Многофазная модель процесса обжига известняка в коксовой печи тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

БУРКИН МАКСИМ ВАСИЛЬЕВИЧ

МНОГОФАЗНАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ОБЖИГА ИЗВЕСТНЯКА В КОКСОВОЙ ПЕЧИ

01.02.05. - Механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Уфа-2005

государственной педагогической

доктор физико-математических наук, профессор Шагапов В.Ш.

Работа выполнена в Стерлитамакской академии

Научный руководитель: Научный консультант:

кандидат физико-математических наук, доцент Вахитова Е.В.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук, профессор Спивак С.И. кандидат физико-математических наук, доцент Урманчеев С.Ф.

Ведущая организация: Московский государственный

университет

Защита состоится «» М^НРНЯ- 2005 г. в час. на заседании диссертационного совета Д 212.013.09 в Башкирском государственном университете по адресу: 450074, Уфа, ул. Фрунзе, 32, ауд. 216.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Башкирского государственного университета.

Автореферат разослан 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор

Ковалева Л.А.

Лоч ъь

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Обжиг известняка является первым технологическим этапом производства соды. К настоящему времени наиболее экономичные в плане затрат топлива режимы работы печи для обжига известняка на производствах подбираются эмпирическим путем. Построение математических моделей химических реакторов и компьютерное экспериментирование на их основе - это новый, развивающийся, метод повышения эффективности различных химико-технологических процессов. При наличии модели, адекватно описывающей процессы в химических реакторах, можно проводить компьютерные эксперименты, занимающие незначительный объем компьютерного количество времени. Таким образом, основываясь на результатах большого количества результатов расчета, можно выбрать наиболее выгодные режимы эксплуатации печей.

Цели работы:

1. построение математической модели процесса обжига известняка в коксовой печи

2. исследование зависимости распределений термохимических и гидродинамических параметров внутри печи от начальных параметров сырья и топлива (массовые расходы, размеры, влаж-

3. анализ полученных результатов, установление закономерностей, поиск вариантов, обеспечивающих полное разложение известняка при как можно меньшем расходе топлива.

Научная новизна состоит в том, что работа таких реакторов в литературе описана лишь на качественном уровне. В данной же работе составлена математическая модель, основанная на системе дифференциальных уравнений, описывающих основные законы сохранения массы и энергии, а так же кинетику химических превращений. Выяснены некоторые зависимости параметров выходящего продукта от параметров сырья и топлива. Оценены «критические» значения некоторых величин, обеспечивающие работу печи, в частности минимальное отношение массовых расходов топлива и сырья. Предложена схема горения углерода, описывающая внутрипоровое горение.

Установлено, что:

увеличение высоты печи позволяет снизить расход кокса за счет более полной утилизации энергии выходящих из печи газов и негашеной извести;

ность);

причем существует максимальная эффективная высота печи, дальнейшее увеличение от которой приводит к появлению бесполезного с точки зрения утилизации тепла и полноты разложения известняка участка в нижней ее части;

небольшой рост массового расхода, закачиваемого в печь воздуха так же позволяет снизить расход кокса. Это связано с увеличением интенсивности теплообмена, приводящей в свою очередь к более полной утилизации тепла;

большой разброс размеров частиц может привести к выходу некоторых из них за пределы благоприятного температурного режима обжига, выявлены размеры частиц известняка обеспечивающие полный обжиг при оптимальных условиях; сушка шихты происходит за счет более полной утилизации тепла выходящего из печи газа и не требует дополнительных энергозатрат.

Практическая ценность работы заключается в установлении закономерностей распределения термохимических и гидродинамических параметров внутри печи для обжига известняка, их зависимости от начальных параметров известняка, кокса и воздуха, подаваемых в печь. Работа может служить теоретической основой для анализа функционирования, совершенствования конструкции и определения оптимальных параметров коксовой печи, режимов ее эксплуатации, а так же прогнозирования параметров образующейся негашеной извести и возможных осложнений в процессе эксплуатации.

Достоверность полученных результатов основана на использовании фундаментальных уравнений механики многофазных систем, с учетом специфики процесса обжига известняка, сопоставлении численных результатов со значениями параметров на входе и выходе реактора, полученных путем прямых измерений в действующих печах. Полученные в работе распределения основных параметров совпадают с их качественным описанием, приведенным в литературе.

Апробации работы: Результаты, приведенные в диссертации, докладывались и обсуждались на семинарах кафедры прикладной математики и механики Стерлитамакского государственного педагогического института (руководитель - профессор В.Ш. Шагапов), а также на следующих конференциях и научных школах:

на школе-семинаре по проблемам механики сплошных сред в системах добычи, сбора, подготовки, транспорта и переработки нефти и газа под руководством академика А.Х. Мирзаджанзаде (Уфа, 2002);

на VIII Четаевской международной конференции Аналитическая механика, устойчивость и управление движением (Казань, 2002). На международной конференции Спектральная теория дифференциальных операторов и родственные проблемы (Стерлитамак, 2003)

на Всероссийской научно-теоретической конференции ЭВТ в обучении и моделировании. (Бирск, 2004);

Публикации: Основные результаты диссертации опубликованы в работах, список которых приведен в конце автореферата.

Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения, ? шести глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 110 страниц, в том числе 47 рисунков и список литературы, состоящий из 61 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований, отмечена научная новизна работы, сформулированы цели и кратко изложена структура диссертации.

В первой главе приведен обзор работ, посвященных исследованию функционирования химических реакторов в общем, и непосредственно коксовой печи для обжига известняка. Рассмотрены так же исследования по кинетике химических реакций, в частности, по горению углерода.

Во второй главе приняты основные допущения для построения модели. Они заключаются в том, что режим функционирования печи является установившимся, твердая фаза (известняк и кокс) представляют собой сферические частицы, геометрия которых в процессе протекания химических реакций не изменяется, воздух подается в количестве, достаточном или с избытком для выгорания углерода до углекислого газа, тем-к пературы, концентрации каждой составляющей по сечению канала одинаковы, частицы кокса и известняка опускаются с одинаковыми скоростями, не спекаются и не дробятся. 1 Для процесса горения кокса и разложения известняка приняты сле-

дующие схемы химических реакций:

С+02-> С02 Т+ 07 СаСОз СаО + СОгТ- &

г,м

1 1 г О 4 8 12 16

Рис. 1 Схема печи. 1 - зона прогрева шихты, 2 - зона разложения, 3 зона горения, 4 — зона прогрева газа

В §3 записаны уравнения сохранения массы. Для кокса, известняка и негашеной извести они имеют вид

йт„ _ еЬпт _ _ (1т> - Л) - — •Л

7(2) _

<ь

¿к

'(О'

сЬ

= JI

/(2)'

Учитывая, что газовая фаза состоит из азота, кислорода и углекислого газа, уравнения записываются для каждой фазы в отдельности

с1т

«(1)

(к

= J

Я<1)

ск

(к

= тА<о>'я* = №¿«1) + к,т + к„т =1 •

Из условий стехиометрии для химических реакций имеем следующие зависимости между параметрами, описывающими интенсивности химических превращений

'(2)

Мс Мв( 1) /"я(2) -"/(1) МЦ2)

^«(2) = 1) = №1(2) + Ме(2) ■

Эти уравнения дополняются следующими кинематическими соотношениями:

as +ag =1 ,as =ас +а„а, =al(i) +ат,

ас = ±na]nc,al =\na]0n,,am =±ла]п,

Давление газа в печи считается постоянным и определяется из уравнения Менделеева - Клапейрона с учетом закона Дальтона.

В §4 записаны уравнения, учитывающие закон сохранения энергии. Считается, что теплообмен между частицами твердой фазы отсутствует, и каждая из них взаимодействует только с газом. Уравнение теплового баланса для потока в целом имеет вид

Jz(™cCjc) + + mmfu.2))Ti)-) = JJc ~JHiir

Слагаемые в правой части этого уравнения отвечают за энергию горения кокса и необходимую для разложения известняка. Полагаем, что теплота, выделяющаяся при горении, уносится газовой фазой. Уравнения притока тепла для частиц твердой фазы записываются как

dT dT

mccc = Qgc' immcm + w/(2)c/(2))-£- = Qqi - Ji(i)h

Из этих трех уравнений можно получить уравнение притока тепла для газовой фазы.

В §5 рассмотрены межфазный теплообмен и кинетика химических превращений. Коэффициенты теплообмена в записаны с учетом теплового сопротивления газовой фазы, частиц кокса и известняка.

qgc=2 naJc(Tg-Tc), q^lna^-T,), 11 1 111

Pc \Nugc AcNuc p, XgNug, A,Nu,

Nuc=Nui=l0, Nugc =2 + 0.65JPe^ , Nugl = 2 + О.бб^Р^,

2acv* 2 a.v, X

Xg Xg Pgc%

Интенсивность разложения известняка определяется по закону Арре-ниуса

Л1) = W(i)/f(i)К1, К, = Кп ехр

'.а:

RT,

Для описания горения кокса принята идея о равнодоступной поверхности, согласно которой интенсивность потребления кислорода может быть выражена через концентрацию окислителя в потоке газа. Считается, что процесс горения происходит в диффузионно-кинетическом режиме. С одной стороны, интенсивность потребления кислорода определяется процессом диффузии, и поэтому можно записать

*«(») *«0) ) м = 2 + 0.65у[Ге * 2 а.

Ре-

2 а V

crg

Д.

С другой стороны она зависит от кинетики реакции окисления и следовательно

Л(1) = 4лреа2сКск^ „, Кс = Кс0 ехр

Л

ят

«У

к=к

1+-щс<т

И'

1

е У

где ']) - концентрация кислорода на поверхности реакции. Исключая ее из этих уравнений получили формулу для интенсивности реакции горения

$ V I*

На основе представленных выражений получаются дифференциальные уравнения для температур и массовых расходов каждой фазы, а так же концентраций компонент газа. Задавая граничные условия

Тс=Тс0>Т1=Т1<»тс:=тс0>т1т =Щ(1)0 = Що>Щ(2) =0,(2 = 0)

"'««'"'га) ^(Це'^СЗ) ~Лг(3)«'(2_2;«)

решая краевую задачу, и получаем распределения основных параметров.

