамічних та теплових режимів роботи випалювальних печей. Для підприємств металургійної галузі перспективним є часткова заміна природного газу більш дешевими видами палива. Зокрема, переведення печей на комбіноване опалення природно-доменною сумішшю, що потребує розробки відповідних режимів та технічних рішень.

Саме вирішенню цих актуальних задач присвячена дана робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до планів Міністерства освіти і науки України та науково-дослідних робіт Національної металургійної академії України (НМетАУ): тема Х007020013 «Енергоаудит Дніпровського металургійного комбінату ім. Ф. Е. Дзержинського»; тема Г007G10006 «Дослідження високотемпературної обробки відходів промисловості та сільського господарства з метою енергозбереження і поліпшення екологічної обстановки»; тема Г007G10009 «Дослідження процесів теплової обробки біомаси, вугілля, вапняної сировини в щільному та зваженому шарі з метою поліпшення екологічної обстановки і економії викопного палива».

Мета та задачі досліджень. Мета дисертаційної роботи - 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.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

· розробити математичну модель шахтної протитокової вапняно-випалювальної печі;

· розробити методику експериментального визначення теплотехнічних і технологічних показників роботи вапняно-випалювальних печей;

· дослідити вплив режимних параметрів (витрати палива, повітря, рециркуляту та вапняку, розміру фракцій) на основні показники роботи печі: видаткові статті теплового балансу, температурне поле та ступінь випалу матеріалу;

· вирішити задачу оптимізації розподілу палива, повітря та рециркуляту між пальниками при заданих технологічних параметрах: якості готового продукту і продуктивності печі;

· розробити і дослідити енергозберігаючі режими опалення шахтної протитокової вапняно-випалювальної печі сумішшю природного та доменного газів.

Об'єкт дослідження - газодинамічний та тепловий режими шахтних протитокових вапняно-випалювальних печей з центральним та периферійним підведенням газоподібного палива. піч доменний тепловий шахтний

Предмет дослідження - вплив режимних параметрів на процеси газодинаміки і теплообміну в шахтних протитокових вапняно-випалювальних печах.

Методи досліджень. Теоретичні дослідження проведені шляхом комплексного математичного моделювання процесів тепломасообміну і газодинаміки в шахтних протитокових вапняно-випалювальних печах з використанням ЕОМ. Експериментальні дослідження проведені на печі №2 цеху випалу вапняку ВАТ «Алчевський металургійної комбінат». Енергоефективні режими випалу вапняку розроблені на основі статистичної обробки результатів досліджень та оптимізації режимних параметрів роботи печі з використанням методів нелінійного програмування.

Наукова новизна отриманих результатів.

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;

· показано необхідність урахування турбулентної дифузії при моделюванні роботи шахтних протитокових вапняно-випалювальних печей, що забезпечує істотне підвищення вірогідності кількісного та якісного опису фізичних процесів при випалу вапняку;

· отримано енергетичну характеристику шахтної протитокової вапняно-випалювальної печі, що визначає зв'язок 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.

Практичне значення отриманих результатів.

· розроблено методику визначення теплотехнічних показників роботи вапняно-випалювальних печей (загальної витрати повітря, об'ємного виходу димових газів та диоксиду вуглецю в наслідок дисоціації вапняку), що основана на результатах газового аналізу;

· розроблено енергоефективні режими роботи шахтної протитокової вапняно-випалювальної печі №2 ВАТ «Алчевський металургійний комбінат», що забезпечують зниження питомої витрати природного газу на 20 ч 25 % при заданих значеннях якості готового продукту та продуктивності агрегату;

· розроблено енергоефективні режими опалення шахтної протитокової вапняно-випалювальної печі №2 ВАТ «Алчевський металургійний комбінат» сумішшю природного та доменного газів. Очікувана економія природного газу при цьому становить близько 30 %.

