автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Разработка энергоресурсосберегающей схемы процесса извлечения железа из руд и метода обеспечения ее предельных энергетических характеристик

«иоиО1б04

Нешпоренко Евгений Григорьевич

РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ СХЕМЫ ПРОЦЕССА ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЖЕЛЕЗА ИЗ РУД И МЕТОДА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕЕ ПРЕДЕЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Специальность 05.14.04. - "Промышленная теплоэнергетика"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 О НОЯ 2011

Москва, 2011 г.

005001604

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова" на кафедре ТиЭС (Теплотехнических и энергетических систем)

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Картавцев Сергей Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

Попов Станислав Константинович;

кандидат технических наук, профессор Селезнев Николай Прохорович

Ведущее предприятие: ОАО «Магнитогорский металлургический

комбинат»

Защита состоится "24" ноября 2011 г. в 15 ч. 30 мин, на заседании диссертационного совета Д 212.157.10 при ФГБОУ ВПО «НИУ «Московский энергетический институт» по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная улица, д. 17, аудитория Г-406.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная улица, д. 14, Ученый Совет ФГБОУ ВПО «НИУ«МЭИ»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ«МЭИ» Автореферат разослан октября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Д 212.157.10

Кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Крупным потребителем минеральных и энергетических ресурсов является черная металлургия. Мировое производство чугуна, производимого по аглококсодоменной (АКД) технологии в 2009 году, составляло около 900 млн. т, а по альтернативным способам чуть больше 60 млн. т. При этом извлечение руды находится на уровне около 1800 млн. т.

Задачи рационального использования минеральных и энергетических ресурсов в настоящее время наиболее значимы при производстве конечной продукции. Особенно это актуально для теплотехнологического комплекса черной металлургии, который является одним из крупнейших потребителей первичных природных ресурсов.

Разработка новых схем извлечения железа из руд позволит понизить потребление первичных природных ресурсов, как минеральных, так и энергетических на единицу продукции. В настоящее время перспективными считаются процессы жидкофазного извлечения железа из руд. Отличительной чертой таких процессов является возможность вывода из технологической цепочки получения чугуна таких стадий, как подготовка руд после их усреднения и коксования углей, а также высокая удельная производительность.

Большая часть жидкофазных процессов не вышла из стадии лабораторных или полупромышленных исследований из-за непроработанной тепловой схемы, что с позиции энергетики является главным аспектом их успешной реализации. С энергетической точки зрения не обосновывается, какой первичный природный энергоресурс лучше подходит для реализации данного процесса.

Значительная интенсивность процесса жидкофазного получения полупродукта приводит к необходимости применения принудительного охлаждения ограждений реактора (для их тепловой и химической защиты), в котором реализуется главная теплотехнологическая стадия. При этом увеличиваются тепловые потери через ограждения, достигая 20-^25% в тепловом балансе агрегата. В условиях восстановительной плавки это вызывает экспоненциальный рост расхода первичного энергоресурса на процесс.

Таким образом, комплексная разработка энергетически эффективной тепловой схемы процесса извлечения железа из руд и энергетически эффективного способа снижения тепловых потерь через ограждения реактора, содержащего расплав технологического материала, является актуальной задачей.

Цель и задачи исследования. В данной работе ставятся следующие цели:

1. Разработать термодинамически идеальную тепловую схему процесса извлечения железа из руд с минимальными энергетическими затратами.

2. Определить влияние тепловых потерь в окружающую среду через ограждения элементов схемы на ее энергетические характеристики.

3. Разработать теплотехнический метод снижения тепловых потерь через ограждения, для обеспечения предельных энергосберегающих характеристик схемы.

Для достижения поставленных целей в диссертационной работе последо-

вательно решены следующие задачи:

7

• определен расчетом и зафиксирован уровень потребления первичных ресурсов как минеральных, так и энергетических, в действующем АКД металлургическом комплексе извлечения железа из руд;

• проведен сравнительный анализ энергетических характеристик природного газа и углей, приведенных к обобщенному составу, в условиях восстановительной плавки железорудных материалов при 1600°С. Выбрана энергетическая база для данного процесса;

• разработана энергоэффективная тепловая схема процесса жидкофазного извлечения железа из руд в термодинамически идеальных условиях;

• произведено сравнение характеристик действующей АКД схемы с характеристиками разработанной тепловой схемы;

• определен резерв интенсивного ресурсо- и энергосбережения;

• на вычислительном эксперименте исследована возможность снижения тепловых потерь через перфорированное ограждение, работающего в догарниссажном режиме в условиях его прямого соприкосновения с расплавом технологического материала;

• на "тёплом" физическом эксперименте (75°С) исследованы энергетические возможности снижения тепловых потерь через перфорированное ограждение, работающего в гарниссажном режиме в условиях прямого соприкосновения с расплавом. На основе алгебраического метода Рэлея разработаны безразмерные комплексы для переноса результатов на более высокотемпературные условия и проведен эксперимент (1000°С);

• сделаны рекомендации по применению результатов работы как для действующего металлургического комплекса в части жидкофазной переработки расплавленных конвертерных шлаков, так и для разработки новых энергетически эффективных реакторов извлечения железа из руд.

Методы исследований. Исследования проводились с использованием основных принципов методологии интенсивного энергосбережения, разработанной в Московском энергетическом институте (ТУ), в части термодинамического анализа тепловых схем, а также методов математического моделирования, вычислительного и лабораторного физического экспериментов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• численно исследовано влияние зольности углей в сравнительном анализе с природным газом на их энергетические характеристики в жидкофаз-ном восстановлении железа при 1600°С;

• разработана энергетически эффективная безотходная тепловая схема извлечения железных руд в термодинамически идеальных условиях;

• определен резерв интенсивного энергосбережения и ресурсосбережения для разработанной схемы;

• теоретически (вычислительный эксперимент) и экспериментально (температурный уровень экспериментов 75 °С, 1000вС) исследованы энергосберегающие возможности работы перфорированного ограждения в условиях его прямого соприкосновения с расплавом технологического материала в целях сохранения резерва энергосбережения.

Практическая значимость диссертационной работы:

• разработанная безотходная энергосберегающая схема переработки усредненного состава железных руд в жидкий полупродукт в полном объеме может быть реализована на металлургических предприятиях со значительным энерго- и ресурсосберегающим эффектом;

• часть результатов разработанной схемы может быть применена на действующих металлургических предприятиях для непосредственной переработки жидких конвертерных шлаков и рудной мелочи;

• результаты теоретического и экспериментального исследования работы перфорированного ограждения могут быть использованы для проектирования и дальнейших опытно-промышленных испытаний плавильных реакторов;

• методы разработки безотходных энергосберегающих теплотехнологиче-ских схем, математические и компьютерные модели тепловой работы энергетически эффективного ограждения плавильных реакторов могут быть использованы в учебном процессе высших учебных заведений для повышения качества подготовки студентов-теплоэнергетиков.

Основные положения, выносимые на защиту:

• энергетически эффективная тепловая схема процесса жидкофазного извлечения железа из руд, доказанная на каждом этапе ее построения, характеризующаяся минимальными расходами первичных минерально-сырьевых и энергетических ресурсов;

• математическая модель стационарного теплового состояния перфорированного ограждения для догарниссажного режима его работы в условиях прямого соприкосновения с расплавом технологического материала;

• результаты экспериментов для догарниссажного и гарниссажного режима регенерации тепловых потерь через ограждение в условиях его прямого соприкосновения с расплавом технологического материала.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии", Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 3-7 декабря 2001 г., 2002 г., ; 7-м Конгрессе сталеплавильщиков, Магнитогорск, 15-17 октября 2002 г.; 1-й, 2-й Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов "Энергосбережение - теория и практика", Москва, МЭИ, 2002 г., 2004 г.; Международной науч.-практич. конф. молодых специалистов, Магнитогорск, ОАО "ММК", 21-25 апреля 2003 г.; 6-й Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Энергетики и металлурги настоящему и будущему России", Магнитогорск, 24-26 мая 2005 г.; на заседании кафедры энергетики высоких температур Московского энергетического института (Технического университета) в 2006 г.; на заседаниях кафедры теплотехнических и энергетических систем Магнитогорского государственного технического университета в период с 2002 по 2006 г., 2010 г.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 11 печатных работах, в том числе 1 монография и 2 статьи в журналах по списку ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 150 страницах основного текста, содержит 39 рисунков, 20 таблиц, список литературы из 125 наименований и 1 приложение. Общий объем работы составляет 163 страницы.

Во введении определяется объект исследования, для которого обозначены основные проблемы и указаны причины их возникновения. Обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, направление исследований и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены известные способы жидкофазного извлечения железа из руд, их энергетические характеристики. Выявляются недостатки или неполнота тех или иных исследований. Ставятся главные цели работы и поэтапно решаемые задачи, а также методы и подходы для их достижения.

