Повышение экологической и энергетической эффективности работы вагранок на основе разработки и исследования новых способов снижения выбросов окиси углерода и расхода топлива тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, кандидат технических наук Сидоров, Александр Валерьянович

• Сидоров, Александр Валерьянович
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сидоров, Александр Валерьянович

Оглавление

Введение

1. Анализ существующих способов повышения экологической и энергетической эффективности вагранок и постановка задачи исследований

1.1. Существующие конструкции вагранок

1.2. Обоснование необходимости повышения экологической и энергетической эффективности вагранок

1.3. Способы повышения экологической и энергетической эффективности вагранок

1.3.1. Способы повышения экологической эффективности вагранок

1.3.2. Комплексные способы повышения экологической и энергетической эффективности вагранок

1.4. Постановка задачи исследований

Выводы по главе

2. Разработка способов повышения экологической и энергетической эффективности вагранок

2.1. Постановка задачи

2.2. Разработка способов повышения экологической и энергетической эффективности вагранок

2.2.1. О влиянии реакционной способности кокса на экологическую и энергетическую эффективность вагранок

2.2.2. Способ повышения экологической и энергетической эффективности вагранок с искусственным снижением реакционной способности кокса

2.3. Способ повышения экологической эффективности вагранок с помощью воздушной завесы загрузочного

окна и горелки дожигания

Выводы по главе

3. Экспериментальные исследования способов понижения реакционной способности кокса

3.1. Постановка задачи

3.2. Описание экспериментальной установки

3.3. Проведение экспериментов

3.3.1. Особенности выполнения опытов

3.3.2. Результаты экспериментов

3.4. Методика обработки экспериментальных данных

3.4.1. Моделирование условий протекания реакции

С + С02 = 2СО - С) на экспериментальной установке

3.4.2. Оценка погрешности определения состава газов по хроматограмме

3.4.3. Определение реакционной способности кокса

3.4.4. Обработка экспериментальных данных

3.5. Анализ результатов экспериментов 55 Выводы по главе

4. Математическое моделирование нового способа повышения экологической и энергетической эффективности вагранок

4.1. Постановка задачи

4.2. Упрощения математического описания

4.2.1. Краткое описание реального объекта

4.2.2. Допущения, принятые при переходе от реального

слоя к его математической модели

4.3. Математическое описание теплообмена в слое

4.4. Решение задачи методом конечных разностей

4.5. Решение задачи методом прогонки

4.5.1. Определение коэффициентов a¡, b¡, cj, fj

4.5.2. Определение коэффициентов прогонки

4.5.3. Расчёт температурного поля коксового брикета

4.5.4. Расчёт температурного поля чугунной чушки

4.6. Расчёт температуры продуктов сгорания на входе в

слой и на выходе из слоя

4.7. Разработка алгоритма и программы расчёта

4.7.1. Разработка алгоритма расчёта

4.7.2. Разработка программы расчёта

4.8. Учёт зависимости теплофизических характеристик

твёрдых тел и газов от температуры

4.9. Построение и принципы работы подпрограмм-функций определения теплофизических характеристик материалов и газов

4.10. Определение приведённого коэффициента теплоотдачи в вагранке

4.11. Построение и принципы работы подпрограммы-функции определения приведённого коэффициента теплоотдачи

4.12. Определение влияния слоевой разбивки на точность расчётов

4.13. Результаты расчётов теплообмена в слое 121 Выводы по главе 122 5. Практическая реализация результатов исследований 123 5.1. Промышленные испытания вагранки с коксом,

обладающим искусственно пониженной реакционной

способностью

5.1.1. Методика проведения экспериментов

5.1.2. Результаты испытаний

5.1.3. Анализ результатов 132 5.2. Промышленные испытания вагранки с воздушной завесой загрузочного окна и горелкой дожигания

окиси углерода СО

5.2.1. Методика проведения экспериментов

5.2.2. Методика обработки экспериментальных данных

5.2.3. Результаты испытаний

5.2.4. Анализ результатов 147 Выводы по главе 152 Выводы по диссертации 153 Список литературы 156 Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение экологической и энергетической эффективности работы вагранок на основе разработки и исследования новых способов снижения выбросов окиси углерода и расхода топлива»

Введение

Литейное производство - основная заготовительная база машиностроения, во многом определяющая его дальнейшее развитие.

