автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Теория энергосберегающих высокоскоростных горелочных устройств и их применение для производства металлургической извести во вращающихся печах

КОНТРОЛЬНЫЙ ЭКЗЕМПЛЯР

003461164

\ \

На правах рукописи

Копцев Валерий Владимирович

ТЕОРИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ГОРЕЛОЧНЫХ УСТРОЙСТВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ИЗВЕСТИ ВО ВРАЩАЮЩИХСЯ ПЕЧАХ

Специальность 05.16.02 Металлургия черных, цветных и редких металлов Специальность 05.14.04 Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Челябинск, 2009

1 2 ФЕЗ 20С9

003461164

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» на кафедре «Теплотехнические и энергетические системы»

Официальные оппоненты:

заслуженный деятель науки и техники РФ доктор технических наук, профессор Торопов Е.В. (ЮУрГУ, каф.

«Теплоэнергетика»), доктор технических наук, профессор Девятов Д.Х. (МГТУ, каф.

«Прикладная математика и вычислительная техника»)

доктор технических наук, профессор Потапов В.И. (Златоустовский филиал ЮУрГУ)

Ведущее предприятие Открытое акционерное общество «Магнитогорский

металлургический комбинат»

Защита состоится в 14 00 «25» февраля 2009 года на заседании диссертационного совета Д 212.298.01. при Южно-Уральском государственном университете по адресу: 454080, г. Челябинск, проспект Ленина, 76.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Уральского государственного университета

Автореферат разослан «20» января 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, профессор, д. физ. - мат. наук

/Мирзаев Д. А./

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В настоящее время развитие мировой черной металлургии отмечена двумя основными тенденциями: повышением качества металлопродукции и снижением удельных материально-сырьевых и энергетических затрат при ее производстве, В Российской Федерации эти проблемы обострены вдвойне, так как по сравнению с передовыми зарубежными странами удельные расходы этих ресурсов значительно выше

Актуальность работы. Одной из основных тенденций на современном этапе развития мировой металлургии является снижение удельных материально-сырьевых и энергетических затрат. Высокая энергоемкость металлургического производства при относительно высокой стоимости энергоресурсов обуславливает исключительную важность энергосбережения на -всех его переделах.

На предприятиях черной металлургии РФ одним из крупнейших потребителей газообразного топлива (природного газа) являются вращающиеся печи для производства металлургической извести, а также печи цементного производства, используемые для производства доломитизированной извести, В Российской Федерации выплавляется ежегодно порядка 50 млн. т стали ежегодно, В частности на ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО «ММК») ежегодно выплавляется более 10 млн. т стали. При этом при выплавке стали необходимо 60 - 1.00 кг извести на каждую выплавляемую тонну стали, Актуальность темы работы определяется существующей народно-хозяйственной проблемой необходимости снижения энергетических затрат при производстве извести для удовлетворения все возрастающей потребности сталеплавильного производства.

Вращающиеся печи на отечественных металлургических предприятиях эксплуатируются с чрезмерным удельным расходом топлива и обладают рядом других недостатков. Эффективная тепловая работа вращающихся известняковообжигательных печей, как показывает многолетний опыт, в значительной мере определяется работой горелочного устройства, формой факела и конфигурацией рабочей зоны обжига материала. Формирование с этих позиций требований к конструктивным особенностям горелки для вращающихся печей не предпринималось. Поэтому существует научная проблема разработки теории сжигания высокоскоростных потоков газа, требований к конструктивным особенностям и создания на их основе горелочных устройств для известняковообжигательных вращающихся печей, а также проблема комплексной методики исследования работы вращающейся печи и ее горелочных устройств, позволяющей оценивать эффективность тепловой работы.

Наиболее действенным, экономичным и удобным методом исследо-

вания высокотемпературных процессов, к каким, несомненно, относятся процессы получения металлургической извести, на современном этапе развития науки и техники является математическое моделирование с использованием результатов физического моделирования. Совершенствование работы печных агрегатов должно идти не только в направлении создания более совершенных горелочных устройств, но и по направлению создания современных математических моделей функционирования, отражающих аспекты работы горелочных устройств и работы печи в целом. Совершенствование работы и конструкций различного рода агрегатов и устройств, а также непрерывное управление высокотемпературными динамическими процессами в металлургическом производстве в целях получения требуемых свойств готовой продукции и энергосбережения невозможно без развитой базы математических моделей, адекватно описывающих рассматриваемые процессы.

Цели и задачи работы.

Целью работы является создание теории энергосберегающего сжигания высокоскоростных потоков природного газа, создание на ее основе методики расчета энергосберегающих высокоскоростных горелочных устройств, совершенствование их на основе математического моделирования и улучшения теп-ломассопереноса во вращающихся печах, обеспечивающих снижение энергетических затрат при производстве качественной металлургической извести.

Основные задачи работы:

1. Разработать научно обоснованные требования к горелочным устройствам для вращающейся печи по обжигу известняка и разработать конструкцию горелок, обеспечивающих снижение расхода топлива при повышении металлургических свойств извести.

2. Разработать теорию энергосберегающего сжигания высокоскоростных горелочных устройств, обеспечивающих эффективное сжигание топлива и совершенствование тепловой работы вращающейся печи.

3. Создать математическую модель вращающейся печи по обжигу известняка, в целях совершенствования ее работы, а также прогнозирования технико-экономических показателей ее работы

Научная новизна.

1. Разработан критерий оценки эффективности работы вращающейся печи по обжигу известняка, позволяющий увязать металлургические свойства извести и удельные энергозатраты при ее производстве с параметрами тепловой работы печи.

2. На основе предложенного критерия с использованием методов статистического моделирования по методике Бокса исследована тепловая работа и определена рациональная конфигурация зоны обжига известняка во вращающейся печи. Показано, что она определяется углом ориентировки факела, расстоянием ядра факела от горячей головки печи и скоростью исте-

чения газового потока из сопла горелки.

3. Разработаны научно-обоснованные требования, сформулирована концепция и определены основные конструктивные параметры газовой турбулентной горелки ГГТ - нового горелочного устройства для вращающихся печей по обжигу известняка, в котором используется эффект Коанда (Henri-Marie Coanda, 1885-1972 г.г. экспериментально установил, что изгибаемая газовая струя засасывает (эжектирует) из окружающего пространства воздух, количество которого может в двадцать раз превышать количество газа в самой струе).

4. Методами математического моделирования с использованием разработанного критерия оценки эффективности работы сожигательных устройств вращающейся печи исследованы условия сжигания топлива во вращающейся печи, оборудованной горелкой ГГТ. Установлено, что новое горе-лочное устройство ГГТ значительно улучшает смешивание газо-воздушной среды, обеспечивает более полное сгорание топлива, легкое регулирование формы факела от «мягкого» до «жесткого», а также обеспечивает улучшение металлургических свойств извести.

5. На базе результатов математического моделирования газодинамики горелочных устройств разработана теория энергосберегающего сжигания высокоскоростных потоков природного газа и методика расчета параметров нового горелочного устройства для вращающихся печей по обжигу известняка - газовой турбулентной горелки с центральным телом (ГЦТ).

6. Получены новые научные данные по распределению скоростей и давлений газовых потоков, создаваемых горелками ГГТ и ГЦТ и характеризующихся развитыми зонами рециркуляции в области факела, что обеспечивает улучшение тепловой работы печи. Результаты физического моделирования подтверждают результаты, полученные с помощью методов математического моделирования.

7. Разработана математическая модель работы вращающейся печи по обжигу известняка, которая учитывает особенности физико-химических процессов, происходящих в процессе обжига известняка, характер движения материала, пылеобразование, пылеунос и пылеулавливание в рабочем пространстве печи, что позволяет прогнозировать качество производимой металлургической извести и совершенствовать технологию обжига известняка.

Внедрение разработанных технических и технологических решений, а также математических моделей в практику вносит вклад в ускорение научно-технического прогресса в черной металлургии в области производства металлургической извести.

Практическая ценность.

1. Применение во вращающихся печах известняково-доломитового производства (ИДП) ОАО «ММК» новых разработанных горелок типа ГГТ обеспечивает благоприятную конфигурацию зоны обжига и наиболее полное

и интенсивное сжигание газообразного топлива, что позволило снизить температуру уходящих газов на 30 °С, уменьшить расход топлива на 15 % и улучшить качество извести, т.е. снизить потери материала при прокаливании (ПМПП) - основной показатель качества извести - с 8 % до 6 %.

2. Улучшение качества извести позволило существенно уменьшить расход энергии в конвертерном производстве при уменьшении расхода извести с 8090 до 60 кг/т стали.

3. Разработанные конструкции сожигательных устройств типа ГГТ могут использоваться не только для сжигания основного топлива (природного газа), но и для утилизации вторичных энергоресурсов (мелкого коксика) и экологически вредных веществ (использованной смазочно-охлаждающей жидкости), позволяя при сохранении производительности печи и высокого качества извести сжигать до 270 л/ч использованной смазочно-охлаждающей жидкости прокатных цехов (эмульсола), что обеспечивает экономию газа 300 м3/ч.

4. Разработанная теория высокоскоростных энергосберегающих горе-лочных устройств на базе сопла с центральным телом позволяет рассчитывать параметры горелочных устройств для широкого диапазона расходов: от 13 до 7000 м3/ч.

5. Разработанная схема организации истечения потока газа через сопло с центральным телом горелки типа ГЦТ с образованием на поверхности центрального тела тонкого пограничного слоя может быть успешно адаптирована для многих других тягодутьевых устройств металлургического производства. В частности, она обеспечивает получение длинного высокотемпературного факела с малым углом раскрытия струи и с наибольшей степенью сгорания топлива при наименьшем коэффициенте расхода воздуха (а =1,02 - 1,03).

6. Разработанные инженерные методики, созданные численные математические модели и программные средства используются и могут быть использованы предприятиями, техническими лабораториями, проектными, исследовательскими и учебными организациями при исследовании и создании рациональных конструкций сожигательных устройств и технологий обработки сыпучих гранулированных материалов.

Реализация результатов работы.

1. Эксплуатация опытно-промышленной газовой турбулентной горелки ГГТ-1 на ИДП ОАО «ММК» в 1998 г. обеспечила повышение производительности вращающейся печи по обжигу известняка на 1 т/ч при средней производительности 20 т/ч.

2. Улучшенная конструкция горелки типа ГГТ-1 в 1999 г. дала экономический эффект в 559 576 руб./год на одну печь.

