Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Современные способы повышения эффективности тепловых процессов в высокотемпературных металлургических агрегатах 12
1.1 Основные характеристики высокотемпературного металлургического агрегата на примере трубчатой вращающейся печи спекания 12
1.2 Основные принципы работы вращающейся печи 16
1.3 Новые конструкции футеровки вращающихся печей спекания 18
1.4 Теплоизоляционные материалы, применяемые в технологических трубопроводах 22
1.5 Современные способы моделирования технологических процессов в высокотемпературных металлургических агрегатах 30
1.5.1 Описание методов математического моделирования 31
1.5.2 Вероятностный метод 32
1.5.3 Метод интервального анализа 34
1.5.4 Статическая модель с распределенными параметрами 35
1.5.5 Область применения математических моделей 37
ГЛАВА 2 Математическая модель обжиговой вращающейся печи 38
2.1 Уравнения неразрывности 38
2.2 Баланс массы химических веществ 39
2.3 Тепловой баланс 41
2.4 Уравнение движения 43
2.5 Определение фаз и межфазовых взаимодействий 43
2.6 Физико-химические превращения 47
2.7 Теплообмен в системе газ – кладка – материал – среда 50
2.8 Коэффициентная форма представления модели 55
2.8.1 Коэффициенты системы уравнений баланса тепла 55
2.8.2 Коэффициенты системы уравнений неразрывности 57
2.8.3 Коэффициенты системы уравнений баланса химических веществ 58
2.8.4 Коэффициенты уравнения движения газа 59
2.9 Свойства и производные свойств (справочная информация) 60
2.10 Радиационный поток в излучающей и поглощающей среде 64
2.11 Выводы по второй главе 65
ГЛАВА 3 Обобщенная методика определения коэффициента теплопроводности 67
3.1 Разработка обобщённой методики определения коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов 67
3.2 Выводы по третьей главе 76
ГЛАВА 4 Теплофизические свойства огнеупорных материалов, применяемых в высокотемпературных грегатах 77
4.1 Свойства огнеупорных материалов 77
4.2 Обработка данных и построение уравнения связи теплопроводности и теплофизических свойств материала 82
4.3 Оценка адекватности уравнения связи теплопроводности и теплофизических свойств материала 87
4.4 Экспериментальная проверка адекватности зависимостей теплопроводности от свойств материала и внешних условий 89
4.5 Выводы по четвертой главе 97
ГЛАВА 5 Совершенствование теплоизоляции технологических трубопроводов 98
5.1 Разработка новой конструкции теплоизолированной трубы 98
5.2 Экспериментальная проверка тепловых потоков 106
5.3 Выводы по пятой главе 108
ГЛАВА 6 Анализ технологических процессов в высокотемпературных агретах с помощью разработанных математических моделей 109
6.1 Математическое моделирование тепловых процессов в трубчатой вращающейся печи спекания 109
6.1.1 Аэродинамическая модель 109
6.1.2 Тепловой режим факела 112
6.1.3 Математическое моделирование теплового режима в трубчатой вращающейся печи спекания в среде Ansys Fluent 114
6.2 Математическое моделирование тепловых процессов во вращающейся
печи спекания 128
6.3 Математическое моделирование теплопередачи в агрегатах с
многослойными стенками 135
6.4 Система контроля температуры футеровки 142
6.5 Выводы по шестой главе 147
Заключение 148
Список литературы
- Основные принципы работы вращающейся печи
- Определение фаз и межфазовых взаимодействий
- Обработка данных и построение уравнения связи теплопроводности и теплофизических свойств материала
- Математическое моделирование теплового режима в трубчатой вращающейся печи спекания в среде Ansys Fluent
Основные принципы работы вращающейся печи
Даже при устойчивом стационарном режиме работы вращающейся печи футеровка претерпевает значительные колебания температуры. При каждом соприкосновении с газовым потоком температура футеровки повышается, а при соприкосновении с материалов – понижается. Колебания амплитуды температурного режима напрямую зависит от заполнения печи материалом и от расположения рассматриваемого участка футеровки. Колебания температуры в зоне спекания составляют от 40 до 100С. Изменения температурного режима проникают на глубину 3-4 см, а их число составляет в сутки от 1400 до 4300 раз.
