Алгоритмы проектных расчетов пирометаллургического оборудования

⇐ ПредыдущаяСтр 11 из 17Следующая ⇒

Характерной особенностью пирометаллургического оборудования является сжигание топлива и использование выделяющегося при этом тепла для обеспечения протекания пяти основных видов процессов в рабочем пространстве печей: технологического, энергетического, аэромеханического, механического и теплообменного. В промышленных печах все пять указанных процессов протекают в тесной взаимосвязи и развитие и интенсивность одного процесса определяют развитие и интенсивность других процессов. Рассмотрим роль, протекание и взаимосвязь основных процессов на примерах отражательной плавильной и шахтной печей [2].

На поперечном разрезе отражательной плавильной печи (рис. 2) показано место протекания основных процессов. Углеродистое топливо, вдуваемое в рабочее пространство печи, сгорает в нем, в результате чего образуется большое количество нагретых до высокой температуры газов (энергетический процесс). Образовавшиеся от горения топлива газы двигаются в рабочем пространстве печи (аэромеханический процесс) и при движении отдают часть имеющегося у них тепла поверхности шихты, ванны и огнеупорной кладки (теплообменный процесс). В результате получения тепла шихта плавится, и в ней совершаются необходимые физико-химические превращения, дающие конечные продукты плавки – штейн и шлак (технологический процесс). Наконец, под влиянием силы тяжести и в процессе плавления происходит движение расплава, стекающего по откосам шихты в ванну, а в ванне движутся капельки штейна и шлака, что приводит к расслаиванию на два слоя (механический процесс).

Рис.4.4.1. – Схема плавки в отражательной печи

Из рассмотрения поперечного разреза шахтной печи (рис. 3), на котором показано распределение основных рабочих процессов, видно, что эти процессы не имеют такого четкого разделения по зонам, как в отражательной печи, а протекают в очень тесном переплетении, по существу почти в одной зоне. Процесс плавления и преобразования шихты в шахтной печи также зависит от количества тепла, получаемого от процесса горения топлива. Процесс же горения зависит от количества воздуха, вдуваемого в печь в единицу времени, и от его распределения в печи, т. е. от механики газовых потоков.

Рис. 4.4.2. – Схема плавки в шахтной печи

Рассмотренные примеры позволяют сделать вывод, что проектные расчеты должны учитывать не отдельные процессы, протекающие в печах, а все пять указанных процессов в их взаимной связи.

Установим основные количественные связи для перечисленных выше важнейших процессов, протекающих в рабочем пространстве металлургических печей. Для этого представим металлургическую печь в элементарном виде с помощью обобщенной схемы (рис. 4) [2]. В рабочем пространстве печи V располагаются твердые и жидкие материалы и продукты, занимающие долю печного объема Vм. В рабочее пространство печи поступают воздух, материалы и энергия и выходят из него газы, продукты и энергия (тепло, уносимое с газами, потери тепла во внешнюю среду и др.). напишем применительно к этой схеме упрощенные уравнения, характеризующие количественное развитие основных печных процессов.

Рис.4.4.3. – Обобщенная схема металлургической печи

Технологический процесс заключается в физико-химических превращениях исходных материалов в конечные продукты требуемого состава. Количественное протекание технологического процесса определяется скоростью химических и диффузионных преобразований и взаимодействий материалов и продуктов и может быть описано уравнением

где А – производительность печи, т/сут; Vм – объем рабочего пространства, занятый материалами и продуктами технологического процесса, м3; φ – коэффициент перемешивания или контактирования материалов, определяемый развитием процесса массообмена; CΣ max – суммарная максимальная скорость физико-химических превращений материалов в печи при идеальных условиях их взаимного контактирования (т. е. при φ = 1), т/(м3× ч); τ – рабочее время печи, ч/сут.

