Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и обоснование задач исследования 9
1.1. Технологические особенности процессов в слое под горном при агломерации железорудных материалов 10
1.2. Конструкции зажигательных горнов и режимы их работы 18
1.3. Использование тепла охлаждения спека и уходящих газов для снижения расхода газа на зажигание шихты 27
1.4. Автоматизация управления зажигательным горном 32
1.5. Выводы. Постановка и обоснование задач исследований 34
ГЛАВА 2. Разработка методики расчета продолжительности зажигания слоя с учетом свойств шихтовых материалов и вида газообразного топлива ... 36
2.1. Физическая постановка задачи и обоснование методики расчетов 36
2.2. Определение средних за процесс спекания параметров газового потока в слое 40
2.2.1. Расчет удельного расхода воздуха и параметров отходящего из слоя газа 40
2.2.2. Определение гидравлического сопротивления слоя в зависимости от скорости фильтрации газа 47
2.2.3. Определение количественной зависимости выгоревшего углерода шихты под горном от содержания кислорода в продуктах сгорания 50
2.2.4. Исследование зависимости относительного количества выгоревшего в слое под горном углерода от степени обогащения воздуха горения кислородом 58
2.3. Использование подогретого воздуха для сжигания газа 71
2.4. Выводы 75
ГЛАВА 3. Разработка конструкции зажигательного горна 76
3.1. Теплотехнические и эксплуатационные требования к конструкции устройства для внешнего нагрева слоя шихты 76
3.2. Требования к горелочным устройствам и системе отопления горна 78
3.3. Разработка и обоснование конструкции горелочных устройств для зажигательного горна 80
3.3.1. Огневой стенд для проведения исследований горелочных устройств и методика испытаний 81
3.3.2. Результаты стендовых испытаний горелочных усройств 84
3.4. Разработка конструкции горна и устройств дросселирования вакуум-камер под горном 92
3.4.1. Разработка конструкции горна и проведение промышленных испытаний горна 93
3.4.2. Разработка устройств дросселирования вакуум-камер под горном 101
3.5. Выводы 102
ГЛАВА 4. Принципы управления тепловым режимом зажигательного горна агломашины 103
4.1. Система управления температурным режимом зажигательного горна 103
4.2. Система управления газодинамическим режимом зажигательного горна 107
4.3. Разработка функциональной схемы асу и алгоритма управления температурным и газодинамическим режимами горна 109
4.4. Результаты испытаний зажигательного горна при внедрении 114
4.5. Выводы 117
Заключение 118
Основные обозначения и символы 120
Список литературы 124
- Конструкции зажигательных горнов и режимы их работы
- Определение гидравлического сопротивления слоя в зависимости от скорости фильтрации газа
- Огневой стенд для проведения исследований горелочных устройств и методика испытаний
- Разработка функциональной схемы асу и алгоритма управления температурным и газодинамическим режимами горна
Конструкции зажигательных горнов и режимы их работы
В работе [16] приведены результаты измерений в аглочаше скорости фильтрации воздуха через слой на шихтах из разных концентратов и руд в различном их соотношении в железорудной части. Шихты спекали в слое высотой 0,3 м при вакууме под колосниковой решеткой 8 кПа. Характер изменения скорости фильтрации газа во времени был идентичен для различных по составу шихт. Начальный период спекания (10… 15% от продолжительности процесса спекания) характеризовался резким снижением скорости фильтрации, что совпадало по времени с усадкой слоя 90…95% от общей усадки и перемещением зоны конденсации влаги на всю высоту слоя шихты. Основной причиной резкого снижения скорости фильтрации, для исследованных шихт в среднем в 2,25 раза, было уменьшение порозности слоя, связанное с усадкой последнего. Поскольку в конце рассматриваемого периода, с момента установления средней температуры газового потока из слоя 150…200С, происходило снижение скорости фильтрации в 1,2… 1,3 раза до установившегося значения, следовательно, собственно усадка слоя шихты сопровождалась снижением скорости фильтрации в 1,8… 1,9 раза. Из чего можно сделать вывод, что определяющую роль в изменении газопроницаемости слоя в процессе спекания шихты играет усадка слоя. В этой связи возникает необходимость в анализе причин, порождающих усадку слоя, и в разработке мероприятий, направленных на ее снижение.
