автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Оптимизация распределения газовых потоков для уменьшения образования настыли в IS-печи

На правах рукописи

Румянцев Всеволод Владимирович

Оптимизация распределения газовых потоков для уменьшения образования настыли в 18-печи

Специальность 05.16.02 "Металлургия черных, цветных и редких металлов"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2005

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московский государственный ииститут стали и сплавов (технологический университет)

Научный руководитель,

доктор технических наук, профессор, Стрижко Владимир Семенович

заслуженный деятель науки РФ

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Быстрое Валентин Петрович

заслуженный деятель науки техники РФ

доктор технических наук, доцент Манцевич Николай Маркович

Ведущее предприятие: ГНЦРФ-ФГУП «институт „ГИНЦВЕТМЕТ"»

Защита состоится « 2005 г. В 14 часов 00 минут на заседании

специализированного Совета Д. 212.132.05 при Московском государственном институте стали и сплавов ( технологическом университете ) по адресу: 119991, г. Москва, Крымский Вал, д,3, ауд. 214К

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного института стали и сплавов ( технологического университета )

Автореферат разослан «72» 2005 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета

//} Лобова Т.А.

loe'-h

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Imperial Smelting-process (IS ) - это пирометаллургический процесс для производства свинца и цинка. В области свода печи и на стенках перехода между конденсатором и печью за счет окисления цинковых возгонов идет постоянное образование настыли. Настыли уменьшают объем рабочей зоны печи, в результате чего реакции в верхней части печи протекают не полностью. Вследствие этого понижается эффективности процесса. Используемые сегодня методы устранения настылей являются неэффективными, дорогостоящими, а также требующими большого количества времени. Для предотвращения окисления цинковых возгонов в верхнюю часть печи дополнительно вдувается горячий воздух ( температура дополнительного дутья 750 - 800 °С ). За счет дожигания содержащейся в печных газах оксида углерода температура в данной зоне поддерживается на уровне 1000-1020 "С. В результате этого окисление газообразного цинка минимально. В связи с этим, задача оптимизации подачи дополнительного дутья с целью уменьшения окисления цинка, а предотвращения образования настыли является актуальной.

Цель работы заключается в анализе условий образования настылей. В частности, влияние газовых потоков на образование настылей в IS-печи необходимо изучить более детально. Достижение данной цели потребовало решения следующих задач:

• определение путей повышения эффективности IS процесса;

• разработка методов оптимизации распределения газовых потоков для уменьшения настылеобразования;

• анализ причин образования настыли в IS-печи;

• достижение равномерное обтекание;

• увеличение выхода цинка;

На защиту выносятся:

• результаты -экспериментальных исследований распределения газовых потоков в „холодной", заполненной воздухом модели IS-печи, в зависимости от таких технологических параметров, как объем дополнительно вдуваемого горячего воздуха, расположение и угол наклона фурм;

• результаты термодинамических расчетов, сделанных с помощью программы «ChemSage»;

• результаты изучения проб настыли, взятых из IS-печи;

• результаты исследований слоя конденсата на внутренних стенках модели;

• предложенные на основе анализа проведенных исследований конструктивные и технологические мероприятия для оптимизации IS-процесса.

Научная новизна работы

Постоянный рост настыли на стенках является одной из главных проблем, возникающих при эксплуатации IS-печи и приводящих к ухудшению показателей всего процесса. Несмотря на всю важность проблемы образования настыли, ранее не предпринимались попытки описать процесс возникновения и изучить причины ее роста. На основе анализа результатов проведенных исследований сделаны выводы, касающиеся возникновения и распространения слоя настыли: во всех местах отбора проб. Было обнаружено, что рост настыли происходит в результате наличия разбрызгиваемого в конденсаторе свинца. Капельки свинца осаждаются на поверхности кладки печи и способствуют закреплению частичек оксида цинка на стенках. Была также выявлена зависимость между характером распределения газовых потоков и ростом отложений на кладке печи.

Практическая значимость.

Полученные в работе результаты проведенных экспериментов позволяют более обоснованно подойти к разработке и оптимизации режимов ведения IS-процесса. При проведении исследований были использованы современные методы анализа и моделирования, надежные экспериментальные методики. В результате применения полученных результатов следует ожидать уменьшение образования настыли на стенках печи. Как следствие уменьшится время простоя оборудования, вызванного необходимостью удаления настыли на заводе MHD. Все упомянутое выше ведет к уменьшению издержек на энергоносители и дополнительную рабочую силу, привлекаемую для удаления настыли, и увеличению выхода цинка. Кроме того, ожидается уменьшения расхода свинца, регулярно добавляемого в конденсатор

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и были одобрены на 2 международной научно-практической конференции «Европейская металлургическая конференция Ешс 2003» / Секция «Контроль, анализ и моделирование процессов», проходившей в Ганновере (ФРГ ), а также на других международных конференциях, состоявшихся в г. Гослар ( ФРГ ) «39 металлургическая конференция GDMB» и г. Фрайберг ( ФРГ ) «9

конференция студентов металлургических вузов»

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 3 печатных работах

Структура и объем работы. Диссертация состоит из двенадцати глав, библиографического списка из 82 наименований, списка использованных символов и сокращений. Основная часть работы изложена на 144 стр. машинописного текста и содержит 90 рисунков и 8 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В главе первой дается краткое введение в проблематику IS-процесса. А также указаны направления проведенных в данной работе исследований.

Глава вторая посвящена анализу состояния изучения вопросов IS-процесса, который разрабатывался в сороковые и пятидесятые годы XX века в Великобритании на фирме "Imperial Smelting Со" и предназначался для переработки свинцово-цинковых концентратов. Главная особенность процесса - это одновременное производство цинка и свинца в одной и той же шахтной печи. Сегодня металлургический завод, работающий по принципу IS-процесса, за 310 - 320 рабочих дня изготавливает до 100000 тонн цинка и около 40000 тонн свинца. На рисунке 1 показана общая схема шахтной печи для проведения IS-процесса

Рисунок 1: Общая схема шахтной печи для IS-процесса

Шихту загружают через два герметичных колокольных затвора. В последнее время в IS-печи перерабатывается все большее количество вторичных материалов, таких как оксиды велцевания, цинкосодержащие пыли и пеплы. Перед использованием их подвергают сушке во вращающихся печах при температуре 400-600 "С и брикетированию, после чего загружают в шахтную печь. Содержание вторичных материалов в шихте может достигать 35 %,

Чтобы исключить окисление парообразного цинка, в верхнюю часть печи ( область над уровнем шихты ) через четыре фурмы подают подогретое до 750 - 800 "С воздушное дутье ( 10 % от общего объема дутья ) для создания в отходящих газах достаточно высокой температуры ( около 1000 "С ).

Основными реакциями, протекающими в печи, являются восстановление оксидов и сульфатов, сгорание углерода, окисление парообразного цинка. В области фурм при значительном расходе тепла происходит восстановление цинка коксом, а так же образование СО. Скорость реакции при этом зависит в первую очередь от образования на поверхности шлака газового слоя. При господствующих в фокусе печи температурах t ~ 1400 "С скорость реакции Будуара яе влияет на протекание других взаимодействий. Небольшие количества РЬ и PbS путем испарения в зоне фурм и конденсации в верхней области шихты также способствуют переносу тепла в более высоко расположенные части печи.

Нагретые до 1000 "С печные газы идут в конденсатор. Они содержат 7 ■ 8 % Zn, 10-13 % СО;, 20 - 23 % СО. Принцип действия конденсатора основан на том, что свинец ограниченно растворяет цинк. Опущенные в ванну расплавленного свинца мешалки создают "душ" из капелек РЬ, которые адсорбируют цинк из газовой фазы. Растворимость цинка растет при этом с повышением температуры. Свинец в конденсаторе имеет температуру 560 "С и содержит 2,26 % Zn. Из конденсатора свинец перекачивают в ликвационную камеру, где он охлаждается до 450 "С. Это вызывает выделение на поверхности свинца растворенного в нем цинка. Этот слой выпускают из ванны, а охлажденный свинец, содержащий 2 % Zn, направляют обратно в конденсатор. Цинк поступает в приемник, где добавляется натрий для удаления мышьяка. Полученные черновые металлы ( цинк и свинец ) направляют на рафинирование.

Второй важной проблемой, освященной в этой главе, были причины образования настыли. На этот процесс влияют различные факторы: химический состав шихты, брикетов и отходящих газов, скорость газовых потоков и температура в верхней части печи над уровнем шихты. Влияние каждого фактора зависит от условий на том или ином участке агрегата. Причина же образования настыли кроется во взаимодействии всех этих параметров.

Самой главной причиной образования настыли является окисление цинковых возгонов с последующей конденсацией оксида цинка на „холодной" кладке IS-печи. При выходе из шахты печи температура отходящих газов составляет 850 - 900 "С. Подача горячего воздушного дутья ( с температурой 750 - 800 "С ) приводит путем реакции с кислородом к сжиганию части моноксида углерода. В результате температура отходящих газов

держится на уровне 1000 - 1020 "С. Вследствие повышения температуры в верхней части печи происходит уменьшение окисления цинковых возгонов.

Окисление цинковых возгонов является обратной реакцией главного процесса, протекающего в печи;

ZnO(TBl + CO,r) = Zn(r) + СО:,,,. ( 1 )

Небольшая часть газообразного цинка взаимодействует с парами воды:

Znlr) + Н20(Г) = ZnO(TB) + Нэд. ( 2 )

С ростом или падением температуры происходит изменение степени окисления цинка. При 850 "С и содержании цинка в отходящих газах, равного 7,5 %, данный металл полностью окислен. При 1050 "С степень окисления почти равна нулю. Это означает, что парциальное давление и равновесное парциальное давление цинка сравнялись, а значит, обратное окисление паров металла не происходит. Из этого следует, что образование оксида цинка при температуре выше 1050 "С по реакции ( 1 ) невозможно. На практике для избежания окисления цинковых возгонов достаточно нагреть отходящие газы до 1000 "С. Попадая в конденсатор, печные газы очень быстро охлаждаются душем из капелек расплавленного свинца. Если данный процесс остывания протекает медленно, то возникает опасность, что некоторая часть цинка окислится.

Практически невозможно избежать полного отсутствия обратного окисления цинка. Из-за потерь тепла при загрузке шихты возможно протекание этого процесса в верхней части печи. Кроме того, влияние на окисление цинка оказывает свинец, который разбрызгивается мешалками в конденсаторе. Осаждаясь на стенках, "холодные" капельки свинца ( ~ 500 "С ) вызывают уменьшение температуры кладки печи и конденсатора, что ведет к образованию оксида цинка и, в свою очередь, росту настыли.

Кроме того следует отметить, что с увеличением объема использования брикетов из вторичных материалов с повышенным содержанием щелочных металлов, встал целый ряд трудноразрешимых вопросов, связанных с образованием настыли. Было установлено, что испаряющиеся оксиды и хлориды щелочных элементов ( главным образом KiO и KCl) ведут к усиленному росту твердых настылей. Загружаемые соединения щелочных металлов ( в основном силикаты, карбонаты и оксиды ) легко восстанавливаются при температурах шахтной плавки. Образующиеся при этом металлы легко испаряются. Оки уносятся потоком отходящих газов. В областях печи, где преобладают более низкие температуры, происходит окисление щелочных металлов и их конденсация. В результате на "холодной" поверхности шихты, кокса или кладке печи образуются тонко распределенные соединения натрия и калия. Кроме того, могут формироваться цианиды или карбонаты. Они опускаются вниз вместе с шихтой или уносятся отходящими газами.

Как было сказано выше, распределение газовых потоков оказывает влияние на расход кокса и эффективность всего IS-процесса. Неравномерное течение газов ведет к ухудшению показателей процесса, так как взаимодействия в печи протекают не полностью. Особый интерес вызывает соотношение между отходящими газами и 1 дутьем в верхней части печи над уровнем шихты, от которого зависит скорость и характер

распределения всего газового потока. Путем целенаправленной оптимизации распределения газовых потоков в печи возможно улучшение процессов переноса тепла. При вдувании воздуха в верхнюю область печи достигается активное перемешивание отходящих газов; в результате увеличения теплопереноса уменьшается образование настылей. Турбулентное движение газов ведет к оптимизации теплоотдачи у стен агрегатов. Зоны, где газовые потоки имеют низкую скорость течения, в результате сильного перемешивания среды сокращаются. Все это приводит к уменьшению отложений цинка и пыли на стенках в верхней части печи.

