Содержание к диссертации
Стр.
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 5
ВВЕДЕНИЕ 8
1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ СИСТЕМЫ 14
ВЕНТИЛЯЦИИ, ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ И
ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ АНОДНЫХ ГАЗОВ В КОРПУСАХ
ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ
Вентиляция в корпусах и вторичные укрытия рабочего 15 пространства электролизера
Газосборный колокол электролизера 18
Горелочные устройства электролизера 27
Газоходные сети корпуса электролиза 34
.4.1 Отложения в газоходах. Анализ причин образования 38 отложений
.4.2 Удаление отложений. Анализ эффективности очистки 41
газоходов от пылевых отложений
.4.3 Электроизоляционные разрывы газохода. Анализ 45 эффективности герметизации узла
1.5 Выводы по главе и формирование задачи исследования 46
2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ 49
ЭФФЕКТИВНОСТИ СБОРА И ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ
АНОДНЫХ ГАЗОВ
Новая конструкция газосборного колокола 50
Расчет оптимальных параметров щелевых горелочных 55 устройств
Система автоматической очистки полостей горелочных 64 устройств от отложений
2.4 Газоходная сеть корпуса электролиза. Повышение 66
эффективности работы системы газоотсоса
Теоретическое определение условий уноса твердых 68 пылевидных частиц со дна горизонтального воздуховода закрученным газовым потоком
Расчет аэродинамических сопротивлений узлов 73 газоходной сети корпуса электролиза
2.5 Теоретические основы построения сетевых моделей 82
газоходных трактов корпусов электролиза
2.6 Описание программного комплекса oNet, 84
предназначенного для расчета сильноразветвленных сетей
2.7 Математическая модель сильноразветвленной газоходной 87
сети
2.7.1 Представление гидравлической сети на основе 87
ориентированного графа
Диффузионная и конвенктивная задачи распределения 88 несущего потока в сети
Тепломассообмен потока с окружающей средой 89
2.8 Алгоритм расчета газоходной сети 90
Определение значений коэффициентов местных 91 сопротивлений узлов сети из экспериментальных данных
Выводы по главе 91
3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ГАЗОХОДНЫХ СЕТЕЙ 93
ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЭЛЕКТРОЛИЗНОМУ ПРОИЗВОДСТВУ АЛЮМИНИЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ
3.1 Экспериментальное обоснование решения задачи 93
3.2 Расчет газоходных сетей корпуса электролиза 93
Расчет газоходной сети, эксплуатируемой в корпусе 93 электролиза
Расчет газоходной сети при условии равномерности углов 97 ввода спусков в подкорпусной газоход
Расчет газоходной сети при условии отсутствия 99 пылеосадительных камер горелочных устройств
Расчет газоходной сети при условии исключения 102 несанкционированных подсосов воздуха по длине газоходного тракта
Расчет газоходной сети, включающей в себя технические 104 решения, рассмотренные в гл. 3.2.2 - 3.2.4
Выравнивание объемов газоотсоса в газоходной сети 106 включающей в себя технические решения, рассмотренные в гл. 3.2.2 - 3.2.4
Расчет «скоростной» газоходной сети корпуса электролиза ПО
Выравнивание объемов газоотсоса в «скоростной» 112 газоходной сети корпуса электролиза
Экологоэкономическая эффективность внедрения 116 результатов работы в масштабах Красноярского алюминиевого завода
Выводы по главе 120
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 121
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 123
ПРИЛОЖЕНИЕ Акт испытаний системы автоматической 133 очистки полостей горелок от отложений
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
А - коэффициент, зависящий от соотношения Fq/ Fc;
С - коэффициент лобового сопротивления;
К - осевой импульс газового потока;
М - момент количества движения газового потока;
Ф* - интегральный параметр закрутки газового потока;
сх- коэффициент аэродинамического сопротивления частицы;
d - диаметр частицы, м; йэ - эквивалентный диаметр трубы, м; D0 - диаметр пылепровода, м;
f - коэффициент трения между пылевидной частицей и стенкой газохода.
