Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 6
1.1. Внедоменные способы восстановления, переработки железорудного сырья и агрегаты для их реализации 6
1.2. Приоритетные пути интенсификации процессов восстановления железорудного сырья 27
1.3. Технологические особенности применения парокиелородыого дутья..31
1.4. Постановка задачи исследования и цель работы 33
2. Обоснование способа восстановления железорудного сырья и принципиальных основ конструкции агрегата 35
2.1. Теоретические основы реализуемого процесса восстановления железорудного сырья 35
2.2. Технологическая схема предлагаемого способа восстановления железорудного сырья 37
2.3. Термодинамическое моделирование и анализ предлагаемого металлургического процесса 40
2.4. Принципиальные основы конструкции предлагаемого агрегата 46
Выводы 49
3. Анализ основных параметров по зонам агрегата 50
3.1. Расчет теплофизических процессов в струйном реакторе 50
3.1.1. Математическое описание горения угольных частиц в струйном реакторе 50
3.1.2. Математическое описание теплофизических процессов взаимодействия железорудного материала с газовым потоком в струйном реакторе 57
3.2 Расчет процессов плавления и восстановления в циклонном реакторе.66
3.2.1. Описание процессов в циклонном реакторе 66
3.2.2. Рассмотрение взаимосвязи конструктивных размеров циклона с пылеосаждением 68
3.3. Расчет седиментации шлакометаллического расплава 69
в миксерной зоне реактора 69
Выводы 74
4. Экспериментальное определение некоторых параметров предлагаемого процесса восстановления железорудного сырья 75
4.1. Объекты исследования и определение параметров подобия моделируемых процессов 75
4.2. Экспериментальный стенд для исследования металлургических процессов 77
4.3. Методы проведения экспериментов 79
4.4. Исследования теплофизических процессов на реакторе восстановления оксидов в потоке газа 81
4.5. Исследования теплофизических процессов восстановления с применением пароплазменного нагрева 88
Выводы 96
5. Расчет показателей процесса восстановления железа в предлагаемой технологии 98
5.1. Математическая модель реализуемых процессов 98
5.1.1. Предварительное определение выхода восстановленного железа 98
5.1.2. Определение расхода восстановителя 98
5.1.3. Уточненное определение количества металла 99
5.1.4. Определение расхода парокислородного дутья и состава образующегося газа 99
5.1.5. Расчет теплового баланса 100
Выводы 112
6. Разработка технического задания на проектирование металлургического агрегата с парокисдородным дутьем (ПКМА) 113
6.1. Общие положения 113
6.2. Структура ПКМА. 113
6.3. Рабочее пространство (миксер - отстойник) 116
6.4. Газификатор 118
6.5. Струйный реактор 119
6.6. Циклонный ректор 119
Выводы 120
Общие выводы 121
Библиографический список
- Приоритетные пути интенсификации процессов восстановления железорудного сырья
- Термодинамическое моделирование и анализ предлагаемого металлургического процесса
- Математическое описание теплофизических процессов взаимодействия железорудного материала с газовым потоком в струйном реакторе
- Экспериментальный стенд для исследования металлургических процессов
Введение к работе
Известны огромные заслуги российской научной школы в становлении
и развитии теории и технологии доменного процесса и работы доменных печей [1]. В соответствии с их рекомендациями и опытом работы многочисленной армии профессионалов доменное производство было и еще долго будет основой черной металлургии.
Однако ухудшение качества рудного сырья и неизбежный и непрерывно возрастающий дефицит коксующихся углей вызывают необходимость создания альтернативных процессов организации восстановления.
В связи с этим за последние 50 лет в черной металлургии получили развитие внедоменные способы получения чугуна, позволяющие обойтись без дорогостоящих кокса и агломерата, производимых по экологически вредным технологиям.
Внедоменная металлургия развивается по двум направлениям. По одному из направлений подготовленную железную руду, например окатыши, подвергают металлизации путем твердофазного восстановления оксидов железа твердым или газообразным восстановителем. Примером данного процесса являемся Мидрекс [2, 3]. Металлизованные 80-94% окатыши могут сразу использоваться в сталеплавильных агрегатах. По другому направлению оксиды железа из шихты восстанавливают в жидкой шлаковой фазе твердым или газообразным углеродистым восстановителем, при этом, как правило, получают чугун. Примерами жидкофазного восстановления оксидов железа с получением чугуна могут быть процессы Корекс, Ромелт, Диос, БАС-Домна и др. [4~8], но, так как нет однозначного ответа о выборе приоритетной технологии, то поиски в этом направлении продолжаются.
