автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Тепловая работа высокотемпературных шахтных печей огнеупорного производства

> #

Ь САНКТ-Ш'ЕИГЛТСК'и! ОГДЕНА

- трудового красного кшжш: технологический университет растительисс полжров

...........г. -._. . -..,.„.....На правах рукописи

— КУЛИКОВ Александр Александрович- —----------—-

уди 666,762:66.041.6н

ТШЛОВАЯ работа шсоютшераотшх шахтных печей огнеупорного производства

--— C5.l4.04" --Зрамшивягоиг тапяо9Н9ррбтг?а- —......

Автореферат диссертации на соискание ученой степени ..... _____ _______ ..._____кандидата.технических наук___________

\

С.-Петербург - 1995

Работа выполнена в Санкт-Петербургском институте огнеупоров

Научный руководитель - кандидат технических наук В.Г.Аббакумов

Официальные оппоненты - доктор технических наук И.П.Цибин

кандидат технических наук В.И.Становой

Ведущая организация - АООТ "Восточный институт огнеупоров"

Защита диссертации состоится Н & %__1995 г.

на васедании специализированного совета К 063.24.02 при Санкт-Петербургском технологическом университете раотительных полимеров по адресу: 196092, С.-Петербург, ул. Ивана Черных, 4, Зал заседаний Ученого совета, А - 223

С диссертацией можно ознакомиться4 в библиотеке Санкт-Петербургского технологического университета растительных полимеров

Автореферат разослан " £ " З'Ц^ЛЯ. . . 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, доцент --В.Д.Иванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из наиболее энергоемких отраслей промышленности является черная металлургия. Доля затрат на топливо и энергию в общих затратах на производство продукции в этой отрасли составляет около 1/3. Для огнеупорной промышленности, как и для всей отрасли, проблема энергосбережения является весьма актуальной. Решение ее связано, прежде всего, с совершенствованием применяемых в ней топливных печей. В производстве огнеупоров обжиг сырья является энергоемким процессом, осуществляемым преимущественно в печных агрегатах двух типов - во вращающихся и шахтных печах. В последнее время роль шахтных печей возрастает, так как в них ниже удельные энергозатраты и они позволяют получать высококачественную продукции из особо чистых материалов, требующих температуру обжига выше '2000° С. В связи с этим важное значение приобретает проблема оптимизации конструктивно-режимных характеристик данных печей, понимаемая как оптимизация их конструктивных решений, тепловых я технологических режимов обжига.

Эффективным методом определения рациональных характеристик шахтных печей является термодинамический анализ их работы, математическое моделирование происходящих в них процессов. Термодинамический анализ позволяет получить простые аналитические' зависимости, выявляющие основные факторы, которые определяют экономичность и эффективность шахтной печи. Математическое моделирование позволяет выявить влияние каждого отдельного конструктивно-режимного параметра на работу печи.

В настоящее время методы термодинамического анализа тепловых процессов в шахтных печах разработаны в недостаточной степени. Не создано обобщенной математической Модели высокотемпературной шахтной печи, позволяющей анализировать весь комплекс взаимосвязанных процессов* происходящих при обжиге огнеупоров, включая процесоы термического разложения и спекания материала.

Цель работы. Целью данной работы является разработка метода, позволяющего проводить.оценку.эффективности, функционирования шахтных печей, как проточных термодинамических сиотем, создание обобщенной математической модели высокотемпературной шахтной печи, разработка н совершенствование высокотемпературных шахтных печей огнеупорного производства.

Новизна работы. Впервые проанализирована работа печного агрега-

та как проточной термодинамической системы. В результате выполненного анализа получено выражение для расчета коэффициента эффективности шахтной печи, позволяющее оценивать степень совершенства конструктивно-режимных параметров агрегата по температурам газовой фазы в определенных точках рабочего пространства. Разработана математическая модель высокотемпературной шахтной печи, связывающая кинетические процессы термического разложения и спекания обжигаемого материала с тепловым режимом работы агрегата.

