Помощь студентам в учебе
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ И ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ РАБОТЫ ШАХТНЫХ МЕДЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ
|
Актуальность работы. Повышение эффективности пирометаллургического производства меди и объемов выпускаемой продукции наряду с внедрением новых плавильных агрегатов возможно и за счет оптимизации работы существующей шахтной плавки.
Несмотря на многообразие способов совершенствования технологии шахтной плавки и высокий уровень их теоретической проработки, показатели работы печей остаются низкими, в том числе и из-за отсутствия практических рекомендаций по оптимизации тепловых и газодинамических режимов плавки, конструкций печей.
В этой связи, рассмотренные в представленной работе вопросы выбора рациональных параметров реализации шахтной плавки и разработка эффективного способа интенсификации тепломассообменных процессов в условиях реального производства, способствующие повышению технико-экономических показателей шахтной печи, являются актуальными.
Целью исследований является совершенствование тепловой и газодинамической работы шахтных печей за счет оптимизации их конструктивных и режимных параметров, выбора и реализации эффективных способов интенсификации процесса на основании данных экспериментальных и расчетно-теоретических исследований.
Задачами исследований являются:
• экспериментальное исследование неравномерномерности распределения температурных полей в шахтных медеплавильных печах;
• совершенствование конструктивных параметров работы шахтных печей;
• аналитическое исследование процесса теплогенерации с использованием твердого и газообразного видов топлива;
• создание рациональных условий развития тепловых процессов в плотном слое за счет улучшения подготовки сырья методом брикетирования, выбор вяжущих компонентов, обеспечивающих максимальную упрочняющую способность;
• использование энергии акустического поля для интенсификации тепло- и массообменных процессов в плотном слое, установление оптимальных параметров работы излучателей для его формирования непосредственно в рабочем пространстве шахтных печей;
• оценка эффективности предлагаемых мероприятий по совершенствованию показателей тепловой и газодинамической работы шахтных медеплавильных печей.
Научная новизна.
• установлены закономерности формирования температурных и концентрационных полей газа в шахтных печах;
• уточнены особенности процесса теплогенерации в шахтных медеплавильных печах при сжигании твердого и газообразного видов топлива непосредственно в плотном слое шихты;
• обоснована эффективность воздействия акустического поля на слой кусковых материалов, установлены условия его озвучивания с максимальным увеличением амплитуды колебаний частиц, сформулированы требования к конструкции акустических излучателей, определены виды и степень изменения газодинамического сопротивления слоя, коэффициента теплоотдачи между газом и материалами в различных условиях.
Практическая значимость. Предложена методика формирования с последующей корректировки высоты коксовой насадки. Разработаны мероприятия по совершенствованию конструктивных элементов системы воздухоподачи, выбор ее оптимальных параметров.
Разработан альтернативный вид связующего взамен технических лигносульфонатов при брикетировании тонкодисперсных материалов.
Оценена эффективность использования энергии внешних периодических колебаний для интенсификации тепломассообменных процессов непосредственно в рабочем пространстве шахтных медеплавильных печей, с снижением неравномерности газораспределения по сечению агрегата, удельного расхода кокса и величины химического недожога топлива, общего уровня перепада давлений (уменьшению величины гидравлического сопротивления слоя), увеличением производительности (за счет более глубокого разделения продуктов плавки), а также разрушением настылей и сокращением эксплуатационных затрат.
Реализация работы.
• определены рациональные конструктивные параметры системы воздухоподачи в шахтных печах. Внедрение их в условиях ООО «Медногорский медно-серный комбинат» (ММСК) показали возможность существенного снижения неравномерности распределения газов в объеме рабочего пространства, увеличения производительности шахтной печи на 10-12%, уменьшения удельного расхода кокса на 10-11%, уменьшения выноса пыли до 40%;
• обоснованы экспериментально изменения высоты нижней коксовой насадки для обеспечения наилучших условий тепловыделений в слое при различных размерах кусков кокса в условиях фильтрации газовой среды;
• рекомендована добавка жидкой связки «Термопласт ТЗ» и «3СВ» в количестве 6-8%, позволяющая улучшить металлургические свойства используемых окускованных компонентов;
• показана возможность, в условиях филиала «ППМ» ОАО «Уралэлектромедь», за счет использования энергии акустического поля, улучшить газораспределение в рабочем пространстве шахтных печей, что привело к увеличению производительности плавильного агрегата на 2-3%, снижению расхода кокса на 5-6%, пылевыноса из печи на 20-30% и уменьшению эксплуатационных затрат по разрушению настылей в рабочем пространстве (без остановки агрегата).