В данной работе предлагается еще один вариант организации технологического процесса жидкофазного восстановления железорудного сырья с использованием парокислородного дутья. Работа выполнена в ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» на кафедре теплотехнических и энергетических систем.
Приоритетные пути интенсификации процессов восстановления железорудного сырья
Важным фактором составляющей энергоемкости процессов является соотношение балластных компонентов, не принимающих участие в производстве целевого продукта. Известно, что увеличению скорости восстановления способствует удаление из зоны реагирования компонентов, фактически не принимающих участия в восстановлении, в первую очередь азота, а также насыщения зоны реакции водородосодержащими компонентами и водяными парами при обязательном избытке углерода в любой точке реакционного пространства с поддержанием высоких температур.
Естественно, в сложившихся условиях истощения концентрированных запасов полезных ископаемых, неизбежно применение сырья с низкой концентрацией целевого продукта и избытком, так называемой, «пустой» породы, что обуславливает значительное увеличение относительного количества шлака, что создает определенные технологические и экологические проблемы. Поэтому целесообразно при разработке новых конструктивных решений закладывать пути преодоления этого недостатка: определенной организацией всех операций технологического процесса, обеспечивающей минимальные тепловые потери за счет максимальной рециркуляции всех сред (твердых, жидких и газообразных), увеличении их скорости во всех элементах процесса.
Основным и лимитирующим фактором любой технологии являются размеры частиц участвующих реагентов. Естественно, энергоемкость увеличивается, если в промежуточных операциях они многократно изменяются, как это имеет место в существующих металлургических технологиях.
При организации процессов восстановления оксидов железа, следует учитывать, что в зависимости от условий, скорость химических реакций может контролироваться одной из многих стадий, связанных с диффузными, адсорбционными, аэродинамическими, химическими явлениями и тепломассообмен-ными процессами, Путем устранения и уменьшения влияния отдельных звеньев, в целом, могут быть достигнуты высокие скорости процесса [32].
Предпосылками для этого служат следующие особенности реакции: 1) обеспечивается единовременный контакт восстанавливаемого оксида с термодинамически необходимым для завершения процесса количеством газа -восстановителя; 2) в дисперсной системе практически отсутствует влияние газодинамических факторов на теплообмен и внешнюю диффузию; 3) высокая дисперсность рудного материала сводит к минимуму влияние диффузного сопротивления в частицах, что приближает условия восстановления к условиям гомогенной газовой реакции; 4) используются высокие температуры (1800-3000 С), которые повышают скорости химического взаимодействия оксида с восстановителем и скорость теплообмена, что обеспечивает высокую производительность процесса при малых размерах агрегата.
Высокая дисперсность частиц изменяет и термодинамику процесса [33], повышает поверхностную энергию частиц и сдвигает равновесие в сторону снижения содержания восстановителя в газовой фазе. Поэтому в случае высокой дисперсности материала даже при низких концентрациях оксида термодинамические условия восстановления из раствора приближаются к условиям восстановления чистых оксидов, что обеспечивает высокую степень использования восстановителя.
Рассмотренные положительные технологические особенности, указывают пути дальнейшего совершенствования и разработки новых оптимальных конструктивных решений по переработке материалов в дисперсном виде.
Анализируя работу технологических агрегатов, в этом направлении, предпочтение следует отдать конструкциям реакторов струйного и циклонного типа. Их основные достоинства: развитая поверхность обработки, высокие скорости нагрева и химических реакций. Следует отметить и простоту конструкций, следовательно, повышенный коэффициент надежности системы [34].
Установлено [35], что в струйных реакторах обрабатываемый материал имеет скорости до 150 м/с и гетерогенный тепло физический и химический состав.
Конструктивная комбинация тангенциального ввода струйного потока в циклонный реактор, где образуется пленка расплава, способствует снижению пылеуноса, гомогенизации и ускорению степени прямого восстановления FeO до Fe. При этом центрифугирование расплава ведет к скорейшему разделению металл - шлак и повышению качества конечного продукта [36]. Данная компоновка позволяет достичь высокую энергонапряженность, и, как следствие, минимизировать объемы металлургических аппаратов. Как показывает опыт [37, 38], применение гарнисажа для локализации зон с высокой объемной тепловой нагрузкой, будет способствовать достижению высоких технико-экономических показателей и продлению срока службы работы футеровки.
Термодинамическое моделирование и анализ предлагаемого металлургического процесса
Термодинамическое моделирование получило широкое распространение в современной металлургии. Его целью является определение равновесного фазового состава многокомпонентной многофазной системы при заданном исходном элементном составе и термодинамическом режиме процесса, в тоже время позволяет уменьшить объем экспериментальных исследований, определить пути достижения оптимального состава и свойств системы, а также оценить степень отклонения сложных процессов фазообразования в многокомпонентных системах от равновесия [45,46].
