Обжиг спекательных шламов глиноземного производства в условиях нестабильного состава сырьевых компонентов смеси



Скачать 192.13 Kb.
Дата10.05.2016
Размер192.13 Kb.


На правах рукописи


ИВАНОВ Павел Владимирович


ОБЖИГ СПЕКАТЕЛЬНЫХ ШЛАМОВ ГЛИНОЗЕМНОГО ПРОИЗВОДСТВА В УСЛОВИЯХ НЕСТАБИЛЬНОГО СОСТАВА СЫРЬЕВЫХ КОМПОНЕНТОВ СМЕСИ
Специальность 05.16.02 – Металлургия черных, цветных и
редких металлов



Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук


САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2009

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете)
Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Юрий Васильевич Шариков

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор

Анатолий Александрович Педро

Кандидат технических наук

Дмитрий Валерьевич Финин
Ведущее предприятие – ЗАО «Концерн «Струйные технологии».
Защита диссертации состоится «23» июня 2009 года в 14 ч 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.224.03 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. 1303.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан «23» мая 2009 года

УЧЁНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

д.т.н. В.Н.БРИЧКИН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Трубчатые вращающиеся печи широко используются на металлургических предприятиях в процессах термической обработки минерального сырья и полупродуктов. В производстве глинозема из низкокачественного бокситового и нефелинового сырья они широко используются как на основном переделе спекания глиноземных шихт, так и при утилизации отходов в производстве портландцемента. Это решение на сегодняшний день является оптимальным для данной технологии, что объясняется возможностью достижения высокой степени завершенности превращений шихты, работой с материалом малой крупности, плавностью регулирования.

Для трубчатых вращающихся печей характерен и ряд существенных недостатков, заключающихся в низкой эффективности использования тепловой энергии, неочевидности связи между технологическими параметрами и показателями качества продукции. Значительный вклад в решение таких проблем внесли Ходоров Е.И., Срибнер Н.Г., Арлюк Б.И. и др.

В то же время остается нерешенной задача обеспечения высокого качества спеков и клинкеров в условиях нестабильного состава сырьевых компонентов смеси.

Современным решением этой задачи является использование детальной математической модели процесса для определения оптимального температурного режима при учете изменяющегося состава исходного сырья.



Цель работы. Повышение эффективности обжига сырьевых портландцементных смесей при утилизации шламов глиноземного производства в условиях нестабильного состава компонентов шихты.

Методы исследований. В процессе работы проводились экспериментальные исследования термического разложения шихты с помощью дифференциального сканирующего калориметра Netzsch, выполнен рентгенофазовый анализ и вещественный анализ материалов на электронном микроскопе.

Кинетические параметры химических реакций рассчитывались по результатам экспериментальных исследований процесса убыли массы и скоростей путем решения обратной задачи с использованием специализированного программного комплекса.

Адекватность полученной кинетической модели проверялась путем сопоставления расчетных данных с результатами промышленной эксплуатации печи.

На основании проведенных экспериментальных исследований и теоретического анализа процессов тепломассообмена во вращающейся печи была разработана детальная математическая модель процесса превращения исходной шихты в компоненты клинкера.



Научная новизна работы

  • Определены эффективные кинетические параметры химических реакций, протекающих при спекании многокомпонентных шихт;

  • разработана математическая модель вращающейся печи для высокотемпературной обработки глиноземсодержащего сырья, учитывающая кинетику разложения и спекания, а также тепломассообменные процессы, протекающие по длине печи;

  • установлен состав портландцементного клинкера в зависимости от технологических и конструктивных факторов при обжиге в трубчатой вращающейся печи.

Практическая значимость

  • Создан программный продукт, позволяющий прогнозировать состав и качество портландцементного клинкера в зависимости от характеристик исходного сырья и параметров работы печи;

  • разработаны рекомендации по использованию математической модели для определения расхода топлива и теплового режима работы печи при изменении исходного состава и производительности печи;

  • разработаны рекомендации по модернизации существующих аппаратно-технологических схем в переделе спекания цемента в коротких вращающихся печах с внепечными теплообменниками, что обеспечивает энергосберегающий режим высокотемпературных печных процессов.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Учет кинетики химического разложения и спекания глиноземсодержащих шихт, выгорания газообразного топлива и тепломассообмена в системе газ-кладка-материал позволяет синтезировать прогнозирующую математическую модель, использование которой в режиме советчика способно обеспечить стабилизацию качества конечного продукта при работе на многокомпонентной шихте переменного состава.



