Моделирование процесса обжига кальцита Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

<?2 = 8,72 + 0,0011Р - 0,22Н - 0,0001РН + 0,00001Р2 + + 0,0019Н2 (Н = 48-55 м).

Указанные методика и подход аналитического определения характеристик ГЭС в целях оптимизации и дооптимизации режима энергосистемы по активной мощности могут быть применены и для других энергосистем.

В Ы В О Д Ы

1. Предложена методика аналитического построения расходных характеристик и характеристик относительного прироста расхода воды на ГЭС с применением метода планирования эксперимента и регрессионного анализа.

2. Проанализированы погрешности линейной и квадратичной моделей и показано, что для необходимой точности аппроксимация характеристик должна осуществляться не менее чем для двух диапазонов изменения напора в зависимости от крутизны функции расхода воды от напора

Я = АН).

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Г у с е й н о в, Ф. Г. Планирование эксперимента в задачах электроэнергетики / Ф. Г. Гусейнов, О. С. Мамедяров. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 150 с.

2. М а м е д я р о в, О. С. Регрессионный анализ установившихся режимов электрической системы / О. С. Мамедяров // Электричество. - 1982. - № 5. - С. 10-24.

Представлена Ученым советом Поступила 10.11.2005

УДК 666.9

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБЖИГА КАЛЬЦИТА Инж. КОЖЕВНИКОВ А. Г.

РУП «Белорусский металлургический завод»

В металлургических процессах удельный расход извести (1 кг на 1 т продукции) составляет: при конверторном способе производства стали -80-100, мартеновском - 15-50, электросталеплавильном - 40-60, агломерация шихты - 20-60. Использование высококачественной извести при выплавке металла увеличивает производительность металлургических агрегатов, снижает удельный расход топлива и повышает срок службы футеровки. Следовательно, решение научно-технических задач по модернизации и оптимизации на существующих заводских мощностях по производству извести позволяет увеличить выпуск основной продукции металлургического предприятия.

Промышленное производство металлургической извести методом термической диссоциации известняков полностью определяется тепловыми процессами подвода теплоты от греющих газов к поверхности фронта диссоциации, что связано со скоростью подвода теплоты диссоциации и характером температурного поля системы. Происходит разложение молекулы СаСО3 на газообразный СО2 и твердый СаО. При этом затрачивается значительное количество теплоты, подводимой от греющих газов, что не может не сказаться на ходе температурных кривых нагрева (на отдельных этапах прохождения кусковым материалом зоны обжига шахтной печи график может замедляться или ускоряться в зависимости от соотношения количества подводимой теплоты к незатронутой диссоциацией массе СаСО3). Кроме того, по мере продвижения куска шихты в зоне обжига происходит его обрастание «шубкой» СаО с теплопроводностью, сильно отличающейся от теплопроводности сырьевого материала СаСО3. В конечном итоге управляющая роль процессом «шубки» преобладает над ролью внутреннего источника (стока теплоты), и процесс начинает зависеть в основном от соотношения А,Са0 / А,СаС0

Принимая во внимание сказанное, ответы на многие вопросы, связанные с энергозатратами в зоне обжига печи, могут быть получены в результате анализа (численного и натурного) температурных графиков нагрева.

В [1] представлена математическая модель процесса теплообмена для условий шахтной печи, на основе которой был разработан алгоритм [2], позволяющий рассчитывать температурное поле внутри обжигаемого кускового кальцита. Для анализа влияния температуры в печи и размеров куска Х на выход СаО + Mg0 и на производительность печи (времени обжига) была разработана машинная программа на ЭМВ. Для идентификации полученной математической модели и тестирования программы выполнен ряд данных натурного и лабораторных экспериментов.

