автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Проектирование и оптимизация состава сырьевых смесей и клинкера цементного производства

На правах рукописи

ТРУБАЕВ ПАВЕЛ АЛЕКСЕЕВИЧ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ Ш ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА СЫРЬЕВЫХ СМЕСЕЙ И КЛИНКЕРА ЦЕМЕНТНОГО

ПРОИЗВОДСТВА

05.17.08 - Процессы и аппараты химической технологии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1997

Работа выполнена в Белгородской государственной технология ской академии строительных материалов

Научный руководитель:

Научный консультант:

кандидат технических наук, доцент Беседин Павел Васильевич

академик Российской инженерной академии, доктор технических наук, профессор Гордеев Лев Сергеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Дорохов Игорь Николаевич

член - корреспондент инженерной академии Украины, кандидат технических наук Соболев Николай Евгеньевич

Ведущая организация:

АО .СП «Белгородский цемент»

Я- _ .в ^и^с^Ч-з

Защита состоится ««**» Кзр"* 1997 г. в (0_ часов в аяТЧ^иа засе; нин диссертационного Совета Д 053.34.08 в Российском химнко-ге.м логическом университете им. Д. И. Менделеева по адресу: Москва, М усская пл., 9.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-ннформацнонн центре РХТУ им. Д. И. Менделеева.

Автореферат разослан « ? » ¡р&ркхил 1997 ]

Ученый секретарь диссертационного совета у-** <£> Бобров Д.>

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ

Цементная промышленности является крупным потребителем сырьевых и энергетических ресурсов. Так, п Российской Федерации в 1991 го-цу для производства цемента использовано 122 млн. тони природного :ырья и отходов других производств, 16 млн. тони условного топлива и. 3.6 млрд. кВт-ч электроэнергии. В этой связи приоритетным направлением научных исследований по повышению эффективности процесса юлучения цемента является разработка методов и способов рационального использования сырьевых ресурсои и снижения энергопотребления.

Приготовление сырьевой смеси является одним из наиболее важных , iponeccoB цементной технологии. Состав сырьевой смеси и клинкера злияет на ряд технологических показателей процесса обжига, в том чис-ie на качество получаемого клинкера и расход тошпша на обжиг. Про-жтированне состава многокомпонентных сырьевых смесей включает: >пределение требований .к составу, расчет и оптимизацию сырьевых :месей. Решение задач оптимального проектирования сырьевых смесей '. демеитного производства, учитывая его специфику, возможно только на >азе информационных технологий. Изпсстаые в практике методы не удовлетворяют в полной мерс современным требованиям, так как рас-:читаны на ограниченный круг вариантов, кроме того, они не учитыва-от теплофизическне и термодинамические свойства сырьевых смесей и •линкера". Таким образом назрела необходимость совершенствования уществующих и разработки новых метрдов; проектирования и оптими-ации состава цементных сырьевых cüiecdl ц!глшкфз. j

Диссертация выполнялась в соответствия с тематическим планом осбюджетных НИР Белгородской государственной технологической кадемии строительных материалов гос. рог. БелГТАСМ 1.20.93.2) и [еречнем важнейших работ ЛО «Концерн Цемент» на 1992-1997 г. шифры 49/92-85н и 28/9б-208н).

ПЕЛЫО РАБОТЫ является разработка истоков и информационных редств проектирования и оптимизации составов многокомпонентных ырьевых смесей и клинкера цементного производства, включающих воз-:ожностъ применения техногенного сырья и нетрадиционного топлива, чета теплофизических и термодинамических свойств перерабатываемого ырья.

В соответствии с прставлрнгой целью на основе методов математи-еского моделирования решались следующие задачи:

в формализация методов расчета и корректирования, развитие мето-ов исследования и оптимизации состава многокомпонентных сырьевых .(есей цементного производства;

» разработка модели расчета и модульных характеристик теплофи зических свойств многокомпонентных сырьевых смесей и клинкера, ис следование влияния свойств на интенсификацию процессов теплообмен; цементной технологии;

в разработка критериев оценки термодинамической эффективносп процесса превращения многокомпонентных сырьевых смесей в клинкер;

• разработка критериев оценки оптимальности состава многокомпо нентных сырьевых смесей.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. РАБОТЫ:

- предложена формализация и обобщение методов расчета и коррек тировання многокомпонентных сырьевых смесей цементного произвол ства;

- разработан метод локализации области ограничений на диаграм мах состояния многокомпонентных смесей цементного производства;

- предложена модель процесса теплопроводности и метод расчета ко ■ эффициента теплопроводности цементных сырьевых смесей и клинкер;

в зависимости от их состава я температуры; предложены модульные ха рактеристики теллофизических свойств цементных сырьевых смесей;

