автореферат диссертации по металлургии, 05.16.03, диссертация на тему:Повышение эффективности тепловой работы трубчатых вращающихся печей кальцинации глинозема

\ Г3 ОЛ

11 ноп ШЗ_

На правах рукописи

Шлыкова Светлана Викторовна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ ТРУБЧАТЫХ ВРАЩАЮЩИХСЯ ПЕЧЕЙ КАЛЬЦИНАЦИИ ГЛИНОЗЕМА

Специальность: 05.16.03 - "Металлургия цветных и редких металлов."

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владикавказ - 1996

Работа выполнена в Северо - Кавказском ордена дружбы народов государственном технологическом университете

Научные руководители: доктор технических наук , профессор Воронин П. А. кандидат технических наук , профессор Текиев В. М.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Кривандин В. А. кандидат технических наук Ходов Н. В.

Ведущая организация : АО "Кавказцветметпроект"

Защита состоится " 6 " 1996г. в часов на заседании

диссертационного совета К 063.12.tf2 в Северо-Кавказском государственном технологическом университете по адресу: 362021, г. Владикавказ, PCO - Алания, ул.Николаева, 44, СКГТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Северо-Кавказского государственного технологического университета.

Автореферат разослан 1996г.

/

Ученый секретарь совета д.т.н., профессор

Алкацев М.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Трубчатые вращающиеся печи для кальцинации глинозема являются теплоемкими агрегатами. Они работают с температурами отходящих газов 200-600° С и имеют удельный расход тепла 4889-5862 кДж/кг глинозема. Для отопления печей в последнее время используется в основном природный газ.

Дальнейщее повышение эффективности печей кальцинации связано с совершенствованием процессов горения топлива, улучшением теплообмена в рабочем пространстве печи и снижением содержания окислов азота в отходящих газах.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

На основе теоретических и экспериментальных исследований установить рациональные условия сжигания газообразного топлива в печах кальцинации глинозема, рациональную температуру отходящих газов и условия, обеспечивающие возможность снижения содержания окислов азота в них.

Исследование процесса выгорания газообразного топлива на базе теппомассообменкых процессов в одномерном факеле, установление связи процесса выгорания топлива с теплообменом в рабочем пространстве печи и распределением температур газового потока и материала по длине печи.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Обобщение существующих теоретических и практических положений в области печей кальцинации и их критический анализ. Теоретические исследования тепловых процессов, их математическое моделирование, производственные эксперименты и обработка экспериментальных данных с использованием ЭВМ.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Закон выгорания газообразного топлива в факеле с достаточной достоверностью описывается процессами массообмена в одномерном факеле.

2. В трубчатых вращающихся печах кальцинации глинозема имеет место рациональная скорость выгорания топлива, определяемая характеристическим

а

параметром факела - = (0,930-0,679), м ( где а - коэффициент избытка дутья, п -

Рк

коэффициент, характеризующий скорость выгорания топлива, 1/м) .

3. При отсутствии использования тепла отходящих из печи газов рациональная * температура должна быть минимально возможной, и определяется условиями работ пылеулавливающих устройств и конденсации водяных паров в газоходных тракта) Однако, снижение температуры отходящих газов, приводит к уменьшению реальног коэффициента заполнения печи и, соответственно, к уменьшению размеро тепловослринимающих поверхностей. Этот недостаток может быть устранен при работ печей с повышенной температурой отходящих газов и при использовании их тепла дл внепечного нагрева гидроокиси алюминия до температуры 2009 С. При этом рациональна: температура отходящих газов (0 С) при получении металлургического глинозема эависи от размеров печи и должна определяться по формуле Тотх = гдв 1Эн

наружный диаметр печи, м.

4. Снижение содержания окислов азота в отходящих газах печей кальцинацт глинозема (при их отоплении газообразным топливом) может быть достигнуто подачей е начало факела пара в количестве 0,06-0,12 кг на 1 м 3 газообразного топлива.

Достоверность научных положений подтверждена хорошей сходимостью расчетных и экспериментальных параметров при надежности 85 и более процентов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1. Доказана корректность расчета выгорания газообразного топлива на основе процессов массообмена в одномерном факеле.

2. На основе исследования выгорания газообразного топлива в факеле установлена связь между скоростью выгорания топлива, теплотворностью топлива, коэффициентом избытка дутья, длимой факела и распределением температуры по длине факела. Разработана методика определения коэффициента, характеризующего скорость выгорания газообразного топлива, на основе экспериментальных данных и получено его рациональное значение.

3. Разработана методика определения коэффициента избытка дутья, с которым сжигается топливо в промышленных условиях, по объёмному расходу отходящих газов и составу топлива.

4. Получены уравнения, описывающие процесс лучистого теплообмена между газовым потоком, футеровкой и материалом по средним их температурам на длине печи на основе метода энергетических балансов и определения эффективных тепловых потоков и на основе зонального метода.

5. Разработана методика расчета распределения температуры газового потока вдоль трубчатой вращающейся печи, учитывающая состав и теплотворность топлива, скорость его выгорания в факеле, теплообмен в рабочем пространстве печи и потери тепла печью в окружающую среду.

6. На основе интегральных тепловых параметров получено балансовое уравнение, писывающве распределение температуры материала вдоль трубчатой вращающейся ечи.

7. Предложен способ усреднения температур газового потока и материала в рубчатых вращающихся печах.

в. Установлено рациональное значение температуры отходящих газов в трубчатых |ращающихся печах кальцинации глинозема при использовании тепла отходящих газов шя предварительного ( виепечного ) нагрева загружаемой гидроокиси в зависимости от |иаметра используемых печей.

9. Доказана целесообразность снижения содержания окислов азота в отходящих азах путем подачи в факел пара ( воды ).

НАУЧНОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ

Более полно раскрыты взаимосвязи, определяющие условия эксплуатации и проектирования трубчатых вращающихся печей, показаны способы повышения их технико-экономических показателей и улучшения экологической обстановки.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ

1. Доказано, что сжигание газообразного топлива с рациональным коэффициентом, (арактеризующим скорость выгорания, позволяет повысить производительность печей и :низить удельный расход топлива.

2. Определены рациональные условия эксплуатации трубчатых вращающихся ючей кальцинации глинозема.

3. Способ работы печей с параметрами, предложенными автором в патенте на 1зобретение, опробован и внедрен на Пикалевском акционерном объединении открытого ипа (АООТ) "Глинозем". Это позволило повысить производительность печей и снизить 'дельный расход топлива на 6-11%.

4. Сжигание газообразного топлива с одновременной подачей в факел пара юзволило снизить содержание окислов азота в отходящих газах на 30-32,5%.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ

Результаты исследований используются на печах кальцинации глинозема АООТ Ыкалевское объединение "Глинозем".

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основные положения диссертационной работы докладывались на Пикапевском бъединении "Глинозем" (1993-94гг.), на кафедре Теории и автоматизации еталлургических процессов и печей (ТАМПиП) и на научных конференциях Северо-

Кавказского государственного технологического университета (1994-96гг.). .

ПУБЛИКАЦИИ

Основные положения диссертации опубликованы в 12 статьях и двух отчетах НИР На основании материалов диссертации получены два патента Российской Федерации.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, выводов, библиографического списке из 68-и наименований, приложения, и содержит 137 стр. машинописного текста, 2<1 таблицы и 18 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ]

1.АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

Технико-экономические показатели работы трубчатых вращающихся печей существенно зависят от характера движения материала, сжигания топлива и процессов теплопередачи в рабочем пространстве печи. Поэтому этим вопросам уделялось значительное внимание как в теоретических разработках, так и в практике эксплуатации печей.

Достаточно полно изучены процессы движения материала в трубчатых печах, проведено значительное количество испытаний действующих печей в промышленных условиях и анализ их работы на моделях.

На предприятиях стали применяться печи увеличенных размеров: диаметры вновь

установленных агрегатов были доведены до 3,6-4,5м, а длина была увеличена до 75-110м,

Значительное внимание уделялось выбору рациональной температуры отходящих газов. Если ранее температура отходящих газов на печах кальцинации глинозема составляла 300-350 °С, то на вновь устанавливаемых она была доведена до 200-250 °С. В то же время на некоторых предприятиях ( например, на АООТ Пикалевское объединение "Глинозем" ) температура отходящих газов доведена до 600 ° С с использованием тепла отходящих газов для предварительного удаления внешней влаги и нагрева высушенной шихты до 200° С. Если вопрос о рациональной температуре отходящих газов при работе печей хальцинации без использования тепла отходящих газов практически решен и при эксплуатации и проектировании печей эта температура выбирается минимально возможной с точки зрения условий работы пылеулавливающих устройств и конденсации паров в газоходных трактах, то вопрос о выборе рациональной температуры отходящих

газов при использовании их тепла для предварительного нагрева гидроокиси перед рузкой ее в печь не решен. Как показывает опыт работы печей кальцинации калевского объединения "Глинозем", повышение температуры отходящих газов и пользование их тепла для вмененного нагрева загрузки позволяет повысить оизводительность печи и снизить удельный расход топлива. Поэтому исследование ого вопроса является очень важным.

Основным параметром, предопределяющим тепловые процессы в печи, является мпература газового потока, которая меняется по длине печи от температуры топливо->здушной смеси до максимальной температуры факела, а затем, температура продуктов рения уменьшается практически линейно до температуры отходящих газов. Изменение >мпературы по длине печи для данного технологического процесса, размеров печи и шлива зависит от длины факела, т.е. скорости выгорания топлива. Однако, вопрос о ¡зционапьной скорости выгорания газообразного топлива до настоящего времени не Усматривался.

Для решения вопроса о рациональной скорости выгорания газообразного топлива в акепе необходимо математическое описание процесса горения в турбупентном факеле, сследовались же процессы горения газообразного топлива только при наличии иффузионного факела в предположении, что факел состоит из двух зон: зоны, круженной фронтом пламени, в которой находятся горючее и продукты горения, и зоны округ фронта пламени, в которой находятся окислитель и продукты горения. Так как в >релках, используемых для отопления печей кальцинации, смешение газа и воздуха роисходит до начала процесса горения в самой горелке ипи на выходе из нее, то спользовать известное решение для анализа процесса горения в печах кальцинации не редставилось возможным. Поэтому для анализа тепловой работы печей кальцинации казалось необходимым провести исследование горения газообразного топлива в ^рбулентном факеле.

При расчете теплообмена в трубчатых вращающихся печах часто распределение змператур газового потока и материапа по дпине печи бывает неизвестным. Заданными начениями температур являются теоретическая температура горения топлива, эмпература отходящих газов, начальная и конечная температуры материала. 0 этих пучаях возникает необходимость проводить расчеты теплообмена по средним эмпературам газового потока и материапа. Особое значение расчет теплообмена по редним температурам приобретает при проектировании мочой, когда расход топлива еще визвестен. Как показал анализ применяющихся способов усреднения температур, рифметическое усреднение температуры газового потока по действительной змпературе горения и конечной температуре отходящих газов и арифметическое :реднение температуры материала по его начальной и конечной температурам приводит занижению результирующего теплового потока, воспринимаемого материалом, а юметрическое усреднение на основе теоретической температуры горения топпива -риводит к завышению этого потока. В связи с этим, оказапось необходимым рассмотреть

вопрос о способе усреднения температур газового потока и материала в трубчэты вращающихся печах.