F - проекция тела по направлению движения, м2; Fm - вектор массовых сил;
Ргидр - вектор гидродинамических сил;
FM - сила сопротивления частицы обтеканию её газовым потоком;
Fp - гидростатическая сила, возникающая в результате наличия градиента давления (сила Архимеда).
Fmp - сила трения пылевой частицы о внутреннюю поверхность газохода;
Fq - площадь поперечного сечения бокового ответвления тройника, м2;
Fn - площадь поперечного сечения прямого участка тройника, м2;
Fc6 площадь поперечного сечения сборного рукава тройника, м2;
g - ускорение свободного падения, м/с2;
qv - допустимое тепловое напряжение топочного объема, кВт/м3;
Q і - теплота сгорания горючих компонентов анодного газа, кДж/м3;
QK - отдача тепла конвекцией, кКал/ ч;
Qq - расход газа в боковом ответвлении тройника, м3/с;
Qc - расход газа в сборном рукаве тройника, м3/с;
ha - динамическое давление газа, Н/м2;
L — длина трубопровода постоянного сечения, ж;
т - масса частицы, кг;
N - количество видов горючих компонентов анодного газа;
N - нормальная реакция стенки газохода;
г - внутренний радиус газохода, м;
R - вектор реакций связи с поверхностью трубы;
-fimax " максимальный размер частиц пыли, мм;
RT - тангенциальная составляющая реакции стенки газохода;
Rn - касательная составляющая реакции стенки газохода;
Re - критерий Рейнольдса;
S - площадь теплоотдающей поверхности, м2;
tn — температура поверхности, С;
te — температура окружающей среды, С;
tcm — температура в зоне горения, С;
и - скорость газового потока, м/с;
ихср - средняя осевая скорость газового потока в сечении, м/с;
ихст - окружная скорость газового потока в пристенной зоне, м/с; 11 хш " осевая скорость газового потока в пристенной зоне, м/с; V - вектор скорости частицы; VT - скорость движения частицы, м/с;
VK - теоретический объем горелочного устройства, м3; »v, - скорость газа, м/с;
wn - скорость витания или скорости парения частицы, м/с; wKP - критическая скорость витания, м/с;
W[ — расход горючих компонентов анодного газа, м3/с;
а - коэффициент избытка воздуха, подсасываемого в горелку. Выражает отношение количества воздуха, подсасываемого в горелку, к теоретически необходимому для полного сжигания горючих компонентов анодного газа;
а - угол закрутки потока, ;
, і о кКал
ак - коэффициент конвективной теплоотдачи, —; ;
м" час град
tga - локальный параметр закрутки газового потока;
г) - эффективность работы горелок. Величина, характеризующая
полноту сгорания горючих компонентов анодного газа;
Я - коэффициент трения;
ц - концентрация пыли в пылегазовой смеси, г /м3;
v - кинетическая вязкость газа, м2/с;
4 _ коэффициент гидравлического сопротивления;
;м — коэффициент местного гидравлического сопротивления;
^тр. Коэффициент сопротивления трения участка длиной /; рг -
плотность газа, кг/м3;
р0- плотность пыли, кг/м3;
руаж - кажущаяся плотность пылевых частиц, кг/м3;
tsJ- необходимое время пребывания органических токсичных
соединений в- зоне реакции (горения), с; Ф - угловая координата;
со - скорость потока в трубе, м/с;
VD - объем, занимаемый газом при температуре 0С и давлении
760 мм рт. ст., нм3
Введение к работе
Актуальность темы. При производстве алюминия
электролитическим способом из электролизера в корпус выделяется большое количество вредных выбросов. Санитарными нормами проектирования промышленных предприятий установлены следующие предельно-допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны производственных помещений, мг/м3:- окись углерода -20,0;- фтористый водород - 0,5; соли фтористоводородной кислоты (в пересчете на HF) - 1,0.
Наряду с вредными газами и пылью в электролизных корпусах выделяется значительное количество тепла. Для производственных помещений, характеризующимися избытками явного тепла, температура на постоянных рабочих местах должна быть не более, чем на 5 градусов выше средней наружной температуры воздуха в 13 часов самого жаркого месяца [1].