На основе исследований, проведенных в условиях производства, была приблизительно определена степень потери цинка в результате настылеобразования. При этом удаленные из печи настыли были взвешены, а полученное значение сопоставлено с массой произведенного цинка.

Влажность дутья Г%1 Содержание Н-.0 Г%1 Масса оксида цинка Гх 1 Степень потери цинка [%1

1 0 0 21,8 0,72

2 40 2,21 28,5 0,96

3 70 6,71 38 1,3

Таблица 1: Масса образовавшегося оксида цинка и степень потери цинка в 18-печи в течение 160 ч.

Степень потери цинка показывает отношение массы цинка, который окислился и осадился на кладке печи, к массе цинка, который, попав в конденсатор, был абсорбирован свинцом. В таблице 1 представлены результаты исследований, проводившихся в течение 160 часов ведения печного процесса.

В третьей главе рассмотрены основные аспекты физического моделирования процессов, протекающих в 18-печи. Пирометаллургические аппараты в большинстве случаев непригодны для прямого исследования таких процессов, как распределение газовых потоков во внутреннем пространстве печи. Из-за высоких температур в верней части агрегата и в переходе к конденсатору ( - 1000 "С ), больших размеров аппарата и наличия в нем агрессивной среды подобные опыты, точнее, измерение скорости потоков, реализуемы только путем высоких капитальных затрат. В этом случае возникает необходимость в модели, с помощью которой можно воссоздать протекающие в 18-печи газодинамические и химические процессы. Кроме того, использование подобной модели

связано с низкими материальными издержками и короткими периодами подготовки аппаратного оборудования. Таким образом, моделирование следует признать подходящим методом исследования проблем пирометаллургии.

Для проведения моделирования необходимо соблюдение условий теории подобия, учитывая следующие правила:

¡Л безразмерные критерии, описывающие процессы, должны быть подобными;

□ природа протекающих процессов, как и их математическое описание, должны быть схожими ( это условие может быть выполнено путем геометрического подобия при оформлении модели ).

Критерий Рейнольдса является основным критерием подобия текущих сред: два текущих потока являются подобными в случае равенства описывающего их критерия Рейнольдса. Только при выполнении этого условия возможен перенос результатов экспериментов, проведенных в модели, на оригинал. Исходя из данных, предоставленных заводом МЬГО, критерий Рейнольдса составляет Яе~84000. Следует отметить, что расчет был проведен для пустой шахты печи, соответственно, влияние шихты и настыли на газовые потоки не учитывалось.

Из-за сложности химических и физических процессов, протекающих в пирометаллургическом агрегате, очень тяжело сконструировать модель, которая бы полностью воссоздавала все условия 18-печи, поэтому надо исходить из частичного подобия. В соответствии с предоставленными заводом МНО чертежами 18-печи в масштабе 1:17 была построена геометрически подобная модель. Критерий Рейнольдса в шахте модели составляет менее чем 105 ( ~ 72000 ), что соответствует параметрам металлургического агрегата. Таким образом течение воздуха в которой геометрически и физически подобно течению газов в 1Б-печи.

Четвертая глава посвящена выбору способа измерения распределения газовых потоков в модели Ш-печи. Традиционные механические методы измерения скорости потока на основе крыльчатки или термоэлемента имеют большой недостаток, а именно - соприкосновение с текущей средой. По этой причине особый интерес вызывает лазерная доплеровская анемометрия, которая является, напротив, бесконтактным лазерооптическим методом измерения скорости потока в светопроницаемой среде. С ее помощью можно проводить измерения с высоким разрешением в широком диапазоне скоростей ( от Ю"4 м/с до 10' м/с ).

Лазерная доплеровская анемометрия является косвенным методом измерения. Принцип действия ЛДА основан на доплеровском методе измерения локальных скоростей потока, который заключается в изменении частоты лазерного излучения, рассеиваемого движущимися в исследуемом потоке частицами.

Рисунок 2: Схема лазерного доплеровского анемометра

Лазерный доплеровский анемометр состоит в целом из трех частей: источника света, испускающего и принимающего устройства. Оптический пучок с выхода лазера поступает на светоделитель, представляющий собой оптическую систему, обеспечивающую деление оптического пучка излучателя на два пучка, равных по мощности, которые выводятся через оптическое окно. На передний фланец анемометра устанавливается фронтальная насадка, состоящая из трубы с установленной в ней фокусирующей линзой, обеспечивающей фокусировку пучков и формирование измерительного объема, то есть зоны интерференции двух когерентных оптических пучков, в которой и происходит измерение скорости перемещения среды.

Пылевая среда, перемещающаяся с потоком газа через зону измерительного объема, рассеивает падающее излучение, которое фокусируется объективом через диафрагму на фотодиод фотодетектора. Выделенный фотодиодом доплеровский сигнал, пропорциональный скорости контролируемой среды, идет в усилитель, а затем по кабелю связи поступает в систему обработки данных.

Благодаря своим достоинствам, особенно отсутствию соприкосновения с текущей средой, а так же высокой точности измерения скорости, лазерная доплеровская анемометрия является наиболее подходящим методом измерения для предстоящих исследовании.

В пятой главе описана конструкция лабораторной установки. На основе предоставленных заводом Metall Hüttenwerke Duisburg (MHD ) чертежей была построена IS-печи в масштабе 1:17 модель.

Рисунок 3: Схема лабораторной установки: 1 - модель печи; 2 - модель конденсатора; 3 - фурмы дополнительного дутья; 4 - нижняя часть модели; 5 - лазерный измерительный зонд; 6 - планка установки высоты; 7 - вращающийся держатель модели; 8 ~ воздушный насос; 9 - генератор тумана

Модель состоит из элементов, геометрически подобных элементам оригинальной печи. Для исследования газовых потоков шахта и переход между печью и конденсатором сделаны из светопроницаемого оргстекла. Остальные части выполнены из обычного пластика. Воздух прокачивается сквозь модель снизу вверх с помощью воздушного насоса ( см. рисунок 3, позиция 8 ), соединенного трубой с моделью. Пропускаемый воздух содержит частички, вырабатываемые генератором тумана. Для равномерного распределения газового потока на входе в шахту между нижней частью модели печи и ее основной частью встроен слой из ситообразного материала ( см. рисунок 3, позиция 4 ). Кроме того, через фурмы вторичного дутья компрессором дополнительно подавался воздух. С помощью ротаметра можно было регулировать его объем. Для контроля равномерности распределения воздуха к каждой фурме также подсоединен ротаметр. Соотношение между основным и дополнительным дутьем в модели и в печи одинаковое.

Для измерения распределения газовых потоков использовался лазерный доплеровский анемометр фирмы «Dantec-measurement Technologie». С помощью планки установки высоты зонда и вращающегося держателя модели можно изменять положение точки измерения вдоль осей координат X, Y и Z. Так как используемый анемометр предназначен для определения скорости только в одном направлении, для измерения скорости вдоль всех осей нужно вращать зонд или модель.

Шестая глава посвящена экспериментальному изучению распределения газовых потоков в физической модели IS-печи, которое, как было отмечено, оказывает большое влияние на расход кокса и эффективность всего процесса. Неравномерное протекание газов ведет к ухудшению показателей процесса, так как идущие в печи взаимодействия происходят не полностью. Особый интерес вызывает соотношение между отходящими газами и дополнительным дутьем в верхней части печи над уровнем шихты, так как именно здесь на стенках образуются настыли. Распределение и скорость всего газового потока в этой части печи зависит от вдуваемого дополнительного воздуха. Путем изменения параметров дополнительного дутья возможно уменьшение настылеобразования в верхней части печи, а так же уменьшение пылевыноса в результате дожигания мелких частичек. Как основа для последующих экспериментов было проведено измерение скорости газовых потов по осям Y и Z без подачи дополнительного воздуха. На основании полученных данных было построено изополе скоростей газового потока, представленное на рисунке 4, слева. Для большей наглядности на рисунке 4, справа, показаны вектора скорости газовых потоков. Стрелками показано направление движения газа в каждой точке измерения. Длина и угол наклона стрелок зависят от скорости движения газа по осям Y и Z и от месторасположения зонда. Изображенные векторы напрямую зависят от среднего значения скорости. Воздух входит в модель снизу со скоростью 3 м/с. После этого он течет наверх перпендикулярно днищу. Значение скорости потока около стенок модели составляет менее 1 м/с. Из рисунка видно, что при переходе в газоход воздух идет направо, меняя направление своего течения. На нижней кромке газохода достигается самая высокая скорость. Следует обратить внимание на то, что поле скоростей в области свода печи на рисунке не изображено. Из-за конструкции модели и особенностей измерительного пробора ( эта зона слишком узка для проникновения лазерных лучей ) пришлось отказаться от измерения распределения газовых потоков в этой части модели.

Рисунок 4: Вертикальные профили распределения потока без подачи дополнительного дутья;

Для достижения более эффективного распределения газовых потоков в 18-печи были изменены некоторые параметры дополнительного дутья. Сначала были протестированы различные схемы расположения фурм, представленные на рисунке 5 а, б и в. При таких схемах расположения фурм воздух вдувался в модель горизонтально. Всего было протестировано три подобных схемы. Сначала дополнительное дутье подавалось симметрично в середину с обеих сторон модели ( а ). При расположении фурм ( б ), подача дутья в модель осуществлялась ассиметрично. В этом случае принципиально меняется распределение газовых потоков. Благодаря такому положению фурм можно увеличить время пребывания дополнительного воздуха в печи, и таким образом улучшить дожигание монооксида углерода и уменьшить натылеобразование. Следующим шагом было измерение профилей распределения потока при третьей схеме горизонтального расположения фурм ( в ), при которой подача воздуха осуществлялась в направлении конденсатора.

симметричное

асимметричное

в направлении конденсатора

\ ь / /

* Г Н'

\

*

г П Ц ч

ни } Л ш

ми» Я

1 1 »

V, т/я

Рисунок 6: Вертикальные профили распределения потоков при горизонтальных схемах расположения фурм;

На рисунке 6 изображены профили распределения газовых потоков, измеренных при различных схемах расположения фурм, в вертикальном разрезе модели перпендикулярно газоходу. На рисунке также изображены изополя скоростей. Для лучшей наглядности течения газов в модели так же представлены вектора движения потока. Так как экспериментальная установка работает в условиях вынужденного движения газов, обусловленного работой насоса, скорость воздуха на входе в модель по всему профилю одинаковая. Распределение газовых потоков в нижней и центральной частях шахты печи при всех трех схемах расположениях фурм одинаково. Воздух движется снизу вверх параллельно стенкам. Кроме того, анализ профилей показывает, что воздух около газохода меняет направление течения и уходит направо. При подаче дополнительного дутья в верхней части модели печи образуются сильные завихрения. В областях около стенок, соответственно, измеренные значения скоростей были самыми низкими. Таким образом, поле высоких скоростей находится напротив газохода. Подобное распределение газовых потоков характерно для всех трех схем расположения фурм. По этой причине при горизонтальной подаче дутья наибольшая скорость газовых потоков была зарегистрирована у нижней части газохода. Области, незатронутые воздушными потоками, находятся у стенок модели. В зависимости от расположения фурм были получены различные поля повышенных скоростей.

симметричное

\ / ЪУ*'

шшш

асимметричное \ /

в направлении конденсатора

.А/ /

ШШШШЙкш

УШГ

вР^Шк/В

V \

тт

Г\

12-00 ¡14»

"ом

Рисунок 7: Горизонтальные профили распределения потоков при различных положениях фурм

На рисунке 7 изображены горизонтальные профили распределения потоков. На них представлены также изополя скоростей, которые были измерены вдоль осей X и У на различных высотах в области над фурмами. Три представленных профиля наглядно показывают направление течения и особенности распределения воздушных потоков в верхней части печи напротив газохода. Видно, что практически весь внутренний объем печи при всех трех схемах горизонтального положения фурм охвачен газовым потоком. Максимальная скорость наблюдается в каждом из трех профилей в центре струи вдуваемого воздуха. Между тем, напротив газохода у стенок имеются большие застойные зоны, в которых движение воздуха практически отсутствует, и где возможно настылеобразование. Кроме того, с увеличением высоты зафиксировано уменьшение значений скоростей.