Масса литых деталей, по оценкам некоторых специалистов [1,2], достигает 40-80% массы машин, в то время как примерная стоимость не превышает 20% стоимости машин [1].

Наиболее распространённым литейным сплавом, из которого выполняется более 70% отливок, является чугун [1]. Такое положение дел может быть объяснено рядом причин. Во-первых, чугун обладает достаточно высокими литейными качествами; во-вторых, сравнительно дёшев; и, наконец, в-третьих, обладает высокими прочностными характеристиками, которые позволяют деталям, отлитым из чугуна, работать в меняющихся условиях, особенно при переменных по направлению нагрузках.

Для плавки чугуна создано и успешно используется достаточно большое количество агрегатов, однако с момента создания (примерно в XVIII веке) и до настоящего времени основой литейных цехов является вагранка: по разным источникам в настоящее время от 70 до 90% всего чугуна выплавляется в вагранках [1,3,4].

Вагранка имеет ряд преимуществ перед другими чугуноплавильными агрегатами: она проста по конструкции и, что не менее важно, в обслуживании, позволяет получать чугун различных марок, может использоваться в составе конвейерных цепочек из-за возможности реализации непрерывного процесса плавки, достаточно экономична и т.д. С теплотехнической точки зрения вагранка, как шахтная печь, обрабатывающая материал в плотном фильтрующем слое (характерными особенностями которого являются высокая удельная поверхность реагирования, противоточная схема движения, открывающая

возможность глубокой регенерации ..теплоты отходящих газов, низкие потоки теплоты через ограждение и т.д.), теоретически является весьма совершенным агрегатом [5].

Однако, наряду с очевидными преимуществами, изложенными выше, вагранка имеет и ряд недостатков.

Так, например, коксовые и коксогазовые вагранки, составляющие по разным оценкам от 95 до 99% всего парка вагранок Российской Федерации [1], при выплавке около 25 млн. тонн в год жидкого чугуна, потребляют около 3 млн. тонн кокса, на производство которого расходуется до 4.5 млн. тонн в год дорогостоящего высококачественного коксующегося угля [2]. Кроме того, вагранки такой конструкции выбрасывает в атмосферу большое количество пыли и окислов серы, азота, углерода и пр. Установка же очистных сооружений, не дающих к тому же зачастую ожидаемого эффекта, резко увеличивает стоимость выплавляемого в коксовых и коксогазовых вагранках чугуна и, соответственно, снижает их экономическую эффективность.

Использование газовых вагранок, разработка которых в настоящее время ведётся особенно интенсивно, решает как проблему снижения затрат на приобретение топлива (природный газ стоит намного дешевле кокса), так и проблему уменьшения количества вредных выбросов в атмосферу (продукты сгорания природного газа не содержат пыли и токсичной окиси углерода СО).

Однако, как показали исследования [24], традиционные методы полной замены литейного кокса природным газом приводят не к уменьшению, а к росту общей энергоёмкости процесса производства литейного чугуна в масштабе теплотехнологического комплекса данного производства на 50 %.

Из всего вышесказанного представляется правильным сделать вывод о необходимости приложения серьёзных усилий в направлении разработки и исследования новых способов ведения плавки прежде всего в

коксовых и коксогазовых вагранках, как наиболее простых и надёжных агрегатах для плавки чугуна, обращая при этом особое внимание на снижение расхода топлива и уменьшение количества вредных выбросов, прежде всего окиси углерода СО, в атмосферу.

Заключение диссертации по теме «Промышленная теплоэнергетика», Сидоров, Александр Валерьянович

Выводы по диссертации:

В результате комплексных исследований вагранок разработаны новые способы ведения плавки, позволяющие снизить выбросы окиси углерода СО и расход топлива, а также разработаны и адаптированы к экспериментам алгоритм и математическая модель расчёта теплообмена в слое ваграночной шихты.

Наиболее существенными результатами выполненной работы являются:

1. Разработан новый способ повышения эффективности вагранки, заключающийся в снижении реакционной способности кокса с помощью изоляции последнего от газовой атмосферы вагранки путём предварительной пропитки кокса раствором шамотной глиной или готовым плавильным продуктом (чугуном или шлаком), подтверждённый патентом РФ. Экономический эффект от внедрения данного способа в производство составляет 281474 руб/год (в ценах 1998 г.).