Энергетический процесс служит для подачи в рабочее пространство печи (или удаления из него) определенного количества тепловой энергии, недостающего или выделяющегося при технологических превращениях. Он также компенсирует тепловые потери печи, что выражается в первую очередь уравнением теплового баланса, написанным для одного часа работы печи:

где qм – количество тепловой энергии, необходимое для превращения исходных материалов (шихты) в конечные продукты, или так называемое теплопотребление материалов, ккал/т; Σ Qпот – потери тепла печью с газами и охлаждающими теплоносителями во внешнюю среду, ккал/т; E – удельное количество тепла или энергии, выделяемое в рабочем пространстве печи или уносимое из него, отнесенное на единицу расхода топлива, электроэнергии или теплоносителя, ккал/единица измерения расхода топлива или теплоносителя; x – расход топлива, электроэнергии или теплоносителя, единица измерения/ч.

Однако энергетический процесс, кроме уравнения теплового баланса (9), определяется еще возможностями развития его в объеме рабочего пространства печи V. Эти возможности зависят от многих условий и, в частности, от суммарной скорости или интенсивности сжигания топлива и от условий преобразования электрической энергии в тепловую. Тогда энергетический процесс в рабочем пространстве печей должен определяться уравнением

где k – коэффициент, определяющий долю объема рабочего пространства печи, в которой протекает энергетический процесс; qэ – объемная плотность теплового потока (тепловое или энергетическое напряжение) в рабочем пространстве печи, ккал/(м3× ч).

Теплообменный процесс состоит в подводе или отводе определенного количества тепловой энергии к материалам, претерпевающим физико-химические превращения, при которых изменяется энергетический уровень системы. Теплоотдача может быть направлена к материалу или от него, но во всех случаях она может быть описана уравнением

где α Σ – коэффициент суммарной теплоотдачи от печи к материалу или наоборот, ккал/(м2× ч× град); tп – средняя температура элементов печи, отдающих или воспринимающих тепло, °С; tм – средняя температура поверхности материала, воспринимающей или отдающей тепло, °С; Fм – поверхность материала, которая участвует в теплообмене, м2

Движение газов в печах имеет чрезвычайно важное значение, потому что объем газов весьма велик и во много раз превосходит объем твердых и жидких материалов. Поэтому многие размеры печей следует определять прежде всего из условия нормального движения газов. Основное уравнение, связывающее движение газов с размерами печей, получается на основании материального баланса печи (или отдельной ее зоны) по объемам образующихся и движущихся газов за один час:

где V1 – удельный объем газов, выделяющихся из шихты, приведенный к нормальным условиям (0 °С и 760 мм рт. ст.), м3/т; V2 – удельный объем газов, выделяющихся от энергетического процесса, приведенный к нормальным условиям, м3/т; V3 – подсос воздуха в печь, приведенный к нормальным условиям, м3/ч; β = 1/273 – коэффициент объемного расширения газов, 1/°С; Fг – полное газовое сечение печи (зоны), м2; ω tр – действительная средняя скорость газов в печи (зоне), отнесенная к полному ее газовому сечению, м/с.

Движение твердых и жидких материалов и продуктов в значительной степени уже было учтено в уравнениях (8) – (12) в виде отдельных величин: φ – коэффициента перемешивания материалов; α Σ – коэффициента теплоотдачи; Fм – поверхности материала, участвующей в теплообмене; ω tр – скорости газов, зависящей от движения материалов и др. В ряде случаев движение материалов и продуктов имеет и самостоятельное значение, влияющее на основные размеры печей, в соответствии с уравнением

где Fт.ж – сечение печи, через которое движутся твердые или жидкие материалы, м2; ω м – линейная скорость движения материалов или продуктов в печи, м/ч.

Приведенная система уравнений (8–13), связывающая количественные характеристики основных печных процессов с размерами металлургических печей, применима к любому типу печей. При проектных расчетах печей используются как эти теоретические положения, так и эмпирические зависимости, учитывающую специфику конкретных конструкций, не поддающуюся теоретическому описанию.

