Введение к работе
В настоящее время развитие мировой черной металлургии отмечено двумя основными тенденциями: повышением качества металлопродукции и снижением удельных материально-сырьевых и энергетических затрат при ее производстве. В Российской Федерации эти проблемы обострены вдвойне, так как по сравнению с передовыми зарубежными странами удельные расходы этих ресурсов значительно выше
Актуальность работы. Одной из основных тенденций на современном этапе развития мировой металлургии является снижение удельных материально-сырьевых и энергетических затрат. Высокая энергоемкость металлургического производства при относительно высокой стоимости энергоресурсов обуславливает исключительную важность энергосбережения на -всех его переделах.
На предприятиях черной металлургии РФ одним из крупнейших потребителей газообразного топлива (природного газа) являются вращающиеся печи для производства металлургической извести, а также печи цементного производства, используемые для производства доломитизированной извести, В Российской Федерации выплавляется ежегодно порядка 50 млн. т стали ежегодно, В частности на ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО «ММК») ежегодно выплавляется более 10 млн. т стали. При этом при выплавке стали необходимо 60 - 1.00 кг извести на каждую выплавляемую тонну стали. Актуальность темы работы определяется существующей народно-хозяйственной проблемой необходимости снижения энергетических затрат при производстве извести для удовлетворения все возрастающей потребности сталеплавильного производства.
Вращающиеся печи на отечественных металлургических предприятиях эксплуатируются с чрезмерным удельным расходом топлива и обладают рядом других недостатков. Эффективная тепловая работа вращающихся нзвестняковообжигательных печей, как показывает многолетний опыт, в значительной мере определяется работой горелочного устройства, формой факела и конфигурацией рабочей зоны обжига материала. Формирование с этих позиций требований к конструїсгивньш особенностям горелки для вращающихся печей не предпринималось. Поэтому существует научная проблема разработки теории сжигания высокоскоростных потоков газа, требований к конструктивным особенностям и создания на их основе горелочных устройств для нзвестняковообжигательных вращающихся печей, а также проблема комплексной методики исследования работы вращающейся печи и ее горелочных устройств, позволяющей оценивать эффективность тепловой работы.
Наиболее действенным, экономичным и удобным методом исследо-
вания высокотемпературных процессов, к каким, несомненно, относятся процессы получения металлургической извести, на современном этапе развития науки и техники является математическое моделирование с использованием результатов физического моделирования. Совершенствование работы печных агрегатов должно идти не только в направлении создания более совершенных горелочных устройств, но и по направлению создания современных математических моделей функционирования, отражающих аспекты работы горелочных устройств и работы печи в целом. Совершенствование работы и конструкций различного рода агрегатов и устройств, а также непрерывное управление высокотемпературными динамическими процессами в металлургическом производстве в целях получения требуемых свойств готовой продукции и энергосбережения невозможно без развитой базы математических моделей, адекватно описывающих рассматриваемые процессы.
Цели и задачи работы.
Целью работы является создание теории энергосберегающего сжигания высокоскоростных потоков природного газа, создание на ее основе методики расчета энергосберегающих высокоскоростных горелочных устройств, совершенствование их на основе математического моделирования и улучшения теп-ломассопереноса во вращающихся печах, обеспечивающих снижение энергетических затрат при производстве качественной металлургической извести.
Основные задачи работы:
Разработать научно обоснованные требования к горелочным устройствам для вращающейся печи по обжигу известняка и разработать конструкцию горелок, обеспечивающих снижение расхода топлива при повышении металлургических свойств извести.
Разработать теорию энергосберегающего сжигания высокоскоростных горелочных устройств, обеспечивающих эффективное сжигание топлива и совершенствование тепловой работы вращающейся печи.
Создать математическую модель вращающейся печи по обжигу известняка, в целях совершенствования ее работы, а также прогнозирования технико-экономических показателей ее работы
Научная новизна.