Существует три вида усадки при спекании агломерационной шихты [16, 17]. Холодная усадка, которая возникает из-за более плотной упаковки гранул исходной шихты, вследствие разрушения и перемещения этих гранул потоком газов, имеющих температуру, равную начальной температуре шихты, а также давлением массы вышележащего столба материалов. Усадка при зажигании, вызванная разрушением и более плотной упаковкой гранул переувлажненной шихты в результате фильтрации через слой газа, имеющего «равновесную температуру испарения» и вызывающего конденсацию влаги в слое. А также усадка при спекании из-за размягчения и оплавления компонентов шихты в зоне высоких температур. Холодная усадка для типичных неподогретых шихт составляет 28…40, при зажигании – 50…60 и при спекании – 8…10% от общей усадки слоя [16, 17]. Как видно, основным видом усадки при зажигании неподо-гретых шихт является усадка при зажигании, обусловленная конденсацией влаги в слое, процесс образования которой следует рассмотреть подробнее.
В момент контакта под горном влажной шихты с высокотемпературным теплоносителем в верхних горизонтах слоя происходит образование зоны сушки, из которой поступает насыщенный водяными парами газ с равновесной температурой испарения в зону исходной шихты, где образуется зона конденсации. Если температура исходной шихты ниже температуры точки росы, газ становится пересыщенным водяными парами и избыток влаги (сверх равновесного содержания при температуре шихты) конденсируется, отдавая тепло шихте, при этом образуется зона переувлажнения практически с такой же температурой. Причем, чем больше разность между температурой теплоносителя и температурой шихты, тем выше насыщенность газа водяными парами и больше переувлажняются верхние элементы слоя шихты. Этот процесс продолжается на данном горизонте до тех пор, пока температура шихты не достигнет температуры точки росы. После этого насыщенный влажный газ движется через данный горизонт, не изменяя своих параметров, и конденсация влаги переносится в следующий, расположенный ниже горизонт шихты, где образуется зона переувлажнения. В зоне переувлажнения температура газа и количество конденсирующейся влаги по высоте непрерывно уменьшаются [16]. Отмеченное неравномерное распределение конденсирующейся влаги по высоте слоя влечет за собой значительное уменьшение газопроницаемости спекаемого материала, основной причиной которого является разрушение исходной структуры шихты под действием конденсирующейся влаги и последующей усадки. Сконденсировавшаяся влага в случае спекания невлагоемкого материала закупоривает каналы между частицами, что также ухудшает газопроницаемость, а капельки воды могут перемещаться по слою за счет энергии газового потока. Степень механического переноса воды газом неодинакова для различных шихт.
Для обычных условий агломерации железорудных материалов высота зоны конденсации составляет по данным разных авторов от 20 до 50 мм [2, 6, 7], время выхода зоны на колосники - от 1 до 3 минут [2, 6, 7, 10]. В течение этого периода отходящий из слоя газ имеет температуру и влагосодержание, соответствующие температуре шихты и равновесному содержанию водяных паров при этой температуре. После переувлажнения слоя шихты (вплоть до колосниковой решетки) температура отходящего газа повышается до температуры точки росы и с этого момента вся испаряющаяся в выше расположенных горизонтах влага начинает уходить в дымоход.
Количество конденсирующейся в зоне переувлажнения влаги (АВк) прямо пропорционально удельному расходу газа на переувлажнение (GK), разности насыщенного влагосодержания газа при температуре точки росы (хршс) и температуре исходной шихты (х"ас): №к =Ок(хршс -Хишс), кг/кгсш . (1.5)
Температура точки росы и, как следствие, насыщенное влагосодержание в зоне переувлажнения определяются количеством испарившейся в зоне сушки влаги, отнесенным к единице массы газа, фильтруемого через слой. Соответственно, чем выше начальная влажность шихты и ниже ее температура, тем больше влаги конденсируется в зоне переувлажнения.
Определение гидравлического сопротивления слоя в зависимости от скорости фильтрации газа
Для оптимального зажигания слоя агломерационной шихты под горном, необходимо использовать топливо, обеспечивающую заданную температуру горения и максимальное содержание свободного кислорода в продуктах сгорания. Этого можно достичь, используя высококалорийное топливо, например, природный или коксовый газ, а также обогащением кислородом воздуха горения. Однако, применение технологического кислорода для обогащения воздуха, не является оправданным ввиду его высокой стоимости. Повышение концентрации кислорода в горновых газах можно обеспечить подогревом воздуха идущего на горение в горне за счет повышения коэффициента расхода воздуха при заданной температуре продуктов сгорания.
Для газов, применяемых в исследованиях, произвели расчеты на содержание в продуктах свободного кислорода для температуры горения 1200 и 1300С с использованием подогретого воздуха с температурой 100, 200, 300, 400, и 500С (Рисунок 2.11). Данные расчетов представлены в приложении 3.
Как видно из рисунке 2.10, предварительный подогрев воздуха идущего на горение газообразного топлива обеспечивает увеличение концентрации свободного кислорода в продуктах сгорания при их постоянной температуре, особенно на низкокалорийном газе, что сопровождается ростом вертикальной скорости спекания и, соответственно, производительности агломашины.
Увеличение температуры подогрева воздуха на каждые 100С приводит к росту концентрации кислорода в продуктах сгорания от 7 до 11%. Кроме того, подача в горелки горна нагретого воздуха заменяет газообразное топливо в эквивалентном количестве тепла. Рисунок 2.10. Зависимость содержания свободного кислорода О2 в продуктах сгорания газов различного состава и теплотой сгорания от температуры подогрева воздуха tв при tгорн = 1300 С
Горячий воздух после охладителя агломерата может иметь температуру до 500С, однако при дальнейшей очистке от пыли и транспортировке к горелкам происходят значительные потери тепла. Поэтому применение такого воздуха приводит к высоким капитальным затратам, связанных с затратами на теплоизоляцию очистных циклонов и подводящих трактов горячего воздуха к горну. В текущих условиях на предприятиях реально возможным является использование воздуха для подачи в горелки горна с температурой не выше 300С.
Для проведенных исследований с целью оценки относительных потерь производительности агломашин, связанные с нахождением шихты под горном в атмосфере с недостатком кислорода при температуре в горне 1300 С, произвели расчет по формуле 2.52 степени выгорания углерода в зависимости от содержания кислорода в атмосфере горна. Значение производительности агломашины во время нахождения шихты под горном по отношению к производительности в основном периоде спекания определили по формуле: g 0 С = (11,77О 2 - 0,352О 22)горн , %. (2.58) м Аналогично пересчитали производительность агломашин при подаче в горелки горна подогретого воздуха до 300С ( glг о р н С) Таким образом, прирост производительности агломашины за счет подогрева воздуха в горне до 300С (Ag р нС) составил:
Расчетные данные (Таблица 2.19) показали, что возможный прирост производительности при подогреве воздуха до 300С в рассмотренных исследованиях составит от 1,5 до 2,79%. Наибольший прирост производительности (2,79%) возможен на агломашине Качканарского ГОКа, имеющей самое большое перекрытие площади горном (28%). Также хороший прирост производительности (2,19%) получен для агломашины (75 м2) Карагандинского МК, связанный с низкой теплотворной способностью применяемого для отопления горна газа.
Таким образом, использование подогретого воздуха наиболее выгодно при эксплуатации длинных горнов, а при прочих равных, при использовании низкокалорийных топлив на зажигание шихты.
При реализации режима комбинированного нагрева слоя горячий воздух, помимо горелок горна, эффективно подавать и в слой под горном после основного периода зажигания слоя шихты. Подача нагретого воздуха для дополнительного нагрева слоя формирующегося агломерата приводит к увеличению времени пребывания материала при высоких температурах и, следовательно, к снижению расхода твердого топлива и улучшению качества агломерата. Последнее также позволит увеличить производительность агломашины.
Горячий воздух также целесообразно подавать в слой за горном под специальное укрытие в зону спекания агломашины, примерно на 40% ее длины, так как дальнейшее увеличение площади подачи уже не обеспечит снижение расхода твердого топлива, но увеличит температуру агломерата и энергозатраты на его охлаждение.
Огневой стенд для проведения исследований горелочных устройств и методика испытаний
При спекании шихты в слое 150…250 мм на отечественных агло-машинах в 1960-е годы продолжительность зажигания составляла менее 1 мин [6, 7]. Этим объясняются положительные результаты, полученные при установке за горном дополнительных газогорелочных устройств, а в последующем, и при внедрении горнов для комбинированного нагрева шихты (КНШ). Установка удлиненных горнов для КНШ привела к снижению расхода твердого топлива в шихту и содержания мелочи в агломерате, увеличению выхода годного и производительности агломашин. Однако при этом примерно в 2 раза вырос удельный расход тепла на зажигание, что в среднем по аглофабрикам черной металлургии составило [26]: в 1989 г. - 268 МДж/т агломерата. Кроме того, как было показано выше, недостаток кислорода в продуктах сгорания под горном приводит к торможению процессов горения топлива шихты. Поэтому использование в удлиненных горнах в качестве источника внешнего нагрева шихты тепла от сжигания газообразного топлива, приводит к снижению относительной производительности агломашины.
В большинстве случаев для отопления горновых устройств на агломерационных фабриках используют доменный, коксовый, природный газы или их смеси в различных соотношениях. Предпочтительней использование коксового и/или природного газов, обладающих наибольшими значениями энтальпии и теоретической температуры горения, использование доменного газа желательно только в смеси с высококалорийными газами.
Основными теплотехническими и эксплуатационными требованиями к конструкции устройства для внешнего нагрева слоя являются: обеспечение равномерного по ширине и регулируемого по длине температурного поля над слоем; высокий тепловой к.п.д.; простота конструкции и удобство эксплуатации. С технологической и экономической точек зрения устройство должно обеспечивать наилучшие показатели качества агломерата, удельных затрат топлива и производительности [46].
Температурное поле, формируемое при зажигании агломерационной шихты под горном, должно иметь форму, обеспечивающую оптимальную организацию последовательных и непрерывных во времени операций режима комбинированного нагрева: предварительного нагрева, зажигания и формирования активной зоны горения твердого топлива в слое, дополнительного нагрева слоя (Рисунок 1.2).
При спекании шихт, чувствительных к конденсации влаги, температура теплоносителя над слоем в период нагрева поверхности шихты (1,0… 1,5 мин [19]) должна изменяться по длине горна от 300…500 С до максимальной. Для подогретых и малочувствительных к конденсации влаги шихт допустим более быстрый режим нагрева слоя под горном.
Тепловой режим для той части горна, где осуществляется зажигание слоя, выбирают исходя из технологических требований предъявляемых для спекания того или иного вида шихты, в целом он должен соответствовать аналогичному температурному режиму средней части слоя, где формируется агломерат оптимального качества. Тепловой режим при этом следует устанавливать с учетом изменения содержания СО2 и О2 в газах над слоем и на выходе из него.
В той части горна, где происходит дополнительный прогрев слоя, температура теплоносителя должна плавно снижаться по мере увеличения уровня регенерации тепла (по ходу движения спекательных тележек). Этим достигается снятие напряжения стекловидных фаз формируемого агломерата верхнего слоя и, соответственно, обеспечивается необходимая его прочность. Данные условия должны учитываться при формировании температурного и газодинамического режимов работы горна.
Соблюдение оптимального газодинамического режима под горном достигается дросселированием вакуум-камер перекрываемых горном. Методика расчета степени дросселирования изложена в предыдущей главе.
В горне должно соблюдаться минимальное разрежение (30…50 Па), исключающее выбивание продуктов сгорания из под горна. Кроме того, это обеспечивает приток атмосферного воздуха в начальную и конечную части горна, что сглаживает температурные режимы предварительного и дополнительного нагрева слоя. С другой стороны, минимальное разрежение в нижней части боковых стен горна исключает значительные подсосы холодного воздуха у бортов тележек.
Требованию полного сжигания газа под горном до входа в слой, удовлетворяет применение короткофакельных или плоскопламенных горелок. Особенностью плоскопламенных горелок является закручивание воздушного потока при помощи винта (винтовой вставки) и подача газа тонкими струями в этот поток воздуха, а также наличие горелочного камня с тороидальной формой внутренней поверхности. Горелки устанавливаются на своде горна и обеспечивают равномерный нагрев по всей поверхности слоя за счет реализации радиационного теплообмена. Однако на данных горелках сложнее реализовать режимы работы с требуемым избытком воздуха, обычные значения « = 0,8...2,0. Кроме того, разогревая теплоизоляцию свода горна, плоскопламенные горелки создают в ней значительные температурные напряжения по сравнению с короткофа-кельными горелками, лишенные данного недостатка. Формируемый ко-роткофакельной горелкой основной тепловой поток направлен в слой, они более просты в изготовлении и обслуживании, могут работать с большими значениями избыточного воздуха (до « = 3,0). С учетом всего вышесказанного, применение на горне короткофакельных горелок является более предпочтительным.
Количество горелочных устройств, а также расстояние от среза горелочного тоннеля до шихты должно выбираться из условий обеспечения равномерного температурного поля по ширине тележки и уменьшения потерь тепла через боковые стенки горна.
Разработка функциональной схемы асу и алгоритма управления температурным и газодинамическим режимами горна
Поддержание базового температурного режима при комбинированном нагреве шихты обеспечивает контур регулирования температуры слоя. Измерение температуры слоя в составе данного контура производится пирометром ТТ1 свизированного на поверхность слоя в центре спе-кательной тележки. Регулятор TCV01 пропорционально скорости движения тележек формирует задание температуры слоя шихты. При возникновении рассогласования между текущей температурой слоя и заданием регулятор выдает управляющий сигнал на дроссельную газовую заслонку ST01 для изменения расхода газа в сторону уменьшения рассогласования.
Для улучшения динамических свойств регулятора температуры слоя, в рамках уравнения 4.19, программа управления пропорционально изменениям скорости движения тележек и скорости фильтрации в слое под горном изменяет необходимый объем газообразного топлива для текущей заданной температуры.
Подсистема управления соотношения «газ-воздух» обеспечивает подачу на горение заданного количества воздуха пропорционально для каждой панели при различных режимах функционирования агломашины. Подсистема строится на базе контура регулирования «газ-воздух», и работает следующим образом. Регулятор TCV02 сравнивает текущее соотношение показаний расходомеров газа FT01 и воздуха FT02 с заданным для текущего режима. Вслед за изменением расхода газа, регулятор выдает сигнал, соответственно на закрытие или открытие воздушного дросселя ST02, обеспечивая тем самым необходимый расход воздуха на горелки горна.
Для обеспечения распределенной подачи воздуха в горелочные панели горна на воздухопроводах каждой панели установлены ручные регулирующие дроссели (ДК1…ДК3), а после них по ходу, датчики давления газа с выходным токовым сигналом (РТ1.2…РТ3.2). Необходимая степень открытия дросселей устанавливается в ходе предварительных испытаний для различных режимов функционирования горна.
При кратковременной остановке агломашины (скорость движения спекательных тележек равна нулю) задание на поддержание температуры поверхности слоя плавно уменьшается, соответственно уменьшается расход газа, а за ним и расход воздуха. Регулятор расхода воздуха переходит в режим регулирования соотношения «топливо-воздух», в соотношении 1:1. Автоматика прикрывает регулирующий воздушный дроссель, после чего закрывается газовый дроссель, выдерживая величину соотношения 1:1,2. Таким образом, в четыре шага обеспечивается сокращение расхода газа до 50% от основного режима. При достижении расхода газа установленной минимальной величины включаются контуры регулирования давления газа панелей (РCV1.1b…РCV3.1b), поддерживающие необходимое минимальное давление газа перед горелками панели вне зависимости от значения температуры поверхности шихты. Далее расход газа, а за ним и расход воздуха уменьшаются до величины, соответствующей режиму «малый газ». При этом увеличивается объем воздуха, поступающего на охлаждение балок горна и обдув бортов и роликов спека-тельных тележек.
Система предполагает возможность работы с отключением из автоматического режима одного, двух и всех трех контуров регулирования давления газа панелей. При этом заданные режимной картой значения рабочих параметров горна поддерживаются изменением положения регулирующих клапанов в режиме «ручное управление».
При включении привода агломашины происходит возврат к исходным значениям расходов газа и воздуха в обратном порядке, отключаются контуры регулирования давления газа панелей, и включается контур регулирования температуры поверхности слоя. Задание на поддержание температуры поверхности слоя больше, чем в режиме остановки, и расход газа, а за ним и воздуха начинают увеличиваться. При достижении расхода газа установленной минимальной величины, ЗМС панелей принимают установленную степень открытия для рабочего режима.
Для контроля температуры критических элементов горна и аглома 114 шины и предотвращения аварийных ситуаций, система управления горна осуществляет контроль температур металлического основания поверхности горелочных панелей двумя термопарами на панель ТЕ1.1…ТЕ3.2, футеровки боковых стенок пирометром ТТ2, свизированным на верхнюю часть боковой стенки, а также бортов спекательных тележек двумя термопарами ТЕ4.1, ТЕ4.2, в правой и левой боковой стенке. При аварийных значениях температур, система предупреждает о возможном нарушении целостности данных элементов конструкции горна и агломашины.
Реализация системы управления тепловым режимом зажигательного горна осуществляется на базе микропроцессорной техники. Количественные значения различных технологических соотношений и уставок определяются при проведении режимно-наладочных испытаний по общепринятой методике [88].
В период испытаний зажигательного горна на агломашине № 1 Высокогорского ГОКа осуществлялось производство агломерата из железорудной шихты следующего состава: концентрат - 68,7, руда - 10,3, отходы - 7,7, флюс - 9,2 и твердое топливо - 4,1 %. Высота слоя шихты, загружаемой на спекательные тележки, составляло 200…230 мм, разрежение и температура газа в сборном коллекторе агломашины - 7,5…8,5 кПа и 110…130С. Для зажигания шихты использовался природный газ
Тюменского месторождения с низшей теплотой сгорания 33,5 МДж/м .
По данным испытаний были определены значения органов настройки регуляторов и внесены в управляющие программы вычислительной техники.
Параметры работы горна в автоматическом режиме приведены в таблице 4.1. В таблице режим 1 иллюстрирует режим с увеличенной по сравнению с рабочим (2,0…2,2 м/мин) скоростью движения спекательных тележек, режим 2 - режим «малый газ» при остановке агломашины,
В режиме 2 заданное значение температуры имело минимальное значение, расход газа в 2 раза ниже, чем в рабочем режиме, однако высокие температуры в рабочем пространстве горна поддерживаются некоторое время за счет горения твердого топлива на поверхности шихты. Дальнейшее снижение расходов газа и воздуха ограничено конечниками на исполнительных механизмах регулирующих клапанов на трубопроводах газо- и воздухоснабжения горна. Высокие температуры в рабочем пространстве горна и низкий расход воздуха на горелки влекут за собой увеличение температуры металлического основания панелей.
Включение контуров регулирования расхода газа на панель 3 (режим 4) и на панели 2 и 3 (режим 5) не привело к снижению расхода газа на горн в целом, и температуры под сводом панелей практически не изменились. В связи с этим в дальнейшем контур автоматического регулирования положением ЗМС был переведен в режим «ручное управление», ЗМС – в положение «открыто».
Из таблицы 4.1 видно, что практически все тепло, вносимое газом и воздухом в рабочее пространство горна, усваивается шихтой. Горелки обеспечивают сжигание природного газа при отсутствии химического недожога. Потери тепла через наружную поверхность горна составляют в рабочем режиме 0,2…0,3 % и увеличиваются до 0,5 % при кратковременной остановке агломашины. Коэффициент использования тепла в горне находится на уровне 95 %, его дальнейшее увеличение ограничено технологическими особенностями процесса агломерации.
