ENG

ДонНТУ| Портал магистров ДонНТУ

Пономарева Наталья Ильинична Тема выпускной работы: Производство и применение железофлюсов для повышения эколого-экономических показателей кислородно-конвертерного производства стали

Главная страница | Автореферат | Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | Индивидуальное задание

Электронная библиотека

Y.M. Gordon. New technolodgy and shaft furnace for high quality metallurgical lime production. p. 1-4.

Новая технология и шахтные печи для производства металлургической извести высокого качества

Реферат

Высококачественная известь - необходимый сырьевой материал для электро-дуговых печей и кислородных печей производства стали, производства алюминия и т.д. Уменьшение потребления топлива в металлургических печах является потрясающей возможностью для уменьшения распространения парникового газа в атмосферу.

Разработанная Hatch (Канада) и Уральским национальным техническим университетом (Рассия) новая дружеская технология по защите окружающей среды и конструкция шахтной печи для производства высококачественной металлургической извести является полезной идеей неполного потребления природного газа в специальных горелках извне печи с последующим полным потреблением топлива внутри слоя материала. Конструкция печи объединяет периферийный и центральный способ распределение газа, определенный двумя уровнями. Одна из трех шахтных печей Николаевского алюминиевого завода (Украина) была модернизирована согласно этому изобретению. По-новому приспособленная печь была назначена три года назад и управляется со следующими результатами: скорость производства была увеличена на 33 %, потребление топлива снизилось на 40 %, (CaO+MgO)_активн увеличилось на 9 %, предел досягаемости 93-94 %, добываемый продукт увеличился на 5-7 %. также распространение парниковых газов в атмосферу было снижено (г/нм³): NO_x - от 0.06-0.110 до 0.027-0.038, пыль - от 0.6-0.5 до 0.4-0.9, CO от 12.5-25 до 0.03-0.47, SO₂ - от 0.3-1.0 до 0 и распространение CO₂ было снижено на 25 %. Управление печью превосходит все конструкционные параметры. Николаевский алюминиевый завод закончил приспособление второй шахтной печи.

Введение

Термохимические процессы, встречающиеся в шахтных печах для тепловой обработки карбонатных материалов, имеют высоко интенсивную энергию и очень сложную. Они объединяют такие важные взаимозависимые процессы как потребление топлива, газа и движение материала, тепло- и массоперенос и физико-химическое преобразование обоженных материалов. температура в зоне кальцинации шахтной печи для производства высококачественной металлургической извести, ограничена в пределах 1200-1300°С (1). В это же время, напротяжении полного потребления топлива в слое материала, местная температура около 2000°С, которая может быть легко достигнута, результаты которой в падении качества извести (неживое образование извести) и в образовании термального NO_x. В особенности, это может встречаться на дне сегмента зоны кальцинации, где процессы кальцинации практически полные, в это время в обычных шахтных печах главная порция топлива поставляется на этот уровень (2,3).

Потребление топлива и кальцинация известняка являются главными процессами, которые определяют количество парниковых газов CO₂, NO_x, SO₂ и токсичного CO, распространяющегося из шахтной печи в атмосферу. Поэтому уменьшение скорости потребления топлива очень важное не только из экономической точки зрения, но также для защиты окружающей среды.

Улучшение единообразия распределения газа и воздуха внутри печи и их распределение среди различных уровней в дымовой трубе печи, позволяет минимизировать вероятность образования горячих пятен внутри слоя материала, устранить вероятности образования неактивной извести, увеличить производительность печи и эффективность использования топлива, уменьшить скорость потребления топлива, а также распространение парникового газа в атмосферу.

Поэтому, введение новых содружеских технологий по защите окружающей среды для производства высококачественной металлургической извести является крйне необходимыми мероприятиями.