На основе представленных профилей можно сделать вывод, что распределение скоростей по объему печи напрямую зависит от расположения фурм. При различных схемах их расположения были получены отличающиеся друг от друга изополя скоростей. В результате изменения направления подачи дополнительного дутья возможно уменьшение зон циркуляции в областях около стенок печи. Между тем исследованные положения фурм не дали удовлетворительных результатов, так как все еще имеются зоны, неохваченные потоком дополнительного дутья, где возможно образование настылей. Следует также отметить, что при всех трех схемах горизонтального расположения фурм подаваемый воздух сразу после вдувания уходил из модели, т.е. время его пребывания в модели было очень коротким. Это может негативно сказаться на работе печи, так как дожигание СО и пыли будет протекать не полностью, в результате чего нагрев отходящих газов в верхней части печи будет не достаточно эффективен.

В результате симметричной подачи дополнительного дутья в середину было достигнуто равномерное распределение газовых потоков во всем объеме модели. Результаты, полученные при использовании горизонтального способа подачи дутья, являются отправным пунктом для последующих экспериментов, в ходе которых исследовалось влияние угла наклона фурм на распределение газовых потоков в модели.

Следующим шагом исследовательской работы было измерение распределения газовых потоков при различном наклоне фурм. Подача дополнительного дутья осуществляется в середину модели под определенным углом, т.е. навстречу поднимающемуся потоку отходящих газов.

♦»я* _ [конденсатор! ^ фл>т

печь

б ю°

ко дата Яозтолннтелиюю дутья

Рисунок 8 а, б, в: Наклонное положение фурм: а при угле наклона 20 0

вид сверху, б - вид сбоку при угле наклона 10 в - вид сбоку

Для оценки влияния подачи дополнительного дутья под углом на распределение потоков в модели полученные профили распределения потоков сравнили с результатами экспериментов, проведенных при горизонтальном симметричном вдувании воздуха. Во всех трех случаях воздух через фурмы поступал в середину модели. На рисунке 9 представлено распределение газовых потоков в вертикальном разрезе модели. Изополя скоростей наглядно отличаются от тех, которые были получены при горизонтальной подаче дутья. При изменении угла наклона фурм видна отчетливая тенденция к изменению профилей распределения потоков. Поле высоких скоростей сдвигается вниз в глубину шахты. С увеличением угла наклона фурм эта тенденция становиться более явной. В модели образуется интенсивное завихрение потоков, охватывающее ее верхнюю и центральную часть почти полностью. В остальном поля высоких скоростей, полученные при наклонной подаче дополнительного дутья, совпадают по форме и размеру.

Время пребывание дополнительного воздуха в верхней части модели мало, так как он сразу устремляется в газоход. Поэтому измеренные скорости потоков ниже тех, которые были полугены при горизонтальной подаче дутья. На рисунке 9 видно, что скорости газовых потоков у нижней кромки газохода при наклоненном положении фурм стали значительно выше. Но направление векторов скоростей показывают, что воздух на этом участке течет снова почти параллельно стенке. Можно сделать вывод, что форма обтекания нижней кромки газоотводящего канала при наклонной и горизонтальной подаче дутья одинаковая. Более плавного поворота вертикального потока воздуха при поступлении в газоход достичь не удалось, хотя течение газа на этом участке идет под меньшим углом. Это в свою очередь может вести к уменьшению зоны бесполезной циркуляции газов на нижней кромке газоотводящего канала. В результате возможно уменьшение натылеобразования при подаче дополнительного дутья под углом.

Рисунок 9: Вертикальные профили распределения потоков при различном наклоне фурм

На рисунке 10 изображены горизонтальные профили распределения потоков на плоскости под фурмами. На основе анализа представленных изополей можно сделать выводы о влиянии наклонной подачи воздуха на распределение газовых потоков видно, что уже на уровне под фурмами дополнительное дутье оказывает значительное влияние на распределение газовых потоков. Из-за наклона фурм уже на этом уровне были зафиксированы повышенные скорости движения воздуха. В результате изменения соотношения между основным и дополнительными потоками изменения распределения потоков становятся особенно наглядны. На плоскости под фурмами при горизонтальной подаче дутья были зарегистрированы низкие скорости воздуха (рисунок 10, слева), так как истекающие струи не затрагивают область модели под фурмами.

Представленные на рисунке 10 профили наглядно показывают влияние наклонной подачи дополнительного дутья на распределение потоков. Время пребывания воздуха в верхней части модели также значительно увеличивается. Видно, что поле высоких скоростей сдвинуто к стенке. Дополнительное дутье смещается основным воздушным потоком к нижней кромке газоотводящего канала. Это объясняется тем, что уже на этой высоте поднимающийся воздух изменяет направление течения, уходя в конденсатор.

На представленных выше профилях видно, что распределение газовых потоков при различных схемах наклонной подачи дополнительного дутья идентично, хотя каждое изополе в зависимости от угла наклона имеет характерные особенности. При увеличении угла наклона до 10 0 поле высоких скоростей охватывает всю плоскость разреза. Изменение направления течения основного газового потока происходит медленнее. В результате подачи воздуха под углом в 20 0 в модели образуются вихри, охватывающие ее центральное и верхнее пространство. На изображенном на рисунке 10 профиле, полученном при угле наклона фурм 10 показаны меньшие по размеру струи вдуваемого воздуха. Причина того, что при этом наклоне измеренные скорости значительно меньше, чем при наклоне 20 ", заключается в том, что подаваемое дутье уносится потоками поднимающегося воздуха в направлении газоотводящего канала.

угол наклона 0° угол наклона 10° угол наклона 20°

Рисунок 10; Горизонтальные профили распределения потоков при различном наклоне фурм;

При подаче дутья под углом 20 " струи дополнительного воздуха могут прийти в соприкосновение с поверхностью шихты и привести в движение ее мелкие частицы, что, в свою очередь, может привести к усилению пылевыноса. Для предотвращения данного процесса, с одной стороны, и сохранения длительного времени пребывания дополнительного дутья в модели - с другой, следует сделать свой выбор в пользу угла наклона фурм, равного 10".

Более эффективного перемешивания потоков воздуха можно добиться не только путем изменения положения или угла наклона фурм, но и путем увеличения объема подаваемого дополнительного дутья. Изменением этого параметра возможно улучшить теплообмен в печи, и как следствие, уменьшить образование настыли. Поэтому следующим шагом исследований является изучение влияния объема дополнительного дутья на распределение воздушных потоков в модели.

Ф»*» ¡конденгатор| ф,р*»

Рисунок 11 а и б: Положение фурм при изучении влияния на распределение газовых потоков повышенного объема дополнительного дутья: а - вид сверху; б - вид с боку

Дополнительное дутье подавалось под углом 10 ° в центр модели ( см. рисунок 11 ). Для изучения влияния на газовые потоки параметра объема дополнительного дутья он был сначала увеличен на 25 % до 25 м'/ч. В завершение были проведены эксперименты с объемом дополнительного дутья до 28 м3/ч.

На рисунке 12 изображены вертикальные профили распределения газовых потоков, которые позволяют наглядно представить влияние повышенного объема дополнительного дутья на течение воздуха в модели. Из-за более сильных завихрений происходит более полное перемешивание газовых потоков. На профилях видно, что повышение объема дополнительного дутья ведет к увеличению скоростей и времени пребывания воздуха в модели. Для всех изополей характерно уменьшение размеров застойных зон у стенок модели. Это положительное влияние усиливается при дальнейшем увеличении объема дополнительного воздуха. Максимальная скорость зарегистрирована в середине исследуемых профилей, точнее, в области перемешивания струй истекающего из фурм дополнительного воздуха.

20 м3/ч 25 м3/ч 28 м3/ч

Рисунок 12: Вертикальные профили распределения потоков при различном объеме дополнительного дутья;

На представленных на рисунке 13 горизонтальных профилях покачано распределение газовых потоков на уровне под фурмами. Как было показано выше, скорость воздуха возрастает пропорционально увеличению объема дополнительного дутья. Влияние, оказываемое струями вдуваемого дополнительного дутья, при этом значительно возрастает. При подаче 25 м'/ч максимальное значение скорости достигает 12 м/с. При объеме дополнительного дутья, равном 2В м'/ч, она еще выше. Так, в центре струи была измерена скорость около 14 м/с. При этом потоки дополнительного воздуха охватывает практически весь представленный разрез. В результате этого значительно сокращаются застойные зоны у стенок модели. При более высоких скоростях данный эффект усиливается. При этом разрез на уровне под фурмами оказывается практически полностью охваченным струями подаваемого дутья. Из-за сильного перемешивания основной воздушный поток не идет напрямую в газоотводящий канал, а задерживается в модели.

20 м7ч

V, ш/Б

25 м7ч

» \ \ ч, Л «

г

А -'чч^Чл 5 * \ \ I

* V * м

К

V I

I I

'4/Ь

V, т/в

28 м7ч

V, т/в

I;

Рисунок 13: Горизонтальные профили распределения потоков при различном объеме дополнительного воздуха;

На основе представленных выше профилей распределения воздушных потоков можно сделать следующие выводы. Касательно проблемы образования настыли было получено более эффективное распределение скоростей в шахте модели печи. В результате увеличения объема дополнительного дутья, подаваемого под углом 10 ° в середину модели, было достигнуто более полное перемешивание потоков воздуха. При этом возможно более полное дожигание СО и взвешенных частиц. В комплексе это может способствовать уменьшению образования настыли.

Еще одним положительным фактором является форма обтекания нижней кромки газоотводящего канала. В результате увеличения объема дополнительного дутья удается не только уменьшить застойную зону, но и изменить направление течения воздушных потоков. При этом возможно понижение настылеобразования в области нижней кромки газоотводящего канала.

Путем увеличения объема дополнительного дутья не удалось полностью исключить образование застойной зоны у передней стенки модели. Поэтому полностью избежать образования настыли нельзя, однако масштабы данного процесса значительно уменьшатся. Подача дополнительного дутья в объеме 28 м3/ч ведет к значительному повышению скорости газового потока в модели ( до 14 м/с), что в свою очередь может негативно сказаться на адсорбции цинка в конденсаторе, так как печные газы будут быстрее проходить сквозь данную часть установки. Поэтому следует сделать выбор в пользу объема дополнительного дутья, равного 25 м'/ч.

В заключение было исследовано еще одно положение фурм. При этом варьировались все ранее исследованные параметры подачи дополнительного дутья. При таком комбинированном положении фурм воздух вдувался в модель под углом 10". Комбинированное положение фурм представлено на рисунке 14.

Объем подаваемого дутья составлял 25 м3/ч. Вследствие комбинированного положения фурм дополнительный воздух вдувался в направлении передней стенки модели. В результате этого газовые потоки движутся по более длинной траектории и, как результат, увеличивается время их пребывания в шахте. Кроме того, возможно улучшение перемешивания воздушных потоков в модели. В результате следует ожидать более полного дожигания моноксида углерода

В верхней части шахты, как и предполагалось, в этой части модели дополнительный воздух описывает более длинную траекторию. Происходит сдвиг области повышенных скоростей к своду модели. Как наглядно показано векторами скорости, струи дополнительного воздуха перемешиваются у передней стенки модели, после чего устремляются наверх, а затем по дугообразной траектории попадают в газоотводящий канал. По этой причине область повышенных скоростей имеет вогнутую форму. Подобное распределение воздушных потоков у газоотводящего канала отмечено только при комбинированном положении фурм.

Рисунок 15: Горизонтальный и вертикальный профиль распределения потоков при комбинированном расположении фурм

На горизонтальном профиле видно, что область повышенных скоростей располагается на этом разрезе децентрапьно. Струи вдуваемого воздуха текут в направлении передней стенки модели, где они перемешиваются, после чего под влиянием поднимающегося основного потока воздуха идут наверх. На рисунке наглядно показано, что нижняя кромка газоотводящего канала не соприкасается с потоком дополнительного дутья. Сокращения застойной зоны в этой части модели не происходит. Напротив, при таком положении фурм из-за изменении формы струи вдуваемого воздуха происходит увеличение застойной зоны. Средняя скорость потока на этом уровне, измеренная вдоль осей X и У составляет около 2 м/с. Из этого следует, что на уровне под фурмами не происходит полного перемешивания основного и дополнительного потоков воздуха. Вследствие комбинированного положения фурм на уровне под фурмами происходит слабая турбулизация основного воздушного потока. Он беспрепятственно поступает из шахты модели в газоотводящий канал.

