Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

Целью бакалаврской работы является анализ процессов тепло- и массопереноса как при получении кислорода в теплоэнергетической воздухоразделительной установке, так и при его использовании в газокислородной горелке при сжигании топлива.

Производство кислорода и его применение в металлургии с каждым годом увеличивается. Сравнительно недавно кислород применяли главным образом при газовой сварки и кислородной резке металлов, но в настоящие время область его использования существенно расширилась. Например, в металлургии кислород успешно используют для ускорения процессов нагрева слитков, выплавки стали и др. При этом, производительность печей увеличивается на 20-25% при сокращенном использовании топлива на 15-20%. Как известно, для повышения теоретической температуры факела необходимо использовать топливо с высокой теплотой сгорания, а также повышения температуры подогрева воздуха с уменьшением объема продуктов сгорания. Последние достигается обогащением воздуха кислородом, для сжигания топлива. Это, в частности, приводит к уменьшению количества балластного азота в продуктах сгорания. Содержание кислорода в воздухе увеличивают с 21% до 25%-30%. При использовании топлива с высокой теплотой сгорания (мазут, природный газ) оказалось экономически выгодным использовать для сжигания топлива чистый кислород.

1. АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА ПРИ ПОЛУЧЕНИИ КИСЛОРОДА НА ОСНОВЕНИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ РЕКТИФИКАЦИИ ВОЗДУХА

Сырьем для получения кислорода служит атмосферный воздух, содержащий в химически несвязанном состоянии кислород, азот, аргон, двуокись углерода, криптон, ксенон, неон и другие газы. Поэтому выделение из воздуха кислорода требует меньших энергетических затрат, чем при получении из веществ, содержащих его в связанном состоянии, например из воды. Составные части воздуха можно разделить на две группы: постоянные и переменные. К первой группе относятся кислород, азот и инертные газы (аргон, неон, гелий, криптон, ксенон), содержание которых в воздухе неизменно. Ко второй группе относятся водяной пар и углекислый газ. Содержание водяного пара в воздухе меняется в зависимости от климатических условий. Количество углекислого газа в воздухе в районах крупных промышленных предприятий и тепловых электростанций может быть увеличенным. На территории промышленных предприятий воздух содержит также твердые примеси в виде пыли. Кроме того, в районе металлургических и химических заводов в воздухе могут содержание примеси органических и неорганических соединений, например углеводороды, включая ацетилен (С2Н2), а также сернистый газ (S02), аммиак (NH3), двуокись, азота (N02) и др. Для выделения из воздуха кислорода и других составных частей можно использовать различные способы [1].

Наиболее экономичным способом разделения воздуха является его низкотемпературная ректификация, основанная на разнице температур кипения составных частей жидкого воздуха. Такой процесс требует предварительного ожижения воздуха. Во всех промышленных воздухоразделительных установках различные методы получения жидкого воздуха сочетают с разделением его на кислород и азот и выделением в некоторых случаях инертных газов. Ожижение воздуха и его разделение путем ректификации представляют собой процессы, включающие тепло- и массообмен, испарение и: конденсацию, расширение и сжатие газов и жидкостей. Для осуществления этих процессов используют различные машины и аппараты. Все эти процессы связаны основными общими закономерностями, которые могут быть изучены термодинамическими методами. Использование диаграмм и графиков для наглядного изображения разбираемых процессов и проведения необходимых расчетов значительно облегчает эту задачу[7]. Если ожижать газ с предварительным сжатием, то часть тепла отводится от газа в процессе сжатия при температуре окружающей среды Т0. Чем выше давление предварительного сжатия, тем больше доля отводимого тепла. Можно представить и такой процесс ожижения, при котором все тепло отводится только в процессе сжатия. Для этого нужно сжать газ до такого давления, чтобы после сжатия можно было охладить газ и перевести его в жидкость без отвода тепла (адиабатно). Таким образом, процесс ожижения газов теоретически можно осуществить тремя способами:

-только отнимая тепло при понижении температуры от Т0 до Т6, без предварительного сжатия газа;

-отнимая часть тепла при понижении температуры, сочетая отвод тепла с предварительным сжатием газа и отводом тепла при температуре Т0;

-сжимая газ и отнимая тепло только при Т0;

-охлаждение газа от проходит без отвода тепла.

В первом случае для ожижения газа необходимо холодильное устройство. Такой процесс ожижения находит применение в лабораторных установках и промышленных агрегатах малой производительности. В третьем случае вся энергия, необходимая для ожижения, затравливается только на сжатие. Чтобы осуществить процесс ожижения таким путем, необходимы давления, не применяемые в технике. Во втором случае ожижение достигается как за счет работы холодильного устройства, так и за счет работы сжатия газа. В технике для ожижения газов применяют холодильные устройства в сочетании с предварительным сжатием. В качестве хладоагента обычно используется часть ожижаемого газа, циркулирующая в аппарате. В некоторых случаях используют вспомогательные холодильные установки с аммиаком, фреоном, метаном и другими хладоагентами. При осуществлении процессов сжатия, расширения и теплообмена без потерь (обратимо) суммарная работа во всех трех случаях должна быть одинаковой, так как начальные и конечные параметры процесса совпадают. Эта работа является теоретически минимальной, необходимой для ожижения. Знать величину минимальной работы ожижения необходимо для того, чтобы оценивать реальные технические процессы [2].