3. Внедрение результатов модернизации горелки типа ГГТ в 2000 г., которая эксплуатируется в доломито-обжиговом цехе горно-обогатительного производства (ДОЦ ГОП) ОАО «ММК» до настоящего времени, позволило полу-

чить экономический эффект в 19 826 500 руб./год.

4. Разработанная конструкция горелки с центральным телом ГЦТ-К с номинальным расходом в 13,5 м3/ч в рамках выполнения хоздоговорной работы внедряется в колпаковых печах листопрокатного цеха № 5 ОАО «ММК» с экономическим эффектом 553000 руб./год.

5. Разработанная конструкция горелки с центральным телом ГЦТ-Ц с номинальным расходом в 6000 м3/ч в рамках выполнения хоздоговорной работы внедрена на вращающихся печах по обжигу доломитизированной извести ОАО «Магнитогорский цементно-обжиговый завод» (ОАО «МЦОЗ»), где эксплуатируется до настоящего времени, что позволяет получить экономический эффект 1500000 руб/год.

6. Математическая модель вращающейся печи в настоящее время планируется к внедрению в управление технологическим процессом работы вращающейся печи по обжигу известняка известняково-доломитового производства (ИДП) ОАО «ММК».

Общий учтенный экономический эффект от реализации разработок диссертации в промышленности составил свыше 20 млн. руб. в год.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на международных научно-технических конференциях: «Современные проблемы электрометаллургии стали» (Челябинск, 1992 г., 1993 г.), «Новые технологии получения слоистых материалов и композиционных покрытий» (Сочи, 1992 г.) «Энергосбережение на промышленных предприятиях» (Магнитогорск, 2000 г.), «Автоматизированный печной агрегат - основа энергосберегающих технологий металлургии XXI века» (Москва, 2000 г., 2001 г.); «Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии» (Москва, 2002 г.), «Ninth International PHOENICS user Conference» (Moscow, 2002 г.), «XI Бенардосовские чтения» (Иваново, 2003 г.), Международный промышленный Форум-выставка «Реконструкция промышленных предприятий -прорывные технологии в металлургии и машиностроении» (Челябинск, 2007 г.); «Печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии и машиностроении» (Москва, 2008); всероссийской: «Энергетики и металлурги - настоящему и будущему России» (Магнитогорск, 1998 г.).

Публикации. По теме диссертации издано 39 научных и учебно-методических работ, в том числе 2 учебных пособия с грифом УМО, 1 монография, 5 свидетельств на полезные модели. Кроме того, материалы диссертации приведены в отчетах по научно-исследовательским работам, выполненным под руководством и при участии автора.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка из 206 наименований и 7 приложений, изложена на 245 страницах машинописного текста (включая приложения), содержит 93 рисунка и 18 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрывается актуальность проблемы разработки теории высокоскоростных энергосберегающих горелочных устройств известняково-обжигательных вращающихся печей, совершенствования горелочных устройств и работы вращающейся печи на основе методов моделирования в целях снижения энергетических затрат при производстве качественной металлургической извести для удовлетворения все возрастающей потребности сталеплавильного производства, сформулированы цель и задачи работы, дается общее представление о новизне полученных результатов.

1. АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ИЗВЕСТИ

В рамках поставленных задач рассмотрены и проанализированы процессы и работа агрегатов для получения извести для сталеплавильного производства, а также требования к извести, определяемые этим производством.

Рассмотрено шлакообразование, как важнейший элемент технологии конвертерной плавки, определяющий ход дефосфорации, десульфурации, показана роль основного компонента шлака - извести. Проанализированы показатели качества металлургической извести, показано, что основным из показателей качества конвертерной извести являются потери материала при прокаливании (ПМПП), поскольку именно этот показатель определяет активность извести и ее флюсующую способность. Сделан вывод о необходимости повышения эффективности работы технологического оборудования для производства металлургической извести и целесообразности создания математической модели вращающейся печи по обжигу известняка, позволяющей совершенствовать работу горе-лочного устройства, прогнозировать расход природного газа, а также качество и выход извести.

Проанализированы особенности производства мягко обожженной (металлургической) извести во вращающихся печах, технологии обжига известняка, горения топлива, конфигурации факела и ее влияния на технологические параметры работы вращающейся печи по обжигу известняка, физико-химические процессы и температурные условия процессов при обжиге известняка, определяющие требуемую степень обжига и формирование требуемых металлургических свойств извести. Показано, что эффективность тепловой работы печи и, в первую очередь, снижение энергозатрат, а также металлургические свойства извести при всех прочих равных условиях в основном определяются работой го-

релочного устройства.

Рассмотрено влияние работы горелочных устройств на производство качественной металлургической извести, существующие типы горелок, отмечены их достоинства и недостатки. Показана необходимость разработки новых более совершенных горелочных устройств для вращающихся печей, обеспечивающих при переменных режимах работы печи близкие к оптимальным условия смешивания топлива и воздуха и условия сгорания, полное сжигание топлива в зоне обжига, формирование рациональной конфигурации зоны обжига, расширение диапазона регулирования, уменьшение энергозатрат.

Рассмотрены различные методы моделирования устройств, агрегатов, технологий и процессов в металлургии. Проанализированы модели тепломассопе-реноса и аэродинамики (в том числе, модели турбулизации), а также модели работы вращающихся печей, которые имеют первостепенное значение для исследования и моделирования технологических процессов, устройств и агрегатов для производства металлургической извести в целях повышения эффективности работы оборудования и снижения энергозатрат.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ И ЕЕ ГОРЕЛОЧНОГО УСТРОЙСТВА

Главная задача технологического процесса обжига известняка - получение извести с требуемыми металлургическими свойствами, которые характеризуются шестью ниже приведенными показателями качества. Для управления процессом тепловой обработки при производстве извести целесообразно выделить наиболее важный из этих показателей. Степень обжига (первый показатель) принято оценивать потерями материала при прокаливании - показателем ПМПП, зависящем от суммарного содержания СаО и N^0. Устойчивость в обожженном состоянии (второй показатель) обеспечивается жесткой регламентацией сроков поставки извести в конвертерный цех: не более суток с момента производства. Наибольшая однородность обжига (третий показатель) заданного фракционного состава (четвертый показатель) достигаются благодаря использованию вращающихся печей. Известь с наиболее высокой реакционной способностью (пятый показатель) получают при «мягком» обжиге, который наиболее характерен для вращающихся печей. Флюсующая способность (шестой показатель) определяется в основном также суммарным содержанием СаО и N^0. Поэтому важнейшим из показателей качества извести, определяющим ее металлургические свойства, принято считать ПМПП.

В производственных условиях стремятся улучшить тепловую работу печи при изменении расходов топлива. В зависимости от конкретных условий протекания процесса обжига применяют либо «жесткий», либо «мягкий» факелы, изменяя глубину погружения горелки в рабочее пространство печи и

(или) смещение заднего конца горелки относительно продольной оси печи (которое определяет угол наклона горелки к внутренней поверхности печи), а также меняя расход топлива. Тем самым изменяют конфигурацию рабочей зоны обжига.

Эффективность работы вращающейся печи во многом обеспечивается рациональной конфигурацией зоны обжига, поскольку она в первую очередь влияет на качество извести. При определении рациональной конфигурации зоны обжига в данной работе вводится обобщенный показатель эффективности работы печи Ъ.

2= у2 • Уз / У] => гшп. (1)

Он отражает стремление повысить производительность (у,), снизить потери товарной продукции за счет улучшения качества, уменьшая потери при прокаливании ПМПП (у2), снизить энергозатраты на производство за счет улучшения тепловой работы печи, улучшая условия теплообмена между факелом и обрабатываемым материалом, снижая тем самым температуру уходящих газов на холодной головке (у3).

Для определения рациональной конфигурации зоны обжига выполнено исследование и статистическое моделирование тепловой работы печи по методике Бокса для плана 24.

В результате анализа результатов экспериментальных обжигов получили следующие значения, определяющие рациональную конфигурацию рабочей зоны обжига во вращающейся печи:

смещение заднего конца горелки X, = 0,21 м,

глубина погружения горелки Х2 = 1,9 м,

расход газа на горелку Х3 = 3100 м3/ч.

(Разрежение на горячей головке печи Х4, как показали опыты, сущест-

Эти результаты использованы для проектирования нового го-релочного устройства - газовой турбулентной горелки ГГТ, схема головки которой приведена на рис. 1. Ее особенности: кольцевое цилиндрическое сопло, образованное конической обечайкой и телом Коанда, подвижный конический дроссель, завихритель газового потока и дополнительные сопла.

Опытно-промышленные испытания этой горелки во вращающихся печах ИДП ОАО ММК пока-

венного влияния не оказывает).

Рис. 1 Схема головки новой горелки

зали, что она дает ряд преимуществ по сравнению с применяемыми горелками ГВП: более высокую температуру факела, меньший коэффициент расхода воздуха, меньший удельный расход природного газа, лучшее качество извести.

Автором разработан ряд опытно-промышленных конструкций горелоч-ных устройств типа ГГТ, предназначенных как для сжигания газообразного топлива (базовый вариант, приведенный на рис. 2), так и для сжигания пылевидного коксика и отработанной смазочно-охлаждающей жидкости прокатного производства.

Для определения рациональных условий сжигания топлива с применением горелки ГГТ в целях совершенствования тепловой работы вращающейся печи автор предлагает использовать еще один показатель - показатель эффективности работы сожигательных устройств вращающейся печи:

У = угО -У2)/У4=>тах. (2)

Он отражает стремление повысить производительность (у^, снизить потери товарной продукции за счет улучшения качества (у2) и улучшить качество тепловой работы печи, снизив температуру на котлах-утилизаторах КУ (У4).

Были проведены эксперименты, в которых изменялось: расположение и количество дополнительных сопел, диаметр дросселя, конусность дросселя. Результаты экспериментов приведены в табл. 1. Они послужили исходными данными для построения статистической модели, представляющей зависимость эффективности работы сожигательных устройств от условий работы печи:

У = - 0,72081 -Ьф + 3,23358-Тф - 3,23358-Х - 0,93806-Т^ + 0,66734 в, (3)

где Ьф, Тф, X, Т^ , в - безразмерные: длина и температура факела, содержание кислорода в продуктах сгорания на холодной головке печи, расход топлива. Относительная длина факела при этом для сравнения определялась кос-

венно длиной печи, где температура кожуха печи была не ниже 300 °С.