На рис. 2 представлены распределения массовых расходов по высоте печи. Как видно из графиков, интенсивные химические реакции протекают в зоне печи от 10 до 14 метров, называемой зоной горения. Можно выделить так же и зону разложения, которая несколько уже зоны горения. Здесь происходит обильное газовыделение и, как следствие увеличение скорости газа, которое в свою очередь приводит к более интенсивному теплообмену и повышению скоростей реакций.

Рис. 2. Распределение массовых расходов по высоте печи. Линии 1, 2, 3 и 4 соответствуют газу, коксу, известняку и негашеной извести.

На рис. 3 представлены распределения температур по высоте печи. Их максимум так же приходится на зону печи от 10 до 14 метров, что объясняет протекание здесь интенсивных реакций. В верхней части печи происходит прогрев шихты за счет выходящего горячего газа, в нижней же, наоборот, газ прогревается за счет извести, выходящей из зоны горения.

Рис. 3. Распределение температур по высоте печи. Линии 1, 2, 3 соответствуют газу, кокс и, известняку.

В третьей главе процесс обжига рассмотрен с некоторыми уточнениями. Горения углерода описано с учетом того, что окисление происходит не только на поверхности раздела фаз, но и в порах кокса. Считается, что поры представляют собой сферические полости одинакового радиуса, сообщающиеся между собой, так что газ может беспрепятственно распро-

9

страюггься внутри частицы. При выгорании их геометрия не нарушается. С учетом этого имеем

4 з

<р = —яарпр.

Для числа пор можно записать выражение через начальную пористость <р0 и радиус пор Оро".

и

Интенсивности выгорания кокса и потребления кислорода представлены в виде

Л = '+ А) > Л(1) = + ^гО)

с ^

гМ - Не) т(,) _ ^ г(/)

V ОГО) >"?0)

Тепловыделение от приповерхностного горения происходит в газовой фазе, а тепловыделение при внутрипоровом горении тратится на нагрев частицы кокса. В соответствии с этим, уравнения притока тепла для частиц кокса и известняка имеют вид

с1Т

тссс ~ = Я* +—' К.)с/(1) + ттст)-± = % - Зт11 ■ аг «г

Интенсивность потребления кислорода определяется процессом диффузии к поверхности частицы кокса, и следовательно можем записать

Л(п = % = ^.

Окислитель, поступающий к частице кокса, частично тратится на поверхностное горение, а частично на внутрипоровое и тогда для интенсивности потребления кислорода можно записать

Л(1) = 4а)+ 4о) ■

При этом для интенсивности горения на поверхности примем

40

ехр

Л71

V р ,

а для интенсивности внутирипорового горения -

К^ = рАКс,Кс=Кс 0ехр

Щу

С другой стороны она должна обеспечиваться диффузией кислорода внутрь частицы кокса

Исключая из этих уравнений концентрации кислорода на поверхности частиц и внутри пор, можно определить интенсивность горения, которая будет зависеть от параметров самого кокса, температуры и концентрации окислителя в потоке газа.

Уравнение теплового баланса записано с учетом продольной теплопроводности. Общая длина печи составляет 15-20 метров, максимальные перепады температуры - порядка тысячи градусов, поэтому в подавляющей части печи перенос тепла вдоль нее происходит по конвективному механизму. Теплопроводность и излучение могут оказать существенное влияние лишь в зоне активного горения, где возникают высокие температуры до 1500 К и резкие ее перепады (большие градиенты). Причем, как показывает анализ сравнения тепловых потоков в зоне активного горения, основная доля переноса тепла происходит за счет теплового излучения в газовой фазе. Поэтому, помимо конвективного переноса тепла, будем учитывать лишь эту часть потока энергии введением эффективной теплопроводности. С учетом этого, уравнение имеет вид:

с1 (Л с1

-^(т<с<Тс)+^{(тН1)с>а) + ттсю Я) )+

а +—

<ь

/" /7Т*

8 <Ь

— //(1)/,

г 2 «

На рис. 4 представлены распределения температур. Учет продольной теплопроводности сглаживает расчетное температурное поле в зонах горения и разложения, где имеют место большие градиенты. Общий уровень температур несколько ниже, чем по результатам второй главы, что заметно из рис. 5. Так же обеспечивается большая эффективная высота печи. Эти результаты более близки к измерениям в реальных печах.

На рис. 6 представлены распределения интенсивностей горения кокса на поверхности и внутри пор по высоте печи. Как видно из графиков, по-

верхностное горение протекает при температуре > 800 К. При этом почти весь поступающий к частице кислород сгорает на поверхности, и не проникает в поры. При более низких температурах протекает внутрипоровое горение.

Выяснено, что увеличивая высоту загрузки печи можно несколько

Рис 4. Распределение температур по высоте печи. Линии 1, 2 и 3 соответствуют газу, коксу и известняку. Пунктирная линия соответствует распределению температуры газа без учета теплопроводности.

Рис 5. Распределение температуры газа по высоте печи с учетом продольной теплопроводности и внутрипорового (линия 2) горения кокса и без (линия 1).

На рис. 7 изображена зависимость минимально необходимой высоты печи от массового расхода кокса. В более протяженной печи уменьшается температура газа на выходе, что иллюстрировано на рис. 8.