Печи для обжига в кипящем слое сульфидных материалов. В расчете этих печей определяют следующие наиболее важные их характеристики.

Потребность в тепле от сгорания топлива Qт, ккал/кг, находят по приблизительной формуле, выведенной из обобщенного уравнения теплового баланса обжиговых и плавильных печей, перерабатывающих сульфидные материалы

где tг – температура выходящих из печи газов, º С; S – количество выгорающей серы, % от исходного содержания; SO2 – содержание сернистого ангидрида в отходящих газах, %; g – количество тепла, выделяемого при обжиге или плавке материала, отнесенное к 1 кг× % выгорающей серы, ккал/( кг× % S).

Определенная по формуле (14) величина Qт носит приблизительный характер и может служить только для ориентировочного расчета печи. В последующем ходе расчета окончательное значение Qт определяют по тепловому балансу печи.

Оптимальное количество дутья K0, м3/(м2× мин), определяют по формуле K0 = (1, 1–1, 3)K, где K – предельное количество дутья, при котором неподвижный фильтрующий газы слой материала переходит в нестабильное состояние. Эту величину рассчитывают по формуле, выведенной из сопоставления массы кусков материала и динамического давления струек газов, пронизывающих слой:

где ω – площадь свободных проходов между кусками материала, в долях от общей площади сечения слоя; ω = 0, 15–0, 22 (для сульфидов ω = 0, 15; для частиц шарообразной формы, например, окатышей, ω = 0, 215); φ – количество газов, образующихся в печи на единицу дутья, м3/м3; ρ – кажущаяся плотность материала, кг/м3; ρ 0г – приведенная плотность газов в печи, кг/м3; tсрг – средняя температура газов в слое, °С; lср – средний размер кусков материала, м.

Величину lср для расчетов по формуле (15) рекомендуется определять по эмпирическим формулам, учитывающим влияние мелких фракций на уменьшение величины ω.

Для смесей, в которых lмел£ 0, 415lкр (lкр – размер крупных кусков, м; lмел – размер мелких кусков, м), средний размер куска смеси lср, м, при объемном содержании мелких кусков будет: 10–20 % – lср = 0, 5lкр + 0, 5lмел; 20–30 % – lср = 0, 3lкр + 0, 7lмел; 30–50 % – lср = 0, 1lкр + 0, 9lмел; 50–70 % – lср = 0, 05lкр + 0, 95lмел.

Для смесей, в которых lмел> 0, 415lкр, при объемном содержании мелких кусков 10–90 % lср = 0, 9[blмел + (1 – b)lкр], где b – объемное содержание мелких кусков в смеси, доли единицы.

Удельная производительность печи a, т/(м2× сут) определяется из уравнения баланса и движения газов по формуле: a = K0’τ /Vуд, где K0’ = 60K0 – оптимальное количество дутья, м3/(м2× ч); τ – время работы печи в течение суток, ч; эта величина обычно составляет 0, 93–0, 97 от календарного времени; Vуд – удельный расход воздуха на 1 т обжигаемого материала, м3/т.

Минимальное время пребывания материала в печи, обеспечивающее завершение процессов окисления, τ пр, ч, рассчитывают по формуле, основанной на линейной скорости распространения процесса обжигав глубину слоя или куска материала ω, м/ч: τ пр = (4–5)lкр/ω.

Коэффициент (4–5) в приведенной формуле учитывает возможную неравномерность промышленного процесса обжига, укрупнение кусков концентрата в результате его слеживания и окатывания в транспортных устройствах, а также некоторый резерв, а также некоторый резерв, создающий гарантию полного обжига всей массы перерабатываемого материала.

Значение ω, м/ч, для сульфидных материалов по экспериментальным данным составляет: для медного концентрата 0, 005–0, 010; цинкового концентрата 0, 004–0, 007; серного колчедана 0, 004–008; никелевого концентрата 0, 001–0, 003.