Согласно уравнению (3) для повышения эффективности работы сожига-тельных устройств вращающейся печи необходимо уменьшить длину факела Ьф, повышать его температуру Тф, снижать содержание кислорода в отходящих газах X, не уменьшая при этом загрузку печи б. Кроме того, анализ экспериментальных данных показал, что лучшее качество извести и больший КПД печи были достигнуты при закрытии 4 верхних дополнительных сопел и открытии 4 нижних в горелке с диаметром сопла ПО мм и диаметром дросселя 106 мм (режим 4 в табл. 1).

Сравнение характеристик горелки ГГТ, разработанной автором, и горелки ГВП, разработанной ГипроНИИГазом и широко эксплуатируемой в известковообжигательных вращающихся печах, свидетельствует о значительных преимуществах горелки ГГТ (табл. 2).

Эксплуатация первого варианта опытно-промышленной газовой турбулентной горелки ГГТ в 1998 г дала эффект повышения производительности вращающейся печи по обжигу известняка на 1 т/ч. При этом качество извести повысилось на 20 % (ПМПП уменьшились с 8 % до 5 %), а расход газа уменьшился на 5-10 %. Ее применение, кроме того, значительно повышает стойкость футеровки и, следовательно, увеличивается межремонтный срок работы печей.

Улучшенная конструкция горелки типа ГГТ в 1999 г. дала экономический эффект 559 500 руб./год. Внедрение результатов модернизации горелки типа ГГТ в 2000 г. позволило получить экономический эффект 19 826 552 руб./год. Предложенная конструкция сожигательного устройства для утилизации отработанной экологически вредной смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) прокатных цехов ОАО ММК позволяет при сохранении производительности печи и высокого качества извести сжигать до 270 л СОЖ в час, экономя при этом до 300 м3/ч газа.

Таблица 2

Сравнение характеристики горелок ГГТ и ГВП_

Тип горелки Характеристика горелки

Температура факела, °С Коэффициент расхода воздуха Удельный расход природного газа, м3 /ч-т ПМПП,%

ГВП 1480 1,08-1,10 215,0-220,0 6-8

ГГТ 1560 1,02-1,03 200,0-205.0 5-6

В период с 1 по 28 февраля 2003 года были собраны данные по дефектам макроструктуры произведенных непрерывнолитых заготовок. Был про-

анализирован марочный сортамент продукции кислородно-конвертерного цеха ОАО «ММК» с указанием количества отобранных темплетов (всего в количестве 614 штук), марок сталей и общего количества испытанных образцов на каждую марку и в целом по группе марок. Он был сопоставлен с результатами анализа качества извести за этот же период. После статистической обработки были получены таблицы зависимости средних баллов дефекта осевая химическая неоднородность (ОХН) от содержания СаО и от величины ПМПП. Их анализ показал, что изменение содержания СаО в извести в рекомендуемом технологической инструкцией интервале 87-91 % практически не сказывается на изменении балла ОХН и на содержании серы в металле (рис. 3, а). Однако снижение ПМПП с 10 % до 5 % ведет к снижению содержания серы почти в два раза (рис. 3, б, в).

с; к

<3 Ю

X

X

о

4,00

9,00 ПМПП, %

о

и

4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 ПМПП, %

4,00

10,00 12,00

ПМПП, %

Рис. 3. Влияние величины ПМПП в извести на среднее значение балла ОХН (а), содержание серы (б) для качественных конструкционных сталей и содержание серы (в) для сталей обыкновенного качества

Таблица 1

Результаты опытов_

та г ^ зе ю о. Конструктивные параметры горелки Температура кожуха печи по участкам подлине печи, °С (Длина одного участка 14 м) Ттах /Ттт Темпера-тура-факе- Химический состав газа, % Температура наКУ Расход таза ™ -г Г) го 1- I СЭ Т 5 с' [= ;>

О! 2 1 2 3 4 5 ла То,°С С02 02 Тку, °С ^ 5, т Е- с

1 4 верхних дополнительных сопла открыты, 4 нижних закрыты, диаметр дросселя □=106 мм 340/ 300 342/ 320 342/ 290 290/ 260 230/ 140 1380 23 0.8 600 3050 29-30 11,9

2 4 верхних дополнительных сопла закрыты, 4 нижних открыты, диаметр дросселя 0=106 мм 315/ 290 300/ 270 315/ 270 330/ 320 235/ 190 1500 21,2 0,4 590 3000 29-30 9,4

3 4 верхних дополнительных сопла закрыты, 4 нижних открыты, диаметр дросселя 0~Ю6 мм 394/ 210 400/ 345 386/ 345 378/ 250 240/ 198 1460 20,4 1,6 594 2900 29-30 9,3

4 4 верхних дополнительных сопла закрыты, 4 нижних открыты, диаметр дросселя 0=106 мм 364/ 210 409/ 391 381/ 342 350/ 257 240/ 198 1520 21,6 0 595 3100 3031 6,5

5 4 верхних дополнительных сопла закрыты, 4 нижних открыты, диаметр дросселя 0=108 мм 273/ 232 370/ 362 348/ 339 307/ 240 226/ 192 1380 21,6 0,5 648 3500 30,5 11,4

6 4 верхних дополнительных сопла закрыты, 4 нижних открыты, диаметр дросселя 0=104 мм 360/ 303 346/ 325 310/ 246 220/ 210 175/ 174 1420 24,0 0„6 645 3500 30,5 7,1

230

Я 53

3. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ВЫСКОСКОРОСТНЫХ ГОРЕЛОЧНЫХ УСТРОЙСТВ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ МЕТОДАМИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ГАЗОДИНАМИКИ

Движение газовой среды, истекающей из конического сопла моделировалось с помощью пакета прикладных программ «РНОЕМСБ», результаты которого далее были подтверждены результатами моделирования движения газовой среды на базе численного решения конечно-разностной аппроксимации системы уравнений движения Навье-Стокса и неразрывности, а также результатами физического моделирования.

Для дальнейшего совершенствования горелочного устройства ГГТ использовался пакет прикладных программ «РНОЕШСЗ». Геометрия моделирования горелки ГГТ показана на рис. 4.

Полученные поля скоростей газового потока в аксиальном и радиальном направлениях свидетельствуют, что распространение газового потока имеет циклический характер, а максимальная аксиальная скорость (вдоль оси горелки) составляет около 171 м/с. Радиальные составляющие скорости газового потока в исследуемой области незначительны и находятся в пределах от -24 до +17 м/с, что говорит о незначительном вихреобразовании.

Наличие знакопеременных областей радиальной составляющей скорости потока газа свидетельствует о зонах развитой рециркуляции. Это является достоинством горелки, поскольку в факеле серийных горелках, используемых на заводах стран СНГ, отсутствуют внутренние зоны рециркуляции продуктов сгорания. Циклический характер полей скоростей газового потока обеспечивает хорошее смешение потоков газа и подаваемого воздуха и, кроме того, сдвигает точку воспламенения топлива ближе к соплу горелки. Это таюке представляет собой преимущество по сравнению с серийными горелками, при использовании которых наблюдается большая удаленность точки воспламенения топлива от сопла-от 1 до 4 м.

Моделирование газодинамики турбулентной горелки типа ГГТ выявило определенный резерв увеличения скорости и турбулизации газового потока. Поэтому была поставлена цель: разработать новую конструкцию горелки. Для этого, прежде всего, необходимо сформулировать научно-обоснованные требова-

Рис. 4. Геометрия моделирования турбулентной горелки ГГТ

ния к эффективной газовой горелке для вращающихся обжиговых печей.

По мнению многих исследователей, как у нас в России, так и за рубежом, такая совершенная газовая горелка должна обладать следующими качествами. Во-первых, горелка должна создавать наилучшее смешение газового потока со спутным потоком воздуха, обеспечивая сгорание топлива с минимальным коэффициентом расхода воздуха. Во-вторых, зона горения должна иметь хорошую рециркуляцию продуктов сгорания и располагаться в непосредственной близости за горелкой. В-третьих, горелка должна быть достаточно простой в изготовлении, обеспечивать концентрированный и яркий факел с необходимой для обжига температурой и легкость регулирования пламени горелки во время работы от «жесткого» до «мягкого» факела.

Качество смешения топлива с воздухом напрямую зависит от кинетической энергии струи, которая в свою очередь определяется скоростью истечения газового потока. Для обеспечения максимального смешения природного газа с потоком воздуха, поступающим из охладителя извести вращающейся печи, необходимо создать максимально возможную энергию газового потока, что достигается за счет сверхкритических скоростей газового потока. Основным средством получения сверхкритических скоростей являются сопла Лаваля и сопла с центральным телом.

Автором разработан новый класс горелок с использованием сопла с центральным телом (горелки типа ГЦТ), отвечающих перечисленным требованиям. Схема сопла нового горелочного устройства ГЦТ, предложенного автором, приведена на рис. 5.

Рис. 5. Схема сопла с центральным телом: 1 - центральное тело, 2 - обечайка

В таком сопле газ истекает из кольцевого канала между центральным телом 1 и обечайкой 2. Его особенностью является то, что на срезе сопла горелки происходит поворот газового потока на угол 5 около вершины тупого угла центрального тела и связанное с этим чисто внешнее расширение газа (уменьшение давления), за счет чего достигаются сверхкритические скорости потока (М > 1). Критическое сечение может регулироваться про-

дольным перемещением центрального тела. Разработанная организация истечения потока газа через сопло с центральным телом с образованием на поверхности центрального тела тонкого пограничного слоя обеспечивает многократное вовлечение окружающей среды в струю за соплом.

Исчерпывающий анализ работы и пригодности спроектированной горелки с центральным телом ГЦТ для вращающихся печей по обжигу известняка получен с помощью CDF (Computational fluid с1упагшсз)-модели пакета «PHOENICS». Полученные поля скоростей газового потока в аксиальном и радиальном направлениях свидетельствуют, что максимальная аксиальная скорость потока, создаваемого горелкой ГЦТ, равна 220 м/с, т.е. больше, чем в горелке ГГТ. Длина факела увеличивается, что особенно важно для повышения эффективности работы длинных вращающихся печей.

