CC BY
13
УДК (669-97):66.099.2 DOI: 10.17213/0321-2653-2015-4-81-84
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ БАРАБАННОГО АГРЕГАТА ГОРЯЧЕГО ОКОМКОВАНИЯ
DEFINITION OF DESIGN PARAMETERS OF THE DRUM UNIT
HOT PELLETIZING
© 2015 г. Е.С. Каменецкий, Г.И. Свердлик, Н.С. Орлова, В.Н. Хостелиди
Каменецкий Евгений Самойлович - д-р физ.-мат. наук, Kamenetsky Evgeny Samoylovich - Doctor of Physics and доцент, зав. отделом математического моделирования, Mathematics Sciences, assistant professor, head of the depart-ФГБУН Южный математический институт Владикавказ- ment of mathematical modeling, South mathematical institute ского научного центра РАН и Правительства Республики of VSC RAS and RNO-A, professor, department «Automated Северная Осетия-Алания, профессор, кафедра «Автомати- Data Processing», North Caucasus Mining and Metallurgical зированная обработка информации», Северо-Кавказский Institute (State Technological University). Vladikavkaz, Russia. горно-металлургический институт (Государственный техно- Ph. (8672) 53-22-61(office), (8672) 53-21-00 (fax). E-mail: логический университет), г. Владикавказ, Россия. Тел. esk@smath.ru (8672) 53-22-61, (8672) 53-21-00 (факс). E-mail: esk@smath.ru
Свердлик Григорий Иосифович - д-р техн. наук, профессор, Sverdlik Grigory Iosifovich - Doctor of Physics and Mathemat-кафедра «Технологические машины и оборудование», Севе- ics Sciences, professor, department «Manufacturing Machinery ро-Кавказский горно-металлургический институт (Государ- and Equipment», North Caucasus Mining and Metallurgical ственный технологический университет), г. Владикавказ, Institute (State Technological University). Vladikavkaz, Russia. Россия. Тел. (8672)40-73-58. E-mail: Grigory. Sverdlik@ Ph. (8672)40-73-58. E-mail: Grigory.Sverdlik@gmail.com gmail.com
Орлова Наталья Сергеевна - канд. техн. наук, научный Orlova Natalya Sergeevna - Candidate of Technical Sciences, сотрудник, ФГБУН Южный математический институт Researcher, South mathematical institute of VSC RAS and Владикавказского научного центра РАН и Правительства RNO-A, assistant, department «Automated Data Processing», Республики Северная Осетия-Алания (ЮМИ ВНЦ РАН и North Caucasus Mining and Metallurgical Institute (State РСО-А), ассистент кафедры «Автоматизированная обработ- Technological University). Vladikavkaz, Russia. Ph. (8672)53-ка информации», Северо-Кавказский горно-металлургичес- 55-72, (8672) 53-21-00 (факс). E-mail: norlova.umi.vnc@ кий институт (Государственный технологический универси- gmail.com тет), г. Владикавказ, Россия. Тел. (8672)53-55-72, (8672) 5321-00 (факс). E-mail: norlova.umi.vnc@ gmail.com
Хостелиди Виктор Николаевич - учебный мастер, кафедра Khostelidi Viktor Nikolaevich - master training, department «Технологические машины и оборудование», Северо- «Manufacturing Machinery and Equipment», North Caucasus Кавказский горно-металлургический институт (Государст- Mining and Metallurgical Institute (State Technological венный технологический университет), г. Владикавказ, University). Vladikavkaz, Russia. Ph. (8672)40-73-58. Россия. Тел. (8672)40-73-58.
Рассматривается агрегат горячего окомкования, совмещающий процессы окомкования и обжига окатышей, который позволяет сократить число агрегатов и повысить качество окатышей за счет отсутствия разрушения их части при транспортировке (особенно при перегрузке). На основе результатов теоретического и экспериментального исследования распределения температуры на поверхности материала была разработана методика расчета температурного поля с целью определения рекомендуемых параметров конструкции агрегата, в частности числа горелок и расстояния между ними. На основе разработанной методики расчета температуры на поверхности сыпучего материала определены параметры конструкции барабанного агрегата горячего окомкования.
Ключевые слова: методика расчета; газовая горелка; барабанный агрегат горячего окомкования; лучистый теплообмен; футеровка агрегата.
The hot pelletizing unit, combining the processes of pelletizing and sintering pellets, which reduces the number of components and improve the quality of the pellets due to the absence of destruction parts for transportation (especially during overload) is considered. The method of calculation of the temperature field was developed on the basis of theoretical and experimental study of the temperature distribution on the surface of the material. The method allow to determine the recommended design parameters of the unit, in particular the number of burners and the distance between them. Design parameters of the drum unit hot pelletizing were defined using the methodology of calculation of temperature on the surface of the bulk material.