Рис. б. Распределение интенсивности горения кокса на поверхности (линия 1) и внутри пор (линия 2) по высоте печи.

0.36 0.40 0.44 0.48

Рис. 7. Зависимость минимально необходимой высоты печи от массового расхода кокса.

460-

440-

420-

ГПсО,

кг/с

400

0.38 0.40 0.42 0.44 0.46 0.48

Рис. 8. Зависимость температуры газа на выходе из печи от массового расхода кокса

В четвертой главе рассмотрен процесс обжига известняка с учетом его полидисперсности. Считается, что присутствует несколько фракций, каждая из которых имеет свой размер и свою температуру. При больших разбросах размеров известняка максимальные значения температур могут различаться на сотни градусов. Оптимальным считается режим обжига, при котором максимальная температура известняка находится в пределах от 1400 до 1600 К. Если частицы известняка не достигают температуры 1400 К, то они не вступают в стадию активного разложения, таким образом образуется «недопал». Если же температура превышает 1600 К, то получившаяся известь имеет плохую реакционную способность и не пригодна для дальнейшего производства. Это называется «пережогом». Учитывая полидисперсность, можно предвидеть частичный «недопал» или «пережог».

На рис. 9 и 10 представлены распределения температур известняка разных фракций, а так же температуры, вычисленные без учета полидисперсности с усредненным размером частиц. Как видно, в первом случае будет иметь место «недопал», а во втором «пережог», которые невозможно предсказать при использовании однофракционной схемы.

Рис.9 Распределение температуры известняка. Линии 1 и 2 соответствуют известняку с размерами ацц =3 см, и ац2)=8 см. Пунктирная линия соответствует распределению без учета полидисперсности.

1600-

1200-

800-

400

Рис. 10 Распределение температуры известняка. Линии 1 и 2 соответствуют известняку с размерами 3.5 см, и ац2)=1 см. Пунктирная линия соответствует распределению без учета полидисперсности.

В пятой главе рассмотрен процесс обжига влажного известняка. Для этого математическая модель уточнена с учетом процесса сушки шихты, который протекает в верхней части печи. При его описании предполагается, что удаление влаги из пор может протекать в двух режимах. Если температура шихты ниже температуры кипения воды, то сушка лимитируется процессом диффузии влаги из пор известняка в поток газа; в противном же случае - интенсивностью подвода тепла. Когда частицы известняка достигли температуры кипения воды, интенсивность сушки определяется количеством тепла, подводимого к частице, и, следовательно, мы можем записать

Для диффузионного режима интенсивность испарения запишется в виде

Л = 2ящщррфм ~К(4))Ни1г'

где *;(4), - концентрации водяных паров в порах и потоке газа соответственно.

Концентрация водяных паров в порах находится из предположения, что пар здесь всегда насыщенный, а инертная компонента (смесь азота, кислорода и диоксида углерода) имеет такой же концентрационный состав, что и в потоке газа.

Как видно из рис. 11, основная часть высушивания шихты происходит в режиме кипения (участок 0,3 - 0,5 м).

Расчеты показали, что даже если поры шихты полностью заполнены водой, энергии выходящего из печи газа достаточно для ее испарения. Температура газа при этом снижается примерно на 50 К (рис. 12).

В шестой главе рассмотрены режимы функционирования реактора, когда воздух закачивается в реактор с избытком по сравнению с необходимым расходом для полного выгорания кокса. В этом случае увеличение скорости газа, приводит к более интенсивному теплообмену. В этом случае, из-за более полной утилизации тепла, появляется возможность снижения расхода кокса примерно на 1% (рис 13). Однако, это возможно лишь при небольшом увеличении потока воздуха. Когда массовый расход газа более чем на 10% выше минимального необходимого для реакции окисления, может происходить срыв горения.

Рис. 11 Распределение влагонасыщенности пор по длине печи

Рис. 12 Распределение температур газа по длине печи для случаев влажного (пунктирная линия) и сухого (сплошная линия) известняка

I 1

°-39°-|тсо, кг/с

0.386 -

Ще, кг/с

4.9 5.0 5.1 5.2 5.3

Рис. 13 Зависимость минимального расхода кокса от расхода закачиваемого в печь воздуха

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Построена математическая модель процесса обжига известняка, позволяющая по условиям на входе и выходе определить термохимическую и гидродинамическую обстановку внутри печи. На основе проведения численных экспериментов и их анализе установлено следующее:

1. Существует 4 характерные зоны печи. В первой зоне (примерно 10 м в верхней части) происходит прогрев шихты за счет выходящих из печи газов. В конце ее температуры всех фаз примерно одинаковы и составляют 1000 К, что необходимо для начала активных химических реакций. В зоне разложения, которая составляет 3-4 м, происходит образование негашеной извести, причем ее интенсивность тем выше, чем больше температура. Начало зоны горения совпадает с началом зоны разложения, а ее протяженность примерно на 1 метр больше. Догорание кокса в нижней части печи обеспечивает дополнительный прадрев поступающего потока воздуха.

