ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2014, том 48, № 1, с. 83-88
УДК 661.631
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ШИХТОВОЙ ЗОНЕ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИХ РУДОВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РЕАКТОРОВ
© 2014 г. С. В. Панченко, Т. В. Широких
Филиал Московского энергетического института в г. Смоленске tan_pan@inbox.ru Поступила в редакцию 11.04.2013 г.
Экспериментально изучены процессы теплообмена при охлаждении печных газов движущимся шихтовым слоем. Выявлены причины и предложены меры по устранению неравномерного распределения температуры газа в подсводовом пространстве печи.
Б01: 10.7868/80040357114010096
ВВЕДЕНИЕ
Анализ теплофизических процессов в реакционном объеме рудовосстановительных технологических агрегатов позволяет учесть влияние гидродинамических и температурных неоднородно-стей на эффективность их работы [1, 2].
Особенно важно иметь целостное представление о тепловом состоянии рудовосстановитель-ных реакторов для выявления и предотвращения таких нежелательных явлений, как интенсивный износ обмуровки (особенно в области шлаковых леток), обеспечения условий стабильного образования гарнисажного слоя, поддержания минимальных термических напряжений в корпусе и электродах, контроля теплообмена в шихтовой зоне и спекания электродной массы.
Руднотермические печи являются печами прямого нагрева и используются для осуществления восстановительных процессов с целью получения ферросплавов, карбидов, силикомарганца, кремния, фосфора, а также других продуктов. Такого типа задачи характерны и при анализе каталитических процессов [3].
Шихтовая зона ванны руднотермической печи является регенеративным теплообменником про-тивоточного типа, в котором происходит утилизация тепла уходящих газов и передача его шихтовым материалам, поступающим в реакционную зону печи. Теплообмен в шихтовой зоне во многом определяет температуру печных газов в под-сводовом пространстве, которая имеет достаточно узкий регламентированный диапазон. По математической постановке подобные модели рассмотрены в [4, 5].
Неравномерность температурного поля расплава приводит к неравномерному сходу шихты. Основная ее доля плавится в приэлектродных зонах. На периферии и в центре печи практически
покоящаяся шихта сразу же прогревается до температуры, близкой к температуре газа, что ухудшает теплообмен. Поэтому в этих областях охлаждение газа происходит только на выходе из печи, и он выходит ненамного охлажденным. В приэлектродных областях отмечается интенсивное охлаждение газов в нижних слоях колошника благодаря большому расходу газа, что обеспечивает значительную величину коэффициента теплообмена и разности температур. Однако там газ покидает реакционную зону более нагретым, в результате чего его температура на выходе из печи превышает среднее значение.
В результате такого распределения выхода газа и схода шихты по радиусу ванны печи создаются различные условия теплообмена в приэлектрод-ных и удаленных от электродов областях шихтовой зоны [6—8]. Такое неравномерное поле температур на колошнике может привести к локальному перегреву свода.
Температура газов под сводом печи определяется параметрами печи, свойствами шихты и ее гранулометрическим составом и определяет надежность работы агрегата, и качество продукта. Поддержание ее в определенных пределах является одной из важных задач правильного выбора режима работы.
Цель настоящей работы — построение модели, описывающей теплообмен между отходящими газами и движущимся слоем шихты. Подобная модель позволит получить распределения температур под сводом печи при различных условиях и на основе анализа результатов построить адекватные модели управления и принять меры по повышению качества и надежности работы агрегата в целом. Результаты применимы к электротермическим печам для возгонки фосфора, получения карбида углерода, титана, силикомарганца и т.д.
83
6*
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОТИВОТОЧНОГО ТЕПЛООБМЕНА ШИХТЫ И ПЕЧНЫХ ГАЗОВ
Сложность решения задачи теплообмена в приэлектродной области повышается при рассмотрении теплообмена в электроде, а также из-за необходимости одновременного описания задачи гидродинамики и движения дисперсных частиц в цилиндрическом канале, образованном электродом и гарнисажной стенкой шихтовой зоны. Кроме того, температуры теплоносителей известны на входе, и при зависимости скорости движения теплоносителей от координат краевая задача решается лишь методами пристрелки. Время численного решения резко возрастает. Это в дальнейшем может затруднить оперативное получение информации о тепловом состоянии печи.
Рассмотрим стационарную задачу теплообмена в противоточном шихтовом слое в коаксиальном канале с использованием вариационных методов, позволяющих получить полуаналитическую оценку температурных полей. Для решения использовано сочетание метода прямых по вертикальной координате и метода Галеркина [9—11]. Уравнения теплообмена запишем в форме
W о с
rr myVrnt
tm t,
m0
Ay
= ^ml52 д %5 + r1 д%
(%5 + rx) ^
(1)
+ av(tg - tm),
WgyP gC
{g_tj0 =
X J 52
Ay
5
%5 + r1 д% Граничные условия:
dt "
(%5- ri)
(2)
- av(tg - tm).
У = 0, tm = tm)©, tg = tg 0©,
% = 0, dtm = aFmb(tm - te) , = aFg§(tg - te) ,
' д% Xm ' д% Xg '
% = ^ dim = qml t дк = q£ t ' д% Xj д% Xg '
где £, = (r — r1)/S, S = r2 — r1.