- предложен метод расчета теплового эффекта клинкерообразования разработаны критерии термодинамической эффективности процесса пе реработки сырьевой смеси в клинкер, определяемые составом сырьсво! смеси;

- предложена функционально-стоимостная модель процесса получс ния клинкера, предназначенная для построения обобщенною крптери: оптимизации состава цементных сырьевых смесей и клинкера.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ:

1. Создана научно-методическая и информационная база программ но-вычислительных средств проектирования и опшмнзацин многоком понентных сырьевых смесей и клинкера цементного производства;

2. Разработаны программно-вычислительные комплексы:

- проектирования сырьевых смесей в условиях двух мировой ¡ехиоло гни, внедренный на АО «Балаклеевский цементно-шиферный комбинат»;

- проектирования сырьевых смесей »1 теплотехнических расчетов це ментных вращающихся печей, внедренный на ряде отечественных заводоз

3. Разработана библиотека расчета теплофизических свойств цемент ных сырьевых смесей в зависимости от их состава и температуры, по зволяюшая повысить точность моделирования процессов теплообмен; лрн обжиге и охлаждении клинкера и точность информация о состоят» обмазки и футеровки вращающейся печи.

4. Разработаны алгоритмы построения решетчатых ил,!нов на локальных участках диаграммы 'и расчета коордшйт вершин сечения локального участка - диаграммы. Получена зависимость точности и •ременп получения статистических моделей от размеров решетчатых танов из локальных участках факторных пространств многокомпо-юнтных систем.

5. Произведена оптимизация ссегагюп сырьевых смесей ряда цемент-гых заводов, которая позволяет обеспечить снижение расхода топлиза !а обжиг при сохранении пли улучшении технологических характсри-тик и качества клинкера.

6. Отдельные положения работы Отражены в учебном пособии и ис- ' ользуются в учебном процессе ЕелПЛСМ,

АПРОБАЦИЯ РАЯОТЫ И ПУБЛИКАЦИИ Материалы диссертации были представлены на:

- Международной конференции «Ресурсосберегающие технологии гронтельпых материалов, изделий и конструкций» (Белгород, !993 г.);

- Международной конференции «Ресурсе- н энергосберегающие тех-элопш строительных материален, изделии н конструкция»'(Белгород, >95г.);

-1 Международном (IX Всесоюзном) совещании по химии и техноло-¡н цементов (Москва, 3 996 г). По результатам исследований опубликовано 10 печатных работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ШЭССТРТАПТ-Ш Общий объем днссерта-гоннон работы составляет 169 страниц, 39 рпсуикоп, 34 таблицы. Дне-ртация состоит из введения, 4 разделов, заключительных выводов, иска использованной литературы {153 источника) и приложений.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ рассмотрено современное состояние и особенности сектирования состава портланднемеггтнх сырьсвых смесей и клинкера. Проектирование состава является частью технологическогопроцесса иготовлення сырьевых смесей. Задачи проезтфовз:шя состава це-нтпых сырьевых смесей и клинкера являются равнозначными. Проек-эованне состава сырьевых смесей Еклточает'опррделенне требований к ггаву клинкера и расчет дозировок смешиваемых компонентов. Определение дозировок смёшнззаемых компонентов осуществляется со-сно материальному балансу содержания оксидов в сырьевой смеси или шкере. Проектирование состава сырьевой смеси в условиях использо-1ня техногенных продуктов, увеличения числа стадий смешения н сырь-IX компонентов, применения многозольного топлива требует лнчения числа уравнений, учета новых соединений и характеристик, работка новых методик расчета о существующем в настоящее время

виде требует создания систем уравнений для каждого варианта расчета, причем в связи с большим числом вариантов создание полной базы систем уравнений не представляется реальным. В связи с этим необходимо создание единого метода расчета многокомпонентных сырьевых смесей.

Цементные материалы характеризуются химическим и минералогическим составами и модульными характеристиками. Большинство из характеристик выражаются через химический состав и имеют одинаковый общий вид:

Л/={ в л в<а)/в<ь>}, (1)

где' 0, &<">, &,ь> - многочлены, различающиеся коэффициентами а:

в = а,-г' + ... + щ-г1-, (2)

Применяемые в настоящее время характеристики описывают техно логические свойства клинкера и не учитывают теплофизические свойства сырья и клинкера. Теплофизические свойства сырья непрерывне изменяются в процессе обжига, но в настоящее время не имеется мето дов расчета теплофизических свойств сырьевых смесей, в частности, те плопроводности, в зависимости от состава и температуры.