Распределение температур газового потока и материала вдоль печей опредепяетс$ в значительной мере процессами теплообмена открытой поверхности материале < газовым потоком и открытой поверхностью футеровки. Эти процессы предопределяют ► температуру на внутренней поверхности футеровки, поэтому оказалось необходимым провести анализ применяющихся способов расчета теплообмена в системе 'газовый поток - открытая поверхность материала - открытая поверхность футеровки".

Не рассмотрены в технической литературе вопросы, связанные с улучшением экологической обстановки при сжигании газообразного топлива в трубчатых вращающихся печах кальцинации глинозема.

На основании изложенного сформулирована цель настоящей диссертации: для дальнейшего повышения эффективности работы трубчатых вращающихся печей кальцинации глинозема необходимо решить следующие задачи:

1) исследовать поцессы сжигания газообразного топпива в турбулентном факеле, выявить влияние этих процессов на технико-экономические показатели работы печей и определить рациональные условия сжигания топлива;

2) исследовать теплообменные процессы в рабочем пространстве печи в направлении совершенствования методов их расчета по средним температурам газового потока и материала по длине печи;

3) установить рациональное значение температуры отходящих газов при использовании их тепла для предварительного внепечного нагрева материала перед загрузкой в печь;

4) исследовать возможность улучшения экологической обстановки при сжигании газообразного топлива в трубчатых вращающихся печах кальцинации глинозема за счет снижения содержания окислов азота в отходящих газах.

г.ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СЖИГАНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА В ТРУБЧАТЫХ ВРАЩАЮЩИХСЯ ПЕЧАХ

В ряде опубликованных работ отечественных и зарубежных авторов показана возможность исследования горения турбулентного факела на основе массообменных процессов в бесконечно малом объеме одномерного факела. Проведенное нами сопоставление закономерностей горения твердых и жидких топлив на основе решения замкнутой системы уравнений движения газовой среды, частиц топлива, диффузии кислорода, горения частиц топлива и уравнения энергии и решения, выполненного на основе массообменных процессов в бесконечно малом объеме одномерного факела, показало полное совпадение полученных расчетных формул. На основании этого было предложено математическое описание процесса горения газообразного топлива на базе массообменных процессов в факеле.

При горении газообразного топлива реагируют две газовые фазы - дутье и газ, в этличие от горения тверды* и жидких топлив, где реагируют твердая (жидкая) фаза и газовая фаза (дутье). Поэтому объемная доля кислорода в начале процесса горения и по длине факела при сжигании газообразного топлива должна определяться с учетом объема газа.

При сжигании газообразного топлива в турбулентном факеле объемная доля

кислорода р в его начальном сечении составляет ' 01

- __Ьи- .

1+-

0|

р

(1)

где а - коэффициент избытка дутья; ¿Г - теоретический объем кислорода на 1м5

газообразного топлива, м '/ м 5 ; р - объемная доля кислорода в дутье.

Текущее по длине факела значение объема кислорода в поперечном сечении на

расстоянии X от его начала, отнесенное к 1м' топлива ( м3/м3 ), равно

ССпк

(2)

где (Хуех ' тек)'1Чвв (п<> длине факела) значение коэффициента избытка дутья, определяемое по формуле

апМсс -')$ •

(3)

где уув н № соответственно плотности потока газообразного топлива в начальном сечении факела и в сечении, расположенном на расстоянии Л"от начала факела, м3/(м'с).

Уравнение непрерывности потока газа для элементарного объема в поперечном сечении факела, расположенном на расстоянии X от его начала, имеет вид

= г + + ¿X .

ах г к' о? IX

(4)

где £ - площадь поперечного сечения газового потока, м2; р^ - коэффициент,

характеризующий линейную скорость выгорания топлива, 1/м.

Левая часть равенства (4) представляет собой расход газообразного топлива, входящего в элементарный объем, а правая часть - сумму расходов выходящего из элементарного объема факела и выгоревшего в нем топлива.

На базе уравнения непрерывности получено дифференциальное уравнение изменения плотности потока газообразного топлива по длине факела

В результате решения дифференциального уравнения (5) получена формула изменения плотности потока топлива вдоль факела(X)

1-я

1- ехр

РиК

Г"

При этом плотность потока выгоревшего топлива от начала факела раввна

И'мн^И'.-И' "

(в) !

(7)

Тогда доля выгоревшего топлива у на расстоянии .У от начала факела составляет

VУв»г

у =-= а

Г у

I - ехр -4г + а 7 к ^Ог ^

И>о

(8)

Теоретическая длина факела соответствует условию у= 1. Следовательно длина факела, (м) определяется формулой

1 а

- +

ьг * А

Учитывая, что при сжигании твердых и жидких топлив

рЛ)

(9)

у = а

1 -ехр

где ^ - массовая доля кислорода в дутье, и

Т а 1п "

(10)

(11)

сделан вывод, что на одной и той же длине участка факела, при прочих равных условиях, твердых и жидких топлив выгорает больше, чем газообразного.

В диссертации приведен анализ влияния различных параметров на длину факела. Так как скорость выгорания топлива зависит не только от состава топлива, коэффициента избытка дутья и температуры среды в зоне горения, ко и от конструкции горелки и условий ее эксплуатации, то коэффициент, характеризующий скорость

выгорания топлива может быть определен экспериментально.

На основании уравнения, описывающего распределение температуры по длине факела, получена формула для определения р1 в виде:

1 а

——

<2 :*/.)«

(12)

где Хтряч ' длина факела, на которой достигается его максимальная температура, м; Т*па~ иа*симаЛ|'ная температура факела, ° С; 7^(0) - начальная температура топливо-воздушной смеси,0 С; Vгт объем образующихся газов, приходящийся на единицу топлива, м5/м5 ; (2 - теплоемкость образующихся газов,

кДж/(м'"с); т] - доля полезно используемого тепла в факеле; - теплотворность

топлива, кДж/м3 ; физическое тепло, поступающее в факел на его длине, где

температура материала выше температуры факела, кДж/м 3

Как показывает анализ, с достаточной для технических расчетов точностью значение р^ может определяться по максимальной температуре на корпусе печи и

расстоянию от начала факела до этой температуры на корпусе. Это обусловлено тем, что максимальная температура на корпусе лечи достигается при доле выгоревшего топлива у = 0,85 + 0,95.В этом случае в формуле для определения п. вместо Т* должна

X А I Фм€%

подставляться температура газового потока в сечении, соответствующем максимальной температуре на корпусе.