Анализ существующего "классического" металлургического комплекса, основанного на АКД технологии показывает, что основное потребление первичных природных ресурсов происходит в части извлечения железа из руд. Энергетической базой доменной печи является металлургический кокс, который в свою очередь получен из коксующихся углей.

Стремление понизить потребление первичных ресурсов приводит к необходимости разрабатывать новые схемы извлечения железа из руд с минимальным видимым расходом ресурсов. За основу решения данной задачи могут быть приняты процессы жидкофазного извлечения железа из руд.

Анализ энергетических характеристик жидкофазных процессов показывает, что их энергоемкость в условном топливном эквиваленте сопоставима с АКД комплексом (950 кг у.т./т). Например, процесс COREX, достигший полного внедрения в металлургический комплекс, имеет энергоемкость продукта на уровне 900 кг у.т./т. Остальные жидкофазные процессы, не вышли из стадии лабораторных или полупромышленных исследований из-за непроработанной тепловой схемы.

Литературный обзор показал, что выбор в пользу углей сделан с позиции природных запасов данного вида энергоресурса и, как правило, не обосновывается с точки зрения энергетики. Реализация процессов сопровождается в основном расчетами металлургического характера в реакторе жидкофазного восстановления, а системный энергетический аспект не включен в рассмотрение.

Несовершенные тепловые схемы приводят к высоким затратам первичных энергоресурсов на процесс извлечения железа из руд, сводят к минимуму преимущества бескоксовых жидкофазных процессов перед АКД технологией. Например, для процесса Romelt расход углей составляет от 1,4 до 5,1 т/т полупродукта в зависимости от вида шихтовых материалов.

Отчасти развитие высокотемпературных процессов получения железа сдерживается отсутствием огнеупоров, способных надежно работать в агрессивных условиях высокотемпературных расплавов при температуре выше 1550°С. Высокотемпературные процессы получения жидкого полупродукта отличаются высокими тепловыми потоками от расплава к ограждениям, что для восстановительных условий является значимым ограничением, так как это вы-

зывает экспоненциальный рост расхода топлива.

Следует отметить, что при достаточно большом количестве способов жид-кофазного извлечения железа из руд отсутствует:

• предварительный анализ и выбор первичного энергоресурса;

• энергетически эффективная тепловая схема процесса извлечения железа ИЗ руд;

• эффективное решение по снижению тепловых потерь через ограждения реактора, содержащего расплав технологического материала.

Разработка тепловой схемы процесса жидкофазного извлечения железа из руд, отвечающей минимальным энергетическим затратам и минимальному комплексному потреблению ресурсов, на основе эффективной энергетической базы и исследование возможности энергоэффективного использования потерь теплоты через ограждения реактора восстановительной плавки железа представляют практический и научный интерес.

Во второй главе, используя исходные принципы методологии интенсивного энергосбережения, разрабатывается энергоэффективная термодинамически идеальная тепловая схема процесса жидкофазного извлечения железа из руд и фиксируется "принципиально возможный" уровень потребления первичных природных минеральных и энергетических ресурсов.

Для этого последовательно решаются следующие задачи:

1. В соответствии с методологией интенсивного энергосбережения фиксируется уровень потребления ресурсов в действующем комплексе, в качестве которого принят АКД комплекс как доминирующий, где наиболее полно реализуется процесс извлечения железа из руд;

2. Ставится задача выбора энергетической базы (первичного источника энергии) для разрабатываемой схемы, для этого проводится сравнительный энергетический анализ обобщенных составов углей и природного газа в виде их основных компонентов С+Н2+А (А - зола топлива);

3. Производится разработка энергоэффективной термодинамически идеальной тепловой схемы процесса извлечения железа из руд, которая доказана на каждом шаге ее построения;

4. Производится сравнение ресурсных характеристик уравненных вариантов АКД схемы и разработанной;

5. Рассчитывается резерв ресурсосбережения и энергосбережения.

По исходным данным получены величины потребления первичных природных ресурсов при производстве единицы чугуна на каждом этапе технологической цепочки АКД комплекса. Общий расход первичного природного ресурса /? определяется суммированием произведений всех поточных коэффициентов по всем технологическим линиям потребления последнего и может быть представлен следующей формулой:

п т

/-1 ' и'

где «-количество технологических линий потребления первичного ресурса;

т - количество технологических стадий в г'-й технологической линии; ~ поточный коэффициент г'-й технологической линии ву'-й технологической стадии.

Процесс извлечения железа из руд по АКД технологии характеризуется значительным потреблением первичных природных ресурсов. На производство 1 т чугуна расходуется свыше 3,45 т железных руд, при этом с хвостами обогащения теряется около 0,274 т железа в оксидах. Воздух в количестве более 3220 м3. Считается, что доменное производство не является электроёмким, и тем не менее расчеты показывают, что на производство тонны чугуна расходуется около 170 кВт'Ч электрической энергии с учетом ее затрат на этапах подготовки шихтовых материалов к плавке.

Материальные отходы с хвостами обогащения достигают 1,9 т/т чугуна со средним содержанием железа в виде оксидов около 14%. Этим обосновывается ресурсосберегающий эффект при исключении стадии обогащения железных руд и переходе на плавление сырых руд в жидкофазных процессах.

Для новых способов жидкофазного извлечения железа из руд в качестве основной энергетической базы выбираются энергетические угли. Однако опора на ресурсные соображения может привести к неверным энергетическим характеристикам. Есть основания полагать, что наилучшими характеристиками для жидкофазного процесса обладают продукты термической конверсии природного газа, называемые сажеводородной смесью (СВС).

В этих условиях актуальным является проведение сравнительного энергетического анализа углей и природного газа в восстановительной плавке сырых железных руд. Основным критерием эффективности использования углеводородного топлива выбран минимальный видимый расход энергоресурса на процесс жидкофазного извлечения железа.

Анализ составов углей и природных газов показывает, что в первых содержание углерода (С) на рабочую массу не превышает 75%, а в составе вторых соответственно содержание углерода не менее 75%. В остальном составе природных газов содержится водород (Н2) не более 25% (в случае, если газ полностью состоит из метана), а в углях эту часть занимает зола (А), водород (менее 5%), влага. Таким образом, получена смесь вида 75%С+25%(Н2+А), отвечающая обобщенным составам углей и природных газов.

Исследование характеристик восстановителя и топлива вида С+Н2+А при восстановлении Бе (металл-полупродукт (М-П) с содержанием 2,14% С) из расплава БеО при температуре 1600°С сопровождалось использованием теплофи-зических свойств веществ, описанных в полных энтальпиях, констант атомиза-ции, диссоциации, химического равновесия продуктов газовой фазы над расплавом. Исследовалась возможность подогрева исходного топлива до температуры процесса в плане предельной минимизации видимых расходов сравниваемых ресурсов.

Результат совместного решения материального и энергетического балансов представлен на рисунке 1, на котором приведена поверхность, закрывающая все возможные решения расхода (В5) смеси вида С+Н2+А. От центральной точки С (100% углерода) расходятся две ветви, восходящая - по увеличению

Рис. 1. Удельный суммарный расход энергоносителя вида С+Нг+А при восстановлении Ре в термодинамически идеальных условиях в зависимости от его состава, кг/кг М-П

золы топлива (А) до 50%; нисходящая - по увеличению водорода в составе топлива (Н2) до 30%.

Суммарный расход смеси 75%С+25%Н2, отвечающей обобщенным составам природного газа, составляет 0,189 кг/кг полупродукта, а для смеси 75%С+25%А, отвечающей составам углей, равен 0,526 кг/кг полупродукта.

Таким образом, природный газ (в виде горячей СВС) открывает возможность в 2-3 раза сократить удельный расход топлива и восстановителя в процессе жидкофазного восстановления железа по сравнению с углями. Эти результаты позволяют выбрать природный газ в качестве первичного источника энергии при разработке энергоэффективной тепловой схемы.

Принцип построения термодинамически идеальных установок позволяет создавать тепловые схемы объектов, обладающих экстремальными энергетическими характеристиками, которые в пределе могут быть получены в реальной схеме, обладающей как материальными, так и энергетическими потерями.

Ставится задача формирования теплотехнологической схемы извлечения железа из руд и ресурсосбережения. Целесообразным является разделение теп-лотехнологических стадий подготовки железорудного расплава и восстановления для возможности более полного использования химического потенциала топлива, использованного лишь наполовину в восстановительных условиях.

Используя принцип безотходности производства, следует рассматривать образованные в результате восстановления железа огненно-жидкие шлаки в качестве основы для производства вторичного продукта. Выбор вторичного продукта осуществляется по принципу энергетических и ресурсных затрат при производстве последнего по автономной технологии. Решая задачу наибольшего энергоресурсосбережения при построении тепловой схемы целесообразно направить шлак по пути переработки на цементный клинкер с использованием его температурного и теплового потенциала в пределах тепловой схемы, на который расходуется около 244 кг у.т./т по автономной технологии.