Для обеспечения условий труда, соответствующих установленным санитарным нормам, в электролизных корпусах организована система приточно - вытяжной вентиляции. В отечественной алюминиевой промышленности, начиная с 1961 года, проектируются и строятся двухэтажные корпуса с системой колокольного газоотсоса и естественной вентиляцией. Конструкция корпусов обеспечивает создание восходящих вертикальных потоков воздуха, что существенно улучшает условия труда за счет подачи чистого воздуха непосредственно в рабочую зону.
Приточная вентиляция двухэтажных корпусов осуществляется только за счет аэрации. Зимний воздухообмен рассчитывается из условий разбавления вредностей до ПДК. Летом воздухообмен рассчитывается из условий удаления избыточного тепла. Естественный воздухообмен в двухэтажных корпусах является доминирующим и достигает 50-кратной величины в час.
Раздача воздуха в двухэтажных корпусах производится через решетчатый пол, расположенный на высоте ~ 4,0 метра от поверхности земли. Это способствует направленному движению воздуха снизу вверх. Рекомендуемые скорости в сечении напольной решетки 1,0 - 1,5 м/сек. при такой скорости происходит полное затопление рабочей зоны свежим приточным воздухом.
Восходящие воздушные потоки способствуют удалению из рабочей зоны газа и пыли, выделяющихся при обработках электролизеров, перестановках штырей и других технологических операций, связанных с разрушением корки.
Однако, при этом увеличиваются выбросы загрязняющих веществ через аэрационный фонарь, что значительно ухудшает экологические показатели производства алюминия.
Отсюда, актуальными являются исследования, направленные на совершенствование системы газоотсоса из электролизера, улучшающие состояние атмосферы (климат) в корпусах и уменьшающие фонарные выбросы.
Наиболее проблемными узлами системы газоотсоса являются: газосборный колокол электролизера (ГСК), подколокольное пространство которого подвержено зарастанию отложениями; горелочные устройства, не обеспечивающие полноту дожита горючих компонентов анодного газа и через воздухозаборные щели которых происходит выбивание газов и пламени в случае их неустойчивой работы; газоходные сети, в которых невозможно обеспечить скорость транспортировки газа на уровне, достаточном для полного увлечения пылевых частиц потоком. По отчетным данным алюминиевых заводов, средняя эффективность ГСК составляет 88 - 90 %, КПИ горелок 90 %, эффективность дожига СО, бенз(а)пирена и других ПАУ 80-85 %.
Подколольное пространство электролизера представляет собой газоходный канал, образованный внутренней стороной стенки ГСК, боковой поверхностью анода и поверхностью расплава. Его зарастание отложениями происходит вследствие того, что пропускная способность газоходного канала недостаточна для увеличившегося, с ростом единичной мощности электролизеров, объема образующихся анодных газов.
Низкая эффективность дожига горючих компонентов анодного газа в горелочных устройствах обусловлена следующими причинами: избыточно подсасываемый атмосферный воздух, охлаждающий горелку и снижающий температуру в зоне горения; низкая эффективность смешения компонентов в зоне горения, вследствие чего горение носит, преимущественно, диффузионный характер.
Проблемность газоходных сетей заключается в их аэродинамическом несовершенстве: неравномерность углов ввода спусков в сборный подкорпусной газоход; наличие участков внезапного расширения потока; некорректность мест установки диффузоров, не совпадающих с местами слияния потоков; неравномерность скорости движения потока по длине газоходного тракта. В результате в газоходных трактах образуются пылевые отложения, занимающие значительную часть «живого» сечения газохода. Уменьшение площади поперечного сечения газохода увеличивает сопротивление сети и энергозатраты на эвакуацию газов, тем самым сокращая эффективность газоотсоса.
Однако, анализ работы системы в целом и ее отдельных элементов в частности, а также способов их обслуживания показывает, что существуют значительные резервы повышения эффективности газотсоса и следовательно, сокращения выбросов.