Анализ полученных результатов моделирования показал, что при изменении расхода газа распределение скоростей по исследуемой области практически не меняется. Это выгодно отличает горелку ГЦТ от горелки ГГТ. При изменении положения центрального тела в горелке ГЦТ давление на срезе горелки может существенно уменьшаться, особенно при больших смещениях. Полученные значения скоростей в этом случае меньше по сравнению с расчетным режимом, что соответствует более «мягкому» факелу, т. е. изменяя положение центрального тела, можно легко управлять «жесткостью» факела.

Распределение радиальных скоростей показало, что наибольшие радиальные составляющие скорости потока достигаются при нейтральном положении центрального тела в горелке ГЦТ, обеспечивая наибольшую турбулизацию потока и наилучшее перемешивание.

Картины распределения давления свидетельствуют, что, по сравнению с горелкой ГГТ, горелка ГЦТ может создать большее давление газового потока. Это весьма существенно при эксплуатации горелочных устройств, поскольку для стабильности работы производственники заинтересованы в поддержании высокого давления на горелке. При этом изменение расхода газа незначительно сказывается на изменении давления за горелочным устройством.

Достоверность полученных результатов была подтверждена и физическим моделированием процессов истечения газового потока из сопла с центральным телом, используя критерии подобия. Исследования на модели позволили установить, что длина факела при использовании газового потока, закрученного с помощью завихрителя, составляет всего около десяти калибров (под калибром понимается средний диаметр проходного сечения сопла d0). Для получения длинного факела из конструкции удалялся завихритель потока. Длина газовой струи при этом увеличилась примерно в 6 раз.

На рис. 6 приведены распределения скоростей газового потока на различных расстояниях от среза сопла горелочного устройства: для относительных расстояний x/d0, равных 1,0; 2,0; 3,0; 10,0; 14,0; 19,0; 22,0.

Рис. 6. Эпюры скоростей истечения газового потока 'Л'о (м/с) на различных расстояниях от среза сопла (х/с!о - число калибров, 6 = 8°- половина угла

раскрытия струи)

Анализ эпюр скоростей показывает, что на расстоянии от среза сопла горелки примерно до 20 калибров струя представляет собой тонкостенный

тороид, внутри которого существует развитая зона турбулентной рециркуляции. Зона турбулентной рециркуляции с возрастанием длины струи увеличивается и при расстоянии до 22 калибров полностью заполняет внутреннюю полость струи. За счет этого осуществляется эффективное перемешивание истекающего потока и окружающей среды. На расстоянии 22 калибров и более характер истечения меняется, тороидальная форма потока исчезает.

Результаты исследования на модели показали, что при использовании разработанного горелочного устройства длина струи достигает 60 и более калибров, при этом угол раскрытия струи факела при работе без закручивания потока лежит в пределах 15-16°. Результаты моделирования подтверждены натурным испытанием разработанного горелочного устройства (рис. 7).

Рис. 7. Устойчивое горение длинного факела при натурных испытаниях горелки с центральным телом ГЦТ

Таким образом, можно сделать вывод, что горелка ГЦТ обеспечивает стабильность характеристик газового потока, высокие скорости потока, создает наилучшие условия перемешивания газовой среды за счет увеличения турбу-лизации потока природного газа. При этом обеспечивается легкое регулирование «жесткости» факела за счет смещения центрального тела.

4. ТЕОРИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ГОРЕЛОЧНЫХ УСТРОЙСТВ НА БАЗЕ СОПЛА С ЦЕНТРАЛЬНЫМ

ТЕЛОМ

Разработанные автором энергосберегающие высокоскоростные горе-лочные устройства нашли широкое применение в металлургических печах различного назначения. На основе математического моделирования газоди-

намики истечения высокоскоростных потоков была найдена рациональная конфигурация сопла горелочного устройства, названного соплом с центральным телом. Однако теория, рассматривающая высокоэффективные условия горения высокоскоростных потоков газа, отсутствует. Подобная теория позволила бы создать методику расчета энергосберегающих высокоскоростных горелочных устройств на базе сопла с центральным телом

Сопла с центральным телом (или «тарельчатые» сопла, сопла с прямолинейной верхней стенкой) находят, в основном, применение в авиапромышленности при изготовлении турбореактивных двигателей (ТРД). Автором предложена еще одна область практического применения таких сопел в качестве элемент5 конструкции горелочных устройств в нагревательных, обжиговых и термических печах различного назначения.

Известно, что максимальная степень смешения природного газа с потоком воздуха зависит от соотношения энергий этих потоков, причем необходимо обеспечить максимально возможную величину кинетической энергии одного из них; проще всего это осуществить для газового потока. Энергия газового потока является функцией скорости. Наиболее существенное увеличение энергии обеспечивается за счет достижения сверхкритических скоростей газового потока. Основным средством получения сверхкритических скоростей являются сопла Лаваля. Сверхкритические скорости истечения газового потока можно также получить с помощью сопла, образованного конической обечайкой и телом Коанда. Разработанные на базе тела Коанда горелочные устройства типа ГГТ (горелка газовая турбулентная) хорошо себя зарекомендовали во вращающихся печах известняково-доломитового производства ОАО «ММК», принеся многомиллионный годовой эффект.

Конструкция головки нового горелочного устройства (см. рис. 5), предложенная автором данной работы, подобна соплу с центральным телом ТРД, предназначенного для создания тяги. Отличие предлагаемой конструкции горелки с центральным телом от классического варианта сопла заключается в том, что вместо профилированных поверхностей обечайки и центрального тела берутся простые в изготовлении конические поверхности, причем конфузор отсутствует. Главное назначение сопла ТРД - создать однородный тяговый поток газа на выходе, а сопла горелочного устройства ГЦТ - создать структуру потока, наиболее турбулизированного и обладающего эжектирующими свойствами. Конструкция сопла, предложенного автором, обеспечивает сверхзвуковую скорость истечения потока природного газа с небольшим числом Маха (М = 1,2 - 1,5), и его можно классифицировать как кольцевое сопло с нулевым наклоном минимального сечения с двойным расширением.

Согласно теории одномерных газовых течений сверхзвуковое истечение из сопла, возникновение сопутствующих волн Маха и ударной адиабаты (т. е. образование скачка уплотнения) возможны лишь в случае натекания на выход-

ные элементы головки горелочного устройства потока со скоростью звука, т. е. с приведенной скоростью А.| = 1.

Толщина скачка уплотнения всегда очень мала, поэтому формулы для расчета плоскопараллельного (одномерного) косого скачка применимы и к осе-симметричному скачку. Процесс преобразования давления в скорость в сверхзвуковом и звуковом потоках протекают без существенных потерь, т. е. примерно при постоянной энтропии и, следовательно, очень близок к идеальной адиабате. Поэтому формулы для расчета идеального сверхзвукового сопла применимы для реальных сопел.

Размер кольцевого зазора сопла /? при данной величине радиуса кольцевого отверстия / о в зависимости от числа М0 можно определить согласно уравнению совместности по следующей зависимости:

и I—7—V

о

где ц\м ] - табулированная газодинамическая функция.

Для одномерного течения существует соотношение, связывающее изменение скорости вдоль трубы постоянного сечения с работой трения. Полагая коэффициент трения постоянной величиной (^сопбО, зависимость приведенной скорости от длины трубы можно представить в виде:

л2х 4 л1 /с+1 °

где ¿1 - значение приведенной скорости в начале трубы при х=0;

Л2 - значение приведенной скорости в произвольном сечении трубы на расстоянии х=х2 от начала; коэффициент трения;

= X ~ пРивеДенная длина трубы.

к + 1 О

Основываясь на теории одномерных газовых течений, можно определить приведенную скорость потока:

Я2=со2/а2р = \+[2-5т2^(к-1)/(к+1)-<р]/(к-\)' ^

где со - скорость потока;

с'I - значение критической скорости;

<р - угол, характеризующий направление истечения потока; к - показатель адиабаты. Воспользовавшись стандартными газодинамическими функциями приведенной скорости X, можно рассчитать все остальные параметры газового потока:

к

(7)

Р

Р _

*

(10)

(8)

(9)

где Р,р и Г-давление, плотность и температура на входе;

Р*,р*,Т*~ полное давление, плотность и температура торможения;

М - число Маха.

Зная эти величины, можно определить длину горелки, исходя из следующих соображений: во-первых, необходимо обеспечить максимально возможный расход газа, во-вторых, необходимо обеспечить критическую скорость истечения потока на выходе горелочного устройства.

Сжигание природного газа в разработанных автором горелочных устройствах на базе сопла с центральным телом (ГЦТ) сопровождается разнообразными физическими процессами. На выходе трубы горелки происходит формирование потока газа с критической скоростью. При этом в специальной конструкции головки сопла образуются чередующиеся волны сжатия и разрежения. Это обеспечивает совершенное перемешивание вдуваемого газа со спутным потоком воздуха для горения, за счет чего достигается минимальная величина коэффициента расхода воздуха 1,02 - 1,03, в общем-то, характерная для горелочных устройств с предварительным смешением. Но высокая скорость истечения газового потока, и, как следствие, горючей смеси, может сдвинуть горение факела на очень большое расстояние от горелочного устройства, что нежелательно в большинстве случаев эксплуатации печей. Поэтому, в горелках типа ГЦТ реализуется не только нормальное горение, при котором скорость нагрева смеси за счет теплопроводности не может превышать (по данным Я.Б. Зельдовича) 10 м/с, но и частично детонационное горение, ускоряющее подготовку смеси к горению. В результате факел начинается практически сразу за срезом сопла, что для существующих горелок, по мнению А. Михайлова-Вагнера, является недостижимым.

Наилучшим значением угла конусности центрального тела а, (см. рис. 5), является величина, приводящая к наиболее высокой скорости истечения при данном значении давления на входе в трубу горелки. Тем самым обеспечивается наилучшее смешение вытекающего газового потока со спутным потоком воздуха. Наилучшая величина угла конусности центрального тела аь равная углу на-

клона обечайки а,, может быть найдена либо методом характеристик, либо с помощью математического моделирования с использованием пакета прикладных программ Б. Сполдинга «РНОЕ№С8».

Расчет течений методом характеристик производится для случаев обтекания тупых углов с определением отражений скачков от твердой стенки, от свободной границы струи, а также взаимодействия скачков уплотнения и волн разряжений. При встрече трансзвуковой струи с любым препятствием, тормозящим ее протекание, возникает скачок уплотнения или ударная волна. Возникновение ударной волны (адиабаты), а также параметры истекающего из сопла газового потока можно определить, рассмотрев случай пересечения двух косых скачков уплотнения, образованных в результате поворота двух противоположных стенок канала на разные углы а, и а2 (рис. 8).

