Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Энергетика и теплофизика высокотемпературных жидкофазных процессов извлечения железа из руд 7
1.1. Оценка энергетической эффективности процессов жидкофазного извлечения железа из руд 7
1.2. Применение природных энергоносителей в жидкофазных процессах извлечения железа из руд 29
1.3. Потери теплоты через ограждения в тепловых балансах реакторов 32
1.4. Постановка цели и задач исследования 36
1.5. Методы решения поставленных задач 37
Глава 2. Разработка тепловой схемы процесса извлечения железа из руд с максимальным энергетическим эффектом 39
2.1. Уровень потребления природных ресурсов в современном аглококсодоменном комплексе 39
2.2. Физическая и математическая модель взаимодействия энергоносителя вида 0+Н2+А (А - зольность) с расплавом оксида железа 47
2.3. Анализ энергетических характеристик трехкомпонентных источников энергии в процессе восстановления железа, Выбор первичного энергоресурса 55
2.4. Логика построения схемы 62
2.5. Определение потенциала резерва интенсивного энергосбережения 88
Выводы 89
Глава 3. Повышение энергетической эффективности ограждения реактора, содержащего расплав 91
3.1. Возможность снижения абсолютного значения тепловых потерь через футеровку с одновременной рециркуляцией их теплоносителем 91
3.2. Физическая модель регенерации потока теплоты, теряемого через ограждение установок, работающих на расплавных системах 101
3.3. Исследование догарниссажного режима регенерации теплоты, теряющейся через ограждение: математическая модель 105
3.4. Результаты вычислительного эксперимента ПО
Выводы 117
Глава 4. Экспериментальное исследование гарниссажного режима регенерации теплоты: физический эксперимент 119
4.1. Описание экспериментальной установки "холодного" моделирования 119
4.2. Планирование факторного эксперимента 122
4.3. Методика проведения экспериментов на "холодной" модели и обработка результатов123
4.4. Результаты физического эксперимента на модели 128
4.5. Применение результатов физического эксперимента для других объектов 133
Выводы 138
Глава 5. Возможность снижения тепловых потерь действующих установок и переработки железосодержащих отходов металлургического предприятия 139
5.1. Характеристики дутьевой решетки реактора 139
5.2. Принципиальная конструкционная схема реактора жидкофазного восстановления железа с применением перфорированного ограждения 146
5.3. Энергетические характеристики реактора жидкофазного восстановления железа способом Ромелт 148
4 5.4. Применение природного газа для переработки конвертерных
шлаков 149
Выводы 157
Заключение 159
Библиографический список 162
Приложения , 173
- Оценка энергетической эффективности процессов жидкофазного извлечения железа из руд
- Уровень потребления природных ресурсов в современном аглококсодоменном комплексе
- Возможность снижения абсолютного значения тепловых потерь через футеровку с одновременной рециркуляцией их теплоносителем
- Описание экспериментальной установки "холодного" моделирования
- Характеристики дутьевой решетки реактора
Введение к работе
Актуальность работы. Крупным потребителем минеральных и энергетических ресурсов является черная металлургия. Мировое производство чугуна, производимого по аглококсодоменной (АКД) технологии в 2009 году, составляло около 900 млн. т, а по альтернативным способам чуть больше 60 млн. т. При этом извлечение руды находится на уровне около 1800 млн. т.
Задачи рационального использования минеральных и энергетических ресурсов в настоящее время наиболее значимы при производстве конечной продукции. Особенно это актуально для теплотехнологического комплекса черной металлургии, который является одним из крупнейших потребителей первичных природных ресурсов.
Разработка новых схем извлечения железа из руд позволит понизить потребление первичных природных ресурсов, как минеральных, так и энергетических на единицу продукции. В настоящее время перспективными считаются процессы жидкофазного извлечения железа из руд. Отличительной чертой таких процессов является возможность вывода из технологической цепочки получения чугуна таких стадий, как подготовка руд после их усреднения и коксования углей, а также высокая удельная производительность.
Большая часть жидкофазных процессов не вышла из стадии лабораторных или полупромышленных исследований из-за непроработанной тепловой схемы, что с позиции энергетики является главным аспектом их успешной реализации. С энергетической точки зрения не обосновывается, какой первичный природный энергоресурс лучше подходит для реализации данного процесса.