Площадь пода печи F, м2, находят по формуле F = A/a, где A – производительность печи по перерабатываемому материалу, т/сут.

Минимальный объем кипящего слоя Vк, м3, определяют по формуле, выведенной из условия обеспечения минимального времени пребывания обжигаемого материала в кипящем слое: Vк = Aτ пр/(ρ τ ), где ρ – объемная масса материала в печи с учетом нахождения его в виде аэросмеси, т/м3; для печей кипящего слоя величину ρ можно определить, уменьшив объемную массу твердого материала примерно в 4 раза (содержание газов в аэросмеси 75 %).

Толщину кипящего слоя Hк, м, находят по формуле Hк = (5–9)Vк/F. Коэффициент (5–9) учитывает необходимое увеличение толщины кипящего слоя из условий обеспечения устойчивого теплового его состояния. Если этот коэффициент не вводить, то полученная по формуле толщина слоя будет достаточна для завершения окислительного процесса и получения необходимого состава огарка, но работа печи будет неустойчива в тепловом отношении.

Общую высоту печи Hп, м, вычисляют по формуле, учитывающей необходимость значительного свободного объема газового пространства над уровнем кипящего слоя для снижения уноса пыли и полного завершения процесса обжига: Hп = (4–7)Hк. Чем мельче материал, обрабатываемый в печи, и больше величина K0, тем большее значение коэффициента рекомендуется применять в данной формуле.

Гидравлическое сопротивление кипящего слоя Δ p, мм вод. ст., рассчитывают по формуле Δ p = Hк(γ тв – γ г)(1 – δ ), где γ тв – удельный вес твердого материала, кг/м3; γ г – удельный вес газов в печи, кг/м3; δ = 0, 65–0, 85 – объем газов в слое по отношению к общему объему слоя, доли единицы.

Давление воздуха на выходе из воздуходувки, р, мм вод. ст., составляет p = (1, 3 – 1, 5)(Δ p + Δ pп), где Δ pп = 50–100 мм вод. ст; (1, 3–1, 5) – коэффициент запаса, учитывающий также сопротивление воздухоподводящей системы.

Производительность воздуходувки выбирают по расходу воздуха на печь и числу работающих печей.

Расчет дутьевых сопел включает в себя определение скорости истечения воздуха из сопла и необходимого числа сопел. При этом общую площадь сечения выходных отверстий дутьевых сопел, расположенных в подине печи кипящего слоя, рассчитывают по законам истечения газов при низком давлении.

Скорость истечения воздуха из сопла составляет, м/c

где φ – коэффициент расхода; для цилиндрических отверстий с острыми кромками φ = 0, 8; p1 – давление воздуха в сопле, Па; p2 – давление воздуха в нижней части кипящего слоя, Па; ρ – плотность воздуха, Н/м3.

Необходимое для печи число сопел равно n = 1, 2V/(ω f), где V – расход воздуха на печь, м3/с; f – площадь выходных отверстий одного сопла, м2; 1, 2 – коэффициент запаса.

Вращающиеся барабанные печи глиноземного производства. Теория работы печей для обжига в перегреваемом слое показывает, что производительность и размеры вращающихся барабанных печей в основном зависят от важнейших процессов, протекающих в этих печах: физико-химических процессов обжига, движения газов, движения материалов, процесса теплообмена. В соответствии с этим вращающиеся барабанные печи следует рассчитывать как обжиговые аппараты, как транспортные устройства, обеспечивающие определенные показатели движения газов и материалов, и как теплообменные устройства, обеспечивающие передачу к материалу необходимого количества тепла. При расчете размеров печей спекания или кальцинации определяют следующие величины.

Расход углеродистого топлива предварительно принимают по данным заводской практики для действующих вращающихся печей глиноземного производства.

Диаметр печи D, м, определяют по действительной скорости движения газов в печи ω t, м/с, и действительному количеству газов Vt, м3/с, по формуле D = 1, 13(Vt/ω t)1/2.