Разработан критерий оценки эффективности работы вращающейся печи по обжигу известняка, позволяющий увязать металлургические свойства извести и удельные энергозатраты при ее производстве с параметрами тепловой работы печи.
На основе предложенного критерия с использованием методов статистического моделирования по методике Бокса исследована тепловая работа и определена рациональная конфигурация зоны обжига известняка во вращающейся печи. Показано, что она определяется углом ориентировки факела, расстоянием ядра факела от горячей головки печи и скоростью исте-
чения газового потока из сопла горелки.
Разработаны научно-обоснованные требования, сформулирована концепция и определены основные конструктивные параметры газовой турбулентной горелки ГГТ - нового горелочного устройства для вращающихся печей по обжигу известняка, в котором используется эффект Коанда (Henri-Marie Coanda, 1885-1972 г.г. экспериментально установил, что изгибаемая газовая струя засасывает (эжектирует) из окружающего пространства воздух, количество которого может в двадцать раз превышать количество газа в самой струе).
Методами математического моделирования с использованием разработанного критерия оценки эффективности работы сожигательных устройств вращающейся печи исследованы условия сжигания топлива во вращающейся печи, оборудованной горелкой ГГТ. Установлено, что новое горе-лочное устройство ГГТ значительно улучшает смешивание газо-воздушной среды, обеспечивает более полное сгорание топлива, легкое регулирование формы факела от «мягкого» до «жесткого», а также обеспечивает улучшение металлургических свойств извести.
На базе результатов математического моделирования газодинамики горелочных устройств разработана теория энергосберегающего сжигания высокоскоростных потоков природного газа и методика расчета параметров нового горелочного устройства для вращающихся печей по обжигу известняка - газовой турбулентной горелки с центральным телом (ГЦТ).
Получены новые научные данные по распределению скоростей и давлений газовых потоков, создаваемых горелками ГГТ и ГЦТ и характеризующихся развитыми зонами рециркуляции в области факела, что обеспечивает улучшение тепловой работы печи. Результаты физического моделирования подтверждают результаты, полученные с помощью методов математического моделирования.
Разработана математическая модель работы вращающейся печи по обжигу известняка, которая учитывает особенности физико-химических процессов, происходящих в процессе обжига известняка, характер движения материала, пылеобразование, пылеунос и пылеулавливание в рабочем пространстве печи, что позволяет прогнозировать качество производимой металлургической извести и совершенствовать технологию обжига известняка.
Внедрение разработанных технических и технологических решений, а также математических моделей в практику вносит вклад в ускорение научно-технического прогресса в черной металлургии в области производства металлургической извести.
Практическая ценность.
1. Применение во вращающихся печах известняково-доломитового производства (ИДП) ОАО «ММК» новых разработанных горелок типа ГГТ обеспечивает благоприятную конфигурацию зоны обжига и наиболее полное
и интенсивное сжигание газообразного топлива, что позволило снизить температуру уходящих газов на 30 С, уменьшить расход топлива на 15 % и улучшить качество извести, т.е. снизить потери материала при прокаливании (ПМПП) - основной показатель качества извести - с 8 % до 6 %.
Улучшение качества извести позволило существенно уменьшить расход энергии в конвертерном производстве при уменьшении расхода извести с 80-90 до 60 кг/т стали.
Разработанные конструкции сожигательных устройств типа ГГТ могут использоваться не только для сжигания основного топлива (природного газа), но и для утилизации вторичных энергоресурсов (мелкого коксика) и экологически вредных веществ (использованной смазочно-охлаждающей жидкости), позволяя при сохранении производительности печи и высокого качества извести сжигать до 270 л/ч использованной смазочно-охлаждающей жидкости прокатных цехов (эмульсола), что обеспечивает экономию газа 300 м3/ч.
Разработанная теория высокоскоростных энергосберегающих горе-лочных устройств на базе сопла с центральным телом позволяет рассчитывать параметры горелочных устройств для широкого диапазона расходов: от 13 до 7000 м3/ч.
