Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности исследования, оптимизации и интенсификации высокотемпературных процессов технологии многокомпонентных силикатных материалов 15
1.1. Методы расчета и оптимизации многокомпонентных сырьевых смесей 15
1.1.1. Характеристики цементных сырьевых смесей и клинкера 15
1.1.2. Оптимальный состав сырьевой смеси и клинкера 20
1.1.3. Планирование эксперимента при исследовании многокомпонентных смесей и разработка новых характеристик 28
1.1.4. Особенности расчета состава цементных сырьевых смесей и клинкера 33
1.1.5. Особенности оптимизации состава цементных сырьевых смесей и клинкера 49
1.1.6. Актуальные задачи в технологии сырьевых смесей 53
1.2. Теплотехнические расчеты теплотехнологических процессов и аппаратов 55
1.2.1. Особенности расчета материального баланса теплотехнологических процессов и аппаратов 55
1.2.2. Методы расчетов тепловых балансов теплотехнологических процессов и аппаратов 55
1.2.3. Интенсификация и энергосбережение в теплотехнологических процессах 66
1.3. Моделирование теплообмена в теплотехнологических аппаратах 76
1.3.1. Теплопроводность строительных материалов и методы ее измерения 76
1.3.2. Методы расчета процессов теплообмена во вращающейся печи 87
1.3.3. Методы расчета процессов теплообмена в колосниковом холодильнике 92
1.4. Термодинамический анализ теплотехнологических процессов и аппаратов 102
1.4.1. Обзор методов расчета теплового эффекта клинкерообразования 102
1.4.2. Задачи и методы эксергетического анализа 111
1.5. Проблемы и актуальные задачи в оптимизации и интенсификации высоко температурных процессов технологии многокомпонентных силикатных материалов 120
2. Методология расчета и оптимизации многокомпонентных смесей и систем 125
2.1. Формализация расчета многокомпонентных цементных сырьевых смесей 125
2.1.1. Обозначение состава материалов 125
2.1.2. Преобразование характеристик 126
2.1.3. Формализованное уравнение расчета при отсутствии присадки золы топлива 127
2.1.4. Формализованное уравнение расчета при наличии присадок к клинкеру.. 129
2.1.5. Формализованное уравнение корректирования сырьевых смесей 131
2.2. Математическое описание локальной области многокомпонентной системы 134
2.2.1. Особенности планирования эксперимента при исследовании многокомпонентных смесей и систем силикатной технологии 134
2.2.2. Определение координат сечения локальной области диаграммы состояния многокомпонентных систем цементной технологии 140
2.2.3. Построение решетчатых планов на факторном пространстве многокомпонентных систем при наличии ограничений 154
2.3. Оптимизация многокомпонентных смесей и систем в симплексной системе координат при наличии ограничений и снижении степени свободы системы 161
2.3.1. Постановка задачи оптимизации 161
2.3.2. Преобразования характеристик смесей и систем 165
2.3.3. Учет компонентов с известным расходом 169
2.3.4. Численный метод оптимизации 167
2.3.5. Исследование параметров метода 169
2.3.6. Преобразование ограничений в задачах оптимизации 141
2.4. Программные средства расчета сырьевых смесей в производстве строи
тельных материалов 177
2.4.1. Методическое и программное обеспечение расчета магнезиальных высокожелезистых сырьевых смесей 177
2.4.2. Информационные средства расчета стекольной сырьевой шихты 182
2.4.3. Программа расчета и оптимизации цементных сырьевых смесей 190
2.5. Оптимизация состава сырьевых смесей с целью снижения энергозатрат на
обжиг клинкера 194
2.5.1. Энергоемкость сырьевых смесей 195
2.5.2. Методика выбора сырьевых компонентов 196
2.5.3. Определение расхода техногенного продукта 200
2.5.4. Снижение энергоемкости сырьевой смеси 203
2.6. Выводы по главе 207
3. Теплотехнические методы анализа теплотехнологических процессов и аппаратов 209
3.1. Теплотехнологические расчеты в технологии цементного клинкера 209
3.1.1. Материальный баланс и расходы материальных потоков в цементной печи 209
3.1.2. Теплоемкость сырьевых смесей и клинкера 236
3.1.3. Расчет потерь теплоты через корпус вращающихся печей 240
3.2. Анализ теплотехнической работы цементных вращающихся печей 259
3.2.1. Методика расчета материального и теплового баланса 259
3.2.2. Теплотехнические расчеты в условиях недостатка контрольной информации 270
3.2.3. Влияние технологических параметров на затраты теплоты в печи 285
3.3. Выводы по главе 305
4. Моделирование и интенсификация теплообмена в цементной вращающейся печи 308
4.1. Исследование теплопроводности материалов цементной технологии 308
4.1.1. Экспериментальное определение теплопроводности клинкерных гранул методом решения обратной задачи 308
4.1.2. Экспериментальное определение теплопроводности материала в процессе обжига 328
4.1.3. Измерение теплопроводности цементного клинкера в установке плоского слоя 333
4.1.4. Оценка теплопроводности материала в процессе обжига 337
4.1.5. Модель процесса теплопроводности в многокомпонентных материалах 340