Путем использования термодинамических показателей и математического аппарата можно теоретически анализировать физико-химические процессы и установить термодинамическую возможность их протекания [47].
С этой целью было проведено термодинамическое моделирование и анализ протекания процессов для предлагаемого способа восстановления железорудных материалов при использовании парокислородного дутья и паро-плазменного нагрева.
Поскольку в разрабатываемом металлургическом агрегате реакции осуществляются с образованием новых фаз, т.е. необратимо, то вопрос о возможности и предпочтительности одних реакций перед другими должен решаться на основе термодинамики необратимых процессов, в уравнение которых входит фактор времени. Однако решение поставленных вопросов воз РОСОїїШШі 41 ГОСУ»Л?СОЯКЇЇАЯ ЕВБЛЙОТІЇК- можно осуществить на основе методов классической термодинамики, допустимость чего, обоснована в работах [48-49].
Как показали многочисленные исследования [50,51], допущение о достижении равновесия в подавляющем большинстве случаев справедливо, если процессы протекают при достаточно высокой температуре ( 1500 К) или время для установления равновесия достаточно велико, при этом неполное равновесие или частичную неравновесность можно учесть, исключая какие-либо вещества из рассмотрения или задавая фиксированные концентрации каких-либо веществ.
Для решения поставленных задач использовали методологию термодинамического моделирования и программный комплекс АСТРА-4 с базами по термодинамическим свойствам индивидуальных веществ [50, 52]. Основу информации в базе данных составляют термодинамические, теплофизиче-ские и термохимические свойства индивидуальных веществ, систематизированные в Институте высоких температур АН СССР [53], Национальном бюро стандартов США [54], опубликованные в периодической печати, монографиях и справочниках [55-57 и др.], а также обработанные и рассчитанные в МГТУ им. Н.Э. Баумана по молекулярным, калориметрическим и спектроскопическим данным. В основу алгоритма многоцелевого программного комплекса АСТРА-4 положен универсальный термодинамический метод определения характеристик равновесия произвольных гетерогенных систем, основанный на фундаментальном принципе максимума энтропии.
Этот метод предоставляет уникальную возможность обобщенного описания любого высокотемпературного состояния с помощью одних только фундаментальных законов термодинамики, независимо от условий и способов достижения равновесия. Метод требует минимальной информации о самой системе и ее окружении [52].
Моделирование выполнено по блок-схеме, представленной на рис. 2.3, путем проведения численных расчетов с последующим анализом результатов и уточнением параметров. Формулировка задачи термодинамического моделирования требует назначить два условия равновесия изучаемой системы с окружающей средой. В качестве этих условий использованы численные значения термодинамических характеристик равновесия (давление, температура).
Для описания самой системы, как материального объекта, необходимо знать содержание образующих ее химических элементов. Внутренние и межфазные взаимодействия описываются модельными термодинамическими соотношениями, для замыкания которых используготся свойства только индивидуальных веществ-компонентов равновесия.
Благодаря такой постановке задачи моделирования программный комплекс АСТРА-4 позволил использовать термодинамический метод для изучения реализуемых высокотемпературных состояний и процессов,
Для сравнительного анализа полученных результатов использовали схему основных реакций восстановления оксидов железа монооксидом углерода при температуре выше 570С (843 К) по А.А. Байкову [58]: 3Fe203 + СО = 2Fe304 + С02 + Шц AG0; = - 52130- 41,0-ТДж Fe304 + CO = 3FeO + С02 + АН2; AG2 = 35380 - 40,16-ТДж FeO + CO=Fe + С02 + АН3; AG3 = - 13160 + 17,2-ТДж Константы равновесия этих реакций выражаем соотношением равновесных парциальных давлений С02 и СО: К . = —:-. Рсо
Для реакций восстановления оксидов железа водородом термодинамические функции запишутся в виде: 3Fe203 + Н2 = 2Fe304 +Н20+ Шц AGS = - 15547- 74,46-Т Дж Fe304 + H2 = 3FeO+ Н20+ АН2; AG2 = 71940 - 73,62-Т Дж FeO ±H2=Fe + Н20+ АН3; AG3 = 23430 - 16,16-7 Дою Константы равновесия этих реакций выражаем ЛІІІ . Константы - ЛС равновесия приведенных реакций вычисляем по уравнению/ ,- = ехр(——-). RT В качестве шихты в расчетах рассмотрены титаномагнетит, сидерит, гематит и бурый железняк в вариантах применения различных углей: Канско-Ачинский, Кузнецкий 1СС, Челябинский БЗР.