2. Оптимизация теплового режима передела спекания портландцементных сырьевых смесей и глиноземных шихт достигается за счет использования двухстадийной схемы, включающей внешнюю барабанно-грануляционную сушилку и короткую вращающуюся печь, что обеспечивает экономию до 10% топлива.

Достоверность результатов работы. Приводимые результаты, выводы и рекомендации обоснованы путем сопоставления результатов численных расчетов, лабораторных анализов, экспериментальных и производственных данных. Эффективность предложенных мероприятий подтверждена в ходе опытно-промышленных испытаний и по итогам внедрения на ЗАО «Метахим».

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на семинаре «Промышленные печи и высокотемпературные реакторы» (ВО «РЕСТЭК», Санкт-Петербург, 2006); конференции «Асеевские чтения» (Санкт-Петербург, 2006); научно-технических конференциях молодых ученых Санкт-Петербургского государственного горного института (Санкт-Петербург, 2005, 2006, 2007); семинарах кафедр «Печей, контроля и автоматизации металлургического производства», а также «Автоматизации технологических процессов и производств» СПГГИ(ТУ), международной научно-практической конференции «Инновационные технологии автоматизации и диспетчеризации горнодобывающих и перерабатывающих предприятий» (Санкт-Петербург, 2008).

Структура и объём работы: Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 142 страницах. Содержит 52 рисунка, 15 таблиц, список литературы из 113 наименований.

Во введении обоснована актуальность работы, определены цель, задачи исследования, приведены основные защищаемые положения, сформулированы научная новизна и практическая значимость.

В первой главе рассмотрено современное состояние вопроса и перспективы развития теории и практики обжига многокомпонентных шихт во вращающихся печах, описаны их конструктивные и режимные особенности, приведены известные подходы для математического описания процессов протекающих при работе вращающихся печей.

Во второй главе изложены результаты кинетических исследований обжига шихт различного химического и фазового состава, установлена последовательность протекания физико-химических превращений шихты при высоких температурах, определены кинетические параметры химических реакций.

Третья глава посвящена разработке уточненного математического описания тепло- массообменных процессов, протекающих при обжиге глиноземсодержащей шихты во вращающейся печи, с учетом кинетики химического разложения и спекания, выгорания газообразного топлива, закономерностей движения сред и анализу полученных в результате реализации модели данных для определения теплового режима, обеспечивающего стабилизацию качества конечного продукта.

В четвертой главе рассмотрена возможность повышения режимной и конструктивной эффективности процесса обжига в коротких вращающихся печах с внешним барабанным теплообменником распылительного типа на основе разработанной математической модели.

Заключение содержит обобщенные выводы по результатам исследований.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ


1. Учет кинетики химического разложения и спекания глиноземсодержащих шихт, выгорания газообразного топлива и тепломассообмена в системе газ-кладка-материал позволяет синтезировать прогнозирующую математическую модель, использование которой в режиме советчика способно обеспечить стабилизацию качества конечного продукта при работе на многокомпонентной шихте переменного состава.
В результате кальцинирующего обжига многокомпонентная шихта, представленная соединениями Al2O3-CaO-SiO2-Fe2O3 претерпевает твердофазные физико-химические превращения и изменения кристаллической структуры.

Явления, происходящие при обжиге шихты во вращающейся печи, находятся в тесной взаимосвязи, поэтому для достоверного отражения сущности процесса, математическое описание должно учитывать не только превращения в материале, но и совокупность тепломассообменных, гидродинамических и режимных обстоятельств их протекания.

В работе разработана одномерная стационарная модель вращающейся печи, представленная в виде системы дифференциальных уравнений с нелинейной правой частью. В системе присутствует 2 твердые фазы – материал и пыль, и одна газовая фаза.

Уравнение баланса химических веществ для газа может быть записано в виде:





(1)

для пыли:



(2)

для материала:

,

(3)

где g(i),d(i) и s(i) – массовая доля i-го компонента соответственно в газовой фазе, пыли и в материале; – интенсивность переноса массы из материала в газ для i-го газового компонента в результате j-ой реакции в материале, кг/(м3с); – тоже для переноса пыль-газ, кг/(м3с); sign(i,j) – знак, причем sign = +1, если вещество i образуется в результате j-ой реакции и sign = −1, если вещество является исходным в этой реакции;  и – стехиометрический коэффициент i-го компонента газа соответственно в j-ой газовой реакции и j-ой реакции в твердой фазе; Mi – молярная масса i-го компонента, кг/моль; Rg(j), Rd(j) и Rs(j) – реакционный поток j-ой реакции соответственно в газе, пыли и материале, моль/(м3с); rg – общее число газовых реакций.

