автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Повышение экологической и энергетической эффективности работы вагранок на основе разработки и исследования новых способов снижения выбросов окиси углерода и расхода топлива

р I

ы

Ивановский Государственный Энергетический Университет

Сидоров Александр Валерьянович

Повышение экологической и энергетической эффективности

работы вагранок на основе разработки и исследования новых способов снижения выбросов окиси углерода и расхода топлива

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Коротин А.Н. Научный консультант -кандидат технических наук, доцент Гнездов E.H.

Иваново, 1999

Оглавление

Введение 6

1. Анализ существующих способов повышения экологической и энергетической эффективности вагранок и постановка задачи исследований 9

1.1. Существующие конструкции вагранок 9

1.2. Обоснование необходимости повышения экологической и энергетической эффективности вагранок 15

1.3. Способы повышения экологической и энергетической эффективности вагранок 16

1.3.1. Способы повышения экологической эффективности вагранок 16

1.3.2. Комплексные способы повышения экологической и энергетической эффективности вагранок 20

1.4. Постановка задачи исследований 26

Выводы по главе 27

2. Разработка способов повышения экологической и энергетической эффективности вагранок 28

2.1. Постановка задачи 28

2.2. Разработка способов повышения экологической и энергетической эффективности вагранок 28

2.2.1. О влиянии реакционной способности кокса на экологическую и энергетическую эффективность вагранок 28

2.2.2. Способ повышения экологической и энергетической эффективности вагранок с искусственным снижением реакционной способности кокса 29

2.3. Способ повышения экологической эффективности вагранок с помощью воздушной завесы загрузочного

окна и горелки дожигания 32

Выводы по главе 34

3. Экспериментальные исследования способов понижения реакционной способности кокса 35

3.1. Постановка задачи 35

3.2. Описание экспериментальной установки 36

3.3. Проведение экспериментов 38

3.3.1. Особенности выполнения опытов 38

3.3.2. Результаты экспериментов 42

3.4. Методика обработки экспериментальных данных 42

3.4.1. Моделирование условий протекания реакции

С + С02 = 2СО - С) на экспериментальной установке 42

3.4.2. Оценка погрешности определения состава газов по хроматограмме 46

3.4.3. Определение реакционной способности кокса 47

3.4.4. Обработка экспериментальных данных 49

3.5. Анализ результатов экспериментов 55 Выводы по главе 67

4. Математическое моделирование нового способа повышения экологической и энергетической эффективности вагранок 68

4.1. Постановка задачи 68

4.2. Упрощения математического описания 69

4.2.1. Краткое описание реального объекта 69

4.2.2. Допущения, принятые при переходе от реального

слоя к его математической модели 69

4.3. Математическое описание теплообмена в слое 70

4.4. Решение задачи методом конечных разностей 74

4.5. Решение задачи методом прогонки 82

4.5.1. Определение коэффициентов a¡, b¡, cj, fj 82

4.5.2. Определение коэффициентов прогонки 85

4.5.3. Расчёт температурного поля коксового брикета 90

4.5.4. Расчёт температурного поля чугунной чушки 95

4.6. Расчёт температуры продуктов сгорания на входе в

слой и на выходе из слоя 95

4.7. Разработка алгоритма и программы расчёта 99

4.7.1. Разработка алгоритма расчёта 99

4.7.2. Разработка программы расчёта 101

4.8. Учёт зависимости теплофизических характеристик

твёрдых тел и газов от температуры 105

4.9. Построение и принципы работы подпрограмм-функций определения теплофизических характеристик материалов и газов 109

4.10. Определение приведённого коэффициента теплоотдачи в вагранке 110

4.11. Построение и принципы работы подпрограммы-функции определения приведённого коэффициента теплоотдачи 117

4.12. Определение влияния слоевой разбивки на точность расчётов 117

4.13. Результаты расчётов теплообмена в слое 121 Выводы по главе 122 5. Практическая реализация результатов исследований 123 5.1. Промышленные испытания вагранки с коксом,

обладающим искусственно пониженной реакционной

способностью 123

5.1.1. Методика проведения экспериментов 123

5.1.2. Результаты испытаний 128

5.1.3. Анализ результатов 132 5.2. Промышленные испытания вагранки с воздушной завесой загрузочного окна и горелкой дожигания

окиси углерода СО 139

5.2.1. Методика проведения экспериментов 139

5.2.2. Методика обработки экспериментальных данных 141

5.2.3. Результаты испытаний 147

5.2.4. Анализ результатов 147 Выводы по главе 152 Выводы по диссертации 153 Список литературы 156 Приложения 162

Введение

Литейное производство - основная заготовительная база машиностроения, во многом определяющая его дальнейшее развитие.