Принципы теплопереноса в шахтной печи

Большинство шахтных печей для кальцинации известняка управляются при помощи встречных потоков обжигаемых материалов и сжигаемых газов. Эти печи, в принципе, идеальны для теплообменов. Печь состоит из трех технологических зон: предтепловая, кальцинации и охлаждения (от верха к низу). Диссоциация CaCO₃ происходит в зоне кальцинации в температурном диапазоне между 870°С и 1250°С. В зоне охлаждения полезное тепло извести полностью преобразуется в охложденный воздушный поток, который поступает в зону кальцинации с температурой около 700-800°С для реакции с топливом. Поэтому полезное тепло извести полностью возвращается в процесс. Полезное тепло газов, покидающих зону кальцинации, переходит к известняку в предтепловую зону. Температура известняка на дне предтепловой зоны доходит до температуры кальцинации. Отходящие газы от предтепловой зоны имеют температуру около 150-300°С. Невозможно использовать тепло отходящих газов наиболее полно, тепловая способность газов в предтепловой зоне больше, чем тепловая способность загруженного материала.

Встречные потоки оптимальны для предтепловой зоны и охлаждения. Процессы теплопереноса в этих зонах очень эффективны.

Диссоциация карбонатов происходит в зоне кальцинации. Эти эндотермические реакции начинаются при температуре около 900°С с сжатым давлением к атмосферному давлению. Скорость диссоциации увеличивается экспененциально как увеличивается температура. При 1200°С скорость диссоциации на 10 едениц времени выше, чем при 900°С. Однако, результаты изучения макрокинетики показали, что скорость диссоциации может быть ограничена скоростью диффузии тепла флюсов по направлению к реакционной сердцевине куска карбонатного материала.

С практической точки зрения, поддержание температуры кальцинации около 1150°С является предпочтительнее для ускорения теплопереноса внутрь куска материала и увеличения производительности печи. В это же время образование различных составных CaO с SiO₂, Al₂O₃, Fe₃O₄, MgO, S и т.д., которые представлены в известняке, футеровке печи при температуре около 1300°С. Также истинная плотность куска извести увеличивается при увеличении температуры. Все из этих снижений активности извести, превращают высококачественную известь в неактивную обженную известь.

Встречные потоки материала и газов - не самый эффективный метод теплопереноса для зоны кальцинации. Процесс кальцинации практически полный на дне сегмента зоны кальцинации. Первая реакционная полоса сосредоточена в сердцевине куска, закрытая к центру куска. В этом случае, тепловое сопротивление кальционированного куска ограничивается теплопереносом с поверхности куска в реакционную сердцевину. В это время подача топлива происходит на этом уровне зоны кальцинации. Температура газов формируется напротяжении полного горения топлива и может составлять 1800-2000°С. Температура поверхности материала может превышать 1500-1600°С. Коэффициент расхода воздуха повысится до 1.7-1.8 для поддрежания температуры продуктов полного сгорания топлива около 1300-1350°С.

Оксиды азота, NO_x, образуются напротяжении горения при помощи окисления азота, содержащегося в топливе (топливный NO_x) и при помощи окисления горения азота воздуха (термальный NO_x). Топливный NO_x, не строго зависит от температуры и определяется типом сгоревшего топлива. Термальный NO_x образуется при температуре около 1300⁰C и его концентрация строго зависит от температуры. Скорость реакции образования термального NO_x является экспоненциальной функцией температуры. Если температура ниже, около 1300°С, все NO_x практически представлены только как топливные NO_x.

Очень сложно единообразно смешивать топливо и вторичный воздух от зоны охлаждения напротяжении полного горения топлива. Сглаживание с высокими коэффициентами расхода воздуха является здесь огромной возможностью образования местного горячего пятна в слое материала на дне сегмента зоны кальцинации. Это всегда главная роль в образовании значительного количества NO_x и его концентрация в продуктах полного сгорания может легко превышать 350-450 мг/м³.

Единообразное распределение газа - другая проблема в шахтных печах. Модернизированные шахтные печи для кальцинации известняка имеют внутренний диаметр 7 м. Это практически невозможно для получения единообразной операции печи с пересекающимися секциями с комбинацией фурм распределения периферийного газа и воды, или распределения газа, охлажденного жидкостью, сжигаемых по месту на одном диаметре печи (1-4). Это побуждает к образованию высокотемпературных зон и повышению скорости потребления топлива. Объем отходящего газа CO₂ прямо пропорционален количеству топлива. Поэтому неединообразное распределение газа побуждает к увеличению распространения диоксида углерода в атмосферу.