Особистий внесок здобувача. У наукових працях, виконаних самостійно та разом зі співавторами по темі дисертації, особистий внесок здобувача полягає у розробці, тестуванні і адаптації математичної моделі шахтної протитокової вапняно-випалювальної печі [3,7,9]; проведенні та обробці результатів чисельних та експериментальних досліджень роботи агрегату [1,2,4-6,10,11,14]; розробці оптимальних режимів роботи печі на основі перерозподілу палива і повітря між пальниками та часткової заміни природного газу доменним [4,8,12,13].

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися та обговорені на міжнародних конференціях: «Питання тепломасообміну, енергозбереження та екології в теплотехнологічних процесах», Іваново (Росія), 2003, 2-4 червня; «Теплотехніка та енергетика в металургії», Дніпропетровськ (Україна), 2005, 18-19 жовтня; «Проблеми промислової теплотехніки», Київ (Україна), 2005, 26-30 вересня; «Інформаційні технології в металургії та машинобудуванні», Дніпропетровськ (Україна). 2008, 14-17 квітня; «Інтегровані технології та енергозбереження 2008», Харків (Україна), 2008, 11-16 травня; «Теплотехніка та енергетика в металургії», Дніпропетровськ (Україна), 2008, 7-9 жовтня.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 14 друкованих праць: 3 - у спеціалізованих журналах, 8 - у збірниках наукових праць, 3 - у матеріалах і працях наукових конференцій. З них 11 - у виданнях, що входять до переліку ВАК України.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновку, списку літературних джерел та додатків. Робота викладена на 159 сторінках машинописного тексту, включає 19 таблиць, 42 рисунки і 4 додатки. Список використаної літератури становлять 136 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета та задачі дослідження. Наведено нові наукові результати, що отримані у роботі, показана їхня практична цінність, визначений особистий внесок здобувача, представлені відомості про апробацію роботи.

У першому розділі дана загальна характеристика вапняно-випалю-вального виробництва, розглянуті основні вимоги до якості вапна, переваги та недоліки випалювальних агрегатів. У якості об'єкта дослідження обрано шахтну протитокову вапняно-випалювальну піч, що опалюється природним газом.

Дослідження роботи таких печей з метою їх удосконалювання ведуться науковими колективами УДТУ-УПІ, НМетАУ, закордонними компаніями «Merz» і «Polysius». Основні досягнення вчених України та Росії відображені в роботах ряду авторів: Н. П. Табунщикова, Ю. П. Нехлебаєва, А. В. Мона-стирьова, Ю. Г. Ярошенко, В. С. Швидкого, Я. М. Гордона, Ю. І. Розенгарта, Т. Ю. Пархоменко.

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.

Перспективними заходами щодо підвищення ефективності використання природного газу в шахтних вапняно-випалювальних печах є розробка оптимальних режимів випалу, технічних рішень щодо комбінованого опалення природно-доменною сумішшю, а також застосування адіабатичної витримки матеріалу.

Ефективне рішення цих задач можливе в сполученні з математичним моделюванням роботи випалювальних агрегатів.

У другому розділі розроблена математична модель шахтної протитокової вапняно-випалювальної печі, виконано тестування її структурних частин по відношенню до відомих в літературі аналітичних рішень, розрахункових та експериментальних даних, обрані розрахункові значення кроку по висоті шару, радіусу печі, товщині куску матеріалу і часу.

У зв'язку зі складністю теплообмінних та газодинамічних процесів система рівнянь, що описують роботу печі, була розділена на ряд окремих сполучених задач. У загальній математичній постановці враховані задачі руху газів у щільному шарі, конвективного та дифузійного переносу речовини, горіння палива, зовнішнього і внутрішнього теплообміну.

Відповідно до конструктивних особливостей прийнято, що профіль робочого простору має циліндричну форму. У моделі враховані підведення газів у пальники та основу печі, а також теплові втрати через теплову ізоляцію. Вважалося, що піч працює в сталому стані.

Постановка задачі руху газу в щільному шарі кускового матеріалу представлена диференціальним рівнянням потенційного руху в циліндричній системі координат:

де потенціал швидкості, м²/с; поточний радіус печі, м; поточна висота печі, м; локальна зміна об'ємної витрати газу в елементарному об'ємі в результаті хімічних реакцій горіння палива та дисоціації вапняку, м³/с; елементарний об'єм печі, м³.