4.1.6. Метод расчета коэффициента теплопроводности цементных сырьевых смесей и клинкера 361
4.1.7. Модульные характеристики теплофизических свойств 366
4.2. Методология интенсификации процесса обжига во вращающейся печи 372
4.2.1. Влияние теплового режима на производительность вращающейся печи 372
4.2.2. Позонный расчет теплообмена в цементной вращающейся печи 376
4.2.3. Экономический критерий оптимизации работы печи 380
4.2.4. Интенсификация процесса обжига во вращающейся печи 383
4.2.5. Интенсификация процесса обжига при вводе техногенного продукта... 395
4.3. Моделирование и интенсификация теплообмена в клинкерном колоснико вом холодильнике 399
4.3.1. Схема и и тепловой баланс колосникового холодильника 399
4.3.2. Экспериментальное моделирование аэродинамических и теплооб-менных процессов в клинкерных колосниковых холодильниках 403
4.3.3. Численное решение модели процесса теплообмена в колосниковом холодильнике 410
4.3.4. Интенсификация теплообмена в колосниковом клинкерном холодильнике , 427
4.4. Выводы по главе 436
5. Термодинамические методы анализа процесса обжига цементного клинкера 441
5.1. Расчет тепловых балансов промышленных агрегатов на основе характеристик их входных и выходных потоков 441
5.1.1. Представление теплового баланса на основе характеристик входных и выходных потоков 441
5.1.2. Расчет затрат теплоты на декарбонизацию, обжиг извести и при последовательном преобразовании материала в печи 458
5.1.3. Термодинамическая база данных 468
5.2. Критерии термодинамической эффективности процесса преобразования исходного сырья в клинкер 478
5.2.1. Термодинамические характеристики процесса получения клинкера 478
5.2.2. Зависимость свойств клинкера от термодинамических характеристик.. 481
5.2.3. Обобщенный баланс термодинамических свойств 485
5.2.4. Критерии термодинамической эффективности процесса получения клинкера 489
5.3. Тепловой эффект клинкерообразования 492
5.3.1. Расчет ТЭК на основе баланса термодинамических свойств 492
5.3.2. Расчет ТЭК для различных видов сырья и клинкера 495
5.4. Эксергетический анализ процесса обжига цементного клинкера 499
5.4.1. Расчет эксергии для соединений технологии силикатов 499
5.4.2. Эксергетический анализ процесса обжига цементного клинкера 512
5.5. Выводы по главе 517
6. Основные выводы по работе 520
Библиографический список
- Оптимальный состав сырьевой смеси и клинкера
- Формализованное уравнение расчета при отсутствии присадки золы топлива
- Теплоемкость сырьевых смесей и клинкера
- Экспериментальное определение теплопроводности клинкерных гранул методом решения обратной задачи
Введение к работе
Промышленность строительных материалов является крупным потребителем сырьевых и энергетических ресурсов. Технология производства строительных материалов на основе силикатных соединений (цемента, стекла, керамики, огнеупоров и др.) заключается в высокотемпературной обработке специально приготовленных сырьевых смесей в обжиговых аппаратах. Исследование, оптимизация и интенсификация этих технологий определяется тесной взаимосвязью протекающих в одном аппарате тепломассообменных, физико-химических и химических процессов. Поэтому задачи энергосбережения, оптимизации и интенсификации процессов производства строительных материалов могут быть решены на основе методов системного анализа этих процессов и комплексного подхода к технологии.
В 1995-2005 г. в российской промышленности значительно изменились экономические и технологические условия. Увеличение удельной стоимости топлива, выработка запасов традиционного сырья, применение техногенного сырья и нетрадиционных видов топлива, увеличение выпуска специальной продукции привели к изменению технологических условий производства и заметному изменению свойств перерабатываемого сырья. В применяемой в настоящее время методологии энергосбережения и интенсификации процессов производства строительных материалов используются методы и усредненные константы, относящиеся к традиционной сырьевой базе. Поэтому существующие подходы не могут в полной мере отражать современные условия и требуют дальнейшего развития и совершенствования, так как отсутствие методов и способов учета изменяющегося минералогического состава сырьевых материалов и выпускаемой продукции сдерживает дальнейшее развитие научных основ процессов получения силикатных строительных материалов, препятствует интенсификации производства и энергосбережению. Одинаковая сырьевая база, используемая в технологии различных силикатных строительных материалов, и близкий способ производства, заключающийся в высокотемпературной обработке сырья, позволяют рассматривать однотипные процессы преобразования сырья и применять обобщенные методы анализа технологий.
В связи с вышеизложенным тема работы является актуальной и направлена на развитие научных основ совершенствования процессов получения силикатных строительных материалов в обжиговых высокотемпературных аппаратах.
