Содержание к диссертации
Введение
I Предпосылки создания печей-декарбонизаторов для обжига тонко дисперсной извести 8
1.1 Состояние вопроса теоретических исследований обжига извести 8
1.2 Современное состояние производства извести 20
1.3 Цель и задачи исследований 41
1.4 Выводы 42
II Теория теплообмена обжига извести из тонкодисперсного мела в печах декарбонизаторах 43
2.1 Математическая модель процессов обжига извести 43
2.2 Методика расчета нестационарного температурного поля 47
2.3 Методика расчета продолжительности обжига тонкодисперсных частиц 52
2.4 Выводы 62
III Математичесжое планирование эксперимента. Описание опытно промышленной установки 64
3.1 План экспериментальных исследований 64
3.2 Описание опытно-промышленной экспериментальной установки 68
3.3 Методика проведения экспериментальных исследований 75
3.4 Выводы 81
IV Исследование влияния конструктивно-технологических параметров печей-декарбонизаторов на эффективность процесса обжига 82
4.1 Анализ результатов экспериментальных данных 82
4.2 Влияние конструктивно - технологических параметров печи-декар-бонизатора на качество готового продукта 95
4.3 Выводы 102
V Практическое применение результатов работы 104
Основные результаты и выводы 112
Список литературы 113
- Современное состояние производства извести
- Цель и задачи исследований
- Методика расчета продолжительности обжига тонкодисперсных частиц
- Влияние конструктивно - технологических параметров печи-декар-бонизатора на качество готового продукта
Современное состояние производства извести
В качестве подогревателей известняка применяют также теплообменники движущегося плотного слоя, движение газов, в которых может осуществляться в режиме противотока, прямотока, перекрестного тока либо их сочетаний [4], циклонные теплообменники [11], теплообменники перекрестного тока [16].
Возможность использования повышенной энтальпии отходящих газов на выходе из печи приводит к частичному обжигу известняка в подогревателе сырья. Доля обожженного материала в них может достигать 30% [110,116]. Удельный расход теплоты в таких печах составляет 4750-6280 кДж/кг П и зависит от типа утилизационных устройств, физико-химических свойств обрабатываемого сырья и т.п. Во вращающихся печах обжиг проводят при минимальном коэффициенте расхода воздуха [52]. Обжиг извести во вращающихся печах имеет ряд особенностей по сравнению с обжигом извести в шахтных печах. Обжиг можно вести на подаваемом форсунками пылевидном, жидком и газообразном топливе. При обжиге на твердом топливе зола топлива частично уносится в атмосферу, а частично присоединяется к обжигаемому материалу и разрушает его. Применение многозольных топ-лив приводит к образованию колец - приваров в печи, и нарушает нормальный режим обжига. Поэтому необходимо применять малозольное топливо (содержащее до 12% золы) [58].
Хорошо обожженный известняк теряет при обжиге 30-35% первоначальной массы и становится более пористым при одновременном уменьшении объема (усадке) на 10-15%. Необходимая продолжительность обжига определяется характером и крупностью материала и содержанием углекислоты в печных газах, а также влиянием движения материала по слою извести, окружающему необожженное ядро. Во вращающейся печи слой извести, образовавшийся на куске материала, частично обдирается движущимся материалом по мере своего образования, что приводит к значительному пылеобразованию и безвозвратным потерям. Это до некоторой степени уменьшает давление углекислоты у поверхности реакции и уменьшает температуру, которая должна установиться на поверхности куска извести для передачи тепла к ее центру со скоростью, величина которой определяется крупностью материала и эффективностью работы оборудования.
Во вращающихся известеобжигательных печах наблюдается значительный унос пыли (10-18%), что требует установки эффективных пылеулавливателей (тогда как в шахтных пылеунос незначителен). Расход условного топлива доходит до 30% от массы обожженной извести [12]. Таким образом, скорость отходящих газов во вращающихся печах, а, следовательно, их удельная производительность ограничиваются выносом материала из печи. К достоинствам обжига извести во вращающихся печах относят высокую степень диссоциации карбонатных пород [33], равномерность обжига при соблюдении фракционности состава, возможность использования жидкого и газообразного топлива. Для вращающихся известеобжигательных печей наиболее применимы шахтные холодильники. Тепловой КПД их высок (80-98%) [2]. Они снабжены камерой дополнительной декарбонизации, в которой известь выдерживается при 1050-1100 С в течение 30-40 мин. Благодаря этому достигается значительное улучшение качества выпускаемой извести.
