CC BY
35П. А. Трубаев, д-р техн. наук, доц. Белгородский государственный технологический университет
им. В. Г. Шухова
ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ ПРОИЗВОДСТВА СИЛИКАТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Рассмотрены задачи энерготехнологического анализа высокотемпературных теплотехнологи-ческих агрегатов. Приведены задачи и их взаимосвязь при комплексном исследования процессов преобразования сырья и теплообмена в цементной вращающейся печи.
Технология производства строительных материалов на основе силикатных соединений (цемента, стекла, керамики, огнеупоров и др.) заключается в высокотемпературной обработке специально приготовленных сырьевых смесей в обжиговых агрегатах.
Высокий уровень сложности технологии обусловлен тесной взаимосвязью протекающих в одном аппарате тепломассообменных, физико-химических и химических пр оцессов. На теплотехнические процессы и тепловой режим в печах производства силикатных материалов оказывают существенное влияние свойства перерабатываемого сырья, его энергетическая ценность и степень изменения энтальпии и внутренней энергии на разных стадиях высокотемпературной обработки.
В современных условиях задача изучения и интенсификации процессов в печи с учетом свойств обрабатываемого материала приобрела особую актуальность. Изменившиеся экономические условия, выработка запасов традиционного сырья, применение техногенного сырья, увеличение выпуска специальной продукции приводят к изменению традиционных составов сырьевых смесей и значительному изменению свойств перерабатываемого материала. Но применяемые в настоящее время методы расчета свойств материалов и теплообмена в печах ориентированы на традиционную сырьевую б азу и используют применимые только к ней методы анализа, расчета и усредненные теплотехнические и теплофизические константы.
Можно сделать вывод, что для оптимизации, интенсификации и управления процессами в высокотемпературных аппаратах производства строительных материалов необходимо на позициях системного анализа в системах с распределенными параметрами рассматривать взаимосвязанные и взаимообусловленные процессы «выделение тепла из источника энергии» - «перенос тепла теплоносителем» -«теплопередача к материалу» - «перенос тепла внутри материала» - «преобразование тепловой энергии в химическую и внутреннюю энергию материала». Решение такой задачи традиционными методами теплотехники и теплотехнологии, рассматривающими
отдельные процессы, в полной мере выполнить невозможно [1, 2].
Рассмотрим причину этого. К теплотехнике относятся вопросы получения и использования тепловой энергии, а к теплотехническим процессам - термодинамика и механика газов, теплообмен и горение топлива [3, 4], рассматриваемые отдельно. Теплотехнологией является получение продукции на основе изменения теплового состояния исходных веществ [5, 6]. Согласно работе [5], цель теплотехнологического процесса - подвод теплоты для нагрева исходных материалов до температуры физических или химических превращений и их проведения в соответствии с заданным тепловым или температурным режимом. Получение силикатных строительных материалов в промышленных печах нельзя однозначно отнести к теплотехнике или теплотехнологии. Так, например, процесс обжига клинкера не поддается однозначной теплотехнической классификации, классификации по температурным и тепловым графикам и виду обжига, произведенной в работе [5].
В работе [7] изучение взаимосвязи и взаимообусловленности технологических и термодинамических (энергетических) процессов отнесено к области энерготехнологии. Поэтому можно говорить об энерготехнологической работе высокотемпературных аппаратов для получения строительных материалов, и в частности цементной печи, рассматривая все виды преобразования материала и энергии (теплоты и внутренней энергии веществ) внутри них. Основой энерготехнологического анализа является комплексный подход к изучению высокотемпературных процессов и аппаратов с использованием методов системного анализа, термодинамики и теплотехники. Энерготехнологический анализ относится к о бласти энергетики теплотехнологии, которая на основе комплексного межотраслевого подхода позволяет решать задачи интенсификации теплотехнических и теплотехнологических пр оцессов, внедрения энергосберегающих технологий, совершенствования схем технологических процессов и конструктивных элементов высокотемпературных аппаратов, определения оптимальных тепловых режимов эксплуатации печей и теплообменных аппаратов [5].