Целью работы является развитие методологии энергосбережения, оптимизации и интенсификации теплотехнологических процессов промышленности силикатных строительных материалов в условиях изменения традиционной сырьевой базы, применения техногенного сырья, выпуска специальной продукции.
В соответствии с указанной целью на основании методов системного анализа и информационных технологий выделен следующий комплекс задач:
разработка методологии и информационных средств технологических, теплотехнических и термодинамических расчетов процессов получения силикатных строительных материалов в высокотемпературных аппаратах при изменении минералогического состава перерабатываемого сырья и выпускаемой продукции;
разработка методологии сравнительного теплового, термодинамического и эксергети-ческого анализа теплотехнологических процессов и аппаратов технологии силикатных строительных материалов;
определение теплофизических свойств сырьевых материалов и получаемой продукции при изменении их минерального состава;
- разработка методологии энергосбережения и интенсификации теплотехноло
гических процессов производства силикатных строительных материалов, в том числе пу
тем регулирования состава и свойств обрабатываемых сырьевых смесей.
Предлагаемая к защите работа обладает следующей научной новизной.
Разработана методология исследования и оптимизации многокомпонентных силикатных сырьевых смесей и систем, ориентированная на технологии, характеризующиеся изменением минерального состава сырья и продукции и использованием техногенных материалов, в том числе:
- предложена формализация методов расчета и корректирования многокомпонентных
сырьевых смесей производства силикатных материалов, заключающаяся в обобщенном опи
сании методов расчета сырьевых смесей различных технологий. Отличие от существующих
методов заключается в возможности расчета смесей с неограниченным числом компонентов и проведении расчета по произвольно составляемым наборам требований к сырьевым смесям и получаемому продукту;
для многокомпонентных систем и смесей силикатной технологии разработан метод локализации области существования. Он заключается в определении границ локальной области симплекса по ограничениям, задаваемых для характеристик, являющимися функциями содержания компонентов. В отличие от существующих методов границы области определяются аналитически, а не перебором вариантов;
разработан метод оптимизации многокомпонентных смесей и систем в симплексной системе координат при наличии ограничений-равенств и неравенств. Для задач технологии силикатных строительных материалов метод, по сравнению с существующими, позволяет повысить устойчивость решения и сходимость.
Предложена методология теплотехнического анализа промышленных аппаратов, учитывающая состав и свойства обжигаемого сырья и применение техногенных материалов, в том числе:
разработаны методики теплотехнических расчетов процесса обжига карбонатосо-держащего сырья с добавлением техногенных продуктов в условиях недостаточности контрольной информации.
предложена методика количественной оценки теплового режима работы вращающейся печи по температуре внешней поверхности ее корпуса;
предложен метод теплового расчета действующей вращающейся печи для определения производительности при заданном тепловом режиме, позволяющий оценивать работу печи при вводе в нее техногенных продуктов и производить поиск способов интенсификации технологического процесса.
Проведено комплексное исследование теплопроводности сырьевых смесей и обо-женных продуктов технологии строительных материалов, в том числе:
- разработан основанный на решении обратной задачи метод определения зависимо
сти коэффициента теплопроводности гранулированного материала от температуры, по
зволяющий определять коэффициент теплопроводности при температурах до 1500С;
-впервые экспериментально определены коэффициенты теплопроводности обжигаемого в печи слоя материала и цементного клинкера, установлена зависимость коэффициента теплопроводности от состава материала;
-разработан метод расчета коэффициента теплопроводности многокомпонентных материалов, отличающийся использованием в качестве характеристик компонентов их коэффициентов теплопроводности, а не эмпирических констант. Произведена оценка коэффициентов модели, лежащей в основе метода, для огнеупорных материалов, цементных сырьевых смесей различного состава и клинкера. Впервые получены модульные характеристики цементных сырьевых смесей и клинкера, характеризующие их теплофизические свойства.
Разработан метод численного решения модели теплообмена при принудительной фильтрации воздуха через засыпку из гранул и алгоритм расчета теплообмена в слое материала на переталкивающей решетке колосникового типа. Предложен способ учета неравномерности слоя, образующегося вследствие движения колосников. Экспериментальным путем в лабораторных условиях получены критериальные уравнения, уточняющие коэффициенты аэродинамического сопротивления и теплообмена в аппаратах с колосниковыми решетками.
