ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2015, том 49, № 2, с. 182-188
УДК 66.011
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБЖИГА ФОСФОРИТОВЫХ ОКАТЫШЕЙ В ПЛОТНОМ СЛОЕ © 2015 г. В. И. Бобков, В. В. Борисов, М. И. Дли, В. П. Мешалкин*
Национальный исследовательский университет "МЭИ" в г. Смоленске Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва
vovabobkojf@mail.ru Поступила в редакцию 25.04.2012 г.
Работа посвящена актуальной научной проблеме моделирования теплофизических процессов теп-лотехнологии, осложненных неизотермическими химическими реакциями, при термической подготовке сырья в плотном слое. Представлена математическая модель тепломассообмена в реагирующем плотном слое. Проведен анализ параметров обжига фосфоритовых окатышей рассчитанных по модели и на обжиговой машине в регламентном режиме.
Ключевые слова: моделирование; теплотехнологии; теплофизика; химическая технология; сушка; спекание.
БО1: 10.7868/80040357115020025
ВВЕДЕНИЕ
Основной проблемой, решением которой определяется уровень и темпы научно-технического прогресса промышленного производства, является проблема рационального использования сырьевых, топливных и энергетических ресурсов. Эта проблема является чрезвычайно важной для наиболее энергоемких отраслей промышленного производства, основанных на теплотехнологиях, к числу которых относится термическая обработка сырьевых материалов. Целевые процессы (сушка [1, 2], диссоциация карбонатов, спекание, обеспечивающее конечную прочность) при подготовке и переработке сырья носят, термически активируемый характер. Их интенсивность определяется многими факторами. Условия протекания и завершенность целевых процессов определяет качество термической подготовки [3]. Выбор рациональных технологических схем и режимная адаптация аппаратов к периодически меняющимся свойствам сырья сталкиваются со значительными трудностями [4, 5]. Экспериментальные исследования очень дорогостоящи, а порой и не осуществимы в силу особенностей протекания процессов во времени, при больших температурах в химически активных средах, а методики расчета процессов термической подготовки сырья, достаточно полно учитывающие специфические особенности и свойства, на сегодняшний день в основном базируются на экспериментах [6]. И изменение химического или гранулометрического состава сырья влечет за собой проведение экспериментальных исследований и адаптацию к ним агрегатов [7, 8]. Поэтому актуальной научной
задачей, имеющей как теоретическое так и прикладное значение, выступает моделирование основных целевых процессов, протекающих при термической подготовке сырья и поиск оптимальных режимов обжига, обеспечивающих энерго-ре-сурсосбережение и качество готового продукта в данной технологии. Оно позволяет не только определять теплофизические и химико-технологические свойства материалов, наблюдать наиболее важные целевые процессы, проходящие при обжиге, но и оптимизировать их и режимные параметры.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОИ ПОДГОТОВКИ ОКОМКОВАННОГО СЫРЬЯ
В настоящее время при термической подготовке и обработке кускового и окомкованного сырьевого материала используются аппараты конвейерного типа (обжиговые и агломерационные машины). Основной рабочей частью которых, является движущийся плотный слой дисперсного материала, с перекрестной подачей теплоносителя (греющий газ).
Перенос тепла в материале осуществляется теплопроводностью при наличии эндотермических превращений (1), теплоперенос в газовой фазе представляет конвективный поток по направлению прососа газов (2). Соотношение (3) для определения гидравлического сопротивления может использоваться с достаточной точностью при ламинарном и турбулентном режимах течения газа [9]. Процесс влагообмена между материалом и сушильным агентом описывается уравнениями (4) и (7) [10]. При достижении влагосодержания газов
в состоянии насыщения — рассчитывается процесс конденсации влаги на поверхность окатыша. Модель локализованного фронта испарения представляется наиболее вероятной для крупнопористых влажных материалов при высоких температурах сушильного агента [10], коим является сырой окатыш при температурах теплоносителя в зоне сушки. Эндотермическая реакция диссоциации карбонатов описывается феноменологически (8). Увеличение прочности (5) связано с изменением пористости е окатыша (9), вследствие твердофазного и жидкофазного спекания. Изменяется (уменьшается) е = 1 — (1 — е1)(1 — е2) — общая пористость окатыша, где е1 — пористость самого окатыша (внешняя) и е2 — пористость зерен, составляющих окатыш (внутренняя). Учитывается изменение (увеличение) в результате реакции диссоциации карбонатов е2 — пористости зерен, составляющих окатыш (внутренней), так как реакция декарбонизации проходит именно в зернах из которых состоит окатыш (10) и как следствие снижение прочности за счет образования малопрочного оксида СаО (М§0) [11].
При высоких температурах наблюдается процесс образования стеклофазы (11), который также обеспечивает снижение конечной прочности [6, 7, 8, 11].
дТт 1 дт
= 4(
2 дх\
X х'
дТш
х
- X
Р
дгл
ду
дР = 1500 ^ + 17.5
а¥ (Гg Тш)x=xs.