Значение ω t для большинства барабанных печей лежит в пределах 3–8 м/с. При обжиге сухих и тонкоизмельченных материалов рекомендуется принимать меньшее значение ω t, в остальных случаях скорость газов можно принимать равной 7–8 м/с.

Величина Vt должна учитывать полное количество газов, образующихся в печи из шихты и от горения топлива. Ее определяют на основании расчета технологического процесса обжига и процесса горения топлива по принятому его расходу.

Теплопотребление материала q, Мкал/т, находят по формуле, полученной из баланса тепла на все физико-химические превращения, происходящие в печи: q = Σ 3q + Σ 4q – (Σ 1q + Σ 2q), где Σ 1q – теплосодержание исходных материалов, Мкал; Σ 2q – тепло экзотермических реакций, Мкал; Σ 3q – теплосодержание продуктов переработки, Мкал; Σ 4q – тепло экзотермических реакций, Мкал.

В расчете барабанных печей определяют теплопотребление для каждой рабочей зоны отдельно, а также общую величину для всей печи. Сумма теплопотребления материала по зонам должна равняться общему теплопотреблению материала по всему процессу обжига.

Коэффициент заполнения печи материалом по зонам φ определяют из формулы производительности вращающейся барабанной печи как транспортной трубы: M = φ ρ ω мπ D2/4, где M – производительность печи, кг/ч; ρ – насыпная масса материала в печи, кг/м3; ω м – средняя по слою скорость поступательного движения материала, м/ч.

Так как величины M, ρ, ω м и D заданы или определяются расчетом, из последней формулы находят величину φ для каждой рабочей зоны. По рассчитанной величине φ и известному диаметру печи D по геометрическим формулам и таблицам определяют длину хорды lх, м, и длину дуги lд, м, для сегмента материала в рабочем сечении печи.

Длина зоны сушки Lc, м, определяется в том случае, когда материал поступает в печь со значительным содержанием влаги, и возникает необходимость в специальной зоне сушки, длина которой не может быть рассчитана из условий теплообмена. Ее определяют по эмпирической формуле, учитывающей общее количество удаляемой из материала влаги в этой зоне печи и допустимое напряжение рабочего пространства печи по испаряемой влаге

где ω исх и ω подс – содержание влаги в исходном и подсушенном материале, доли единицы от твердого материала; Δ ω – допустимое напряжение рабочего пространства сушильной зоны печи по количеству удаляемой влаги, кг/(м3× ч). Значение Δ ω можно принимать по опытным данным для барабанных сушилок, работающих на кусковых материалах, равным 50–150 кг/(м3× ч).

Длина зон подогрева, кальцинации и спекания Lп, Lк, Lсп, м, определяется по условиям теплообмена по формуле

где q – теплопотребление материала в зоне сушки, ккал/кг; qлуч и qконв – поверхностная плотность теплового потока от излучения и конвекции по отношению к открытой поверхности материала в зоне, ккал/(м2× ч). Эти величины находят расчетом теплообмена в рабочем пространстве данной зоны; q¢ луч – поверхностная плотность теплового потока от излучения на закрытую поверхность материала в зоне, ккал/(м2× ч).

Для расчета теплообмена по зонам необходимо знать состав газовой фазы в каждой зоне, который должен быть предварительно определен по данным расчета технологии и горения топлива.

Расчеты отдельных зон, кроме теплообменного процесса, должны обеспечивать определенное, минимально необходимое время пребывания материала в зоне, с тем, чтобы было обеспечено завершение всех необходимых физико-химических превращений.

Для проверки длины зон по времени пребывания применяют формулу L = ω мτ пр, м, где ω м – линейная скорость движения материала в печи, м/ч; τ пр – минимально необходимое время пребывания материала в зоне, ч. Эту величину для отдельных зон принимают по экспериментальным данным.