Масса литых деталей, по оценкам некоторых специалистов [1,2], достигает 40-80% массы машин, в то время как примерная стоимость не превышает 20% стоимости машин [1].

Наиболее распространённым литейным сплавом, из которого выполняется более 70% отливок, является чугун [1]. Такое положение дел может быть объяснено рядом причин. Во-первых, чугун обладает достаточно высокими литейными качествами; во-вторых, сравнительно дёшев; и, наконец, в-третьих, обладает высокими прочностными характеристиками, которые позволяют деталям, отлитым из чугуна, работать в меняющихся условиях, особенно при переменных по направлению нагрузках.

Для плавки чугуна создано и успешно используется достаточно большое количество агрегатов, однако с момента создания (примерно в XVIII веке) и до настоящего времени основой литейных цехов является вагранка: по разным источникам в настоящее время от 70 до 90% всего чугуна выплавляется в вагранках [1,3,4].

Вагранка имеет ряд преимуществ перед другими чугуноплавильными агрегатами: она проста по конструкции и, что не менее важно, в обслуживании, позволяет получать чугун различных марок, может использоваться в составе конвейерных цепочек из-за возможности реализации непрерывного процесса плавки, достаточно экономична и т.д. С теплотехнической точки зрения вагранка, как шахтная печь, обрабатывающая материал в плотном фильтрующем слое (характерными особенностями которого являются высокая удельная поверхность реагирования, противоточная схема движения, открывающая

возможность глубокой регенерации ..теплоты отходящих газов, низкие потоки теплоты через ограждение и т.д.), теоретически является весьма совершенным агрегатом [5].

Однако, наряду с очевидными преимуществами, изложенными выше, вагранка имеет и ряд недостатков.

Так, например, коксовые и коксогазовые вагранки, составляющие по разным оценкам от 95 до 99% всего парка вагранок Российской Федерации [1], при выплавке около 25 млн. тонн в год жидкого чугуна, потребляют около 3 млн. тонн кокса, на производство которого расходуется до 4.5 млн. тонн в год дорогостоящего высококачественного коксующегося угля [2]. Кроме того, вагранки такой конструкции выбрасывает в атмосферу большое количество пыли и окислов серы, азота, углерода и пр. Установка же очистных сооружений, не дающих к тому же зачастую ожидаемого эффекта, резко увеличивает стоимость выплавляемого в коксовых и коксогазовых вагранках чугуна и, соответственно, снижает их экономическую эффективность.

Использование газовых вагранок, разработка которых в настоящее время ведётся особенно интенсивно, решает как проблему снижения затрат на приобретение топлива (природный газ стоит намного дешевле кокса), так и проблему уменьшения количества вредных выбросов в атмосферу (продукты сгорания природного газа не содержат пыли и токсичной окиси углерода СО).

Однако, как показали исследования [24], традиционные методы полной замены литейного кокса природным газом приводят не к уменьшению, а к росту общей энергоёмкости процесса производства литейного чугуна в масштабе теплотехнологического комплекса данного производства на 50 %.

Из всего вышесказанного представляется правильным сделать вывод о необходимости приложения серьёзных усилий в направлении разработки и исследования новых способов ведения плавки прежде всего в

коксовых и коксогазовых вагранках, как наиболее простых и надёжных агрегатах для плавки чугуна, обращая при этом особое внимание на снижение расхода топлива и уменьшение количества вредных выбросов, прежде всего окиси углерода СО, в атмосферу.

Глава 1.

Анализ существующих способов повышения экологической и энергетической эффективности вагранок и постановка задачи исследований

1.1. Существующие конструкции вагранок

Наиболее распространёнными на сегодняшний день являются вагранки, источником энергии в которых является кокс. Такие вагранки называются коксовыми.

Конструкция коксовой вагранки достаточно проста, отчасти поэтому она и получила столь широкое распространение.