Решение задачи теплообмена в шихтовой зоне печи ищем в виде ряда
1 m = V m0 (r ) + amVmi(r ) + X amkVmk(f),
k=2 n
tg = V g0(r) + agiV gi(r) + X agkV gk(F)'
k=2
Функции уто©, у^), ¥т1(^), У^), имеют вид
V т> = ^ + Фдт/х +1/ В! д у й = ^ + (5 X е )£ + 1Ш ,),
ут1 = [2/В!т + 1 - (1 -^)2],
у й = [2/ В! , + 1 - (1 -^)2],
¥к© = (1 2(к-1) (к > 2).
В дальнейшем ограничимся первым приближением, рассматривая лишь два первых члена ряда. Согласно методу Галеркина, подставим разложение в основные уравнения (1), (2), умножим (1), (2) на базисные функции и проинтегрируем эти уравнения по £, от 0 до 1. Для определения коэффициентов разложения получается система линейных алгебраических уравнений.
С учетом полученных соотношений задача теплообмена в шихтовой зоне руднотермической печи решается методом пристрелки. Для этого при известном распределении температуры газов на выходе из расплава задается первое приближение по распределению температуры шихты на всех уровнях по у с шагом Ау. При у = Нт полученное распределение температуры шихты сопоставляется с заданным посредством поиска минимума функционала
лт>©у=о = |[Ш у=*т - ыт^ ^
Для минимизации применены методы нулевого порядка без использования производной целевой функции.
Оценки по приведенным соотношениям дают температурные поля, качественно правильно описывающие результаты экспериментальных исследований по зондированию промышленных печей.
ТЕМПЕРАТУРНОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ДЕЙСТВУЮЩИХ РУДНОТЕРМИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ
Экспериментальное исследование процессов теплообмена в рудовосстановительных электротермических печах представляет собой весьма сложную задачу из-за полной герметизации ванны, наличии высоких температур в зоне расплава, а также высокой реакционной способности печных газов. Следовательно, проверка адекватности предлагаемой математической модели в большинстве случаев возможна лишь с помощью данных, полученных из множественных источников, для печей различных типов, по результатам обследований, зондирования, а также физического моделирования.
Температурное зондирование действующих руд-нотермических печей РКЗ-80Ф, РКЗ-48Ф, ОКБ-767
n
Рис. 1. Конструкция измерительного зонда: 1 — кожух; 2, 3 — термопарные и удлинительные провода; 4 — отверстия для доступа газа; 5 — откидные "лепестки" для захвата зонда шихтой.
фосфорных заводов проводилось в производственных условиях. Температура в ванне печи измерялась с помощью подвижного зонда оригинальной конструкции (рис. 1), представляющего
собой трубу 1 длиной 6 м, диаметром 1.9 х 10-2 м из высоколегированной стали Х12Н10Т, обладающей достаточной износоустойчивостью, стойкостью к агрессивным средам. В кожухе зонда имелись отверстия 2, в которые выводились рабочие спаи термопар 3, фиксированные с помощью термостойкой обмазки 4, служащей одновременно для разделения канала зонда на отдельные секции, предотвращающие просос газов через весь зонд. В нижней части закреплялся специальный складывающийся лепестковый упор 5 для обеспечения захвата зонда частицами шихты.
В качестве термодатчиков использовались хромель-Х18Н9Т термопары, изолированные кремнеземистой нитью, пропитанной термостойким составом. Провода термопар присоединялись к автоматическому потенциометру. Подача зонда осуществлялась через отверстия в крышке свода, предназначенные для установки стационарных термопар, контролирующих температуру газов в подсводовом пространстве. На кожухе зонда были нанесены риски через каждые 0.25 м, позволявшие фиксировать глубину погружения зонда. С момента захвата шихтой проводились непрерывные замеры температуры, по приборам на пульте определялась мощность печи, по скорости движения зонда, т.е. шихты, получали информацию о производительности печи.
Из-за электроарматуры, расположенной над крышкой печи, доступ к большинству термопарных точек, в которые можно было подавать зонд,
T, K
0 0.2 0.4 0.6 0.8
h/H
Рис. 2. Температура газов по высоте печи: 1 — расчет; 2 — эксперимент [11], периферия печи; 3 — эксперимент [10], центр печи; 4 — расчет; 5 — эксперимент для печи РКЗ-80Ф 30 МВт; 6 — эксперимент для печи РКЗ-48Ф 45 МВт; 7 — эксперимент для печи ОКБ-767 4.5 МВт, приэлектродные области.
Т, °С
(а)
975 650 325
0
1.8 (б)
975 650 325
0
0.9
1.8 (в)
2.7
3.6
975 650 325
1 2
_|_1_
0 0.9 1.8 2.7 3.6
х, М
Рис. 3. Распределение температуры в шихтовой зоне в приэлектродной области на высоте 3 (а), 2 (б) и 0.75 (в) м: 1 — температура газа; 2 — температура шихты; 3 — температура газа при исключении из работы периферийных зон.
был затруднен. В основном зондировались при-электродные участки. Результаты экспериментов по измерению температурных полей печных газов в области шихтовой зоны представлены на рис. 2.
Зондирование проводилось для печей различных типов, однако температурные зависимости практически для всех печей к
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.