2. Имеет место сильное (почти пятикратное) возрастание линейной скорости газа. Это обстоятельство, во-первых, связано с обильным газовыделением за счет разложения известняка, а во-вторых, снижением его плотности из-за больших перепадов температуры по высоте печи. Такое

многократное повышение скорости в свою очередь приводит к интенсификации межфазного тепломассообмена и реакции горения.

3. Для каждого режима функционирования печи существует максимальная эффективная ее высота. Уменьшение этой высоты приводит к росту температуры газа на выходе из печи и как следствие затрат кокса, необходимого для полного разложения известняка. А при чрезмерном ее увеличении появляется «бесполезный» участок с точки зрения утилизации тепла и глубины превращений.

4. При снижении температур поступающих в печь шихты и воздуха на 50 К, соответствующее сезонному изменению температуры, расход кокса увеличивается примерно на четыре-пять процентов. При этом увеличивается и длина зоны прогрева шихты примерно на метр.

5. Возможная влажность шихты не приводит к увеличению расхода кокса. Высушивание влаги, составляющей не более двух-трех процентов от массы шихты, может происходить за счет более полной утилизации тепла газа, проявляющейся в снижении его температуры на выходе из печи.

6. Наиболее эффективным является использование известняка, имеющего небольшой разброс своих размеров. Связано это с тем, что большая дисперсность приводит к сильному различию температур между разными частицами (более мелкие прогреваются быстрее). В этом случае часть известняка за время пребывания в печи не разложится или разложится при температуре, превышающей допустимые нормы.

7. Некоторое снижение расхода кокса (примерно на 0.5%) происходит за счет того, что воздух закачивается в количестве, превышающем минимально необходимое для полного выгорания, не более чем на 10%. Увеличение массового расхода газа приводит к повышению скорости потока, и как следствие, интенсивности теплообмена. Таким образом, происходит более полная утилизация тепла в печи.

8. Учет продольной теплопроводности приводит к сглаживанию температурных пиков в зоне горения и разложения. Внутрипоровое горение кокса, из-за существенного увеличения поверхности контакта между окислителем и коксом, способствует усилению кинетического механизма реакции окисления при более низких температурах. Это обстоятельство позволяет более адекватно описать температурный режим в действующих печах.

®5-1 3» О 7

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Буркин М. В., Григорьев К. А. Математическая модель процесса обжига известняка /Сб. тезисов VIII Четаевской международной конференции «Аналитическая механика, устойчивость и управление движением». - Казань: ЮТУ. 2002. С. 235.

2. Шагапов В. Ш., Буркин М. В. Модель обжига известняка в коксовой печи / Спектральная теория дифференциальных операторов и родственные проблемы. Труды международной научной конференции 24 - 28 июля 2003 г., г. Стерлитамак, - Уфа: Гилем.

2003. Т. 3. С. 259-266.

3. Буркин М. В., Игошин Д. Е. Обжиг известняка с учетом продольной теплопроводности и внутрипорового горения кокса / Спектральная теория дифференциальных операторов и родственные проблемы. Труды международной научной конференции 24 - 28 июля 2003 г., г. Стерлитамак. - Уфа: Гилем. 2003. Т.З. С.47-51.

4. Буркин М. В. Моделирование процесса обжига влажного известняка в коксовой печи / ЭВТ в обучении и моделировании. Сборник научных трудов третьей всероссийской научно-теоретической конференции 21-22 мая 2004 г., г. - Бирск: БГПИ,

2004. Ч. 1. С. 35-41.

5. Шагапов В. Ш., Буркин М. В., Воронин А. В., Шатов А. А. К расчету обжига известняка в коксовой печи // Теоретические основы химической технологии. Т. 38, № 4. 2004. С. 467-474.

Подписано в печать 20 05.2005 г Гарнитура «Times». Бумага ксероксная Формат 60х80шб-Печать оперативная. Усл.-печ л 1,2. Заказ № 109 /05. Тираж 100 экз.

Отпечатано в типографии Стерлитамакской государственной педагогической академии: 453103, Стерлитамак, пр Ленина, 49

РНБ Русский фонд

10432

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РАБОТ ПО ТЕПЛОВОЙ

РАБОТЕ ПЕЧЕЙ.

§ 1 Общая теория работы химических реакторов.

§2 Горение кокса.

§3 Обжиг известняка.

ГЛАВА 2. ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛИ.

§1 Общие замечания.

§2 Основные допущения

§3 Уравнения масс.

§4. Уравнения энергии.

§5. Межфазный тепломассообмен и кинетика химических превращений.

§6. Численное решение полученной системы дифференциальных уравнений.

§7. Результаты численных расчетов.

ГЛАВА 3. УЧЕТ ПРОДОЛЬНОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ И

ВНУТРИПОРОВОГО ГОРЕНИЯ КОКСА.

§ 1 Обоснование необходимости уточнений

§2 Основные допущения.

§3 Учет внутрипорового горения в уравнениях масс.

§4. Учет продольной теплопроводности в уравнениях энергии.

§5. Кинетика реакции окисления.

§6. Преобразование системы уравнений к удобному виду для численного интегрирования и ее решение.

§7. Анализ результатов, выводы.

ГЛАВА 4. УЧЕТ ПОЛИДИСПЕРСНОСТИ ИЗВЕСТНЯКА.