Практическая ценность. На базе термодинамического анализа и математической модели разработан алгоритм, позволяющий оптимизировать по общим энергозатратам значения основных технических характеристик шахтных печей. С использованием результатов теоретических исследований проведены работы по разработке и совершенствованию высокотемпературных шахтных печей огнеупорного производства.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на Республиканской конференции "Повышение эффективности использования топливно-энергетический ресурсов в черной металлургии" (г. Днепропетровск, 1989 г.) и на научно-практической конференции "Ресурсосбережение при производстве и применении огнеупоров" (г. Екатеринбург, 1994 г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений, в которых приведены документы, подтверждающие практическое использование результатов работы. Диссертация иллюстрирована 13-ю рисунками, содержит 10 таблиц, библиографический список включает 84 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Состояние вопроса разработки рациональных технически:; характеристик высокотемпературных шахтных печей

Эффективность тепловой работы шахтных печей определяется совершенством технических решений, заложенных в их конструкцию, и зависит от реализуемого режима работы.

Шахтная печь представляет собой футерованную металлическую сварную шахту, оборудованную узлом загрузки сырья, системой подачи топлива и окислителя, узлом выгрузки обожженного материала, системой отбора дымовых газов и газоочистным устройством. Рабочий объем шахты заполнен плотным слоем обжигаемого материала. Сырой материал. 2

поступает через узел загрузки в печь. Снизу в печь подается вторичный воздух, обеспечивающий охлаждение материала до требуемой темпе- -ратуры. На отапливаемом участке в печь через периферийные горелочные устройства поступает топливная смесь в количестве, обеспечивающем требуемый температурный режим обжига. Образовавшиеся в результате сгорания топлива дымовые газы путем принудительной конвекции охлаждаются в зоне нагрева за счет теплообмена с продвигающимся по шахте материалом. В результате этого материал нагревается. В общем случае в материале после его высушивания последовательно происходят эндотермическая реакция разложения (декарбонизация, дегидратация), со-провоздающаяся выделением газовой фазы, изменением таплофизических свойств материала, а процесс спекания, вызывающий изменение теплофи-зических свойств и геометрических размеров брикета.

Шахтные печи современных конструкций являются высокопроизводительными и экономичными агрегатами. Достижение полезного эффекта в шахтных печах осуществляется за счет подвода к ним из внешней среды энергии в двух видах - в виде теплоты и работы. Для агрегатов такого типа до настоящего времени не разработано термодинамического метода, позволяющего.комплексно анализировать эффективность их работы. В литературе имеются обобщающие экспериментальные данные зависимости для определения коэффициентов сопротивления и тйплоотдачи, позволяющие в инженерной постановке описать процессы фильтрации и теплообмена газовой фазы в плотном полидисперсном слое. В методах определения технических характеристик шахтных печей обжига огнеупорного сырья не учитывается непосредственное влияние на процесс теплообмена в рабочем объеме процесса сгорания топлива, определяемого условиями термодинамического равновесия газовой фазы, кинетических процессов разложения и спекания материала, влияющих на процесс теплопроводности внутри обжигаемого материала. Существующие, за рубежом математические модели процесса обяига магнезита в шахтных печах основаны на условном разделении рабочего объема печи на 4 зоны: подогрева, декарбонизации, обжига и охлаждения. Расчеты ведутся по урав- • нениям материального и теплового балансов, которые составляются для каждой зоны. Такое упрощение расчетов снижает объем и достоверность получаемой с их помощью информации.

2. Термодинамический анализ работы шахтных печей

Полезный эффект от применения шахтных печей заключается в возможности вести непрерывный процесс термообработки о одновременной