Продукты полного сгорания поступают на верхний сегмент зоны кальцинации с температурой около 1050-1100°С. Первая полоса диссоциации куска материала сосредоточена закрыто к поверхности частицы в этой площади зоны кальцинации. Однако, скорость процесса диссоциации в этой зоне также ограничена маленьким различием между температурами газа и материала.

Газы покидают зону кальцинации с температурой около 950-1000°С. Объем этих газов (из-за значительного объема коэффициента расхода воздуха) высокий и теплотворная способность газового потока превышает тепловую потребность предтепловой зоны. Избыточный объем отходящего газа также увеличивает унос пыли из печи.

Встречный поток в зоне кальцинации более предпочтителен. Высокотемпературные газы изменяют свое тепло на относительный холод и температура непродиссоциированного материала около 900°С. Температура материала не превышает 1300°С, уравновешивается с температурой газа в рамках 1600-1700°С благодаря высокой потребности тепла для диссоциации. По мере прохождения материала к выходу печи температура газа уменьшается. Возможность перегрева материала на дне зоны кальцинации, в этом случае, практически устранена.

Принцип встречного потока в зоне кальцинации был использован для шахтных печей кальцинации известняка (5, 6). Однако, здесь несколько недостатков этих печей по отношению к конструкции, экономике и распространению парникового газа. Они таковы:

• Сравнительно высокие коэффициенты расхода воздуха (1.4-1.5).

• Высокая температура зоны горения напротяжении полного сгорания топлива в слое материала.

• Высокие требования для качества сырьевых материалов.

• Проблемы в управлении необходимыми горелками и соединяющим каналом для печи (5).

• Проблемы с распределением газа (6).

• Некоторые дизайнерские и конструкционные проблемы.

• Сложности в применении принципов этих печей для приспособления управлением шахтных печей и т.д.

1 - шахтная печь; 2 - газораспределительное устройство; 3 - высокотемпературный канал; 4 - открытия газораспределительного устройства; 5 - внешиние горелки; 6 - устройство центрального распределения воздуха; 7 - периферический поток воздуха (от разгрузочных окон); 8 - воздушный вентилятор; 9 - разгрузочные окна; 10 - периферические горелки; 11 - рециркулирующий газ; 12 - циклон; 13 - вентилятор, создающий разрежение

Рисунок 1 - Схемы шахтной печи

Это показывает, что здесь две главных проблемы в управлении шахтными печами. Первая проблема относится к оптимальным методам теплопереноса в зону кальцинации. Вторая проблема - единообразное распределение газа в рабочем объеме печи.

К преодолению этих проблем Hatch (Канада) и Уральский национальный технический университет (Россия) разработали и внедрили на Николаевском алюминиевом заводе (Украина) новую содружескую технологию по защите окружающей среды и конструкцию шахной печи (7, 8, 9) для производства высококачественной металлургической извести. Технология объединяет идею неполного (или полного) сгорания топлива во внутренних горелках. Последующее полное сгорание богатого топлива в слое материала встречается в потоке вторичного воздуха от зоны охлаждения с полным коэффициентом расхода воздуха около 1.05-1.1. Богатое топливо поставляется в зону кальцинации печи двумя уровнями в количествах, определенных процессами термодинамики и кинетики.

Приспособление распределения центрального газа сконструировано и построено в форме газораспределительного устройства с основанием в зоне охлаждения шахтных печей. Верхний уровень газораспределительного устройства оборудован периферийными фурмами для лучшего распределения газа. Чистый природный газ или природный газ, разбавленный рециркулирующим отходящим газом, подается в печь через эти фурмы. Зона охлаждения печи оборудована приспособлениями центрального и периферического распределения воздуха. Механизм центрального удаления газа (10) может быть установлен вверху печи для увеличения потока центрального газа в предтепловой зоне.