Адиабатическую выдержку извести перед ее охлаждением применяют во вращающихся печах, обеспечивая снижение расхода теплоты на 3-5%, массовой доли углекислого газа в извести на 3-5% [53,59]. Известно, что снижение парциального давления углекислого газа до 20 кПа приводит к снижению температуры диссоциации до 800С и не вызывает снижения скорости диссоциации известняка. Такой способ адиабатической выдержки позволяет увеличить запас теплоты в извести и дополнительно высвободить для разложения известняка примерно 50 кДж/кг П. Для осуществления этого способа в адиабатический бункер следует подавать газообразную среду, не содержащую углекислого газа и нагретую до температуры, превышающей 800 С. В качестве такой среды следует использовать воздух, выходящий после охлаждения извести, и являющийся единственной газообразной средой в данном процессе [17].
Обжиг известняка связан с непроизводительными расходами (потерями) теплоты. Для их ликвидации необходима разработка оригинальных технических решений, позволяющих вернуть непроизводительно расходуемую теплоту в процесс обжига [43,70,71]. Примером такого решения является предварительный подогрев воздуха, подаваемого на охлаждение извести, теплотой, теряемой корпусом печи в окружающую среду. Предложение позволяет экономить примерно 25 кДж/кг П при минимальном усложнении конструкции печи и дополнительных расходах электрической энергии на подачу воздуха. Аналогичное мероприятие можно осуществить на вращающихся печах для утилизации теплоты, теряемой горячей зоной печи. Возможная экономия в этом случае составит 550 кДж/кг П.
Не смотря на основные преимущества производства извести во вращающихся печах, ограничивающим условием работы таких аппаратов является вынос мелких фракций, недостаточная утилизация теплоты уходящих газов, большие потери теплоты в окружающую среду, высокий удельный расход теплоты на обжиг. Это требует разработки новых способов совершенствования процесса производства извести.
Цель и задачи исследований
Здесь w0 - средняя скорость газов на выходе из камеры, принятая за масштаб; 10 - характерный линейный размер камеры (может быть принят любой, кроме размеров носиков горелок и форсунок); v- кинематическая вязкость продуктов сгорания топлива в изотермической зоне камеры; ij - количество движения i-го потока компонентов горения на входе в камеру, подсчитываемое по средней скорости; lJbIX =МВЫХ -w0 - количество движения продуктов сгорания на выходе
из камеры, подсчитанное по средней скорости газов w0; МJ - массовый расход і-го потока на входе в камеру; Мвых - массовый расход потока продуктов сгорания на выходе из камеры; рвхі -коэффициент количества движения і-го потока на входе в камеру; /- геометрические характеристики камеры (исключая размеры носика горелок и форсунок); р- плотность продуктов сгорания в изометрической зоне камеры; р,Ар- соответственно локальное абсолютное давление и перепад давления в камере рабочего пространства печи.
Так как соотношение І /І ьк =(мвхі-wBxi)/М-w0, то в уравнение подобия могут быть введены симплексы скорости. Так, для поля скоростей будем иметь: w 1 w M Г ВХІ 1 w —=f4 /.-. 1 -_- Т. r 1 Л (2.22) v w„ M_._ L 0 V О l 1ъьа 0 / где wBXj - средняя скорость газов і-го потока на входе в камеру. Расчет минимального коэффициента конвективной теплоотдачи к поверхности частицы во взвешенном слое можно производшъ на основе уравнения Nu = a-d IX -2. м г м 1/г -1/г. M 1 Это условие отвечает случаю теплопередачи теплопроводностью от неподвижной частицы шарообразной формы к неподвижной газовой среде (или наоборот). Тепловой поток, который частица передает в окружающую среду, со-4-я-A. -It ) ставляет Q = г м г/ где гм - радиус частиц; rt - текущий радиус мнимой сферы. При г - оо,tr — toe., переходя от гм к dM, получаем [41] Q = 2T-A, -d -ft, „„)=a-7c-d2 -L \ x Г M V M -C- M V M -c- отсюда a d /X=2. M Из условия Nu=2 следует, что уменьшение диаметра частиц приводит к повышению коэффициента теплоотдачи. Расчет коэффициента теплоотдачи конвекцией при относительной скорости wOTH=w-wr 0 можно производить на основе [107] при Re 35 Nu=2+0,16Re2/3 При Re 35 Nu=0,62Re0 5, где Nu = a -d IX , Re = w -d /v. r к к г в к /ІОО І-еД /ІОоНм 100)4] є "сл л t г М Для расчета локальной величины а крупных взвешенных частиц при высокой степени черноты газовой среды используется уравнение: є где є - степень черноты материала частицы; s - степень черноты газовой м г среды с учетом излучения частиц, достигших температуры среды; tM, tr, t - температура частицы, газа и окружающих стенок в данном сечении слоя.