Методы исследований. В основу решения поставленных задач положены теории и методы: системного анализа, математического планирования эксперимента (композиционные и ротатабельные планы), теории подобия, оптимизации и управления, идентификации, принятия технических решений, теплообмена и аэродинамики.
Для анализа химического состава отходящих газов использовали газоанализатор типа ГХП-3, температуру материалов - оптическим пирометром «Термоскоп-100НТ». Коэффициент теплоотдачи в слое определяли термоанемометром специальной конструкции, в основе метода использовались закономерности охлаждения за фиксированное время предварительно перегретого спая термопары импульсом тока. Исследования изменения сопротивления слоя сводились к определению зависимости потерь напора от скорости газа. Использовали измеритель шума и вибрации ВШВ- 003, цифровой манометр типа ДМЦ-001 и др.
На защиту выносятся:
• результаты экспериментальных исследований температурных полей на действующих шахтных печах медной плавки;
• рекомендации по снижению неравномерности газораспределения по сечению печей, применение конструкционных способов интенсификации процесса и результаты испытаний;
• результаты исследований по выбору и улучшению условий производства брикетов;
• условия повышения протяженности окислительной зоны и теплогенерации в пределах области горения твердого топлива, а также эффективность применения дополнительного источника тепла при слоевом способе сжигания газообразной горючей смеси;
• результаты лабораторных и промышленных испытаний по интенсификации тепломассоообменных процессов в плотном слое кусковых материалов с использованием энергии акустического поля.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 111-ей Молодёжной научно-практической конференции «Инновационный потенциал молодежи - вклад в развитие ОАО «Уралэлектромедь» - Верхняя Пышма, 2010; международных конференциях: «Проблемы экологии и рационального природопользования стран АТЭС и пути их решения» - Москва: МИСиС, 2010; «Актуальные вопросы металлургии цветных металлов» - Красноярск: СФУ, 2011; «Система управления экологической безопасностью» - Екатеринбург: УрФУ, 2011; научно-технической конференции, посвященной 310-летию уральской металлургии и созданию технико-внедренческого центра металлургии и тяжелого машиностроения «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР» - Екатеринбург: УРО РАН, 2011; «Теплотехника и энергетика в металлургии» - Днепропетровск: НМетАУ, 2011; «Повышение качества образования и научных исследований» в рамках X Сатпаевских чтений: г. Экибастуз: Екибастузский инженерно-технический институт им. академика К.И. Сатпаева, 2011; «Перспективы и пути создания эффективного производства УГМК» - Екатеринбург, 2011, 2012.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 16 работах, включая 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и 1 заявку на изобретение с положительным решением о выдаче патента.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 51 рисунок, 35 таблиц и 6 приложений; список использованной литературы включает 145 наименований.
Несмотря на многообразие способов совершенствования технологии шахтной плавки и высокий уровень их теоретической проработки, показатели работы печей остаются низкими, в том числе и из-за отсутствия практических рекомендаций по оптимизации тепловых и газодинамических режимов плавки, конструкций печей.
В этой связи, рассмотренные в представленной работе вопросы выбора рациональных параметров реализации шахтной плавки и разработка эффективного способа интенсификации тепломассообменных процессов в условиях реального производства, способствующие повышению технико-экономических показателей шахтной печи, являются актуальными.
Целью исследований является совершенствование тепловой и газодинамической работы шахтных печей за счет оптимизации их конструктивных и режимных параметров, выбора и реализации эффективных способов интенсификации процесса на основании данных экспериментальных и расчетно-теоретических исследований.