8 практике работы трубчатых вращающихся печей часто возникает необходимость определять коэффициент избытка дутья (от), с которым сжигается топливо, по параметрам отходящих газов. В работе приводится определение этого коэффициента по объемноиу расходу отходящих газов и составу топлива. Для такого определния получена формула

т

Н>0

Ьт

(1з;

где Уп? - практический объем продуктов горения на единицу топлива, м3/м3; £/1 • теоретический объем дутья, м3/м3;]/^ - соответственно объемы

СО 2 и Н 2 О в продуктах горения при сжигании топлива с теоретическим объемом дутья,

Практический объем продуктов горения { м'/м') для печей кальцинации, где в состав газовой фазы попадает влага шихты, определяется по формуле

т/ 2*4аС У отг 18*1000

Кяр= и>0 '

(14)

где Уотх~ обьвм отходящих газов в единицу времени; а - доля влаги, поступающей из перерабатываемого материала в газовый поток: (г- производительность печи в единицу времени; - расход газообразного топлива в единицу времени.

3.ТЕПЛООБМЕН В ТРУБЧАТЫХ ВРАЩАЮЩИХСЯ ПЕЧАХ

Для анализа работы трубчатых вращающихся печей часто приходится использовать средние температуры газового потока и материала на всей длине печи. Особенно это важно при проектировании печей, когда заданными являются только начальные и конечные температуры газового потока и материала. Поэтому, хотя и существует методика расчета теплообмена в печи на базе зонального метода, оказалось необходимым провести анализ и уточнить метод расчета теплообмена по средним температурам газового потока и материала на всей длине печи.

Несмотря на то. что лучистый теплообмен между газовым потоком и открытыми поверхностями материала и футеровки представляет собой теплообмен в системе трех зон теплообмена ( газовый поток - открытая поверхность футеровки - открытая поверхность материала), этот теплообмен, при его описании по средним температурам газового потока и материала, описывался уравнениями, учитывающими раздельно две зоны (газовый поток - открытая поверхность футеровки, газовый поток - открытая поверхность материала), а наличие третьей зоны, участвующей в теплообмене, учитывалось введением условного значения степени черноты газового потока при средневзвешенной температуре газового потока и материала. Это вносило погрешность

ах в определение резупьтирующего теппового потока, воспринимаемого материалом, так I в определение температуры внутренней поверхности футеровки.

В реферируемой диссертационной работе получен вывод о том, что описание геппообменных процессов в системе "газовый поток - открытая поверхность футеровки -открытая поверхность материала", при использовании средних на всей длине печи температур газового потока и материале, должно производиться во взаимосвязи теплообменных процессов между всеми тремя зонами. Эта взаимосвязь учитывается в методах составления энергетических балансов и определения эффективных тепловых потоков, а также в зональном методе расчета лучистого теплообмена. Т.е. описание теплообмена в рассматриваемой системе можно осуществлять на основе любого иэ этих методов.

При использовании метода энергетических балансов и эффективных потоков средний результирующий тепловой поток материала на единице длины печи, Вт/м, описывается уравнением

(т V

/ Гхг

~ БиСо

1М

V

(гр *

I Мхр

100

/г* Си + Фо^огкг) <Р*.и{1~€г) Си -1x4* Фом-Конв + ФоМ{ 1ЛКРУ

(15)

где £г - степень черноты газового потока с учетом твердых частиц в нем; £ -коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м2К4); грг - средняя температура газового потока по всей длине печи, К \\хи - Длина хорды открытой поверхности материала, м; £и - степень черноты материапа.-ф^^^ - средний эффективный (полный) тепловой поток футеровки на единице длины печи, Вт/м;/т>

Т ф-и

угловой коэффициент изпучвния футеровки на материал; ^~"и - средняя температура материала по всей длине печи, К; - тепловой поток конвекции, воспринимаемый

* О.М.7О.' '

материалом, Вт/м; тепловой поток, воспринимаемый материалом от закрытой

поверхности футеровки на единице длины печи, Вт/м.

Средние эффективные тепловые потоки футеровки Фофтхр) и матвРиа'1а Фом{отхр)на вдиниц» Длины печи, Вт/м, равны

Фо = £гС,

(т V

1 Гх р

100

('- £*)1Д*+ Фом{от*г)(}-£г1] -

ФоЩотгр) ~ £гС,

Фо.Ф(откР)(р^{1-£•/■)('- £*Уе*Со Тг ¿1

т,

Ф.£р

100

\ /

Л*

100

у /

Си Сс

1хи '

гт 1 ¡/¿р

100

(17)

где ^ - степень черноты футеровки; ^ - длина дуги открытой поверхности футеровки, м; ф ■ угловой коэффициент лучистого теплообмена футеровки самой на

т Ф . Ф

себя; 'Р^ - средняя температура футеровки по длине печи, К\ф0

- среднии

тепловой поток конвекции, поступающий на футеровку на единице длины печи, Вт/м;

Фо

среднии теловои поток потерь а окружающую среду на единице длины печи,

Вт/м.

На основе уравнения результирующего теплового потока футеровки получена формула для определения средней на всей длине печи температуры на ее внутренней поверхности

ч 4

' т 4

* Ф.ср

100

ЕгСв

Тг^р

100

1ДФ£<Р+Фом[о ТКР) ('" £г) Бф

( Фо.Цо ткр) Фф.ф{1~£г)ёф+Фо.фхонв ~ Фом{ закр) ~ Фо.по т

(18)

Температура на внутренней поверхности футеровки определяется итерационным методом. Расчет можно считать законченным, когда принимаемое значение температуры футеровки совпадает с расчитанным по формуле (18).