Строится теплотехнологическая схема процесса извлечения железа из руд и переработки огненно-жидких шлаков. Для каждой теплотехнологической стадии рассчитываются материальные потоки ресурсов, приведенные к единице полупродукта. Известные материальные потоки позволяют рассчитать теплопо-требление основных технологических материалов. Из расчетов следует, что для

получения 1 т полупродукта необходимо подвести в схему 1041 кг у.т. с первичным источником энергии, с учетом переработки шлаков. Снизить данное количество условного топлива можно путем использования физической и химической теплоты вторичных энергетических ресурсов (ВЭР), которыми являются расплав цементного клинкера и горячие технологические газы.

Данная задача является методическим этапом при разработке экстремальной тепловой схемы извлечения железа из руд. После распределения ВЭР при необходимости привлекается дополнительный источник энергии.

Известные материальные и тепловые потоки шихтовых материалов и ВЭР позволяют построить температурно-тепловые графики (далее - ТТ-график) нагрева первых и охлаждения вторых, рис. 2. ТТ-график - это комплексный термодинамический подход к разработке энергетически эффективной тепловой схемы, который позволяет одновременно контролировать выполнение 1-го и 2-го закона термодинамики в каждой точке процесса, при реализации процесса в термодинамически идеальных условиях. Такие ТТ-графики рассчитываются и строятся для каждого элемента разрабатываемой схемы.

т.

к

4000

3500 3000 2500 2000

1500

1000

500

Рис. 2. Температурно-тепловой график обработки шихтовых материалов, перегрева шлака и охлаждения энергоносителей

Обозначения: 1 - нагрев шихтовых материалов; 2 - шлакообразование^ - восстановление; 4- химическая энергия топлива для процесса восстановления; 5 - химическая энергия отходящих газов реактора восстановления после их дожигания; б - нагрев шлака до температуры расплава цементного клинкера; 7 - химическая энергия природного газа для процесса 6

В результате разработана термодинамически идеальная тепловая схема жидкофазного процесса извлечения железа из руд, обладающая экстремальными характеристиками, рис. 3.

Для получения 1 т полупродукта потребляется 2,7 т руды, 4 т известняка, 404 м3 природного газа, 2,5 тыс. м3 воздуха. При этом вторичным продуктом в разработанной схеме, в соответствии с принципом безотходности, является цементный клинкер в количестве 3,26 т.

Г) /

4 г 7

1

1 J г &

5 т

1

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 С}.

кДж/кг Ге

Рис. 3. Экстремальная термодинамически идеальная тепловая схема процесса извлечения железа из руд Обозначения: ПГ - природный газ; 02 - кислород; В - воздух; ОГ - отходящий газ; ЦК - цементный клинкер; ОГПЭ

- отходящий газ в качестве промежуточного энергоносителя; СВС - сажеводородная смесь; 1 - предварительная тепловая обработка шихты связанная с ее подогревом и декарбонизацией; 2 - реактор плавления шихты и частичного восстановления до FeO; 3 - реактор восстановления; 4 - нагрев шлака и получение расплава ЦК; 5 - охлаждение расплава ЦК с получением вторичного продукта; 6 - теплообменник для нагрева кислорода; 7 - теплообменник для термического разложения ПГ с получением СВС; 8, 9 - теплообменник для нагрева воздуха, подаваемого в 4 и 2 соответственно; 10 - предварительная тепловая обработка известняка связанная с подогревом и декарбонизацией; 11

- нагрев извести до температурного уровня расплава ЦК

Суммарная энергоемкость по привлеченным ресурсам составляет 533 кг у.т. на совокупный продукт в термодинамически идеальных условиях, что является минимальным значением из всех известных схем. Таким образом, поставленная цель достигнута.

Для более полной оценки характеристик потребления ресурсов разработанной тепловой схемы необходимо её сравнивать с суммарными характеристиками производства чугуна по АКД технологии и по автономной технологии производства цементного клинкера в таком же количестве.

Рассчитан резерв ресурсосбережения относительно затрат в АКД комплексе, который по воздуху составляет около 9,4 тыс. м3, по руде 0,7 т, по известняку более 2,2 т, по коксующимся углям 0,7 т, по природному газу более 400 м3. Одновременно рассчитан потенциал резерва энергосбережения, который составляет 1213 кг у.т. на совокупный продукт в термодинамически идеальных условиях.

В третьей главе проанализирован переход от термодинамически идеальной тепловой схемы к реальной, то есть при учете в тепловом балансе 25% тепловых потерь в окружающую среду через ограждения, как в большинстве жид-кофазных процессах. Учет тепловых потерь через ограждения приводит к нелинейному увеличению оборота энергии в процессе и, как следствие, к увеличению расхода топлива более чем в 2,6 раз.

В результате учета в тепловом балансе схемы 25% тепловых потерь через ограждения потенциал резерва энергосбережения на совокупный продукт может снизиться до 388 кг у.т. Таким образом, разработка энергетически эффективного способа снижения тепловых потерь через ограждения является актуальной задачей.

Автором работы предложено провести исследования перфорированного ограждения в условиях его прямого соприкосновения с расплавом технологического материала, с целью снижения тепловых потерь через ограждения в отдельных элементах схемы. Холодный теплоноситель (инертный, горючий газ и др., без тепловыделения в канале) напрямую поступает в расплав сквозь ограждение.

Анализ возможного функционирования перфорированного ограждения в условиях обработки расплавной системы приводит к двум предельным случаям его работы: догарниссажный и гарниссажный.

Догарниссажный режим регенерации теплоты характеризуется температурой стенки, обращенной к расплаву, выше температуры плавления технологического материала, рис. 4. На рисунке указана так называемая, «горячая точка», в которой предположительно будет наблюдаться максимальная температура поверхности.

Догарниссажный режим регенерации теплоты исследовался с помощью вычислительного эксперимента.

Рис. 4. Качественная иллюстрация догарниссажного режима регенерации теплоты

Для симметричного элемента ограждения (рис. 5) разработана математическая модель, включающая в себя дифференциальное уравнение теплопроводности для стационарного режима, дополненное граничными условиями, известные зависимости конвективного теплообмена, и решается задача сопряженного

в;

теплообмена.

Снизу, через отверстие, подается теплоноситель, нижняя сторона АВСБЕ обращена к окружающей среде, верхняя часть РОНЬО - к расплаву. Принят ряд допущений и ограничений: рассматриваемые процессы теплообмена стационарные; сетка расположения отверстий равномерная, квадратная; течение газа гидродинамически стабилизировано.

Дифференциальное уравнение теплопроводности дополняется граничными условиями составляющих систему уравнений, решением которой является температурное поле в исследуемой области.

1. Заданные параметры: геометрические:

физические: {сгаз,ргт,Лгаз,Уг,ш\ = /,^аз{г)), {Хм, см, Рм, ар, гр, С а0С, /ас, ЬТ, С'}=сот1.

д21 8Ь д2(

2. Описание температурного поля в материале: + ¿у2 + дг2 ~

3. Граничные условия:

граньАОНВ: х = 0, уег...Ьг, геО...Ь2>

& =0.

Рис. 5. Область математического моделирования

(2)

(3)

по условию симметрии имеем: —

Аналогично граничные условия составлены для граней ЕРОЭ, ВНЬС, РОЬС.

Грань АВСБЕ (расплав-стенка): х&0...Ьх, у еО...Ьу, г = 0,

-К

= а

(г )•

V распл с/,

распл у распл

АВСОЕ

грань ОНШИ (стенка-окр. среда): хвО...Ьх, уеО...Ьу, г-Ьг,

~ Ли

&

грань АОРЕ (газ-стенка): х = ^г2-у2 , уе0...г, ге0...1г,

&

'^'дк

= О,

АОРЕ

(4)

(5)

(6) (7)

.MLi*'

(8)

afi,Xz)=f{Re{z\Pr{z)), t,

4. Начальное условие: z = L™4, = t™.

5. Пределы варьирования заданных параметров: LX = LY= 0,015+0,065 м,

dome =0,002^-0,006 м, G,ai =(0,02-н0Д)'10~5 кг/с.

Функция отклика:

Обозначения: L - линейный размер перфорированного ограждения; d -диаметр отверстия; г - радиус отверстия; с - теплоемкость; р - плотность; У. -теплопроводность; v - кинематическая вязкость; а. - коэффициент теплоотдачи; t - температура; G - расход; индексы: х, у, z - координата х, у, z соответственно; газ - свойства относятся к газообразному теплоносителю; м - свойства относятся к материалу ограждения; o.e. - свойства относятся к окружающей среде; распл - свойства относятся к расплаву.

Функцией отклика данной системы уравнений является температурное поле в зависимости от влияния таких факторов, как шаг перфорации, диаметр отверстий, расход теплоносителя в обозначенных пределах. Пределы исследуемых факторов приняты из условий возможностей лабораторного оборудования.

По математической модели разработана компьютерная программа с использованием языка программирования Visual Basic. Программа позволяет рассчитывать температурные поля внутри области исследования.

