Многофазная модель процесса обжига известняка в коксовой печи тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат физико-математических наук Буркин, Максим Васильевич

• Буркин, Максим Васильевич
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Буркин, Максим Васильевич

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Многофазная модель процесса обжига известняка в коксовой печи»

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 диссертации по теме «Механика жидкости, газа и плазмы», Буркин, Максим Васильевич

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Буркин, Максим Васильевич, 2005 год

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.