Параметры течения за косыми скачками АВ и А:В определяются по известным параметрам до скачков приведенной скорости давлению Рь температуре Т, и углам а | и а2, если эти углы меньше соответствующего максимального значения атах для данного вектора скорости X].

Рис. 8. Схема нормального пересечения двух косых скачков в головке горелки ГЦТ (Гцп-, г^, гц.Т1 гс - радиусы штока, трубы горелки, максимального радиуса центрального тела и сопла, соответственно)

Параметры на выходе из сопла находятся, исходя из граничных условий для линии тока, проходящей через точку В, принимая, что направления скоростей и давления одинаковы. Задаваясь значением давления на выходе из сопла, определенном при математическом моделировании Р2=0,3 МПа, находим углы наклона отраженных скачков АВ и А1В по формулам:

/

\

2к 2к \ 5'" Р к-1 , (11) I Л + )

2 -„2

М^п2/?-! = ?--т-

2 •

(12)

где ¡5 - угол скачка; А/, - скорость перед головкой горелки.

Если во всех точках на выходе из сопла давления одинаковы, то скорости, температуры и плотности за скачками ВС и ВС| будут различными. Вдоль линии тока, проходящей через точку В, образуется тангенциальный разрыв скоростей в результате чего в вязком газе возникает вихрь. Этот вихрь в свою очередь способствует лучшему перемешиванию топлива и воздуха. Результирующий угол отклонения потока в сечении СС, можно найти при помощи диаграммы косых скачков.

Как отмечалось выше, формулы для расчета идеального сверхзвукового сопла применимы для реальных сопел. Решение задачи об обтекании внешнего тупого угла (угла конусности центрального тела) сверхзвуковым потоком газа сводится к определению приведенной скорости потока после его обтекания по выражению (6). Зная приведенную скорость, можно определить остальные параметры газа по уравнениям (7 -10).

При обтекании конической поверхности центрального тела тонким слоем вязкого газа образуется пограничный слой. При большой интенсивности падающего скачка уплотнения возникает отрыв пограничного слоя и возникает вихревая зона. Вниз по потоку от точки отрыва начинается перемешивание оторвавшихся струек газа с воздухом и нарастание нового пограничного слоя на стенке. Поскольку толщина газового потока соизмерима с толщиной пограничного слоя, возможен разрыв и самого газового потока, что приводит к дальнейшему улучшению перемешивания.

Примерные распределения давления и скоростей газовых потоков по длине горелочного устройства и зоны горения представлены на рис. 9. Предельная длина горелки (зона I на рис. 9) обеспечивает при заданной скорости газа на входе в горелочное устройство критическое значение приведенной скорости на выходе. Головка горелки (зона II) обеспечивает создание скачка уплотнения во внутренней зоне, приводящего к возникновению детонационной волны и созданию чередующихся зон разрежения и сжатия на конической поверхности усеченного центрального тела. Поскольку толщина скачка всегда очень мала, формулы для расчета плоскопараллельного косого скачка применимы и к осесимметричному скачку. Продвижение детонационной волны вниз по потоку ускоряет подготовку смеси к горению и, тем самым, сдвигает

начало горения к срезу сопла.

Скорость распространения ударной адиабаты Лаа вдоль оси горелки представляет собой произведение скорости движения ударной адиабаты Ха на косинус угла скачка /?:

лаа = ла ' С05 Р • (13)

Приведенная скорость ударной адиабаты за косым скачком уплотнения:

Ы,2 2

1--Я, cos а

.2 ,2 2 Л к + 1 J . (14)

Я = Я, -cos а +------V1 >

а 1 1 ,2,, _ 2

Aj (I - cos а^)

31

, со, Р р ^J—^ / N ч Ч

----

1 2 3 4 5 6

Рис. 9. Схема распределения давления и скоростей газовых потоков по длине горелочного устройства и зоны горения (1,т - длина трубы)

При внешнем обтекании за кормовой областью усеченного центрального тела образуется отрывная зона, давление в которой будет меньше давления окружающей среды. Это, в свою очередь, также улучшает смешение топлива с воздухом. Зона смешения природного газа с воздухом (зона III) обеспечивает достижение нижнего предела концентрации топлива, необходимого для начала процесса горения. Ее длина составляет приблизительно 3-4 калибра (под калибром понимается средний диаметр проходного сечения сопла), что подтверждено натурными испытаниями, которые проводились на горелке типа ГЦТ. Зоны IV и V соответствуют детонационному и нормальному горению, а VI зона - движению продуктов сгорания.

Следует подчеркнуть, что основные результаты, полученные для плоских случаев истечения газового потока, применимы и для описания истечения потока из кольцевого зазора сопла, причем погрешность такого применения будет тем

меньше, чем меньше будет относительная ширина зазора, т.е. отношения величины зазора к среднему радиусу зазора.

Рациональное горение высокоскоростных потоков газовоздушной смеси невозможно обеспечить только за счет механизма нормального горения, т. е. за счет нагрева смеси теплопроводностью. Необходим другой, детонационный механизм подготовки смеси к горению. По современным представлениям в механизме горения детонационная волна, распространяющаяся в горючей газовой среде, является двухслойной. Первый слой (зона IV) представляет собой адиабатическую ударную волну, при прохождении через которую газ сильно разогревается. В химически активном газе этот разогрев, если он достаточно интенсивен, может вызвать воспламенение. В связи с тем, что толщина ударной волны мала (порядка длины свободного пробега молекулы), в пределах ее процесс горения развиться не в состоянии. Поэтому область, в которой протекает горение, образует второй, более протяженный слой (зона V), непосредственно примыкающий к ударной волне (рис. 9). Разогрев газа при прохождении его через ударную волну в детонационном горении заменяет собой, в сущности, подогрев его теплопроводностью при нормальном горении.

Изменение температуры газа в скачке уплотнения (в зоне IV):

, к-1 1

,2 к -1

Т Р

к + 1

/с + 1 ,2

Т.\

J

Л

J

Ш-,

J

(15)

1

к-1 л

/с + 1 ^ ^ ¿ + 1 Поскольку начало детонационной зоны определяется верхним пределом концентрации топлива, необходимого для начала процесса горения, а скорость смеси А-4 определяется через уравнение энергии:

+ Р

' г'

в 2

а>л

(16)

где

Р ,Р

,-> г е

р - плотности природного газа, воздуха и смеси, соответственно; 'и см

03,, со.

- скорости газа и воздуха перед зоной смешения;

сол

- скорость горючей смеси перед зоной детонационного горения.

Для расчета состояния газа в области горения (в зоне V) используется соотношение между температурой торможения и приведенной скоростью. Тогда для рассматриваемого случая горения с использованием сопла с центральным телом скорость продуктов сгорания определяется по формуле:

(17)

1-

1 +

5 2Л,

71

1 + Л"

ЗГг'

При расчетах необходимо учесть, что профиль сопла уже определен по результатам математического моделирования.

Следует отметить, что недостатки применения сопел с центральным телом в турбореактивных двигателях (например: взаимодействие волн разряжения и сжатия, отрыв пограничного слоя с созданием зон разрежения, образование зон разрежения за кормовой частью укороченного центрального тела, завихренности газового потока и т. д.) становятся достоинствами при использовании сопла в качестве горелочного устройства.

Испытания горелки на промышленных газоиспользующих установках - обжиговых вращающихся печах (что допускается Межгосударственным стандартом ГОСТ-29134-97 «Горелки газовые промышленные. Методы испытаний») - подтвердили высокие характеристики горелки, такие как зависимость расхода газа от давления газа перед горелкой, зависимость расхода воздуха от давления воздуха перед горелкой и зависимость давления воздуха от давления газа перед горелкой. Это свидетельствует о широких пределах регулирования, высокой устойчивости горения и эффективности разработанных горелочных устройств. Коэффициент расхода воздуха достигал расхода воздуха, характерный для горелок с предварительным смешением, что в разработанной горелке обеспечивается хорошим смешением газового потока из сопла горелки со спутным потоком воздуха. При эксплуатации горелки с центральным телом срыв пламени не наблюдался.

Таким образом, разработанная теория горелочного устройства с центральным телом позволяет объяснить природу основных достоинств высокоскоростных горелок типа ГЦТ:

1. Зона горения располагается в непосредственной близости (на расстояние 3-4 калибра) от среза сопла, что увеличивает активную рабочую длину печи.

2. Обеспечивается регулирование скорости истечения газового потока для создания либо «жесткого» факела (при большой скорости), либо «мягкого» факела (при малой скорости).

3. Обеспечивается наилучшая степень смешения трансзвуковой струи природного газа со спутным потоком воздуха при минимальном коэффициенте расхода воздуха а = 1,02 - 1,03 (характерного для горелок с предварительным смешением) за счет создания чередующихся волн разряжения и сжатия как на открытой поверхности центрального тела за счет отрыва пограничного слоя, так и в области, непосредственно примыкающей к нему снаружи горелки, за счет создания завихренности за кормовой частью центрального тела.

4. Создается развитая рециркуляция продуктов сгорания.

5. Достигается высокая скорость горения газо-воздушной смеси не только за счет нормального горения, но и за счет детонационного.

Основываясь на разработанной теории можно рассчитывать различные горелочные устройства на основе использования сопла с центральным телом.

5 МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ ПРОИЗВОДСТВА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ИЗВЕСТИ

Мировой опыт показывает, что для совершенствования работы вращающихся печей в целях улучшения металлургических свойств извести и снижения энергозатрат при ее производстве необходима система автоматического управления работой печи. Базой такой системы может служить математическая модель работы объекта управления, отражающая процессы газодинамики, тепломассо-переноса и другие процессы, определяющие решение поставленной задачи. В связи с этим, при моделировании учитываются: теплогенерация, движение газовой среды, встречное движение обрабатываемого материала, внешний и внутренний теплообмен, физико-химические превращения в обрабатываемом материале. Необходимо учесть также пылеобразование за счет истирания материала при его движении, пылеунос потоком газа и одновременное осаждение части пыли, содержащейся в газовом потоке, на обрабатываемом материале (рис. 10).

' При создании модели работы вращающейся печи по обжигу известняка печи вся длина печи разбита на N зон. В каждой зоне постоянными считаются: скорости движения материала и газообразных продуктов; высота и центральный угол сегмента, занятого обрабатываемым материалом; теплофизические параметры материала и газообразных продуктов. Для каждой зоны рассчитываются материальный и тепловой балансы.