Значительная интенсивность процесса жидкофазного получения полупродукта приводит к необходимости применения принудительного охлаждения ограждений реактора (для их тепловой и химической защиты), в котором реализуется главная теплотехнологическая стадия. При этом увеличиваются тепловые потери через ограждения, достигая 2025% в тепловом балансе агрегата. В условиях восстановительной плавки это вызывает экспоненциальный рост расхода первичного энергоресурса на процесс.
Таким образом, комплексная разработка энергетически эффективной тепловой схемы процесса извлечения железа из руд и энергетически эффективного способа снижения тепловых потерь через ограждения реактора, содержащего расплав технологического материала, является актуальной задачей.
Цель и задачи исследования. В данной работе ставятся следующие цели:
1. Разработать термодинамически идеальную тепловую схему процесса извлечения железа из руд с минимальными энергетическими затратами.
2. Определить влияние тепловых потерь в окружающую среду через ограждения элементов схемы на ее энергетические характеристики.
3. Разработать теплотехнический метод снижения тепловых потерь через ограждения, для обеспечения предельных энергосберегающих характеристик схемы.
Для достижения поставленных целей в диссертационной работе последовательно решены следующие задачи:
определен расчетом и зафиксирован уровень потребления первичных ресурсов как минеральных, так и энергетических, в действующем АКД металлургическом комплексе извлечения железа из руд;
проведен сравнительный анализ энергетических характеристик природного газа и углей, приведенных к обобщенному составу, в условиях восстановительной плавки железорудных материалов при 1600С. Выбрана энергетическая база для данного процесса;
разработана энергоэффективная тепловая схема процесса жидкофазного извлечения железа из руд в термодинамически идеальных условиях;
произведено сравнение характеристик действующей АКД схемы с характеристиками разработанной тепловой схемы;
определен резерв интенсивного ресурсо- и энергосбережения;
на вычислительном эксперименте исследована возможность снижения тепловых потерь через перфорированное ограждение, работающего в догарниссажном режиме в условиях его прямого соприкосновения с расплавом технологического материала;
на “тёплом” физическом эксперименте (75С) исследованы энергетические возможности снижения тепловых потерь через перфорированное ограждение, работающего в гарниссажном режиме в условиях прямого соприкосновения с расплавом. На основе алгебраического метода Рэлея разработаны безразмерные комплексы для переноса результатов на более высокотемпературные условия и проведен эксперимент (1000С);
сделаны рекомендации по применению результатов работы как для действующего металлургического комплекса в части жидкофазной переработки расплавленных конвертерных шлаков, так и для разработки новых энергетически эффективных реакторов извлечения железа из руд.
Методы исследований. Исследования проводились с использованием основных принципов методологии интенсивного энергосбережения, разработанной в Московском энергетическом институте (ТУ), в части термодинамического анализа тепловых схем, а также методов математического моделирования, вычислительного и лабораторного физического экспериментов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
численно исследовано влияние зольности углей в сравнительном анализе с природным газом на их энергетические характеристики в жидкофазном восстановлении железа при 1600С;
разработана энергетически эффективная безотходная тепловая схема извлечения железных руд в термодинамически идеальных условиях;
определен резерв интенсивного энергосбережения и ресурсосбережения для разработанной схемы;
теоретически (вычислительный эксперимент) и экспериментально (температурный уровень экспериментов 75С, 1000С) исследованы энергосберегающие возможности работы перфорированного ограждения в условиях его прямого соприкосновения с расплавом технологического материала в целях сохранения резерва энергосбережения.
Практическая значимость диссертационной работы:
разработанная безотходная энергосберегающая схема переработки усредненного состава железных руд в жидкий полупродукт в полном объеме может быть реализована на металлургических предприятиях со значительным энерго- и ресурсосберегающим эффектом;
часть результатов разработанной схемы может быть применена на действующих металлургических предприятиях для непосредственной переработки жидких конвертерных шлаков и рудной мелочи;
результаты теоретического и экспериментального исследования работы перфорированного ограждения могут быть использованы для проектирования и дальнейших опытно-промышленных испытаний плавильных реакторов;
методы разработки безотходных энергосберегающих теплотехнологических схем, математические и компьютерные модели тепловой работы энергетически эффективного ограждения плавильных реакторов могут быть использованы в учебном процессе высших учебных заведений для повышения качества подготовки студентов-теплоэнергетиков.
