Введение к работе
-3-
Актуальность проблемы
Металлургический комплекс занимает ведущие позиции в современной промышленности. Одним из основных этапов в получении первичного металла является производство агломерата путем спекания рудного концентрата с коксом при температурах до 1400С на агломашинах конвейерного типа. Горение кокса поддерживается за счет просасывания воздуха. По нормам техники безопасности агломашины снабжаются укрытиями.
Воздух на спекание агломерата, как правило, забирается непосредственно из помещения спекательного отделения. Разрежение, создаваемое технологическим отсосом машины, вызывает поступление воздуха из соседних отделений и наружного воздуха. Это приводит к загрязнению воздушной среды и выхолаживанию рабочей зоны в холодный период года.
Для компенсации расхода воздуха, удаляемого технологическим отсосом, в спекательных отделениях предусматривается устройство систем приточной механической вентиляции. При этом общая производительность этих систем может достигать нескольких миллионов кубических метров в час, что требует значительных затрат на обработку и транспортирование воздуха, и сооружение вентиляционных систем.
Сократить затраты на вентиляцию позволяет подача непосредственно в укрытие агломашины наружного воздуха, рециркуляционных газов, либо воздуха из укрытия разгрузочной части агломашины. Опыт внедрения этих способов на аглофабриках России показал, что при этом зачастую происходило выбивание загрязненного воздуха через неплотности укрытия в рабочую зону. В связи с этим приобретает актуальность разработка теоретически обоснованных способов организации и расчета компенсации расхода воздуха, удаляемого технологическим отсосом. При этом по условиям технологии требуется обеспечить равномерное распределение подаваемого воздуха в объеме укрытия.
Процесс спекания сопровождается выделениями избыточной теплоты, пыли и газов. Как показывают имеющиеся данные натурных обследований, со-
-4-стояние воздушной среды не соответствует требованиям санитарных норм. Несмотря на значительные воздухообмены концентрации вредных веществ и пыли в воздухе рабочей зоны превышают предельно допустимые в десятки раз.
Основная причина неудовлетворительного состояния воздушной среды -недостаточная эффективность укрытий агломашин. Как показывают наблюдения, расход загрязненного воздуха, выбивающегося через неплотности укрытия в рабочую зону, составляет более 10% от расхода технологического отсоса аг-ломашины. В связи с этим совершенствование конструкций укрытий агломашин также является актуальной задачей.
Целью данной работы является исследование и разработка эффективных схем организации воздухообмена в спекательных отделениях агломерационных фабрик.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
разработать математическую модель процессов тепло- и массообмена в укрытии агломашины с учетом технологии производства агломерата и установить ее соответствие физическому объекту;
выполнить математическое моделирование процессов тепло- и массообмена в укрытиях различной конструкции с целью изыскания эффективных способов компенсации технологического отсоса;
выявить возможность снижения затрат на вентиляцию спекательных отделений при различных способах компенсации технологического отсоса;
провести оценку эффективности укрытий агломашин и разработать рекомендации по совершенствованию конструкций укрытий.
Объею" исследования - спекательные отделения агломерационных фабрик.
Предмет исследования - организация воздухообмена в спекательны отделениях.
В качестве основного метода исследования был применен метод матемі тического моделирования и многовариантные расчеты на ЭВМ. При разработк модели процессов тепло- и массообмена в укрытии агломашины были использ< ваны методы теплового и воздушного балансов.
-5-Достоверность научных положений и выводов подтверждается результатами физического эксперимента и результатами других авторов. Научная новизна работы заключается в следующем:
Впервые дана классификация воздушных режимов многозонного укрытия крупногабаритного тепловыделяющего оборудования с мощным технологическим отсосом.
Разработан алгоритм определения производительности систем приточной вентиляции спекательных отделений агломерационных фабрик, позволяющий учесть влияние особенностей технологии производства, конструкции аглома-шины и укрытия, распределения тепловых и воздушных потоков.
