Теплообмен в устройствах систем газоочистки конвертерных газов и усовершенствование системы водяного охлаждения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, кандидат технических наук Полеводова, Лариса Альбертовна

• Полеводова, Лариса Альбертовна
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Полеводова, Лариса Альбертовна

Введение.

Глава 1. Анализ тепловых и аэродинамических процессов газоотводящих трактов кислородных конвертеров.

1.1. Запыленность газов в период работы конвертера.

1.2. Очистка конвертерных газов.

1.2.1. Характеристика запыленности отходящих газов.

1.2.2. Схема мокрой газоочистки.

1.2.3. Схема газоотводящего тракта с мокрой очисткой газов конвертеров емкостью 300 тонн и более.Г.

1.3. Охлаждение конвертерных газов.

1.4. Расчет дисперсных характеристик распыливаемой жидкости.

1.5. Тепло-и массообмен между каплями распыленной жидкости.

1.5.1. Расчет температуры поверхности капли.

1.5.2. Расчет физико-химических свойств фаз.

1.5.3. Расчет температуры в процессе подвода тепла.

1.6. Процессы переноса при движении деформируемых частиц.

1.6.1. Сопротивление сферических частиц жидкости.

1.6.2. Распад капель в газовом потоке.

1.6.3. Центробежные форсунки.

1.7. Выводы по главе и постановка задачи исследования.

Глава 2. Математическое моделирование тепловых и аэродинамических процессов в высокотемпературном потоке газа.

2.1. Математическая модель движения капли воды в высокотемпературном газовом потоке.

2.2. Математическая модель прогрева капли воды с учетом испарения.

2.3. Выводы по главе.

Глава 3. Исследование теплообмена капель воды в системе газоочистки конвертерных газов.

3.1 Описание программы расчета траекторий движения капель воды.

3.2. Исследование траекторий движения одиночных частиц.

3.3. Выводы по главе.

Глава.4. Разработка инженерной методики расчета оптимальной расстановки распылителей.

4.1. Методика расчета оптимальной расстановки распылителей.

4.2. Определение количества конвертерных газов и воздуха.

4.3. Расчет охлаждения впрыском воды.

4.4. Разработка рекомендаций по совершенствованию систем газоочистки конвертерных газов.

4.4.1. Оценка упрощающих допущений. Неравномерность плотности орошений.

4.4.2. Оценки распада капель в газовом потоке.

4.5. Исследование распыливания жидкости в высокотемпературном потоке газа.

4.6. Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теплообмен в устройствах систем газоочистки конвертерных газов и усовершенствование системы водяного охлаждения»

Актуальность работы.

С освоением промышленных способов получения больших количеств дешевого кислорода (чистотой 99,5%) получили развитие методы производства стали с продувкой кислородом чугуна в конвертерах. Наиболее сложной проблемой является отвод, охлаждение и очистка газов, выделяющихся из кислородного конвертера в периоды кислородных продувок. Вместе с технологическим процессом совершенствуются кислородно-конвертерного производства и системы газоочистки кислородных конвертеров. Созданы и надежно работают разнообразные системы газоотводящих трактов, однако процессы отвода, охлаждения и очистки газов продолжают оставаться сложными и требуют значительных затрат труда и энергии.

Проблема защиты окружающей среды от загрязнений приобретает все большую актуальность в связи с активной деятельностью человека в области создания процессов и устройств, которые являются искусственными источниками загрязнений.

Наиболее актуальной задачей снижения вредных твердых выбросов в атмосферный воздух является создание новых и усовершенствование существующих систем очистки выбрасываемых отходящих газов различных технических устройств и, в частности, кислородных конвертеров.

Кислородно-конвертерный способ производства стали обладает многими преимуществами. Недостатком процесса является интенсивное образование запыленного газа. Очистка и предшествующее ей охлаждение газов, выходящих из кислородных конвертеров, продолжает оставаться основной из наиболее сложных проблем. Количество пыли, выносимой из конвертера, достигает 1,5% от металлошихты. Запыленность конвертерных газов достигает 200 г/м3. Поэтому очистка газов является обязательной. Допустимое содержание пыли в газах, выбрасываемых в атмосферу, составляет 100 мг/м3.