Математичне формулювання задачі переносу речовини з урахуванням джерел маси записане у вигляді диференціального рівняння (2), що визначає розподіл концентрацій речовини в нестисливому потоці:

де і відповідно радіальна та вертикальна складові вектору швидкості фільтрації, нм/с; концентрація речовини, що дифундує в шарі, кг/кг; коефіцієнт радіальної турбулентної дифузії, м²/с; інтенсивність виділення (поглинання) речовини в одиниці об'єму шару внаслідок хімічних реакцій горіння палива та дисоціації вапняку, с^-1.

Кількість рівнянь виду (2) визначалася числом компонентів, що розглянуті у системі. Для умов роботи шахтних вапняно-випалювальних печей на газоподібному паливі були враховані дванадцять основних компонентів: метан СН₄, етан С₂Н₆, пропан С₃Н₈, бутан С₄Н₁₀, пентан С₅Н₁₂, етилен С₂Н₄, оксид вуглецю СО, водень Н₂, диоксид вуглецю СО₂, водяна пара Н₂О, кисень О₂ та азот N₂.

При постановці задачі горіння палива в щільному шарі були враховані відомі в літературі реакції неповного згоряння та водяного газу.

Постановка задачі зовнішнього теплообміну в шарі представлена рівнянням (3):

де - ізобарна об'ємна теплоємність теплоносія, Дж/(м³К); - температура газів, С; - закон розподілу потужності джерел (стоків) теплоти на основі рішення завдань горіння палива і дисоціації вапняку, Вт/м³.

При моделюванні нагрівання та дисоціації куску вапняку прийнята фронтальна модель, в якій враховані залежність теплофізичних властивостей матеріалу від температури та перегрівання зовнішніх шарів вапна відносно температури дисоціації. Внутрішні процеси теплообміну при цьому описані рівняннями (4)-(6):

· рівняння теплопровідності в ядрі вапняку (r_к[0; r_ф], r[0; R_п]):

рівняння теплопровідності в прошарку вапна (r_к[r_ф; R_к], r[0; R_п]):

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 r_к, часу (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 (r_к = r_ф, t_м = t_дис):

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 об'ємна теплоємність диоксиду вуглецю при температурі дисоціації, Дж/(м³К).

Система кінцевих та диференціальних рівнянь (1)-(6) була доповнена граничними умовами. Її апроксимація виконана інтегро-інтерполяційним методом, а отримані в підсумку кінцево-різницеві рівняння реалізовані на ЕОМ. Розроблений програмний алгоритм рішення задачі передбачав послідовне обчислення кожного з розрахункових блоків (газодинаміки, масообміну, горіння, зовнішнього та внутрішнього теплообміну) окремо з наступними та багаторазовими ітераціями. У результаті, це забезпечувало сполученість рішення. Критерієм збіжності й завершеності обчислень виступала похибка матеріального та теплового балансів печі. Задача вважалася вирішеною по досягненні значення її модулю < 0,5 %.

У ході перевірки розрахункових блоків математичної моделі по відношенню до відомих чисельних та експериментальних рішень були визначені основні вимоги до кінцево-різницевої сітки. Крок по висоті h і радіусу r печі не повинен перевищувати 0,25 м, крок по товщині куску матеріалу повинен відповідати умові r ? 0,01 м. При цьому, крок за часом у розрахунку куску 120 с.

У третьому розділі представлені результати експериментальних та розрахунково-теоретичних досліджень шахтної протитокової вапняно-випалювальної печі №2 цеху випалу вапняку ВАТ «Алчевський металургійний комбінат» (ВАТ «АМК»).

Метою промислових випробувань було одержання достовірної інформації про фактичні показники роботи печі, аналіз впливу врахування турбулентної дифузії на точність чисельного рішення, а також оцінка потенціалу енергозбереження.