Разработка новых характеристик возможна на основе статистически; моделей, связывающих химический состав и свойства материалов. Ис следование свойств многокомпонентных цементных материалов, прово димое на основе вычислительного эксперимента, требует разработю методов построения решетчатых планов и сечений локальных облаете! симплекса заданными поверхностями, определения наиболее эффектив ных видов и размеров планов и видов зависимостей сосгав-свойство I учетом особенностей, определяемых цементной технологией.

Проектирование сырьевой смеси с оптимальными термодннами ческими свойствами требует разработки критериев, характеризуют!!, влияние состава смеси на термодинамическую эффективность процесс обжига и качество получаемого продукта. Для оптимизации состав сырьевой смеси на основе имеющихся и разработанных характеристик критериев необходима разработка обобщенного критерия оптимизации.

Таким образом в настоящее время назрела необходимость дальнеГ шего развития методов проектирования состава сырьевых смесей клинкера цементного производства и расширения сущсствующсг набора их характеристик.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ представлены методы проектирования и опт! мизации состава цементных сырьевых смесей и клинкера и методы ж следования свойств цементных сырьевых смесей и клинкера зависимости от их состава на локальных участках диаграммы.

В работе предложена формализация методов расчета многокомш нентных сырьевых смесей и представление их в общем виде, позволю

шие объединить методы расчета и корректирования. Отличие от существующего подхода, которое позволило выполнять формализацию, заключается в эквивалентных преобразованиях не конечных уравнений, а модульных характеристик, на основе которых строятся уравнения. Характеристики представляются в следующем виде:

где левая часть равенства является преобразованной характеристикой состава материала /(2), а правая — свободным членом. Формализованное уравнение расчета цементной сырьевой смеси имеет вид:

я

где

= кк)гик

к=1

к*1

\-tlZ*). (4)

=

10Э-

то-

1С0 -ШЦ 1С0-ЛЩ,

I £=1..//-1

100-

т~ппп„

=лг

Особенностью процесса корректирования является использование параметров, относящихся к сырьевой смеси (например, титр) и независимость расчета от наличия присадки при обжиге. Для свойств цементных сырьевых смесей Ра, обладающих признаком аддитивности по отношению к свойствам Р< компонентов смеси ^получено формализованное уравнение корректирования:

И-!

где ''

1=1 V . /

(V-

Р,-Р„ Р„-Р, 100 - Щ 100- пппы

\г<.%<.ы-1

Г п, -Ро

1С0- ШШ-н

Уравнение (5) о сочетании с (4) позволяет разрабатывать методы расчета и корректирования, в которых задаются свойства сырьевой смеси и клинкера одновременно. Предлагаемый метод расчета многокомпонентных сырьевых смесей позволяет производить расчет смесей с любым числом компонентов и присадок, учитывать избирательный унос, использовать произвольные сочетания задаваемых характеристик.

Оптимизация состава сырьевых смесей и клинкера производится численными методами при наличии ряда ограничений, являющихся нелинейными функциями от оптимизирующих фагсгорсз. Предлагается метод токализации области существования многокомпонентных снсте..: цементного производства, заключающийся и замене ограничений по характер«-ггикам на ограничения содержания компонентов в системе или смеси. Метод описывается алгоритмом, представленным на рис. 1, и использует формализованный меюл расчета мноюкомпонеш пых смесей.

-е-

Б отличие от существующих метод позволяет: 1) упрощать алгоритмы численных методов оптимизации, ускорять процесс их сходимости и, в ряде случаев,обеспечивать этот процесс, что достигается заменой ограничений на характеристик!: состава на ограничения оптимизирующих факторов; 2) учитывать при расчете сырьевых смесей ограничения на характеристики состава, которые сводятся дополнительно или заменяют часть заданных значений характеристик, при этом расчет произво-

\ Задание числа компонентов, числа • \ характеристик, ограничений:

\ I'; С; мктЫ й мк <, м,Г", к">1.. с 4-

Определение систем уравнений расчета многокомпонентной сырьевой смеси для всех сочетаний из <7 характеристик

«.= /.(мк„1т = 1..С£"\ К е!..С; 7ч \ = 1..= 1

Определение айда зависимости характеристики от х/

м„} * о о м; = л 1Г. = мГ;

< 0 щ = мг. = МГ; к = 1..С

I

Расчет ищпервалоа содержании компонентов при всех сочетаниях характеристик

хГ =л(м°_: т= 1..С. К с!..С; 2, < = 1..Аг);

Рис Л Алгоритм локализации области существования многокомпонентных систем

дится с помощью систем лииеГшых уравнений, а не численными методами; 3) по заданным ограничениям на значения характеристик находить интервалы значений иных характеристик, не входящих в набор исходных ограничений; 4) создавать банк составов сырьевых смесей ц клинкера.

Установлено, что проведение вычислительного эксперимента при разработке новых модульных характеристик требует использования решетчатых'планов с равномерным шагом по факторам, с числом точек, в пять раз превышающим число факторов (рис. 2).