Важность этих экспериментов объясняется рядом причин. В частности, исходная влажность кальцита, используемого в качестве технологического сырья на РУП «БМЗ», составляет величину ИСаС0 < 0,5 %, что позволило

при дальнейшем рассмотрении исключить влияние внутреннего источника в интервале температур 0—дис. Также по ходу кривых нагрева (результаты опыта по нагреву СаСО3 в интервале температур ¿ди(—г.г) удалось скорректировать данные численного эксперимента в части роли процессов диссоциации (теплота диссоциации) и теплопроводности образующегося слоя СаО на поверхности куска СаСО3 во времени обжига.

Для изучения (оценки) полноты обжига и положения фронта диссоциации в существующей на заводе теплотехнологии производился отбор рабочих проб извести на выходе из печей обжига РУП «БМЗ». Типичные образцы (пробы целевого продукта) представлены на рис. 1 (образцы 1, 2 и 3). Образцы 1-3 получены после обжига в печи ППР при обжиге СаСО3 в теплотехнологии, отвечающей 24-часовому циклу при температуре греющих газов tтг = 1150 °С. Куски пробы имеют различный эквивалентный диаметр ^экв. Для пробы 1 (й?экв1 = 70 мм) отчетливо видна зона, не затронутая обжигом. Для проб 2 (а?экв2 = 45 мм) и 3 (а?экв3 = 20 мм) эта зона значительно уступает по размерам зоне пробы 1, что свидетельствует о возможном перегреве кусков СаСО3 небольших размеров и возможном их спекании при дальнейшем росте температуры (диссоциация уже не сдерживает процесс роста температуры).

Фактическое время обжига по существующей теплотехнологии при равномерном продвижении в шахте печи кускового материала Тфакт = 6-8 ч. Время обжига, равное 6-8 ч, может быть объяснено крайне неудачной загрузкой кускового материала шихты по размерам куска. Как видно из рис. 1, шихта состоит из кусков размерами от 100-120 до 10-15 мм. Видно, что мелкие куски СаСО3 полностью разложились (диссоциация закончилась, внутренний источник поглощения теплоты иссяк), а крупные (образец 1) в это же время требуют дополнительного подвода теплоты для продолжения диссоциации, что в равных условиях подвода теплоты к шихте (кусковому материалу) может приводить к спеканию отдельных участков шихтового пространства при одновременном росте времени полного обжига (рост удельного расхода теплоты на теплотехнологию производства СаО + MgO), так как температура греющих газов (обжига) оказывается чрезмерно завышенной для мелких фракций (СаСО3). В итоге при обжиге по существующей на заводе 24-часовой теплотехнологии имеется значительный перерасход топлива.

Рис. 1. Образцы извести, отобранные в конце теплотехнологии 24-часового цикла обжига СаСО3 в печи обжига извести № 2 РУП «БМЗ»: 1-3 - образцы извести размерами 70, 45 и 20 мм (соответственно ¿экв = 25 мм - для первого образца; ¿экв = 15 мм - для второго); зона СаСО3 в образце № 3 просматривается в виде небольшой полоски (образцы отобраны 28 мая 2004 г.)

Таким образом, мелкие куски обжигаемой шихты оказываются перегретыми, а более крупные в своей сердцевине содержат значительное количество СаСО3 (содержание кальцита при гранулометрическом составе (рис. 1) в конце обжига может доходить до 30 и более процентов), что убедительно подтверждается опытом эксплуатации печи ППР РУП «БМЗ» и лабораторным экспериментом (табл. 1).

Таблица 1

Протокол результатов испытаний № 587 от 2.06.2004

Наименование материала Дата поступления пробы № вх. Заказчик СаО + + МgО, % МgО, % 5, % ШШ,%

Известь (проба 1) 05.04.2004 6198 БНТУ 66,2 0,7 0,004 32,3

Известь (проба 2) 71,9 0,4 0,004 25,7

При известных размерах куска кальцита и его необожженной зоны по эквивалентным размерам для шара можно определить выход извести КСаО (степени обжига)

КсаО = 1-4,

где г1 и г2 - радиусы эквивалентного куску шара и необожженной зоны куска шара.