В диссертации приведены формулы для определения и

т V

100

при рассмотрении теплообмена на основе зонального метода расчета при

определении указанных величин по средним на длине печи температурам газового потока и материала.

V

!

Решение балансового дифференциального уравнения, описывающего тепловые роцессы в факеле газообразного топлива, позволило получить формулу для аспределения температуры факела по его длине, "С

Тг~

УгСг

1—ехр

/V

ьп

ТА0)'

(19)

р

где т) - доля полезно использующегося тепла в факеле; £ - теплотворность

топлива, кДж/м5; Т • тепло, получаемое факелом за счет физического тепла топлива,

дутья и охлаждения материала, приходящееся на единицу объема топлива, кДж/м5; - объем продуктов горения, приходящийся на единицу топлива, м'/м';^ -

теплоемкость продуктов горения, кДж/(м5 °С);у (0) - температура смеси газа и дутья на

выходе из горелки, ®С; X - расстояние от горелки до рассматриваемого сечения факела, м.

Распределение температуры по длине факела позволяет определить местонахождение максимальной температуры материала (7\,т„). которая является

заданной и должна быть достигнута по условиям технологического процесса. Условие у1 = Т* определяет точку пересечения графиков распределения вдоль

* Г Л И.шкх

печи температур факела и материала. Температура материала на выходе из печи определяется условиями его охлаждения.

Распределение температур газового потока и материала по длине печи от точки Тг'Тияа до загРУэочного обреза печи определяется на основе балансовых

уравнений с учетом интегральных параметров теплообмена. Эти уравнения записываются в виде:

для газового потока

"'(.»17 +Т + Т 1 = /7> 17-7 I + гЛ / + Л Л/ Г1 Т _ ^ .

У В (/,., + /«+ = -1Т.ПЕУФ0.П0Т1 +В УГСГТГ

(20)

для материала

(сг вт+а}1хи{1 -1тЛЛТг^Ти,УФ,А1 ~1тмгг) =

(21)

где у • доля выгоревшего топлива на длине от начала факела до конца рассматриваемого участка;^ - объемный расход топлива ■ теплотворность

топлива кДж/м5 ; 2 - физическое тепло, внесенное топливом, на единицу топлив кДж/м 3; 7 - физическое тепло, внесенное дутьем, на единицу топлива кДж/м3; 7

л. ФХ л ФЗ

тепло, полученное факелом в результате охлаждения материала кДж/м3; фои - теплово

поток, отданный факелом перерабатываемому материалу, на единице длин! рассматриваемого участка кДж/(м ч); I - длина от разгрузочного обреза печи до кокц<

рассматриваемого участка, м; \тлвг • расстояние от разгрузочного обреза печи д(

плоскости, соответствующей пересечению кривых распределения температур газовогс потока и материала, м; фамог • тепловой поток, теряемый печью на одном метре длинь

рассматриваемого участка кДж/(м ч); у - температура газового потока в конце

рассматриваемого участка 0 С; ¿у- - приведенный коэффициент лучистого теплообмена

между открытой поверхностью материала, газовым потоком и открытой поверхностью футеровки кДж/(м2ч К4);^ - коэффициент перехода от расчета лучистого теплообмена по закону Стефана - Больцмана к расчету этого теплообмена по разности температур в первой степени, К3;^^ - коэффициент теплоотдачи конвекцией на открытую

поверхность материала кДж/(м 2ч ° С); Т • средняя температура материала в

-* М.ер

интервале Тил* Тиши.' "С ' Фыир " теппово* поток, получаемый материалом от закрытой поверхности футеровки на единице длины рассматриваемого участка кДж/(мч); (7 - производительность печи по конечному продукту, кг/ч; С^г"' • эффективная

лун

средняя теплоемкость материала на рассматриваемом участке с учетом затрат тепла на прохождение химических реакций в материале, кДж/(кг °С).

При расчете распределения температуры газового потока на основе средних значений (2 г <фои по всей длине печи для повышения точности расчета целесообразно поток тепловых потерь в окружающую среду принимать не средним для всей печи, а раздельно для зоны факела, для которой определялось р^фопот^ и все* остальной

части печи ( фопатг ) ■ Это объясняется существенной разницей величин теплового

потока потерь на этих участках печи.

Температура газового потока по длине печи от плоскости Тг~Тита до загрузочного обреза печи определяется формулой

~ Фом(/ " 1ТЛ£Р) ФоЛОтЛу ФО.ПОТ -О

Тг* = ВУгСг .

а температура материала -

Фом{1 -1тмр)

т

/у«»

Проведенный расчет распределения температур газового потока и материала для ействующей печи кальцинации глинозема по формулам (22), (23) показал хорошее овладение с экспериментальными данными.

8 диссертационной работе рассмотрен вопрос об усреднении температур газового отока и материала по длине трубчатой вращающейся печи кальцинации глинозема. При том показано, что наиболее приемлемым является метод арифметического усреднения емператур, но начальной температурой газового потока должна приниматься еоретическая температура горения топлива. В этом случав средняя температура (°С) азового потока определится формулой

Т _ Тт+Тогх

I 2

(24)

а средняя температура (°С) материала -

Г_ Тия* Тих

ис р 2

(25)

Расчет теплового потока, поступающего от закрытой поверхности футеровки на материал, можно провести, исходя из уравнения, описывающего результирующий тепловой поток для футеровки. В этом случав

т

I Г*р

100

' £гС,

' Фомотхр) ~ £г)£ф~ £фС<

1дф£ф* Фом(откр) (' ~ С г) £е +

Л

100

О.ФХОНй олот

(26)

При этом, «спи заданы средние температуры газового потока, футеровки и материала, то из формулы (26) ф0щик^пределяется однозначно. Если же заданными

являются средние температуры газового потока и материала, а температура футеровки должна определяться, то решение возможно методом последовательных приближений.