§1 Основные допущения.

§2. Учет фракционного состава шихты в основных уравнениях.

§3. Результаты численных расчетов, выводы.

ГЛАВА 5. УЧЕТ ВЛАЖНОСТИ ШИХТЫ.

§1 Процесс сушки.

§2 Вклад паровой фазы в систему уравнений.

§3 Влияние влажности шихты на распределение основных параметров.

ГЛАВА 6. РАЗЛИЧНЫЕ РЕЖИМЫ ПОДАЧИ ВОЗДУХА.

§1 Граничные условия.

§2 Результаты численных расчетов, выводы.

Актуальность темы. Обжиг известняка является первым этапом ^ производства соды, широко распространенного в нашей стране. В данный момент оптимальные режимы работы печи для обжига известняка на производствах подбираются эмпирическим путем. Построение математических моделей химических реакторов - это новый, бурно развивающийся во всем мире, метод повышения эффективности производства. При наличии модели, адекватно описывающей поведение химического реактора, можно проводить компьютерные эксперименты, занимающие незначительное количество времени. Таким образом, основываясь на результатах большого числа численных экспериментов, можно подобрать оптимальные параметры сырья, а так же режимы подачи энергии.

Целью работы является построение математической модели процесса обжига известняка в коксовой печи; исследование зависимости распределений термохимических и гидродинамических параметров внутри печи от начальных параметров сырья и топлива (массовые расходы, размеры, влажность); анализ полученных результатов, установление закономерностей, поиск вариантов, обеспечивающих полное разложение известняка при как можно меньшем расходе топлива.

Научная новизна состоит в том, что работа таких реакторов в литературе описана лишь на качественном уровне. В данной же работе хщ составлена математическая модель, основанная на системе дифференциальных уравнений, описывающих основные законы сохранения массы и энергии, а так же кинетику химических превращений. Выяснены некоторые зависимости параметров выходящего продукта от параметров сырья и топлива. Оценены «критические» значения некоторых величин, обеспечивающие работу печи, в частности минимальное отношение массовых расходов топлива и сырья. Предложена схема реакции окисления, описывающая внутрипоровое горение.

Установлено, что:

- увеличение высоты печи позволяет снизить расход кокса за счет более полной утилизации энергии выходящих из печи газов и негашеной извести;

- причем существует максимальная эффективная высота печи, дальнейшее увеличение от которой приводит к появлению бесполезного с точки зрения утилизации тепла и полноты разложения известняка участка в нижней ее части;

- небольшой рост массового расхода, закачиваемого в печь воздуха так же позволяет снизить расход кокса. Это связано с увеличением интенсивности теплообмена, приводящей в свою очередь к более полной утилизации тепла;

- большой разброс размеров частиц может привести к выходу некоторых из них за пределы благоприятного температурного режима обжига, выявлены размеры частиц известняка обеспечивающие полный обжиг при оптимальных условиях;

- сушка шихты происходит за счет более полной утилизации тепла выходящего из печи газа и не требует дополнительных энергозатрат.

Практическая ценность работы заключается в установлении закономерностей распределения термохимических и гидродинамических параметров внутри печи для обжига известняка, их зависимости от начальных параметров известняка кокса и воздуха, подаваемых в печь. Работа может служить теоретической основой для анализа работы, совершенствования конструкции и определения оптимальных параметров коксовой печи, режимов ее эксплуатации, а так же прогнозирования параметров образующейся негашеной извести и возможных осложнений в процессе эксплуатации.

Достоверность полученных результатов основана на использовании фундаментальных уравнений механики многофазных систем, с учетом специфики процесса обжига известняка, сопоставлении численных результатов со значениями параметров на входе и выходе реактора, полученных путем прямых измерений в действующих печах. Полученные в работе распределения основных параметров совпадают с их качественным описанием, приведенным в литературе.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы.

Заключение

Построена математическая модель процесса обжига известняка, позволяющая по условиям на входе и выходе определить термохимическую и гидродинамическую обстановку внутри печи. На основе проведения численных экспериментов и их анализе установлено следующее:

1. Существует 4 характерные зоны печи. В первой зоне (примерно 10 м в верхней части) происходит прогрев шихты за счет выходящих из печи газов. В конце ее температуры всех фаз примерно одинаковы и составляют 1000 К. Эта температура необходима для начала активных химических реакций. В зоне разложения, которая составляет 3-4 м, происходит образование негашеной извести, причем ее интенсивность тем выше, чем больше температура. Начало зоны горения совпадает с началом зоны разложения, а ее протяженность примерно на 1 метр больше. Догорание кокса внизу печи обеспечивает дополнительный прогрев газа. В нижней зоне происходит прогрев закачиваемого в печь воздуха.

2. Имеет место сильное (почти пятикратное) возрастание линейной скорости газа. Это обстоятельство, во-первых, связано с обильным газовыделением за счет разложения известняка, а во-вторых, снижением его плотности из-за больших перепадов температуры по высоте печи. Такое многократное повышение скорости в свою очередь приводит к интенсификации межфазного тепломассообмена и реакции горения.

3. Для каждого режима функционирования печи существует максимальная эффективная ее высота. Уменьшение этой высоты приводит к росту температуры газа на выходе из печи и как следствие затрат кокса, необходимого для полного разложения известняка. А при ее увеличении появляется «бесполезный» участок, где не происходят ни изменение температуры, ни химические превращения.

4. При снижении температур поступающих в печь шихты и воздуха на 50 К, соответствующее сезонному изменению температуры, расход кокса увеличивается примерно на четыре-пять процентов. При этом увеличивается и длина зоны прогрева шихты примерно на метр.

5. Возможная влажность шихты не приводит к увеличению расхода кокса. Высушивание влаги, составляющей не более двух-трех процентов от массы шихты, может происходить за счет более полной утилизации тепла газа, проявляющейся в снижении его температуры на выходе из печи.

6. Наиболее эффективным является использование известняка, имеющего небольшой разброс своих размеров. Связано это с тем, что большая дисперсность приводит к сильному различию температур между разными частицами (более мелкие прогреваются быстрее). В этом случае может быть, что часть известняка не разложится или разложится при температуре, превышающей допустимые нормы.

7. Для минимального расхода кокса, воздух необходимо закачивать в количестве, превышающем минимально необходимое для полного выгорания, не более чем на 10%. Увеличение массового расхода газа приводит к повышению его скорости, и как следствие, интенсивности теплообмена. Таким образом, происходит более полная утилизация тепла в печи.

8. Учет продольной теплопроводности приводит к сглаживанию температурных пиков в зоне горения и разложения. Внутрипоровое горения кокса из-за существенного увеличения поверхности контакта между окислителем и коксом, способствует усилению кинетического механизма реакции окисления при более низких температурах. Это обстоятельство позволяет более адекватно описать температурный режим в действующих печах.

1. Агроскин А.А. Теплофизика твердого топлива. М.: Недра, 1980. 256 с.

2. Асланян Г.С., Директор Л.Б. Численное исследование процессов тепло- и массообмена горящей угольной частицы //Теплофизика высоких температур. 1991. Т. 20, № 3. 570-576.

3. Барсамян Г.Б., Назарян А.О., Смирнов Б.М. Кинетика выделения и горения летучих веществ разных типов углей //Химия горения твердого топлива. 1992. № 4. с. 102-107.

4. Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. 2-е изд. - М.: Наука, 1972. - 341 с.

5. Волков Э.П., Гусев И.Н., Зайчик Л.И. Математическое моделирование топочных процессов в камерных пылеугольных топках энергетических котлов //Изв. РАН-Энергетика. 1992. Т. 38, №2. 92-103.

6. Волков Э.П., Зайчик Л. И., Першуков В. А. - Моделирование горения твердого топлива. М.: Наука, 1994. - 319 с.

7. Глинков М. А. Основы общей теории печей - М.: Металлургиздат, 1962. - 575 с.

8. Глинков М. А., Глинков Г. М. Общая теория тепловой работы печей. М.:Металлургия, 1990, 230 с.

9. Головина Е.С. Высокотемпературное горение и газификация углерода. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 176 с.

10. Зайцев И. Д., Ткач ГА., Строев Н. Д. Производство соды. - М.: Химия -1986

11. Зеленкин М.Б. и др. Производство кальцинированной соды. - М.: Госхимиздат, 1959.

12. Канторович Б. В. Основы теории горения и газификации твердого топлива. - М.: АНСССР, 1958. - с. 598.

13. Китаев Б. И. Теплообмен в шахтных печах. - М.: Металлургиздат, 1949. - 152 с.

14. Китаев Б.И., Тимофеев В.Н., Боковиков Б.П. и др. Теплообмен в плотном слое. - М.: Металлургия, 1972. - 431 с.

15. Ключников А. Д. и др. Теплообмен и тепловые режимы в промышленных печах. - М.: Энергоатомиздат. 1990. - 242 с.

16. Колесанов Ф. Ф. Движение газов через слой кусковых материапов. - М.: Металлургиздат. 1956. - 88 с.

17. Компаниец, В.З., Овсянников А.А., Полак Л.С. Химические реакции в турбулентных потоках газа и плазмы. - М.: Наука, 1979.-242 с.

18. Кутателадзе С, Волчков Э.П., Терехов В.И. - Аэродинамика и тепломассообмен в ограниченных вихревых потоках. Новосибирск: ИТФ СО АН СССР, 1987. - 282 с.

19. Ландау Л.Д., Лифшиц Н.М. Гидродинамика. М.: Наука. -1986. - 733с.

20. Ландау Л.Д.. Лифшиц Е.М. Механика сплошных сред. - М.:Гостехиздат, 1953.

21. Лебедев П. Д. Теплообменные, сушильные и холодильные установки. Учебник для студентов тех. вузов. - М.: Энергия 1972.-257 с.

22. Лыков А. В, Михайлов Ю. А. Теория тепло и массопереноса. - М., 1959.-364 с.

23. Лыков А. В. Теория сушки. - М.: Энергия 1968. - 467 с.

24. Любан А. П., Манчинский В. Г. Изменение температуры карбонатов при их нагреве в потоке газов. ЖПХ, 1952, т. 25, № 8. 807—817.

25. Манъковский О. Н. и др. Теплообменная аппаратура химических производств. - Л.: Химия 1976, - 134 с.