Пересыпающийся слой материала

Рис. 10. Схема расположения материала в печи (Л - внутренний радиус печи; Я,, и Я2 - наружные радиусы первого и второго слоев футеровки; фп - угол наклона печи; Ь, (3 - высота и центральный угол сегмента, занятого материа-лом;со - угловая скорость вращения печи)

- — -J--T- —

Печь

Математическая модель работы вращающейся печи по обжигу известняка включает ряд модулей.

1) Модель перемещения обрабатываемого материала через вращающуюся печь. Она позволяет учесть влияние массы загружаемого известняка на параметры слоя - высоту и центральный угол сегмента, занятого материалом, а также на скорость движения материала в данной зоне печи. Модель основана

на формуле М.П. Макевнина, описывающей перемещение обрабатываемого материала по длине печи, и разработанных автором формул, определяющих формирование начальных параметров слоя при загрузке. Вывод формул для расчета параметров h и ß слоя, занятого материалом при загрузке, был сделан, исходя из следующих соображений. При выгрузке извести в каждую единицу времени с обреза печи сходит некоторая масса сыпучего материала, объем которого можно представить в виде параллелепипеда (рис. 11). Его основанием является прямоугольник, длину которого можно принять равной перемещению материала по внутренней цилиндрической поверхности печи радиусом Л-за 1 оборот печи: Reo, а ширину - равной перемещению материала в направлении, параллельном оси печи: R-smcpyj - Высота параллелепипеда соответствует высоте сегмента, занятого

материалом he (см. рис. 10).

2

Тогда площадь прямоугольника равна R -¿y-sin^ а объем материала, сходящего с обреза печи в единицу времени, ^¡Ъ'^'Ю^Щ.

Высота сегмента, занятого материалом, (соответствующая высоте параллелепипеда на рис. 10), находится из простых соображений:

V. G ч . (18)

Динамический угол откоса извести

Рис. 11. Схема для определения объема материала, схопяшего с обпеза печи в

2

R -sinffl -со ^п

2

R -sin® р -со гп 'г/— и

Зная высоту сегмента, можно найти центральный угол сегмента, занимаемого материалом:

Рв = 2-arccos(l—2-)'

(19)

R

В этих формулах:

/7е, Рв - параметры слоя извести при выгрузке; Ри-и - плотность извести; ^и-и ~ производительность печи.

При загрузке известняка на холодной (загрузочной) головке в единицу времени в печь поступает под углом естественного динамического откоса некоторая масса сыпучего материала. Определим величину объема материала, загружаемого в печь в единицу времени

у. Как показывают

несложные геометрические оценки, его объем больше выгружаемого объема у

за счет дополнительной насыпной массы материала, поступающего из загрузочного бункера, и представляет собой сумму объемов трех частей (рис. 12): у

Динамический угол откоса загружаемого известняка

R sill(pn

Рис. 12. Схема для определения объема материала, загружаемого в печь в единицу времени

(который равен объему Ув), у и у\

Vг ^,\ + l/2 + V3=he'{R's[ncp^'{w'R) + W{lVt8<Pn)'{CO'R) +

+ (Л • sin срп + he ■ tg<pn)2 ■tgfiD-(co-R) Отношение объемов при загрузке у и выгрузке у

3 о

:1+-

(Я-sinffl + й -tga Y-tgp

D

(20)

(21)

2- R- eos (p

При Я=2 м, <рп = 4 р0 - 45 0 и кв = 1 м отношение этих объемов составляет 1,57. Изменение величины загрузки, т.е. изменение А практически

не сказывается на величине отношения. Например, при уменьшении величины

ИГ1 в 2 раза отношения равно 1,5675, т. е. изменение ничтожно мало. Таким

образом, можно принять отношение объемов равным 1,6.

Тогда параметры слоя и Д, при загрузке известняка определяются

по аналогичным формулам (при этом необходимо использовать свойства известняка вместо свойств извести: плотность известняка Ри—ка - 1,700 т/м3):

1,6-К 1,6-в

А„ =

з _ и — ка

3 ? 2

R~-sm<p -со R -sin® • р -со

тп ^п ^и — ка , (22)

h

В., = 2-arccosO — 3 R . (23)

Площадь сегмента F, занятого материалом (рис. 10), определяется по формуле:

г R2 ,л-р .

F =--(——-sm В)

2 180 (24)

При этом определяется время нахождения материала и количество падений частицы при перемещении материала в зоне, что позволяет затем рассчитать энергию, затраченную на истирание материала, и при составлении материального баланса определить количество образовавшейся пыли. Зависимость скорости движения материала в первой зоне юмп и высоты сегмента h, занятого материалом, от массы загружаемого известняка приведена на рис. 13

й I

1,0

0,8' 0,6 0,4' 0,2

30

МП'

31 32 33 34 Загрузка печи, т/ч

,0 0,9 0,8 0,7 0,6

35

5 £

О -О

s 5 о

u 2 ^

о- S s

<L> И ^

С « О

¡5 § 2

о s

о о.

О. U

- н

са

U

ОС

Рис. 13. Зависимость скорости движения материала в первой зоне 63мп и вы

соты сегмента /?, занятого материалом, от массы загружаемого известняка

2) Модель движения газообразных продуктов, которая позволяет в любой точке по длине печи определять усредненные скорости газового потока, необходимые для расчета коэффициентов теплообмена, в любой точке по длине печи при изменениях расходов природного газа и воздуха.

3) Модель расчета коэффициентов конвективного и радиационного тепло-обменов для поверхностей футеровки и обрабатываемого материала.

4) Модель теплопроводности для сферической частицы обрабатываемого гранулированного материала, которая использует аппроксимацию уравнения теплопроводности в сферических координатах. Она позволяет получить распределение температур по сечению частицы обрабатываемого материала. При этом определяется массовая доля материала, подвергнутого дегидратации при перегреве материала выше 100 °С, декарбонизации М§С03 при перегреве материала выше 700 °С и декарбонизации СаС03 при перегреве выше 800 °С. В дальнейшем это позволяет оценить качество производимой извести по показателю ПМПП. Распределение температур по радиусу частицы материала приведено на рис. 14.

Расстояние от центра сферической частицы, мм

Рис. 14. Распределение температур по радиусу сферической частицы отожженной извести

5) Модель вычисления мощности тепловыделения, которая позволяет определить тепловыделение от сжигания природного газа по длине факела в зонах печи. При идентификации модели вращающейся печи варьируется длина факела и его температура.

6) Модель вычисления мощности тепловыделения, которая позволяет определить тепловыделение от сжигания природного газа по длине факела в зонах печи. При идентификации модели вращающейся печи варьируется длина факела и его температура.

7) Модель расчета тепловых потерь, которая предусматривает два ре-

жима работы печи. Для стационарного режима потери тепла через футеровку считаются по одномерному уравнению стационарной теплопроводности в цилиндрических координатах. Для режима разогрева потери тепла через футеровку считаются по базовой численной модели решения двумерного уравнения нестационарной теплопроводности для полого цилиндра. При идентификации модели работы вращающейся печи рассчитанные температуры кожуха печи сопоставляются с экспериментальными значениями.

8) Модель расчета теплового баланса для каждой зоны, которая предусматривает расчет статей баланса, а также определение температуры газового потока с использованием итерационной процедуры.

9) Модель расчета материального баланса для обрабатываемого гранулированного материала, которая учитывает процессы пылеобразования, пылеуноса и пылеулавливания. При этом принимается, что гранулометрический состав пыли при прочих равных условиях определяется гранулометрическим составом материала, а в процессе измельчения (истирания) в каждый момент времени участвует не весь слой материала, находящийся в ¡-ой зоне, а только пересыпной слой. Используя известное соотношение Кика Е = Я-1п(х1/х2) и вычислив энергию, затраченную на истирание при падении частиц пересыпающегося слоя материала, определяется размер частиц после истирания и, тем самым -масса образующейся пыли. Коэффициент Л настраивается по результатам эксперимента при идентификации модели.

Масса уносимой пыли определяется скоростью витания. Если скорость потока равна скорости витания, то масса уносимой пыли будет равна массе всей образовавшейся в ¡-ой зоне пыли.

Масса осаждаемой пыли определяется, исходя из того, что в пылеулавливании участвует только торцевая поверхность слоя пересыпающегося материала. При этом значения коэффициента т), учитывающего степень улавливания пыли материалом (0 < г| < 1), рассчитываются при настройке модели по результатам эксперимента.

Модель учитывает также уменьшение массы обрабатываемого материала ¡-ой зоны за счет дегидратации при перегреве материала выше 100 °С, декарбонизации MgCOз при перегреве материала выше 700 °С и СаС03 при перегреве выше 800 °С, для чего используются ранее вычисленные массовые доли.

10) Модель расчета материального баланса для газообразных продуктов, которая учитывает выделение технологических газов из обрабатываемого материала, а также позволяет вычислить содержание пыли в газовом потоке.

Укрупненная блок-схема алгоритма математической модели вращающейся печи приведена на рис. 15.

Входные величины модели: гранулометрический и химический состав известняка, его температура, влажность, плотность; конструктивные параметры печи, горелки, состав топлива. Изменяемые величины: загрузка печи, расход

топлива, расход воздуха, скорость вращения печи.

( Начало^)

Ввод исходных данных 1 ;

| т = N-{2 + 1^/1 |

ЗЕ

I с„ =0,001 |

Модель перемещения материала в печи

X

| Модель движения газообразных продуктов |<-

Модель конвективного и радиационного теплообменов

I

Модель решения уравнения теплопроводности для сферической частицы обрабатываемого материала У

| Модель вычисления мощности тепловыделения | Разогрев ^____—Стационарный

Л

эежим работы печих!

Модель решения двумерного

Модель расчета теплопотерь через футеровку печи

цилиндрических координатах для футеровки печи -► Модель расчета теплового баланса для газового потока

У У

Модель расчета теплопотерь на аккумуляцию футеровкой печи Модель расчета материального баланса для обрабатываемого потока

У I .....- -

Модель расчета теплопотерь в окружающее пространство Модель расчета материального баланса для газового потока

ГГ^ТЛ

Вывод:

/температура, масса извести, ПМПП; температура, объем, запыленность газового потока;

температура кожуха печи +

( Конец )

Программа идентификации модели по температуре факела и температуре

_уходящих газов_

У ~ Программа идентификации модели по _пылеуносу из печи_

Программа идентификации модели по температуре кожуха печи

Рис. 15. Укрупненная блок-схема модели вращающейся печи

Пример результатов моделирования работы вращающейся печи (без предварительного подогрева известняка) приведен на рис. 16. На этом же рисунке представлены результаты экспериментального исследования, выполненного специалистами ВНИИСТР'ома на ИДП ОАО «ММК». Кривые изменения ПМПП (потерь материала при прокаливании) практически совпадают, что свидетельствует об адекватности модели.

