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

; ; .

(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 R_j – реакционный поток в результате j-ой реакции, моль/(м³×с); k_forw и k_back – константа скорости соответственно прямой и обратной реакций; с_forw и с_back – 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 180-200^oC, 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 300-350^оС до 180-200^оС 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.