Целью диссертационной работы является повышение
эффективности вентиляции в корпусах электролизного производства путем разработки комплекса технических мероприятий, направленных на решение проблем, связанных с увеличением пропускной способности подколокольного пространства; повышением эффективности работы горелочных устройств электролизера за счет оптимизации объема подсасываемого в них атмосферного воздуха и устранения аэродинамического несовершенства газоходных сетей.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
повышение пропускной способности подколокольного пространства и сокращение образования в нем отложений;
увеличение эффективности работы горелочных устройств и автоматизация очистки их полостей от отложений;
обеспечение равных объемов газов, эвакуируемых от каждого электролизера корпуса электролиза;
сокращение расхода сжатого воздуха и времени выполнения операции очистки газоходов от отложений.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались современные физико-химические методы анализов; математическое моделирование газоходной сети, процесса горения в горелочных устройствах, аэродинамических процессов в подколокольном> пространстве, уноса пылевых частиц закрученным потоком.
В качестве объекта исследования были выбраны корпуса электролиза Красноярского алюминиевого завода.
Достоверность экспериментальных данных обеспечиваетсЯі результатами химических анализов, выполненных в соответствии с требованиями лицензированных методик; статистической обработкой полученных данных с использованием вычислительной техники, а также положительными результатами промышленных испытаний.
Научная новизна работы заключается в том, что на основе выполненных исследований, расчетов и математического моделирования впервые:
- составлена расчетная модель определения скорости уноса
пылевых частиц закрученным потоком;
установлено, что оптимальное значение интенсивности закрутки обеспечивается вводом потока в газоход под углом 36 - 48;
разработана сетевая модель «идеальной» газоходной сети корпуса электролиза с использованием программного пакета a Net;
методом математического моделирования определены оптимальные параметры горелочного устройства, что позволило сократить объем газоотсоса от электролизера более, чем в 2 раза с обеспечением 100% дожига горючих компонентов анодного газа.
Практическая значимость. В результате проведенных исследований разработана и испытана система автоматической очистки горелок от отложений, исключающая их обслуживание вручную. Эксплуатация системы более чем в 7 раз сокращает частоту затухания горелок. При этом повышается полнота дожита горючих компонентов, в частности углеродистой составляющей пыли. В результате возврат в электролизер углерода с фторированным глиноземом сокращается на 60 - 65 %; количество удаляемой из электролизера пены - на 20-25%. Эффективность разработанной системы подтверждена положительными результатами опытно-промышленных испытаний.
Выполненные расчеты показывают, что эксплуатация модернизированной газоходной сети обеспечивает сокращение объема газоотсоса от электролизера более, чем в 2 раза при одновременном 100 % дожиге СО, бенз(а)пирена и других ПАУ; снижении материалоемкости сети на 25 — 30 %; сокращение энергозатрат на эвакуацию газов на 20 - 25 %.
Разработан метод определения условий уноса пылевых частиц
закрученным воздушным потоком применительно к газоходным сетям
алюминиевых заводов. Закрутка потока обеспечивает сокращение
расхода сжатого воздуха на продувку,подкорпусных газоходов и времени
выполнения операции на 25 — 30%. ,
Разработана конструкция газосборного колокола, исключающая
образование отложений в подколокольном пространстве. Исключение
отложений более, чем в 20 раз сокращает частоту выполнения
технологических операций, связанных с разрушением корки. Кроме
этого, увеличенные наружные габариты газосборного колокола на 12 -
19 % сокращают площадь поверхности расплава, находящуюся вне
укрытия, что сокращает поступление анодных газов, фильтрующихся
через поверхность корки, в атмосферу корпуса. Эффективность
разработанной конструкции подтверждена положительными
результатами опытно-промышленных испытаний.