Охлаждение и очистка газов являются составными частями кислородно-конвертерного способа производства стали с продувкой чугуна технически чистым кислородом. Затраты на сооружение установок по охлаждению и очистке газов до санитарных норм, а также на их содержание весьма значительны.

Цель работы. Исследование процесса охлаждения газов в газоотводящем тракте кислородного конвертера и совершенствование на этой основе технологии, обеспечивающей снижение выбросов вредных веществ в атмосферу и снижение расхода энергоматериальных ресурсов. Научная новизна.

1. Разработана математическая модель движения капли воды в высокотемпературном газовом потоке газоочистки конвертера с учетом прогрева капли и испарения воды.

2. На основе реализации математической модели с учетом результатов экспериментальных исследований установлен характер влияния размеров капли воды и технических характеристик камеры охлаждения газоочистки конвертерных газов на траектории движения капель и динамику изменения их массы.

3. Получены соотношения, устанавливающие связь между конструктивными размерами камеры орошения и форсунками.

Практическая ценность. В результате проведенных исследований:

1. Разработана программа расчета для оценки и прогнозирования траекторий движения капель воды в высокотемпературном газовом потоке с учетом изменения массы за счет парообразования.

2. Разработана усовершенствованная методика расчета установки распылителей по сечению камеры орошения системы газоочистки кислородного конвертера.

Достоверность научных результатов работы подтверждены использованием фундаментальных законов тепломассопереноса, а также сопоставлением полученных результатов с данными других авторов.

Апробация работы и публикации. Результаты исследований и положения диссертации докладывались и обсуждались на: Международной научно-технической конференции «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства» (Череповец, ОАО «Северсталь», октябрь 2005), 33 Военно-научной конференции молодых специалистов института (Череповец, ЧВИИРЭ,2005г.), IV Всероссийской Научно-технической конференции «Вузовская наука - региону» (Вологда, ВоГТУ, февраль, 2006г.), XX ВНТК «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве», (Нижний Новгород, 2007г.).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 107 наименований и приложения. Объем диссертации 123 страницы машинописного текста, из

Заключение диссертации по теме «Промышленная теплоэнергетика», Полеводова, Лариса Альбертовна

6. Результаты работы переданы на ЧерМК ОАО «Северсталь» для использования на системах газоочистки кислородных конвертеров с целью снижения концентрации твердых вредных выбросов в отходящих газах кислородных конвертеров и снижения расхода охлаждающей воды.

Заключение.

1. Разработана математическая модель тепломассообмена капли воды, движущейся в системе газоочистки кислородных конвертеров с учетом ее прогрева и испарения и перегрева пара, при этом учитывается теплообмен конвекцией и излучением при Bi< 0,1 и Bi>0,l.

2. Разработана программа расчета траекторий движения капель воды в системе газоочистки кислородного конвертера с учетом Bi< 0,1, Bi>0,ln при переходе значения Bi>0,l на значение Bi< 0,1 для различных условий внешнего теплообмена.

3. В результате исследований тепломассообмена капли воды, проведенных по математической модели, установлены закономерности траекторий движения капель воды в системе газоочистки кислородных конвертеров в зависимости от размера капель и параметров окружающей среды.

4. Получены закономерности расчета конструктивных характеристик камеры орошения от конструктивных и технологических параметров форсунок.

5. Разработана усовершенствованная методика расчета распределения форсунок по поперечному сечению камеры орошения системы газоочистки кислородного конвертера. Разработаны рекомендации по повышению эффективности и снижению расхода воды при охлаждении газов в системе газоочистки кислородных конвертеров.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Полеводова, Лариса Альбертовна, 2010 год

1. Бережинский, А.И.Охлаждение и очистка газов кислородных конвертеров Текст. / А.И. Бережинский., А.Ф. Циммерман. — еталлургия, 1975. - 192с.

2. Мелихов, В.Г. Влияние технологических параметров на газовыделение по ходу плавки в 130-т кислородном конвертере Текст. / В.Г. Мелихов, Михневич Ю.Ф., Старов Р.В. и др.: // Сталь/ 1971. - №8. - С.702-705.