В связи с особенностями строения самого печного агрегата футеровка имеет небольшую толщину. Это обусловливает большой температурный градиент 50-70 градусов на сантиметр поверхности в огнеупоре при высокой температуре газового потока. Это приводит к возникновению в нем термических напряжений. Данное обстоятельство приводит к необходимости использовать огнеупорные материалы с малой теплопроводностью для футеровки печей.
При малой толщине температурных швов тепломеханические напряжения, которые испытывает футеровка вращающейся печи, приводят к разрушению кирпича.
Определим факторы, воздействующие на условия службы футеровки: вращение корпуса печи, температурный режим футеровки, вибрация, деформации изгибов и проч. В зависимости от интенсивности того или иного фактора воздействия на футеровку, она испытывает механические напряжения: сжатие, растяжение, изгиб. Температурный режим футеровки определяется расположением факела, его формой, а также видом теплообменных устройств и применением теплоизоляции.
Можно отметить, что все рассмотренные факторы изнашивания футеровки одновременно воздействуют на нее, также одни факторы влияют на другие. Вращающуюся печь необходимо поделить на зоны в соответствии с ходом технологических процессов. Для футеровки отельных зон необходимо применять различные материалы.
С холодного конца (зона испарения) участок печи не футеруется, на этом участке под углом 60 расположены отбросные лопасти шириной 300 мм. Затем печь футеруется алюмосиликатным шамотным огнеупором марки ШЦУ. Здесь на начальной по ходу материала длине печи, происходит испарение несвязанной влаги. Температура встречных газов падает. Температура материала поднимается незначительно (до 180-200С) вследствие большого расхода на скрытую теплоту испарения влаги [79, 84, 87].
Износ футеровки зоны спекания приводит к необходимости остановки печи на ремонт. Данный показатель в огромной степени является определяющим фактором сроков использования печи и наработки агрегата на отказ. При проектировании, разработке и выборе вращающейся печи необходимо учитывать этот фактор и останавливать свой выбор на печах, лучших для данного проекта по соотношению цена/качество.
На сегодняшний день одним из приоритетных направлений в решении задач сбережения энергии при эксплуатации тепловых агрегатов, которые требуют высоких температур. Ю.А. Онасенко, В. В. Песчанская, И. В. Голуб в своей работе указывают, что применение эффективных видов огнеупоров позволяет снизить потери тепловой энергии, стабилизировать температурный режим в рабочем пространстве агрегата и увеличить длительность межремонтных периодов [91].
На текущий момент особой популярностью в различных отраслях промышленности пользуются печи, которые футеруются огнеупорами различного типа в зависимости от вида обжигаемого материала. Главной и наиболее актуальной задачей становится применение и разработка футеровочных огнеупоров, которые бы обеспечивали высокую стойкость к воздействию комплекса разрушительных факторов.
По мнению Аксельрода Л.М. [63] эффективным решением проблемы улучшения теплотехнических и эксплуатационных свойств футеровок вращающихся печей является изготовление комбинированных многослойных футеровок из унифицированных огнеупорных изделий, бетонных блоков и секций рациональной геометрической конфигурации.
В связи с усложнением технологических процессов, которые связаны с формованием изделий из материалов различных составов, а также выбором для каждого оптимального типа обжига на сегодняшний момент сдерживается массовое производство изделий с различными свойствами и типами футеровок. С данной проблемой постоянно сталкиваются современные исследователи.
На сегодняшний день нам известен ряд технологических разработок ведущих исследователей, таких, как: Чусовитина Т.В. [7, 64, 91], Гончаров Ю.И. [8, 64, 91] и Примаченко В.В. [64, 91] по производству многослойных огнеупоров для вращающихся печей различного химического состава.
Определение фаз и межфазовых взаимодействий
Скорость материала рассчитывается исходя из диаметра печи, степени ее заполнения материалом в рассматриваемом поперечном сечении, массового расхода и насыпного веса шихты ps:
На основе известной площади поперечного сечения печи, доли от общей площади, приходящейся на материал и пыль, по формуле (2.5.3) рассчитывается площадь сечения, занятая газом sg. Затем через массовый расход газа mg, его плотность pg и площадь сечения, занятую газом sg, рассчитывается скорость газового потока щ. ug=(4mg)/(pgnd2fsg).