(1 -6с) РgWg2
дy
PgWg
6с (2г) 6с
дxw _ Pw./уд ( р'1< - ру) ду
2г
RVTg
да да
= -Ьа,
где:
_ ду _ зх (0 -е*)^у
_ _ 2/1— V
дт pTuQSr ((у - 1) п ды _ Pw■/уд (PVR - pv)
дт
RVTg
дЦ:
ю2 = к03 (1 -П:)
ехр
RTш
ю3 =
ды
2аТ е
дт У3Им(1 -е)2 ГМ '
2«-1
+ ■
da0 16Е у
п ( т \ X
X (1 - X V,
т=1 V ,=1 у
, =1
ш _арР1Тш^0
Шд _ - _ -
4 дт QL
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
начальные и граничные условия: т = 0,
Тш = Тшо, и = и0; х = 0, ^^ = 0.
Т
дх
х
= ^ (дТШ) = "' (Tg - Тш)х-'
у = 0, ^ = Tgo(т), Р = Ро, х№ = х^; у = 1; п = 0; g = 0;
где
I — температура плавления (остеклования), которая зависит от содержания в фосфатно-крем-нистых рудах плавней СП = К2О + Na2O + Fe2O3 и SiO2 и может быть описана следующими уравнениями:
I = 1541 - 7^Ю2 + 0.1^Ю2)2 при СП < 2.6%,
I = 1454 - 9^Ю2 + 0.1(SiO2)2 при СП > 2.6%,
а р = (ИыХ)/(2г) — коэффициент теплоотдачи с поверхности, Вт/(м2 К);
0.106Яе, Яе < 200, W 2г
Мы = * 0 67 ' Яе = =;
0.61Яе , Яе > 200, Vg
И м - И м0 ехр
RT„
— вязкость материала ока-
тыша, Па с;
— коэффициент массоотдачи, кг/(м2 с), определяемый из критериального уравнения мас-сообмена в слое Шм = 2 + 0.83Яе0 53Ргм0.3^иа135,
где №м = Рж(2г)/Д Ргм = Vg/D, Gu = (Tg — 0*)/^, Б = 0.216 х 10—4( Т/273)18;
0* — температура мокрого термометра, находится из уравнения:
0* = Т — 1916.6667{0.622/[163.80016 х х ехр(—17.30*/[0* + 235]) — 1] — х№}.
Решение поставленной задачи возможно лишь численными методами. Конечно-разностное представление системы уравнений проводится по равномерной сетке. В предлагаемой модели реализуется квазидвумерная постановка задачи, когда температурное поле по координате х определяет тепловое состояние системы по вертикальной координате у.
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ
Результаты расчета тепловых параметров обжиговой машины ОК-3-520/536Ф, хорошо согласуется с ее регламентными показателями (рис. 1), и качественно совпадает с известными зависимостями [10]. Распределение влагосодержания окатышей в слое приведено на рис. 3а. Изменение
п
Т, °С
1300 г 1200 -
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130
И, м
Рис. 1. Температура теплоносителя над слоем (1) и под колосниками (2). Температура в различных горизонтах слоя сверху вниз (3—8). Регламентный режим.
относительной степени высушивания у по слою приведено на рис. 2. Известно, что при слоевой сушке переувлажнение окатышей более 13—14% влечет их размягчение, изменение формы, разрушение и как следствие ухудшение газопроницаемости слоя. В некоторых горизонтах слоя наблюдается и более сильное переувлажнение. Изменение влажности теплоносителя по машине представлено на рис. 4. Откуда видно, что наиболее интенсивно процесс увлажнения сушильного агента проходит при реверсе подачи в слой, это связано с тем что "сухой" теплоноситель (0.013 кг/кг) входит в сначала в менее высушенные и холодные горизонты слоя и вобрав в себя определенное количество влаги проходит через уже нагретые участки слоя, где конденсация проходит незначительно [10]. Этот вывод подтверждает и поле интенсивности сушки представленное на рис. 5.
Реакция декарбонизации по всему слою проходит не полностью (рис. 6). Средняя по слою степень декарбонизации на выходе составляет 0.594. После термической подготовки требуемую прочность, имеют лишь 20% окатышей, причем это верхние горизонты слоя, где окатыши находились под более высокой температурой (рис. 1б), что совпадает с имеющимися экспериментальными данными [6, 7, 8]. Если учесть, что именно эти горизонты слоя, где полностью завершен процесс диссоциации карбонатов и достигнута необходимая прочность, в зоне сушки подвергался наибольшему переувлажнению, следует ожидать, что доля годного продукта будет несколько меньше, а его качество хуже.
Качество готового продукта определяется минимальным содержанием влаги, завершенностью химической реакции диссоциации карбонатов, необходимой прочностью материала окатыша. В зоне сушки происходит удаление влаги из сырых окатышей и подготовка к их последующему нагреву. Как отмечалось выше, в процессе сушки окатышей происходит перераспределение воды по высоте слоя, в результате которого в отдельных участках слоя наблюдается их переувлажнение. Переувлажнение сырых окатышей происходит в результате конденсации на холодных окатышах водяных паров, выделяющихся из подсушенных окатышей. Степень переувлажнения окатышей зависит от начальной влажности. В процессе сушки окатышей возможны два вида разрушений: трещи-нообразование и взрывообразное разрушение или шок. Начало процесса сушки, характеризующееся удалением капиллярной воды, особенно неблагоприятно, так как может привести к образованию трещин. Это объясняется тем, что связанность материала обеспечивается главным образом капиллярными силами [12]. Взрывообразный шок наблюдается в конечный период сушки. Шоку, как правило, подвержены верхние ряды окатышей.
к 0.3
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130
И, м
Рис. 2. Относительная степень вы
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.