Разработаны обобщенная методология теплового, термодинамического и эксергети-ческого анализа процессов и аппаратов технологии силикатных строительных материалов, основанная на едином описании тепловых, термодинамических и теплофизических свойств перерабатываемых материалов, в том числе:
- предложен метод теплового расчета химических аппаратов с использованием пол
ной энтальпии входных и выходных потоков, которая включает физическую составляю
щую, определяемую температурой, и химическую составляющую, определяемую соста-
вом, агрегатным и структурным состоянием материала. Для использования в предложенном методе составлены таблицы термодинамических свойств соединений силикатной технологии;
-впервые установлена зависимость между термодинамической эффективностью процесса преобразования сырьевой смеси в цементный клинкер и показателями качества получаемого продукта. Предложен обобщенный вид термодинамических критериев, характеризующих эффективность процесса преобразования сырьевых материалов в продукты силикатной технологии с учетом минералогического состава сырья получаемого продукта;
- предложен метод расчета химической эксергии химических элементов, используемой для расчета реакционной эксергии химических соединений. Метод учитывает требуемый состав окружающей среды и позволяет получать химическую эксергию, согласованную с используемыми термодинамическими данными. Составлены таблицы химической эксергии соединений силикатной технологии при разной температуре окружающей среды с веществами отсчета, соответствующим сырьевой базе силикатной технологии.
Практическая значимость исследований заключается в решении ряда инженерно-технических задач для производства различных стройматериалов и разработке методологии теплотехнологического и термодинамического анализа, которая может быть применена для широкого круга технических и производственных задач, относящихся к получению продукции из природного и техногенного сырья.
Разработана методологическая и информационная база анализа, моделирования и интенсификации высокотемпературных теплотехнологических процессов производства строительных материалов, учитывающая свойства перерабатываемого сырья, использование техногенных материалов и нетрадиционного топлива.
Разработан ряд программных средств для расчета многокомпонентных сырьевых смесей, в том числе: цементных сырьевых смесей в условиях двухтитровой технологии;
магнезиальных высокожелезистых цементов; стекольной сырьевой шихты. Разработана программа расчета и оптимизации цементных сырьевых смесей, позволяющая: проводить расчет и оптимизацию смесей с неограниченным числом компонентов; использовать произвольные сочетания требований к составу сырьевой смеси и клинкера; учитывать произвольное количество присадок в печи и добавок в сырьевую смесь; проводить оптимизацию сырьевой смеси по произвольно составляемому критерию; учитывать при оптимизации ограничения-равенства и неравенства. Предложены и апробированы методики оптимизации сырьевых смесей по их энергоемкости, методика выбора сырьевых компонентов из производственной базы, методика расчета сырьевой смеси, включающей техногенные продукты.
Установлено, что точность тепловых расчетов процессов преобразования сырья мало зависит от используемых термодинамических данных и определяется методами расчетов содержания химических соединений в сырьевой смеси и получаемом продукте. Для технологии цемента разработан метод расчета массы соединений на границах зон вращающейся печи, определяемых интервалом температуры материала в 100С. Предложены методы расчета расхода сырья и производительности печи при ее двухшламовом питании. Уточнены методы расчета материального и теплового балансов процесса обжига клинкера с учетом минералогического состава сырья и клинкера, наличия в сырье техногенных продуктов.
Произведено уточнение методики расчета потерь теплоты через цилиндрические стенки вращающейся печи. Предлагаются уравнения и номограммы для расчета теплопо-терь через корпус в окружающую среду. Проанализировано влияние факторов на потери теплоты через стенки печи.
Для анализа работы печи при вводе техногенных продуктов уточнена методика моделирования теплообмена в печи, отличающаяся от имеющихся расчетом теплового потока через футеровку печи в окружающую среду и позволяющая разбивать печь на произвольные технологические зоны.
Показано, что анализ процесса обжига только по статьям затрат теплоты не всегда эффективно, потому что снижение удельного расхода топлива может сопровождаться снижением производительности. Предложено мероприятия по экономии топлива и интенсификацию работы печи рассматривать совместно, оценивая их по предложенному экономическому критерию. Выполнен анализ способов интенсификации работы цементной печи, в том числе и при вводе в нее техногенных продуктов.
Разработана термодинамическая база данных для анализа химических и тепловых процессов, ориентированная на соединения и процессы технологии силикатных строительных материалов. Предложен обобщенный метод расчета теплового эффекта клинке -рообразования, учитывающий различный минералогический состав сырьевой смеси и клинкера, наличие в сырье техногенных продуктов.
Выполнен эксергетический анализ процесса обжига цементного клинкера с целью его интенсификации, в том числе при использовании техногенных продуктов.
Диссертация выполнялась в соответствии с планом НИР по единому заказ-наряду Минобразования РФ на 1993-2005 г. (№ гос. per. БелГТАСМ 1.20.93.2 и БГТУ 01200300165), грантом Минобразования на 2003-2004 г., перечнем важнейших работ АО «Концерн Цемент» на 1992-1997 г. (шифры 49/92-85н и 28/96-208н), а также по прямым заказам различных предприятий на хоздоговорной основе. Результаты работы внедрены на 10 российских цементных заводах, о чем имеются соответствующие акты. По результатам исследований опубликовано 87 печатных работ. Результаты работы доложены или представлены в 1993-2005 г. на 22 международных и всероссийских научных конференциях.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка и приложений. Общий объем диссертации составляет 565 с, работа содержит 209 рис., 120 табл., 416 библиографических источника.