Для задач автоматизированного исследования области существования сырьевых смесей и клинкера на диаграммах состояния многокомпонентных систем предлагаются алгоритм определения координат вершин пересечения поверхностью локальной области существования сырьевых смесей и клинкера и алгоритм построения решетчатых планов на локальных участках диаграммы состава многокомпонентных систем. Для решения Этих- задач: определены условия идентификации области как. симплекса; получено аналитическое выражение координат пересечения области поверхностью; определены, условия совпадения узлов решетчатого плана с вершинами локальной области, серединами ее граней и серединой области. Алгоритм нахождения пересечения отличается от имеющихся тем, что пересечешь представлено в аналитической форме, а не находится методом перебора, что, в частности, позволяет предсказывать количество точек пересеченна. Алгоритм построения решетчатых планоз позволяет строить планы с одинаковыми шагами по всем факторам, что необходимо при исследовании локальных областей, представляющих сильно несимметричные многоугольники.

ТРЕТЬЯ ГЛАВА посвямена разработке характеристик и критериев проектирования состава цементных сырьевых смесей и клинкера.

Теплофизические свойства сырья непрерывно изменяются в процессе обжига. В настоящее время в, расчетах з качестае-коэффициента теплопроводности сырья и клинкера принимается константа, равная 1+1.23 Вт/м-К, а расчет удельной теплоемкости не учитывает их состав.

В работе предлагается модель процесса теплопроводности смеси твердых веществ. Модель построена на основании синтеза двух имеющихся методик расчета коэффициента теплопроводности, первая из ко-

ЕЛ

чг.ело точек плана И

Рае. 2. Показатели статистического жодавровякнд (--линейная медаль,----нелинейная

."■юд^ль, я=5)

торых заключается в определении Л по стандартной теплопроводности преобладающего компонента с вводом поправок, учитывающих остальные компоненты, а вторая - в определении Я смеси веществ экспериментально - статистическими методами, в зависимости от содержания компонентов. Усредненный коэффициент теплопроводности смеси Л*, разработанный на основании модели, имеет вид:

=[£(™<-а//|М)-Р»Г. (б)

н включает функции от коэффициентов теплопроводности компонентов /¡(М). Предлагаемая формула позволяет учитывать состав и температуру материала. В качестве функции /¡(&) на основании результатов моделирования температурного поля в многокомпонентном твердом теле предложено использовать полиномы 1-ой степени, коэффициенты которых, представленные в табл. 1, определены на основании эмпирических литературных данных.

Табл. 1.

Ошзд 8Ю2 МвО АЬОз Ге20з | СаО

Коэффициент ао я/ ао 01 ао а/ ао 01 ао (¡1

Значение 0.54 0.44 1.27 0.461 1.62 0.90 0.08 0.16 5.13 -0.5

В результате изучения литературных данных установлено, что для веществ, температур и пористости, характерных для цементом технологии, зависимость коэффициента теплопроводности о г порисчосзн сохраняет линейный вид: К - (о.ВЗБ - 9.78 • 10 3 ■р)л„.

Предлагается методика расчета коэффициента теплопроводности цементных сырьевых смесей с учетом состава, температуры и пористости:

1. Определение массового состава смеси, выраженного в статьях: СаО, МзО, Си СО}, МмСО}, §¡02, АЬОз, РаОз, стекловидная масса.

2. Расчет объемных долей ¥щ коэффициентов теплопроводное!и компонентов плотностей смеси - идеальной р„, и дейегвшельнои /г.«.

• 3 Расчет Л сухой плотной смеси А<>,-/( (ч /,(Х<)). 4 Учет влажности и пористости материала Я=/(а>л, /;, IV/.

Предложено при расчете удельной теплоемкоеш и этропин сырьевых смесей учитывать их состав и температуру, определяя характеристики соединений по термодинамическик данным, а характеристики смеси - по аддитивному принципу.

Исследование изменения свойств сырьевых смесей в процессе обжига (рис. 3) проводилось для смесей различного состава, соответствующих вершинам области существования портландцементного клинкера. В результате моделирования установлено, что теплофизические свойства зав»-

500 1000

г,°с

1500

0.8

-100 ООО 1°С

1200

5С0 1000 1500

<100 СОО 1200 "С

гс. 3. Техшфтические свойства цементных сыръезих смесей в провесе обжига.

тг о-, темпераг\ры, козффштенг теплопроводности сырьевых смесей запей т от содержания СаО. ЛТдО, а удельная теплоемкость — ог удержания СаО, ЕЮг, А1гС3. В работе также показано совпадение рас-ппаппыч и имеющихся -экспериментальных данных.