Максимальная объемная доля пыли в газах вращающейся печи может быть выражена приближенной эмпирической формулой (2.5.4) [78]: где dd и dd.mzx - соответственно средний и максимальный диаметр частиц пыли, м; V/- скорость вращения печи, об/мин; УІ - показатель полифракционности пыли, определяемый из уравнения Розина-Рамлера (И = 1,6 - песок, 91 = 1,7 - спек, УІ = 0,68 - магнезиальная руда, 91 = 0,6 - железная руда).
Средний диаметр частиц пыли во вращающейся цементной печи можно принять равным dd = 50-10-6 м. Интенсивность массообмена между материалом и пылью определяется скоростью пылеуноса P1 и скоростью пылеосаждения P2.
При работе без принудительной подачи пыли со стороны горячего конца печи запыленность газа на начальной стадии будет зависеть от скорости пылеуноса, а затем станет ограничиваться значением максимальной объемной концентрации пыли в потоке газов по уравнению [14].
Как показали экспериментальные исследования [15], максимальная концентрация пыли в газовом потоке на начальном участке печи со стороны входа газов, не имеющем внутренних теплообменных устройств, в отсутствие выделений газа из материала достигается на расстоянии 5-6 диаметров от среза печи. Следовательно, интенсивность пылеуноса для этого участка можно приближенно вычислить по формуле (2.5.5): еи = 0,18 рЧmax. (2.5.5)
Промышленные исследования, выполненные институтом ВАМИ на печах 3,6x3,3x3,6x150 м ОАО «Пикалевский глинозем» показали, что скорость пылеуноса по длине печи не постоянна [44]. Около 55-65 % общей величины пылеуноса приходится на цепную зону, 25-30 % - на зону диссоциации карбонатов и только 10 % пыли образуется на участках, не имеющих внутренних теплообменных устройств и выделений газообразных продуктов реакций из материала.
Допустим, что в указанных диапазонах скорость пылеуноса постоянна, тогда интенсивность Р1 предстанет в виде кусочной функции от длины печи, равномерной в пределах зон и имеющей разрывы на их границах. Зону декарбонизации будем идентифицировать как длину участка, на протяжении которого происходит выделение CO2 из материала, т.е. Ssg.co2 0. Взяв за опорное значение интенсивность P1gen, получим: соответственно текущая длина печи и граница цепной зоны, м. Интенсивность осаждения пыли при условии работы печи без принудительной подачи пыли Р2 free примем равной нулю до достижения концентрации sdmax и равной, но обратной по знаку Р1 после достижения Jmax:
Для случая принудительной подачи пыли в печь со стороны горячего конца, концентрация пыли повышается сверх рассчитанной по формуле. Из внесенной пыли около 25 % осаждается в зоне спекания и сразу же после нее (отметки 0-60 м), примерно 40 % – в зоне декарбонизации (60-120 м), 30 % – в цепной зоне (120-180 м), оставшиеся 5 % выносятся из печи газовым потоком [19, 20].
Допустим, что в указанных зонах скорость пылеосаждения постоянна, тогда интенсивность массообмена предстанет в виде кусочной функции от длины печи:
После того, как излишки пыли осядут, а ее концентрация в газе сравняется с максимальным значением Jmax, должно выполниться условие kdp2 =0. Полная интенсивность осаждения пыли складывается из интенсивности осаждения собственной пыли и излишков, принудительно введенных в факел:
Будем считать все химические превращения в печи обратимыми и протекающими в пределах одного потока. В таком случае скорость у-ой реакции может быть определена по формуле (2.6.1): реакционный поток в результатеу-ой реакции, моль/(м3-с); kforw и kback - константа скорости соответственно прямой и обратной реакций, в общем случае [k] =c-1[m3/mol]n-1. где n - порядок реакции, соответственно реагентов и продуктов реакции, моль/м3; «,/orw и щьаск - число исходных реагентов и продуктов у-ой реакции.