В табл. 2 приведены расчеты степени обжига для опытных образцов 1-3 (рис. 1): образец 1 и расчетные сравнительные данные для одного из кусков.

Следует отметить, что механические свойства образцов 1-3 (рис. 1) будут существенно отличаться. Это подтвердили лабораторные исследования, которые показали наличие разломов в стыке зон извести и кальцита.

Анализ экспериментальных данных нагрева куска СаСОз свидетельствует о том, что на участке подогрева материал ведет себя как массивное тело с Б1 « 0,5. Видимого влияния внутреннего источника не обнаруживается, и поэтому рост температуры на поверхности быстрый. Все это дает основание выполнять расчет процесса нагрева (зона подогрева) по упрощенной методике, хотя предложенная математическая модель [1] позволяет производить расчеты и в зоне подогрева.

Таблица2

Доля СаО + МgО в образцах разного размера

Эквивалентный диаметр, мм 70 45 20

Эквивалентный диаметр необожженной зоны, мм 25 15 1

Выход, % 95,4 96,3 100

Доля СаО + МgО при разной степени обжига

Эквивалентный диаметр, мм 70 70 70

Относительный размер необожженной зоны, % 90 60 20

Эквивалентный диаметр необожженной зоны, мм 63 42 14

Выход, % 27,1 78,4 99,2

При достижении на поверхности температуры 900 °С ее рост резко замедляется. С одной стороны, это связано с сокращением перепада температуры между греющими газами и поверхностью куска нагреваемого кальцита, но наиболее ощутимый вклад в этот механизм вносит все возрастающее значение источника (теплоты диссоциации) и коэффициента теплопроводности нарастающего слоя СаО. Это дает основание сделать вывод о том, что желание сокращения времени обжига не может быть удовлетворено за счет повышения температуры греющих газов. Аналогичные выводы, как будет показано далее, были сделаны и по результатам численного анализа.

На рис. 2 приводится закономерность нагрева куска 38x38x38 мм при температурах греющих газов 1100, 1150 и 1220 °С. Как видим, влияние изменения температуры обнаруживается лишь в зоне предварительного подогрева печи (интервал температур - до 1000 °С). В зоне обжига включается механизм диссоциации (ввиду небольших размеров опытного образца она невелика) и малотеплопроводной «шубки», состоящей из СаО + MgO, и

существенного ускорения процесса (при trr = 1150 °С и выше) с ростом температуры не наблюдается. Серия экспериментов с кубом 38x38x38 мм при разных температурах греющей среды 1100, 1150 и 1220 °С подтвердила тот факт, что увеличение температуры греющих газов не приводило к существенному сокращению пребывания куска в зоне обжига. Сокращение времени пребывания кусков в печи достигалось лишь в зоне подогрева (рис. 2).

Аналогичные эксперименты (в лабораторных условиях) выполнялись с куском 80x80x80 мм при температуре греющей среды 1100, 1150 и 1220 °С. В этой серии опытов зона диссоциации выделялась наиболее четко (рис. 3), что не противоречит физике процесса диссоциации. При этом она оказывалась более размытой, так как фактор массы куска сказывался ярче, чем это имело место в опытах с куском 38x38x38 мм.

Проведенные серии опытов наглядно показали, что сократить время пребывания (снизить энергозатраты) материала за счет повышения температуры греющих газов нельзя. В процессах обжига помимо фактора массы куска при росте температуры греющих газов ускоряется рост толщины слоя малотеплопроводной «шубки» и в целом скорость процесса мало увеличивается.

На рис. 4 приводятся зависимости, полученные при численном моделировании и показывающие профили температуры внутри нагреваемого куска в различные моменты времени t = fx, x), где x - геометрическая координата с отсчетом от центра куска. Как следовало ожидать, получен традиционный температурный график процесса с источником теплоты (теплота диссоциации L).