Если размеры зон, определенные по времени пребывания, будут примерно совпадать с размерами зон, определенными из условий теплообмена, или будут меньше их, то расчет размеров печи может считаться законченным. Если размеры зон, определенные по времени пребывания материала, получатся больше, чем размеры зон, определенные по теплообмену, то следует принять за окончательные большие размеры или произвести перерасчет печи с целью сближения размеров. В частности, увеличение времени пребывания материала в зоне без изменения ее длины может быть достигнуто местным увеличением диаметра данной зоны или уменьшением угла наклона или числа оборотов для всей печи.

Окончательная потребность в тепле от сгорания топлива определяется по развернутому тепловому балансу печи с учетом окончательных ее размеров. В случае, если определенный по тепловому балансу расход топлива будет существенно отличаться от принятого ранее по практическим данным, необходимо по новому расходу топлива пересчитать размеры печи.

Разработаны аналогичные укрупненные алгоритмы расчета отражательных рудоплавильных, шахтных печей и конвертеров, основанные на комплексной теории печей и учете основных процессов в рабочем пространстве печи в их взаимосвязи [2].

В качестве отдельного класса пирометаллургического оборудования можно рассматривать нагревательные и термические печи. Определяющими в печных агрегатах этого типа оказываются тепловые процессы, поэтому основой математических моделей является тепловой расчет. Гидравлические расчеты и расчеты сгорания топлива рассматриваются как вспомогательные и выполняются независимо от теплового расчета.

Типовые алгоритмы проектных расчетов включают в себя расчеты теплообмена излучением и конвекцией, расчеты нагрева и охлаждения теплотехнически тонких и массивных тел. В расчетных методиках учтена специфика тепловой работы рекуперативных теплообменников, печей непрерывного действия, камерных печей и другого оборудования.

Обычно конструктору нагревательной или термической печи технологически заданы размеры и свойства обрабатываемых изделий, а также температурные (температуры поверхности, перепады температур по сечению) и температурно-временные (скорости нагрева и охлаждения, продолжительность выдержки) параметры его тепловой обработки. Задачей конструктора является выбор таких условий внешнего теплообмена, которые обеспечивают достижение заданных параметров обрабатываемых изделий оптимальным образом.

Наиболее массовые гидравлические расчеты при проектировании – это гидравлические расчеты трасс газообразных (продукты сгорания, горючий газ, воздух) или жидких (вода, жидкое топливо) сред. В результате гидравлического расчета трассы заданных размеров при известном количестве и параметрах протекающей среды определяют характеристики тягодутьевых устройств (высоту дымовой трубы, давление или разрежение, создаваемое насосом, вентилятором, дымососом и пр.). В случае, если требуется определить параметры трассы или ее пропускную способность при заданных характеристиках тягодутьевых устройств, это делают с помощью вариантных расчетов.

Сгорание газообразного топлива рассчитывают: а) для получения характеристик сгорания топлива в данном конкретном случае; б) для составления обобщенных графиков или таблиц характеристик сгорания топлива многоразового использования.

В первом случае для данного состава топлива, коэффициента расхода окислителя и температур подогрева компонентов сгорания получают следующие величины: расход окислителя, калориметрическую температуру сгорания, количество, состав и энтальпию продуктов сгорания и т.д.

Во втором случае для данного состава топлива получают значения этих величин в широком диапазоне коэффициентов расхода окислителя и температур подогрева компонентов сгорания.

Рассматривают обычно три случая расчета сгорания топлива: а) полного в необогащенном кислородом воздухе; б) неполного в необогащенном кислородом воздухе; в) полного в обогащенном кислородом воздухе.

Таким образом, проектные расчеты пирометаллургического оборудования имеют в своей основе определение количества тепла, необходимого для протекания технологических процессов, и условия оптимального протекания термодинамических процессов, обеспечиваемые конструктивно-технологическими методами.

⇐ Предыдущая 6 7 8 9 101112 13 14 15 Следующая ⇒