На основе проведенных исследований изучены такие факторы, как скорость и распределение газовых потоков в модели печи, а также сделаны выводы об их влиянии на образование настыли. Для описания реакций, в результате которых происходит появления и рост настылей, необходимо провести термодинамическое моделирование ^-процесса. При этом возможно изучение и характеристика химических причин настылеобразования в печи.

В седьмой главе представлены результаты термодинамического моделирования, цель которого - изучение влияния температуры и состава отходящих газов на процесс роста настыли в 1Б-печи. Непосредственный интерес представляют следующие вопросы:

• как изменяется количество оксида цинка в системе в зависимости от температуры?

• при каких условиях прекращается окисление цинковых возгонов?

Для проведения термодинамического моделирования была использована компьютерная программа „С11еш5аяе", версия 4.2. Вся информация о составе отходящих газов и температурном режиме 1Б-печи для проведенных исследований была предоставлена заводом МНО. В соответствии с производственными данными средняя температура газообразной фазы равна 1000 °С. Термодинамическое моделирование описывает систему только в состоянии равновесия и не учитывает влияние кинетических факторов. Поэтому полученные при таком моделировании результаты характеризуют лишь общие тенденции изучаемого процесса.

На рисунке 16 показаны результаты исследования влияния, оказываемого изменением объема дополнительного воздуха на окисление цинковых возгонов. Полученные кривые наглядно отличаются друг от друга. Точка пересечения кривой и оси X показывает температуру, при которой окисление цинковых возгонов а с ней и образование настыли в системе прекращается. Как видно из рисунка, для состава отходящих газов завода МНО ( стандартный объем ) это значение равно 1024 °С. Поэтому для того, чтобы потери цинка в результате его обратного окисления были минимальны, температура в верхней части печи должна быть выше 1024 °С

Четыре полученные зависимости изменяются одинаково. В совокупности они наглядно показывают влияние вариации объема дополнительного воздуха на соотношение ЪлО/Ъп. Как видно, при уменьшении объема подаваемого дутья на 25 % в системе образуется меньше 2п0. Увеличение объема дополнительного дутья в свою очередь, ведет к усилению процесса окисления цинковых возгонов. Чем больший объем дутья подается тем выше на графике лежит соответствующая кривая. Наивысшее окисление цинка было получено при увеличении объема дополнительного дутья на 40 %. Так, при 800 "С металл в системе практически полностью окислен.

10

\ ^ на 40 % бришне

Стандартный объем Объем на 25 % меньше Объем на 25 % больше Объем на 40 % больше

800

850

1000

1050

900 950

Температура, [°С]

Рисунок 16: Соотношение 2п0/2п в зависимости от объема дополнительного дутья

На рисунке 17 представлено увеличенное изображение графика, представленного на рисунке 16 На нем показано изменение соотношения 2п0/2п на температурном отрезке между 950 и 1050 "С. Видно что уже при 1000 С повышение объема дополнительного дутья влечет за собой усиление окисления цинковых возгонов Так при этой температуре образуется на 6 % больше оксида цинка, в случае подачи увеличенного на 25 % объема дутья. При повышении объема дополнительного дутья на 40 % в системе происходит дальнейший рост соотношения гп0/2п.

Также следует отметить, что оксид цинка образуется при более высоких температурах, если осуществляется подача увеличенного количества дутья. При стандартном объеме дополнительного воздуха окисление цинковых возгонов начинается при 1024 "С. В следствие увеличения объема подаваемого дутья происходит рост значения

температуры до 1035 "С при + 25 % и до 1039 "С при + 40 %. Это является нежелательным эффектом с точки зрения проблемы образования настыли, так как систему нужно нагревать до более высоких температур с целью недопущения окисления цинковых возгонов.

—Стандартный объем —Объем на 25 % меньше

"X

о

и

950

1000

Температура [°С]

1050

Рнсунок 17: Соотношение 2п0/2п при различном объеме дополнительного воздуха на температурном отрезке

В результате реакции СО с избыточным кислородом в системе образуется большее количество С02. При этом выделяется дополнительное тепло, что в свою очередь ведет к увеличению температуры в системе. В результате „холодные" застойные зоны у стенок печи могут быть значительно сокращены или полностью ликвидированы. При этом возможно уменьшение процесса образования настыли. На практике это почти не реализуемо, так как нельзя избежать тепловых потерь при подаче шихты. При термодинамических расчетах температура системы была неизменной. Тепло, выделяющееся при дожигании монооксида углерода, не учитывалось.

Как было показано выше, при увеличении объема дутья в системе образуется большее количество СО:, который в свою очередь окисляет цинковые возгоны. В результате в системе имеется повышенное содержание 7мО, что ведет к настылеобразовакию. Решить эту проблему можно следующим образом. Повышения объема дополнительного дутья можно добиться путем добавления отходящих газов, взятых после конденсатора. Такие газовые потоки нагреты до одинаковой температуры ( около 700 "С ), что позволяет, с одной стороны, использовать положительное влияние, оказываемое повышением объема дополнительного дутья на распределение потоков воздуха. С другой стороны, в отходящих газах нет свободного кислорода, в результате чего соотношение СОз/СО при повышении объема дополнительного воздуха подобным образом не меняется.

Глава восьмая посвящена анализу результатов изучения проб настыли, взятых в оригинальной ¡Б-печи. Несмотря на всю важность проблемы образования настыли, ранее не предпринимались попытки систематизировать ее виды. Постоянный рост настыли на стенках является одной из главных проблем, возникающих при эксплуатации 13-печи и приводящих к ухудшению показателей всего процесса. Толщина слоя настыли в некоторых местах достигает 800 мм. После образования первых отложений на кладке печи очень быстро происходит их дальнейшее разрастание. Спустя всего лишь несколько дней слой настыли может достигать значительных размеров. Негативные последствия известны: увеличение расхода кокса и уменьшение производительности 18-печи. Для удаления настыли весь агрегат ( печь, конденсатор, система очистки газов ) должен регулярно подвергаться чистке. За многие годы этот вынужденный процесс был отработан до деталей и стал рутинным мероприятием. Печь еженедельно останавливают, чтобы с помощью отбойных молотков можно было удалить образовавшиеся на стенках отложения. В среднем на удаление отложений на стенках печи требуется приблизительно 12 часов. Весь завод в целом простаивает около суток.

Для настылей характерна слоистая структура. При этом каждый слой обладает своими особенностями. Под микроскопом проба настыли выглядит как твердое, подобное камню тело, чья пористость изменяется в широких пределах в зависимости от места возникновения. Каждый из образцов обладает своими особенностями, отчетливо различимыми под микроскопом.

между 950 и 1050 "С

[элементы Стена печи Колокольный затвор Места отбора проб Нижняя кромка газохода Верхняя кромка газохода Переход

Zn Pb Si02 Fe к2о s Си AI Ca 74,06 7,32 0,93 1,05 0,09 0,54 0,14 0,35 1,46 77,58 5,13 1,25 0,78 0,075 0,37 0,15 0,25 0,42 64,74 15,49 0,76 1,17 0,93 0,98 0,13 0,21 0,56 64,7 15,95 0,49 0,19 0,84 0,17 0,02 0,11 0,16 64,92 12,11 1,06 0,32 1,83 0,31 0,02 0,2 0,19

Таблица 2: Средний химический состав проб

Результаты химического анализа показали, что в образовании настыли главным образом участвует цинк Ч,™. цинковых возгонов окисляется, после чего осаждается на шихте или кладке печи в вит- 7пП Т зонах происходит накопление отложений. В зависимости от мест ГбораГобЮ/® °Пределеннь1х составляет 65 - 75 %. В газоотводящем канале между печью и конденсатопом^по! Р содержание Цинка цинка и увеличение доли свинца. Главной причиной'образГнГн^ окисление цинковых возгонов с последующей конденсацией оксида цинка на холоГм!™Г Р зонах. По результатам рентгенографического анализа установлено,

Наряду с цинком в пробах было обнаружено повышенное количество ,.нии„п -

роль в процессе образовании настыли. Свинец находится в мно"е™ГГр« „Тли ™ " П°СЛеДИЮ,° капелек. Анализ капельки показал, что она состоит из 95 % свинпа и } / п !Гт ИДе металлических

свинцовой ванне конденсатора. В конденсаторе ротор! шинные в вГну ^Га^^К°МП°™ в абсорбции цинк, При этом его капельки распределяю'™ во^семТн^^^ ™ ы2

капельки из-за наклона газоотводящего канала стекают обратно в конденсатор. 7 результате вышеописанных процессов происходит накопление свинца в настыли Тя^Л™ тенденция к увеличению количества свинца при приближении места отбора пробТкомтопу ПР°СЛеЖИВаеТСЯ

Содержание других компонентов ( БЮ-,, Ре К,О Си АЬО, Г <?п ,, ™ 7 к конденсатору, поэтому они не оказывают какого-либо значительногоПР°баХ "дельно,

лу : '

Рисунок 18 а и б: Шлифы проб, взятых с поверхности колокольного затвора, при увеличении: а - 40:1; б - 500: j

По результатам электронографических исследований отобранных проб было vrr,^»,,«,,, u обладают однородной структурой Они состоят от пя,Р °"ло Установлено, что настыли не из оксида цинка, пронизанного капелькаш,^Свинпа ппя " С"еКШИХСЯ Фаз" Преимущественно настыли состоят темные пятна н^фед™ струна. В порах (

Серый фон - это оксид цинка Светлые зепня »„L^f Ц' ПовеРхность покрыта слоем РЬО.

места отбора пробы, Настьши котоГе ofo^oZ^ КШеЛЬКаМИ свинца' Их и количество зависят от

того, образцы, взять е ш этой зоТ хал™Г газоотводящем канале, содержат больше свинца. Кроме

электронного микроскопа, вд На сделанных с помощью

подготовке шлифов были утрачены. ™ В этих мес™ располагались капельки свинца, которые при

>

________ _ННш

Рисунок 19 а н б: Шлифы проо. взятых с верхней кромки газоотводящего канала, при увеличении: а -40:1; б -500:1

Строение проб настыли, взятых из газоотводящего канала, вследствие схожести условий роста, идентично. Они состоят из одних и тех же фаз. Разница заключается в размере зерен свинца. Царапины, хорошо различимые на рисунке 19 б, образовались при механической подготовке проб к исследованиям. Маленькие черные точки, четко видные на поверхности зерен свинца, являются кусочками шлифовальной бумаги.

Следует отметить, что расположение отложений в 18-печи указывает на то, что образование настыли происходит главным образом под воздействием свинца из конденсатора. Этот металл нагревается на стенках печи с 500 до 1000 "С, т.е. он остается в жидком состоянии. Разбрызгиваемые из конденсатора капельки свинца отличаются друг от друга размером; их диаметр варьируется от 0,3 до 5 мм. Из-за конструкционных особенностей агрегата капельки разбрызгиваемого свинца, попадая на стенки печи, закрепляются на них. Подобные металлические вкрапления распределены по всей кладке печи. Из-за этого возникают условия, способствующие осаждению и закреплению частичек оксида цинка и росту настыли. Капельки свинца играют роль своеобразного „клея", который способствует закреплению 2пО по поверхности стенок.

В процессе изучения проблемы настылеобразования приобретает актуальность еще один вопрос: как изменяется твердость настыли в зависимости от структуры и распределения газовых потоков?

3500 — 3000 | 2500

I

® 2000 иа

& 1500 о

& 1000 ш

Н 500

0

Рисунок 20: Средняя твердость проб

В зависимости от места отбора проб были получены отличающиеся друг от друга средние значения твердости образцов настыли. Это может быть объяснено различными условиями роста отложений. Сужение внутреннего объема печи приводит к увеличению скорости движения газов. Из рисунка 20 видно, что чем больше скорость движения газов, тем выше твердость проб настыли. Причиной этому является тот факт, что частички оксида цинка сильнее прижимаются к кладке печи. В результате различных условий роста взятые из печи пробы отличаются друг от друга структурой и твердостью.