3. Кривандин, В.А. Металлургическая теплотехника Текст.: учебник для вузов в 2-х томах, т.2. Конструкция и работа печей / В.А. Кривандин., И.Н. Неведомская., В.В. Кобахидзе и др. М.: Металлургия, 1986. -592с.

4. Старк, С.Б. Пылеулавливание и очистка газов металлургии Текст. / С.Б. Старк.-М.: Металлургия, 1977.- 328с.

5. Андоньев, С.М. Пылегазовые выбросы предприятий горной металлургии Текст. / С.М. Андоньев, О.В.Филипьев. М.: Металлургия, 1973.- 199с.

6. Ромадин, В.П. Пылеприготовление Текст. / В.П. Ромадин М.: - Л.: Государственное энергетическое издательство, 1953.- 519с.

7. Померанцев, В.В. Основы практической теории горения Текст.: учебное пособие для вузов / под ред. В.В. Померанцева. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1986. — 312с.

8. Померанцев, В.В. Сборник задач по теории горения Текст.: учебное пособие для вузов / под ред. В.В. Померанцева Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1983. - 152с.

9. Вырубов, Д.Н. Теплоотдача и испарение капель Текст. / Д.Н. Вырубов //ЖТФ.- т.9. вып.21. 1939.- С. 1923-1931.

10. Кацнельсон, Б.Д. Исследование коэффициента теплоотдачи частиц в потоке газа нестационарных условиях Текст. / Б.Д. Кацнельсон, Ф.А. Агафонова.// Котлотурбостроение. 1948. - №5. - С. 16-22.

11. Романков, П.Г. Сушка во взвешенном состоянии Текст. / П.Г Романков, Н.Г. Рашковская. Л.: Химия, 1979. - 125с.

12. Муштаев, В.И. Сушка дисперсных материалов Текст. / Муштаев. В.И., Ульянов В.М. М.: Химия, 1988. - 352с.

13. Муштаев, В.И. Сушка в условиях пневмотранспорта Текст. / Муштаев В.И., Ульянов В.М., Тимохин А.С. М.: Химия, 1984.- 232с.

14. Романков, П.Г. Массообменные процессы химической технологии Текст. / Романков П.Г,, Фролов, В.Д. Л.: Химия, 1990. - 384с.

15. Фролов, В.Д. Моделирование сушки дисперсных материалов Текст. / В.Д.Фролов. Л.: Химия, 1987. - 208с.

16. Лыков, А.В. Теория теплопроводности Текст. / Лыков А.В. М.: Высшая школа, 1969. — 599с.

17. Нигматулин, Р.И. Основы механики гетерогенных сред Текст. / Нигматулин Р.И. М.: Наука, 1978. - 336с.

18. Кутателадзе, С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление Текст. / Кутателадзе С.С. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 367с.

19. Померанцев, В.В. Основы теории горения / под ред. В.В. Померанцева. Л.: Энергия, 1973. - 264с.

20. Кривандин, В.А. Металлургическая теплотехника т.1 Текст. / В.А. Кривандин, В.А. Арутюнов, Б.С. Мастрюков и др. — М.: Металлургия, 1986.-424с.

21. Синицын, Н.Н. Тепломассообмен капли воды, движущейся в высокотемпературном потоке газа Текст. / Синицын Н.Н. // Энергосбережение в теплоэнергетических системах: Мат. межд. научн.-техн.конф. Вологда: ВГТУ. - 2001. - С.43-45.

22. Синицын, Н.Н. Математическое моделирование движения капли в газовом факеле Текст. / Н.Н.Синицын, Е.Л.Никонова, Н.И.Шестаков // Повышение эффективности теплообменных процессов и систем: Мат. II межд. научн.-техн. конф., часть I.- Вологда. 2000, С.89-91.

23. Синицын, Н.Н. Тепломассообмен капли окалиномаслосодержащего шлама в низкотемпературном потоке газа: Текст. / Н.Н.Синицын // Энергосбережение в теплоэнергетических системах: Мат. межд. научн.-техн. конф. Вологда: ВГТУ. - 2001. С.49-51.