Область експериментальних досліджень відповідала штатним режимам експлуатації печі технічним персоналом. Реєстрація параметрів роботи агрегату (витрат, температури, хімічного складу газів і матеріалу) здійснювалася за допомогою стаціонарних контрольно-вимірювальних приладів цеху, портативних переносних приладів і лабораторного устаткування. 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, об'ємний вихід димових газів і вихід СО₂ від дисоціації. Це дозволило проводити оцінку точності промислового експерименту шляхом розрахунку ККД печі за прямим та зворотнім тепловим балансом.

За результатами випробувань ККД печі склав 42,1 ч 45,5 % за прямим та 40,2 ч 43,7 % зворотнім тепловим балансом, що підтвердило вірогідність проведених метрологічних вимірів. Питома витрата палива перевищила проектні показники на 12 ч 24 %, головним чином за рахунок недопалу палива та втрат теплоти з димовими газами. Хімічний недопал у димових газах, був обумовлений наявністю горючих компонентів: СО = 0,2 ч 1,8 %, Н₂ = 0,4 ч 1,2 %, СН₄ = 0,2 ч 1,6 %, С_mН_n = 0 ч 0,3 %. Аналіз роботи печі показав, що найбільший внесок в утворення хімічного недопалу вносить робота центрального пальника.

Оцінка впливу турбулентної дифузії газу на точність моделі була виконана шляхом дослідження процесів газодинаміки і сумішоутворення без урахування горіння палива і дисоціації вапняку (рис. 1, табл. 1), що дозволило розрахувати розподіл концентрацій палива в обємі печі, а також з урахуванням всіх теплофізичних процесів (рис. 2, табл. 1) відповідно до математичної постановки (1)-(6).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таблиця 1

Характеристика газів на виході з печі

Спосіб визначення	Хімічний склад димових газів, %
	СО2	O2	CO	H2	N2	CH4	CnHm
Експеримент	20,50	7,00	0,90	0,80	69,40	1,20	0,20
Розрахунок з урахуванням дифузії	20,90	6,80	0,67	1,07	69,32	1,24	0,00
Розрахунок без урахування дифузії	10,32	13,13	0,56	0,94	70,75	4,30	0,01

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аналіз даних (рис. 1) показав, що з урахуванням дифузії досягається більше рівномірний розподіл концентрацій палива по перетину. Перемішування газів відбувається від рівня підведення палива до рівня виходу газу протягом всієї висоти печі. У результаті чого має місце розвинутий дифузійний факел (рис. 2), а кінцевий склад продуктів згоряння (табл. 1) близький за значенням до експериментального. Без урахування дифузії зона перемішування палива з повітрям обмежується тільки областю двовимірного руху газу 0,5 ч 1,5 м (рис. 1). При цьому горіння палива практично відсутнє.

З метою визначення впливу режимних параметрів (витрати палива, повітря, рециркуляту та вапняку, розміру фракцій) на основні показники роботи печі були проведені параметричні дослідження її роботи. Діапазон зміни режимних параметрів обраний відповідно до експлуатаційних показників агрегату: загальна витрата палива на піч В_пг = 900 ч 1100 м³/год; співвідношення витрати палива на центральний пальник до загальної витрати В_ц / В_пг = 10 ч 65 %; витрата повітря в основу печі V_в = 8000 ч 16000 м³/год; витрата повітря на центральний пальник V_в^ц = 0 ч 2500 м³/год; витрата рециркуляту на центральний пальник V_р = 0 ч 2500 м³/год; витрата вапняку G_из-к = 270 ч 370 т/доб.

Встановлено, що всі досліджені параметри 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.

На основі результатів параметричного дослідження була виконана оцінка потенціалу економії палива за умов збереження витрати вапняку G_вап-ку = 300 т/доб та ступеню випалу у = 74,3 %. Оптимізація режимних параметрів дозволяє отримати економію природного газу близько 19 %.

У четвертому розділі визначені оптимальні за витратою палива режими випалу вапняку; розроблені рекомендації з переведення печі на опалення природно-доменною сумішшю; досліджений вплив адіабатичної витримки вапна на ступінь і тривалість випалу матеріалу. На основі отриманих результатів розрахована очікувана економія природного газу.