Рис. 5 и табл. 3, 4 иллюстрируют результаты численного расчета зависимостей между временем обжига, выходом СаО + MgO, эквивалентным размером куска и температурой греющих газов в печи. Графики получены

0 200 400 600 800 1000 t, °С

Рис. 2. Влияние температуры греющих газов Ггг на время процессов производства извести (кусок размерами 38x38x38 мм): 1 и 2 - гц(п) соответственно при Ггг = 1150 °С; 3 и 4 - гц(п) соответственно при Ггг = 1100 °С; 5 и 6 - гц(п) соответственно при = 1220 °С

Рис. 3. Время нагревания куска шихты размерами 80x80x80 мм (куб) при температуре греющих газов Ггг = 1150 °С

для кусков сырьевого материала СаСОз размером ¿/.,К|, = 60-90 мм, изменения температуры греющих газов от 1080 до 1200 °С и выхода целевого материала от 82 до 94 %.

т, °с

10511 1000 950 ИМ ¡5(1 800 750

О 12 24 36 Д", мм

Рис. 4. Профили температуры внутри куска размером 90 мм при температуре обжига 1200 °С: Г - время обжига, ч

Рис. 5. Зависимости времени обжига от содержания в куске извести и размеров куска известняка Л" при разных температурах в зоне обжига

Таблица 3

Влияние продолжительности обжига т на степень выхода извести (содержание СаО + MgO) при температуре обжига 1150 °С

Средний размер кусков кальцита Л"с = 50 мм

СаО + MgO, % 48,4 48,6 53,2 57,8 62,0 67,0

т, Ч 0,56 0,88 1,22 1,58 1,94 2,32

СаО + MgO, % 76,1 78,7 80,7 85,3 90,0 94,0

т, Ч 2,72 3,12 3,55 3,98 4,43 4,57

Средний размер кусков кальцита Л"с = 70 мм

СаО + MgO, % 48,4 48,6 53,2 57,8 62,0 67,0

т, Ч 0,72 1,09 1,47 1,87 2,29 2,71

СаО + MgO, % 76,1 78,7 80,7 85,3 90,0 94,0

т, Ч 3,15 3,61 4,07 4,55 5,05 5,36

2,3

f = 5,2 3,7 "

Х=1 5 jvim /

х = 61 N ч; ✓ й / ✓ >

х = 75 s х = 90 1/*' ■ v>V,J ^ / у / >

л: ✓ У> у у уО /У /fs К. ■ Л' = 60

о"" ^ * * ** ( ✓ , sí" у* У у X = 75 V = 90

--• 1 200 °С 150 °С 180 °С

- ■ "

50 55 60 65 70 75 80 85 90 CaO+MgO, °ó

Таблица 4

Влияние среднего размера кусков кальцита Хс на продолжительность обжига т при температуре обжига 1150 оС