Данные о твердости проб настыли имеет практическое значение. Пористый слой образуется на поверхности колокольного затвора, которая практически не затронута потоками газов. Твердость проб соответственно низкая, поэтому на удаление настыли затрачивается мало времени ( несколько минут ). В газоотводящем канале ( область высоких скоростей ) на стенках образуются плотноупакованные слои отложений. Соответственно их удаление занимает намного больше времени (несколько часов).

На основе результатов проведенных исследований и визуальных наблюдений был приблизительно рассчитан объем образовавшихся отложений. Отложения образуют твердую корку на поверхности стенок печи, толщина которой зависит от места ее расположения. Среднее содержание цинка в исследованных пробах составляет 65 %.

Из этого следует, что в течении 6 дней почти 50 тонн Ъл участвует в процессе роста настыли, или 8,3 тонн 7л\ в день. Если сравнить полученное значение с дневным объемом производства цинка, получается, что 2,5 % всего цинка, окисляясь, образуют отложения на стенках агрегата. Кроме того, за 6 дней в слой настыли попадает 6 тонн свинца из конденсатора.

Следует отметить, что металлы, из соединений которых состоят отложения, не теряются безвозвратно. Куски настыли собирают, измельчают и вместе с шихтой подают в печь. Безусловно, удаление и переработка подобных материалов связана с дополнительными временными и материальными затратами.

Девятая глава посвящена описанию осаждений жидкости для выработки тумана. Как было отмечено выше, экспериментальная установка является так называемой „холодной" моделью. Профили распределения газовых потоков лишь показывают зоны, где на стенках агрегата возможно образование отложений. Реакции, в результате которых происходит рост настыли, не могут быть представлены. Для отображения процесса образования слоя отложений в имеющейся „холодной" модели было проведено изучение осаждения жидкости для выработки тумана на стенках модели.

Для моделирования потока газов в установку подавался специальный туман. Во время длительных измерений ( до 7 часов ) происходила частичная конденсация жидкости для выработки тумана на поверхности стенок. Отмечено, что положение фурм дополнительного дутья оказывает влияние на этот процесс. В результате на некоторых участках поверхности стенок образовались различные по размеру капельки жидкости для выработки тумана.

Из фотографии, представленной на рисунке 21, видно, что наибольшее количество конденсата образуется на нижней кромке газоотводящего канала. В этой зоне были обнаружены капельки жидкости для выработки тумана ( светлые точки ( 1 )). Некоторые из них под действием потока воздуха переместились в глубину газоотводящего канала. На поверхности стенок газоотводящего канала также был зафиксирован слой конденсата. С помощью пунктирной линии показана часть поверхности стенки модели, покрытая жидкостью для получения тумана.

Рисунок 21: Осаждение жикости для выработки тумана на нижней кромке газохода

На представленной фотографии видно, что чем ближе располагается капелька конденсата к газоходу, тем больше ее размер. Так же обращает на себя внимание тот факт, что верхняя кромка не покрыта осадком жидкости. Следует отметить, что передняя стенка модели покрыта лишь тонким слоем конденсата. На своде шахты и на поверхности вокруг фурм дополнительного дутья обнаружена еле заметная пленка из жидкости для выработки тумана. Образование капелек здесь не зафиксировано.

Из вышесказанного следует, что расположение и объем конденсации жидкости для выработки тумана совпадает с данными, полученными при изучении образования настыли в печи. Как было отмечено, самые большие отложения были обнаружены на нижней кромке газоотводящего канала. Из этого следует, что на примере „холодной" модели можно наглядно показать процесс настылеобразования.

В десятой главе указываются возможные источники ошибок, допущенных при проведенных исследованиях. Так ошибки могли возникнуть вследствие частичного подобия между моделью и оригинальной печыо. Указаны возможные случайные ошибки, а так же возможные погрешности при изучении распределения газовых потоков, состава проб настыли и термодинамическом моделировании.

1

В одиннадцатой главе сделаны выводы, касающиеся оптимизации процесса. На их основе предложен ряд конструктивных и технологических мероприятий для усовершенствования конструкции печи. При применении этих предложений на практике улучшаются условия ведения 1Б-процесса в целом.

В результате анализа измеренных профилей распределения газовых потоков предложены следующие технические решения для оптимизации подачи дополнительного дутья:

О Используемая в настоящее время схема расположения фурм, при которой подача воздуха осуществляется в направлении передней стенки, не обеспечивает эффективного перемешивания основного и дополнительного газовых потоков. В результате в верхней зоне печи возникают условия, при которых процесс роста настыли усиливается. По этой причине необходимо изменить положение фурм таким образом, чтобы дополнительное дутье подавалось в центральную область печи.

усовершенствованная схема

расположения фурм дополнительного дутья

используемая в настоящее время схема расположения фурм дополнительного дутья

фурма

конденсатор"] ^ фурма ^^ ^конденсатор) _ фдщи

подача

дополните льного

4..... дутья

печь

подача дополните льного дутая

Рисунок 22: Используемая в настоящее время и усовершенствованная схемы расположения фурм дополнительного дутья

Г! Кроме того, необходимо изменить угол наклона фурм. В настоящее время подача дополнительного дутья осуществляется под углом 20 ". При этом существует опасность, что струи истекающего воздуха в результате соприкосновения с поверхностью шихты приведут в движение ее мелкие частички. Как следствие, повысится пылевынос из печи. Для предотвращения этого процесса, с одной стороны, и увеличения времени пребывания в печи дополнительного дутья, с другой, следует сделать выбор в пользу угла наклона фурм, равного 10".

применяемый в настоящее время угол наклона фурм дополнительного дутья

ША

усовершенствованный угол наклона фурм дополнительного дутья

"Г"

Рнсунок 23: Применяемый в настоящее время и усовершенствованный углы наклона фурм дополнительного дутья

¡Для более эффективного перемешивания основного и дополнительного газовых потоков следует увеличить объем подаваемого дутья на 25 %. В результате этого увеличивается время пребывания вдуваемого воздуха в верхней части печи, так как в этом случае он не устремляется сразу в газоотводящий канал. При этом размер застойных зон сократится. Кроме того, газовый поток, скорость которого с повышением объема дополнительного дутья также увеличивается, может остановить капельки разбрызгиваемого в конденсаторе свинца. По этой причине они не смогут достигнуть печи, а останутся в газоотводящем канале. В результате можно рассчитывать на снижение образования настыли.

".! Увеличение объема дополнительного воздуха достигается путем добавки в дутье отходящих газов, взятых после конденсатора. Безусловно, данное мероприятие потребует конструктивной перестройки установки, так как необходимо использование дополнительного насоса.

Проведенные исследования показали, что самые большие отложения настыли образуются на нижней кромке газоотводящего канала. Путем скругления нижней кромки газоотводящего канала возможно сократить налипание частичек ZnO и предотвратить образование застойных зон в результате изменения распределения газовых потоков на этом участке. И, как следствие, возможно уменьшение процесса образования настыли.

Также целесообразным представляется увеличение длины газоотводящего канала. При анализе проб настыли, взятой с поверхности колокольного затвора, были обнаружены капельки свинца. Из этого следует, что длина траектории разбрызгиваемого в конденсаторе свинца составляет до 6 метров ( расстояние между первой мешалкой и колокольным затвором ). Для того чтобы капельки металла не долетали до печи, следует увеличить длину газоотводящего канала с 4 до 8 метров. В результате свинец из конденсатора не достигнет печи и не внесет свой вклад в процесс образования настыли.

В случае применения описанных выше мероприятий возможно не только уменьшение роста отложений на кладке печи, но и повышение эффективности всего ^-процесса. Безусловно, предложенные конструктивные изменения должны быть опробованы в реальном промышленном агрегате. Только после этого можно сделать заключительные выводы об их положительном влиянии на ^-процесс.

Основные выводы работы

В главе двенадцатой изложены основные выводы данной работы.

На основе анализа результатов проведенных исследований сделаны следующие выводы, касающиеся возникновения и распространения слоя настыли. Рост настыли происходит в результате наличия разбрызгиваемого в конденсаторе свинца. Капельки свинца осаждаются на поверхности кладки печи и способствуют закреплению частичек оксида цинка на стенках. Разбрызгиваемый свинец распределяется по поверхности газоотводящего канала, достигая при этом его нижней кромки. В результате на этом участке образуются настыли толщиной до 800 мм. Внутри шахты печи, куда капельки металла не долетают, слой отложений намного тоньше или совсем отсутствует.

Для настыли характерна слоистая структура, при этом каждый образец обладает своими особенностями. Пробы, взятые с поверхности колокольного затвора, очень пористые. Образцы настыли, отобранные из газоотводящего канала, напротив, имеют компактное строение и по этой причине обладают повышенной твердостью. Следовательно, чем выше скорость течения газов, тем более прочные отложения образуются на поверхности стенок. На основе анализа результатов проведенных исследований можно сделать вывод, что распределение газовых потоков оказывает большое влияние на химический состав и свойства настыли. Следовательно, путем изменения параметров газовых потоков, таких как скорость, направление движения, температура и т. д., можно уменьшить рост отложений настыли в верхней части печи.

Помимо этого было установлено, что отложения преимущественно состоят из оксида цинка и металлического свинца. Повышенное количество других компонентов, таких как железо и кальций, обнаружено только в определенных зонах ( на поверхности слоя настыли ). В пробах, взятых с передней стенки печи, обнаружены частички пыли.

В результате анализа результатов, полученных в результате моделирования газовых потоков в „холодной" модели, обнаружен ряд закономерностей, на основе изучении которых были сделаны следующие заключения.

11 В результате использования схемы симметричной подачи дополнительного дутья в центральную часть модели печи достигнуто равномерное распределение газовых потоков во всем объеме модели.

; ! При наклонной подаче дутья достигается более эффективное перемешивание основного и дополнительного потоков воздуха на уровне под фурмами. В результате время пребывания дутья в верхней части модели увеличивается. Это, в свою очередь, может способствовать уменьшению процесса образования настыли.

.1 При подаче дополнительного дутья под углом 20 " потоки воздуха могут прийти в соприкосновение с поверхностью шихты и привести в движение ее мелкие частицы, что, в свою очередь, может привести к усилению пылевыноса. Для предотвращения этого процесса, с одной стороны, и сохранения длительного времени пребывания дополнительного воздуха в модели, с другой, следует сделать выбор в пользу угла наклона, равного 10 ".

I В результате увеличения объема дополнительного дутья достигнуто наиболее эффективное перемешивание потоков воздуха. При этом обеспечивается более полное дожигание СО и взвешенных частичек.

Что касается моделирования с помощью программы ChemSage, то можно заключить, что термодинамическая модель в состоянии описать процессы, ведущие к образованию настыли на стенках ¡Б-печи. Полученный путем расчета состав газовой фазы совпадает с содержанием компонентов отходящих газов на заводе М1Ш. В тоже время следует отметить, что с помощью термодинамической модели невозможно учитывать кинетические аспекты изучаемого технологического процесса.

На основе результатов проведенных расчетов можно сделать следующие выводы, касающиеся оптимальных параметров ведения IS-процесса.

Г Температура около стенок в верхней части печи, для предотвращения образования оксида цинка,

должна быть выше 1024 °С. Тогда окисление цинковых возгонов не будет происходить. П Повышение объема дополнительного дутья, если повышение достигнуто за счет обычного воздуха,

ведет к усилению процесса окисления цинковых возгонов. 17: Увеличения объема дополнительного дутья можно достигнуть путем добавления в него отходящих газов, взятых после конденсатора. В результате влияние на процесс окисления цинковых возгонов будет минимальным.

Г! Вклад остальных компонентов шихты в образование настыли по сравнению с цинком незначителен. По этой причине он может не учитываться.

Использованная „холодной" модель также в состоянии отобразить другие процессы, например, образование настыли. В результате изучения пленки конденсированной жидкости для регенерации тумана на поверхности стенок сделаны выводы, касающиеся роста отложений в агрегате. Участки модели, где были обнаружены капельки конденсата, соответствуют зонам образования настыли в IS-печи на заводе MHD.

Последующие изменения модели связаны с применением на практике указанного выше рядя конструктивно-технологических мероприятий для усовершенствования IS-печи и дальнейшим усовершенствованием использованного метода измерений.