Основные положения, выносимые на защиту:
энергетически эффективная тепловая схема процесса жидкофазного извлечения железа из руд, доказанная на каждом этапе ее построения, характеризующаяся минимальными расходами первичных минерально-сырьевых и энергетических ресурсов;
математическая модель стационарного теплового состояния перфорированного ограждения для догарниссажного режима его работы в условиях прямого соприкосновения с расплавом технологического материала;
результаты экспериментов для догарниссажного и гарниссажного режима регенерации тепловых потерь через ограждение в условиях его прямого соприкосновения с расплавом технологического материала.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых “Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии”, Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 3-7 декабря 2001 г., 2002 г., ; 7-м Конгрессе сталеплавильщиков, Магнитогорск, 15-17 октября 2002 г.; 1-й, 2-й Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов “Энергосбережение – теория и практика”, Москва, МЭИ, 2002 г., 2004 г.; Международной науч.-практич. конф. молодых специалистов, Магнитогорск, ОАО “ММК”, 21-25 апреля 2003 г.; 6-й Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов “Энергетики и металлурги настоящему и будущему России”, Магнитогорск, 24-26 мая 2005 г.; на заседании кафедры энергетики высоких температур Московского энергетического института (Технического университета) в 2006 г.; на заседаниях кафедры теплотехнических и энергетических систем Магнитогорского государственного технического университета в период с 2002 по 2006 г., 2010 г.
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 11 печатных работах, в том числе 1 монография и 2 статьи в журналах по списку ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 150 страницах основного текста, содержит 39 рисунков, 20 таблиц, список литературы из 125 наименований и 1 приложение. Общий объем работы составляет 163 страницы.
Оценка энергетической эффективности процессов жидкофазного извлечения железа из руд
В настоящее время стремительное развитие получают бескоксовые способы извлечения железа из руд. Однако, при реализации процесса разработчики сталкиваются с неоправданно высоким расходом первичного энергоресурса. В данной главе рассмотрены тенденции развития черной металлургии, способы жидкофазного извлечения железа из руд, заявленные цели и полученные результаты. Отражены исследования по применению природных энергоносителей в жидкофазных процессах извлечения железа из руд. Проанализированы значения потерь теплоты через ограждения в тепловых балансах реакторов. Выявляются недостатки или неполнота тех или иных исследований. Ставятся главные цели работы и поэтапно решаемые задачи, а также методы и подходы для их достижения.
1.1. Оценка энергетической эффективности процессов жидкофазного извлечения железа из руд
Современное металлургическое предприятие с полным циклом условно можно разделить на две составные части, первая - извлечение железа из руд, где потребляется более 2/3 тепловой энергии произведенной с помощью первичных источников, вторая - формирование конечной продукции, в которой потребление тепловой энергии принципиально не является обоснованным. Поэтому освоение новых методов интенсивного энергосбережения в обеих частях позволит значительно сократить потребление первичных энергетических ресурсов для производства единицы продукции.
Продолжительная эволюция аглококсодоменного способа извлечения железа из руд позволила повысить производительность доменных печей и понизить уровень потребления первичных энергоресурсов, который все-таки остается высоким. Поэтому примерно с 50-х годов двадцатого века развитие получили внедоменные (бескоксовые) способы производства железа. Однако до начала двадцать первого века более 80% чернового металла извлекалось из руд по ставшей уже традиционной доменной технологии.
В доменной печи реализуется принцип восстановление-плавление в противотоке оседающего технологического материала и восходящего газа в пределах одного шахтного агрегата. Положительной отличительной особенностью доменной печи является то, что в ней происходит теплообмен с высокой степенью завершенности, так как от нижней фурменной зоны газ от температуры :=Л800-К2000С по мере своего продвижения вверх к колошнику охлаждается до уровня температуры 200-f-300C [1, 2].
Энергетической базой доменной печи является металлургический кокс, который в свою очередь получен из коксующихся углей. То есть для функционирования доменной печи необходимо коксохимическое производство. Одновременно технология доменной плавки требует строго определенного содержания железа в шихте, которое составляет 65-н67% по массе. Превышение этой величины приводит к снижению прочностных свойств агломерата и окатышей с соответствующими последствиями для доменной плавки [3].
Ввиду того, что происходит естественное и монотонное обеднение ископаемых руд, доменное производство сталкивается с еще одной проблемой - это увеличение энергетических затрат на обогащение руд. В настоящее время среднее содержание железа в руде составляет менее 35% (в I960 г. было более 45%). Необходимый процент железа получают из руды после её дробления и последующего обогащения. Кроме того, здесь же происходят большие потери первоначальных рудных ресурсов, достигающие 30 35% [1, 4].