26. Мишар Ж. Тепловые балансы и теплообмен в доменных печах. - М.: Металлургиздат, 1963. - 151 с.

27. Монастырев А.В. Производство извести. - М.: Высшая школа, 1971.

28. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред ч.2. - М.: Наука, 1987.-360с.

29. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред ч.1. - М.: Наука. 1987,-464с.

30. Нигматулин Р.И. Основы механики гетерогенных сред. - М.: Наука, 1978,-336с.

31. Оран Э., Борис Дою. Численное моделирование реагирующих потоков. - М.: Мир, 1990. - 660 с.

32. Оренбах М.С. Реакционная поверхность при гетерогенном горении. - Новосибирск: Наука, 1973. - 200 с.

33. Пасконов В.М., Полежаев В.И, Чудов Л А. Численное моделирование процессов тепло- и массообмена. - М.: Наука, 1984.-288 с.

34. Патанкар Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 150 с.

35. Попов К.Г. Исследование шахтных известково-обжигательных печей. - М: «Химия», 1964.

36. Предводителев А. С, Хитрин Л. Н. и др. - Горение углерода. М.:АНСССР, 1949.-408 с.

37. Равдель Л.А., Пономарева А.Н. - Краткий справочник физико- химических величин. - Л.:Химия, 1983. - 232с.

38. Рашковская Н. Б. Сушка в химической промышленности. - Л.:Химия 1977. - 364 с.

39. Резняков А.Б., Устыменко Б.П., Выщенскии В.В., Курмангалиее М.Р. Теплотехнические основы циклонных топочных процессов: -М:Наука, 1974.-374 с.

40. Табунщиков Н. П. Исследование шахтных известково-обжи- гательных печей. - М.: Химия. - 1964

41. Табунщиков Н. П. Производство извести. - М.: Химия, 1974. - 238 с.

42. Телегин А.С, Швыдкий B.C., Ярошенко Ю.Г. Термодинамика и тепломассоперенос. - М.: Металлургия, 1980. - 264 с.

43. Теплотехника под редакцией Л. П. Баскова. - М., Энергоиздат 1982. - 238 с.

44. Ткач Г.А., Шапорев В. П., Титов В. М. Производство соды по малоотходной технологии. - Харьков: ХГПУ, 1998

45. Туркдоган Е.Т. Физическая химия высокотемпературных процессов. - М.:Металлургия, 1985. - 344 с.

46. Франк-Каменецкий Л. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. - М.: Наука, 1967.

47. ХитринЛ. Н. Физика горения и взрыва. - М: МГУ, 1957. - 442 с.

48. Чечеткин А. В., Занемонец Н. А. Теплотехника. - М., Высшая школа, 1986. - 345 с.

49. Шаврин СВ. Математическое моделирование и оптимизация параметров доменного процесса.// Вестник АН СССР, 1971, № 11,0.45-51,

50. Щукин В.К., Халатов АА. Теплообмен, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осесимметричных каналах. -М.: Машиностроение, 1982. - 200 с.

51. Badzioch S., Hawksley P.B.W. Kinetics of thermal decomposition of pulverized coal particles //Industr. Eng. Chem. Process. Design Develop. 1970. Vol. 9, № 4. P. 521-532. I l l

52. Brewster M.Q., Tien CL. Radiative transfer in packed fluidized beds: dependent versus independent scattering //J. Heat Transfer. 1982. Vol. 104, № 4 . P. 573-579.

53. De Marco A.G., Lockwood F.C A new flux model for the calculation of radiation in furnaces //Riv. combust. 1975. Vol. 29. N 5/6. P. 184-196.

54. Khalil E.E., Truelove J.S. Calculation of radiative heat transfer in a large gas fired furnace //Lett. Heat and Mass Transfer. 1977. Vol. 4. P.353-365

55. Kitaev B.L, Yaroshenko Yu. G. and Suchkov V. D. Heat Exchange in Shaft Furnaces. Oxford, Pergamon Press, 1967, 302 p.

56. Launder B.E., Spalding D.B. The numerical computation of turbulent flows //ComputMeth. Appl. Mech. Eng. 1974. Vol. 3, N 1. P. 269-289.

57. Lun C.K.K., Savage S.B., Jeffrey D.J., Chepumiy N. Kinetic theories for granular flow: Inelastic particles in Couette flow and slightly inelastic particles in a general flow field // J. Fluid Mech. 1984. Vol.

59. Patankar S.V., Spalding D.B. A calculation procedure for heat, mass and momentum transfer in free dimensional parabolic flows //Intern. J. Heat and Mass Transfer. 1972. Vol. 15. P. 1787-1806.

60. Robinson G.F. A three-dimensional analytical model of a large tangentially-fired furnace //J. Inst. Energy. 1985. Vol. 58. P.I 16-150.

61. Viskanta R., Menguc M.P. Radiation heat transfer in combustion systems //Progr. Eneigy Combust. Sci. 1987. Vol. 13. P. 97-160.

62. Wendt J.O.L. Fundamental coal combustion mechanisms and pollutant formation in furnaces //Progr. Energy Combust. Sci. 1980. Vol. 6, №2 . P. 201-222.