Основное содержание работы отображено в следующих работах:

1 Roumainstev V. «Optimierung der Strömungsverhältnisse zur Reduzierung von Flugstäuben in metallurgischen Aggregaten». Vortrag auf der 9 Konferenz von Studenten der metallurgischen Hochschulen, Freiberg, TU BAF, 2002, S. 55-62 / Румянцев B.B. «Оптимизация распределения газовых потоков для уменьшения пылевыноса в металлургических агрегатах». Доклад на 9 конференции студентов металлургических вузов. Фрайберг, изд. TU BAF, 2002, стр. 55-62

2 Steher М., Rouemintsev V. «Gas flow investigations in a model of the Imperial Smelting blast furnace». Manuscript of the II international scientific conference «European metallurgical conference Emc 2003» Section «Process control, analysis and modeling». Hannover, GDMB, 2003, vol. 3, p. 1145-1156 / Стельтер M., Румянцев В. «Исследования распределения газовых потоков в модели Imperial Smelting-печи». Труды 11-ой международной научно-практической конференции «Европейская металлургическая конференция Eme 2003» / Секция «Контроль, анализ и моделирование процессов». Ганновер, изд. GDMB, 2003, том 3, стр. 1145-1156

3 Румянцев В.В. Стрижко B.C., Стельтер М., «Оптимизация распределения газовых потоков для уменьшения образования настыли в IS-печи», «Цветные Металлы» Москва, № 5-6, 2005

РНБ Русский фонд

2006-4 7067

2. Литературный обзор.

2.1. Принцип ¡Б-процесса.

2.1.1. Пирометаллургическое производство цинка.

2.1.2. ¡Б-процесс.

2.2. Образование настыли.

2.2.1. Образование настыли в К-печи.

2.2.2. Причины образования настыли.

2.2.2.1. Окисление цинковых возгонов.

2.2.2.2. Влияние свинца на образование настыли.

2.2.2.3. Состав шихты.

2.2.2.4. Влияние распределения газовых потоков на образование настыли.

2.2.3. Потери цинка в результате образования настыли.

2.3. Постановка задачи.

3. Физическое моделирование процессов, протекающих в К-печи.

3.1. Моделирование пирометаллургических процессов.

3.2. Основы моделирования.

3.3. Критерии подобия.

3.4. Приближения.

3.5. Выбор размеров модели.

4. Возможные методы измерения скорости текущих сред.

4.1. Измерение скорости воздуха с помощью крыльчатого анемометра.

4.2. Измерение скорости воздуха с помощью термоанемометра.

4.3. Лазерная доплеровская анемометрия (ЛДА).

5. Конструкция лабораторной установки и проведение экспериментов.

5.1. Конструкция модели.

5.2. Конструкция лазерного доплеровского анемометра.

6. Результаты измерений газовых потоков в модели IS-печи.

6.1. Исследование газовых потоков без подачи дополнительного дутья.

6.2. Описание исследуемых параметров при подаче дополнительного дутья.

6.2.1. Положение фурм дополнительного дутья в оригинальной печи.

6.2.2. Расчет объема дополнительного дутья.

6.3. Исследование газовых потоков при подаче дополнительного дутья.

6.3.1. Результаты исследования потоков при различном положении фурм.

6.3.2. Результаты исследования потоков при различном наклоне фурм.

6.3.3. Результаты исследования потоков при различном объеме дополнительного дутья.

6.3.4. Распределение газовых потоков при комбинированном положении фурм.

7. Термодинамическое моделирование с помощью программы „ChemSage".

7.1. Описание модели.

7.2. Результаты моделирования.

8. Исследование проб настыли.

8.1. Удаление настыли в условиях завода MHD.

8.2. Места отбора проб.

8.3. Результаты химических и рентгенографических исследований.

8.4. Результаты химических и рентгенографических исследований слоев проб настыли.

8.5. Результаты измерения твердости.

8.6. Расчет вызванных образованием настыли потерь.

8.7. Расчет тепловых потерь.

9. Осаждение жидкости для выработки тумана.

9.1. Осаждение жидкости для выработки тумана на стенках модели.

9.2. Осаждение жидкости для выработки тумана при различном объеме дополнительного дутья.

9.3. Осаждение жидкости для выработки тумана на передней стенке модели.

9.4. Осаждение жидкости для выработки тумана на передней стенке модели при комбинированном положении фурм.

10. Ошибки измерения.

10.1. Ошибки вследствие частичного подобия.

10.2. Случайные ошибки.

10.3. Ошибки при измерении распределения газовых потоков.

10.4. Ошибки при анализе проб настыли.

10.5. Ошибки при термодинамическом моделировании.

11. Мероприятия для оптимизации IS-процесса.

11.1. Подача дополнительного дутья.

11.2. Газоотводящий канал.

11.3. Экономическое обоснование.

Imperial Smelting-process (IS ) - это пирометаллургический процесс для производства свинца и цинка. Перерабатываемым сырьем являются не только свинцово-цинковые концентраты, но и вторичные материалы. При этом процессе цинк подвергается восстановлению, возгоняется и с печными газами уносится в конденсатор. Для уменьшения окисления возгонов цинка в верхнюю часть печи дополнительно вдувается горячий воздух.

В области свода печи и на стенках перехода между конденсатором и печью идет постоянное образование настыли. Настыли уменьшают объем рабочей зоны печи, в результате чего реакции в верхней части печи протекают не полностью. Вследствие этого понижается эффективности процесса. Используемые сегодня методы устранения настылей являются неэффективными, дорогостоящими, а также требующими большого количества времени.

Для сжигания содержащейся в печных газах окисида углерода в верхнюю часть печи дополнительно вдувается горячий воздух ( температура доплнительного дутья 750 - 800 °С ), вследствие чего в верхней части печи температура поддерживается на уровне 1000-1020 °С. В результате этого окисление газообразного цинка минимально [ 1 ].

Процессы тепломассообмена играют важную роль при разработке и оптимизации металлургических агрегатов. Также необходимо проанализировать условия образования настылей [ 2 ]. В частности, влияние газовых потоков на образование настылей в IS-печи следует рассмотреть более детально. При этом результаты измерений и оценки профилей распределения газовых потоков могут быть использованы с целью

• повышения эффективности процесса;

• уменьшения образование настыли;

• оптимизации параметров процесса.

Из-за высоких температур и агрессивности среды пирометаллургические агрегаты являются непригодными для непосредственного измерения распределения газовых потоков в них [ 3 ]. Эта проблема решается путем моделирования протекающих в печи процессов. Подобные исследования связаны с низкими издержками и короткими периодами подготовки экспериментального оборудования. Так, наполненные водой или органическими соединениями модели позволяют сделать наглядными комплексные взаимодействия в ванне расплава пирометаллургического агрегата [ 4, 5 ]. Для описания процессов, протекающих в газовой и жидкой фазе, могут быть использованы математические модели [6]. Данная работа должна, в свою очередь, показать, что моделирование газовых потоков пирометаллургического процесса реализуемо посредством физической модели.

Постановка задачи при этом заключается в моделировании распределения газовых потоков в металлургическом агрегате на примере ¡Б-печи. Протекающие процессы имитируются в лабораторном масштабе в „холодной", заполненной воздухом модели. Во время измерения скорости течения газовых потоков необходимо обращать внимание на принцип работы агрегата и основные положения теории подобия, чтобы полученные результаты можно было перенести на промышленный процесс. В рамках данной работы исследуется влияние таких технологических параметров, как объем дополнительно вдуваемого горячего воздуха, расположение и угол наклона фурм. Во время экспериментов профили распределения газовых потоков измеряются при комнатной температуре и при различных положениях фурм в модели печи, которая геометрически подобна реальной ¡Б-печи. В сочетании с параллельно произведенным изучением проб настылей, вычислений с помощью специальной программы «ChemSage» и т.п. результаты исследований позволяют внести предложения по проведению конструктивных и технологических мероприятий для оптимизации ¡Б-процесса.

2. Литературный обзор 2.1. Принцип К-процесса

Эти выводы могут быть следующим образом пояснены: для измерений в модель подавался воздух комнатной температуры. В качестве дополнительного дутья использовался сжатый воздух из компрессора, который закачивался снаружи. Таким образом, вследствие увеличения объема подаваемого дутья происходит более сильное охлаждение внутреннего пространства модели. Поэтому в зонах, находящихся в контакте с потоком дополнительного воздуха, отмечено усиление процесса конденсации.

Подобные тенденции можно было бы наблюдать и в ГБ-печи, в которой подаваемое дутье значительно холоднее ( 700 - 750 °С ) температуры

Рисунок 83 а, б, в: Осаждение жидкости для выработки тумана на нижней кромке газохода при различном объеме дополнительного дутья: а - 20 м3/ч, 6-25 м3/ч, т в - 28 м'/ч в верхней части агрегата ( около 1 ООО °С ). Хотя, с другой стороны, не стоит забывать, что по данным расчетов с помощью программы ChemSage вследствие увеличения объема дополнительного дутья большее количество СО в результате реакции с кислородом превращается в С02 ( см. пункт 7.2 ). В результате происходит повышение температуры в верхней части печи, за счет чего восполняются потери тепла.

9.3. Осаждение жидкости для выработки тумана на передней стенке модели

Наряду с нижней кромкой газоотводящего канала значительное осаждение жидкости для выработки тумана зафиксировано на передней стенке модели. Поэтому данный участок модели был также исследован. Представленные на рисунке 84 фотографии были сделаны при объеме дополнительного дутья 25 м3/ч. Угол наклона фурм составлял 10 Дутье подавалось в центр модели.

Рисунок 84 а, б и в: Образование и распространение слоя конденсата

На фотографиях ( см. рисунок 84 ) показано образование и распространение слоя конденсированной жидкости для выработки тумана на передней стенке модели. На верхней фотографии видно, что осаждение начинается с центра стенки модели, где происходит перемешивание струй вдуваемого воздуха. В дальнейшем область, покрытая пленкой конденсата, распространяется во всех направлениях ( см. рисунок 84 б ). По истечении 30 минут передняя стенка модели практически полностью покрыта слоем осажденной жидкости для выработки тумана. В центре стенки образовались крупные капли конденсата. Некоторые из них под влиянием силы тяжести и дополнительного воздуха стекли в глубину шахты ( см. рисунок 84 в ).

Траектории, оставленные капельками конденсата, зависят от объема дополнительного воздуха, что наглядно показано на фотографиях, представленных на рисунке 85. Для того чтобы нагляднее показать эту зависимость, подача тумана в модель осуществлялась в течение 60 минут.

Из рисунка видно, что с увеличением объема дополнительного дутья изменяется характер движения капли конденсата по стенке модели. Так, при 20 м3/ч след, оставленный стекшей капелькой, практически перпендикулярен днищу. При повышении объема дополнительного дутья

Рисунок 85а, б, в: Траектория движения капелек конденсата в зависимости от объема дополнительного дутья: а - 20 м3/ч, 6-25 м3/ч, в - 28 м3/ч до 25 мэ/ч и сопряженным с ним увеличением скорости перемещения воздуха в модели изменяется траектория движения капелек конденсата. Они описывают дугу на поверхности стенки, а затем стекают вниз. В результате дальнейшего увеличения объема дополнительного дутья зафиксировано удлинение траектории движения капелек конденсата. Под влиянием потоков воздуха осажденная жидкость смещается параительно днищу модели. В результате чего на поверхности стенки образуются характерные следы от капелек конденсата.

Представленные выше фотографии наглядно показывают процесс образования и распространения слоя осажденной жидкости для выработки тумана. В результате вдувания различного по объему дополнительного воздуха можно оказать влияние на процесс конденсации.

При подаче дутья под углом в 20° были получены те же закономерности. Но образование слоя конденсата происходило глубже в объеме печи, чем при подаче дутья под углом 10 %

9.4. Осаждение жидкости для выработки тумана на передней стенке модели при комбинированном положении фурм

Образования слоя конденсированной жидкости для генерации тумана было отдельно исследовано при комбинированном положении фурм ( подача дополнительного дутья объемом 25 м3/ч осуществлялась под углом 10° в направлении передней стенки модели ( см. пункт 6,3.4 ) ), так как это соответствует положению фурм, которое в настоящее время используется на заводе МНЭ. В результате становится возможным в масштабе модели частично отобразить реальный процесс роста настыли.