Практически с учетом потерь всех видов расход энергии на ожижение 1 кг воздуха существенно больше и находится в пределах от 1,4 квт•ч/кг при р2=4 Мн/м2 (40 ат) до 1,1 квт•ч/кг при р2=20 Мн/м2 (200 ат). Наибольшее распространение применительно к производству жидкого кислорода получил так называемый процесс Клода - Гейландта с рабочим давлением воздуха р2=16,5 Мн/м2 (165 ат), при котором температура входа воздуха в детандер составляет от -35 до -40°С и 1-М = 0,65?0,7. Температура воздуха после детандера в этом случае несколько выше температуры его конденсации при давлении выхода из детандера [8].

2. ПРОМЫШЛЕННОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КИСЛОРОДА В ДИФФУЗИОННЫХ ГОРЕЛКАХ С ОБОГАЩЕНИЕМ ВОЗДУХА КИСЛОРОДОМ

При низком давлении газа, поставляемого потребителю, достаточно часто используют дутьевые (с принудительной подачей воздуха) горелки с полным предварительным смешением, которое происходит в смесительной камере. Такие горелки называют диффузионными. Газ в горелку подается под давлением и через систему небольших отверстий выходит наружу. При расчете диффузионных горелок необходимо учитывать следующие особенности процесса горения:

• наиболее длинный факел формируется диффузионными горелками типа «труба в трубе» при соизмеримых скоростях истечения газа из отверстий и воздуха;

• при сжигании природного газа длина факела может достигать 200 и более диаметров газового сопла;

• диффузионные горелки вихревого типа с многоструйной подачей газа формируют более короткие факелы.

В условиях развитой турбулентности газового потока относительная длина диффузионных факелов зависит от ряда факторов: теоретического расхода воздуха на горение, вязкости газа, начальной интенсивности турбулентности потоков газа и воздуха, начальной температуры газа и воздуха, соотношения начальных скоростей газа и воздуха, калибра горелки и т. п. Современное состояние теории горения пока не позволяет аналитически рассчитывать длину и форму факела ввиду большой сложности факельных процессов. В связи с этим конкретный вид зависимостей для длины и формы факела с учетом конструктивных особенностей горелок и камер сгорания определяется опытным путем и приводится в справочной литературе. Исходными данными для расчета диффузионной газовой горелки является ее тепловая мощность, химический состав сжигаемого газа, давление и температура газа перед соплом, давление и температура идущего на горение воздуха, а также характеристики тепловой установки, для которой рассчитывается горелка.

3. ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ НОВОГО ВАРИАНТА КИСЛОРОДНО-КОНВЕРТОРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ С ПРОДУВКОЙ СМЕСЬЮ КИСЛОРОДА С АРГОНОМ ЧЕРЕЗ ПОРИСТЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ДНИЩА КОНВЕРТОРА

Кислородный конвертор - разновидность плавильной печи, металлический грушевидный сосуд. Исходными материалами кислородно-конверторной технологии являются жидкий чугун, металлический лом и шлакообразующие материалы.

При продувке жидкой ванны кислородом источниками теплоты являются экзотермические реакции окисления этих примесей, а также физическое тепло жидкого чугуна. Существуют различные способы подвода кислорода в жидкую ванну - сверху через фурму и снизу через днище конвертора с помощью сопел. Общая характеристика технологии сводится к следующему. Лом в конвертор загружают с помощью крана, а затем заливают чугун. Шлакообразующие (известь, плавковый шпат) вводят в расплав по ходу продувки. При контакте струи кислорода с металлом образуется реакционная зона, на границах которой и происходят экзотермические реакции окисления примесей. По достижению заданного состава и температуры металла продувка кислородом заканчивается, конвертор наклоняется и проводится выпуск стали в ковш. Слив металла вместе со шлаком недопустим во избежание перехода фосфора и серы из шлака в металл.

В ковше металл покрывают синтетическим шлаком и проводят внепечное раскисление и легирование стали. Продолжительность продувки жидкого чугуна кислородом зависит от интенсивности продувки и характера подачи кислорода в жидкую ванну. Как показывают расчеты, при окислении чугуна, содержащего углерод в количестве [С] = 4%, выделяется тепло, которое полностью обеспечивает нагрев расплава до температуры 1600-1650 °С. Таким образом, тепло от окисления примесей идет на нагрев лома и шлакообразующих[3]. Преимуществами донной продувки, как известно, является более активное перемешивание расплава и более высокий выход годного. Недостатком продувки чугуна через фурму сверху является еще и то, что при высоком напоре расплав частично вырывается из конвертора. При донной продувке и малых давлениях, как известно, внедряющаяся в расплав струя почти сразу разбивается на пузыри кислорода, которые поднимаются вверх.