Моделируемые системы взаимодействия изучены при 1073-3273 К с шагом 100 при общем давлении 10 Па. Рассмотрено прямое и косвенное восстановление оксидов железа Fe203, FeO, Ре20з пН20, Fe304, FeC03, FeTi03, как отдельно, так и в составе Михайловского, Лисаковского, Соколовского, Ковдор-ского, Медведевского концентратов и руд. Углерод задавали графитом, так и в составе различных марок углей (Кузнецкий, Канско-Ачинский и др.). В расчете газовой фазы учитывали возможность ионизации компонентов.
Математическое описание теплофизических процессов взаимодействия железорудного материала с газовым потоком в струйном реакторе
Разработана математическая модель для расчета параметров процессов нагрева и восстановления дисперсных железорудных частиц в газовом потоке струйного реактора. Она рассматривает двухфазный химически реагирующий поток (полидисперсные частицы + газ), распространяющийся в канале с внутренним источником тепла (парокислородная горелка или паро-плазменная горелка), смешение потока с рециркуляционной восстановительной средой, подаваемой из газификатора.
Частицы и газ поступают в канал реактора с равной или разной температурами. Между частицами, газом и тепловым источником происходит тепломассообмен [66, 67]. Учитывается теплообмен между потоком и стенкой канала и присущая течению такого типа потока неравновесность (относительное движение фаз). Кроме того, учитываются реакции горения топлива, взаимодействие рудных частиц с газовым потоком, нагрев, плавление и протекание металлургических реакций.
При разработке модели приняты следующие допущения: квазистационарность и одномерность процесса; скорости газового потока и частиц могут различаться между собой; для газов справедлив закон идеального состояния; смесь газа и частиц на входе в реактор однородна; влияние множества частиц на силу сопротивления потоку пренебрежимо мало; зола является инертным компонентом. Частицы обрабатываемого материала имеют сферическую форму, не сталкиваются между собой.
Полидисперсность частиц отражается включением в эти уравнения оп ределенного числа заданных фракций дисперсного потока, выбираемых из гранулометрического распределения частиц по размерам.
Поскольку перемещение частиц до выхода из струйного реактора происходит в некотором цилиндрическом объеме, ограниченном стенками, то процесс движения частиц и газа рассчитываем по усредненным скоростям, принимая асимметричное распределение.
В модели применена методика ступенчатого расчета, которая предполагает разделение струйного реактора па условные ступени, условные границы которых выбирают, исходя из достижения в конце ступеней требуемых технологических параметров.
В первой ступени происходит смешение рециркуляционного газа с дисперсной шихтой. Результирующий поток направляется в зону теплового источника (парокислородная или пароплазменная горелка), в которой осуществляется нагрев с определенной тепловой мощностью. Поскольку основная задача этой зоны высокотемпературный нагрев рудных частиц до температуры плавления, то количество взвешенного потока подбирается таким образом, чтобы заданная мощность теплового источника была достаточной для обеспечения необходимого диапазона температур.
После выполнения расчета ступени 1 со своими граничными условиями переходят к составлению граничных условий для расчета ступени 2, т.е. конечные значения параметров на ступени 1 являются начальными для ступени 2 вместе с собственными значениями материальных и тепловых потоков для ступени 2.
На ступени 2 кроме процессов нагрева протекают металлургические процессы взаимодействия частиц с газовым потоком. Концентрация угольной пыли, подаваемой в реактор, должна дополнительно обеспечивать необходимое присутствие углерода для протекания восстановительных реакций.
Рассмотрим на примере методику ступенчатого расчета для варианта переработки титаномагнетитового концентрата в струйном реакторе с использованием Канско-Ачинского угля. Условное разделение струйного реактора на сту пени в зависимости от температуры нагрева частиц показано на рис. 3.4. Предполагается комбинирование высокотемпературного нагрева с рециркуляцией горячих восстановительных газов. Такой процесс позволяет вводить дополнительное количество тепла в реакционную зону, увеличить концентрации активных компонентов при снижении суммарного расхода углерода и кислорода, уменьшить габариты агрегата. 1ОО0 800 ОД- ОД 0,3 0,4 0,5 X Рис. 3.4 Условное разделение струйного реактора на ступени в зависимости от достижения частицами температуры плавления: I ступень - до температуры плавления (tnjI), П ступень - плавление и перегрев частицы (для титаномагнетитових частиц d=0f2 мм с ,=1450 С при tg =1800 С, Vg =50 м/с)
Необходимое количество тепла обеспечивается теплом рециркуляционных газов и сжиганием части подаваемого угля. В ступени 1 предполагается сжигать 40-55 % от всего количества топлива, поступающего в реактор.