Внедрение результатов работы на алюминиевых заводах, сопоставимых по мощности с Красноярским, обеспечит сокращение валовых выбросов загрязняющих веществ на 42 тыс. тонн /год; себестоимость производимого алюминия снизится почти на 170 руб/тонну. Ожидаемый экономический эффект составит более 147 млн. руб.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение: на конференции «Молодые ученые» (Кемерово, 2005); Международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие и природозащитные технологии в производстве глинозема, алюминия, магния и сопутствующей продукции», посвященной 75 -летию ВАМИ (Санкт-Петербург, октябрь 2006); Международных конференциях «Алюминий Сибири» Красноярск
2006, 2007, 2008, 4-й Международной научно-технической конференции «Современные" технологии освоения минеральных ресурсов» (Красноярск, 2006); V Международном конгрессе по управлению отходами и природоохранным технологиям «ВэйстТЭК — 2007» (Москва - 2007); IV заседании Международного клуба Содерберг (Красноярск -2008).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 19 работ.
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, списка использованной литературы и 1 приложения.
Общий объем работы 134 страницы, в том числе: 121 страница -основной текст, содержащий 30 таблиц на 36 страницах, 57 рисунков на 39 страницах; список литературы из 123 наименований на 10 страницах, 1 приложение на 2 страницах.
Благодарности. Выражаю благодарность всем, кто оказал неоценимую поддержку и помощь в подготовке настоящей работы, а именно:
- заместителю Генерального директора ООО «РУС Инжиниринг»
Манну Виктору Христиановичу. директору Департамента экологии
Алюминиевого дивизиона Компании «Русский алюминий (РУСАЛ)» <
Смоле Виктору Ивановичу; директору департамента обособленного
структурного подразделения в г. Иркутске Ржечицкому Эдварду
Петровичу за поддержку и одобрение выбранных направлений
исследования;
- директору ИТЦ Чичуку Евгению Николаевичу, директору
Департамента Технологий ИТЦ Пингину Виталию Валерьевичу и
директору Инженерного департамента ИТЦ Петрову Александру
Михайловичу за постановку и определение задач, требующих
первоочередного решения;
- директору Департамента по экологии Объединенной Компании
«РУСАЛ» Ребрику Ивану Ивановичу за поддержку и помощь в моем
становлении как специалиста;
директору по электролизу ОАО «РУСАЛ Красноярск» Тихомирову Виктору Николаевичу и начальнику цеха по ремонту оборудования электролизного производства Щеглову Евгению Леонидовичу за подготовку и изготовление системы автоматической очистки полостей горелочных устройств от отложений и организацию ее испытаний;
руководителю проекта «Создание экологически приемлемой и конкурентоспособной технологии производства алюминия Содерберга» Фризоргеру Владимиру Константиновичу за его умение быть не только сильным оппонентом, но и сильным консультантом, способным «на лету схватить» идею и придать ей завершенные формы;
коллегам по отделу природоохранных технологий: специалисту,
кандидату технических наук Кузнецову Евгению Валерьевичу и бывшему менеджеру отдела Смоле Петру Викторовичу за помощь в обследовании газоходных сетей и выполнении натурных измерений параметров газовых потоков, а также менеджеру отдела развития Фомичеву Игорю Вячеславовичу за консультации в вопросах экологии;
менеджеру Департамента внедрения технологий на КрАЗе ИТЦ Пузину Анатолию Васильевичу и главному инженеру проекта дирекции по проектированию ООО «РИК» Фединичу Александру Васильевичу, с которыми я не один год проработал в цехе производства фтористых солей Красноярского алюминиевого завода, которые всегда щедро делились и продолжают делиться секретами своей профессии;
бывшему начальнику отдела природоохранных технологий ИТЦ, кандидату технических наук Куликову Борису Петровичу, «принуждавшего» писать научные статьи и заявки на предполагаемые изобретения;
- начальнику отдела ООО «ТОРИНС» Дектяреву Александру
Анатольевичу за разработанный и любезно предоставленный
программный комплекс <у Net, предназначенный для расчета
сильноразветвленных газоходных сетей;
-профессору института цветных металлов и, золота СФУ, доктору химических наук Полякову Петру Васильевича за , его лекции по ' технологии электролиза, которые позволили мне, не металлургу по образованию, узнать некоторые тонкости и нюансы металлургии алюминия.
Также выражаю благодарность всем коллегам «по цеху» за,умение щедро делиться опытом и знаниями.