24. Синицын, Н.Н. Расчет теплообмена в распылительной камере установки разделения окалиномаслосодержащих шламов прокатных цехов Текст. / Н.Н. Синицын, О.В. Топоева, Г.М. Петрова // Изв. ВУЗов Черная металлургия. 2000. - №12. - 43с.

25. Синицын, Н.Н. Теплообмен одиночных капель в газовом потоке Текст. / Н.Н. Синицын, Н.И. Шестаков, Г.И. Шаров Череповец: ЧТУ, 2000. -138с.

26. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: справочник / под общ. ред. В.А.Григорьева В.М. Зорина М.: Энергоатомиздат, 1988.-566с.

27. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника Текст.: справочник / A.M. Бакластов, В.М. Бродянский, Б.П. Голубев и др. под общ. ред.В.А. Григорьева и В.М. Зорина. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 552с.

28. Синицын, Н.Н. Теплофизические процессы при движении одиночных частиц в газовом потоке Текст. / Синицын. Н.Н. Череповец: ЧГУ, 2001.-153с.

29. Плит, И.Г. Химическая технология Текст. / И.Г. Плит. Харьков, 1967. - вып.1. — С.109- 116.

30. Лыков, А.В. Тепло-и массообмен в процессах сушки Текст. / А.В. Лыков. ГЭЭП, Минск, 1956, - 532с.

31. Эккерт, Э.Р. Теория тепло-и массообмена Текст. / Э.Р. Эккерт, P.M. Дрейк М.: Госэнергоиздат, 1961. - 576с.

32. Пажи, Д.Г. Основы техники распыливания жидкостей Текст. / Пажи Д.Г., Галустов B.C. М.: Химия, 1984. - 256с.

33. Справочник по пыле- и золоулавливанию Текст. / под ред. А.А. Русанова М.: Энергия, 1975. - 296с.

34. Coy С. Гидродинамика многофазных систем Текст. / под ред. М.Е. Дейча, перевод с англ. М.: Мир, 1971. - 536с.

35. Левин, Л.М. Исследование по физике грубодисперсных аэрозолей Текст. / Л.М. Левин. М.: изд-во АН СССР, 1961. - 268с.

36. Фукс, Н.А. Механика аэрозолей Текст. / Н.А. Фукс. М.: Изд-во АН СССР, 1955.-352с.

37. Теплофизические свойства веществ Текст.: справочник / под ред. Н.Б. Ваграфтика, М.: Госэнергоиздат, 1956. - 73с.

38. Перри, Дж. Справочник инженера химика Текст. / Дж. Пери; перевод с англ. под ред. Н.М. Жаворонкова и П.Г. Романкова.- Л.: Химия, 1969.-т.1. 639с.

39. Рид, Р. Свойства газов и жидкостей Текст. / Рид Р., Шервуд Т, пер. с англ. Л.: Химия, 1969. - т. 1. - 98с.

40. Михеев, М.А. Основы теплопередачи Текст. / М.А. Михеев, И.М. Михеева. -М.: Энергия, 1973.- 319с.

41. Карслоу, Г. Теплопроводность твердых тел Текст. / Г. Карслоу, Д. Егер М.: Наука, 1964. - 487с.

42. Шорин, С.Н. Теплопередача Текст. / С.Н. Шорин. М.: Высшая школа, 1964.-490с.

43. Лыков, А.В. Тепломассообмен Текст.: справочник / А.В. Лыков 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия, 1978. - 480с.

44. Теория тепломассообмена Текст.: учебник для вузов / С.И. Исаев, И.А. Кожинов, В.И. Кофанов и др. Под ред. А.И. Леонтьева. М.: Высшая школа, 1979.- 495с.

45. Исаченко, В.П. Теплопередача Текст.: учебник для вузов / В.П. Исаченко, В.А.Осипова, А.С. Сукомел. — 4-е изд. перераб. и доп. -Энергоиздат, 1981.-416с.

46. Кутателадзе, С.С. Основы теории теплообмена Текст. / С.С. Кутателадзе. Новосибирск, Наука, Сибирское отделение, 1970. - 660с.