4.ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ТРУБЧАТЫХ ВРАЩАЮЩИХСЯ ПЕЧЕЙ КАЛЬЦИНАЦИИ ГЛИНОЗЕМА

Учитывая, что длине факела и его максимальная температура при заданн материале, топливе и температуре отходящих газов предопределяют производительное печи и расход топлива, было проведено теоретическое и экспериментальное определен условий рационального сжигания газообразного топлива в печах кальцинации глинозема Параметром, предопределяющим длину факела и его максимальную температур

является коэффициент, характеризующий скорость выгорания топлива . которь

зависит от состава топлива, конструкции горелки и коэффициента избытка дутья (а) Следовательно, для определения рациональных условий сжигания топлива оказалос необходимым установить связь между удельным расходом топлива'

характеристическим параметром факела

( \ а

Для установления этой связи был

v/V

проведены эксперименты на действующей печи №¡2 Пикалевского объединения "Глинозем и теоретические расчеты применительно к этой печи. Печь с размерами 3,0:3,8:51,3 у отапливалась с помощью горелки ВРГ-2. Природный газ состава (%): СН, - 82,718 С2Н4- 0,113;С,Н, - 0,226; СО 2 -0,919;Н а О - $ сжигался с коэффициентом избытк;

дутья а = 1,08. Печь работала с температурой отходящих газов 600 0 С i использованием тепла отходящих газов для предварительного нагрева загружаемо! гидроокиси до 200 °С. При проведении экспериментов определялись: производительное^ печи, расход природного газа, температура отходящих газов по показаниям приборо! КИП, установленных в щитовом отделении, и распределение температуры вдоль корпус) печи с помощью переносного прибора БИТ-16М. При указанных выше условиях работ* производительность печи по гпинозему составила G = 13,1 т/ч, а расход топлива В 1913 м3/ч. Максимальная темпераута на корпусе печи находилась на расстоянии 10,3 м о горелки, а расчетная длина факела ( у =1) оказалась равной 15,94 м. Задавая ря;

значений р^ , определили значение »того коэффициента, обеспечивающее тако!

распределение температуры газового потока , при котором температура отходящих raaoi

производительность печи совпадали с экспериментальными. Значение оказалось вным р^- 0,927 1/м. При этом температура газового потока в плоскости максимальной

мпературы на корпусе печи оказалась равной 1646 °С. Эта температура была юверена и расчетом теплообмена в зоне максимальной температуры на корпусе печи, еэначительным изменением конструкции горелки были улучшены условия сжигания >плива, обеспечившие смещение максимальной температуры на корпусе печи на 1сстояние 5,8 м от горелки, при этом производительность печи по глинозему составила / = 14,8 т/ч, расход топлива - В = 2137 м3/ч при неизменной температуре отходящих азов 600 °С. Значение рк , определенное аналогично предыдущему случаю, оказалось

Г)^ = 1,59 1/м, а температура газового потока на расстоянии 5,8 м от горелки оказалась

706 °С. Так как определить показатели работы печи при других значениях расстояния до •аксимальной температуры на корпусе печи экспериментально не представилось юзможным, для других значений р^ были проведены расчеты по разработанной в

|иссертации методике расчета тепловых процессов. Результаты экспериментов и асчетов приведены в табл.1

Таблица )

Показатели работы печи кальцинации глинозема с размерами 3,0:3,8:51,3 м при различных значениях коэффициента, характеризующего скорость выгорания топлива.

/V Ш а С, т/ч В, м'/ч ♦ в\

Рх м'/т

3,122 0,346 15,539 2285 147,0

1,590 0,679 14,600 2137 146,4

1,161 0,930 13,865 2022 145,8

0,927 1,165 13,100 1913 146,0

0,810 1,333 12,537 1835 146,4

Анализ полученных результатов позволил сделать вывод, что наилучшие тохни экономические показатели работы печей кальцинации достигаются при значен*

а

характеристического параметра факела - = (0,83- 0, 679) м. Это положение бы

Л

принято для эксплуатации трех печей кальцинации глинозема пикалевско производственного объединения "Глинозем*. В табл.2 приведены показатели рабо печей до и после изменения условий сжигания топлива.

Таблица

Производительность печей по глинозему (в Д'ч), расход топлива (В ,м3 /ч), удельный расход топлива (В1, м5 /т) до и после изменения характеристического параметра факела.

печь a РX G, т/ч В м'/ч В1 м'/т годовая экономия газообразного топлива после перехода на рациональное значение а/ ,м3/год /А

№ 1 1,165 0,678 12,0 13,0 1900 1900 158,33 146,15 1140046

№ 2 1,165 0,679 13,1 14,6 2150 2150 164,12 147,26 1772323

N8 3 1,165 0,679 11,1 11,8 1850 1850 166,67 156,77 841104

На способ сжигания газообразного топпива с рациональным значение! характеристического параметра факела получен патент РФ № 2034197.

На основе рассмотренных в диссертации теоретических и экспериментальны: исследований проведен анализ работы печей кальцинации с точки зрения выбор; рациональной температуры отходящих газов. Показано, что тенденция снижения это! температуры до 200 - 250 °С является оправданной только в случаях, когда тепл! отходящих газов не используется. В случав же, когда тепло отходящих rasoi используется для предварительного внепечного нагрева гидроокиси, обеспечивающеп испарение внешней влаги и нагрев сухой гидроокиси до 200 °С, рациональна! температура отходящих газов {Тотж> °с). при получении металлургического глинозема

и при прочих равных условиях, зависит от диаметра печи и определяется формулой

Torr-H'-D,)-

где - наружный диаметр печи, 3,0« s J)h^4,5m

Эта формула была получена на основе математического моделирования еплообмена в печах кальцинации глинозема.