Значимым является двумерное поле температур с внешней стороны ограждения, которым собственно и определяются тепловые потери через ограждения. Рассчитанное температурное поле (рис. 6) имеет сложный топологический характер, поэтому тепловые потери в окружающую среду в данном случае могут быть получены путем интегрирования по поверхности.

Рассчитано отношение тепловых потерь Р\ через перфорированное ограждение Qo.c, к тепловым потерям через сплошное ограждение Q°oc, (в одинаковых термодинамических условиях).

0,04

0,03

0,02

0,01

\ \ \ю

"—300 Nig^

SJn ь \

0 0,01 0,02 0,03 0,04 М

Рис. 6. Пример рассчитанного температурного поля в плоскости АВСОЕ

2,0 3,6 5,2 6,8 8,4 (а х105, кг/с

Рис. 7. Влияние диаметра отверстия и расхода газа на относительное снижение потерь теплоты при постоянном параметре £ (Ь=0,035 м)

Некоторые результаты расчетов представлены на рисунке 7. Повышение расхода газа от 2-Ю"5 до 10-Ю"5 кг/с при фиксированном шаге перфорации 0,035 м и диаметре отверстия 0,006 м приводит к снижению относительных тепловых потерь с 0,84 до 0,47 или в 1,8 раза (рис. 7). Снижение диаметра отверстий от 0,006 до 0,002 м при фиксированном расходе газа 6-10'5 кг/с и шаге перфорации 0,07 м приводит к снижению отношения тепловых потерь с 0,68 до 0,25 или в 2,7 раза. Комплексное влияние факторов в исследованных пределах приводит к снижению тепловых потерь более чем в 5 раз.

Следует отметить подобие температурного поля для равномерно рассредоточенных стоков теплоты (отверстий с холодным теплоносителем) при любых расходах теплоносителя, расстояниях между отверстиями, диаметрах отверстий и других параметров, характеризующих данную систему.

В четвертой главе поставлена задача экспериментального исследования влияния отдельных факторов на отношение тепловых потерь через перфорированное ограждение, работающего в гарниссажном режиме в условиях прямого соприкосновения с расплавом.

Гарниссажный режим регенерации теплоты предполагает, что холодный теплоноситель, проходя по отверстию, захолаживает расплав, образуя слой гар-ниссажа на поверхности ограждения, рис. 8. Таким образом, предлагается тепловая и химическая защита ограждения с одновременной регенерацией тепло-

Исследования гарниссажного режима работы перфорированного ограждения проводились на экспериментальной установке, предназначенной для "теплого" моделирования, в лабораторном эксперименте и представленной на рис. 9. Исследования проводились в лаборатории "Металлургии стали" МГТУ. Шлаковый расплав моделируется расплавом парафина, который, охлаждаясь, застывает на поверхности ограждения лабораторной установки, образуя слой гарниссажа. Температурный уровень процесса 75°С.

В задачу экспериментального исследования работы перфорированного ограждения в условиях прямого соприкосновения с расплавом одновременно

Рис. 9. Схема экспериментальной установки

Обозначения: 1 - ванна с расплавом; 2 - отверстие для выхода отходящих газов; 3 - газовый коллектор; 4 -сменная решетка; 5 - трубки; б - ротаметр; 7 - газовый лопастной расходомер; 8 - регуляторы расхода газа; 9 -компрессор поршневой; 10 - термический электронагреватель; 11 - ваттметр; ^ 12,13 - термопара № 1,2,3

входило подтверждение возможности практической реализации снижения тепловых потерь через ограждение и процесса образования гарниссажа.

Для проведения экспериментов разработан план факторного эксперимента, который включает три основных факторах: шаг перфорации, диаметр отверстия и расход теплоносителя. Исследование влияния шага перфорации проводилось для интервала, заключенного в следующих пределах 0,005+0,02 м, диаметра отверстия в пределах 0,001+0,003 м, расхода теплоносителя в пределах (1,875+6,25)'10'5 кг/с. Таким образом, имея матрицу 23, проведены соответствующие эксперименты.

В результате статистической обработки экспериментальных данных получено уравнение, представляющее собой функциональную связь варьируемых факторов с отношением теплоты, проходящей через перфорированное ограждение к теплоте со сплошного ограждения экспериментальной установки:

= ОД 196 + 35,75\2-S-93,4196■ <1от. -98,2357• +

. (9)

+ 2103,33-5Ч™ -225060,01 -5-Ога, +237461,84™-в„ Некоторые результаты обработки экспериментальных данных и опытный образец гарниссажа, образованный на перфорированном участке ограждения, представлены на рисунках 10 и 11.

Увеличение диаметра отверстия, через которое поступает газ, с 0,001 до 0,003 м при фиксированном шаге перфорации ограждения и расходе газа (8=0,015 м, 0^=4,0-10"5 кг/с) приводит к снижению тепловых потерь через ограждение с 0,46 до 0,36 или в 1,3 раза. Однако наибольшее влияние на параметр Р2 оказывает шаг перфорации ограждения, например, уменьшение его с 0,02 до 0,005 м при фиксированном диаметре отверстия и расходе газа (с1оге=0,002 м, 0Ш=4,0-10"5 кг/с) приводит к снижению тепловых потерь через ограждение с 0,56 до 0,10 или в 5,5 раза.

Комплексное влияние факторов в исследованных пределах приводит к снижению тепловых потерь более чем в 8 раз.

Видно, что поверхность парафинового гарниссажа топологически сложная. Наблюдается утолщение слоя гарниссажа возле отверстия, и по мере удаления к центру между отверстиями его толщина снижается. Наименьшая толщина гарниссажа наблюдается в точке с максимальной температурой ограждения.

На основе алгебраического метода Рэ-лея были получены безразмерные комплексы процесса регенерации теплоты через перфорированное ограждение. Получены

0,010 0,015 S,m

Рис. 10. Изменение потерь теплоты через ограждение при постоянном диаметре отверстия d0TÍ = 0,001 м

Рис. 11. Образец парафинового гарниссажа, полученный в экспериментах

числа Био, симплексы коэффициентов теплопроводности, температур, с помощью которых можно перенести результаты холодного моделирования на более высокотемпературные условия.

На принятый диаметр отверстия, шаг перфорации, расход газа и приравненные безразмерные комплексы были подобраны материалы гарниссажа и ограждения, температурный уровень процесса и рассчитаны температуры с внешней стороны сплошного и перфорированного ограждения, которые требовалось подтвердить экспериментально. Ввиду отсутствия возможности проведения эксперимента с реальными материалами восстановительной плавки принято решение использовать в качестве материала гарниссажа хлорид натрия с температурой плавления 801°С. Температурный уровень процесса 1000°С.

Для проведения высокотемпературного эксперимента разработана лабораторная установка, внешний вид которой представлен на рис. 12. Исследования проводились в лаборатории "Плазмы и плазменных технологий" МГТУ в 2010г.

Проведены высокотемпературные опыты при расходе газа 4,02-10"5 кг/с, диаметре отверстий 0,001 м, шаге перфорации 0,012 м, которые показали сходимость расчетных температур с температурами, полученными в ходе эксперимента на уровне 96%. Поверхность гарниссажа хлорида натрия топологически повторяет поверхность парафинового гарниссажа, рис. 13.

Таким образом, экспериментально доказано, что безразмерные комплексы,

Рис. 12. Лабораторная установка для высокотемпературного эксперимента

Обозначения: 1 - подвижный блок продувки перфорированного ограждения; 2 - рабочий объем; 3 - водяной ротаметр; 4 - лопастной расходомер воздуха; 5 - компрессор; 6 - регулятор напряжения; 7 - напряжение до и после трансформатора; 8 - ток до и после трансформатора; 9 - подвод электроэнергии на установку; 10 - переключатель термопар; 11-мультиметр; 12 - подвод воды; 13-дренаж; 14-система вентиляции

могут быть использованы для переноса результатов "теплого" эксперимента на более высокотемпературные условия и доказана возможность многократного снижения тепловых потерь через

жить, что на переработку целесообразно направить железосодержащий (18%) конвертерный шлак, в связи с тем, что он является огненно-жидким с температурой порядка 1600°С и в высшей степени готов к жидкофазной переработке.

По исходным данным проведены расчеты по извлечению железа из огненно-жидких конвертерных шлаков и отсева руд с применением природного газа в качестве первичного энергоресурса в условиях ОАО "ММК".

Следуя логике разработки термодинамически идеальной тепловой схемы жидкофазного извлечения железа из руд, была разработана термодинамически идеальная тепловая схема жидкофазного извлечения железа из конвертерных шлаков. Расчеты показывают, что для получения 1 т жидкого полупродукта не-

Рис. 13. Внешний вид гарниссажа хлорида натрия в процессе проведения эксперимента Обозначения: 1 - подвижный блок продувки; 2 - расплав соли; 3 - гарниссаж из соли; 4 - термический электронагреватель

обходимо переработать 1,386 т конвертерного шлака и 2,217 т руды. Определен расход первичного природного газа на процесс извлечения железа, составляющий 265 м3/т полупродукта при температуре процесса 1600°С. Энергоемкость по привлеченным природным ресурсам составляет 360 кг у.т./т.