Оптимальный состав сырьевой смеси и клинкера
Состав сырьевой смеси оказывает преобладающее влияние на формирование свойств клинкера [36, 37] и процесс обжига (рис. 1.2). Клинкер необходимого качества может быть получен из сырьевой смеси, характеризующейся значительным разнообразием состава, что позволяет получать смеси, обеспечивающие наиболее благоприятные производственные условия [38].
Чем резче отклоняется один из показателей состава клинкера от оптимального значения, тем меньше возможности для изменения других показателей [38]. Оптимальный состав клинкера согласно данным различных авторов представлен в работе [39]. Широкий диапазон возможного состава клинкера позволяет выбрать смесь, обеспечивающую наиболее благоприятные производственные условия.
Влияние химического состава на технологический процесс обжига и свойства цемента рассмотрены в работах [11, 25, 40-46], на процессы клинкерообразования - в работах [11, 46-49], на необходимую тонкость помола и гранулометрический состав клинкера - в работе [38, 43]; влияние модульных характеристик КН, п, р клинкера на прочностные показатели - в работе [38, 50], на теплоту клинкерообразования - в работе [51], на расход топлива на обжиг - в работах [36, 52], а влияние содержания минералов в клинкере на его прочность - в работах [38, 53]. На технологические свойства сырьевых смесей также влияет природа сырьевых материалов, наличие минерализирующих и легирующих примесей ТіОг, Р2О5, СггОз [11,14], но точно установить это влияние нельзя [36].
Влияние состава на качество цемента
Качество клинкера характеризуется его активностью. Она определяется физико-механическими испытаниями на прочность образцов после 28 сут твердения. Для оперативной оценки о качестве судят по косвенным показателям - содержанию свободной окиси кальция, плотности, грануляции.
Впервые влияние состава и свойств сырья на качество цемента было рассмотрено в 1937 г. на совещании по ископаемому сырью для силикатной промышленности, проводившемуся АН СССР [54]. Исследование влияния состава на прочностные показатели клинкера представлено в работе [53], где также были использованы данные работ [55-59]. В результате исследования сделаны следующие выводы.
Минералы C3S и СзА определяют основные технические свойства клинкера, алит -начальную прочность в возрасте до 28 сут, белит набирает прочность в течение длительного времени - до года. Увеличение содержания C3S повышает прочность цемента, но при этом снижается содержание минералов-плавней. Поэтому согласно работам [56, 60, 61], при повышении содержания C3S более 65% рост прочности замедляется, а выше 70% прочность снижается.
При увеличении содержания СзА до некоторого предела прочностные показатели увеличиваются, затем заметно уменьшаются. Оптимальное содержание СзА составляет 9... 12% и зависит от содержания C4AF и C3S; при содержании C4AF до 13% рост прочности при увеличении СзА выше, чем при содержании C4AF в пределах 14...17%.
При содержании СзА до 12% при увеличении C4AF прочность растет, при более высоком содержании СзА - снижается. Таким образом, в работе [53] сделан вывод, что высокой прочностью характеризуются клинкера с высоким содержанием СзА и низким C4AF или с высоким содержанием C4AF и низким СзА.
Согласно работе [38], при изменении характеристик в пределах КН = 0,86...0,96 и п = 1,7...2,5 получаемые клинкера по механической прочности оказываются почти равноценными. Из клинкера с КН 0,82 получаются низкомарочные цементы, из клинкера с высоким КН - цементы с высокой механической прочностью на сжатие и низкой - на растяжение. При п 3 прочность снижается, при понижении р - незначительно возрастает.
В работе [62] для завода «Пуане-Кунде» по выборке из 181 значения исследована зависимость активности клинкера от 12 характеристик, в результате получено регрессионное уравнение зависимости активности Аг% от коэффициентов насыщения сырьевой смеси КНСМ и клинкера KHM и теплоты сгорания топлива (/: Л28 = -113,31+309,78-КНсм+ 396,53-101 -0,0270- . (1.4)
Размалываемость (затраты энергии на измельчение) клинкеров разного состава может отличаться в несколько раз. При увеличении содержания плавней размальгоаемость клинкера ухудшается, у клинкеров с преобладанием алюмоферритов она хуже, чем у клинкеров в преобладанием алюминатов [38].
В заключение необходимо заметить, что большинство характеристик клинкера, включая его активность, формируется в зоне спекания и зависит от свойств жидкой фазы и процесса агломерации твердожидких смесей. Экстремальный характер этих взаимозависимостей позволяет выделить область состава, оптимального с позиций и качества клинкера, и характеристик процесса обжига, связанных в основном с расходом топлива и образованием клинкерной обмазки [63].