Начальные приближения для уравнений (1)-(3):



;

; .

(4)

Граничные условия для уравнений (1)-(3) (при x = xin):

; ; .

(5)

Тепловой баланс во вращающейся печи определяется изменением энтальпий газового потока, пыли и материала в результате фазовых превращений и химических реакций, а также переносом тепла между фазами. Допускаем возможность различия температур между газом и пылью.

Для газа уравнение теплового баланса может быть записано в виде:



,

(6)

для пыли:



,

(7)

для материала:



,

(8)

где  – теплопроводность газа, Вт/(м∙К); сpg – теплоемкость газа при постоянном давлении, Дж/(кг∙К); сs и сd – теплоемкость твердой фазы в материале и в пыли, Дж/(кг∙К); Qg.res, Qd.res и s.res – результирующий тепловой поток соответственно для газа, пыли и материала Вт/м3; Hg(j) и Hs(j) – тепловой эффект соответственно j-ой газовой реакции и j-ой реакции в твердой фазе, Дж/моль; Hsg(i) и Hdg(i) – изменение энтальпии i-го газообразного вещества, выделяющегося соответственно из материала в газ и из пыли в газ, Дж/кг.

Начальные приближения для уравнений (6)-(8):



; ;

,

(9)

где T0(x) – температура соответствующего потока как функция длины печи в начальный момент времени, К.

Граничные условия для уравнений (6)-(8) (при x = xin):



;; .

(10)

Граничные условия для уравнений (6)-(8) (при x = xout) удовлетворяют условию конвекции:

; ; .

(11)

Долю сечения печи, занятую материалом будем находить по формуле:

,

(12)

где Ф – центральный угол сегмента, занятого материалом, рад.

Будем считать все химические превращения в печи обратимыми и протекающими в пределах одного потока. В таком случае скорость j-ой реакции может быть определена по формуле:



,

(13)

где Rj – реакционный поток в результате j-ой реакции, моль/(м3с); kforw и kback – константа скорости соответственно прямой и обратной реакций; сforw и сback – молярная концентрация соответственно исходных реагентов и продуктов реакции, моль/м3; nj,forw и nj,back – число исходных реагентов и продуктов j-ой реакции.

Математическая модель вращающейся трубчатой печи приведена к одномерному виду и реализована в программной среде Reactop Cascade.

Модель идентифицирована на основе промышленных данных, результатов лабораторных термогравиметрических и кинетических исследований (рис. 2).



a б
Рис.2. Определение параметров модели по экспериментальным данным.

а) Сопоставление опытных данных убыли веса при нагреве сухой шихты (прерывистая линия) и данные по обжигу шихты при тех же условиях сгенерированные в модели (сплошная линия).

б) Скорость тепловыделения полученная по экспериментальным данным (прерывистая линия) и сгенерированная в модели (сплошная линия).

Для этого использованы метод наименьших квадратов и способ решения обратной задачи, который применительно к рассмотренным условиям состоял в минимизации рассогласования значений сопоставляемых расчетных и экспериментальных данных в системе дифференциальных уравнений. На основе рассмотренного метода возможно серийное проведение сравнительных математических и натурных экспериментов, а впоследствии - создание прогнозирующей адаптивной системы оптимального управления вращающейся печью.

На основании полученных экспериментальных данных определены параметры математической модели процесса обжига при различных составах шихты.

В качестве функции рассогласования используется следующая зависимость:





(14)

где – расчетное (с) и экспериментальное значение массы образца в i-й момент времени; - расчетное (с) и экспериментальное значение скорости тепловыделения (теплопоглощения) в образце в i-й момент времени; - тепловой эффект j-й реакции; - натуральный логарифм предэкспоненциального множителя и энергия активации j-й стадии реакции.

По исходным данным, принятым из условий промышленной эксплуатации вращающейся печи для обжига на клинкер в производстве портландцемента ЗАО «Метахим», были проведены модельные расчеты для печи спекания.