Новые характеристики состава цементных сырьевых смесей разраба-лпаклея по меюдикс решения обрашои задачи на основании модели нечета свойства, 01 клика, полученною в результате вычислительного <спсримспп1, и общего вида модульной хараюсристикн (!). Предлагают-1 следхющис характеристики теплофизических свойств сырьевых смесей:

- модуль 1еплопроводноети харакюриз^ег скорость прохождения тела внутри материала при е! о на!реве или охлаждении:

Ы, = СаОДО.ЗбС < СаО - 0.251 • Feг03 + 3.311 • МдО); (7)

' модуль теплоемкости характеризует затраты тепла на нагрев или шаждение материала:

Ше - (СаО + 5Юг}/(0.383 • СаО + 0.503 • ЗЮ1 - 0.101 • МдО); (8)

- модуль температуропроводности (тепловой инерции) характеризует горость нагрева шш охлаждения материала:

1а = (СаО + 0.29 • Л1г03 - 3.103 • МдО)/(Шй ■ СаО - 0.123 • Ре,О,). (9)

Предлагаемые модули для сырьевых смесей цементной технологии принимают значения 0.8+1.2; 1.2*1.3; 2.5+3.5 соответственно.

Оценку изменения термодинамических свойств в процессе получения клинкера предлагается производить на основании баланса свойств, отражающего часть общего изменения свойств;, в процессе преобразования, зависящего только от состава сырьевых смесей:

+ = Л-ЛРг^п, • (Ю)

где Рем, Рк* и Рг - соответственно свойства сырьевой смеси, клинкера и технологических газов; ЛРтт - безвозвратное изменение свойств, вызванное необратимостью процессов; Рш ~ возрастание свойств:, вызванное внешним воздействием. Свойства материалов выражаются через их Химический состав:

р = (11)

где 2 - вектор состава; К - вектор коэффициентов, учитывающий входящие в материалы соединения и их удельные свойства.

Задача оптимизации состава сырьевой смеси согласно балансу свойств (10) разделена на две группы: 1) при подчинении свойств закону сохранения; 2) при наличии безвозвратных изменений свойств. В обоих

случаях оптимизируемый критерий имеет вид: .

; (12>

Для оценки изменения теплоты образования энтропии ¿5 и

химической эксергни определяемых составом сырьевой смеси, предложены вектора коэффициентов, характеризующих свойства в точке отсчета:

К*

' 212&64 ' ЗШ€>

-23513 -СШ332 в 2559.2 -23513

-123(14 ; К!ю| = •сшз > -- . 231.7 + '£га' -123й4

- '177.7 йШ12 гш -477.7

, 2358Д , йШй ,-пзза < гззаа

(13)

и приведены уравнения для расчета термической составляющей свойств.

На основании баланса (10) предложен в общем виде метод расчета теплового эффекта процесса клннкерообразования (ТЭК), основанный на термодинамических данныл:

о,« * 2 • - к. - к,м (¡4)

\

Сравиеннс результатов расчета ТЭК с известными методиками (рис. 4) производилось для двух, моделей расчета. В модели Кг I состав сырья включает СаСОз, МцСОз, ЛЗзНъ 5702, Рс:Оз, расчет производится по химическим составам сырья и клинкера:

Qr

= G!

(с Л ^ о '112.84'

S. 151.GG s 173.0G

176.04 - A 16G.90

Го 5152 F 53.16

Uu ,178.(32, J\íJ ,143.39,

В модели М12 состав сырья включает СиСОз, СаМ§(СОз)з, АБзНз, ЗЮз, РезОз, расчет производится по титру и ППП сырья и минералогическому составу клинкера:

QT

= G!

í T \ * a (- m.i3i f c3¿r <128.69"

nnno 43S.1G C2S 133.85

S, 151.00 - CZA 133.28

к 51.52 CtAF 101.59

l M0 ч - 11.31 <MqO; Д49.3Э,

2X0

1SQ0

В 1СШ &

0

□ Медаль 1 <>-Модаль2 л МзтодДашсо

В предлагаемых термодинамических критериях и методе расчета ТЭК может быть учтена сырьевая база и номенклатура клинкера конкретного производства, что производится соответствующим изменением векторов коэффициентов и состава.

В настоящее время в связи со сложностью процессов, происходящих при обжиге, не существует детерминированных моделей расчета качества клинкера и расхода тепла на его получение. Поэтому для npoi позирования этих характеристик используются статистические модели или ряд косвенных показателей. Для построения критерия оптимизации состава цементных сырьевых смесей Кои* предлагается функционально-стоимостная модель процесса получе- 1 3 5 7 9 11 ¡шя клинкера (рис. 5). ' t 5о?лг?р ct'ceti

При наличии характе- . .

Рпс. 4. Сравнение pacienta ТЭК

1700

16G0

ФУНКЦИИ:

Главная

Оснооныа

ш

ПОЛУЧИТЬ КЛИНКЕР

0.54

Качество клинкера

Вспомогательные

I К|ШЖ№

; «зрашрдаг

0.4QI uaiga

р ТИЗЗКПЧЕИЗ

0.14! щз» еПИП

0.46

Стоимость клинкера

0.27

Ргшд

' гездггз

1, чдааи

0.4 0.3 0.5 0.4 О.ц 0.3 О.Ь

0.3 0.7

Иззгзтшнг.г СЫрЬЕЗЫй

0.08 Б55КЗ

fCL Я

^ S § g

0.17

0.09

III

0.09

IV

со « о,

0.05

VI

0.10

VII

0.08

VIII

к

ti §

0.06

- а. и

ш

0.16

IX

в §

к

01

S.S

s N а я

—I с

оЖ

XI

И

М4

ОПЕРАЦИИ

Рис. 5. Функционально-стоимостная модель процесса получения ¡¿линкере

ристик, описывающих основные или вспомогательные функции, обоб щенный критерий оптимизации строится на их основе с использование* соответствующих весовых коэффициентов, при отсутствии — произзо дится декомпозиция функции. Модель может быть применена для оцеп ки составов существующих и оптимизации проектируемых сырьевы смесей, при этом соответственно применяются показатели технологичс ского процесса или модели прогнозирования свойств.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ рассматривается применение разработаипм характеристик и методов в задачах проектирования, моделирования ; оптимизации процессов цементного производства.

На основании моделирования процессов нагрева и охлаждения цс ментных материалов (нагрева сырьевых частиц в потоке топочны газов, охлаждения клинкера в колосниковом холодильнике и распредс ления температур по толщине обмазки и футеровки) сделан вывод, чт> на точность моделей интенсивного теплообмена значительное влпянп оказывают методики расчета тсплофизичсских свойств цементных ма тсриалов. Так, максимальная разность температур для поверхности фа пулы диаметром 25 мм при разных мсголика.х расчета составила свыш

100°С, для центра - около 200 °С, а разница во времени обжига частицы ■до 20%. В свою очередь, выбор оптимального состава сырья л клинкера с точки зрения их теплофизических свойств, позволит добиться по-¡ышення эффективности теплообменник процессов цементного фоизводства (снижения термического напряжения в охлаждаемых графах клинкера на 10-15%; увеличения скорости обжига в потоке топоч-!ых газов на 2.4 - 9.6%; снижения температуры внутренней поверхности футеровки на 25 °С).

На основании оценки состава цементных сырьевых смесей сделан вы-юд, что оптимальное приготовление цементных сырьевых смесей позво-1яет снижать расход топлива на обжиг на 3-4 кг усл. т./т кл. Показано, что [ри возрастании величины кремнеземного модуля величина ТЭК остается юстоянной или снижается, что противоречит практическому опыту. Раз-шчие может быть объяснено тем, что в промышленных условиях для двух I тре.хкомпонентных смесей имеется корреляционная зависимость между юдульными характеристиками,» повышение расхода топлива вызывается [зменением других модулей. Кроме того, расход топлива может увеличиться в связи с ухудшением обжнгаемости сырьевой смеси.

На основании данных теплотехнических испытаний печей Белгород-кого цементного завода 1994-1995 г. установлена зависимость расхода оплнва на обжиг от коэффициента температуропроводности (рис. 6). Согласно данным испытаний клинкеров, полученных в лабораторных ус-овиях, выявлены зависимости прочности клинкера на сжатие от критерия 19, содержания свободной окиси кальция в клинкере — от критерия ЛЕ рис. 6), причем, в соответствии с теоретическими положениями, данные арактеристики качества зависят не от термодинамических свойств сырье-ых смесей и клинкера, а от их разности.

Для 25 ведущих цементных заводов в работе рассчитал критерий оп-имальности состава сырьевых смесей Кот,, основанный на функцио-ально-стоииосшой модели процесса получения клинкера. На основе

:иш! • 800 0.65 ........

о ■? №4 . / П !

3.4(12*

ЗЛВ8

•5' . Ь 880

О

о + , Й

/ _

/ "¿0.64.

! "м870; •>/• «о.аз.- /

(4 Ч / <

о.йз

А

,860<—----——--, ^ 0.62 •

223 235 2« ¡55 . 30 .50 . 70 " " ' ¡> 4 6 Гаетпд тослсва,ш/т кл. Нрэчя. па ешзтие П^, МПа Спсбадния СоО, %

¡»с. б. Зависимость характеристик процесса обжига от разработанных лгтериев.