Формализованное уравнение расчета при отсутствии присадки золы топлива
Химический состав цементных материалов характеризуется содержанием соединений, представленных в виде оксидов, и потерями при прокаливании ППП. Массовое процентное содержание оксида в материале (статью химического состава) обозначим символом S. Индексы характеризуют название статьи (номер оксида в множестве статей химического состава) и материал (числа от 1 и выше соответствуют компоненту сырьевой смеси, индекс «с» - сырьевой смеси, индекс «кл» - цементному клинкеру, прочие индексы идентифицируют иные материалы - присадку, унос и т.п.). Отсутствие соответствующих индексов означает возможность использования любого оксида данного материала, нижне 125 го индекса - что формула применима к любому материалу. Пример обозначения химического состава приведен в табл. 2.1.
Характеристики М цементных материалов выражаются через содержание оксидов. К характеристикам в работе отнесены минералогический и химический составы, а также модульные характеристики (включающие показатели насыщения материала известью). Все перечисленные характеристики можно представить в обобщенном виде: -і ( Ns ]Jfc o+ 2 k jSj \ ) ( N )k0 + E k,S,\ J rpfiko,kj,ko,kj-коэффициенты; Ns- количество статей в химическом составе. Выражение (2.1) преобразуется к линейному виду: Ъ\ 5, +b2S2 +... + bNsSNs = b0, (2.2) где b\, bj,..., btfs- коэффициенты; b$ - свободный член. 126 В выражении (2.2) могут быть представлены не все оксиды (полагая коэффициенты перед отсутствующими оксидами равными нулю). Для модульных характеристик свободный член 60 равен 0. Левую часть (2.2) далее обозначим как T(S): Ns T(S)= ZbrSj, (2.3)
Например, кремнеземному модулю n - S/(A+F) соответствует выражение T(A, F, S) = иА + nF и свободный член bo = 0; содержанию в клинкере трехкальциевого алюмината СзА = 2,65(А - 0,638F) - выражение Т(А, F) = 2,65А - 1,69F и свободный член bo - С3А, где S, A, F - оксиды химического состава клинкера.
Рассмотрим частный случай расчета сырьевой смеси по модульным характеристикам клинкера при отсутствии присадки золы топлива к сырью при обжиге. При этом величина любого модуля клинкера М равна аналогичному модулю сырьевой смеси Мс. С учетом М = Мс и равенства нулю свободного члена 6о выражение (2.2) примет следующий вид: Ns l,bjScj = 0. (2.4)
Выразим содержание у -го оксида Sc j сырьевой смеси через содержание соответствующих оксидов Sij в компонентах, входящих в смесь, при условии, что массовая часть N-го компонента в сухой смеси равна 1: где N - общее число компонентов в сырьевой смеси; хс І - массовая часть, приходящаяся на г -й непрокаленный компонент в сухой смеси; SN j - содержаниеу -го оксида в N-м компоненте. Подставляя выражение (2.5) в уравнение (2.4) и проводя преобразования, заключающиеся в сокращении общего знаменателя и группировки членов около неизвестных хс, , получаем Xoi D bjSij Ns -ZbjSNj. (2.6) ./=1 Видно, что в выражение (2.6) входит в выражение (2.3). Вводя их в (2.6) имеем: /V-I I T(S,)xci =(SN), (2.7) /= і где T(S,) и T(SN) - выражение (2.3), в котором в качестве аргументов входит содержание оксидов в /-м и JV-M компонентах.
Выражение (2.7) является формализованным уравнением, в котором дана зависимость состава сырьевой смеси от модульной характеристики, на основании которой построено функциональное выражение T(S,). При заданном химическом составе сырьевых компонентов функции T(S,) являются константами. Таким образом, уравнение (2.7) является линейным уравнением с /V-1 неизвестными, которыми являются части л;с,- непрока-ленных компонентов в сухой смеси. Используем различные характеристики (модули) клинкера общим числом N-1. Получив из этих характеристик на основании уравнения (2.7) зависимости 7(5), можно составить систему из N-7 линейных уравнений. Решая систему, находим неизвестные хс j.
Теплоемкость сырьевых смесей и клинкера
Теплофизические свойства материала при обжиге непрерывно изменяются, что вызвано изменением температуры и химическими превращениями. В работе [39] приведен анализ существующих данных по теплоемкости сырьевых смесей и клинкера, из кторых видно, что в зависимости от состава она может изменяться на величину 25%. Но в настоящее время в теплотехнических расчетах [190, 234] в качестве теплоемкости сырья и клинкера используются константы, не зависящие от их состава, а для сырья - и от температуры.