На рис. 3 и 4 представлены графики изменения составов и температурные профили твердой и газовой фаз по длине 127-метровой печи, производящей цемент по мокрому способу. Расчет позволяет выявить наиболее энергоемкие зоны, их смещение в зависимости от состава исходной шихты, отработать методы воздействия и скорректировать тепловой режим обжига с целью получения качественного спека из имеющейся шихты.

Рис. 3. Изменение концентраций основных компонентов клинкера по длине печи спекания.



Рис. 4. Температурные профили газа и материала по длине печи


Сопоставление результатов расчетов с экспериментальными данными показывает высокую прогнозирующую точность модельных расчетов (таблица 1).
Таблица 1

Сопоставление состава клинкера полученного по модели и на основании данных эксплуатации цехового оборудования



Компонент клинкера

Содержание в клинкере, %

промышленные данные

данные модели



62

62,99



12

12,52



7,5

7,032



12

12,30



5

5,14

Наиболее важными характеристиками работы вращающейся печи, находящимися во взаимосвязи, являются: влажность и состав шихты, разность температур между горячим газом и материалом, коэффициент избытка воздуха при сжигании топлива, температура вторичного воздуха, температура и запыленность отходящих газов, разрежение в пылевой камере и др. Условия спекания (распределение температур вдоль печи и длина отдельных зон) призваны обеспечивать максимальную производительность процесса с получением качественного спека.

Стадия шихтоподготовки ЗАО «Метахим» не совсем привычна. Предприятием используется широкий ассортимент различного по химическому составу и минералогии сырья, и подготовка шихт ведется на основе двух, трех, четырех компонентов.

Несмотря на то, что минералогический состав клинкера во многом определяется исходным составом шихты, активность клинкеров одного и того же минералогического состава, будучи зависимой от скорости нагрева шихты, длительности ее выдержки в зоне высоких температур и скорости охлаждения клинкера, может различаться.



Рис. 5. Теплопотребление шихт в ходе тепловой обработки

Для проведения исследования было отобрано 10 шихт различного компонентного состава и проведено термографическое исследование их обжига на дифференциальном сканирующем калориметре Netzsch. Результаты показывают, что различие в тепловых эффектах химического взаимодействия шихт схожего состава, но приготовленных из различных компонентов доходит до 6 % (рис. 5).

Разработанный алгоритм регулирования теплового режима печи с целью стабилизации качества клинкера включает шихтовку сырья, расчет расхода топлива, создание необходимого разрежения в пылевой камере, обеспечение требуемой длительности выдержки за счет скорости вращения и степени заполнения печи, а также протяженности зоны обжига за счет изменяемой длины факела и изменения температуры подогрева материала в внепечном теплообменнике.

Для управления процессом на основе модели необходимы слаженные действия оператора и центральной заводской лаборатории. Стратегия управления может быть формализована в следующем виде: выбор имеющегося в распоряжении состава шихты (для новых шихт проведение исследования кинетики терморазложения на дифференциальном сканирующем калориметре); определение параметров математической модели; определение теплового баланса процесса путем решения кинетической задачи при выбранном профиле температур; проведение решения уравнений математической модели с определением расхода природного газа и воздуха, при которых получается компонентный состав клинкера, соответствующий заданному; определение концентрации кислорода на выходе газового потока и соответствующей ей температуры в зоне обжига; регулированием разрежения обеспечиваем рассчитанные параметры концентрации кислорода в отходящих газах.
2. Оптимизация теплового режима передела спекания портландцементных сырьевых смесей и глиноземных шихт достигается за счет использования двухстадийной схемы, включающей внешнюю барабанно-грануляционную сушилку и короткую вращающуюся печь, что обеспечивает экономию до 10% топлива.
Барабанные конвективные сушилки различных конструкций широко применяются в различных химических и технологических переделах (сушка фтористого алюминия, полимерных материалов, удобрений, фосфоритной муки, колчедана и т. д.). Благодаря экономичному проведению процесса, возможности использования высоких температур при прямоточном движении материала и сушильного агента. Кроме того, ввиду относительно простой конструкции, они имеют высокую надежность эксплуатации при большой производительности. Вращающиеся сушильные барабаны можно применять независимо от начальной влажности и вязкости сырья.

Перемещение материала вдоль барабана происходит за счет наклона барабана и направляющих лопастей на внутренней поверхности сушилки. При вращении барабана материал захватывается лопатками, поднимается, а затем ссыпается с различной высоты. При падении на него совместно действуют давление газа, направленное вдоль оси барабана, и сила тяжести.