Вопрос об определении времени нагрева термически тонкого тела, каким является фракция тонкодисперсной извести, сводится к решению простого уравнения теїшового баланса, показывающего, что всё подводимое к поверхности нагреваемого тела тепло расходуется на изменение его энтальпии.
Количество тепла dQ, получаемое телом с воспринимающей поверхностью F от среды с постоянной температурой , то есть при граничных условиях Ш-го рода, за время dx равно dQ = (tc)-F-a , (2.23) Так как всё это тепло расходуется на изменение энтальпии нагреваемого тела, имеющего массу М и удельную теплоемкость С, то M-c-dt = a-(tc)-F-dx; (2.24) M-c-dt _N Разделяя переменные, получаем: dx = т г (2.25) a-F-(tc) и, интегрируя, найдем длительность нагрева от начальной tH до конечной tK к - К LL takZL, (2,26) k-a t М-с S dt М С , температуры: х = — I 7 г = — In t . a-F «„(tc) a-F k=l (для пластины); k=2 (для цилиндра); k=3 (для шара) [11]. Аналогичным путем может быть найдено выражение для продолжительности нагрева термически тонкого тела при постоянной плотности теплового потока, подводимого к его поверхности (qn0B= const), то есть при граничных условиях 11-го рода: т = (tK - tH), Чпов " При определении температуры внутри термически тонкого тела t необходимо помнить, что в таких телах значение t зависит только от времени т и не зависит от координаты по толщине изделия. Если известна продолжительность нагрева т, конечная температура тонкого тела находится легко из формулы: (2.27) V M-cy t =t -It -exp к с VC н Уравнение нагрева одиночной частицы при Tr==const имеет вид m-cM-dM=a-F-(trJ-dx После интегрирования получаем формулу для расчета продолжительности нагрева частицы от температуры Сдо tM(c учетом поправки на массивность), которая для сферических частиц имеет вид: ч-см-р -(1 + ВІ/5) . t-C т = —л—м Км v --La— (2 28) 6-а, t 2- Г M Количество теплоты, получаемое при этом q = см (tH 4) (2.29) С учетом того, что т = —, где Н- высота печи - декарбонюатора, м; V- скорость высокотемпературного транспортирующего потока в печи, м/с, получим: тт dM-cM-pM-(l + Bi/).V t с 6-a tr — tM С другой стороны известно, что скорость потока газ-твердое в печи декарбонизаторе через ее геометрические размеры определяется из соотноше W , ния V = —; где W - объемная производительность дымососа, м/с; F - площадь F сечения печи, в случае кругового сечения F = , тогда формула (2.30) при тт 2 d„-c„-pll-(l + Bk)-W t t« метвид Н = - —f?- ln- х- (2.31) 3 7c-azD2 trM Полученная формула связывает геометрические параметры печи - декарбонюатора, свойства обжигаемого материала и условия процесса обжига.
Чем однороднее размер кусков известняка, тем легче регулировать режим обжига, что способствует производительности печи. Скоротечность протекания процесса проюводства пороппсообразнои извести требует стабилизации всех параметров на оптимальном уровне с минимальными отклонениями. Это вызвано тем, что изменение каждого возмущающего параметра оказывает существенное влияние на эффективность работы печи [36].
Основным достоинством печей-декарбонизаторов скоростного обжига в прямотоке фаз является возможность эффективного использования огромной удельной поверхности мельчайших частиц. Но рабочие камеры, использующие этот принцип, должны иметь сепарационное устройство для выделения частиц из газового потока после завершения тепловой обработки.
Наиболее полный учет фактических особенностей движения материала в высокоскоростном потоке газов существенно уточняет расчетные характеристики, в том числе удельную производительность взвешенного слоя [36]. По мере движения частицы в прямолинейном потоке газа при спутно-подъемной схеме, причем скорость газа принимается неизменной (wr=const), абсолютная скорость каждой частицы асимптотически приближается к скорости газа за вычетом соответствующей скорости витания (рис. 2.3).
Методика расчета продолжительности обжига тонкодисперсных частиц
Средняя теплоёмкость представляет собой количество теплоты сообщаемой единице количества газа (или отнимаемой от него), при изменении температуры газа от ti до t2 . Предел этого отношения, когда разность температур стремиться к нулю называют истинной теплоёмкостью. Наиболее часто на практике применяется средняя изобарная теплоёмкость, но, как выяснилось, в некоторых источниках эта величина имеет разное значение.
Для сравнения использовались источники [44, 50, 63, 66, 68, 100, 120] .