Замещение 1 т чугуна, произведенного по АКД технологии, одной тонной продукта по разработанной схеме переработки конвертерных шлаков позволит сберегать до 590 кг у.т. в термодинамически идеальных условиях. Таким образом, при годовом производстве металлургическим предприятием 10 млн. т. чугуна энергосберегающий эффект может достигать до 5,9 млн. т у.т.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана модель и получено решение общих энергетических характеристик углеводородных восстановителей вида С+Н2+А и топлив аналогичного вида в условиях безокислительного подвода энергии в процессе восстановления железа из оксида железа при 1600°С.

2. На основе первичного энергоресурса 75%С+25%Н2 (природный газ) разработана высокоэффективная тепловая схема процесса жидкофазного извлечения железа из руд, отличающаяся низким потреблением природных ресурсов: железная руда 2,754 т/т, известняк 4,029 т/т, воздух 2495 м3/т, природный газ 393 м3/т. При получении 1 т полупродукта производится 3,262 т цементного клинкера. Энергоемкость процесса составляет 533 кг у.т. на совокупный продукт, что в сравнении с суммарной энергоемкостью производства такого же количества металла и цементного клинкера по автономным технологиям (1746 кг у.т.), в 3 раза меньше.

3. Разработан принцип работы энергоэффективного ограждения, позволяющий снижать тепловые потери через ограждение установок.

4. Разработана математическая модель перфорированного осаждения, работающего в догарниссажном режиме. Исследовалось влияние факторов (шага перфорации, диаметра отверстия, расхода газа) на распределение температурного поля. Наибольшее влияние на отношение тепловых потерь через ограждение с перфорацией к потерям теплоты со сплошного ограждения (более чем 2,7 раза) оказывает диаметр отверстия, по которому подается газообразный теплоноситель.

5. На "холодном" лабораторном эксперименте доказана возможность работы перфорированного ограждения в гарниссажном режиме. Получены образцы парафинового гарниссажа. Исследовано влияние таких факторов, как шаг перфорации, диаметр отверстия, по которому газ поступает в расплав, расход газа, на отношение тепловых потерь через перфорированное ограждение к тепловым потерям через ограждение без перфорации. Экспериментально доказана возможность снижения тепловых потерь через ограждения более чем в 8 раз.

6. На высокотемпературном лабораторном эксперименте доказана адекватность безразмерных критериев при работе перфорированного ограждения в гарниссажном режиме при температурном уровне процесса 1000°С.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАБОТЫ ПРЕДСТАВЛЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

1. Картавцев C.B., Нешпоренко Е.Г. Сравнительный энергетический анализ углей и природного газа в восстановительной плавке железа // Наука и производство: приложение к журналу «Энергетика региона», 2001. №4. С. 2-4.

2. Картавцев C.B., Нешпоренко Е.Г. Возможности снижения электроемкости извлечения железа из руд // Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сб. науч. тр. Вып. 6. / Под ред. A.C. Карандаева и К.Э. Одинцова. - Магнитогорск: МГТУ, 2002. С. 197-199.

3. Картавцев C.B., Нешпоренко Е.Г. Разработка энергоэффективного металлургического процесса получения железа // Труды VII конгресса сталеплавильщиков. М.: Черметинформация, 2003. С. 47-49.

4. Картавцев С.В, Нешпоренко Е.Г. Расчет энергоемкости металлургической продукции. Магнитогорск: Изд-во МГТУ, 2003. 21 с.

5. Нешпоренко Е.Г., Картавцев C.B. Энергоэффективное использование природного газа в черной металлургии - технология нового поколения // Рациональное использование природного газа в металлургии: Сб. тр. междунар. науч.-практ. конф. М.: МИСиС, 2003. С. 122-124.

6. Нешпоренко Е.Г. Стационарное тепловое состояние перфорированной стенки ВТПУ // Энергосбережение - теория и практика: Тр. Второй Всерос. шк.-сем. молодых уч. и спец. М.: МЭИ, 2004. С. 333-335.

7. Патент на полезную модель №58120 РФ, МПК7 C10G9/34. Аппарат для пиролиза углеводородного сырья в жидком теплоносителе /C.B. Картавцев, С.Н. Петин, Е.Г. Нешпоренко, A.B. Бурмакина. (РФ). Заявл. 02.05.2006.; Опубл. 10.11.2006.; Бюл. №31. С. 484-485.

8. Нешпоренко Е.Г., Картавцев C.B. Исследование возможности снижения тепловых потерь через ограждения установок, работающих с расплавами // Известия Челябинского научного центра УрО РАН. 2006. №2 (32). С. 57-62. http://csc.ac.ru/ej/file/3100.

9. Нешпоренко Е.Г., Картавцев C.B. Вопросы энергоресурсосбережения при извлечении железа из руд: Монография. Магнитогорск: ГОУ ВПО "МГТУ", 2007. 153 с.

10. Нешпоренко Е.Г. Регенерация тепловых потерь через перфорированное ограждение высокотемпературных технологических установок // Вестник МЭИ. 2008. №1. С. 74-78.

11. Нешпоренко Е.Г. Экспериментальное исследование гарниссажного режима регенерации теплоты через перфорированное ограждение // Вестник МГТУ. 2010. №4. С. 81-84.

Отпечатано в ООО «Компания Спутник+» ПД № 1-00007 от 25.09.2000 г. Подписано в печать 14.10.2011 Тираж 100 экз. Усл. п.л. 1,5 Печать авторефератов (495)730-47-74,778-45-60

Введение.

Глава 1. Энергетика и ресурсопотребление высокотемпературных жидкофазных процессов извлечения железа из руд.

1.1. Оценка энергетической эффективности процессов жидкофазного извлечения железа из руд.

1.2. Применение природных энергоносителей в жидкофазных процессах извлечения железа из руд.

1.3. Потери теплоты через ограждения в тепловых балансах реакторов.

1.4. Постановка цели и задач исследования.

1.5. Методы решения поставленных задач.

Глава 2. Разработка тепловой схемы процесса извлечения железа из руд с максимальным энергетическим эффектом.

2.1. Уровень потребления природных ресурсов в современном аглококсодоменном комплексе.

2.2. Физическая и математическая модели взаимодействия энергоносителя вида С+Нг+А с расплавом оксида железа.

2.3. Анализ энергетических характеристик трехкомпонентных источников энергии в процессе восстановления железа.

2.4. Разработка термодинамически идеальной тепловой схемы процесса жидкофазного извлечения из руд.

2.5. Определение потенциала резерва интенсивного энергосбережения.

Выводы.

Глава 3. Повышение энергетической эффективности ограждения реактора, содержащего расплав.

3.1. Влияние тепловых потерь в окружающую среду через ограждения на резерв энергосбережения тепловой схемы.

3.2. Возможность снижения абсолютного значения тепловых потерь через ограждения реактора.

3.3. Физическая модель регенерации потока теплоты, теряемого через ограждения установок, работающих на расплавных системах.

3.4. Исследование догарниссажного режима регенерации теплоты, теряющейся через ограждение: математическая модель.

3.5. Результаты вычислительного эксперимента.

Выводы.

Глава 4. Экспериментальное исследование гарниссажного режима регенерации теплоты.

4.1. Описание экспериментальной установки "холодного" моделирования.

4.2. Планирование факторного эксперимента.

4.3. Методика проведения экспериментов на "холодной" модели и обработка результатов.

4.4. Результаты лабораторного эксперимента на модели.

4.5. Определение безразмерных комплексов процесса.

4.6. Прогноз работы ограждения в гарниссажном режиме при высоких температурах.

4.7. Результаты высокотемпературного эксперимента.

Выводы.

Глава 5. Применение энергетически эффективной схемы и перфорированного ограждения в действующих промышленных комплексах.

5.1. Применение природного газа для переработки конвертерных шлаков.

5.2. Принципиальная конструкционная схема реактора жидкофазного восстановления железа с применением перфорированного ограждения.

5.3. Возможные направления применения перфорированного ограждения в промышленных установках.

Выводы.

Одним из крупнейших потребителей всех видов первичных энергоресурсов является энерготехнологический комплекс черной металлургии. Классическое металлургическое предприятие, основанное на базе аглококсодоменной технологии, по известным данным, энергетические затраты в 4-5 раз превышают достаточный уровень.

Современное металлургическое предприятие с полным циклом вI части извлечения железа из руд потребляет более 2/3 тепловой < энергии, произведенной с помощью первичных природных энергоресурсов. Именно здесь сосредоточен основной резерв энергоресурсосбережения.