Далее в работе под удельной теплоемкостью с, кДж/кг-К, понимается количество теплоты, необходимой для нагрева вещества на один градус при сохранении компонентного состава, то есть без учета тепловых эффектов химических реакций. Для расчета теплоемкости цементных материалов используется аддитивный принцип с расчетом суммарной теплоемкости по теплоемкости составляющих с\ и их массы т\ И.С[ГП\ -5Г (19) и справочные термодинамические данные веществ. В термодинамических справочниках обычно приводится выражение для расчета истинной теплоемкости веществ: Сиет = а + ЬТ+ сТ2, кДж(ккал)/моль-К. (3.20) Средняя теплоемкость с в интервале температур 0.../ может быть определена интегрированием 273,15+t 1 С с с = - J ccrd/ - в + 273,156 + 0,5ft/ + 273,15(273,15 + /) (3 21) 273,15 с приведением к размерности кДж/кг-К или кДж/м3-К. При / -» 0С средняя теплоемкость будет приближаться к истинной. 236 Для расчета средней теплоемкости может быть использована физическая энтальпия #(/), откуда с = H{t)/t(cu. подраздел 5.1.1).
Разработанная автором база термодинамических свойств (см. подраздел 5.1.3) позволяет по имеющимся в ней термодинамическим данным веществ - коэффициентам уравнения (3.20) - получать табличную и графическую зависимость средней теплоемкости отдельных веществ, смесей или систем (рис. 3.10, 3.11), а также коэффициенты уравнения (3.21) и аппроксимирующие регрессионные уравнения для таких зависимостей (рис. 3.12).
Интегрояьное уравнение, получено из термодинамических данных (интервал температур 25-927X5 Ср - 0.934 « 0.0О008О51- 57.08/1 15590/1(1.273.15) Регресионные уравнения, подобранные в интервале 0-1600 С по 9 точкам И Ср - 0.786 0.171 ((/1000) "Ср. откл. 0.0224 И Ср-0.747.0.336(1/1000)-0.104(1/1000)2 Ср. откл. 0,0115 Я Ср 0.7Э1 .0.507(1/1000)-0.385(1/1000)2.0.117(1/1000)3 Ср откл. 0.00401
. Подбор регрессионного уравнения для клинкера (состав приведен на рис. 3.11)
По приведенным данным произведен расчет удельной теплоемкости цементных сырьевых смесей в процессе их тепловой обработки. Расчет проводился для смесей различного состава, соответствующих вершинам области существования портландцементно-го клинкера (табл. 3.8). Содержание соединений определялось по химическому составу исходной сырьевой смеси в зависимости от температуры.
Согласно результатам расчета (рис. 3.13) разница между удельными теплоємкостями сухих сырьевых смесей разного состава составляет до 5%. Теплоемкость растет с повышением содержания СаО и БіОг, снижается при повышении содержания AI2O3. Зависимости по виду кривой можно разделить на две группы: к первой относятся смеси 1 ...3, 5, 7, 8, 10; ко второй -4, 6,9,11, 12 (номера согласно табл. 3.8).
Истинная сист и средняя с удельные теплоемкости сухих цементных сырьевых смесей в процессе обжига
У смесей первой группы по сравнению со второй более высокое значение удельной теплоемкости при температурах до 500 С и более резкий скачок графика при дегидратации, что объясняется повышенным содержанием СаО и їїегОз и большим значением глиноземного модуля.
В табл. 3.9 произведено сравнение теплоемкости сырьевых смесей, полученной А. П. Малышевым [187], принятой в теплотехнических расчетах и рассчитанной по данным, представленным работе. В области до 450С теплоемкость совпадает, различие в области более высоких температур объясняется неоднозначностью состава в связи с декарбонизацией.
На основании расчета можно сделать вывод, что удельная теплоемкость обжигаемых смесей изменяется от 0,8 до 1,27 кДж/кг-К. Она зависит от содержания СаО, БіОг, AI2O3, и наибольшее различие свойств сырьевых смесей разного состава наблюдается при температурах свыше 700 С и составляет до 20...25%. Погрешность предложенных методов может вызываться неточностью определения состава материала при заданной температуре.
Расчет потерь теплоты через корпус вращающихся печей Общий коэффициент теплоотдачи от корпуса а, Вт/м2-К, складывается из коэффици ента теплоотдачи излучением атп и конвекцией аКОНв: (3.22) 01 С-изл ОСкопв Рассмотрим расчет этих составляющих. I. Теплоотдача излучением. Тепловой поток q„, Вт, и коэффициент теплоотдачи аи, Вт/м -К, при излучении может быть определен на основании известной формулы Стефана-Больцмана: 4 qH = as(TK0); аи= т т 1 к — о (3.23) 2ту4 Q ТУ " где ст - постоянная Стефана-Больцмана, 5,67-10 Вт/М К ; s - степень черноты корпуса; Тк - температура внешней поверхности корпуса печи, К; Т0 - температура окружающей среды, К.
Коэффициент теплоотдачи излучением при различной степени черноты е представлен на рис. 3.14. Температура окружающей среды мало влияет на аизл. Так, разница в коэффициентах теплоотдачи излучением при температурах среды 0 и 25С составила от 0,7 Вт/м-К при температуре корпуса 30С, до 1,5 Вт/м2-К - при температуре корпуса 400С.