2. Разработан новый способ повышения эффективности вагранки, заключающийся в совместном использовании воздушной завесы загрузочного окна и горелки дожигания окиси углерода СО в уходящих газах вагранки. Экономический эффект от внедрения данного способа в производство составил 117429 рублей (в ценах 1998 г.).

3. Проведены экспериментальные исследования реакционной способности кокса как одного из основных факторов, влияющих на полноту и скорость протекания эндотермической реакции восстановления двуокиси углерода С02 углеродом кокса С до окиси углерода СО.

4. Определено влияние на реакционную способность кокса его пропитки разными веществами. Выявлено, что максимальной из испытанных веществ возможностью снижения реакционной способности кокса обладает водный раствор шамотной глины с соотношением масс глины и кокса примерно 0,3/1.

5. Разработано математическое описание, алгоритм и программа расчёта теплообмена в слое ваграночной шихты, состоящей из совокупности однослойных (чугунные чушки) и двухслойных (куски кокса с оболочкой) тел с учётом зависимости теплофизических свойств от температуры.

6. Вычислительные эксперименты, проведённые с использованием разработанной математической модели, выявили возможность снижения выбросов окиси углерода СО приблизительно на 10 % (относительных, при использовании оболочки из шамотной глины), и приблизительно на 63 % (относительных, при использовании чугунной оболочки), и расхода топлива приблизительно на 1 и 13 %, соответственно.

7. Адекватность разработанной математической модели проверена по результатам промышленных испытаний вагранок, установленных в литейном цехе АО "ИЗТС".

8. Проведены натурные испытания вагранок АО "ИЗТС" с применением новых способов снижения расхода топлива и выбросов окиси углерода СО.

9. Результаты диссертационной работы приняты отделом главного металлурга АО "ИЗТС" для практической реализации мероприятий по снижению расхода кокса и выбросов окиси углерода СО в атмосферу чугуноплавильными вагранками литейного цеха.

Ю.Комплекс программ для расчёта параметров теплообмена в слое ваграночной шихты принят вычислительным центром

Инженерно-Физического факультета для использования в учебном процессе студентами кафедры ТЭВП.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сидоров, Александр Валерьянович, 1999 год

Список литературы

1. Юдкин А.К., Сухарчук Ю.С. Плавка чугуна в вагранках. -М. Машиностроение, 1989. - 178 с.

2. Чаплыгин Ю.В., Еринов А.Е. Использование природного газа при плавке чугуна. - Киев.: Наукова Думка, 1976. - 288 с.

3. Михайлов A.M., Бауман Б.В., Благов Б.Н. Литейное производство: учебник для металлургических специальностей вузов. -2-е изд., перераб. и доп. - М.Машиностроение, 1987. - 256 с.

4. Сухарчук Ю.С., Юдкин А.К. Пути повышения эффективности использования кокса в вагранках // Литейное производство. - 1989. -№4. - С.23.

5. Ключников А.Д., Кузьмин В.Н., Попов С.К. Теплообмен и тепловые режимы в промышленных печах: Учебное пособие для вузов. -М.:Энергоатомиздат, 1990. - 176 с.

6. Гольцман В.И., Струков В.Н. Опыт работы блока вагранок с использованием тепла ваграночных газов для подогрева дутья // Литейное производство. - 1977. - №2. - С.40.

7. Об обезвреживании ваграночных газов / А.И.Резник,

B.И.Виноградов, Е.В.Рябко и др. // Литейное производство. - 1985. -№4. - С.29.

8. Очистка ваграночных газов в дезинтеграторе / Ф.Е.Дубинская, Н.А.Пантюхов, Г.Ф.Власова и др. // Литейное производство. - 1984. -№8. - С.32.

9. Еньков Е.В., Портнов A.A., Беляков Б,П. Горение СО в дымовой трубе вагранки // Литейное производство. - 1984. - №2. - С.29.

10. Качан А.Д., Пронин Б.П., Райхельсон Г.Р. Особенности ваграночной плавки с вторичным дутьем // Литейное производство.- 1981. - №5. -

C.6.

11. Ровин JI.E., Глазман Б.С. Экономия топлива при дожигании ваграночных газов // Литейное производство. - 1983. - №8. - С.32.

12. Райхельсон Г.Р., Смолянский A.C. Очистка ваграночных газов в системе "вторичное дутье - мокрый пылеуловитель" // Литейное производство. - 1983. - №1. - С.27.