В настоящее время в черной металлургии наиболее перспективным направлением считается жидкофазное восстановление железа из руд, отличительной чертой которого является возможность вывода из технологической цепочки получения чугуна стадии окускования руд после их усреднения; а также высокая удельная производительность. Всё больше внимания уделяется экологической стороне производства чугуна, которая связана с потреблением природных ресурсов, обогащением руды, выбросом пыли. Данные проблемы могут быть решены- при жидкофазном извлечении железа.

Однако при реализации способов жидкофазного восстановления в "традиционных" реакторах возникают трудности с надежной работой их футеровки, которая быстро изнашивается. Использование водяных кессонов позволило значительно увеличить срок эксплуатации реактора, при этом потери через ограждения резко возросли, что привело к чрезмерному росту удельного расхода первичного энергоресурса на процесс, сводя к минимуму преимущества развивающихся бескоксовых способов жидкофазного извлечения железа. В большинстве случаев не обоснуется, по каким соображениям произведен выбор энергетической базы процесса, а это один из главных вопросов энергетического аспекта черной металлургии, которые требуют четкого обоснования.

Энергетика в черной металлургии до недавнего времени воспринималась как второстепенная, обслуживающая составляющая металлургического комплекса. Концепция интенсивного энергосбережения, разработанная в МЭИ, обозначила превалирующее значение энергетики в металлургии, как основного фактора, влияющего на конкурентоспособное производство единицы' продукции. Концепция интенсивного. энергосбережения^ позволяет разрабатывать обоснованные на каждом шаге теплотехнологические схемы реализации заданного процесса с минимальным потреблением первичных природных ресурсов.

Тепловая схема процесса извлечения железа из руд, реализованная с применением принципа термодинамически идеальных установок, обладает экстремальными характеристиками потребления первичных природных ресурсов. В реальных установках имеют место тепловые потери через ограждения, которые влекут за- собой резкий рост расхода топлива на высокотемпературный технологический процесс. Особенно этот фактор затрагивает высокотемпературные теплотехнологии, к числу которых принадлежат процессы получения жидкого чугуна.

Таким образом, при разработке новых энерготехнологических комплексов черной металлургии, нацеленных на конкуренцию с аглококсодоменным, в первую очередь следует уделять внимание обоснованному построению эффективных в энергетическом отношении тепловых схем данного процесса, а также отдельным ее элементам, в которых имеют место значительные тепловые потери.

Результаты исследования теплофизики процесса перфорированного ограждения показывают возможность существенно понизить тепловые потери через ограждение высокотемпературных реакторов, работающих с расплавными средами и разрабатывать оборудование, обладающее высокими энергосберегающими характеристиками.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Впервые поставлена задача, разработана модель и получено решение определения общих энергетических характеристик углеводородных восстановителей вида С+Н2+А (А - зольность) и топлив аналогичного вида в условиях безокислительного подвода энергии в процессе восстановления железа из оксида железа при 1600°С. Получено, что удельный расход холодных восстановителей, отвечающих составу 75% С+25% Н2 (метан) и. 75% С+25% А (уголь) составляет 0,1311 кг/кг Бе и 0,2463 кг/кг Ре соответственно. При использовании в качестве топлива энергоресурса такого же состава как восстановитель, его удельный расход для состава 75% С+25% Н2 составляет 0,0899 кг/кг Ре, и 0,4001 кг/кг Бе для состава 75% С+25% А, а суммарный расход холодного восстановителя и топлива соответственно равен 0,2210 и 0,6464 кг/кг Ре.

При нагреве восстановителя и топлива до температуры 1600°С, их суммарный расход на процесс восстановления железа составит 0,1893 кг/кг Ре для состава 75% С+25% Н2 и-0,5258 кг/кг Ре для состава 75% С+25% А. Таким образом, процесс жидкофазного извлечения железа из руд в термодинамически идеальных условиях возможно осуществить при затратах ресурса, состоящего из 75% С+25% Н2 (метан) в 2,77 раз меньше, чем при затратах ресурса, состоящего из 75% С+25% А (уголь).

На основе энергоресурса 75% С+25% Н2 (природный газ) разработана тепловая схема процесса жидкофазного извлечения железа из руд отличающаяся низким потреблением природных ресурсов: железная руда 2,754 т/т, известняк 4,029 т/т, воздух 2495 м3/т, природный газ 393 м3/т чугуна. Произведена 1 т металла-полупродукта и 3,262 т цементного клинкера. Энергоемкость процесса составляет 533 кг у.т. на совокупный продукт, что в сравнении с энергоемкостью производства такого же количества металла и цементного клинкера по автономным технологиям, равной 1746 кг у.т., в 3,27 раза меньше.

При переходе от термодинамически идеальной тепловой схемы к (учитываются тепловые потери 25% через ограждения) суммарный ^расход

3 3 , первичного энергоресурса увеличивается с 404 м до 980 м /т М-П, то есщ^пгь. в 2,4 раза, а общая энергоемкость процесса составит 1407,8 кг у.т./т совохс^ггуттного продукта (1т М-П + 3,262 т цементный клинкер). Соответственно потг^г^^ициал резерва энергосбережения на совокупный продукт может снизиться с ДЩ:213 до 388 кг у.т. Таким образом, актуальность, приобрела задача энергоэффективного метода снижения тепловых потерь через огра!2г^1сдеыия установок, работающих с расплавными системами. Предложено исползц^ЕэЗовать перфорированное ограждение.

Впервые поставлена, задача и разработана математическая имодель перфорированного ограждения, работающего в догарниссажном ^зежиме. Результатом вычислительного эксперимента является тр^^^зугерное температурное поле в исследуемой, области ограждения. На, распре^;^2д;еление температурного поля исследовалось влияние следующих ф актор шаг перфорации в пределах (0,015-Ю,065 м), диаметр отверстия в тзпг^ределах (0,002-Ю,006 м) и расход газа (0,02-Ю, 1 г/с).

Получено, что наибольшее влияние на относительное изменение Х^пловьк потерь из исследованных факторов оказывает диаметр отверстия, бол^е чем в 2,7 раз. Фактор расхода газа в исследованных пределах позволяет хх-онизить тепловые потери через ограждения более чем в 1,8 раз. Наименьшее вл^ддле на тепловые потери через ограждения оказывает фактор шага пер<ЗЬ> орации, позволяющий понизить тепловые потери более чем в 1,7 раз в исслед%«=::>:ваннь][х пределах.

Впервые на лабораторном эксперименте доказана возможности работы перфорированного ограждения в гарниссажном режиме. Получены <опьшые образцы парафинового гарниссажа. Исследовано влияние таких фактсгз^ров как-шаг перфорации, диаметр отверстия по которому газ поступает еь ^расплав расход газа, на относительное изменение тепловых потерь через элемент перфорированного ограждения лабораторной установки. Получено УХ>;Э-выение выражающее зависимость функции отклика от исследуемых факторов, в пределах варьирования последних.

Наибольшее влияние на снижение тепловых потерь через ограждение из изучаемых факторов оказывает шаг перфорации при фиксированных диаметрах отверстий и расхода газа в исследованных пределах (шаг 0,005+0,02 м, диаметра отверстия 0,001+0,003 м, расхода газа (1,875+6,25)-10"5 кг/с) достигает 5,1+5,5 раза. Фактор расхода газа в исследованных пределах позволяет понизить тепловые потери через ограждения в. 1,37+1,38 раза: Наименьшее влияние на тепловые потери через ограждения оказывает фактор диаметра отверстия, позволяющий понизить тепловые потери в 1,28+1,29 раза в исследованных пределах.

Разработано принципиальное теплотехническое оформление реактора жидкофазного восстановления железа из расплава с применением перфорированного ограждения.

Разработана энергоэффективная тепловая, схема жидкофазного процесса извлечения железа из конвертерных шлаков с использованием рудной мелочи. Энергоемкость по привлеченным природным ресурсам составляет 359,5 кг у.т./т М-П. Замещение 1 т чугуна; произведенного по аглококсодоменной технологии (950 кг у.т./т), одной тонной произведенного продукта по разработанной схеме позволит сберегать до 590 кг у.т./т в термодинамически идеальных условиях (407 кг у.т. с учетом тепловых потерь через ограждения).

1. Металлургия чугуна / Е.Ф. Вегман, Б.Н. Жеребин, А.Н. Похвиснев и др. М.: Металлургия, 1989. 512 с.

2. Теплофизика доменного процесса / Б.И. Китаев, Ю.Г. Ярошенко, E.JI. Суханов и др. М.: Металлургия, 1978. 431 с.

3. Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев;А.М: Общая металлургия: Учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и доп.М.: Металлургия, 1985. 480 с.

4. Справочник по обогащению руд черных металлов / С.Ф. Шинкоренко, Е.П. Белецкий, A.A. Ширяев и др. 2-е изд. перераб! и доп: М.: Недра, 1980: 527 с.

5. Шалимов- А.Г., Янке Д., Кашин В.И. Перспективные направления научного поиска в черной металлургии // Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке: Междунар. конф. М.: Металлургия, 1994. Т.1. С. 11-19.