Рисунок 86 а, б: Образование слоя конденсата в области газоотводящего канала: общий вид; б — угол газоотводящего канала

Как следует из фотографий, представленных на рисунке 86 а, б, нижняя кромка газоотводяшего канала после тридцати минутной подачи тумана не была покрыта слоем конденсата. Безусловно, это не означает, что в реальной печи на данном участке кладки не будет происходить рост настыли. Наоборот, поднимающийся из шахты основной воздушный поток, не полностью перемешиваясь с дополнительным дутьем, беспрепятственно идет в газоотводящий канал, в результате чего капельки под действием газов перемещаются в направлении модели конденсатора.

Скопление конденсированной жидкости вино на стенке газоотводящего канала ( см. рисунок 86 б ). что соответствует распределению потоков в верхней части модели при комбинированном положении фурм.

Характерным так же является вид слоя конденсата на поверхности передней стенки модели. Этот участок быстро охлаждается „холодными" струями дополнительного воздуха. Поэтому образование слоя осажденной жидкости для получения тумана происходит быстрее, чем при других положениях фурм. Траектория движения капелек конденсата по поверхности стенки модели так же напрямую зависит от способа подачи дутья. На рисунке 87 видно, что они растекаются в разные стороны.

Рисунок 87: Траектория движения капелек конденсата при комбинированном положении фурм

Дополнительное дутье оказывает незначительное влияние на течение печных газов. В результате неэффективного перемешивания потоков в печи создаются условия, способствующие процессу образования настыли.

10. Ошибки измерения

10.1. Ошибки вследствие частичного подобия

В случае применения полученных результатов экспериментов на практике следует учитывать, что они указывают лишь на возможные пути решения поставленных задач и не несут никакой конкретной количественной информации. Прямой перенос экспериментальных данных в реальных условиях невозможен, так как при проведении исследований

• не учитывалась разница температур поднимающихся из шахты печи газов и подаваемого дополнительного дутья;

• было опущено влияние шихты на распределение газовых потоков;

• не учитывалось влияние постоянно растущих на стенках печи настылей;

• в модели не принимались во внимание реакции, протекающие между шихтой и печными газами.

Вследствие того, что была установлена четкая зависимость полученных профилей распределения газовых потоков от параметров вдуваемого дополнительного воздуха, можно говорить об убедительности имеющихся результатов. Для практического применения показаны взаимосвязи при изменении способа подачи дутья. В результате подобия числа Рейнольдса следует ожидать схожести распределения потоков газа в модели и в К-печи.

10.2. Случайные ошибки

При проведении измерений необходимо учитывать случайные ошибки. Для регулировки объема дополнительного дутья использовался ротаметр. При его калибровке в рабочем диапазоне от 15 до 28 м3/ч в результате колебаний потока воздуха могла возникнуть случайная ошибка, равная 0,20 м3/ч.

Фурмы дополнительного дутья вследствие особенностей способа производства могут отклоняться от указанного угла наклона. Случайная ошибка при этом составляет около 0,5

10.3. Ошибки при измерении распределения газовых потоков

Ошибка измерения скорости с помощью лазерной доплеровской анемометрии оценивается в 2 %. Она повышается при высокой турбулентности потока и из-за уменьшения количества сигналов ЛДА. Так, ошибка измерения увеличивается с 2 % (при наличии 2000 сигналов) до 6% при 200 сигналах.

Достоверность полученных результатов зависит от величины случайных и систематических ошибок при лазерной доплеровской анемометрии, которые представлены в таблице 8.

Ошибки Причины ошибок

Систематические Неточная частота модулятора

Неправильное расстояние между лазерными лучами

Кривизна фокусирующей линзы

Деление лазерного луча на границе воздух/стенка модели

Вибрация усилителя

Случайные Помехи в работе детектора

Искривление лазерных лучей пленкой конденсата

12. Заключение

На основе анализа результатов проведенных исследований сделаны следующие выводы, касающиеся возникновения и распространения слоя настыли. Рост настыли происходит в результате наличия разбрызгиваемого в конденсаторе свинца. Капельки свинца осаждаются на поверхности кладки печи и способствуют закреплению частичек оксида цинка на стенках. Разбрызгиваемый свинец распределяется внутри газоотводящего канала, достигая при этом свода печи. В результате поверхность конденсатора, газоотводящего канала покрываются слоем настыли толщиной до 800 мм. Капельки металла не долетают до внутренней поверхности шахты печи, в связи с чем слой отложений данной зоне намного тоньше или совсем отсутствует.

На основе анализа результатов проведенных исследований можно сделать вывод, что распределение газовых потоков оказывает значительное влияние распределение и свойства настыли. Чем выше скорость течения газов, тем более прочные отложения образуются на поверхности стенок. Так пробы, взятые с поверхности колокольного затвора ( область пониженных скоростей ), очень пористые. Образцы настыли, отобранные из газоотводящего канала, где были зафиксированы самые высокое скорости потока воздуха, напротив, имеют компактное строение и по этой причине обладают повышенной твердостью. Касательно химического и фазового состава проб настыли установлено, что отложения на 97 % состоят из оксида цинка и металлического свинца. Повышенное количество других компонентов, таких как железо и кальций, обнаружено только на поверхности слоя настыли. Частички пыли выявлены только в пробах, взятых с передней стенки печи.

В „холодной", геометрически подобной ГБ-печи модели изучалось распределение газовых потоков при различных параметрах подачи дутья с целью уменьшения образования настыли. В результате проведенных исследований были получены характерные зависимости между параметрами подачи дополнительного дутья и измеренными профилями распределения газовых потоков. Проведенные в модели исследования позволяют сделать выводы о характере течения газовых потоков в К-печи при вариации параметров подачи дополнительного дутья.

В результате анализа полученных результатов обнаружен ряд закономерностей, на основе изучения которых были сделаны следующие заключения.

• Подача дополнительного дутья оказывает значительное влияние на течение воздуха.

• В результате использования схемы симметричной подачи дополнительного дутья в центральную часть модели печи достигнуто равномерное распределение газовых потоков во всем объеме модели. При использовании других схем подачи дутья такого результата достичь не удалось, так как не все области модели контактировали с подаваемым воздухом, из-за чего застойные зоны увеличиваются. Следовательно схема расположения фурм, при которой подача дополнительного воздуха осуществляется в середину модели, является наиболее эффективной.

• При наклонной подаче дутья достигается более эффективное перемешивание основного и дополнительного потоков воздуха на уровне под фурмами. В результате время пребывания дутья в верхней части модели значительно увеличивается. Это, в свою очередь, может способствовать уменьшению процесса образования настыли.

• При подаче дополнительного дутья под углом 20 0 потоки воздуха могут прийти в соприкосновение с поверхностью шихты и привести в движение ее мелкие частицы, что, в свою очередь, может привести к усилению пылевыноса. Для предотвращения этого процесса, с одной стороны, и сохранения длительного времени пребывания дополнительного воздуха в модели, с другой, следует сделать выбор в пользу угла наклона равного 10

• В результате увеличения объема дополнительного дутья достигнуто наиболее эффективное перемешивание потоков воздуха. При этом возможно более полное дожигание СО и взвешенных частичек.

• Еще одним положительным фактором, вызванным увеличением объема дополнительного дутья, является форма обтекания воздушными потоками нижней кромки газоотводящего канала, где были обнаружены самые большие отложения. В результате изменения способа подачи дутья удалось не только уменьшить застойную зону, но и изменить направление течения воздушных потоков.

• Несмотря на все положительные изменения в распределении газовых потоков, около стенок печи все же остаются застойные зоны. Из этого можно сделать вывод, что процесс образования настыли полностью предотвратить не удастся, возможно лишь уменьшить его.

Что касается моделирования с помощью программы „СЬешЗа£е", то можно заключить, что термодинамическая модель в состоянии описать процессы, ведущие к образованию настыли на стенках ГБ-печи. Полученный путем расчета состав газовой фазы совпадает с содержанием компонентов отходящих газов на заводе МНБ ( см. рисунок 90 ). В тоже время следует отметить, что с помощью термодинамической модели невозможно учитывать кинетические аспекты изучаемого технологического процесса.

При проведении расчетов особое внимание уделялось роли цинка в образовании настыли. Полученные результаты показали, что данный элемент, точнее его оксид, вносит основной вклад в процесс роста отложений на стенках печи. В соответствии с даиными литературных источников, образование отложений происходит уже при 1000 °С. Преимущественно настыли состоят из оксида цинка и металлического свинца.

Путем расчета было установлено, что при увеличении объема дополнительного дутья происходит усиление процесса окисления цинковых возгонов. Причиной тому служит наличие в системе повышенного количества свободного кислорода, в результате чего образуется больше ССЬ. И, как следствие, - усиление процесса окисления цинковых возгонов, который прекращается при более высоких температурах.

N2 со со2 гп рь н2

Компоненты газовой фазы

Рисунок 90: Сравнение состава газовой фазы, полученного путем расчета с помощью программы „СЬепг^аде" с содержанием компонентов отходящих газов на заводе МЬЮ

Для альтернативного решения данной проблемы можно направить часть отходящих газов обратно в печь. Тогда, с одной стороны, удастся использовать положительное влияние повышенного объема дополнительного воздуха. С другой стороны в системе не будет свободного кислорода, который в отходящих газах уже находится в форме СО или С02. Тогда, в результате повышения объема дополнительного дутья, соотношение СОг/СО останется неизменным.

На основе результатов проведенных расчетов можно сделать следующие выводы касающиеся оптимальных параметров ведения ^-процесса:

• Температура около стенок в верхней части печи, для предотвращения образования оксида цинка, должна быть выше 1024 °С. Тогда окисление цинковых возгонов не будет происходить.

• Присутствие паров воды оказывает негативное влияние на весь процесс. Результаты расчетов показывает, что при наличии НгО окисляется большее количество цинка. Поэтому перед вдуванием дополнительный воздух должен быть обезвожен.

• Повышение объема дополнительного дутья, если повышение достигнуто за счет обычного воздуха, ведет к усилению процесса окисления цинковых возгонов.

• Увеличения объема дополнительного дутья можно достигнуть путем добавления в него отходящих газов, взятых после конденсатора. В результате влияние на процесс настылеобразования окисления цинковых возгонов будет минимальным.

• Вклад остальных компонентов шихты в образование настыли по сравнению с цинком незначителен. По этой причине он может не учитываться.

Использованная „холодной" модель также в состоянии отобразить другие процессы, например, образование настыли. В результате изучения пленки конденсированной жидкости для регенерации тумана на поверхности стенок сделаны выводы, касающиеся роста отложений в агрегате. Участки модели, где были обнаружены капельки конденсата, соответствуют зонам образования настыли в 18-печи на заводе МНО. В результате сделан вывод, что отложения конденсированной жидкости для регенерации тумана на поверхности стенок в лабораторном масштабе могут отображать процесс роста настыли. При этом следует отметить, что, поскольку исследования проводились в „холодной" модели, тепло, которое образуется в результате дожигания СО и ведет к повышению температуры в верхней части печи, не учитывалось. Все полученные результаты необходимо сравнить с данными термодинамического расчета для того, чтобы иметь единую картину протекающих в верхней части печи взаимодействий. В результате появляется возможность не только объяснить процесс образования настыли, но также предсказать его и повлиять на этот процесс.

В заключение следует еще раз отметить, что путем изменения параметров газовых потоков, таких как скорость, направление движения, температура и т. д., можно уменьшить рост отложений настыли в верхней части печи. Последующие изменения модели могут быть связаны с применением на практике указанного выше рядя конструктивно-технологических мероприятий для усовершенствования 18-печи и дальнейшим усовершенствованием методов, использованных исследования проблемы образования настыли.