Задачами исследований являются:
• экспериментальное исследование неравномерномерности распределения температурных полей в шахтных медеплавильных печах;
• совершенствование конструктивных параметров работы шахтных печей;
• аналитическое исследование процесса теплогенерации с использованием твердого и газообразного видов топлива;
• создание рациональных условий развития тепловых процессов в плотном слое за счет улучшения подготовки сырья методом брикетирования, выбор вяжущих компонентов, обеспечивающих максимальную упрочняющую способность;
• использование энергии акустического поля для интенсификации тепло- и массообменных процессов в плотном слое, установление оптимальных параметров работы излучателей для его формирования непосредственно в рабочем пространстве шахтных печей;
• оценка эффективности предлагаемых мероприятий по совершенствованию показателей тепловой и газодинамической работы шахтных медеплавильных печей.
Научная новизна.
• установлены закономерности формирования температурных и концентрационных полей газа в шахтных печах;
• уточнены особенности процесса теплогенерации в шахтных медеплавильных печах при сжигании твердого и газообразного видов топлива непосредственно в плотном слое шихты;
• обоснована эффективность воздействия акустического поля на слой кусковых материалов, установлены условия его озвучивания с максимальным увеличением амплитуды колебаний частиц, сформулированы требования к конструкции акустических излучателей, определены виды и степень изменения газодинамического сопротивления слоя, коэффициента теплоотдачи между газом и материалами в различных условиях.
Практическая значимость. Предложена методика формирования с последующей корректировки высоты коксовой насадки. Разработаны мероприятия по совершенствованию конструктивных элементов системы воздухоподачи, выбор ее оптимальных параметров.
Разработан альтернативный вид связующего взамен технических лигносульфонатов при брикетировании тонкодисперсных материалов.
Оценена эффективность использования энергии внешних периодических колебаний для интенсификации тепломассообменных процессов непосредственно в рабочем пространстве шахтных медеплавильных печей, с снижением неравномерности газораспределения по сечению агрегата, удельного расхода кокса и величины химического недожога топлива, общего уровня перепада давлений (уменьшению величины гидравлического сопротивления слоя), увеличением производительности (за счет более глубокого разделения продуктов плавки), а также разрушением настылей и сокращением эксплуатационных затрат.
Реализация работы.
• определены рациональные конструктивные параметры системы воздухоподачи в шахтных печах. Внедрение их в условиях ООО «Медногорский медно-серный комбинат» (ММСК) показали возможность существенного снижения неравномерности распределения газов в объеме рабочего пространства, увеличения производительности шахтной печи на 10-12%, уменьшения удельного расхода кокса на 10-11%, уменьшения выноса пыли до 40%;
• обоснованы экспериментально изменения высоты нижней коксовой насадки для обеспечения наилучших условий тепловыделений в слое при различных размерах кусков кокса в условиях фильтрации газовой среды;
• рекомендована добавка жидкой связки «Термопласт ТЗ» и «3СВ» в количестве 6-8%, позволяющая улучшить металлургические свойства используемых окускованных компонентов;
• показана возможность, в условиях филиала «ППМ» ОАО «Уралэлектромедь», за счет использования энергии акустического поля, улучшить газораспределение в рабочем пространстве шахтных печей, что привело к увеличению производительности плавильного агрегата на 2-3%, снижению расхода кокса на 5-6%, пылевыноса из печи на 20-30% и уменьшению эксплуатационных затрат по разрушению настылей в рабочем пространстве (без остановки агрегата).
Методы исследований. В основу решения поставленных задач положены теории и методы: системного анализа, математического планирования эксперимента (композиционные и ротатабельные планы), теории подобия, оптимизации и управления, идентификации, принятия технических решений, теплообмена и аэродинамики.
Для анализа химического состава отходящих газов использовали газоанализатор типа ГХП-3, температуру материалов - оптическим пирометром «Термоскоп-100НТ». Коэффициент теплоотдачи в слое определяли термоанемометром специальной конструкции, в основе метода использовались закономерности охлаждения за фиксированное время предварительно перегретого спая термопары импульсом тока. Исследования изменения сопротивления слоя сводились к определению зависимости потерь напора от скорости газа. Использовали измеритель шума и вибрации ВШВ- 003, цифровой манометр типа ДМЦ-001 и др.