6. Развитие бескоксовой металлургии / H.A. Тулин, B.C. Кудрявцев, С.А. Пчелкин и др. М.: Металлургия, 1987. 328 с.

7. Налча Г.И., Саблин Д.В. Технико-экономические аспекты обустройства черной металлургии России* и CHF. М.: Интел универсал, 2003. 280 с.

8. Роменец В.А. Жидкофазное восстановление в черной металлургии // Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке: Междунар. конф. М.: Металлургия, 1994. Т.2. С. 91-97.

9. Сборщиков Г.С., Панкратьев В.М. ПЖВ универсальный плавильный агрегат, основа для создания безотходных технологий // Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке: Междунар. Конф. М.: Металлургия, 1994. Т.1. С. 282-283.

10. Практика работы доменных печей в Таранто с вдуванием пылеугольного топлива // Новости черной металлургии за рубежом. 1996. №4. С. 31-34.

11. О мерах по снижению расхода кокса до 310 кг/т чугуна в условиях высокой производительности на доменной печи № 4 фирмы "Poseo" в Кваньяне, Южная Корея // Новости черной металлургии за рубежом. 2000. №1.1. С. 32-36.

12. Энергетический анализ. Методика и базовое информационное обеспечение: Учеб. пособие / B.F. Лисиенко, Я.М. Щелоков, С.Е. Розин и др. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2001. 100 с.

13. Юсфин Ю.С., Шатлов В.А., Федченко В.М. Основные направления развития доменного производства в России // Черная металлургия России? и стран СНГ в XXI веке: Междунар. Конф. Mi: Металлургия, 1994. Т.2. С. 78-81.

14. Шульц Л.А. Элементы безотходной технологии в металлургии: Учебное пособие для вузов. М.: Металлургия, 1991. 174 с.

15. Картавцев С.В., Ключников А.Д. Возможные пределы минимизации ресурсных затрат в теплотехнологическом комплексе черной металлургии // Известия вузов. Черная металлургия. 2002. №7. С. 43-47.

16. Картавцев С.В. Энергетические оценки прямого плавления железных руд как варианта подготовки к восстановлению // Известия Челябинского научного центра УрО РАН. 2005. №2 (28). С. 48-52.

17. Чоджой М^Х. Энергосбережение в промышленности. Пер. с англ. М.: Металлургия, 1982. 272 с.

18. Перспективы развития, технологии черной металлургии / И.Н. Голиков, Г.В. Губин, А.К. Карклит и др. М.: Металлургия, 1973. 568 с.

19. Семененко H.A. Использование вторичных энергоресурсов промышленности. Mi-Л.: Госэнероиздат, 1955. 224 с.

20. Куперман Л.И., Романовский С.А., Сидельковский Л.Н. Вторичныеэнергоресурсы и энерготехнологическое комбинирование в промышленности. 2-е изд., перераб. и доп. Киев: Вища шк. Головное изд-во, 1986. 303 с.

21. Вторичные энергоресурсы и энерготехнологическое комбинирование в промышленности: Учебник для вузов. / H.A. Семененко, Л.И. Куперман, С.А. Романовский и др. Киев: Вища школа, 1979. 296 с.

22. Бражников Н.В., Рапопорт И.С., Фискинд Э.Ю. Снижение энергетических затрат на металлургических заводах. М.: Металлургия, 1968. 135 с.

23. Щукин A.A. Экономия топлива в черной металлургии. М.: Металлургия, 1973. 272 с.

24. Михайлов В.В., Гудков JI.B., Терещенко A.B. Рациональное использование топлива и энергии в промышленности. М.: Энергия, 1978. 224 с.

25. Аракелов В.Е., Кремер А.И. Методические вопросы экономии энергоресурсов. М.: Энергоатомиздат, 1990. 192 с. (Экономия топлива и электроэнергии).

26. Ключников А.Д. Энергетика технологии и вопросы энергосбережения. М.: Энергоатомиздат, 1986. 128 с. (Экономия топлива и электроэнергии).

27. Ключников А.Д. Теплотехническая оптимизация топливных печей. М.: Энергия, 1974. 343 с.

28. Высокотемпературные теплотехнологические процессы и установки: Учеб. Для вузов / Под ред. А.Д. Ключникова. М.: Энергоатомиздат, 1989. 336 с.

29. Ключников А.Д. Энергосберегающая политика и энергетика теплотехнологии//Известия вузов. Энергетика. 1984. №6. С. 56-62.

30. Шкляр P.JL, Плужников А.И., Ильина E.H. Технико-экономические показатели получения восстановительных газов из природного газа для процессов черной металлургии // Газовая промышленность. 1979. №9. С. 17-23.

31. Капустин Е.А. Перспективы альтернативных металлургических процессов // Сталь. 1998. №8. С. 77-81.

32. Шуберт К.-Х., Люнген Г.Б., Штеффен Р. Уровень развития прямого восстановления железных руд и плавильно-восстановительных процессов // Черные металлы. 1997. №1. С. 27-35.

33. Похвиснев А.Н. Внедоменное получение железа за рубежом. М.:1. Металлургия, 1964. 367 с.

34. Вайсингер X. Тенденции развития производства чугуна и стали // Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке: Междунар. конф. М.: Металлургия, 1994. Т.1. С. 104-110.

35. Князев В.Ф., Гиммельфарб А.И., Неменов A.M. Бескоксовая металлургия железа. М.: Металлургия, 1972. 272 с.

36. Кожевников И.Ю. Бескоксовая металлургия железа. М.: Металлургия, 1970. 336 с.

37. Теплофизические свойства топлив и шихтовых материалов черной металлургии. Справочник / В.М. Бабошин, Е.А. Криченцов, В.М. Абзалов; Я.М. Щелоков. М.: Металлургия, 1982. 152 с.

38. Юсфин Ю.С., Гиммельфарб A.A., Пашков Н.Ф. Новые процессы получения металла (металлургия железа): Учебник для вузов. — М.: Металлургия, 1994. 320 с.

39. A.c. СССР №124949, МКИ С21В 13/10. Способ получения сталшили полупродукта / H.A. Ярхо, Ю.И. Кожевников.

40. Основы металлургии: Монография. В 4-х т.: Т.1 4.2. Общие вопросы металлургии / Отв. ред. H.G. Грейвер, Д.Н. Клушин, И.А. Стригин, А.В.Троицкий. М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1961. 780 с.

41. Альтернативные процессы выплавке чугуна в доменных печах // Новости черной металлургии»за рубежом. 1997. №3. С. 38-43.

42. Результаты эксплуатации полупромышленной установки DIOS и сводные результаты экспериментов // Новости черной металлургии за рубежом. 1997. №3. С. 43-45.

43. Курунов И.Ф., Савчук H.A. Состояние и перспективы бездоменной металлургии железа. М.: Черметинформация, 2002. 198 с.

44. Плавка в жидкой ванне. / A.B. Ванюков, В.П. Быстров, А.Д. Васкевич и др. М.: Металлургия, 1998. 208 с.

45. Резняков А.Б., Устименко Б.П., Вышенский В.В., Курмангалиев М.Р. Теплотехнические основы циклонных топочных процессов. М.: Наука, 1974. 374 с.

46. Процесс "Корекс" // Новости черной металлургии за рубежом. 1996. №1. С. 33-35.

47. Первые эксплуатационные результаты установки "Корекс" // Новости черной металлургии за рубежом. 2001. №1. С. 33-36.

48. Вегман Е.Ф., Жак А.Р., Давыдова О.С. Метод расчета состава шихты для ROMELT и COREX // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 1995. №5. С. 14-16.

49. Лисиенко В.Г., Щелоков Я:М., Лаптева A.B. Энергетические возможности бескоксовых технологий производства черных металлов- // Известия вузов. Черная металлургия. 2008, №9. С. 56-61.

50. Роменец В.А. «РОМЕЛТ» полностью жидкофазный процесс получения металла // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 1999, №11. С. 13-23.

51. Роменец В.А., Вегман Е.Ф., Сакир Н.Ф: Процесс жидкофазного восстановления // Известия вузов. Черная металлургия. 1993. №7. С. 9-19.

52. Теплообмен в зоне дожигания печи Ромелт (Роль динамического гарниссажа) / Усачев А.Б., Георгиевский С.А., Баласанов A.B. и др. // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 1998, №5. С. 13-23.

53. Усачев А.Б., Лехерзак В.Е., Баласанов A.B. Восстановление железа в процессе Ромелт // Черные металлы. 2000. №12. С. 15-25.

54. Гиммельфарб А.И., Левин М.Я. Проектирование промышленной установки РОМЕЛТ // Сталь. 1996. №4. С. 19-21.

55. Вегман Е.Ф. О показателях процесса жидкофазного восстановления "Ромелт" // Сталь. 1996. №11. С. 63-68.