Коксовая вагранка (рис. 1.1) представляет собой шахтную плавильную печь. Цилиндрический корпус (11) вагранки изготавливается из листовой стали толщиной 8-12 мм. Корпус устанавливается на подовую плиту (18), которую поддерживают четыре колонны (19). Внутри кожух футеруется огнеупорным материалом (12), толщина футеровки колеблется от 230 до 300 мм в зависимости от диаметра вагранки и условий её работы. Шахта образует рабочее пространство вагранки, в котором происходят основные процессы горения топлива и плавления чугуна. Часть вагранки от загрузочного окна (10) до подовой плиты называют шахтой (13), а выше загрузочного окна - дымовой трубой (9). Копильник (4) предназначен для сбора расплавленного чугуна. Копильник имеет кожух (6) и футерован изнутри огнеупорным материалом (1). Расплавленный металл выпускают из копильника через чугунную лётку (3) по жёлобу (2), а шлак - через шлаковую лётку (5). Свод (7) копильника съёмный, что облегчает ремонт копильника. Воздух от воздуходувки поступает в фурменный пояс (14), затем по патрубкам (15) расходится по фурмам (17). Шибером (16) регулируют расход дутья. Труба вагранки заканчивается

Рис. 1.1. Схема коксовой вагранки

искрогасителем (8) той или иной конструкции, вынесенным на крышу цеха. Искрогаситель служит для понижения температуры раскалённых частиц уноса и их улавливания.

Основным отличием коксогазовой вагранки (рис. 1.2) от коксовой является наличие газовых горелок (3), установленных в шахте вагранки выше уровня воздушных фурм. Горючий газ (чаще всего природный) сжигается в горел очных туннелях (2). Газ в туннелях должен полностью сгорать с тем, чтобы в шахту поступали лишь продукты полного сгорания. Газ подводится к горелкам по газовому коллектору (1), воздух - по воздушному коллектору (4), который отделён от дутьевого воздушного коллектора (5), питающего дутьевым воздухом фурмы (6).

В газовой вагранке, в отличие от коксовых и коксогазовых, источником энергии является исключительно теплота сгорания газа. Газовые вагранки не находят пока широкого применения по причине трудностей в обслуживании.

Индукционные и плазменные вагранки в настоящее время имеются лишь в экспериментальных вариантах.

По сути происходящих процессов в рабочем пространстве вагранки можно условно выделить несколько зон (рис. 1.3).

Зона I - зона подогрева шихтовых материалов. По высоте рабочего пространства вагранки зона подогрева ограничена сверху нижним срезом загрузочного окна, снизу - тем уровнем шихтовых материалов, в котором температура поверхности элементов металлической части шихты достигает температуры плавления (1150 - 1200°С). Местоположение нижней границы зоны подогрева зависит от расходов кокса и воздуха, температуры подогрева воздуха, размеров кусков шихты и т.д.

Зона II - зона плавления. В зоне плавления происходит расплавление элементов металлической части шихты. Размеры зоны зависят от времени плавления, которое, в свою очередь, зависит от размера элементов металлической части шихты, условий теплообмена в зоне и т.д.

Рис. 1.2. Схема фурменного пояса коксогазовой вагранки 1-газовый коллектор, 2-горелочный туннель, 3-горелка, 4-возушный коллектор, 5-дутьевой возушный коллектор, 6-фурма.

Рис. 1.3. Схема процессов, происходящих в вагранке

а-горн, б-зона перегрева (б'-кислородная подзона, б"-редукционная подзона), в-зона плавления, г-зона подогрева, Тг , Тм -температуры газов и металла, соответственно

Зона III - зона перегрева чугуна. В этой зоне, простирающейся от зоны плавления сверху до нижнего (при двух или трёхрядной компоновке) ряда фурм снизу, происходит перегрев капель жидкого чугуна.

Источником теплоты для перегрева чугуна, кроме теплоты горения кокса и теплоты горячих ваграночных газов, служит теплота окисления примесей чугуна кислородом дутьевого воздуха.

Зону перегрева можно условно разделить на две подзоны в зависимости от качества химических реакций, протекающих в зоне: кислородную и редукционную.

Кислород воздуха, вдуваемого в слой шихты через фурмы, взаимодействует с углеродом С кокса по реакциям:

С + ^02 =СО +110964 кДж/моль (1.1)

С + 02 = С02+ 395052 кДж/моль (1.2)

Образовавшаяся по реакции (1.1) окись углерода СО догорает, взаимодействуя с кислородом (при его наличии), по реакции:

СО + ^ 02 = С02 + 284088 кДж/моль (1.3)

В результате протекания реакций (1.1), (1.2) и (1.3) ваграночные газы насыщаются двуокисью углерода СО2, а концентрация кислорода, в свою очередь, резко снижается.

В то же время, в условиях отсутствия достаточного количества кислорода начинает развиваться реакция восстановления углеродом кокса С двуокиси углерода С02:

С + С02 =2СО-173124кДж/моль (1.4)

Та часть зоны перегрева чугуна, где есть свободный кислород, носит название кислородной подзоны. Зона, в которой преобладает реакция (1.3), и расположенная над кислородной подзоной, называется редукционной подзоной.

Зона IV - горн вагранки. В этой зоне, располагающейся между лещадью и нижним рядом фурм, кокс имеет более низкую температуру вследствие отсутствия горения из-за недостатка кислорода. Жидкий чугун, стекая по кускам кокса, охлаждается и науглероживается, после чего стекает в копильник.

Стоит отметить, что зональное деление рабочего пространства вагранки очень условно. Процессы, протекающие в шахте, отличаются чрезвычайной сложностью и многогранностью, и, поэтому, не могут быть уложены в строгие рамки зон.

1.2. Обоснование необходимости повышения экологической и энергетической эффективности вагранок

Проблема защиты окружающей среды от пагубного влияния промышленности выделяется специалистами и СМИ в ряду первостепенных. Однако, вследствие отсутствия инвестиций и собственных оборотных средств предприятий по причине поразившего страну экономического кризиса, упомянутая проблема на практике не решается. Кроме того, спад производства привёл к снижению количества вредных выбросов в воздушный и водный бассейны, что порождает благодушное настроение у ряда руководителей промышленных предприятий.

В то же время, тогда как уровень производства снизился примерно в 10 раз, количество загрязняющих природу выбросов сократилось лишь вдвое [25]. Следовательно, только при восстановлении уровня производства количество выбросов увеличится, по нашим подсчетам, в 50 раз по сравнению с сегодняшним днём, и в пять раз по сравнению с доперестроечным уровнем.

Основной причиной такого положения является резкое снижение культуры производства и почти полный моральный и физический износ оборудования.

По количеству выбрасываемых вредных веществ литейное производство занимает второе место после теплоэнергетики. В городах с развитым машиностроительным комплексом на долю выбросов в литейном производстве приходится до 15-20% окиси углерода СО, 2 - 4 % окислов серы Б и азота 1М, 5 - 8 % полидисперсной пыли и т.д. [32].

Доля вагранок и электродуговых печей в общей сумме выбросов литейного производства составляет 45 - 70 % пыли и 75 - 90 % окиси углерода СО [30].

На актуальность обозначенной проблемы указывает также то обстоятельство, что её решению посвящено большое количество работ [6, 8, 9,14, 24, 27, 29, 33 и др.].

1.3. Способы повышения экологической и энергетической

эффективности вагранок

1.3.1. Способы повышения экологической эффективности вагранок

Авторы [28] предлагают для очистки ваграночных газов использовать низконапорный скруббер Вентури типа КОГА

(комбинированный газоочистной агрегат). Как явствует из названия, такое устройство предназначается для очистки как от пыли, так и от газообразных примесей. Загрязненный газ очищается совместным действием инерционных сил, интенсивным перемешиванием жидкости с очищаемой средой и адсорбцией газообразных вредных примесей жидкостью.

Авторами определен оптимальный коэффициент орошения (кг/м3 газа), при котором КПД очистки максимален: 97,2 % - от пыли, 43,6 % - от окиси углерода СО.

Вместе с тем, отмечается неустойчивость процесса очистки ваграночных газов от окиси углерода СО с изменением КПД в пределах от 12 до 79 %, и необходимость в достаточно низкой (до 40°С) степени предварительного охлаждения газов для обеспечения нормальной работы устройства.

В [33] предлагается очищать ваграночные газы ступенчато: на первой ступени - осаждением твердых пр