Так как доменная печь не может работать на концентрате в виде мелкодисперсного порошка, то дальнейший процесс подготовки железосодержащих шихтовых материалов ведут по двум основным направлениям: производство агломерата и окатышей, то есть производят окомкование концентрата. Это требование остается обязательным и для процессов получения губчатого и кричного железа во вращающихся и шахтных печах, в то же время внедоменные способы получения жидкого металла предполагают исключение из их технологического процесса стадии предварительной обработки железных руд [5].
Уровень потребления природных ресурсов в современном аглококсодоменном комплексе
Большие затраты первичных природных ресурсов при извлечении железа из руд в современном металлургическом комплексе обуславливают стремление понизить их. Однако, не изменяя классической доменной технологии, существенно понизить потребление природных ресурсов не удается. Концепция интенсивного энергосбережения, фундаментально базируясь, в первую очередь, на разработке рациональных тепловых схем, изменяет принципиальные основы технологии и техники при системном подходе к рассматриваемому объекту, позволяет радикально снижать потребление первичных природных ресурсов на основе новейших достижений науки. Данный метод позволяет определить видимый расход первичного энергоресурса, резерв энергосбережения и общего ресурсосбережения в металлургическом комплексе на стадии процесса извлечения железа из руд, в части, где происходят наибольшие энергетические и ресурсные затраты.
2.1. Уровень потребления природных ресурсов в современном аглококсодоменном комплексе
Ресурсоемкость процесса извлечения первородного металла из руд в первую очередь предопределяет технологическая схема его реализации. Анализ структурной схемы представленной на рисунке 2.1 аглококсодоменного комплекса показал, что значительные потери материальных ресурсов происходят уже на стадии предварительной обработки шихтовых материалов, достигающие 3(К35% [1,4].
Для более качественного фиксирования уровня потребления первичных природных материалов определим расходы последних на тонну чугуна в промежуточных звеньях технологической цепочки доменного производства.
Возможность снижения абсолютного значения тепловых потерь через футеровку с одновременной рециркуляцией их теплоносителем
В рассматриваемой перспективной модели имеются
высокотемпературные процессы обработки расплавов газами: основной восстановительный при 1600С; предварительного плавления при 1600С; получения СВС при 1600-2000С. Высокие температуры расплавленных материалов обусловливают значительные потери теплоты через ограждения реакторов, которые находятся в непосредственном контакте с расплавами. К ограждениям предъявляются требования механической, химической, термической стойкости на указанных температурных уровнях.
Известным техническим решением по защите конструкционной стенки от химического и температурного воздействия является организация гарниссажа из обрабатываемого материала методом интенсивного охлаждения наружной поверхности стенки. Однако при этом на порядок увеличивается тепловой поток через футеровку.
Известно техническое решение [98] по охлаждению пористой пластины, согласно которому навстречу тепловому потоку, идущему через пластину в окружающую среду, подается поток газа, движущийся в пористой среде. Пористость стенки характеризуется практически бесконечным количеством отверстий разного размера, расположенных нерегулярно по поверхности стенки, и бесконечным количеством микроканалов нерегулярной формы.
Приведено аналитическое решение этой задачи, показывающее, что температура внешней поверхности пластины может быть существенно снижена, что соответственно может уменьшить тепловой поток в окружающую среду. Однако температурный уровень теплообмена, характеристики прочности и огнеупорности материала стенки не приводятся, что затрудняет прямой перенос этого технического решения на рассматриваемые высокотемпературные реакторы, содержащие расплавы температурой около 1600СС. Кроме того, снижение относительного потока теплоты через ограэ/сдение не оценивалось.
Другое известное решение, автором которого является И.И, Перелетов, включает подачу воздуха через пористую стенку (фильтруемая изоляция) навстречу тепловому потоку, выход нагретого воздуха в свободный газовый объем, сбор его и подача на горение. В этом случае пористая стенка является не основным элементом конструкции печи, несущим механическую и температурную нагрузку на уровне 1500С, а пристроенным, не несущим механической нагрузки, и на температурном уровне около 800С. Этот нагрев воздуха, идущего на горение, охлаждает пристроенную пористую стенку, а нагретый теплоноситель подается в свободный газовый объем на горение вместе с топливом.