Работа печей с температурой отходящих газов, определяемой по формуле (27) (бвспвчивает для пвчвй диаметром Q = Зм повышение производительности в 1,5-1,7 >аза и снижение удельных расходов условного топлива на 3-6 кг на 1 т глинозема. Для )вчей диаметром = 4,5м рациональная температура отходящих газов при

«пользовании их тепла для предварительного нагрева гидроокиси составляет Т^отх'

- 450 °С и позволяет повысить производительность печи в 1,7-2 раза и снизить удельный расход условного топлива на 10-15 кг на 1 т глинозема.

На печах кальцинации глинозема №1 и №2 Пикалевского производственного объединения "Глинозем' были экспериментально определены условия сжигания •азообразного топлива, обеспечивающие снижение содержания окислов азота в отходящих газах. В работе показано, что снижение содержания окислов азота в отходящих азах достигается подачей в факел водяного пара в количестве 0,06-0,12 кг на 1 м3 азообразного топлива. При таком расходе пара увеличивается производительность печи (а 1,6-1,8%, уменьшается удельный расход топлива на 1,4-1,6%, а содержание окислов |Зота в отходящих газах снижается на 30-32,5%.

На способ сжигания газообразного топлива с подачей водяного пара в факел юлучен патент Российской Федерации №¡2054600.

Совокупность уравнений и формул, полученных при рассмотрении горения топлива, епловых процессов в рабочем пространстве печи и движения материала представляют обой математическую модель трубчатых вращающихся печей. Так как расчеты еплообмена в диссертационной работе осуществлялись по средним температурам азового потока и материала по длине печи, то была проведена проверка адекватности одели экспериментальным данным на основе сопоставления результатов экспериментов а печах кальцинации глинозема Пикалевского производственного объединения "линозем" и расчетов по математической модели.

ВЫВОДЫ

1. Закономерности выгорания топлива в факеле оказывают значительное влияние i технико-экономические показатели работы трубчатых вращающихся печей, зкономеркости выгорания твердых и жидких топлив в факеле существенно отличаются ■ закономерностей выгорания газообразных топлио. При анализе выгорания газообраз-

ных топлив необходимо иметь в виду, что объемная доля кислорода в начале факела и по его длине должна определяться с учетом факта протекания процесса в системе двух газовых фаз. Математическое описание процессе горения газообразного топлива с достаточной достоверностью может быть осуществлено на основе исследования массообменных процессов в элементарном объеме одномерного факела.

2. Скорость выгорания топлива в факеле предопределяет длину факела, его максимальную температуру и распределение температуры газового потока по длине печи. Эта скорость зависит от состава топлива, условий смешения топлива и дутья, температуры среды в зоне горения, а так же от конструкции горелки и условий ее эксплуатации. Оценка влияния всех перечисленных факторов на процесс выгорания топлива может быть произведена по величине коэффициента, характеризующего скорость

определения этого коэффициента позволит существенно улучшить проведение анализа работы трубчатых вращающихся печей.

3. При работе трубчатых вращающихся печей часто судить о коэффициенте ' избытка дутья при сжигании топлива по составу отходящих из печи газов не представляется возможным из-за подсосов воздуха в местах отбора газовой пробы. Разработанная методика определения коэффициента избытка дутья при сжигании топлив

в печах кальцинации по объемному расходу отходящих газов и составу топлива позволяет более надежно оценивать процесс выгорания топлива.

4. При расчетах теплообмена в трубчатых вращающихся печах часто встречаются случаи, когда заданными являются начальная и конечная температуры материала, теоретическая температура горения топлива и температура отходящих газов. В этом случае расчет тепловых процессов ведут по средним температурам газового потока и материала. Допустимость такого расчета доказана в диссертационной работе на основе статистической оценки адекватности экспериментальных и расчетных данных,

5. Анализ лучистого теплообмена между газовым потоком и открытыми поверхностями материала и футеровки в трубчатых вращающихся печах показал, что этот теплообмен должен рассматриваться на основе метода энергетических балансов и эффективных потоков или на основе зонального метода расчета лучистого теплообмена.

6. Разработанная методика расчета распределения температур газового потока и материала по длине трубчатых вращающихся печей, учитывающая и процессы выгорания топлива в факеле, позволяет усовершенствовать расчеты тепловых процессов в трубчатых вращающихся печах и более обоснованно рассмотреть вопрос об усреднении температур газового потока и материала ло длине печей.

7. В работе доказано, что усреднение температуры газового потока в трубчатых вращающихся печах должно производиться арифметическим усреднением теоретической температуры горения топлива и температуры отходящих газов, а усреднение температуры материала - арифметическим усреднением начальной и максимальной температуры материала в печи.

выгорания

Предложенная е диссертации методика экспериментального

л 8. Осуществленное в диссертационной работе теоретическое и экспериментальное ределение условий рационального сжигания газообразного топлива в трубчатых ащающихся печах позволило установить целесообразные значения

рактеристического параметра факела-^- ( отношение коэффициента избытка дутья к

Рк

эффициенту, характеризующему скорость выгорания газа ), которое обеспечивает гчшие технико-экономические показатели работы печей. Показано, что трубчатые ¡ащающиеся печи должны работать при значениях характеристического параметра акела в пределах от 0,93 м до 0,679 м. На способ сжигания газообразного топлива с [взанными пределами характеристического парарметра факела получен патент оссийской Федерации № 2034197.