1. Pawlek, F.: „Metallhüttenkunden", Verlag: De Gruyter, Berlin, 1983

2. Егоров, К., Костров, С.: „Образования настыли в доменной печи и ее удалении при подаче шихты", Металлург 5 (1980)

3. Gray, P.M.J., Lill G,D.: „Automatic control of the Imperial Smelting Furnace" Institution of Chemical Engineers, London, 1968

4. Zeisel, H.: „Mathematische Modellierung und numerische Simulation der Vorgänge im Hochofen", Universitätsverlag Rudolf Trauner, Linz 1995 „Ullmann's Encyclopaedia of Industrial Chemistry", 1996

5. Davis, J.K. & Associates : „Metals Handbook", ASM International, 1998

6. Temple, D.: „Zinc-Lead Blast Furnace The key developments" Metallurgical Transactions; American Society for Metals and the Metallurgical Society of AIME, Volume IIB, 1980

7. Morgan, S., Lumsden, J.: „Zinc Blast-furnace operation", Journal of Metals, 1959/4

8. Berghöfer, A.: „Direkte Verarbeitung von zink- und bleihaltigen Feinstäuben im Imperial-Smelting Schachtofen", Dissertation Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Aachen 1999 ■

9. Schneider, W.-D., Schwab, В.: „Zinkerzeugung aus Sekundärmaterial", Erzmetall 51 (1998)

10. Kola, R.: „Sekundärvorstoffe im Imperial-Smelting-Schachtofen der „Berzelius" Metallhütten-GmbH, Duisburg, Erzmetall 35 (1982)

11. Morgan, S.W.K., Woods, S.E.: „Avonmouth Zinc Blast Furnace demonstrates its versatility", Engineering and Mining Journal, September, 1958 Heinz, F.: „Erzeugung von NE-Metallen", VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 1978

12. Ванюков, А., Зайцев, В.: „Теория пирометаллургических процессов", Металлургия, Москва, 1993

13. Lee, F.T., Hayes, P.C.: „Microstructural changes of the reduction of the Imperial Smelting Furnace Sinters" I.S.P-Conference, 1970

14. Lumsden, J.: „The physical chemistry of the Zinc Blast Furnace", I.S.P-Conference, 1970

15. Briehl, H.: „Chemie der Werkstoffe", Teubner-Verlag, Stuttgart 1995

16. Korthas, В.: „Untersuchungen der Verbrennungsvorgängen hoher Kohlenstaubmengen unter hochofennahen Bedingungen und ihre Auswirkung auf die Hochofenströmung", Dissertation Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Aachen 1987

17. Yoshikuni, H.: „Summary report of robot system for removing accretion from ISP-Furnace". Robot-Tokyo 10 (1995)

18. Päßler, К.: „Untersuchungen zur Ansatzbildung über Bodendüsen im Eisenbadreaktor beim Einblasen von Wasserdampf als Düsenkühlmittel". Dissertation Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Aachen 1989

19. Krupkowski, A., Fik, H.: „Studie der Kondensation und Oxidation der Metalldämpfe in Anwesenheit von CO, CO2 und neutraler Gase sowie ihre Anwendung bei ZinkGewinnungsprozessen", VEB Deutscher Verlag fur Grundstoffindustrie, 19 67

20. Антипов, В., Визков, Ю, Грискова, H.: „Контроль доменной печи при образовании настыли", Сталь, декабрь, 1983

21. Willems, J., Heyner. G.: „Untersuchungen über Ansätze im Hochofen und ihre Beseitigung durch Sprengen", Stahl und Eisen 84 (1964)

22. Sevagen, A., Madelin, В.: „Investigation and modelling of the zinc blast furnace", Erzmetall 41 (1988), Nr. 10

23. Clarke, J.A., Fray, D.J.: „Oxidation kinetics of zinc vapour", Institute of chemical symposium series, Institute of chemical engineers, London, 1975

24. DeH'Amico, M., See, J.B.: „Accretion reduction in the offtake of the Imperial Smelting Furnace", ISP-Conference, 1982

25. Scott, J. V., Fray, D.J.: „Oxidation of zinc vapour", ISP-Conference, 1964

26. Lutao Li: „Untersuchung zum Verhalten von Zink und Blei bei der Stahlerzeugung", VDI-Verlag, Düsseldorf, 1992

27. Schneider, W.-D.: „Angaben zum IS-Prozess", Persönliche Mitteilung an Prof. Stelter

28. Warner, N.A.: „Lead volatilisation", ISP-Conference, 1982

29. Schneider, W.-D., Schwab, В., Berghöfer A.: „Verarbeitung von zinkhaltigem Sekundärstaub bei den M.I.M. Hüttenwerken in Duisburg", Stahl und Eisen 118 (1998)

30. Evans, C.J.G., Gray, P.M.J.: „Influence of raw materials composition on the zinc-lead blast-furnace", ISP-Conference, 1972

31. Antrekowitsch, H., Paschen, P., Antrekowitsch, J.: „Mengen- und Energiebilanz bei der Herstellung von Zink", Erzmetall 54 (2001)

32. Nyirenda, R.L.: „The processing of steelmaking flue-dust: a review4', Minerals Engineering, Vol. 4,1991

33. Radestock, J., Jeschar, R.: „Über die Strömung durch die Hochofenschüttung", Stahl und Eisen 90 (1970)

34. Hanse, M.: „Strömungsverhältnisse in der Hochofensäule", Archiv für das Eisenhüttenwesen 34 (1963)

35. Jeschar, R.: „Druckverlust in Mehrkornschüttungen aus Kugeln", Archiv für das Eisenhüttenwesen 35 (1964)

36. Kahlhöfer, G.: „Zusammenhang zwischen Ofenart und Verschleiß der feuerfesten Auskleidung im Hochofen", Stahl und Eisen 74 (1954)

37. Кобахидзе, В.: „Тепловая работа и конструкции печей цветной металлургии", МИСиС, Москва 1994

38. Гущин, С., Агеев, Н. , Крюченков, Ю.: „Теоретические основы энерготехнологических процессов цветной металлургии", УПИ, Екатеринбург 2000

39. Кривандин, В.: „Теплотехника металлургического производства", МИСиС, Москва 2002

40. Rumpf, Н.: „Über das Absetzen fein verteilter Stoffe an den Wänden von Strömungskanälen", Chemie-Ing.-Tech. 25 (1953)

41. Päßler, К.: „Untersuchungen zur Ansatzbildung über Bodendüsen im Eisenbadreaktor beim Einblasen vom Wasserdampf als Düsenkühlmittel", Dissertation Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Aachen 1989

42. Schlebusch, D.W.: „Untersuchungen zur Ansatzbildung an der feuerfesten Ausmauerung von Drehrohröfen zur Direktreduktion von Eisenerzen", Dissertation Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Aachen 1979

43. Lackner, A.: „Strömungssimulation in verschiedenen Reaktoren der NE-Metallurgie", Dissertation, Montanuniversität Leoben, Leoben 1996

44. Zhu M.-Y., Inomoto, Т., Sawada, I.: „Fluid flow and mixing in the ladle stirred by argon through multi tuyere", ISIJ International, Vol. 35, No. 5 (1995)

45. Бантизманский, В., Пантеонов, Ю.: „О холодном моделировании гидродинамики сталеплавильного конвектора", Известия Вуз, Черная металлургия, 1989/6

46. Zhu M.-Y., Sawada, I.: „Physical characteristics of a horizontally injected gas jet and turbulent flow in metallurgical vessels", ISIJ International, Vol. 38, No. 5 (1998)

47. Komarov, S., Itoh, K., Sano, M.: „Mixing phenomena in a liquid bath stripped by gas jets through side and inclined nozzles", ISIJ International, Vol. 33, No. 7 (1993)

48. Timmer, R., Droog, J, Flierman, G.: „Radial gas distribution in the blast furnace top", Steel Research, 68/2, 1997

49. Cross, M., Gibson, R. D., Moon J. Т.: „Development and validation of a practical theory to describe gas flow through the blast furnace", Seminar on Heat and Mass Transfer in Metallurgical Systems, Dubrovnik, Yugoslavia, September 1979

50. Ferziger, J.H., Peric, M.: „Computational Methods for Fluid Dynamics", SpringerVerlag, Berlin Heidelberg 1996

51. Zhu M.-Y., Sawada, I, Hsiao T.-C.: „Numerical simulation of three-dimensional fluid flow and mixing process in gas-stirred ladle", ISIJ International, Vol. 35, No. 5 (1996)

52. Доброскок, В., Титов, И.: „Математическое моделирование процессов газораспределения в доменных печах", Известия Вуз, Черная металлургия, 1997/5

53. Щвыдкий, В., Хузаинов, А.: „Закономерности вихревого движения газов в доменной печи", Известия Вуз, Черная металлургия, 1991/6

54. Loosmore, M.J., Bray, J.W.: „Optimization model of the Lead-Zinc Blast Furnace", Institute of chemical Engineers, No. 23,1967

55. Schade, H., Kunz, E.: „Strömungslehre", Walter de Gruyter Verlag, Berlin 1989

56. Gersten, K., Herwig, H.: „Strömungsmechanik", Vieweg Verlag, Wiesbaden 1992

57. Eck, B.: „Technische Strömungslehre", Springer-Verlag, Berlin 1991

58. Hackeschmidt, M.: „Grundlagen der Strömungstechnik I", Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1969

59. Polthier, K.: „Strömung und Wärmeübergang in Schüttungen mit rotationssymmetrischen Oberflächenprofilen und Kornverteilungen", Archiv für das Eisenhüttenwesen 37 (1966)

60. Ruck, B.: „Angewandte Laser-Doppler-Anemometrie", Springer-Verlag, Berlin 1985

61. Giese, M.: „Strömung in porösen Medien unter Berücksichtigung effektiver Viskositäten", Dissertation Technische Universität München, München 1998

62. Albrecht, H. E.: „Laser-Doppler-Strömungsmessung", Akademie-Verlag, 1986

63. Durst, F.: „Theorie und Praxis der Laser-Doppler-Anemometrie". Karlsruhe 1987

64. Ruck, B.: „Laser-Doppler-Anemometrie, eine berührungslose optische Strömungsgeschwindigkeitsmesstechnik", Laser und Optoelektronik, Nr.4/1985

65. Dönges, A.: „ Lasermesstechnik", Hüthig Buch Verlag Heidelberg, 1993

66. Hanko, G.: „Untersuchung und Bestimmung der Hydrodynamik einer Kupfergewinnungselektrolyse mittels LDA", Diplomarbeit, TU Bergakademie Freiberg, 2000

67. Kaidalov, A.: „Untersuchungen zur Beeinflussung der Strömungsverhältnisse im IS-Schachtofen für den umweit- und energieschonenden Einsatz von Sekundärrohstoffen", Diplomarbeit, TU Bergakademie Freiberg, 2000

68. Lange H.-J.: „Anwendung der Laser-Doppler-Anemometrie zur Untersuchung von Strömungsvorgängen in pyro- und hydrometallurgischen Apparatemodell", Heft 77 der Schriftenreihe der GDMB, 1998

69. Eifert, T.: „Computersimulation der Strömung im Kondensator der IS-Anlage der M.I.M. Hüttenwerke Duisburg", Diplomarbeit, Fachhochschule Bochum, 2001

70. Weisheit, J.: „Thermodamisches Modell des IS-Prozesses", Bericht, TU Bergakademie Freiberg, 2000

71. Jischa, M.: „Konvektiver Impuls-, Wärme- und Stoffaustausch", Vieweg Verlag, Braunschweig Wiesbaden 199280. „VDI-Wärmeatlas. Berechnungsblätter für den Wärmeübergang", VDI-Verlag, Düsseldorf, 1994

72. Hackeschmidt, M.: „Grundlagen der Strömungstechnik II", Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1970

73. Горелик, С., Скаков, Ю., Расторгуев, JL: „Рентгенографический и электрооптический анализ", МИСиС, Москва, 1994

74. Список символов и сокращений

75. Уо объем газа при нормальных условиях ( 0 °С и 760 мм рт. ст.) м3

76. V объем газа при температуре 1 м3

77. Ах расстояние между интерференционными полосами мма коэффициент объемного расширения газа при постоянном давлении 1/273 град"11. Р положение фурм о1. У угол наклона фурм о

78. Ло Длина волны лазерного луча нмь коэффициент теплопроводности Вт/(м*К)и коэффициент кинематической вязкости текущей среды м2/с0 угол пересечения лазерных лучей о1. Критерии подобия

79. Eu Число Эйлера Nu Число Нуссельта Рг Число Прандля Re Число Рейнольдса1. Сокращения

80. Imperial Smelting LDA Лазерная доплеровская анемометрия MHD M.I.M. Hüttenwerke Duisburg