Разработанная схема организации истечения потока газа через сопло с центральным телом горелки типа ГЦТ с образованием на поверхности центрального тела тонкого пограничного слоя может быть успешно адаптирована для многих других тягодутьевых устройств металлургического производства. В частности, она обеспечивает получение длинного высокотемпературного факела с малым углом раскрытия струи и с наибольшей степенью сгорания топлива при наименьшем коэффициенте расхода воздуха (а =1,02 - 1,03).
Разработанные инженерные методики, созданные численные математические модели и программные средства используются и могут быть использованы предприятиями, техническими лабораториями, проектными, исследовательскими и учебными организациями при исследовании и создании рациональных конструкций сожигательных устройств и технологий обработки сыпучих гранулированных материалов.
Реализация результатов работы.
Эксплуатация опытно-промышленной газовой турбулентной горелки ГГТ-1 на ИДП ОАО «ММК» в 1998 г. обеспечила повышение производительности вращающейся печи по обжигу известняка на 1 т/ч при средней производительности 20 т/ч.
Улучшенная конструкция горелки типа ГГТ-1 в 1999 г. дала экономический эффект в 559 576 рубУгод на одну печь.
Внедрение результатов модернизации горелки типа ГГТ в 2000 г., которая эксплуатируется в доломито-обжиговом цехе горно-обогатительного производства (ДОЦ ГОП) ОАО «ММК» до настоящего времени, позволило полу-
чить экономический эффект в 19 826 500 руб./год.
Разработанная конструкция горелки с центральным телом ГЦТ-К с номинальным расходом в 13,5 м3/ч в рамках выполнения хоздоговорной работы внедряется в колпаковых печах листопрокатного цеха № 5 ОАО «ММК» с экономическим эффектом 553000 руб./год.
Разработанная конструкция горелки с центральным телом ГЦТ-Ц с номинальным расходом в 6000 м3/ч в рамках выполнения хоздоговорной работы внедрена на вращающихся печах по обжигу доломитизированной извести ОАО «Магнитогорский цементно-обжиговый завод» (ОАО «МЦОЗ»), где эксплуатируется до настоящего времени, что позволяет получить экономический эффект 1500000 руб/год.
Математическая модель вращающейся печи в настоящее время планируется к внедрению в управление технологическим процессом работы вращающейся печи по обжигу известняка известняково-доломитового производства (ИДП) ОАО «ММК».
Общий учтенный экономический эффект от реализации разработок диссертации в промышленности составил свыше 20 млн. руб. в год.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на международных научно-технических конференциях: «Современные проблемы электрометаллургии стали» (Челябинск, 1992 г., 1993 г.), «Новые технологии получения слоистых материалов и композиционных покрытий» (Сочи, 1992 г.) «Энергосбережение на промышленных предприятиях» (Магнитогорск, 2000 г.), «Автоматизированный печной агрегат - основа энергосберегающих технологий металлургии XXI века» (Москва, 2000 г., 2001 г.); «Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии» (Москва, 2002 г.), «Ninth International PHOENICS user Conference» (Moscow, 2002 г.), «XI Бенардосовские чтения» (Иваново, 2003 г.), Международный промышленный Форум-выставка «Реконструкция промышленных предприятий -прорывные технологии в металлургии и машиностроении» (Челябинск, 2007 г.); «Печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии и машиностроении» (Москва, 2008); всероссийской: «Энергетики и металлурги - настоящему и будущему России» (Магнитогорск, 1998 г.).
Публикации. По теме диссертации издано 39 научных и учебно-методических работ, в том числе 2 учебных пособия с грифом УМО, 1 монография, 5 свидетельств на полезные модели. Кроме того, материалы диссертации приведены в отчетах по научно-исследовательским работам, выполненным под руководством и при участии автора.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка из 206 наименований и 7 приложений, изложена на 245 страницах машинописного текста (включая приложения), содержит 93 рисунка и 18 таблиц.