В рассматриваемом случае основная конструкционная стенка внутри реактора граничит с расплавом и несет механическую нагрузку, как элемент конструкции. Возможная сплошная пористость такой стенки ослабляет механическую прочность ограждения. К тому же микрообъемы теплоносителя, подаваемого навстречу тепловому потоку на выходе попадают в расплав, что затрудняет их объединение, как это происходит в газовом объеме.
Микроканалы пористой стенки характеризуются большим гидравлическим сопротивлением, для преодоления которого с внешней стороны стенки должно быть приложено значительное общее давление газа. В зависимости от характеристик пористости стенки, это давление с газовой стороны может существенно превышать гидростатическое давление со стороны расплава, что представляет собой дополнительную механическую нагрузку на ослабленную пористостью стенку. Чем больше пористость стенки, тем ниже газовое давление и механическая прочность.
Таким образом, стенка с бесконечным (практически) количеством каналов нерегулярного расположения и формы представляет определенные технические трудности для применения в высокотемпературных расплавных системах. Решение данной проблемы может заключаться в организации конечного количества каналов конечной формы, расположенных регулярно (перфорации), что может одновременно снизить газовое давление на стенку и повысить ее механическую прочность по сравнению со сплошной пористостью.
В этих условиях представляет интерес исследования энергетических возможностей монолитной огнеупорной стенки с конечным количеством регулярных каналов регулярной формы и с конечными диаметрами, через которые навстречу тепловому потоку подается охлаждающий газ.
Таким образом, обозначен способ регенерации тепловых потерь в окружающую среду применительно к реакторам, содержащих расплав. Перед проведением экспериментов (вычислительного и/или физического) необходимо на уровне теплового баланса процесса рассмотреть возможное влияние на главную характеристику реактора - видимый расход топлива. Для этого необходимо рассмотреть тепловой баланс реактора, в котором отсутствует регенеративное использование тепловых потерь через футеровку в окружающую среду. Считаем, что в реакторе обрабатывается некоторый исходный материал, при этом имеют место только тепловые потери с отходящими газами, через ограждения в окружающую среду и теплота технологического продукта.
Описание экспериментальной установки "холодного" моделирования
В данной главе поставлена задача экспериментальной проверки возможности получения слоя гарниссажа на поверхности перфорированного ограждения и исследования влияния отдельных факторов на относительное изменение тепловых потерь через ограждение.
4.1. Описание экспериментальной установки "холодного" моделирования
Исследования теплообмена газовой струи и расплава проводились на экспериментальной установке, предназначенной для "холодного" моделирования, в лаборатории "Металлургии стали" МГТУ. Шлаковый расплав моделируется расплавом парафина, который, охлаждаясь, застывает на поверхности ограждения лабораторной установки, образуя слой гарниссажа. В задачу экспериментального исследования входила проверка возможности практической реализации процесса образования гарниссажа с одновременной регенерацией теплоты распространяющейся теплопроводностью в образованном слое гарниссажа.
Схема экспериментальной установки представлена на рис. 4.1. Установка содержит ванну 1 в виде параллелепипеда размерами 200х200х400 мм сделанного из металлического каркаса и прикрепленными к нему прозрачными стенками, выполненными из органического стекла толщиной 5 мм, что обеспечивало ее прозрачность и возможность фотографирования происходящих в ней процессов. В верхней части ванны имеется отверстие 2 для выброса отходящих газов.
Характеристики дутьевой решетки реактора
В результате проведения физических экспериментов были получены образцы парафинового гарниссажа, вид которого представлен на рисунке 4.3. Данный образец получен при значении шага перфорации равного 0,002 м, диаметр отверстия 0,001 м, расход воздуха 1,875-10"5 кг/с.
Как видно из рисунка 4.5 б) внешний вид гарниссажа, образованный вокруг отверстий, позволяет судить о том, что гипотеза о подобии температурного поля для догарниссажного режима и гарниссажного верна.
Из рисунка 4.5 с) видно, что профиль гарниссажа, образованный в межтрубном пространстве идентичен заявленному в п.2 3-й главы, что подтверждает правильность выполнения эксперимента.
Исследование изменения потока теплоты в окружающую среду через перфорированное ограждение в условиях организации гарниссажного режима на лабораторной установке и последующая обработка экспериментальных данных позволило установить комплексное влияние исследуемых факторов. Современные компьютерные средства графической визуализации позволяют представить двухпараметрическое влияние отдельных факторов на функцию отклика по уравнению (4.9).