люк № 1 люк № 2 люк № 3

О 25 50 75

Длина печи, м

Рис. 16. Сопоставление результатов моделирования и эксперимента (отборы проб материала производились через специально сделанные лючки № 1, № 2 и № 3, расположенные, соответственно, на расстояниях 22,3, 36,2 и 54,5 м от

холодного конца печи)

Рассчитывая скорости по рабочему пространству вращающейся печи и учитывая при этом загрузку печи сырьем, его фракционный и химический состав, можно на каждом участке определить состояние обрабатываемого материала - температурное распределение по объему частицы. Зная температуру, можно оценить степень протекания физико-химических процессов в обрабатываемом материале. Привлечение информации о значении скоростей дает возможность рассчитать пылеунос и пылеулавливание. Все это позволяет судить о качестве извести и совершенстве применяемой технологии обжига известняка.

Подобные математические модели функционирования печи являются основой систем автоматизированного управления (АСУ), которые производители мощных горе-лочных устройств для вращающихся печей (например, австрийская фирма «UNITERM - CEMCON GmbH») поставляют в комплексе с горелками (стоимость таких комплексов достигает несколько миллионов рублей).

Разработанная математическая модель на данном этапе времени планируется к внедрению в управление технологическим процессом работы вращаю-

щейся печи по обжигу известняка ИДП ОАО «ММК».

6. АДАПТАЦИЯ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ К ДРУГИМ

ПРОЦЕССАМ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

Во многих агрегатах и технологических комплексах металлургического производства используют разнообразные тягодутьевые устройства, где применение разработанной организации истечения потока газа через сопло с центральным телом экономически целесообразно, т. к. это обеспечивает, по сравнению с традиционными методами, повышенную степень эжекции и улучшение смешения эжектируемой и эжектирующей сред.

Наиболее родственными сферами применения полученных результатов являются производство ожелезненного доломита для конвертерного производства, которое существляется во вращающихся печах ОАО «Магнитогорский цементно-огнеупорный завод» (ОАО «МЦОЗ»), и изготовление шла-кообразующих смесей (ШОС) для конвертерного производства на дочернем

Горелка для вращающихся печей производства долмитизированной извести на ОАО «МЦОЗ», длина которых в отличие от известняковообжигатель-ных печей значительно больше и составляет 150 м и в которых используется мокрый способ производства, должна обеспечивать длинный, устойчиво работающий факел и значительную тепловую мощность. Разработанная автором конструкция горелки с центральным телом типа ГЦТ позволяет получить факел большой длины с высокой температурой и, кроме того, обеспечивает хорошее смешение топлива с воздухом, что создает концентрированную с четкими границами зону горения (рис. 17).

По предложенной автором методике были рассчитаны параметры и на основе базовой конструкции горелочного устройства с центральным телом была спроектирована, изготовлена и внедрена горелка ГЦТ-Ц для вращающихся печей ОАО «МЦОЗ». Вид головки горелки с полностью выдвинутым центральным телом с номинальной часовой производительностью по газу

предприятии ОАО «ММК» «Шлаксервис».

Рис. 17. Головка горелки ГЦТ-Ц с полностью выдвинутым центральным телом

6000 м'7ч представлен на рис. 17. Внедрение в эксплуатацию этого горелоч-ного устройства позволило получить экономический эффект в 5 100 000 руб./г.

Для получения качественной гранулированной ШОС со стабильными свойствами при производительности 1,8 т/ч (в соответствии с требованиями технологии ее производства) необходимо 6000 м3/ч теплоагента (смеси продуктов сгорания и нагретого воздуха) с температурой около 800 °С. Эксплуатируемые конструкции установок по изготовлению ШОС имеют ряд существенных недостатков: пережог смеси приводит к недопустимому ухудшению свойств ШОС, высокий расход топлива также ухудшает технико-экономические показатели работы установки.

Для получения указанного количества теплоагента также возможно и целесообразно использовать разработанное горелочное устройство с центральным телом. Это экономичное горелочное устройство с длинным устойчивым факелом обеспечит равномерность обжига гранул смеси, снижение расхода топлива и упрощение конструкции теплогенератора. Рассчитанный расход газа составляет 300 м3/ч (по сравнению с 350 м3/ч по существующей технологии). В соответствии с этими требованиями была разработана конструкция теплогенератора с горелкой ГЦТ-Ш, выполнены рабочие чертежи, изготовлена опытно-промышленная установка для получения ШОС, которая в настоящее время испытывается на предприятии «Шлаксервис».

В качестве примера адаптации разработанной схемы организации истечения потока газа через сопло с центральным телом можно привести также предложения по реконструкции колпаковой печи ЛПЦ-5 ОАО «ММК». Они базируются на использовании разработанной горелки с центральным телом ГЦТ-К, дающей длинный факел с малым углом раскрытия струи и с наибольшей степенью сгорания топлива при наименьшем коэффициенте расхода воздуха (а =1,02 - 1,03) (см. рис. 6). Исследования были проведены в ходе выполнения хоздоговорной работы в 2005 г. с получением предполагаемого экономического эффекта в 533 000 руб. В предлагаемой конструкции колпаковой печи, кроме того, для подогрева воздуха используется совмещенный эжектор - рекуператор, в котором также применяется разработанная организация истечения потока газа через сопло с центральным телом с образованием на поверхности центрального тела тонкого пограничного слоя. На конструкции горелочных устройств типа ГЦТ, колпаковой печи, горелки теплогенератора для производства ШОС получены патенты на полезные модели. Разработанные конструкции горелки с центральным телом и нагревательного колпака планируется к внедрению в условиях ОАО «ММК».

Таким образом, разработанная теория горелочных устройств на базе сопла с центральным телом позволяет рассчитывать параметры горелочных устройств для широкого диапазона расходов: от 13 м3/ч до 7000 м3/ч.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В работе решен ряд актуальных научных задач, имеющих значение для народно-хозяйственной проблемы дальнейшего улучшения металлургических свойств и снижения энергетических затрат при производстве извести для удовлетворения все возрастающей потребности сталеплавильного производства и обеспечивающих значительный экономический эффект. Конкретные результаты сводятся к следующему.

1. Разработана теория и методика расчета энергосберегающих высокоскоростных горелочных устройств, обеспечивающих эффективное сжигание топлива и совершенствование тепловой работы вращающейся печи производства металлургической извести.

2. Разработанная теория горелочных устройств на базе сопла с центральным телом позволяет рассчитывать параметры горелочных устройств для широкого диапазона расходов, от 13 м3/ч до 7000 м3/ч.

3. Предложена конструкция нового горелочного устройства на базе сопла с центральным телом - газовой турбулентной горелки с центральным телом ГЦТ, подтвержденная патентом на полезную модель Российской Федерации, в основу которой положена разработанная теория энергосберегающих высокоскоростных горелочных устройств. Эффективность горелки и правильность принципов, положенных в основу конструкции горелки, подтверждена опытом многолетней эффективной работы горелок в цехах ОАО «ММК».

4. Установлено, что горелка ГЦТ обеспечивает большую стабильность характеристик газового потока, высокие скорости потока, создает наилучшие условия перемешивания газовой среды за счет увеличения турбулентности потока природного газа. При этом обеспечивается легкое регулирование «жесткости» факела за счет смещения центрального тела.

5. Разработана научно обоснованная концепция нового горелочного устройства для вращающихся печей по обжигу известняка, в котором используется эффект Коанда - газовой турбулентной горелки ГГТ, подтвержденная патентом на полезную модель Российской Федерации.

6. На основе результатов определения рациональной конфигурации зоны обжига рассчитаны характерные параметры горелки ГГТ и изучено их влияние на эффективность работы печи. Проведены исследования, позволившие определить рациональные условия сжигания топлива во вращающихся печах известняково-доломитового производства, оборудованных горелкой ГГТ.

7. Установлено, что горелка ГГТ (по сравнению с имеющимися горелками известняково-обжигательных вращающихся печей) позволяет значительно улучшить: условия смешивания газо-воздушной среды; условия горения

топлива (легко меняется форма факела от «жесткого» до «мягкого», обеспечивается полное сгорание топлива и не происходит его дожигания на котлах-утилизаторах); качество обжига.

8. Разработаны, спроектированы, изготовлены и исследованы различные конструкции сожигательных устройств типа ГГТ, предназначенные как для сжигания основного топлива - природного газа, так и для утилизации вторичных энергоресурсов (мелкого коксика) и экологически вредных веществ (использованных смазочно-охлаждающих жидкостей).

9. На основании результатов исследования тепловой работы вращающейся печи для обжига известняка, выполненного по методике Бокса, построено уравнение регрессии, позволившее определить рациональную конфигурацию зоны обжига. Установлено, что для организации рациональной конфигурации зоны обжига и тем самым для улучшения тепловой работы вращающейся печи необходимо создать:

1) определенную форму зоны горения, т. е. контакт факела и обрабатываемого материала под определенным углом и на определенном расстоянии от среза горячей головки;

2) определенный характер истечения топлива, который обеспечивает хорошее его смешение с воздухом и при котором факел имеет «жесткую» форму, чему должен соответствовать определенный расход топлива с определенной скоростью истечения его из сопла горелки.

10. Показана возможность использования современного мощного инструмента моделирования - интегрированного пакета программ «РНОЕИЮЗ» для исследования газодинамики сожигательных устройств вращающейся печи по обжигу известняка: турбулентной горелки ГГТ и газовой турбулентной горелки с центральным телом ГЦТ. Получены новые научные данные о полях скоростей и давлений, что позволило сформулировать предложения по совершенствованию горелочных устройств вращающейся печи.

11. Разработана математическая модель работы вращающейся печи по обжигу известняка, которая включает блоки:

- модель перемещения обрабатываемого гранулированного материала через вращающуюся печь;

- модель движения газообразных продуктов;

- модели процессов теплообмена в рабочем пространстве печи, включающие расчет конвективного и радиационного теплообменов, решение уравнения теплопроводности для сферической частицы обрабатываемого материала, расчет теплового баланса;

-расчет материальных балансов, включая модели процессов пылеоб-разования, пылеуноса и пылеулавливания.