утилизацией тепла материала, прошедшего термообработку, и тепла отработанных дымовых газов. Основным показателем эффективности работы шахтных печей является значение общих энергозатрат, приходящихся на единицу выпускаемой продукции. Полезный эффект достигается за счет подвода к шахтной печи из внешней среды энергии в двух видах - в виде теплоты, получаемой при сжигании топлива, и в виде механической работы нагнетателя, обеспечивающего подачу газовой фазы в рабочий объем печи. Последняя, как правило, осуществляется за счет подвода- электроэнергии. Конструкция шахтной печи обусловливает обратную зависимость между двумя названными видами подводимой энергии, что свидетельствует о наличии минимума у величины удельных общих энергозатрат на обкиг огнеупорного материала. Этому минимуму соответствуют оптимальные значения конструктивно-режимных параметров агрегата. При определении общих энергозатрат необходимо учитывать неэквивалентность топливной и электрической энергий. Получение электрической энергии из тепловой происходит в энергетических установках, работающих с некоторым КПД - Преобразование электрической энергии в механическую работу вентилятора также осуществляется с некоторым КПД - ^вен. Следовательно, реальные затраты тепловой энергии на подачу рабочего тела в шахтную печь в "'/{¡»л1 больше работы, совершаемой нагнетателем. Расчетами установлено, что для некоторых . типов современных шахтных печей величина энергозатрат на подачу газовой фазы в печь может достигать 40 % от энергии, выделяемой в них в результате сжигания топлива. Анализ эффективности работы шахтных печей основывается на свойствах открытой неизолированной системы, способной обмениваться с окружающей средой теплотой и работой. При рассмотрении шахтной печи как проточной термодинамической системы, границей системы считается поверхность рабочего объема печи, ограниченная горизонтальными плоокоотями ва уровне загрузки и выгрузки материала. Рабочим телом в рассматриваемой термодинамической системе является вдуваемый в печь поток газовой фазы.

При проведения термодинамического анализа второстепенные факторы отбрасываются, что приводит к известной идеализации реальных процессов. Дяя обжига в шахтной печи принимается, что рабочее тело является идеальна« газом, количество рабочего тела в его химический состав на всехучастках сиотемы постоянны, процесс горения и теплообмена с материалом заменяется подводом тепла к рабочему телу от некоторого фиктивного источника, граница системы адиабатна. Максимадь-• 4 •

пая температура рабочего тела считается заданной по требованиям технологии обжига конкретного материала.

Энергетический баланс составляется для шахтной .печи, работающей в установившемся режиме. При этом количество поступающей в систему энергии равно расходу энергии, который в общем случае состоит из энергии, поглощенной внутри системы и энергии, вышедшей из системы. Поступающая в систему энергия состоит из нескольких слагаемых. Поток рабочего тела вносит в систему через нижнее граничное сечение свою -внутреннюю энергию, а также кинетическую энергию движения относительно границ системы. При вводе рабочего тела в шахтную печь необходимо преодолевать действие внутреннего давления в системе. Поэтому над рабочим телом, поступающим в систему, должна бьге-ь- соварпена механическая работа внешними силачи - работа ввода, которая увеличивает полную энергию системы и является одним из слагаемых поступающей в нее энергии. При выводе рабочего тела из системы поток рабочего тела выносит свою внутреннюю и кинетическую энергии, а также системой затрачивается работа по преодолению давления внешней среды - работа вывода рабочего тела. При прохождении через шахтную печь изменяется потенциальная энергия рабочего тела в поле сил тяготения, а также рабочим телом совершается некоторая работа, связанная с пылеуносом, ■ в результате чего изменяются потенциальная и кинетическая энергии материала, выносимого из шахтной печи в виде пыли. При прохождении через систему рабочего тела совершается работа внутренними силами трения. Отбрасывая слагаемые, которыми из-за малости значений можно пренебречь, уравнение энергетического баланса шахтной печи записывается в виде:

кг = Ч - 10 , (1)

где ¡1 < Ь. 2 ~ энтальпия рабочего тела на входе и выходе из системы, Дж/кг; ££ - удельное количество" тепла, получаемое рабочим телом в системе, Дж/кг; [с - располагаемая удельная работа в рассматриваемом процессе, Дж/кг.

Общие- удельные энергозатраты на 1 кг рабочего тела определяются

выражением: / „

/ а + —СЛ- (г)

где -общие удельные энергозатраты на термообработку в шахтной печи, Дж/кг; - удельное количество тепла, получаемое в результате сгорания топлива, Дж/кг; - удельная механическая работа вен-

тилятора, .Дд/кг.

Переходя к удельным затратам на 1 кг продукции вместо (2) получаем:

2 £«

где - расходы рабочего тела и материала, кг/с.