Содержание СаО + MgO - 90 %

Xc, мм 40,0 44,2 48,3 52,5 57,0 61,0

т, ч 0.98 1,22 1,48 1,76 2,04 2,34

Xc, мм 65,0 69,2 73,3 77,5 82,0 86,0

т, ч 2,66 2,98 3,32 3,68 4,05 4,25

Содержание СаО + MgO - 92 %

Xc, мм 40,0 44,2 48,3 52,5 57,0 61,0

т, ч 1,26 1,54 1,84 2,15 2,47 2,80

Xc, мм 65,0 69,2 73,3 77,5 82,0 86,0

т, ч 3,16 3,52 3,90 4,29 4,70 5,06

Содержание СаО + MgO - 94 %

Xc, мм 40,0 44,2 48,3 52,5 57,0 61,0

т, ч 1,47 1,78 2,10 2,44 2,79 3,15

Xc, мм 65,0 69,2 73,3 77,5 82,0 86,0

т, ч 3,53 3,92 4,33 4,75 5,18 5,30

Анализ результатов численного моделирования подтверждают тот факт, что для повышения выхода СаО + MgO (производительности печи обжига) увеличивать температуру в печи (увеличение расхода топлива) выше 1150 °С (рис. 6) не имеет смысла, так как это приводит только к росту расхода топлива. Это объясняется тем, что ограничивающим фактором при обжиге является термическое сопротивление слоя СаО, образующегося на поверхности куска СаСО3. При этом ускорение продвижения фронта диссоциации не происходит, эффект от незначительного роста А,СаО в интервале температур 1150-1200 °С не компенсирует увеличение толщины наружного слой СаО («шубки»). В результате эффект от интенсификации обжига за счет повышения температуры газов практически сводится только к росту удельного расхода топлива.

Рис. 6. Время обжига в зависимости от температуры греющих газов и степени диссоциации для кусков различных размеров

92 % у у* СаО -90 мм - 80 мм

88 % СаО 92 % СаО ----6 0 мм

82 % СаО

92 % СаО \ 88 % СаО

88 % СаО № 82 % СаО

■ — 82 % СаО

1000 1050

1200 1250 Т, °С

t, ч

6

5

4

3

2

0

В то же время изменение температуры греющих газов в диапазоне от 900 до 1150 °С значительно влияет на время обжига, что позволяет использовать данный фактор при управлении процессом обжига (производитель-

ности печи). Как видно из графика на рис. 6, изменение температуры греющих газов с 1050 до 1150 °С приводит к снижению времени обжига куска

с эквивалентным размером 90 мм на 1,4 ч, а с 1150 до 1250 °С - менее на 0,5 ч. Однако снижение эквивалентного размера с 90 до 80 мм позволяет уменьшить время обжига «30 %.

Результаты численного эксперимента подтвердили то обстоятельство, что предложенный и реализованный в виде машинной программы алгоритм, учитывая тонкости процессов, происходящих при обжиге кальцита СаСО3 и получении металлургической извести СаО + Mg0, позволяет управлять этими процессами и оптимизировать параметры теплотехноло-гии обжига извести.

В Ы В О Д Ы

1. Результаты выполненного достаточно представительного натурного эксперимента позволили идентифицировать параметры математической модели и разработанной на ее базе компьютерной программы. Выполнен вычислительный эксперимент по оценке влияния на время обжига кальцита температуры греющих газов, размера куска обжигаемого материала и выхода целевого продукта. Полученные данные могут были использованы для оптимизации размеров зоны предварительного подогрева, обжига и других характеристик теплотехнологии обжига СаСО3, реализуемой в шахтных печах.

2. Экспериментально и в ходе численного эксперимента исследовано влияние трех основных факторов (размера куска известняка, температуры греющих газов и процента выхода извести) на время процесса обжига. Показано, что при заданном проценте выхода готовой продукции наиболее сильное влияние на время процесса имеет размер фракции обрабатываемого материала. Тем самым подтверждено требование о необходимости предварительной подготовки сырья перед его подачей в печь (сортировка и разделение на фракции ±10 % среднего эквивалентного диаметра). Оптимизация параметров теплотехнологии обжига извести может обеспечить увеличение производительности печи на 10-20 %, снижение удельного расхода топлива - не менее чем на 5-10 %, снижение выбросов окислов азота - не менее чем 10-20 %.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. С е д н и н, В. А. Теплофизическая модель процесса обжига кальция / В. А. Седнин, А. Г. Кожевников, И. В. Мельников // Энергетика... (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). - 2004. - № 4. - С. 41-45.

2. С е д н и н, В. А. Расчет продолжительности обжига кусков СаСО3 / В. А. Седнин, А. Г. Кожевников, И. В. Мельников // Вестник БНТУ. - 2004. - № 5. - С. 53-57.

Представлена кафедрой

ПТЭ и ТТ Поступила 7.07.2006