Научно-технические проблемы
Методология и информационные средства технологических и теплотехнических расчетов, оптимизации и интенсификации в условиях использования техногенного и нетрадиционного сырья и выпуска специальной продукции
Информационные средства анализа и контроля производственных процессов
Методология энергос бережения и интенсификации
Сравнительный анализ аппаратов и производственных режимов
Расчет материального и теплового баланса теплотехнол огиче ских агрегатов
(модель со сосредоточенными параметрами)
Расчет материального и теплового баланса теплотехнологических агрегатов в условиях недостаточной контрольной (исходной) информации
Методика анализа теплового режима печей по температуре внешней поверхности корпуса
Методика расчета теплопотерь через корпус вращающихся печей
Расчет тепловых балансов последовательных стадий преобразования исходных материалов при их тепловой обработке
Расчет материального баланса последовательных стадий преобразования материалов при их тепловой обработке_
Расчет материального баланса теплотехнологической установки с учетом минерального состава исходного сырья и получаемых продуктов
Расчет материального баланса теплотехнологической установки с учетом ввода в печь нескольких сырьевых потоков_
Методологическое обеспечение теплотехниче ских и технологических расчетов
Методика оценки термодинамической эффективности процесса преобразования исходного сырья >и его тепловой обработке
Методика расчета теплового
ЮРбр!
База данных расчета термодинамических свойств соединений технологии силикатных материалов
Методы расчета химической эксергии с учетом состава окружающей среды, характерного для технологического процесса
Методика и информационно-методическое обеспечение определения теплопроводности клинкерных гранул при высоких температурах методом решения обратной задачи
Тепловой расчет последовательного преобразования материала (модель с распределенными параметрами)
Методология оптимизации многокомпонентных систем для улучшения термодинамических характеристик их высокотемпературного преобразования
I_
Расчет теплообмена в высокотемпературных аппаратах (модель с распределенными параметрами)_
_
Объектная модель обобщенного описания характеристик смесей и систем и методов расчета
Численный метод оптимизации многокомпонентных смесей и систем в симплексной системе координат при наличии ограничений, наложенных на переменные, и снижении степени свободы системы_
Методы преобразования ограничений на состав многокомпонентных материалов
Методы математического описания локальных областей
Формализация расчета и корректирования сырьевых смесей
Разработка модульных характеристик, описывающих теплофизические и термодинамические свойства систем
Методологическое обеспечение расчета и оптимизации многокомпонентных систем
Позонный расчет теплообмена в печи
Модель газодинамики и теплообмена в слое гранул с принудительной фильтрацией через него воздуха
шш
Коэффициент теплопроводности цементного клинкера
Модель процесса теплопроводности в многокомпонентных материалах
Идентификация | модели для цемент-
1ных сырьевых смесей и клинкера
Идентификация модели для огнеупорных материалов
Разработка обобщенного вида модели теплопроводности в многокомпонентном материале на основании анализа численной модели теплопроводности
п
Численное моделирование процесса нестационарной теплопроводности в гранулированном материале
Математическое моделирование теплотехнологических процессов
Теплогехничес- Экспериментальная установка некие испытания следования газодинамики и теп-промышленных лообмена в слое гранул с прину-агрегагов дительной фильтрацией воздуха
Исследование заводских и лабораторных гранул при температурах до 1000°С
Экспериментальная установка исследования теплопроводности методом плоского слоя
Экспериментальная установка исследования теплопроводности методом цилиндрического слоя
Экспериментальное определение зависимости теплопроводности от пористости
Экспериментальные исследования
Рис. Задачи и их взаимосвязь в энерготехнологическом анализе высокотемпературных процессов технологии силикатных материалов
Предлагаемый подход является одним из направлений не имеющей аналога в российской и мировой науке методологии изучения взаимосвязи теплотехнических и физико-химических процессов, развиваемой в работах В. К. Классена [8].
На рисунке предлагается один из способов энерготехнологического анализа высокотемпер атурных теплотехнологических агрегатов, целью которого является создание научной базы технологий энергосбережения и интенсификации теплотехнологических процессов производства силикатных материалов, ориентированных на возможное изменение традиционной сырьевой базы. Решенные в рамках этого подхода задачи комплексного исследования работы цементной вращающейся печи, моделирования взаимосвязанных процессов преобразования сырья и теплообмена, оценки влияния отдельных процессов на эффективность процесса обжига изложены в монографиях [9, 10]. Актуальность представленных исследований определена тем, что большинство выполненных работ в этой области посвящено решению отдельных задач. Существующие методы и средства теплотехнических и термодинамическихрасчетов, анализа и оптимизации не отвечают условиям современного производства и не могут определять пути решения научных и технических проблем, связанные с дефицитом природного сырья и снижением энергозатрат при сохранении
высокого качества продукции. Поэтому проводимая работа ориентирована на восполнение пробела в научных исследованиях и разработку методологической базы информационных систем обжига цементного клинкера и других силикатных материалов.