Материал, перемещаясь по длине барабана, получает тепловую энергию за счет конвекции от газа к падающим частицам и к поверхности материала внизу, а также теплопроводностью от стенок барабана. Основное количество теплоты (до 70%) материал получает во время падения с лопастей сушилки. Расчет гидродинамических и тепломассообменных процессов в барабанной сушилке осложнен трудностью определения времени пребывания частиц материала в барабане и на лопатках, неравномерностью тепловых полей, поперечными потоками материала, вследствие захвата частиц материала газом. Для расчета барабанных сушилок пользуются вычисленными эмпирическими объемными коэффициентами теплообмена.

На основании разработанной математической модели проведено моделирование двухстадийного способа обжига клинкера. На первой стадии происходит прогрев и сушка шихты в барабанной сушилке-грануляторе (БГС) за счет отходящих газов вращающейся печи (рис.6) до температуры 180-200oC, на второй - окончательный обжиг на клинкер в короткой вращающейся печи (рис.7).


Рис. 6. Температурные профили шихты и газов в БГС.



Рис. 7. Температурные профили шихты и газов по длине печи спекания.

На основе модельных расчетов показано, что часть топлива по примеру печей с внешними кальцинаторами целесообразно сжигать в борове перед сушилкой для снижения суммарных тепловых затрат и большей надежности работы всей схемы. Анализ полученных данных свидетельствует о принципиальной возможности увеличения выхода продукта с единицы объема аппарата на 30% и сокращения расхода топлива на 10% при сохранении производительности равной производительности 127-метровой вращающейся печи.


ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. В результате экспериментальных и теоретических исследований получены кинетические константы для реакций протекающих при обжиге шихты во вращающейся печи.

2. Совокупность процессов, протекающих во вращающейся печи удовлетворительно описывается предложенной системой уравнений, отклонение результатов моделирования от промышленных данных не превышает 4 %.

3. Создан программный продукт, позволяющий прогнозировать состав конечного продукта в зависимости от минералогического состава исходной шихты.

4. На основании разработанной математической модели процесса обжига предложена стратегия проведения процесса обжига при использовании шихты переменного состава, заключающаяся в определении параметров технологического режима, для проведения процесса обжига по данным, полученным в результате вычисления в модели.

5. Модельно показана эффективность двухстадийного проведения процесса обжига в короткой вращающейся печи с внепечным короткобарабанным теплообменником распылительного типа (БГС). Схема обеспечивает снижение температуры отходящих газов с 300-350оС до 180-200оС при переходе с моноаппаратной схемы на двухстадийную.


По теме диссертации опубликованы следующие работы:
1. Шариков Ю.В. Математическое моделирование процесса обжига во вращающихся трубчатых печах/ Ю.В. Шариков, И.Н. Белоглазов, П.В. Иванов// Металлург, 2009 г. № 1. С. 29-32.

2. Иванов П.В. Математическое моделирование процессов сжигания жидкого и газообразного топлива.// Металлургическая технология и экология. ИД «Руда и металлы», 2003 г. С. 55-60.

3. Шариков Ю.В. Совершенствование конструкций устройств для сжигания природных газов различного состава / Ю.В. Шариков, П.В. Иванов // Записки Горного института. 2006 г. Том 169. С. 127-129.

4. Голубев В.О. Совершенствование теплового режима печи спекания за счет конструкции обогревательных устройств / В.О. Голубев, П.В. Иванов // Основы химии и технологии переработки комплексного сырья и синтеза на его основе функциональных материалов. Кольский научный центр. Апатиты. 2008 г. C.214-216.

5. Шариков Ю.В. Модель расчета материального баланса процесса обжига на клинкер для производства портландцемента во вращающейся печи / Ю.В. Шариков, П.В. Иванов // Записки Горного института. 2008 г. Том 177. C.161-163.

6. Голубев В.О. Математическое моделирование процесса сжигания газообразного топлива / В.О. Голубев, П.В. Иванов // Записки Горного института. 2008 г. Том 177. С. 151-155.



7. Голубев В.О. Расчет теплового режима вращающейся печи / В.О. Голубев, П.В. Иванов // Записки Горного института. 2008 г. Том 177. С. 113-117.



База данных защищена авторским правом ©bezogr.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница