Разработка метода оценки влияния теплообмена на режим обжига известняка во вращающейся печи Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 669.041

А. А. Ансимов

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Э. Э. Меркер Старооскольский технологический институт им. А. А. Угарова

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ТЕПЛООБМЕНА НА РЕЖИМ ОБЖИГА ИЗВЕСТНЯКА ВО ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ

В статье рассматриваются результаты исследования влияния теплообмена на режим обжига известняка во вращающейся печи с использованием метода расчетов критериев лучистой и конвективной теплоотдачи и влияния на них длины, температуры и других характеристик топливного факела. Исследованы условия теплообмена в системе факел-известняк с определением эффективной температуры в рабочем пространстве печи и оптимальной температуры известняка в зоне обжига агрегата. Установлено влияние показателей качества промышленной извести на шлаковый режим при электроплавке стали в дуговой печи.

Вращающаяся печь, режим обжига, известь, известняк, температура, шлакообразование.

The article deals with studying the influence of heat transfer on the mode of burning limestone in a rotary kiln using a calculation method of criteria of radiant and convective heat transfer and the influence of length, temperature, and other characteristics of the fuel torch. The author researched the conditions of heat exchange in the system of the torch-limestone with the definition of the effective temperature in the working space of the furnace and the optimum temperature of the limestone in the firing area of the unit. The researcher showed the influence of quality indicators of industrial lime on the slag mode when the electric smelting of steel in electric arc furnaces.

Rotary furnace, regime of kilning, lime, limestone, temperature, slag formation.

Введение.

Целью работы является анализ результатов исследования влияния температурных условий режима обжига известняка во вращающейся печи на показатели качества промышленной извести, используемой в сталеплавильном производстве.

Исследования проводили [6] на вращающихся печах обжига известняка [1] для получения промышленной извести, необходимой в металлургическом производстве [4]. В технологии обжига во вращающейся печи [6], [1] известняк нагревают до температуры 900-1300 °С, при которой происходит термическая диссоциация по реакции СаСО3 ^-СаО + СО2 Т и для полного разложения карбоната кальция с получением 1 кг СаО теоретически потребуется 100,09/56,08 = 1,786 кг СаСО3. Причем для разложения 1 кг СаСО3 требуется 1780 кДж теплоты, а для получения 1 кг СаО требуется 1780*1,786=3185 кДж тепла.

Основные показатели работы печи, такие как производительность по извести, удельный расход топлива, расход сырья и другие, определяются условиями теплообмена [1], [3] и параметрами обжига, т. е. температурами обжига материала (То.м., °С), уходящих газов (Тух., °С), выгружаемой из печи извести (Тиз., °С), а также скоростью и давлением (разряжением) газов, химическим составом газов и известняка. При постоянной производительности печи каче-

ство обожженного известняка определяется развитием теплообмена в рабочем пространстве агрегата, т. е. существует зависимость между качеством обожженного сырья и параметрами тепловой работы печи [1], [4].

Основная часть.

Для изучения условий теплообмена [6], [1] и характера изменения температуры сыпучего материала в печи использовали следующие критерии:

Во =

q-G

сто - е-С-F

C =

Re0,8-Х-L-Тг

q-G

W =-

С-тср -Т г

(1)

где Во и Ск - критерий лучистого и конвективного теплообмена; q - удельный расход тепла, кДж/кг; О -производительность печи, кг/ч; со - коэффициент излучения абсолютно черного тела; е - приведенная степень черноты; Тг - теоретическая температура горения, К; ^ - поверхность теплообмена, м2; Яе-критерий Рейнольдса, Яе = ю • Б / и , где ю - скорость газа в печи, м/с; Б и Ь - диаметр и длина зоны горения в печи, м; и - кинематическая вязкость газа, м/с2; X - коэффициент теплопроводности газа, (1,630 Вт/(мград К); с - средняя теплоемкость мате-

q

риала в печи, (1,1 кДж/(кгхград К); тср - средний удельный расход сырья в печи, кг/кг.