Из (з), используя (1) совместно с уравнением энергетического баланса зоны нагрева, получаем:

_ТтаА ~ Те,иц__. .

где К эф = ЛР ^¿"и* "^-коэффициент эффективности шахтной печи;

1

Т.Д^и , Тта, > - температуры рабочего тела в окружающей среде, после сжатия до давления входа, в конце зоны охлаждения, максимальная, на выходе из печи, К; Сру Срп - теплоемкость рабочего тела (изобарная) и материала, Дд/кг.К; - суммарный тепловой эффект физико-химических процессов, происходящих в материале (включая испарение влаги), Дд/кг; ^ = ^1 ье,л . .

Физический смысл коэффициента эффективности заключается в следующем. Значение К}1р определяется отношением величины полезного эффекта, достигаемого в шахтной печи, к величине общих затрат энергии, израсходованной для достижения этого полезного эффекта. Полезный эффект определяется количеством тепла, подводимого к рабочему телу, которое обеспечивает выполнение необходимого условия успешной термообработки материала - повышает температуру рабочего тела в печи до требуемого уровня.

Оценку эффективности работы шахтных печей по значению Кз<р можно рассматривать как расширение подхода, применяемого при оценке эффективности холодильных машин, на случай печных агрегатов. Расширение заключается в том, что в холодильных машинах для достижения полезного эффекта затрачивается Только механическая работа, в то время как в печах затраты энергии, обеспечивающие достижение полезного аффекта, состоят не только из механической работы, но и из энергии, подводимой к рабочему телу в виде тепла. Чем большая величина полезного эффекта приходится на единицу затрачиваемой для его достижения 6

энергии, тем более эффективно работает шахтная печь, тем меньше в

ней общие энергозатраты на единицу продукции., ___________ ______

~ Установлено, что энергозатраты няяе в том случае, если при работе в печи поддерживается избыточное давление, а не разрежение. Оценка минимальных энергозатрат на термообработку в шахтных печах с периферийной подачей топлива показала, что для обжига сухого сырья, протекающего без эндотермических эффектов, необходимо затратить не менее 200 кДж на 1 кг продукции. Когда эндоэффэкты и влажность присутствуют, к указанной величине необходимо прибавить тепло реакции разложения и сушки материала, отнесенное к 1 кг продукта.

3. Математическая модель високотп'.тпегаттрноЯ шахтной пзчи Математическая модель высокотемпературной шахтноЛ печи представляет собой замкнутую систему уравнений, решение которой позволяет определять технические характеристики агрегата. Основными аргументами в расчетной схеме являются: Т - время, с; ОС - вертикальная координата, отсчитываемая от горизонта загрузки и направленная по оси печи, м; % - внутренняя сферическая координата брикета, м. Ос- ■ новными искомыми функциями являются: Тм(я,?)- температура материала, °С; Тг(х) - температура газовой фазы, °С; ^>(х,х)~ плотность материала, кг/м3; Сп(х) ,С(Г(£)-' расходы"твердой и газовой фаз, кг/с; Риьг(х) - распределение избыточного давления по высоте печи. Па. Система уравнений составляется на базе энергетического баланса элементарного объема, соответствующего высоте с1Х , ограниченного стенами и перпендикулярными оси печи плоскостями:

где дЬ-сн.м ~ Удельная энтальпия движущегося по шахте материала,, состоящего, в'общем случае, из смеси вещества загружаемого сырья и вещества продукта разложения, Дк/кг; дКсм.г ~ удельная энтальпия газовой смеси, из которой состоит печной поток газовой фазы, Да/кг; ^пст - Удельные потери тепла из рабочего'объема печи, Бт/м.