На защиту выносятся:
• результаты экспериментальных исследований температурных полей на действующих шахтных печах медной плавки;
• рекомендации по снижению неравномерности газораспределения по сечению печей, применение конструкционных способов интенсификации процесса и результаты испытаний;
• результаты исследований по выбору и улучшению условий производства брикетов;
• условия повышения протяженности окислительной зоны и теплогенерации в пределах области горения твердого топлива, а также эффективность применения дополнительного источника тепла при слоевом способе сжигания газообразной горючей смеси;
• результаты лабораторных и промышленных испытаний по интенсификации тепломассоообменных процессов в плотном слое кусковых материалов с использованием энергии акустического поля.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 111-ей Молодёжной научно-практической конференции «Инновационный потенциал молодежи - вклад в развитие ОАО «Уралэлектромедь» - Верхняя Пышма, 2010; международных конференциях: «Проблемы экологии и рационального природопользования стран АТЭС и пути их решения» - Москва: МИСиС, 2010; «Актуальные вопросы металлургии цветных металлов» - Красноярск: СФУ, 2011; «Система управления экологической безопасностью» - Екатеринбург: УрФУ, 2011; научно-технической конференции, посвященной 310-летию уральской металлургии и созданию технико-внедренческого центра металлургии и тяжелого машиностроения «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР» - Екатеринбург: УРО РАН, 2011; «Теплотехника и энергетика в металлургии» - Днепропетровск: НМетАУ, 2011; «Повышение качества образования и научных исследований» в рамках X Сатпаевских чтений: г. Экибастуз: Екибастузский инженерно-технический институт им. академика К.И. Сатпаева, 2011; «Перспективы и пути создания эффективного производства УГМК» - Екатеринбург, 2011, 2012.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 16 работах, включая 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и 1 заявку на изобретение с положительным решением о выдаче патента.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 51 рисунок, 35 таблиц и 6 приложений; список использованной литературы включает 145 наименований.
1. Шахтная плавка сохраняет свое значение в металлургии меди и имеет резервы в оптимизации технологических параметров, повышении производительности, качества получаемой продукции и снижения энергетических затрат, что определяет актуальность дальнейшего совершенствования технологии.
2. С учетом распределения газов и температур со стороны подачи воздушного дутья, по сечению печи условно определены 3 зоны. В первой и третьей зонах (соответственно избыток и недостаток окислителя) распределение температур определяется условиями подачи дутья, во второй - преимущественно от сбора и продвижения полученных продуктов плавки.
3. Изменение конструктивных параметров фурменных устройств (снижен диаметр фурм с 200 до 120 мм, увеличены угол наклона фурм с 4 до 12° и их количество до 42 шт.) и воздушного коллектора (двухсторонняя подача дутья, увеличена площадь сечения воздушного коллектора до 1,425 м2) привело к существенному повышению равномерности газораспределения, повышению эффективности сжигания твердого топлива, что обеспечивает снижение расхода топлива на 10,8% и повышение производительности печи по расплаву на 17,5 %, снижению пылевыноса на 47,47%.
4. Основным направлением повышения эффективности шахтной плавки является рационализация процессов теплообразования, их форсирование за счет повышения количества дутья, оптимизации высоты коксовой постели, крупности топлива и использование природного газа в качестве замены части дорогостоящего твердого топлива.
Наиболее эффективным является слоевой режим сжигания газообразного топлива, позволяющий увеличить производительность шахтных печей на 30-45% и повысить экономичность процесса. При микрофакельном механизме горения горючей смеси, температура поверхности материалов должна превышать температуру воспламенения исходной горючей смеси (800-1050 °С), коэффициент расхода воздуха ав>3; снижение крупности кусков шихты приводит к увеличению протяженности зоны горения.
5. Предложенные новые вяжущие компоненты (древесные смолы, модифицированные с добавлением растворов кислот, реагентов «Термопласт» серии «Т3», «3СВ», с сульфатом алюминия), позволят заменить дефицитные лигносульфонаты и повысить в 1,6 - 1,8 раза механическую прочность (на сжатие и ударная прочность) брикетов.