Между конечным содержанием (СаО, %) в извести и критериями Во и Ж достоверных взаимосвязей не установлено, учитывая, что конвективная составляющая (Ск) процесса оказывает меньшее влияние на зону обжига, где излучательная способность факела велика. В этом случае представляется целесообразным ввести критерий качества обожженной извести в виде КСаО = ТТм(опт) / Тэф, представляющий из себя отношение оптимальной температуры (Тм(опт),°С) обжига материала (известняка) к усредненной (эффективной) температуре (Тэф,°С) в зоне обжига печи, причем при Тм(опт.) / Тэф >1 наступает процесс пережога материала, а при Тм(опт) / Тэф <1 имеет место недо-пал (недожог). Критерий Ж представляет собой величину, характеризующую соотношение между падением температуры газа (после факела) и подъемом температуры материала (Тм ^ тах) при противотоке в печи. Из критериального выражения (1) для Ж находим значение для q = Ж • с • тср • Т и, подставив это значение q в выражение для Во, получим:

с • т • О

Во = Ж-ср-

Ст„ •Е^ Тг3 • ^

(2)

Из анализа выражения (2) следует, что при сужении зоны обжига в печи, повышении тср и Т г критерий Ж^-тах, что повышает значение Во, а это способствует увеличению параметров q и О при работе печи [6], [4]. Обработка опытных данных по обжигу известняка во вращающейся печи позволила полу-

Т

чить зависимость:

м(опт.)

Т

= в0 •Ж -

при учете по-

догрева воздуха для горения топлива, коэффициента расхода воздуха, нагрева известняка отходящими газами в подогревателе и возврата пыли в печь.

Обработка данных работы вращающейся обжиговой печи в ЦОИ ОАО «ОЭМК» подтверждают косвенно влияние указанных факторов на эффективную температуру в рабочем пространстве агрегата при различных значениях коэффициента теплопередачи (рис. 1). Существенное влияние величины Тэф на некоторые показатели качества извести подтверждают данные лабораторных исследований (рис. 1). Приведенные на рис. 1 данные характеризуют взаимосвязь Тэф с температурными условиями технологического процесса обжига карбонатного сырья при производстве извести во вращающейся печи.

Эффективную температуру (Тэф, °С) в зоне обжига печи находили по уравнению в виде:

Т эф = ((Пк

■Т1+Тм)(т ух - Т м))0,25,

С,

(3)

эф

где Пкпд - значение к.п.д. печи; Ткал - калориметрическая температура горения топлива, С; Тух - температура уходящих из зоны обжига газов, С; Тм -температура извести на выходе из печи, С. Таким образом, при использовании критериальных зависимостей (1) между критерием качества (Ксао = /(Тм(опт) / Тэф)) и значениями Во, Ж, Тэф представляется возможным определить температурный уровень (Тм(опт),°С) нагрева известняка в зоне обжига вращающейся печи. С помощью компьютерной программы (рис. 2) расчет Тэф и КСаО с учетом данных по критериям Во, Ск и Ж осуществляется анализ результатов обжига сырья с оценкой эффективности теплообмена [3], [6] по теплотехнологическим показателям (д, О, пкпд,

Т г и др.) работы вращающейся печи.

^эф; С

Рис. 1. Зависимость тдис от эффективной температуры (Тэф,°С) в зоне обжига известняка при различных значениях коэффициентов теплопередачи (к, Вт/(м2 К)) от потока газа теплоносителя (азот, скорость потока 0,055 м/с) к поверхности материала, а также зависимость отношения Тм /Тэф = /(Во; Ж), где Во - критерий Больцмана и Ж - критерий, характеризующий соотношение между падением температуры в конце факела газа и подъемом температуры материала при противотоке в печи вследствие влияния экзотермических реакций в потоке известняка

X

га

Параметры настройки а* Т„

1 1 1

К, = /(Вг) и

Е

4/ т _ ог

■ в,

<2н = вн/(1+^>

=7/ * П* * +

1 I I Г

а* а ¡е Уве

Тэф, С

Л

£

с

«

Параметры управления

Рис. 2. Блок-схема алгоритма модели расчета эффективной температурой в системе «факел-материал-футеровка» в рабочем пространстве вращающейся печи

Результат расчета эффективной температурой (Тэф, С) (рис. 2) зависит от ряда входных параметров, таких как: химический состав природного газа, расход топлива Вг, (м3/ч) на горение, состав продуктов сгорания, температуры 4 и теплоемкость воздуха

С , идущего на горение, коэффициент расхода воздуха, температуры материала на выходе из печи Тм и температура уходящих газов из печи Тух, которые используются для расчета следующих величин: количество сухих продуктов сгорания УСГ, м3/м3 (блок

1), низшая теплота сгорания газа , ккал/м3 (блок

2), физическое тепло воздуха Q¿, ккал/м3 (блок 3), калориметрическая температура горения Ткал °С (блок 4), эффективная температура в рабочем пространстве печи Тэф,С (блок 5). Программное решение задачи базируется на языке программирования Бе1рЫ7П1е_7.3.4.1_Ж, в которой определяются: расход вентиляторного воздуха Увв, объем продуктов

сгорания УСГ , физическое тепло воздуха, вносимое в зону горения Qф и калориметрическая температура горения Ткал.

Алгоритм программы математической модели расчета факела и теплового состояния технологического процесса во вращающейся печи позволяет определить поток результирующего излучения факела [8] по уравнению (4) с учетом того, что Том. = /Тм.(опт) или Тэф), а Тух и Тм изменяются по ходу работы агрегата. В обобщенном виде алгоритм расчета Qф имеет вид:

Q +2пр-а-

= { при Т ф =■

(Тф +273)4 -(Тм +273)4

К

у.ф.

1000

С,

дис • Т —

> кал

— Q Н - В г + Q ф •

усг - с о - вг

8Пр — 1/[(1/йф) + (((1/8) - 1)хКу.ф.)/К)] ;

^ф

— 1 - е-

(4)

где К2 - коэффициент поглощения при температуре стенки, 1/м, 5;. с = 1,8Яф - эффективная толщина излучающего слоя, м, Яф - радиус турбулентной струи, м, е - степень черноты внутренней поверхности стенки печи (Кп, м2).

Результаты расчета величины Qф используются для определения значения удельного расхода топли-

Qф

ва д —

О-х

с целью оценки тепловых критериев

(уравнение 1), позволяющих характеризовать текущие параметры тепловой работы печи.

Режим обжига известняка во вращающейся печи для производства качественной извести [7], [3] должен обеспечивать требуемую производительность агрегата, пониженный удельный расхода тепла и рациональный предел конечной температуры извести Тиз. (в),°С на выходе из печи при входе ее в холодильник агрегата [5].

На основе анализа данных работы вращающихся печей обжига известняка в ЦОИ ОАО «ОЭМК» и по данным лабораторных исследований установлены

Н

характер влияния параметров температурного режима (рис. 3) в агрегате на показатели качества извести. Влияние температуры извести на выходе из вращающейся печи, Тиз. (в),°С на содержание СаО в извести (рис. 3а, кривая 1) свидетельствует о достижении экстремума (более 90 %) при температуре извести на выходе из вращающейся печи, Тиз. (в), равной около 780-800 °С при допустимых потерях при прокаливании в извести около 4 % (рис. 3а, линия 2). При этом установлено влияние температуры обжига известняка Тиз-к. (о),°С на размеры кристаллов СаО (рис. 3б, кривая 4) после обжига материала.

700 720 740 760 780 800 820 Температура извести на выходе из вращ. печи, Тиз.(в), °С

затем Тиз(в), что позволяет осуществлять контроль содержания СаО в извести (рис. 3).

Определение оптимального расхода извести [2] в дуговую печь при электроплавке металлизованных окатышей осуществляли исходя из накапливающейся массы шлака (вшл, кг) с учетом образующегося (РеО) по формуле:

Ошл = Ошл(0) + (^ок • В /100 + К(реО) + ^ ) • (X - (5)

где Ошл(0) - количество шлака в печи в момент начала (т0, с) подачи окатышей в ванну, кг; Уок - расход окатышей, кг/с; В - содержание пустой породы в окатышах (СаО и 8Ю2), %; К(РеО) - суммарная скорость образования (РеО) в шлаке, кг/с; ¥изв - скорость подачи извести в печь, кг/с; т0 и т - начальное и текущее время по ходу плавки, сек.

По ходу плавки окатышей необходимо поддерживать оптимальный уровень основности шлака (В = СаО/8Ю2), подавая в печь соответствующее количество извести. Для расчета из выражения (5) распишем массы СаО и 8Ю2 в следующем виде:

СаО = (СаО)0 + х (СаО)оК /100+^зв) • (х - Х0), (6) 8Ю2 = (8Ю2 )0 + (Гок • (8Ю2 )ок /100 + ^) • (х - Х0), (7)

Температура известняка в зоне обжига во вращающейся печи, Тиз-к.(о), °С

Рис. 3. Зависимость (а) содержания СаО (кривая 1) и потерь при прокаливании (линия 2) в извести от ее температуры на выходе из вращающейся печи (Тиз.(в),°С) и влияние температуры известняка в зоне обжига печи (б) (Тиз_к.(о),°С) на Тиз.(в) (линия 3) и размер кристаллов СаО (кривая 4)

По результатам обработки данных установлена (рис. 3б, линия 3) тесная корреляционная зависимость Тиз.(в) = 0,3945• Т^ + 322,17, Я2 = 0,61, указывающая на достоверность и взаимосвязь температуры извести на выходе из вращающейся печи Тиз(в), °С и температуры известняка в зоне обжига агрегата Тиз-к(о), °С. Анализ данных тепловой работы вращающихся печей [5] обжига известняка указывает на необходимость определения температуры Тиз-к(о), °С. Таким образом, определив Тиз-к(о), находим

где СаОок и (8Ю2)ок - содержание этих оксидов в окатышах, кг; СаО0 и (8Ю2)0 - начальная масса этих оксидов в шлаке перед подачей окатышей в печь, кг.

Тогда из выражений (6) и (7) получили оптимальную скорость подачи извести в дуговую печь по ходу электроплавки окатышей:

^иЗВ(опт) = (В • (8Ю2 )ок - (СаО)ок ) •Гок /100 +

+ (В • (81О2)0 -(СаО)0)/(Х-Х0). (8)

Таким образом, осуществляя оптимальный расход извести в ванну дуговой печи по выражению (8), можно экономить известь при электроплавке окатышей. При этом интенсифицируется также процесс шлакообразования, ускоряются процессы десульфу-рации и дефосфорации металла, повышается производительность печи и улучшается качество стальной продукции. Оптимизация температурного режима обжига известняка во вращающейся печи влияет на содержание СаО в извести и на конечные показатели электростали.

Выводы.

Установлены закономерности влияния параметров тепловой работы печи на основные технологические процессы обжига известняка при производстве промышленной извести. Получено критериальное уравнение зависимости показателей качества извести от числа В0 и критерия Ж, позволяющее определять оптимальную температуру в зоне обжига печи в зависимости от условий производства. Изучено влияние температурного режима во вращающейся печи на состав извести и при этом определены оптималь-

ные условия температурного режима печи для производства качественной извести с содержанием в ней СаО более 90 % при ее температуре на выходе из печи равной около 780-800 °С. Установлена тесная корреляционная зависимость Тиз. (в) = 0,3945 Тиз-к(о) + + 322,17, Я2 = 0,61, указывающая на достоверность и взаимосвязь температуры извести на выходе из вращающейся печи Тиз(в), °С и температуры известняка в зоне обжига агрегата Тиз-к(о), °С. Изучены закономерности влияния показателей качества извести на интенсификацию процессов шлакообразования при электроплавке стали и предложена к использованию методика, позволяющая оптимизировать присадки извести в агрегате и улучшить показатели процесса.

Литература

1. Антонов, Г. Л. Особенности эксплуатации коротких вращающихся печей обжига известняка / [Г. Л. Антонов и др.] // Сталь. - 2008. - №9. - С. 97-99.

2. Бахаев, Д. А. Исследование роли извести при шлакообразовании и внепечной обработке стали инертными газами / [Д. А. Бахаев и др.] // Вестник Донского государст-

венного технического университета. - 2013. - №7/8(75). -С. 35-42.

3. Бергауз, А. Л. Повышение эффективности сгорания топлива в печах / А. Л. Бергауз, Э. И. Розенфельд. - Л., 1984.

4. Гамей, А. И. Освоение технологии обжига известняка во вращающихся печах / [А. И. Гамей и др. // ОАО «Черметинформация». Бюл. НТИ «Черная металлургия». -2002. - №6. - С. 3-5.

5. Меркер, Э. Э. Повышение эффективности сжигания топлива во вращающехся печах обжига извести / Э. Э. Меркер, Т. В. Агаркова, В. В. Губин // Бюллетень НТИ «Черная металлургия». - 1995. - №5. - С. 28-30.

6. Меркер, Э. Э. Совершенствование методики контроля параметров режима сжигания топлива во вращающихся печах / Э. Э. Меркер, Д. А. Харламов, А. А. Ансимов // ОАО «Черметинформация». Бюл. НТИ «Черная металлургия». - 2011. - №7. - С. 78-81.

7. Нехлебаев, Ю. П. Экономия топлива при производстве извести / Ю. П. Нехлебаев. - М., 1987.

8. Трубаев, П. А. Методы компьютерного моделирования горения и теплообмена во вращающихся печах / П. А. Трубаев, В. А. Кузнецов, П. В. Беседин. - Белгород, 2008.

УДК 629.7.054.07

О. В. Богданова, А. В. Богданов

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент И. О. Жаринов Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики

ВЫБОР ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ КАРТОГРАФИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА ПЛАТФОРМЕ ИМА В УСЛОВИЯХ ОГРАНИЧЕНИЙ, НАЛАГАЕМЫХ БОРТОВОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМОЙ

В статье приводится сравнение классической и перспективной схемы построения бортовых картографических систем, производится анализ основных факторов, влияющих на выбор принципов реализации таких систем. Предложена схема организации картографической системы на основе ИМА архитектуры с операционной системой реального времени (ОС РВ), соответствующей требованиям стандарта ARINC653, с использованием преимуществ каналов видео интерфейсов по стандарту ARINC818-2.

Картографическая система, ИМА, ARINC818-2, ARINC653, APEX канал.

The paper compares the classical and promising architecture of cartographic systems and gives an analysis of the main factors influencing the choice of the principles of the implementation of these systems. The authors proposed the organization scheme of promising cartographic system based on IMA architecture with video interface based on ARINC818-2 standard and described the advantages of these systems when working together with real time operating system (RT OS) based on ARINC653.

Cartographic system, IMA, ARINC818-2, ARINC653, APEX channel.

Введение.

Для современных перспективных авиационных систем в настоящее время используются вычислительные системы на базе ИМА (интегрированная модульная авионика). В таких системах в соответствии с функциональной нагрузкой выделяются: модуль хранения и выборки цифровой базы данных, модули вычислительные (обработки информации), модули ввода-вывода и модули непосредственной растеризации (графоконтроллеры). В соответствии с

данной структурой перед разработчиком встает проблема разделения задачи картографии между этими устройствами, и, соответственно, решения следующего ряда подзадач, связанных с определением структуры БД (базы данных), определения и реализации функций предобработки (которые можно возложить на процессор БД) выбранной из БД информации, организации передачи информации по межмодульной сети. Следует учитывать, что процессор БД обслуживает нескольких абонентов. Некоторая