Теоретически обоснованы методы снижения производительности систем приточной вентиляции в спекательных отделениях агломерационных фабрик при компенсации технологического отсоса наружным воздухом, рециркуляционными газами, воздухом из узла разгрузки агломерата.
Получены зависимости для расчета необходимой степени герметичности укрытий агломашин.
Практическая значимость работы. В результате исследования разработан способ организации воздухообмена, позволяющий повысить эффективность укрытий агломашин по локализации вредных выделений. Получены данные по обоснованию допустимой степени компенсации технологического отсоса наружным воздухом, рециркуляционными отходящими газами, воздухом из укрытия разгрузки агломерата, позволяющие сократить затраты на вентиляцию в 1,3 раза при использовании наружного воздуха и более чем в 2 раза при использовании рециркуляционных газов. Экономический эффект на примере спекатель-ного отделения КачГОКа составляет 2,2 и около 5 млн. руб. в год соответственно.
Для варианта использования рециркуляционных газов разработана и защищена патентом РФ за №78800 новая конструкция двухкамерного укрытия с перфорированной поверхностью для равномерного распределения газов, что позволяет улучшить санитарно-гигиенические показатели и технологический
-6-режим спекания. Разработана методика определения основных конструктивных размеров укрытия при использовании рециркуляционных газов на спекание.
Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены и использованы ОАО «Уралмаш-Инжиниринг» (Дивизион «Металлургическое оборудование») при разработке технических предложений по организации рециркуляции отходящих газов для ОАО «Тулачермет», г. Тула, для ОАО «Северсталь», г. Череповец, для Аксуском заводе ферросплавов, г. Аксу, Казахстан, что подтверждается актом внедрения.
На защиту выносятся:
Результаты теоретического анализа воздушных режимов укрытия агломашины и условий их формирования.
Математическая модель процессов тепло- и массообмена в укрытии агломашины и доказательства ее адекватности.
Методика расчета основных конструктивных размеров укрытия при использовании рециркуляционных газов на спекание.
Апробация результатов исследования. Результаты докладывались и были представлены на Всероссийском симпозиуме «Безопасность биосферы», г. Екатеринбург, 2005, 2009 г.г.; на 62-ой научно-технической конференции, посвященной 75-летию НГАСУ (Сибстрин), Новосибирск, 2005 г.; на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы теплоэнергетики», ЮУрГУ, г. Челябинск, 2006 г.; на Всероссийской научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии», г. Екатеринбург, 2006 и 2007 г.; на Всероссийской научно-технической конференции «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов», ТҐУ, г. Тольятти, 2007 г.; на конференции «Неделя металлов», г. Москва, 2007 г; на Второй международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции», МГСУ, г. Москва, 2007 г.
Публикации. По результатам исследования, представленных в диссертационной работе, опубликовано 12 работ. Статьи [1-3] опубликованы в рецензируемых научных журналах, рекомендованных экспертным советом ВАК.
-7-.
В работах, выполненных в соавторстве с научным руководителем Р.Н. Шумиловым, последнему принадлежат постановка задачи и общее руководство, метод учета гравитационных давлений. Научным руководителем К.Н. Илюхиным уточнены аспекты постановки численного эксперимента [11], Ю.И. Толстовой - аспекты энергосбережения при вентиляции аглофабрик [1] и постановки физического моделирования [5]. В работах [3, 9, 10, 12] С.С. Скачко-вой, Е.Г. Дмитриевой уточнены параметры технологического процесса агломерации, А.Ю. Морозовым, Толстовой Ю.И. предложен способ подачи рециркуляционных газов в укрытие. Личный вклад автора заключается в разработке математической модели многозонного укрытия агломашины, алгоритма расчета и пакета прикладных программ. Автором проведены численный и физический эксперименты, обработка и анализ результатов, методика расчета конструкций укрытия и рекомендации по повышению их эффективности.
Структура п объем работы. Диссертация содержит 167 страницах текста, в том числе 52 таблицы, иллюстрирована 42 рисунками и состоит из введения, пяти глав, заключения, пяти приложений на 36 стр. Библиографический список включает 100 наименований.