В общем случае тепло от газовой фазы частично идет на нагрев, а частично на разложение материала. Состав и расход газовой и твер-. дой фазы по высоте пзчи изменяются. В зоне нагрова это происходит за счет выделения водяных паров при сушке либо дегидратации, углекислого газа при декарбонизации материала, подачи в печь в области горения топливной смеси и изменения ее равновесного состава. Расход

7 -

газовой и твердой фазы по высоте шахты определяется из уравнения материального баланса, а степень термического разложения материала рассчитывается по кинетическому уравнению типа:

где ¿а- -7,- " степень разложения материала в брикете;

' Гнач"упрек г ,

Рнач ^прск - плотность материала сырого и прокаленного, кг/м3;

К - предэкспонентный множитель, с-^; £ - энергия- активации, кДяс/кМоль; /? = 8,314 кДк/к'Лоль.К - универсальная газовая постоянная; Ц - порядок реакции.

В общем случае в состав диссоциированных продуктов сгорания входят 11 компонентов: С02, С'0, Н2 О, 03,М2> И2> Н,0Н N0 ^• Удельная энтатьпия газовой смеси определяется через' парциальные давления соотношением: ,

, ¿Т7 Р'^^/Ч

Д П см,г н .

¿Г Я'У-г

где А ¡21 -удельная полная энтальпия I - ого компонента смеси, Дж/кг; р1 - парциальное давление компонента, Па; р.\ - молярная масса компонента, кг/моль.

Для определения равновесного состава и температуры газовой фазы используются закоп Дальтона и уравнение сохранения энергии, составленное в виде равенства полных энтальпий исходной топливной смеси и продуктов сгорания за вычетом отводимого от последних тепла. Замыкается задача уравнениями химического равновесия и материального баланса.

Распределение температуры внутри брикета определяется уравнением теплопроводности, записываемым в сферических координатах о соответствующими краевыми условиями:

с Кт.)/(..г.),^ - ■

% (/>»«.- Ар«) ъГ > -

где С .Л - удельная теплоемкость, Дж/кг.К, коэффициент теплопроводности, Вт/м2.К, материала; ^ - объемный сток тепла, вызванный

\

процессом термического разложения, Вт/м3; - тепловой эффект реакции термического разложения, Дж/кг газообразного продукта разложения.

Из-за спекания материала уменьшается размеры брикетов, а следовательно и скорость их продвижения по шахте. Параметр спекания материала рассчитывается по кинетическим уравнениям типа: . ... .

где ^ сц* ^^- параметр спекания, характеризующий ¡>С1,СС) <уист ~Гпрсх) относительный объем пор в материале;

/V - параметр, характеризующий относительную концентрацию дефектов кристаллической решетки; £у - энергия активация квазивязкого течения поликристаллического материала и оннигиляции дефектов кристаллической решетки, кДд/кМоль; V - предэкспонентные множители, с"1.

Определение параметров кинетических уравнений (б), (б) проводится по данным лабораторных исследований обжига конкретных матеряа- . лов.

Метод расчета по программе, созданной на базе описанной математической модели, позволяет из расчета серии вариантов определять основные технические характеристики печи, обеспечивающие получение материала заданной плотности при низких затра!^.

Апробация математической модели проводилась на высокотемпературных шахтных печах обжига природного кускового магнезита АО "Магнезит". Данные промышленных исследований теплового режима обжига магнезита подтвердили.адекватность разработанной математической модели реальным условиям. . . .

4. Разработка и совепшенствование высокотемпературных . шахтных печей огнеупорного производства -. В рамках работ по разработке в совершенствованию процессов обжига трудаоспекаемых огнеупорных материалов разработана высокотемпературная шаггная печь для обжига трудаоспекаемых оксидных и карбонатных материалов при температурах до 2200°С, имеющая производительность в зависимости от вида обжигаемого оырья от 1,2 до 1,8 тонн в час.

Разработаны технические решения по-модернизации высокотемпературных вахтных печей для обжига природного саткинокого магнезита.

обеспечивающие при обжиге рядового сырья 20% экономию топлива, при обжиге сырья с пониженным содержанием кремнезема (в пределах 0,5%) получение спеченного порошка с открытой пористостью до 10/5.