Для рішення задачі оптимізації була отримана регресійна енергетична характеристика печі, що виражає зв'язок витрати палива В_пг із основними режимними параметрами роботи агрегату (витратою палива B_пг^ц, повітря V_п^ц і рециркуляту V_р на центральний пальник, витратою повітря в основу печі V_п) і заданими технологічними показниками (добовим завантаженням печі вапняком G і ступенем випалу матеріалу ):

Коефіцієнт детермінації R² рівняння (7) склав 0,95. Значимість коефіцієнтів пропорційності була перевірена на основі відомих статистичних оцінок.

Отримана енергетична характеристика використана в якості оптимізаційної моделі, а як критерій оптимальності прийнята витрата природного газу B_пг. Крім цього, у загальну постановку задачі оптимізації було включено чергу обмежень:

· на діапазон зміни коефіцієнта витрати повітря на піч _п:

0,8 _п 2;

· на співвідношення витрат природного газу на центральний пальник до загальної витрати на піч :

· на діапазон зміни витрати рециркуляту на центральний пальник:

, м³/год;

· на діапазон зміни коефіцієнта витрати повітря на центральний пальник _ц:

0 _ц 0,25.

Рішення задачі оптимізації виконано методом Ньютона. Деякі з отриманих результатів представлені на рис. 3-4.

З наведених даних виходить, що для печі №2 цеху випалу вапняку ВАТ «АМК» у першу чергу необхідна організація оптимального режиму роботи центрального пальника. У дослідженому діапазоні G = 270 ч 370 т/доб і = 75 ч 90 % рекомендовані витрати газів на центральний пальник становлять: В_пг^ц = 410 ч 430 м³/год; V_р = 730 ч 780 м³/год; V_п^ц = 980 ч 1040 м³/год (рис. 3-4). Надалі, для забезпечення необхідної якості вапна залежно від завантаження печі G варто керувати витратами палива на периферійні пальники та повітря в основу печі.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Як видно з рис. 3, з ростом продуктивності печі при заданій якості вапна витрати палива і повітря на піч збільшуються. У той же час при збільшенні ступеня випалу, навпроти необхідно знижувати подачу повітря в основу печі при підвищенні витрати палива. Останній взаємозв'язок пояснюється тим, що зниження швидкості супутнього потоку повітря призводить до розкриття дифузійного факела в шарі кускового матеріалу і відповідно сприяє розширенню зони випалу по перетину печі.

На рис. 4 показана зміна питомої витрати умовного палива на тонну активного вапна в оптимальних режимах роботи печі. Згідно із представленими даними, питома витрата палива на тонну активного вапна тим менше, чим вище продуктивність печі і нижче вимоги до якості готового продукту.

З аналізу отриманих результатів установлено, що впровадження оптимального режиму забезпечить зниження питомої витрати палива на 20 ч 25 %.

Размещено на http://www.allbest.ru/

При дослідженні впливу доменного газу на роботу вапняно-випалю-вальної печі як технологічне обмеження по витраті доменного газу розглядалася пропускна здатність існуючих пальникових пристроїв. Відповідно до виконаних оцінок максимальна об'ємна частка доменного газу в природно-доменній суміші становить близько r_дг = 0,8. При цьому, теплота згоряння такої суміші дорівнює 9,4 МДж/м³.

Відповідно до результатів досліджень збільшення витрати доменного газу на центральний пальник призводить до деякого погіршення роботи агрегату, що виражається в зниженні ступеня випалу вапняку. Подача доменного газу на периферійні пальники навпроти підвищує якість вапна. У підсумку, при переведенні печі на опалення природно-доменною сумішшю в діапазоні значень теплоти згоряння 9,4 ч 33,5 МДж/м³ її основні інтегральні показники роботи (структура теплового балансу печі, а також якість випалу) практично не змінюються.

Даний висновок пояснюється, насамперед, тим, що шахтна піч не має розвиненого об'єму робочого простору як нагрівальні печі та котельні агрегати. У щільному шарі основне перенесення теплоти від газів до поверхні матеріалу здійснюється конвекцією. Тому при заміні природного газу низькокалорійним паливом ефект зниження температури продуктів згорання і падіння променистої складової тепловіддачі компенсується підвищенням швидкості газів та відповідним збільшенням коефіцієнту тепловіддачі конвекцією.