Экспериментальное определение теплопроводности клинкерных гранул методом решения обратной задачи
Таким образом, на величину изменения расхода топлива при изменении влажности шлама дополнительно влияют абсолютное значение влажности, температура отходящих газов и потери при прокаливании сырьевой смеси.
Зависимость, полученная по выражению (3.61), с переводом теплоты в условное топливо, представлена на рис. 3.38, откуда видно, что на изменение расхода топлива при изменении влажности шлама большое влияние оказывают температура отходящих газов и применение техногенного сырья.
В печах комбинированного способа производства уменьшение влажности шлама на 1 % снижает массу влаги вдвое меньше, чем в печах мокрого способа. Поэтому экономия топлива при снижении влажности шлама в печах комбинированного способа значительно ниже (в 1,7 раза), чем в печах мокрого способа.
Но о прямой зависимости между снижением влажности шлама и расходом топлива говорить нельзя, так как уменьшение влажности может привести к пересушке шлама в цепных завесах, повышению пылеобразования и ухудшению теплообмена в печи, что вызовет необходимость поднимать температурный уровень газов, то есть увеличивать расход топлива.
При уменьшении влажности шлама происходит перераспределение теплоты, отдаваемой газом материалу, в направлении к горячей части печи. Поэтому снижение влажности шлама должно сопровождаться адекватной экономией топлива в горячей части печи с целью сохранения температурного режима, иначе температурный уровень газов на входе в холодную часть печи не обеспечит требуемую степень теплообмена в ней, что приведет к необходимости повышать температурный уровень путем увеличения расхода топлива. Так, в работе [84] отмечается, что на отдельных печах при увеличении влажности шлама наблюдалось снижение расхода топлива. Поэтому для влажности шлама есть нижнее допустимое значение, индивидуальное для разных технологических линий (от 36 до 42%).
Между влажностью шлама и температурой отходящих газов существует обратная зависимость - при возрастании влажности температура отходящих газов снижается. Так, при постоянном расходе топлива увеличение влажности шлама на 1% соответствует уменьшению температуры отходящих газов на 20С.
Исследование полученного выражения показало, что топливо и теплота его сгорания на величину Qos практически не влияет (различие не более 3%). Для традиционных сырьевых смесей также несущественно влияние ПППС (в среднем изменение ПППС на 1% приводит к изменению (?огна 1%). Поэтому эти величины можно усреднить и выражение по сле этого примет вид W і оо — fp:
Теплосодержание отходящих газов при их различной температуре и коэффициенте избытка воздуха для печей различного типа представлено на рис. 3.40.
Как видно из рис. 3.40, при изменении температуры отходящих газов на 10С потери с отходящими газами меняются на 0,7...2,1 кут/т, причем величина изменения теплопо-терь прямо пропорциональна (примерно в равной пропорции) влажности сырьевой смеси и расходу топлива в печи. На изменение теплопотерь с отходящими газами также оказывает влияние коэффициент избытка воздуха при горении - при увеличении ас 1,1 до 1,2 теплопотери возрастают на 1.. .2 кг усл. топ л/т кл.
Состав сырья
Согласно расчету сырьевых смесей Себряковского цементного завода, увеличение КН сырьевых смесей на 0,01 при постоянных модульных характеристиках пир приводит к перерасходу топлива на 0,3...0,4 кг (рис. 3.41).
Увеличение титра на 0,1 (что соответствует увеличению ПППС на 0,5%) приводит к перерасходу топлива на 0,23 кг. При этом увеличение расхода топлива в обоих случаях в основном связано с возрастанием теплового эффекта клинкерообразования и в незначительной степени - с увеличением объема отходящих газов.
2 Одним из главных факторов влияния состава сырья на расход топлива является тепловой эффект клинкерообразования, то есть затраты теплоты на химические реакции преобразования исходного сырья в клинкер. Поэтому представляется целесообразным провести исследование зависимости ТЭК от химического, минералогического составов и модульных характеристик клинкера.
В связи с коррелированностью характеристик состава клинкера между собой однозначных зависимостей ТЭК от всех факторов на полном факторном пространстве существования портландцементного клинкера нет. Наиболее малый разброс значений имеется в зависимостях ТЭК от содержания CaO, SiC , C2S и КН (рис. 3.42).
Для получения однозначной зависимости и устранения корреляции получены графические зависимости величины ТЭК от каждого параметра при постоянном соотношении остальных, входящих в факторное пространство, причем эти соотношения задавались согласно среднему составу клинкера (рис. 3.43-3.45).
На основании проведенного анализа можно сделать следующие выводы.
При увеличении содержания оксида кальция величина ТЭК увеличивается на 15...25 ккал /кг кл. (2...3 кг усл. топл/т кл.), что вызвано увеличением содержания карбонатов в сырье. На аналогичную величину снижается ТЭК при увеличении содержания кремнезема, что вызвано соответствующим уменьшением содержания карбоната и глиноземных минералов.