Проведены исследования действующих высокотемпературных шахтных печей, работающих при обжиге природных доломитов с использованием пересыпного способа отопления. Выявлены принципиальные недостатки, делающие этот способ отопления бесперспективным для промышленного применения в высокотемпературных шахтных печах, у которых в зоне нагрева создаются благоприятные условия для интенсивного протекания реакций восстановления, в результате чего на действующих печах теряется до 65% загружаемого кокса. Эта часть кокса не достигает области спекания материала и не участвует в высокотемпературном горении, а выносится с дымовыми газами в виде продуктов газификации, практически - токсичной окиси углерода. В ходе исследований разработан и опробован в промышленных условиях энергосберегающий режим отопления с пониженной долей кокса в топливном балансе печи,, при котором выброс в атмосферу окиси углерода снижены - в 2 раза, удельный расход топлива - на 11%.

В рамках программы создания и освоения в стране производства обожженных известковопериклазовых огнеупоров для печей цементной промышленности разработаны технические решения по газотопливной шахтной печи производительностью 26 тыс. т/год для обжига брикетированного сырого доломита Мелихово-Федотовского месторождения при температуре 1900°С, обеспечивающей получение спеченного йзвестковопери-клазового клинкера с кажущейся плотностью 3,15-3,20 г/см3.

шводы

1. разработана обобщенная математическая модель высокотемпературной шахтной печи, связывающая процесс горения топлива, кинетические процессы термического разложения и спекания, протекающие в обжигаемом материале, с конструктивно-режимными характеристиками шахтной печи, позволяющая находить рациональные технические решения при проектировании и эксплуатации печных агрегатов. -

2. Проведен анализ шахтной печи как проточной термодинамической системы, позволивший получить выражение для коэффициента эффективности шахтной печи, который равен отношению величины полезного эффекта к суммарной энергии, потраченной для его достижения. Это выражение по температурам (на входе в печь, в конце зоны охлаждения, мак-. 10

симальной,'на выходе из шахты) и максимальному давлению газовой фазы в рабочем объеме позволяет оценивать эффективность работы печи без использования данных балансовых испытаний.

3. Разработан алгоритм, позволяющий с помощью расчетов по обобщенной математической модели и результатов термодинамического анализа оптимизировать по общим энергозатратам основные технические характеристики как отдельных печей, так и участков технологических линий с несколькими шахтными печами.

4. Проведен ряд практических работ по разработке новых и совершенствованию действующих высокотемпературных шахтных печей огнеупорного производства. Фактический экономический эффехи ог внедрения результатов исследований на Никитовском доломитовом заводе составил 69,8 тыс. руб. в год (в ценах 1987 года).

5. Разработанный подход к анализу эффективности шахтных печей может быть использован при анализе работы печей других типов, например, туннельных, вращающихся и периодических, а также другого теплотехнического оборудования.

Основное содержание диссертации изложено в следующих печатных работах: ................•

1. Аббакумов В.Г., Куликов A.A., Ашкинадзе Г.Ш. Принципиальные недостатки пересыпного способа отопления высокотемпературных шахтных печей. Республиканская конференция "Повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в черной металлургии": Тез. докл., окт. 1989 г. В 2-х кн. Кн. 1 / Под ред. Ю.И.Розенгарта. Днепропетр. металлург, ин-т. - Днепропетровск, 1988. С. 42.

2. Куликов A.A., Романов С.И. Результаты исследований - в производство // Доломитчик Никитовки, 1988. № 24. С. 2.

3. Куликов A.A., Аббакумов В.Г. Теплотехнический расчет высокотемпературной шахтной печи // Огнеупоры, 1994. №3. С. 17-19.

4. Куликов A.A., Аббакумов В.Г. О работе высокотемпературных шахтных печей с пересыпным способом отопления // Огнеупоры, 1994. Я 7. С. 28-30. " у ■

5. Куликов A.A., Аббакумов В.Г. Работа высокотемпературной шахтной печи при обжиге саткинского магнезита // Огнеупоры, 1994. № 8.

С. 24-26.

6. Куликов A.A. Оценка эффективности конструктивно-режимных параметров; тахтнцх печей. Научно-практическая конференция "Росурсосбэ-

11

режение при производстве и применении огнеупоров": Тез. докл.,окт. 1994 г. Комитет РФ по металлургии, АООТ "Восточный институт огнеупоров". - Екатеринбург, 1994. С. 45-47.

лг