Очікувана економія природного газу при переході на природно-доменну суміш із теплотою згоряння 9,4 МДж/м³ становить близько 30 %.

З метою розробки пропозицій щодо використання адіабатичної витримки було досліджено її вплив на тривалість обробки матеріалу. Дослідження проводилися для вапняку Комсомольського рудоуправління вузькофракційного складу (40 ч 80 мм).

Відповідно до отриманих результатів, при скороченні часу перебування матеріалу в зоні випалу на 5 ч 6 % адіабатична витримка не впливає на тривалість загального часу термообробки вапняку. Тому для збереження продуктивності агрегату необхідно, щоб висота зони адіабатичної витримки складала 5 ч 6 % від первісної висоти зони випалу.

В умовах існуючого агрегату реалізація адіабатичної витримки в класичному уявленні має певні технічні труднощі. У зв'язку із цим, запропоновано застосування витримки матеріалу на основі динамічного керування роботою печі.

На печі №3 цеху випалу вапняку ВАТ «АМК» було проведено укрупнений промисловий експеримент, в якому реалізація адіабатичної витримки забезпечена шляхом організації циклічного режиму роботи печі. Тривалість циклу роботи печі складала 8 годин: 6 годин - опалення природним газом у штатному режимі; 2 години - витримка при відключених пальниках і димососі. Відповідно до отриманих результатів було досягнуте підвищення ступеня випалу вапняку на 3 %. При цьому питома витрата палива на тонну активного вапна знизилась з 235 кг у.п./т до 220 кг у.п./т.

ВИСНОВКИ

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 h і радіусу r печі не повинен перевищувати 0,25 м, крок по товщині куска матеріалу повинен відповідати умові r ? 0,01 м; крок за часом - 120 с.

3. Розроблено методику визначення теплотехнічних показників роботи вапняно-випалювальних печей (загальної витрати повітря, об'ємного 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 зв'язок 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 ч 25 % при заданих значеннях якості готового продукту і продуктивності агрегату. Показано доцільність налагодження режиму центрального пальника: витрата палива має становити 410 ч 430 м³/год; витрата рециркуляту - 730 ч 780 м³/год; витрата повітря - 980 ч 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 ч 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-випалю-вальних 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 тепло-технологічних 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.

АНОТАЦІЯ

Форись С. М. Газодинамічний та тепловий режими, що забезпечують економію природного газу при виробництві вапна в шахтних протитокових печах. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2009.

Дисертаційна робота присвячена питанням скорочення питомої витрати природного газу при виробництві вапна в шахтних протитокових печах на основі розробки і впровадження ефективних режимів випалу та часткової заміни природного газу доменним.

Розроблено та реалізовано на ЕОМ математичну модель шахтної протитокової вапняно-випалювальної печі с центральним та периферійним підведенням природного газу. В моделі враховані рух газів у щільному шарі кускового матеріалу, конвективне та дифузійне перенесення речовини, горіння палива, зовнішній та внутрішній теплообмін.

На основі результатів експериментальних та розрахунково-теоретичних досліджень показано необхідність урахування турбулентної дифузії при моделюванні роботи шахтних протитокових вапняно-випалювальних печей, що забезпечує істотне підвищення вірогідності кількісного та якісного опису фізичних процесів при випалу вапняку.

Вирішено задачу оптимізації режимних параметрів: розподілу палива, повітря та рециркуляту між центральною та периферійними пальниками, що забезпечує мінімальні витрати природного газу при виробництві вапна.

Розроблено методику визначення теплотехнічних показників роботи вапняно-випалювальних печей (загальної витрати повітря, об'ємного виходу димових газів та диоксиду вуглецю в результаті дисоціації), що основана на результатах газового аналізу.

Розроблено енергоефективні режими роботи шахтної протитокової вапняно-випалювальної печі, що забезпечують зниження питомої витрати природного газу на 20 ч 25 % при заданих значеннях якості готового продукту та продуктивності агрегату.