6. Наложение акустического поля на слой кусковых материалов
позволил снизить гидравлическое сопротивление стоба шихты, интенсифицировать развитие тепломассообменных процессов, скоагулировать дисперсные фракции материала, обеспечить более эффективное горение топлива.
Предложенные выражения взаимосвязи критериев подобия, характеризующих конвективный теплообмен (Нуссельта, Рейнольдса) и коэффициента гидравлического сопротивления слоя от условий воздействия акустического поля, так и без его использования, позволяют оценить тепловую работу печи.
7. Использование энергии акустического поля, по данным испытаний в опытно-промышленном масштабе, позволило: повысить тепловой КПД на 2%; снизить расход топлива на 14,75 кг/т меди; повысить производительность агрегата на 6 %; снизить пылевынос на 6,46 %.
Установлена возможность снижения образования настылей и гарнисажа в рабочем пространстве.
Внедрение рекомендаций по использованию энергии акустического поля в промышленной практике, только в условиях филиала «ППМ» ОАО «Уралэлектромедь» позволит получить экономическую эффективность в 7,5 млн. руб.
2. С учетом распределения газов и температур со стороны подачи воздушного дутья, по сечению печи условно определены 3 зоны. В первой и третьей зонах (соответственно избыток и недостаток окислителя) распределение температур определяется условиями подачи дутья, во второй - преимущественно от сбора и продвижения полученных продуктов плавки.
3. Изменение конструктивных параметров фурменных устройств (снижен диаметр фурм с 200 до 120 мм, увеличены угол наклона фурм с 4 до 12° и их количество до 42 шт.) и воздушного коллектора (двухсторонняя подача дутья, увеличена площадь сечения воздушного коллектора до 1,425 м2) привело к существенному повышению равномерности газораспределения, повышению эффективности сжигания твердого топлива, что обеспечивает снижение расхода топлива на 10,8% и повышение производительности печи по расплаву на 17,5 %, снижению пылевыноса на 47,47%.
4. Основным направлением повышения эффективности шахтной плавки является рационализация процессов теплообразования, их форсирование за счет повышения количества дутья, оптимизации высоты коксовой постели, крупности топлива и использование природного газа в качестве замены части дорогостоящего твердого топлива.
Наиболее эффективным является слоевой режим сжигания газообразного топлива, позволяющий увеличить производительность шахтных печей на 30-45% и повысить экономичность процесса. При микрофакельном механизме горения горючей смеси, температура поверхности материалов должна превышать температуру воспламенения исходной горючей смеси (800-1050 °С), коэффициент расхода воздуха ав>3; снижение крупности кусков шихты приводит к увеличению протяженности зоны горения.
5. Предложенные новые вяжущие компоненты (древесные смолы, модифицированные с добавлением растворов кислот, реагентов «Термопласт» серии «Т3», «3СВ», с сульфатом алюминия), позволят заменить дефицитные лигносульфонаты и повысить в 1,6 - 1,8 раза механическую прочность (на сжатие и ударная прочность) брикетов.
6. Наложение акустического поля на слой кусковых материалов
позволил снизить гидравлическое сопротивление стоба шихты, интенсифицировать развитие тепломассообменных процессов, скоагулировать дисперсные фракции материала, обеспечить более эффективное горение топлива.
Предложенные выражения взаимосвязи критериев подобия, характеризующих конвективный теплообмен (Нуссельта, Рейнольдса) и коэффициента гидравлического сопротивления слоя от условий воздействия акустического поля, так и без его использования, позволяют оценить тепловую работу печи.
7. Использование энергии акустического поля, по данным испытаний в опытно-промышленном масштабе, позволило: повысить тепловой КПД на 2%; снизить расход топлива на 14,75 кг/т меди; повысить производительность агрегата на 6 %; снизить пылевынос на 6,46 %.
Установлена возможность снижения образования настылей и гарнисажа в рабочем пространстве.
Внедрение рекомендаций по использованию энергии акустического поля в промышленной практике, только в условиях филиала «ППМ» ОАО «Уралэлектромедь» позволит получить экономическую эффективность в 7,5 млн. руб.