Обработка данных и построение уравнения связи теплопроводности и теплофизических свойств материала
Из анализа графика видно, что значения экспериментальных точек соответствуют литературным данным, отклонения находятся в зоне погрешности измерительного прибора. Это характеризует математические модели как достоверные, они согласуются с экспериментальными данными. Для построения модели теплопроводности в качестве входной величины предпочтительнее использовать объемную плотность огнеупора. Это связано с тем, что при испытаниях образцов было установлено, что изменение кажущейся пористости не согласуются с изменением объемной плотности. Истинная пористость является трудно определяемой величиной, ввиду сложностей в определении закрытой пористости, что было обнаружено при проведении опытов. 4.5 Выводы по четвертой главе
В результате анализа экспериментальных данных было установлено наличие зависимости между плотностью и теплопроводностью алюмосиликатных огнеупоров. Было получено два уравнения, описывающих коэффициент теплопроводности как функцию плотности в виде экспоненциальной и полиномиальной зависимости. Оба уравнения являются адекватными моделями исходя из статистической обработки. Построение моделей на основе пористости и коэффициента теплопроводности является затруднительным, по причине отсутствия точных сведений об истинной пористости огнеупоров. Использование для этой цели открытой пористости невозможно, в связи с отсутствием корреляционной зависимости между ней и плотностью. По результатам сравнения результатов моделирования и результатов опыта можно заключить о соответствии практических данных опытным. Математические модели являются адекватными.
Одной из главных функций теплоизоляционных материалов является уменьшение потерь тепла в окружающую среду. При движении нагретой среды в трубах важно минимизировать потери тепла от нее в окружающую среду. Уменьшение потерь тепла достигается за счет покрытия трубы теплоизоляционным материалом. Изоляцию труб осуществляют сплошным материалом с низким коэффициентом теплопроводности. Этим материалом может быть пенополиуретан (ППУ), базальтовое волокно, минеральная вата. Подробно достоинства и недостатки применяемых теплоизоляционных материалов описаны в введении, мы не будем на них здесь подробно останавливаться [88].
На основании обобщенной методики определения коэффициента теплопроводности установлено наличие обратно пропорциональной зависимости между коэффициентом теплопроводности и пористостью вещества. Самая низкая теплопроводность может быть достигнута при 100 % пористости, что соответствует газовому слою. Это говорит о возможности использования газов в качестве теплоизоляционного материала. Была разработана новая конструкция теплоизолированной трубы, защищенная патентом.
Теплоизолированная труба, состоит из двух концентрически расположенных труб (теплоизолируемой и внешней), на торцах которых находятся заглушки. В качестве теплоизолирующего материала используется газ, как материал с наименьшей теплопроводностью по сравнению с другими материалами, газовый зазор между трубами фиксируется за счет крепежных элементов, периодически заполняющих пространство между ними. Кольцевой зазор между трубами заполняется воздухом; газом, обладающим меньшей теплопроводностью, чем воздух (Ar, Xe, Kr и другие газы) или газом, обладающим способностью поглощать тепловое излучение внутренней горячей трубы (СО2).
Воздух или другой газ, обладая низким значением коэффициента теплопроводности, выполняет главную теплоизолирующую функцию, Функция материла периодической структуры, заключается в фиксации наружной внешней трубы относительно внутренней теплоизолируемой. Образующийся кольцевой газовый зазор обеспечивает низкое значение коэффициента теплопроводности. В качестве материала периодической структуры может выступать различные структуры: сетка Рабица, система центраторов, шнур или шланг из ПВХ, и тому подобное. Торцы труб герметизируются с помощью заглушек для предотвращения конвективного теплообмена. Конструкция трубы представлена на рисунке 5.1.1 [84].
Конструкция трубы с теплоизоляционной структурой 1 – внутренняя металлическая труба, 2 – материал периодической структуры (шланг из ПВХ, или шнур из губчатого ПВХ), 3 – наружная труба-оболочка, 4 – заглушка на торце трубы
При оценке теплопроводности воздушного слоя вначале считаем, что теплообмен осуществляется только теплопроводностью. Для предотвращения потерь тепла излучением на внутреннюю горячую трубу следует наносить краску с низким коэффициентом излучения [91].
Для оценки тепловой эффективности новой «воздушной» трубы определяется коэффициент теплопроводности теплоизолирующего слоя (воздух + элемент периодической структуры), который может быть рассчитан по формуле (5.5.1). ХІ - коэффициент теплопроводности z-го вещества. 1) Расчет коэффициента теплопроводности для сетки-рабицы проводим для одной ячейки, так как эти данные равны теплопроводности слоя сетки-рабицы, расположенного в кольцевом зазоре. Принимаем шаг между ячейками равным: Коэффициент теплопроводности стали принимаем 48 Вт/(мК) [51]. дш = 20 мм = 0,02 м, диаметр проволоки dnp = 0,002 м. Далее находим площадь одной ячейки: F = S2 = 0,0004 м2.