При фиксированной интенсивности продувки жидкой ванны кислородом, целесообразно формировать у днища конвертора более мелкие пузыри, количество которых увеличивается, обеспечивая развитие межфазной поверхности «кислород-металл». При этом генерируемая теплота, температура металла и концентрация его примесей более равномерно распределяются по объему жидкой ванны.

развитие межфазной поверхности «кислород-металл» прямо пропорционально уменьшению размера пузырей, т.е. диаметру пор пористых элементов. Существенное уменьшение размеров пузырей, как известно, достигаем при замене донных сопел на пористые элементы днища конвертора. При этом размер формирующихся на поры пузырей прямо пропорционален диаметру пор dn.

Из выше изложенного следует, что при фиксированном теплоподводе к жидкому чугуну имеет место экономия кислорода, т.е. энергоресурсов воздухоразделительной установки по получению кислорода. Известно, что для компенсации перегрева жидкой ванны в нее добавляют лом, который потребляет избыточное теплосодержание расплава. Альтернативой является добавка к кислороду аргона. Регулируемым соотношением кислорода и аргона в смеси газов достигается оптимум, который не позволяет разрушить как огнеупорную кладку конвертора, так и пористые элементы его днища.

4. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПОВЫШЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ КИСЛОРОДА В ВОЗДУХЕ ДО 27% ПРИ СЖИГАНИИ ПРИРОДНОГО ГАЗА

К числу основных составляющих энергосберегающего эффекта от обогащения кислородом дутьевого воздуха, применяемого при сжигании газообразного топлива в теплотехнологических агрегатах, можно отнести: уменьшение объема балластных газов (азота), нагреваемых в процессе горения топлива и, следовательно, уменьшение объема продуктов сгорания топлива, что, в свою очередь, приводит к сокращению тепловых потерь с дымовыми газами; снижение объемов дутья и продуктов сгорания, что требует менее мощных тягодутьевых механизмов для обеспечения подачи газов в зону горения и отвода продуктов сгорания из нее; повышение концентрации излучающих трехатомных газов в образующихся продуктах сгорания, что увеличивает радиационный тепловой поток на тепловоспринимающие поверхности, интенсифицируя процессы теплообмена[4]. Ссылаясь на научную публикацию, экономия природного газа при повышении содержания кислорода в воздухе до 27% составляет 5% [5].

ВЫВОДЫ

1. Проведен аналитический обзор литературных источников по получению кислорода в теплоэнергетической воздухоразделительной установке. Показано, что одним из эффективных способов получения кислорода из атмосферного воздуха является холодильный цикл Ж. Клода.

2. Проведено теплотехническое обоснование нового варианта кислородно-конверторной технологии, а именно с продувкой смесью кислорода и аргона через пористые элементы днища конвертора. Показано, что благодаря большему перемешиванию жидкого металла и развитию межфазной поверхности «кислород-металл», в этом варианте технологии можно достигнуть более равномерного распределения температур по объему жидкой ванны и уменьшению расхода кислорода для продувки. Последнее экономит энергоресурсы воздухоразделительной установки.

3. Проведен расчет газовоздушной диффузионной горелки с обогащением воздуха кислородом (до 27%).

4. Проведено экономическое обоснование того, что сжигая природный газ при содержании кислорода в воздухе до 27%.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

  1. Казанцев, Е.И. Промышленные печи / Е.И. Казанцев. – М.: Металлургия, 1975. – 368 с.
  2. Губинский В.И. Металлургические печи / В.И. Губинский. – Днепропетровск: НМетАУ, 2006. – 84 с.
  3. Кривандин В.А Теплотехника металлургического производства. Т. 2. Конструкция и работа печей: Учебное пособие для вузов – М.: Изд-во МИСИС, 2001. – 736 с.
  4. Нурсеитов, Б.Н. Экономика металлургического предприятия / Б.Н. Нурсеитов. – Караганда: Изд-во КарГУ, 2009. – 297 с.
  5. Кабишов С. М., Герма М. Л., Трусова И. А., Ратников, П. Э., Тимошпольский, В. И. «Методика оценки энергоэффективности обогащения воздуха кислородом при сжигании газообразного топлива». Статья - г. Минск Изд-во «Белинвестэнергосбережение» 2013 год.
  6. Парахин М. Ф., Шелудченко В.И., Кравцов В.В Технология сгорания и переработки топлива в промышленности. Учеб. пособие - Донецк: Норд-Пресс, 2005. - 288.
  7. Бродянский В. М., Меерзон В. М., Меерзон Ф. И., Производство кислорода. Изд-во «Металлургия» 1970, 2-е изд., 384 с.
  8. Глизманенко Д. Л., Кислород и его получение. Изд-во Государственное научно-техническое издательство химической литературы. Ленинград, 1951 год.
  9. http://rst-dnr.ru/roznichnyie-tsenyi-na-gaz/.