Первичным тепловым источником служат рециркуляционные газы и факел горения угля, а во второй зоне - продукты сгорания угольного потока.
Экспериментальный стенд для исследования металлургических процессов
Выполненные численные расчеты по разработанной математической модели и их анализ [76, 77], позволили определить задачи для дальнейшего исследования: - апробация результатов разработанной математической модели на достоверность лабораторными экспериментами; - проверка принципиальной возможности восстановления железорудного сырья с использованием в качестве восстановителя пылевидного угля (или графита) в безазотной восстановительной атмосфере с использованием па-рокислородиого дутья и пароплазменного нагрева;
- получение экспериментальных данных о кинетике протекающих процессов; - получение экспериментальных данных по восстановлению различных железосодержащих руд и концентратов (в том числе и титаномагнетитового сырья) в реализуемых процессах.
Дополнительно исследованы и определены: пути создания самоспекающегося электрода из перерабатываемого сырья; экспериментально опробована паровая продувка расплава шлака.
Для решения поставленных в работе задач в ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» на кафедре теплотехнических и энергетических систем разработаны [78] экспериментальный стенд и технологические системы, обеспечивающие его функционирование. Данный экспериментальный комплекс включает в себя: набор сменных блоков - реакторов; системы электро-, газо- и водоснабжения; систему сбора и обработки экспериментальных данных.
Конструкции сменных реакторов представляют возможность моделирования как отдельных узлов разрабатываемого агрегата, так и различные ком бинации его элементов. При создании стенда были учтены следующие положения теории тепло-физического моделирования [49, 50, 79]: - геометрическое подобие модели и разработанных элементов агрегата; - использование одинакового типа восстановителя; - использование аналогичного состава железорудного сырья; - сохранение размера частиц взаимодействующих компонентов; - обеспечение равенства теплонапряжений в сечениях в модели реактора и предлагаемого агрегата; - одинаковые температурные поля в реакционных зонах.
Физическое подобие моделируемых процессов соблюдалось в полной мере, поскольку плотности расплавов металла р,„ шлака рш, пара р„, поверхностное натяжение ар, динамическая вязкость расплава цр и другие характеристики являются одинаковыми по величине в соответствующих точках экспериментальной модели и разрабатываемого агрегата: = (пЛ Р„[Рп } = Vі р) В качестве критериев подобия для частиц использовали Bi и Fo, учитывающие размер, теплофизические свойства материалов и время нагрева.
При моделировании элементов циклона осуществили варьирование безразмерной длины Li =L/D (длина циклона L к диаметру D) в диапазоне 0,8-3 по рекомендациям авторов [72]. За определяющую температуру в расчетах выбрали среднюю температуру по сечению реактора.
Таким образом, проведенные исследования позволили разработать экспериментальный стенд и реакторы для реализации и изучения предлагаемого технологического процесса.
Электроснабжение (питание) стенда (рис. 4.1) предусматривает два силовых источника; сварочный трансформатор мощностью 10 кВт для реактора восстановления в потоке газа (печь Таммана) и тиристорный выпрямитель ОПР-6 (60 кВт) для паро плазменного реактора. Дополнительно устанавливаются парогенератор, газодувка, двигатель вытяжной вентиляции, компрессор, водяной насос, механизм подъема фурмы (электрода), система контроля и управления. Реакторы размещены под зонтом системы вытяжной вентиляции.
Экспериментальный стенд оснащен контрольно-измерительной аппаратурой, позволяющей поддерживать заданный режим работы по температуре, расходу пара, газа, охлаждающей воды.
Стенд оборудован системой измерения температуры, в том числе температуры днища тигля, газа при входе в фурменные системы и на выходе из рабочего пространства.
Система контроля и измерения включает в себя приборы для определения расхода электроэнергии: ваттметр, амперметр, вольтметр и частотомер. Кроме того, в нее входят приборы для измерения температуры воды в элементах реакторов (термопары) с соответствующими вторичными приборами (потенциометрами и логометрами).
Система газо- и водоснабжение стенда предусматривает возможность использования воздуха, кислорода, пара или их любые комбинации. Схема газо- и водоснабжения приведена на рис. 4.2.
В системе из компрессора воздух поступает в коллектор 7, откуда он через регулирующие вентили попадает в реактор 1, Расход воздуха контролируется с помощью ротаметров и датчиков расхода. Предусмотрена возможность обогащения пара кислородом, для чего существует система баллонов с кислородом 9.