Для простоты и наглядности сравнения, данные по всем источникам приведены к единой единице измерения Кдж/кг С. Кроме того, для сравнения выбраны данные по влаге и сухой части продуктов сгорания природного газа среднего состава при коэффициенте избытка воздуха а = 1.1; VC4 = 9.51 м3/м3; VN2 = 8.3 MV; VC02 = 1.01 м3/м3; V02 = 0.2 м3/м3 .
3. Теплотехнические характеристики топлива и продуктов его сгорания. Согласно литературным данным, теплотехнические расчеты горения топлива обычно выполняются исходя из низшей теплоты сгорания топлива QH, подсчитываемой с учетом сгорания водорода топлива в водяной пар и расхода тепла на испарение содержащейся в топливе влаги. Однако при охлаждении продуктов сгорания топлива с высоким содержанием водорода или влаги ниже точки росы и частичной утилизации тепла конденсации водяного пара, использованное тепло может превышать низшую теплоту сгорания топлива. В этом случае кажущийся, или видимый, коэффициент полезного действия, подсчитанный по стандартной методике по отношению к низшей теплоте сгорания топлива, может превышать 100% [67].
В данной работе расчеты выполнены по высшей теплоте сгорания топлива, так как в установке предусмотрена утилизация теплоты отходящих газов и теплоты готового продукта, идущей на подогрев сырья и воздуха для горения, соответственно. При расчетах сжигания топлива определяли: количество необхо 78 димого для: горения воздуха; количество и состав продз ктов сгорания; температуру горения.
Увеличение избыточного воздуха сверх оптимального приводит к возрастанию потерь тепла с уходящими газами, может существенно снизить температуру в топке и обусловить этим неполное сгорание топлива. Поэтому большое значение имеет применение методов сжигания топлива и выбор конструкций горелок, обеспечивающих полноту сгорания топлива при минимальном избытке воздуха. В установке использовалась горелка струйно-стабилизаторного типа, обеспечивающая при раздельной подаче воздуха и газа короткий и прозрачный факел, одновременно обладающая высокой устойчивостью горения. В процессе испытаний горелки подтверждено свойство саморегулируемости процесса горения. Горение природного газа оказалось возможным вплоть до значений общего коэффициента избытка воздуха 1.4 - 1.5. При правильной организации процесса отпадает необходимость в специальной обмурованной топочной камере.
Правильность расчета сжигания топлива проверялась составлением материального баланса горения топлива с помощью программы, написанной на языке Turbo Pascal, позволяющая определить объемные и массовые составляющие отходящих газов. Текст программы приведен в приложении.
Методика составления теплового баланса. Принцип составления уравнения теплового баланса один и тот же для всех без исключения печей, так как в его основе лежит закон сохранения энергии, но существует некоторая специфика в зависимости от характера работы печи (непрерывный или периодический) и от способа теплогенерации (за счет топлива или электроэнергии).
Тепловой баланс печи дает представление об эффективности процесса. Потери, связанные со скрытой теплотой парообразования воды, получающейся при сгорании водорода в топливе, относительно велики для газообразного топлива, незначительны для кокса и средние для нефти. Эта теплота не принимает участия в процессе в печи и поэтому показывается, как: выходящая из теплового потока до его попадания в печь. По этой же причине теплота, выходящая из печи с окисью углерода, выводится в сторону. Две главные струи в пределах печи представляют теплоту недостаточной интенсивности для осуществления карбонизации (разложение MgC03) и теплоту, достаточной или большей интенсивности для создания температуры карбонизации. Теплота низкой интенсивности частично расходуется на увеличение теплосодержания материала и частично теряется в отходящих газах и через радиацию из зоны подогрева. Теплосодержание материала после его разложения остается в продуктах разложения. Теплота, содержащаяся в углекислоте, полностью возвращается в тепловой поток как часть теплоты газового потока при разложении в зоне обжига. Теплота извести возвращается в процесс или теряется в зависимости от наличия рекуперации в печи и в холодильнике. Теплота высокой интенсивности расходуется главным образом на реакцию разложения. Часть ее уходит в теплосодержание извести, которая должна быть нагрета выше нормальной температуры разложения, чтобы передать тепло внутрь куска. В той или иной мере незначительная часть проникает в зону подогрева в зависимости от типа печи и способа ведения процесса. Часть тепла теряется излучением от зоны обжига [11].
Цель составления баланса по методике, предложенной [51] - анализ теплоис-пользования и определение удельного расхода топлива на 1 кг продукта обжига, исхода! из условия равенства приходной и расходной статей баланса. Коэффициент, учитывающий потери тепла от стенок печи в окружающую среду, принят 0,03 из-за незначительных размеров обжиговой печи.