Математическое моделирование теплового режима в трубчатой вращающейся печи спекания в среде Ansys Fluent
Математическая трубчатой вращающейся печи спекания выполненная на базе программного продукта Ansys Fluent позволяет оценивать различные технологические режимы работы. Она может быть использована для оптимизации процесса сжигания природного газа в горелочном устройстве и выборе наиболее рационального для технологических нужд режима. Результаты моделирования сходятся с производственными данными, что будет приведено ниже на данных полученных с помощью тепловизора. Также значения поля температур внутри печи соответствуют таким же значениям, полученным в диссертационной работе Титова О.В. [105, 106]
Одним из основных факторов, определяющих тепловую эффективность работы вращающейся печи, является величина теплового сопротивления футеровки, так как в используемых вращающихся печах потери тепла через корпус в окружающую среду достигают 10…15% от общей теплоты сжигания [49, 103, 104].
Отсутствие прочного термостойкого материала с хорошими теплоизоляционными свойствами в значительной мере определяло направление работ по созданию футеровки с повышенным тепловым сопротивлением путем введения в нее дополнительного волокнистого теплоизоляционного материала, что достигается за счет изменения формы огнеупора. Теплоизолятором может быть волокнистая структура, такая как муллит-кремнезёмистая вата с неорганическими добавками, базальтовое волокно и подобные структуры которые можно использовать при температуре до 1600 С. В этом случае между огнеупором и корпусом печи образуется ячейка, заполненная теплоизоляционным материалом [57].
Стандартная (А) и разработанная (Б) конструкции футеровки вращающейся печи, 1 – волокнистая структура, 2 – шамотный кирпич
Трехмерная структура среза трубчатой вращающейся печи новой разработанной конструкцией футеровки периодической структуры Наибольшего уменьшения тепловых потерь печи в окружающую среду и массы футеровки можно достичь за счет установки фасонных огнеупоров в высокотемпературной зоне печи, чем также обеспечивается большая передача тепла обрабатываемому материалу и уменьшение массы теплового аппарата [64,65]. На рисунках 6.2.1 и 6.2.2 показано конструктивное решение, где огнеупорный кирпич опирается на корпус с помощью ножки, образованной за счет ячеек. При механических и тепловых нагрузках, которые возникают во время работы, приведенная форма дает возможность лучше сохранить механическую стойкость огнеупорного кирпича и обеспечить высокую тепловую эффективность.
Целью исследования является изучение возможностей установки футеровки с фасонным огнеупором различной конфигурации с учетом, как теплоизолирующих свойств, так и конструктивной надежности, обусловленной величиной возникающих в огнеупоре термомеханических напряжений.
Задача проведения исследований связана с необходимостью получения температурных полей и разработки методики расчета температурных полей в теле огнеупора. Данные о температурном поле в кладке печи получены на основе математического моделирования.
Для оценки тепловых полей применяем уравнение теплопроводности (6.2.1), в декартовой системе координат [68].
Начальные и граничные условия при решении дифференциального уравнения принимаем для высокотемпературный зоны спекания трубчатой печи. [78, 80] Температура на внутренней поверхности и вращающейся печи ґвн = 1873 К. Температура воздуха окружающей среды ґвозд = 300 К. 131 Коэффициент теплопроводности шамотных огнеупоров определяется как функция температуры: Лшам = (0,72+0,0005) -1,16, где t - температура шамотного огнеупора, C. Коэффициент теплопроводности базальтового волокна Лбаз = 0,06 Вт/(мK). Плотность шамота ршам = 1800 кг/м3. Плотность базальтового волокна / баз = 200 кг/м3. Коэффициент конвективной теплоотдачи на наружной поверхности печи = 30 Вт/(м2K) [51]. Толщину футеровки принимаем в соответствии с технологическими требованиями работы вращающихся печей [36].
Решение дифференциального уравнения производилось средствами программного пакета ANSIS 14.0 с помощью метода конечных элементов. В качестве генератора создания сетки из конечных элементов применяли пакет ICEM CFD 14.0. Полученные сетки из конечных элементов представлены на рисунках 6.2.3 и 6.2.4. Количество элементов сетки выбиралось в соответствии с вычислительными требованиями для решения уравнения теплопроводности [10, 11].
Похожие диссертации на Моделирование тепловых процессов в трубчатых вращающихся печах спекания