Наиболее существенными в работе являются следующие новые результаты.
1. Разработаны методы расчета и оптимизации многокомпонентных силикатных сырьевых смесей и систем, обеспечивающие возможность расчета и оптимизации смесей с неограниченным числом компонентов и произвольно составляемым набором требований к ним, учитывающие изменение минерального состава сырья и продукции и использование техногенных материалов.
2. Предложены методы теплотехнического анализа промышленных аппаратов, учитывающие состав и свойства обжигаемого сырья и применение техно генных материалов, позволяющие определять способы энергосбережения и повышения эффективности произв одств а при теплотехнических испытаниях и в усло -виях действующего производства.
3. Впервые экспериментально определены коэффициенты теплопроводности обжигаемого в печи слоя материала и цементного клинкера, установлена зависимость коэффициента теплопр ов одности от темпер ату-
ры и состава материала, что позволяет более надежно осуществлять прогнозы протекания теплотехнических процессов.
4. В результате экспериментального исследования впервые определены зависимости коэффициента аэродинамического сопротивления и критерия Нуссельта от критерия Рейнольдса в аппаратах с колосниковыми решетками. Разработан метод численного решения уравнений математической модели теплообмена при принудительной фильтрации воздуха через засыпку из гранул, учитывающий распределенность параметров и неравномерность слоя на движущихся колосниках, что позволяет более точно моделировать работу промышленных аппаратов.
5. Разработана обобщенная методология теплового, термодинамического и эксергетического анализа процессов и аппаратов технологии силикатных строительных материалов, основанная на едином описании тепловых, термодинамических и теплофизических свойств перерабатываемых материалов, что позволило решить задачи повышения эффективности процесса преобразования сырьевых материалов в продукты с учетом минералогического состава сырья и минералогического состава получаемого продукта.
Результаты нашли применение в информационных средствах анализа теплотехнологических процессов производства строительных материалов: проектировании многокомпонентных сырьевых смесей; моделиро-в ании теплов ой раб оты цементной вр ащающейся печи и колосникового холодильника; термодинамической базе данных и расчетов для анализа процессов получе-
ния силикатных строительных материалов. Это позволяет решать задачи энергосбережения и интенсификации действующего производства, повышает уровень проектных исследований при создании новых производств , используется при подготовке и повышении кв а-лификации кадр ов цементной пр омышленности и про -мышленности стройматериалов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кафаров, В.В. Системный анализ процессов химической технологии. Основы стратегии / В. В. Кафаров, И. Н. Дорохов. -М.: Наука, 1976. - 499 с.
2. Хакен, Г. Синергетика / Г. Хакен. - М.: Мир, 1980. - 404 с.
3. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент / Под общ. ред. В. А. Григорьева, В. М. Зорина. -М.: Энергоатомиздат, 1988. - 560 с.
4. Воробьев, Х. С. Теплотехнические процессы и аппараты силикатных производств / Х. С. Воробьев, Д. Я. Мазуров, А. А. Соколов. - М.: Высш. шк., 1962. - 420 с.
5. Высокотемпературные теплотехнологические процессы и установки / Под. ред. А. Д. Ключникова. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 336 с.
6. Рыкалин, Н.Н. Высокотемпературные теплофизические процессы. Теплофизические основы / Н. Н. Рыкалин, А. А. Углов, Л. М. Анищенко. - М.: Наука, 1986. - 171 с.
7. Чечеткин, А.В. Теплотехника / А. В. Чечеткин, Н. А. Зане-монец. - М.: Высш. шк., 1986. - 344 с.
8. Классен, В.К. Обжиг цементного клинкера / В. К. Классен. -
Красноярск: Стройиздат, 1994. - 323 с.
9. Беседин, П.В. Исследование и оптимизация процессов в технологии цементного клинкера / П. В. Беседин, П. А. Трубаев.
- Белгород: Изд-во БелГТАСМ: БИЭИ, 2004. - 420 с.
10. Беседин, П.В. Энерготехнологический анализ процессов в технологии цементного клинкера / П. В. Беседин, П. А. Трубаев.
- Белгород: Изд-во БГТУ им. В. Г. Шухова: БИЭИ, 2005. -460 с.