9. Способ сжигания топлива с рациональным значением характеристического араметра факела внедрен на трех печах кальцинации Пикэлевского производственного бъединения "Глинозем" и обеспечил (при проведении экспериментов) на печи №1 [величение производительности по глинозему с 12,0 т/ч до 13,0 т/ч при снижении Сдельных затрат топлива с 158,33 м'/r до 14$,15 м'/т, на печи №2 увеличение 1роизводительности с 13,1 т/ч до 14,6 т/ч при снижении удельного расхода топпива с 164,12 м'/т до 147.26 м'/т и на печи №3 увеличение производительности с 11,1 т/ч до 11,8 т/ч при снижении удельных затрат топлива с 166,67 м'/т до 156,77 м'/т.

10. Проведенное в процессе выполнения диссертационной работы экспериментальное исследование по определению условий сжигания газообразного топлива, обеспечивающих снижение содержания окислов азота 8 отходящих газах на оечах кальцинации глинозема, позволило установить, что наиболее приемлемым :пособом снижения содержания окислов азота в отходящих газах является подача в

факел с дутьем водяного пара в количестве 0,06-0,12 кг на 1 м' газообразного топлива.

Это обеспечивает повышение производительности печей на 1,6-1,8%, уменьшение удельного расхода топлива на 1,4-1,6% и снижение содержания окислов азота в отходящих газах на 30-32,5%. На способ сжигания газообразного топлива с подачей водяного пара в факел получен патент Российской Федерации №2054600.

11. Разработанная математическая модель трубчатых вращающихся печей кальцинации глинозема позволила провести анализ работы этих печей и сделать вывод о рациональной температуре отходящих газов. При отсутствии использования теппа отходящих газов рациональной является минимально возможная температура с учетом условий работы пылеулавливающих устройств и конденсации паров в газоходных трактах. Для существующих газоходных трактов эта температура составляет 200 0 С и обеспечивает хорошие технико-экономические показатели работы печей.

Однако, при температуре отходящих газов 200° С коэффициент заполнения печи составляет 0,06-0,07, что ниже рационального его значения 0,1-0,12. В резупьтате этого не достигается максимально возможная эффективность работы печей. Дальнейшее

повышение технико-экономических показателей трубчатых вращающихся печей возможг при улучшении теплообмена за счет повышения температуры отходящих газов испопьэованием их теппа для предварительного внепечного нагрева загрузки д температуры 200° С. Рациональная температура отходящих газов ( °С) при получени металлургического глинозема в этом случае зависит от диаметра печи и определяете

формулойTorr'^-Dv)- г-0м&Dhs4>5-h-

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ:

1. Даеидсон A.M., Воронин П.А, Михайлов В.М, Шлыкова С.В и др. Способ сжигани! газообразного топлива в противоточных трубчатых вращающихся печах. Патент РЧ №2034197 на изобретение, 1995г.

2. Даеидсон A.M., Воронин П.А, Михайлов В.М, Шлыкова C.B. Повышение эффективности печей кальцинации за счет совершенствования сжигания газообразного топпива: Отчет по НИР, 1992г.

3. Даеидсон A.M., Воронин П.А, Михайлов В.М, Шлыкова C.B. К вопросу сжигания газообразного топпива во вращающихся печах кальцинации глинозема: Тезисы докладов научно-технической конференции СКГМИ, 1993г.

4. Воронин П.А., Даеидсон A.M., Шлыкова C.B. Исследование горения твердых и жидких топлив на основе массообменных процессов в одномерном факеле: Изв. ВУЗ, Цветная металлургия №3,4, 1993г.

5. Даеидсон A.M., Воронин П.А., Шлыкова C.B. Исследование горения газообразного топлива на основе массообменных процессов в одномерном факеле: Изв. ВУЗ. Цветная металлургия №5,6, 1993г.

6. Даеидсон A.M., Воронин П.А, Михайлов В.М, Шлыкова C.B. Совершенствование сжигания топлива в печах спекания и кальцинации: Отчет по НИР, 1993г.

7. Шлыкова C.B., Даеидсон A.M., Воронин П.А. Определение коэффициента избытка дутья при сжигании топпив по объемному расходу отходящих газов и составу топлива: Изв. ВУЗ, Цветная металлургия №4-6, 1994г.

8. Шлыкова C.B., Даеидсон A.M., Воронин П.А. Экспериментальное определение коэффициента, характеризующего скорость выгорания топлива, и расчет распределения температур по длине факела: Изв. ВУЗ, Цветная металлургия №4-6, 1994г.

9. Шлыкова C.B., Даеидсон A.M., Воронин П.А. Расчет распределения температур газового потока и материала вдопь противоточной трубчатой вращающейся печи, отапливаемой газообразным топливом; Изв. ВУЗ, Цветная металлургия №1, 1996г.

10. Даеидсон А М., Воронин П.А., Шлыкова C.B. Определение средних температур газового потока и материала в трубчатых вращающихся печах, отапливаемых газообразным топливом; Изв. ВУЗ, Цветная металлургия №3, 1995г.

11. Шлыкова C.B., Дввидсон A.M., Воронин П. А. Лучистый теплообмен в трубчатых ращающихся печах: Изв. ВУЗ, Цветная металлургия №3, 1995г.

12. Шлыкове C.B. Оптимизация процесса сжигания топлива в трубчатых ращающихся печах по минимальному удельному расходу топлива: Материалы научно-ехнической конференции СКГТУ, Тезисы докладов. 1995г.

13. Шлыкова C.B. К вопросу об усреднении температур газового потока и штериала при расчете теплообмена а трубчатых вращающихся печах: Материалы 1аучно-технической конференции СКГТУ, Тезисы докладов. 1995г.

14. Давидсон A.M., Шлыкова C.B., Воронин П.А., Михайлов Б.М. Способ сжигания азообразного топлива. Патент РФ № 2054600 на изобретение , 1998г.

Подписано к печати ,9.10,9бг.. Объем 1 п.л. Тираж 80 экз. Заказ № 321 СевероКавказский Государственный технологический университет 362021, г. Владикавказ, ул. Николаева .44.

Ротапринт СКГТУ, 362021, г. Владикавказ, ул. Николаева.44.