критерия Кат произведена оптимизация состава сырьевых смесей Балаклеевского, Пика-левского, Белгородского и Старооскольского цементных заводов (рис. 7). Оптимизация позволила прогнозировать улучшение спекаемости и об-жнгаемости сырьевых смесей, снижение расхода топлива на 1 - 3 кг усл. т./т кл, при сохранении или улучшении качества клинкера.

На основании исследования и оптимизации сырья цементных заводов мозкио заключить, что предложенные б работе критерии определяют ряд важных'характеристик процесса получения клинкера и о возможности их применения в оптимизации промышленных процессов приготовления многокомпонентных сырьевых смесей и получения клинкера.

В работе предлагается структура программных средств проектирования цементных сырьевых смесей и клинкера оптимального состава, включающая предложенные методы проектирования и оптимизации. Программно-вычислительный комплекс проектирования сырьевой смеси, внедренный на АО «Бшшслеевский цементко-шифгрньш комбинат» позволил проводить проектароЕщше с учетом особенности технологии БЦШК и обеспечил иошшение стабильности химического состава сырьевого шлама, полагаемого о печь, та 25%.

ОШОПНШ РЕЗУЛЬТАТЫ Н ВЫВОДЫ

I. Создана иаучяо-методнческаи и информационная база программ-ко-вычпшггелызых средств, проектирования и оптимизации многокомпонентных сырьевых смесей и клшгеера цементного производства.

.2. Предложена , формализация методов расчета многокомпонентных сырьевых смесей, позволившая объединить методы расчета и корректирования, проводить расчет с любым числом компонентов и присадок, учитывать избирательный пылеунос, задавать произвольное сочетание характеристик для расчета.

3. Предложен метод локализации области ограничений на диаграммах состояния многокомпонентных смесей, предназначенный для использования в численны* методах оптимизации; создания банков данных областей существования цементных смесей и систем; проведения расчета сырьевых смесей с оводом ограничений на .характеристики состава.

1111

Рис. 7. Зависимость критерии оптимальности состава сырьевой смеси от коэффициента насыщения ( /-БЦШК, 2 - СЦЗ, 3 - объединение «Гтпозгм», 4-СЦЗ)

4. На основании предложенной модели процесса теплопроводности в многокомпонентном твердом теле разработай метод расчета коэффициента теплопроводности цементных сырьевых смесей в процессе тепловой обработки, учитывающий их состав, температуру и пористость.

5. В результате моделирования установлено, что в процессе обжига теплофизическне и термодинамические свойства обжигаемых материалов изменяются и следующих пределах: коэффициент теплопроводности Я=0.7-И.5 Вт/м-К; удельная теплоемкость с=0.8+1.27 кДж/кг-К; коэффициент температуропроводности e=2.3'i0-s+7.5-10'6 м2/с; энтропия 5=0.9+2.4 • Дж/кг К. Наибольшее различие свойств сырьевых смесей разного состава наблюдается при температурах свы:ие 700 °С и составляет до 20-25%.

6. Разработаны модульные характеристики теплофизических свойств цементных сырьевых смесей — теплопроводности А/д, теплоемкости Мс и температуропроводности Ма. Модули дополняют имеющиеся характеристики и предназначены для проектирования составов сырьевых смесей, обеспечивающих оптимизацию процессов теплообмена при обжиге.

7. Предложен метод оценки изменений термодинамических свойств в процессе обжига, определяемых составом сырьевой смеси. На основании метода получены критерии оценки изменения полной энтальпии, энтропии и химической эксергии в процессе обжига.

8. Предложен метод расчета теплового эффекта процесса клинкера-образования, основанный на термодинамических принципах.

9. Определено оптимальное число точек плана, равное 5-я, для обратных задач разработки модульных характеристик цементных сырьевых смесей и клинкера иа локальной области п-факториого симплекса.

10.Предложена функционально-стоимостная модель процесса обжига цементного клинкера, предназначенная для построения обобщенного критерия оптимизации состава цементных сырьевых смесей и клинкера.

11. На основе разработанных методов проведена оптимизация состава сырьевых смесей ряда заводов. Получены сырьевые смеси, позволяющие снижать расход юплива па 1-3 кг усл. т./ г кл. при условии повышения активности клинкера и улучшении технологических показателей. Разработаны программно-вычислительные комплексы проектирования цементных сырьевых смесей и клинкера. ПВК внедрены на АО «Балаклеевский цементно-шиферный комбинат», АО «Уралцемент», АО «Оеколцемент», АО ■ «Воскресенскцемент», других отечественных цементных заводах.