5. Определение качества готового продукта. На созданной установке резкий обжиг, в отличие от постепенного, благоприятствует формированию правильной кристаллической решетки. Продукт с более низкой температурой начала эмиссии имеет высокую теплоту гидратации. Поскольку начало термоионной эмиссии определяется работой выхода электрона и, следовательно, положением уровня Ферми в кристалле, реакционная способность говести в процессе гидра 80 тации также зависит от уровня Ферми в СаО [73]. Чем выше уровень Ферми, тем активнее известь. Степень диссоциации карбонатного сырья г]сд определялась по формуле: (0 т+МУ ). 100% (СаО+ MgOL+1,27-(СО (3 щ где: (СаО + MgO)aifr - содержание активных оксидов в извести, определяемой по методике, приведенной в ГОСТ 22688-77 «Известь строительная», %; (С02)ост - содержание остаточной углекислоты в извести, %.
Влияние конструктивно - технологических параметров печи-декар-бонизатора на качество готового продукта
Настоящий акт составлен в том, что в период с апреля по ноябрь 1999 г., с января по май 2000 г. в ЗАО «Руслайм», при участии представителей ЗАО «Руслайм» зам. технического директора Митрофанова Л.Д., инженера-электронщика Демьянова Э.П., Белгородской государственной технологической академии строительных материалов с.н.с, к.т.н. Васильченко Ю.В., н.с. Щетининой И.А. и опытно-промышленного производства ЗАО «Белгородский цемент» в.н.с, к.т.н. Гибелева Е.И. и с.н.с, к.т.н. Требукова С.А. были проведены испытания опытно-промышленной установки по производству извести из меловых отходов полидисперсного состава, разработанной в соответствии с договором № 45/97 "Создание и испытание опытной установки энергосберегающего производства извести из дисперсного сырья и разработка бизнес-плана и регламента на проектирование полномасштабной установки между ЗАО «Руслайм» и БелГТАСМ. Химический и дисперсный состав меловых отходов представлен в табл. 1,2.
Принципиальная схема экспериментальной установки При проведении испытаний контролировались следующие параметры: температура в зоне обжига, разряжение в реакционной шахте и перед дымососом. расход топлива и воздуха, идущего на горение. Продукты обжига меловой пыли улавливались в пылеосадительном устройстве и исследовались при помощи химического и рентгенофазового анализа.
Результаты исследований продуктов обжига свидетельствуют о том, что содержание СаО в обожженном продукте составляет от 60 до 70 %, в зависимости от условий обжига. Полученная известь является активной, оыстрогася-щейся (время гашения не превышает 8 мин), что подтверждается результатами рентгеноструктурного анализа.
Проведенные испытания показали принципиальную возможность получения высокоактивной извести в установке скоростного обжига меловой пыли, работающей по принципу восходящего двухфазного прямотока. На основе полученных данных целесообразно проектирование полномасштабной установки, на которой возможно получение высокосортной товарной извести, используемой в производстве строительных материалов и металлургической промышленности. технического совещания nownpocy технологии производства извести ж дисперсного мела в печи ЦКС (циклонная с кипящим слоем) г. Старый О скол " 199Т г от ВЦЗ : начальник цеха по производству тонкодисперсного мела, к .т.н. Гибелев Е.И., зам. начальника цеха по производств) тонкодисперсного мела, к.т.н. Требуков С.А. от БелГТАСМ : доц. каф. ЭТ Кулешов М.И., проф. каф. ЭТ. д/г.н. Рухлинский В,В.. асп. Щетинина И А.
С сообщением о "Технико-экономическом обосновании производства извести из дисперсного мела в печи ЦКС в количестве 40600 тонн в год из сырья Лебединского ГОКа!? выступила аспирантка кафедры " Энергетика теплотехнологш-г БелГТАСМ Щетинина Ирина Алек са н дровн а.
Технико-экономическое обоснование разработано в соответствии с требованиями рационального топливопотреоления и эффективного использования вторичных энергоресурсов. До настоящего времени аналогов предлагаемой технологии в России не имеется.
С учетом требований ГОСТ 9)79-77, предъявляемых к извести строительной. предложена технологическая схема, позволяющая получать высокореакционную однородную по качеству известь. Ввиду необходимости оптимизации использования тепла рекомендовано утилизировать теплоту отходящих газов со значительным температурным потенциалом для подогрева сырья и геплоту готового продукта для подогрева воздуха. Эти обстоятельства повышают качество извести и ускоряют процесс.