Результаты внедрения

Разработанная конструкция и параметры процесса шахтной печи для кальцинации известняка были внедрены напротяжении приспособления одной из печей Николаевского алюминиевого завода в Украине. Печь имеет внутренний диметр 4.3 м. Распределение природного газа между двумя уровнями поступления топлива в печь происходит так: 60 % общего топлива поставляется через верхний уровень газораспределительного устройства и периферийные фурмы, в это время оставшиеся 40 % поставляются через нижний уровень газораспределительного устройства.

I - предтепловая зона; II - зона кальцинации; III - зона охлаждения; 1 - температура центра куска; 2 - температура поверхности куска; 3 - температура газа; 4 - скорость диссоциации

Рисунок 2 - Оптимальная температура и скорость диссоциации распределения по высоте печи

Продукты полного или неполного сгорания природного газа от внутренних горелок верхнего уровня газораспределительного устройства поступают в печь с температурой 1250-1300°С. Природный газ, разбавленный рециркулирующим отходящим газом поступает в рабочее пространство печи через 12 фурм. Этот газ вступает в реакцию с вторичным воздухом из зоны охлаждения. Температура на верхнем уровне поступления топлива в пределах 1350-1450°С. Однако, диссоциация известняка на этом уровне не превышает 40-50 % и эндотермический процесс диссоциации очень активный. Поэтому, известь, обоженная на верхнем сегменте зоны кальцинации, не встречается.

Продукты полного или неполного сгорания 40 % количества общего природного газа, поступают в нижнюю часть зоны кальцинации через открытое газораспределительное устройство с температурой 1200-1250°С. В этой части зоны кальцинации диссоциация практически полная. Понижение температуры газа, однако, предупреждается кусками обоженной извести. Единообразное распределения газа обеспечивается рациональным распределением природного газа среди внутренних горелок и периферических фурм благодаря конструкции газораспределительного устройства. Единообразное распределение воздуха в зоне охлаждения контролируется распределением воздуха между механизмом центрального распределения воздуха и периферийными окнами для удаления извести.

Несколько термопар, установленных на стенке печи на расстоянии около 50 мм от внутренней стенки поверхности в четырех секторах пересекающихся секциях печи, где сосредоточено газораспределительное устройство. Термопары сосредоточены в 70 мм около каждого из двух уровней поступления топлива в зону кальцинации. Также термопары, установленные в соединяющих каналах между внутренними горелками и газораспределительным устройством, около уровня материала в верхней части печи. Поэтому распределение газа и температуры зоны кальцинации контролировалось очень тщательно.

Литература

1. R.S. Boynton, Chemistry and Technology of Lime and Limestone, John Wiley & Sons, Inc, New York, NY, USA, 1980.

2. D. Terruzzi, Lime Shaft Kilns Using Two Way Pressure System, ZKG International,№ 6. 1994, p.p.322-326.

3. N.P. Tabunshikov, Lime Production, Chemistry Publishing House, Moscow, 1974.

4. A.V. Monastirev and A.V. Aleksandrov, Furnaces For Lime Production, Metallurgy, Moscow, 1979.

5. MAERZ, The Parallel Flow Regenerative Lime Kiln, Zement-Kalk-Gipsum, 1965. p.p. 386-394.

6. L. Predescu, Improving the Vertical Lime Kiln. Steel Time International, Vol. 21, № 4. 1997. p.p. 41-42.

7. M.E. Blank, Y.M.Gordon e.a., Method for Carbonates Heat Treatment, Russian Patent, № 1610794, 15 March 1989.

8. M.E. Blank, Y.M. Gordon e.a., Method and Shaft Furnace for Carbonates Heat Treatment, Russian Patent, № 1299072, 15 November 1986.

9. Y.M. Gordon, M.E. Blank, V.V. Madison and P.R. Abovian. Decrease of greenhouse gas emissions in metallurgical lime production. Proceedings of COM Conference on Greenhouse Gases in the Metallurgical Industries: Policies, Abatement and Treatment. Toronto. Ontario, Canada, August 26-29.2001. p.p. 263-272.

10. Y.M. Gordon, Improvement of Heat Treatment in Midrex Furnace, Steel World, № 1, 1966, p.p. 33-35.

ДонНТУ | Портал магистров ДонНТУ

Главная страница | Автореферат | Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | Индивидуальное задание