13. Массунов Л.В., Пронин Б.П., Утевский Ю.И. Внедрение вторичного дутья // Литейное производство.- 1982. - №3. - С.27.

14. Ровин Л.Е., Закерничный В.И., Занимон В.Н. Система тонкой очистки ваграночных газов // Литейное производство.- 1982. - №4. -С.31.

15. Мачикин В.И., Дилоян А.Г., Сидоренко Г.Н. Плавка чугуна с вдуванием пылеугольного топлива в вагранку // Литейное производство. - 1985. - №5. - С.32.

16. Установка для дожигания окиси углерода в трубе вагранки / В.П.Бугаев, А.Д.Демченко, В.Д.Бурьян и др. // Литейное производство.- 1985. - №8. - С.32.

17. Сафронов H.H., Андронов В.Н. Об эффективности вдувания угольной пыли в горн вагранки // Литейное производство. - 1982. - №1. - С.29.

18. Опыт реконструкции и эксплуатации вагранок со вторичным дутьем / Д.М.Крымский, А.Т.Дарий, М.Б.Занверь и др. // Литейное производство. - 1979. - №3. - С.27.

19. Сафронов H.H., Герасимов Л.А., Шакин Н.И. Эффективность вдувания дополнительного топлива через фурмы вагранки // Литейное производство. - 1985. - №8. - С.28.

20. Опыт применения кислорода в ваграночной плавке / Е.В.Ковалевич, И.Н.Тимофеев, Е.В.Кривицкий и др. // Литейное производство. - 1985. - №8. - С.ЗО.

21. Опыт эксплуатации вагранок с расширенной зоной горения / И.Ф.Селянин, Г.Л.Маркс, Н.А.Кудрявцев и др. // Литейное производство. - 1989. - №1. - С.34.

22. A.c. 1775586 СССР, МКИ3 F27 Bl/OO. Способ плавки в вагранке. Опубл. в БИ №42, 1977.

23. A.c.582445 СССР, МКИ3 F27 В1/00. Коксовая вагранка. Опубл. в БИ №44, 1977.

24. Евтифеев И.А. Разработка энергосберегающих направлений повышения эффективности чугуноплавильного процесса на основе использования природного газа: дисс. на соиск. учен. степ, к.т.н. -Москва, 1987.-325 с.

25. Долотов Г.П., Кондаков Е.А. Конструкция и расчёт заводских печей и сушил. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - М. Машиностроение, 1973. -273 с.

26. Грачёв В.А., Чёрный A.A. Современные методы плавки чугуна. -Саратов.: Приволжское книжное издательство, - 1973. - 342 с.

27. Модернизация фурменного пояса вагранки / И.Ф.Селянин, Г.Л.Маркс,

B.И.Шараев и др. // Литейное производство. - 1982. - №5. - С.27.

28. Кадимов М.Н., Осипов A.A. Низконапорный скруббер Вентури для очистки ваграночных газов // Литейное производство. - 1977. - №6. -

C.37.

29. Снижение вредных выбросов из вагранок / А.А.Чёрный, В.А.Грачёв, В.А.Кузьмин и др. // Литейное производство. - 1976. - №5. - С.39.

30. Лазаренков A.M. Загрязнение окружающей среды выбросами литейных цехов // Литейное производство. - 1989. - №2. - С.28.

31. Каплуновский Ю.А., Семененко В.В., Цветков В.И. Совершенствование процессов ваграночной плавки чугуна // Литейное производство. - 1982. - №3. - С.2.

32. Кривицкий B.C. Об экологических проблемах литейного производства // Литейное производство. - 1998. - №1. - С.35.

33. Луконин A.B., Тарасова Т.А. Метод очистки газовоздушных выбросов литейного производства// Литейное производство. - 1995. - №2. - С.35.

34. Годунов С.К., Рябенький B.C. Разностные схемы (введение в теорию): Учебное пособие. - М.: Наука, - 1973. - 400 с.

35. Самарский A.A. Теория разностных схем. - 3-е. изд., испр. - М.:Наука, - 1989.-616 с.

36. Мариенбах Л.М. Металлургические основы ваграночного процесса. -М.:Машгиз, - 1960. - 327 с.

37. Анализ газов в химической промышленности / А.Н.Блаженнова, А.А.Ильинская, Р.Н.Рапопорт; Под редакцией М.М.Файнберга. - М.: Государственное научно-техническое издательство химической литературы, - 1954. - 328 с.