ОБОЗНАЧЕНИЯ: Л - коэффициент теплопроводности, Вт/м-К; Л* -усредненный коэффициент теплопроводности, Вт/м-К; Л,- - коэффициент теплопроводности компонента, Вт/м-К; ко, Л. - коэффициент теплопроводности плотного и пористого материала, Вт/м-К; ß - плотность компонента, кг/м}; p«, - теоретическая плотность смеси, кг/м3; а -коэффициент температуропроводности, м2/с; С, S, А, F, М - содержание оксидов кальция, кремния, алюминия, железа, магния мае. %; QS, CiS, СзА, CiÄF - содержание минералов, мае. %; bi, bo - коэффициенты уравнений; с - удельная теплоемкость, кДж/кг-К; G - число ограничений для характеристик состава сырьевой смеси и клинкера; Gec- расход сухого сырья, кг/кг кл.; кт - коэффициент, учитывающий вид топлива; 1С*<,г?а - коэффициент корреляции; КН - коэффициент насыщения кремнезема известью; L - количество оксидов в химическом составе; М - характеристики сырьевой смеси (клинкера), выражаемые через химический состав; пи - масса компонента, кг; N - количество компонентов в сырьевой смеси; п - размер симплекса; силикатный модуль; р - глиноземный модуль, пористость, %; Р - свойство; q^ - массовая доля А-той присадки в клинкере; R - количество присадок ( в том числе и избирательный пыле-унос) к материалу при обкнге; S - энтропия, кДж/кг-К; U - область суще-.ствовашш мнбгбкомпоишткой Системы (смеси); л - доля непрокаленного i- ого компонента в сырьевой смеси; yi -' массовая доля прокаленного < - го компонента в клинкере; Z - совокупность содержаний оксидов ( химический состав), мае. %; Z J - содержание j -того оксида, мае. %; ППП - потери при прокаливании, мае. %. напета индексы: пр - присадка; гаг - клинкер; о - сырьевая смесь; 1... N-компонеиты сырьевой елеен.

ПО ТЕМЕ ДЙССЕРТАШШ ОПУШМКОРАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ:

1. Беседин П. D., Трубаев П. А. Проектирование портландцементных сырьевых смесей/ Учебное пособие. — Белгород, 1994. — 126 с.

2. Трубаев П. А,, Беседин П. В. Разработка математического обеспечешш автоматизированного построения систем линейных уравнений Для технологически расчетов цементных сырьевых смесей // Тезисы докл. меххд. конфер. «Ресурсе- н энергосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций»— Часть I. — Белгород, 1995. — С. 88-89.

3. Трубаев П. Л. Разработка математического обеспечения автоматизированного построения систем линейных уравнений корректирования цементных сырьевых смесей // Тезисы докл. I (IX) Мсждун. совещания по химии н технологии цемента. — М., 1996. — С. 216-217.

Трубаев П. А. Инженерный метод расчета коэффициента теплопроводности сырьевого потока во вращающейся печи при обжиге порт-ландаементного клинкера II Тезисы докл. межд. конфер. «Ресурсосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций» — Часть I. — Белгород, 1993. — С. 24-25.

5. Трубаев П. А. Разработка характеристик в задачах проектирования состава цементного клинкера // Тезисы докл. I (IX) Между», совещания по химии и технологии цемента. — М., 1996. — С. 218-219.

6. Нусс М. В., Трубаев П. А. Система ведения базы данных по управлению технологическими процессами цементного производства II Тезисы докл. I (IX) Междун. совещания по химии и технологии цемента. — М„ 1996, —С. 215-216.

7. Трубаев П. А., Беседин П. В, Некоторые аспекты информационного обеспечения систем автоматизированного проектирования и оптимизации технологических процсссоа // Машины и комплексы для новых технологически чистых производств строительных материалов. — Белгород, 1994, —С. 171-177.

8. Кузнецов В. А., Трубаев П. А. Определение коэффициентов поглощения углекислого газа и водяного пара // Фнзнкохимия композиционных строительных материалов: Сб. тр. — Белгород, 1989. — С.20-24.

9. Перескок С. А., Миндолин С. Ф„ Трубаев П. А. Разработка алгоритма расчета эффективности работы колосникового холодильника II Тезисы докл. межд. конфер. «Ресурсо- и энергосберегающие технологии строительных материалов, изделий л конструкций» — Часть 4. — Белгород, 1995. - С. 99-100.

10. Перескок С. А., Миндолин С. Ф,, Трубаев П. А. Моделирование /смпсригурпо! о слоя клинкера в колосниковом холодильнике Н Тезисы докл. I (IX) Мсждуи. совещания по химии и технологии цемента. -М„ 1996. - С. 64-65.

Подл, в пен, 2401.1997 г. Заказ 22 Объем 1.0 пл. Тираж 100

•Ротапринт Белгородской государственной академии строительных материалов, 308012, Белгород, Костюкова, 46