47. Михеев, М.А. Основы теплопередачи Текст. / М.А. Михеев. М.: Госэнергоиздат, 1956. - 392с.

48. Киржаев, М.В. Теплопередача Текст. / М.В. Киржаев, М.А. Михеев, JI.C. Эйгенсон. M.-JL: Госэнергоиздат, 1940.- 242с.

49. Краснощеков, Е.А. Задачник по теплопередаче Текст. / Е.А. Краснощеков, А.С. Сукомел -М.: Энергия, 1980.-288с.

50. Солодов, А.П. Практикум по теплопередаче Текст.: учебн. пос. для вузов / А.П. Солодов, Ф.Ф. Цветков, А.В. Елисеев, В.А. Осипова. 4-е изд., перераб. под ред. А.П. Солодова. М.: Энергоатомиздат, 1986. — 296с.

51. Андреев, Е.И. Механизм теплообмена газа с жидкостью Текст. / Андреев Е.И. — JL: Энергоатомиздат, Ленинград, отд-ние, 1990. 166с.

52. Долинский, А.А. Оптимизация процесса распылительной сушки Текст. / А.А. Долинский, Г.К. Иваницкий. Киев: Наукова Думка, 1984.-240с.

53. Долинский, А.А. Кинетика и технология сушки распылением Текст. / А.А. Долинский, К.Д. Мелецкая, В.В. Шморгун. Киев: Наукова Думка, 1987.-224с.

54. Муштаев, В.И. Конструирование и расчет аппаратов со взвешенным слоем Текст.: учебное пособие для вузов / В.И. Муштаев, А.А. Тимохин, В.Я. Лебедев: М.: Химия, 1991. - 344с.

55. Левич, В.Г. Физико-химическая гидродинамика Текст. / В.Г. Левич. — Изд-во АН СССР, 1952. 283с.

56. Хогланд, Ж. Ракетная техника Текст. / - Ж. Хогланд, 1962. - №5. -С.3-16

57. Галустов, B.C. К выбору управления для расчета коэффициента сопротивления в моделях динамики дисперсных систем Текст. / B.C. Галустов. и др. -182с. Рук. деп. №551-ХП-Д80.

58. Салтанов, Г.А. Сверхзвуковые двухфазные течения Текст. / Г.А. Салтанов Минск, 1972. - 476с.

59. Борисов, А.А. Текст. /, Борисов, А.А. и др. // ИФЖ. 1981. - ф.40- №1. - С.64-70.

60. Дитякин, Ю.Ф. Распыление жидкостей Текст. / Ю.Ф. Дитякин, Л.А. Клячко, Б.В. Новиков, В.И. Ягодкин.- М.: Машиностроение, 1977. — 208с.

61. Кузнецов, Н. В. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод) Текст. / Н. В. Кузнецов и др., 2-е изд. М.: Энергия, 1973. -295с.

62. Промышленные печи Текст.: справочное руководство для расчетов и проектирования / Казанцев Е.Н., 2-е изд. доп. и перераб. М.: Металлургия, 1974. — 368с.

63. Тихонов, А.Н. Уравнения математической физики Текст.: учебное пособие / А.Н.Тихонов, А.А.Самарский. 4-е изд., испр. М: Наука, 1972.-736с.

64. Самарский, А.А. Теория разностных схем Текст. / А.А. Самарский. — М.: Недра, 1977.- 450с.

65. Калиткин, Н.Н. Численные методы Текст.: учебное пособие для вузов / под ред. А.А. Самарского. М.: Наука, 1978. - 512с.

66. Каллац, JI. Численные методы решения дифференциальных уравнений Текст. / JI. Каллац; пер. с нем. B.C. Рябенького и JI.A. Чудова. М.: Изд-во иностр. лит., 1953. - 460с.

67. Мак-Кракен, Д. Численные методы и программирование на фортране Текст. / Д. Мак-Кракен, У. Дорн. изд. второе, стереотипное. — М.: Мир, 1977.-584с.

68. Пасконов, В.М. Численное моделирование процессов тепло-и массообмена Текст. / В.М. Пасконов, В.И. Полежаев, JI.A. Чудов. М.: Высшая школа, 1984. - 186с.