38. Коротин А.Н., Гнездов E.H., Сидоров A.B. Расчёт теплообмена в слоевых печах с учётом температурных полей элементов // Тезисы докладов международной научно-технической конференции "VIII Бенардосовские чтения". - Иваново, 1997. - С.223.

39. ЮдкинА.К. Автореферат диссертации на соискание учёной степени к.т.н. - М.:ЦНИИТМАШ, 1968.

40. Патент 2110741 РФ. Способ ведения плавки в вагранке /

A.Н.Коротин, Е.Н.Гнездов, А.В.Сидоров и др. // Опубл. в БИ №13, 1998.

41. Теплотехнические расчёты металлургических печей: Учебное пособие для вузов / В.С.Зобнин, М.Д.Князев, Б.И.Китаев и др. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.Металлургия, - 1982. - 360 с.

42. Казанцев Е.И. Металлургические печи. - 2-е издание, дополненное и переработанное. - М. Металлургия, - 1975. - 368 с.

43. ГОСТ 10089-73. Каменноугольный кокс. Определение реакционной способности. - М.:Издательство стандартов, 1994. - 224 с.

44. Расчёт нагревательных и термических печей: справочное издание /

B.М.Тымчак, М.М.Генкина, В.Л.Гусовский и др; Под редакцией В.М.Тымчака и В.Л.Гусовского. - М.Металлургия, - 1983. - 480 с.

45. Физические свойства сталей и сплавов, применяемых в энергетике: справочник. - М-Л.:Энергия, - 1967. - 240 с.

46. Совершенствование теплотехнологии ваграночной плавки с целью уменьшения расхода кокса и выбросов окиси углерода / Л.А.Бровкин, А.Н.Коротин, Е.Н.Гнездов и др. // Промышленная энергетика. - 1996. - №8. - С.50.

47. Гнездов E.H. Тепловой расчёт чугуноплавильной вагранки на ЭВМ: Учебное пособие / Иван, энерг. инст. им. В.И.Ленина. - Иваново: ИЭИ, 1991.-44 с.

48. Повышение энергетической и экологической эффективности теплотехнологических установок в машиностроении / Л.С.Крылова, Е.Н.Гнездов, А.В.Сидоров и др. // Тезисы докладов II Международной конференции "Новые методы и средства экономии энергоресурсов и экологические проблемы энергетики". - Москва, 1995. - С.240.

49. Тепло- и массообмен в плотном слое / Б.И.Китаев, В.Н.Тимофеев, Б.А.Боковиков и др. - М. Металлургия, - 1972. - 432 с.

50. Габерцеттель А.И., Коростиленко П.А. Плавка и разливка чугуна. -Ленинград. Машиностроение, - 1980. - 56 с.

51. Тепловая работа шахтных печей и агрегатов с плотным слоем / Я.М.Гордон, Б.А.Боковиков, В.С.Швыдкий и др. - ММеталлургия, -1989.- 120 с.

52. Шур А.Б., Шур Ю.А. Математическая модель для исследования динамических характеристик доменного процесса // Проблемы автоматизированного управления доменным процессом: Сборник научных трудов под ред. К.А.Шумилова. - Киев, 1977. - 152 с.

53. Н.М.Бабушкин, Б.А.Боковиков, В.И.Мойкин. Анализ тепловых процессов доменной плавки на основе математической модели / Металлургическая теплотехника, №8. - М.Металлургия, 1979. - 140 с.

54. Пожидаев О.И., Сухарчук Ю.С., Немцов JI.A. Работа вагранки с расширенной зоной горения // Литейное производство. - 1980. - №7. -С.7.

55. Китаев Б.И., Ярошенко Ю.Г., Сучков В.Д. Теплообмен в шахтных печах. - Свердловск. :Металлургиздат, - 1957. - 279 с.

56. Коротин А.Н., Гнездов E.H., Сидоров A.B. Снижение выбросов окиси углерода при ваграночной плавке // Труды международной конференции "Теплотехника и экология 1996". - Днепропетровск, 1996.-С.154.

57. Китаев Б.И., Ярошенко Ю.Г., Лазарев Б.Л. Теплообмен в доменной печи. - М. Металлургия, -1966. - 350 с.

58. Соловьёв П.В. FORTRAN для персонального компьютера: Справочное пособие. - М.:Арист, -1991. - 223 с.