Розроблено режими опалення шахтної протитокової вапняно-випалювальної печі сумішшю природного та доменного газів. Очікувана економія природного газу при цьому становить близько 30 %.

Ключові слова: вапно, шахтні протитокові печі, природний газ, економія палива, оптимальні режими роботи, використання доменного газу.

АННОТАЦИЯ

Форись С. Н. Газодинамический и тепловой режимы, обеспечивающие экономию природного газа при производстве извести в шахтных противоточных печах. Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2009.

Диссертационная работа посвящена вопросам снижения удельного расхода природного газа при производстве извести в шахтных противоточных печах на основе разработки и внедрения энергоэффективных режимов обжига и частичной замены природного газа доменным.

Разработана и реализована на ЭВМ математическая модель шахтной противоточной известково-обжиговой печи с центральным и периферийным подводом природного газа. В модели учтены движение газов в плотном слое кускового материала, конвективный и диффузионный перенос вещества, горение топлива, внешний и внутренний теплообмен.

На основе результатов экспериментальных и расчетно-теоретических исследований показана необходимость учета турбулентной диффузии при моделировании работы шахтных противоточных известково-обжиговых печей, что обеспечивает существенное повышение достоверности количественного и качественного описания физических процессов при обжиге известняка.

Решена задача оптимизации режимных параметров работы печи: распределения топлива, воздуха и рециркулята между центральной и периферийными горелками, обеспечивающая минимальные затраты природного газа при производстве извести.

Разработана методика определения теплотехнических показателей работы известково-обжиговых печей (общего расхода воздуха, объемного выхода дымовых газов и диоксида углерода в результате диссоциации известняка), основанная на результатах газового анализа.

Разработаны энергоэффективные режимы работы шахтной противоточной известково-обжиговой печи, обеспечивающие снижение удельного расхода природного газа на 20 ч 25 % при заданных значениях качества готового продукта и производительности агрегата.

Разработаны режимы отопления шахтной противоточной известково-обжиговой печи смесью природного и доменного газов. Ожидаемая экономия природного газа при этом составляет около 30 %.

Ключевые слова: известь, шахтные противоточные печи, природный газ, экономия топлива, оптимальные режимы работы, использование доменного газа.

SUMMARY

Foris S. N. The gas-dynamic and thermal conditions which are providing natural gas economy in lime production with shaft counterflow kilns. The manuscript.

Thesis for competition of the scientific degree of the Candidate of Technical Sciences in specialty 05.14.06 Technical thermal physics and industrial heat and power engineering. National Metallurgical Academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2009.

This dissertation is devoted to the issue of natural gas rate cutting in lime production with shaft counterflow kiln on the basis of increase and introduction of effective calcining working conditions and partial replacement of natural gas by blast-furnace gas.

The mathematical model of shaft counterflow lime-stone kiln with central and peripheral natural gas supply is elaborated and realized on the computer. This model takes into account gas dynamics in packed bed of lime-stone material, convective and diffusion substance transfer, fuel combustion, external and internal heat exchange.

On the basis of experimental and calculation researches is showed that with shaft counterflow lime-stone kiln modeling is necessary to take into account turbulent diffusion. It is ensuring substantial improvement of quantitative and qualitative reliability of lime-stone calcining physical process simulation.

For the purpose of natural gas rate cutting in lime production The optimization problem of kiln working conditions is solved. As working conditions were examined fuel, air and recycling gas distribution between central and peripheral burners.

On the basis of gas analysis the methodology for calculation of heat engineering operation results of lime-stone kilns (total air consumption, combustion product consumption, carbon dioxide in the issue of dissociation) is elaborated.

The effective working conditions of shaft counterflow lime-stone kiln are elaborated. The cutting of natural gas rate average 20 ч 25 % with specified value of end-product quality and unit productivity.

The working conditions of shaft counterflow lime-stone kiln heating with mixture of natural and blast furnace gas are elaborated. The expected natural gas economy average 30 %.

Keywords: lime, shaft counterflow kiln, natural gas, fuel economy, optimal working conditions, using of blast furnace gas.

Размещено на Allbest.ru

...