69. Пейре, Р. Вычислительные методы в задачах механики жидкости Текст. / Р.Пейре, Т. Л Тейлор. М.:Мир, 1986. - 256с.

70. Будак, Б.М. Численные методы в газовой динамике Текст. / Б.М. Будак, Ф.П. Васильев, А.Т. Егоров, 4-е изд. МГУ, 1965. - 158с.

71. Никитенко, Н.И. Исследование нестационарных процессов тепло-и массообмена методом сеток Текст. / Н.И. Никитенко. Киев. Наукова Думка, 1971.-208с.

72. Четверушкин, Б.Н. Математическое моделирование задач динамики излучающего газа Текст. / Б.Н. Четверушкин. М.: Наука, 1985. -304с.

73. Турчак, Л.И. Основы численных методов Текст.: учеб. пособие для студ. высших уч. зав. / Л.И.Турчак, П.В.Плотников. — М.: Физматлит, 2003.-258с.

74. Рябенький, B.C. Введение в вычислительную математику Текст.: уч. пособие для студ. Вузов / Рябенький B.C. М.: изд. фирма Физико-математическая литература, ВО Наука, 1994. — С.209-212.

75. Корн, Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров Текст. / Г. Корн, Т. Корн; перевод с англ. под ред. И.Г.Абрамовича — изд. второе — М.: изд-во Наука, главная редакция физико-математической лит-ры, 1970.- 300с., 608с.

76. Синицын, Н.Н. Математическая модель температурного поля шаровой оболочки при граничных условиях первого и третьего рода Текст. /

77. Н.Н. Синицын, И.П. Дьячкина, JI.A. Полеводова, С.Г. Козлова, В.Н. Козлов // Череповец: ЧТУ, 2000. - Юс. - Деп. в ВИНИТИ 29.12.00, №3329-ВОО.

78. Джеффрис, Г. Методы математической физики Текст. / Г. Джеффрис, Б. Свирс. М.: Мир, 1969. - 412с.

79. Дейч, М.Е. Техническая газодинамика Текст. / М.Е. Дейч — М.: Энергия, 1974.- 247с.

80. Лойцянский, Л.Г. Механика жидкости и газа Текст. / Л.Г. Лойцянский. -М.: Наука, 1970.-456с.

81. Полеводова, Л.А. Исследование траекторий движения капли воды с учетом фазовых переходов в системе газоочистки кислородного конвертера Текст. / Н.Н.Синицын, Л.А. Полеводова. // Вести высших учебных заведений Черноземья.- Липецк,- 2006 С.88-92.

82. Полеводова, Л.А. Результаты исследования траекторий движения одиночных капель воды с учетом их массы в системе газоочистки кислородного конвертера Текст. / Н.Н.Синицын, Л.А. Полеводова. // Вестник ЧТУ.- 2007.- №3 С. 121-125.

83. Теория турбулентных струй Текст. / Г.Н. Абрамович, Т.А. Гиршович, С.Ю. Крашенинников и др. М.: Наука, 1984. - 720с.

84. Абрамович, Г.Н. Теория турбулентных струй Текст. / Г.Н. Абрамович.

85. М.: физматгиз, 1960. — 716с.

86. Пажи, Д.Г. Распылители жидкости Текст. / Д.Г. Пажи, B.C. Галустов. -М.: Химия, 1979.- 216с.

87. Юб.Анискин, С.В. Охрана окружающей среды от загрязнения промышленных выбросов в ЦБП Текст.: сб. науч. тр. / С.В. Анискин.- ЛТА, 1978, вып.6 С. 165-168.

88. Абрамович, Г.Н. Теория центробежной форсунки Текст. / Г.Н. Абрамович // Промышленная аэродинамика: БНТ ЦАГИ, 1944. - с.82-88.

89. Клячко, Л.А. К теории центробежной форсунки Текст. / Л.А. Клячко. // Теплоэнергетика, 1962. №3. - С.25-27.

90. Хавкин, Ю.И. Центробежные форсунки Текст. / Ю.И. Хавкин. Л.: Машиностроение, 1976. - 168с.