56. Усачев А.Б., Ситкин A.M., Усачев Д.А. Энергоемкость производства железоуглеродистого полупродукта для восстановительной плавки стали процессом Ромелт // Сталь. 1998. №9. С. 65-69.

57. Валавин B.C. К вопросу о методике расчета расхода угля на процесс жидкофазного восстановления Ромелт // Сталь. 1996. №12. С. 62-64.

58. Никифоров A.C., Приходько Е.В. Исследование влияния пропитки огнеупоров металлом на их теплофизические свойства // Известия вузов. Черная металлургия. 2009. №4. С. 39-41.

59. Новое направление в совершенствовании технологии нанесения шлакового гарниссажа на футеровку конвертера / Е.В. Протопопов, Т.Р. Галиуллин, А.Г., Чернятевич и др. // Известия вузов. Черная металлургия. 2006. №12. С. 16-22.

60. Глинков М.А., Глинков Г.М. Общая теория тепловой- работы печей: Учебник для вузов. М:: Металлургия, 1990. 232 с.

61. Андоньев С.М. Испарительное охлаждение металлургических печей. М.: Металлургия, 1970. 424 с.

62. Неуструев A.A., Ходоровский Г.Л. Вакуумные гарниссажные печи. М.: Металлургия, 1967. 272 с.

63. Рафалович И.М. Теплопередача в расплавах, растворах и футеровке печей и аппаратов. М.: Энергия, 1977. 304 с.

64. Руссо В;Л. Теплофизика металлургических гарниссажных аппаратов. М.: Металлургия, 1978. 248 с.

65. Ключников А.Д. Проблемы и задачи энергетики высокотемпературной технологии // Энергетика высокотемпературной теплотехнологии: Сб. науч. трудов. № 476. М.: МЭИ, 1987. С. 60-64.

66. Полежаев Ю.Б., Юревич Ф.Б. Тепловая защита / Под ред. A.B. Лыкова. М.: Энергия, 1976. 392 с.

67. Перелетов И.И., Горюнова И.Ю. Регенерация потока теплоты, рассеиваемого в окружающую среду через ограждение плавильных камер // Энергетика высокотемпературных теплотехнологических процессов: Межвуз. тематич. сб. №3. М.: МЭИ, 1982. С. 19-24.

68. Перелетов И.И., Пушкин A.B. Повышение энергетической и экономической эффективности плавильных агрегатов на базе перфорированного слоя // Энергетика высокотемпер. теплотехнологических процессов: Межвуз. тематич. сб. №3. М.: МЭИ, 1982. С. 19-24.

69. Чертилов M.K. Толщина гарниссажа донной дутьевой решетки плавильного реактора // Энергосбережение в высокотемпературной теплотехнологии: Сб. науч. трудов. № 139. М.: МЭИ, 1987. С. 60-64.

70. Ключников А.Д. Интенсивное энергосбережение: предпосылки, методы, следствия//Теплоэнергетика. 1994. №1. С. 12-16.

71. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочное издание: В 4-х т. Т.1, Кн.2./ JI.B. Гурвич, И:В. Вейц, В.А. Медведев и др. 3-е изд., перераб. и,расширен. М.: Наука, 1978. 328 с.

72. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочное издание: В 4-х т. Т.2, Кн.2./ Л.В. Гурвич, И.В. Вейц, В.А. Медведев и др; 3-е изд., перераб. и расширен. М.: Наука, 1979: 344 с.

73. Доменное производство: Справочное издание. В. 2-х т. Т.1. Подготовка руд и доменный процесс / Под ред. Е.Ф. Вегмана. М.: Металлургия, 1989. 496 с.

74. Картавцев C.B. Нешпоренко Е.Г. Расчет энергоёмкости металлургической продукции. Магнитогорск: МГТУ, 2003. 21 с.

75. О механизме жидкофазного восстановления железа твердым углеродом / A.B. Баласанов, Ю.С. Колесников, В.Е. Лехезарк и др. // Известия Вузов. Черная металлургия. 2005. № 7. С. 10-13.

76. БигеевА.М. Математическое описание и расчеты сталеплавильных процессов. М.: Металлургия, 1982. 160 с.

77. Вегман Е.В. Краткий справочник доменщика. М.: Металлургия, 1981. 240 с.

78. Исаакович Г.А., Слуцкин Ю:Б. Экономия топливно-энергетическихресурсов в строительстве. М.: Стройиздат, 1988. 214 с. (Экономия топлива и электроэнергии).

79. Плавленые клинкеры, получаемые в электродуговых печах, и цементы на их основе / Бобров Б.С., Горбатый Ю.Е., Кондрашенков A.A. и др. М.: Стройиздат, 1968. 144 с.

80. Переработка шлаков и безотходная технология в металлургии / М.И:Панфилов, Я.Ш. Школьник, Н.В. Орининский и др. М.: Металлургия,1987. 238 с.

81. Вальберг Г.С., Гринер И.К., Мефодовский В .Я. Интенсификация производства цемента (обжиг клинкера). М.: Стройиздат, 1971. 145 с.99: Бутт Ю.М., Тимашев В.В. Портландцементный клинкер. М.: Стройиздат, 1967. 304 с.

82. Андронов В.Н., Чекин Б.В., Нестеренко C.B. Жидкие металлы и шлаки: справочное издание. М.: Металлургия, 1977. 127 с.

83. Плужников А.И. Природный газ в черной металлургии, России // Рациональное использование природного газа в металлургии: Сб. тез. междунар. науч.-практ. конф. М.: МИСиС, 2003. С. 8-24.

84. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел A.C. Теплопередача: Учебник для вузов. 4-е изд., перераб: и доп. М.: Энергоиздат, 1981. 416 с.

85. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник / Под общ. ред. В.А.Григорьева, В.М. Зорина. 2-е изд., перераб. М.: Энергоатомиздат,1988. 558 с. (Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент; Кн. 2).

86. Шорин С.Н. Теплопередача. М.: Высшая школа, 1964. 491 с.

87. Самарский« A.A., Вабищевич П.Н. Вычислительная теплопередача. М.: Едиториал УРСС, 2003. 784 с.

88. Корн Г.А., Корн Т.М. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Определения, теоремы, формулы. 5-е изд. М.: Наука, 1984. 831 с.

89. Нешпоренко Е.Г., Картавцев C.B. Исследование возможности снижения тепловых потерь через ограждения установок, работающих с расплавами // Известия Челябинского научного центра УрО РАН. 2006. №2 (32). С. 57-62. http://csc.ac.ru/ej/file/3100.

90. Нешпоренко Е.Г. Регенерация тепловых потерь через перфорированное ограждение высокотемпературных технологических установок // Вестник МЭИ. 2008. №1.С. 74-78.

91. Ш.Адлер Ю.П., Маркова Е.Ф., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Наука, 1976. 280 с.

92. Троянкин Ю.В., Куликова О.В. Методика расчета теплопотерь от наружных поверхностей ограждений тепловых установок // Промышленная энергетика. 2000. №10: С. 50-51.

93. Кутателадзе С.С., Боришанский Б.М. Справочник по теплопередаче. М.: Госэнергоиздат, 1959. 416 с.

94. Гречко A.B., Нестеренко Р.Д., Кудинов Ю.А. Практика физического моделирования на металлургическом заводе. М.: Металлургия, 1976. 224 с.

95. Деденко Л.Г., Керженцев В.В. Математическая обработка и оформление результатов эксперимента (в лабораториях общего физического практикума)/Под ред. проф. А.Н.Метвеева. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1977. 112 с.

96. Нешпоренко Е.Г. Экспериментальное исследование гарниссажного режима регенерации теплоты через перфорированное ограждение // Вестник МГТУ. 2010. №4. С. 74-78.

97. Мак-Адаме В.Х. Теплопередача. М.: ГНТИ черной и цветной металлургии, 1961. 686 с.

98. Бигеев A.M., Бигеев В.А. Металлургия стали. 3-е изд., перераб. и доп. Магнитогорск: МГТУ, 2000. 544 с.

99. Свяжин А.Г., Шахпазов Е.Х. Рециркуляция шлаков черной металлургии в технологическом процессе // Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке: Междунар. конф. М.: Металлургия, 1994. Т.2. С. 165-169.

100. Картавцев C.B., Нешпоренко Е.Г. Сравнительный энергетический анализ углей и природного газа в восстановительной плавке железа // Наука и производство: прил. к жур. «Энергетика региона». 2001. №4. С. 2-4.

101. Картавцев C.B., Нешпоренко Е.Г. Разработка энергоэффективного металлургического процесса получения железа // Труды VII конгресса сталеплавильщиков. М.: Черметинформация, 2003. С. 47-49.

102. Роменец В.А. Процесс Ромелт. М.: Издат-во МИСиС, 2005. 400 с.

103. Нешпоренко Е.Г., Картавцев C.B. Вопросы энергоресурсосбережения при извлечении железа из руд: монография. Магнитогорск: ГОУ ВПО "МГТУ", 2007. 153 с.