12. Проведенные мероприятия позволили повысить металлургические

свойства извести и уменьшить энергетические затраты при ее производстве. Разработанные и внедренные на ИДП ОАО «ММК» рекомендации позволили достичь многомиллионного экономического эффекта. Математическая модель вращающейся печи на данном этапе времени планируется к внедрению в управление технологическим процессом работы вращающейся печи по обжигу известняка ДОЦ ГОП ОАО «ММК», что позволит прогнозировать качество обжигаемого материала и совершенствовать технологию обжига известняка.

13. Разработанная схема организации истечения потока газа через сопло с центральным телом с образованием на поверхности центрального тела тонкого пограничного слоя может быть успешно адаптирована для многих других тягодутьевых устройств металлургического производства, обеспечивая существенный экономический эффект. В частности, использование горелки типа ГЦТ, дающей длинный факел с малым углом раскрытия струи и с наибольшей степенью сгорания топлива при наименьшем коэффициенте расхода воздуха (а = 1,02-1,03) для реконструкции колпаковых печей листопрокатного цеха ЛПЦ-5 ОАО «ММК» обеспечило получение значительного экономического эффекта. Применение горелок типа ГЦТ-Ц на ОАО «МЦОЗ» дало экономический эффект в 5 млн. руб.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

в монографиях:

1. Копцев В.В. Совершенствование технологии и техники производства металлургической извести: Монография. - Магнитогорск: МГТУ, 2004. -148 с. ISBN 5-89514-482-9.

2. Копцев В.В. Горелочные устройства вращающихся печей производства металлургической извести: Учебное пособие. Гриф УМО по образованию в области металлургии. - Магнитогорск: МГТУ, 2004. - 95 с.

3. Копцев В.В. Системный анализ: Учебное пособие. Гриф УМО по образованию в области металлургии. - Магнитогорск: МГМА, 1996. - 213 с.

в рекомендованных ВАК изданиях:

4. Копцев В.В. Совершенствование горелочных устройств вращающихся печей // Изв. вузов. Черная металлургия. - 2003. - № 1. - С. 52-54.

5. Копцев В.В. Моделирование аэродинамики горелочных устройств вращающихся печей // Металлург. - 2004. - № 11. - С. 37-41.

6. Копцев В.В.Горелочное устройство вращающихся печей // Металлург,-2005,-№1,-С. 42-43.

7. Копцев В.В., Копцев A.B. Математическая модель нагрева гранулированной среды. // Вестник СамГТУ. Серия «Технические науки». - 2005. -№38. - С. 128-131.

8. Копцев В.В. Копцев А.В Моделирование работы вращающейся пе-

чм по обжигу известняка. // Вестник СамГТУ. Серия «Технические науки». -2005.-№39.-С. 158-162.

9. Копцев В.В. Математическая модель перемещения обрабатываемого материала через вращающуюся печь по обжигу гранулированного материала. // Вестник СамГТУ. Серия «Физико-математические науки». - 2006. - № 42

- С. 210-212.

10. Копцев В.В., Борисова М.П., Казаков О.В., Горбулин В.Н. Двухпроводная горелка с центральным телом для газовых одностопных колпако-вых печей//Металлург. - 2006. - № 10. - С. 76-78.

11. Копцев В .В. Методика расчета горелочных устройств на базе сопла с центральным телом. // Вестник СамГТУ. Серия «Физико-математические науки». - 2007. - № 1 (14) - С. 148 - 154.

12. Копцев В.В., Казаков О.В., Горбулин В.Н. Физическое моделирование аэродинамики сопла горелочного устройства с центральным телом II Металлург. - 2007,- № 8. - С. 81-82.

13. Копцев В.В. Мощные высокоскоростные горелочные устройства для металлургии // Сталь. - 2008. - № 2. - С. 93 - 95.

14. Копцев В.В. Теория и применение теория и применение горелочных устройств на базе сопла с центральным телом. // Изв. Вузов. Черная металлургия. - 2008. - № 7. - С. 46-50.

в других изданиях:

15. Копцев В.В. Унификация задач математического моделирования работы печных агрегатов II Автоматизированный печной агрегат -основа энергосберегающих технологий металлургии XXI века: Материалы Международной научно-практической конференции, 15-17 ноября 2000 г. - Москва, 2000.

- С. 193-194.

16. Koptsev V. Probabilités, statistiques et planification d'experiences: Recueil des travaux diriges pour les candidats aux magisters du 1 a. -Annaba: Imprimerie d'universite de Annaba, 1984. - 124 p. (фр).

17. Koptsev V. Planification d'experiences, partie 1.: Recueil des travaux diriges pour les candidats aux magisters du 1 a. - Annaba: Imprimerie d'universite de Annaba, 1985.- 86 p. (фр).

18. Koptsev V. Planification d'experiences, partie 2.: Recueil des travaux diriges pour les candidats aux magisters du 1 a. - Annaba: Imprimerie d'universrte de Annaba, 1986. -65 p. (фр).

19. Sorokine S., Koptsev V., Boulava A., Ssorine V. Analise numerique. -Annaba: Imprimerie d'universite de Annaba, 1986. - 124 p. (фр.).

20. Копцев В.В. Технологический цикл «жидкий металл - непре-рывнолитой слиток» как большая система // Автоматизированный печной агрегат - основа энергосберегающих технологий металлургии XXI века: Материалы Международной научно-практической конференции, 15-17 ноября

2000 г. - Москва, 2000. - С 190 - 193.

21. Копцев В.В., Агапитов Е.Б. Совершенствование горелочного устройства вращающейся печи для обжига известняка И Энергетики и металлурги настоящему и будущему России: Тез. докл. Всерос. научн.-техн. конф. 21-22 декабря 199S г. - Магнитогорск, 1998. - С. 53.

22. Копцев В.В., Шатохин И.М. Энергосбережение при производстве извести // Энергосбережение на промышленных предприятиях: Материалы второй Международной научно-технической конференции. / Под общей редакцией Б.И. Заславца. - Магнитогорск, 2000. - С. 323.

23. Копцев В.В. Газовая турбулентная горелка ГГТ-1 для вращающихся печей // Теория и технология металлургического производства. Вып. 1 : Межре-гнон, сб. науч. тр. / Под ред, В.М. Колокольцева. - Магнитогорск: МГТУ, 2001.-С. 191-Î94.

24. Копцев В.В.., Копцев A.B. К расчету газовой горелки. // Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии: Материалы 2-ой международной научно-практической конференции, 3-5 декабря 2002 г. - Москва, 2000. - С. 181-183.

25. Koptstev Valéry V. Application of theory of nozzle with central body to calculation the gas turbulent torch // 9-th International PHOENICS user Conference, Moscow, 2002 (англ), P. 132-135.

26. Копцев В.В., Копцев A.B. Математическое моделирование газодинамики горелочного устройства вращающейся печи // Состояние и перспективы электротехнологии: Тез. докл. Международной научно-технической конференции (XI Бенардосовские чтения), 4-6 июня 2003 г. - Иваново, 2003. - С. 95.

27. Копцев В.В., Копцев A.B. Математическое моделирование работы, вращающейся печи по обжигу известняка // Состояние и перспективы электротехнологии: Тез. докл. Международной научно- технической конференции (XI Бенардосовские чтения), 4-6 июня 2003 г. - Иваново, 2003. - С. 100.

28. Копцев В.В. Исследование аэродинамики сопла горелочного устройства с центральным телом // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. - № 2 (14). -2006 -С. 56-59.

29. Копцев В.В. Снижение энергозатрат при эксплуатации газовых одностопных колпаковых печей // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. - № 2 (14). -2006.-С. 53-56.

30. Копиев В.В., Морозов А.П. Совершенствование и развитие конструкций нагревательных колпаковых печей // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. -№3(15).-2006.-С. 11-14.

31. Полезная модель-№ 14068, МПК Г 23 Д 14/00. Газовая горелка для вращающихся печей / Шатохин И.М., Копцев В.В. // Изобретения. Полезные модели. - 2000. - № 18. - С. 532.

32. Полезная модель № 58660, МПК F 23 Д 14/00. Газовая горелка для

вращающихся печей / Копцев В.В. // Изобретения. Полезные модели. - 2006. -№33.-С. 523.

33. Полезная модель № 61286, МПК Г 23 Д 14/00. Газовая горелка / Копцев В.В., Казаков О.В., Горбулин В.Н., Морозов А.П. // Изобретения. Полезные модели. - 2006. - № 34. - С. 523.

34. Полезная модель № 61286 МПК Р27 В 11/00 Кол паковая печь/ Копцев В.В. // Изобретения. Полезные модели. - 2007. - № 6. - С. 608..

35. Полезная модель № 63493 МПК Р23 Б 114/00 Горелка - теплоге-ненератор / Копцев В.В. // Изобретения. Полезные модели. - 2007. - №15. -С. 812-813.

36. Копцев В.В., Осколков С.В. Тягодутьевые устройства на базе сопла с центральным телом - новые инновационные решения в области эксплуатации

: металлургического оборудования .// Международный промышленный Форум-выставка «Реконструкция промышленных предприятий - прорывные .технологии в металлургии и машиностроении»: Материалы Форума-выставки: Программа. Каталог. Сборник докладов / Международный союз «Металлургмаш» (Москва), Центр Международной Торговли Челябинск (Челябинск). - Челябинск, 2007,- С. 103-104.

37. Швецова Е.С,. Задонская Т.А, Копцев В.В.Условия высокоскоростного сжигания трансзвуковых потоков природного газа // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. - № 1 (15). - 2009. - С. 12-16.

38. Задонская Т.А., Швецова Е.С,. Копцев В.В. Горение высокоскоростных потоков природного газа // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. - № 1(15). -2009.-С. 16-18.

39. Копцев В.В. Энергосберегающее сжигание высокоскоростных потоков природного газа // Материалы 4-й международной научно-практической конференцией «Печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии и машиностроении», 3-4 апреля 2008 г, - Москва, 2008. -С. 212-220.

Подписано в печать 19.12.2008. Формат 60x84 1/16. Бумага тип.№ 1.

Плоская печать. Усл.печ.л. 2,00. Тираж 100 экз. Заказ 946.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ГОУ ВПО «МГТУ»