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

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 c_g(i), c_d(i) и c_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; M_i – молярная масса i-го компонента, кг/моль; R_g(j), R_d(j) и R_s(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 = x_in):

; ; .

(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 l – теплопроводность газа, Вт/(м∙К); с_pg – теплоемкость газа при постоянном давлении, Дж/(кг∙К); с_s и с_d – теплоемкость твердой фазы в материале и в пыли, Дж/(кг∙К); Q_g.res, Q_d.res и _s.res – результирующий тепловой поток соответственно для газа, пыли и материала Вт/м³; DH_g(j) и DH_s(j) – тепловой эффект соответственно j-ой газовой реакции и j-ой реакции в твердой фазе, Дж/моль; DH_sg(i) и DH_dg(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 = x_in):

; ; .

(10)

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