Keywords: methodology for calculation; gas burner; drum unit hot palletizing; radiative heat transfer; lining unit.
Агрегат горячего окомкования [1], совмещающий сократить число агрегатов и повысить качество ока-процессы окомкования и обжига окатышей, позволяет тышей за счет отсутствия разрушения их части при
транспортировке (особенно при перегрузке). Определяющее значение для создания в агрегате температурных зон рекомендуемой последовательности технологических операций: получения сырых окатышей, сушки, подогрева, обжига и охлаждения, - имеет число горелок и их расположение. При проектировании такого агрегата возникает задача разработки конструкции устройства для сжигания топлива, находящегося внутри барабана. Для выбора рекомендуемого числа горелок и расстояния между ними требуется разработка методики расчета температурного поля внутри агрегата и, особенно, в зоне расположения блока горелок.
На основе результатов теоретического и экспериментального исследования распределения температуры на поверхности материала была разработана методика расчета температурного поля с целью определения рекомендуемых параметров конструкции агрегата [2, 3]. В этих работах представлены результаты сравнения расчетов распределения температуры, полученных с использованием методики, с экспериментальными данными. Было установлено, что методика дает вполне удовлетворительные результаты. В связи с этим она используется для проектирования агрегата.
Известно, что материал, в основном, нагревается от потока энергии, излучаемого факелом. Материал также частично нагревается от футеровки агрегата, которая, в свою очередь, нагревается в результате излучения факела. В работе [4] указано, что количество теплоты, аккумулированное футеровкой и затраченное на нагрев материала, в среднем составляет около 10 % от потока энергии, излучаемого факелом на поверхность материала. Предполагалось, что с нагреваемой поверхности материала осуществлялся теплоотвод в газы, движущиеся в агрегате [2, 3]. В связи с этим можно записать стационарное уравнение:
Qlp + 0,Щр =а(ТР -Тв)FP, (1)
где QlP - поток излучения, падающий от эффективной поверхности факела на элементарную площадку Р поверхности материала; FP - площадь элементарной площадки; а - коэффициент теплоотдачи за счет конвекции. Второй член в левой части уравнения (1) -поправка, учитывающая нагрев материала от футеровки.
Следует отметить, что круговое движение барабана агрегата с низкой частотой вращения и движение материала вдоль барабана при малых скоростях не должно значительно влиять на распределение температуры.
Поток излучения, падающий от поверхности конечных размеров на элементарную площадку Р (рис. 1), можно определить по следующей формуле [2 - 4]:
йр = & ф р; (2)
где й1 - поток излучения, излучаемый поверхностью конечных размеров в окружающее пространство [4 -9]; ф1Р - локальный угловой коэффициент излучения.
Предполагалось, что ось факела, который моделируется в виде цилиндра малого диаметра [4], и поверхность материала расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, поэтому для определения локального углового коэффициента использовалась следующая формула [2, 4]:
Ър ^-^hfsin2 Pi "sin2 Р2), (3)
2л2 xly '
где р1 - р2 = р. Геометрические построения для определения локального углового коэффициента излучения представлены на рис. 1. Вывод формулы (3) представлен в работе [4].
Более подробное описание всех членов и коэффициентов, входящих в уравнения (1) - (2), представлены в работах [2 - 4].
На рис. 1 x - минимальное расстояние от точки A (центра элементарной площадки P) до оси цилиндра; l - длина факела (соответствует высоте цилиндра), м; Р - угол, в пределах которого источник излучает в точку .4, рад.
о
Рис. 1. Геометрические построения для определения локального углового коэффициента излучения линейного источника на элементарную площадку при их нахождении во взаимно перпендикулярных плоскостях
В уравнении (1) неизвестными являются температура на поверхности элементарной площадки ТР и температура воздуха Тв.
Так как газы в барабане движутся вдоль трубы, целесообразно считать температуру газов в области от входной границы до первой горелки температурой атмосферы, которую в дальнейшем будем принимать равной Тв = 20 оС. В области непосредственно под горелкой и от первой горелки до следующей температуру Тв можно считать как температуру смеси продуктов горения факела и воздуха в барабане. Для определения температуры смеси решалось следующее уравнение:
СсмТф! V + ^вст) + свТв V -Квст) = ссмТсм1 V +УВ), (4)
где ссм - средняя теплоемкость смеси продуктов горения топлива и воздуха; св - средняя теплоемкость воздуха; Тф1 - температура факела первой горелки;
Тв - температура окружающего воздуха (Тв = 20 оС); Квст - объемный расход воздуха, затрачиваемый на поддержание горения топлива; Ув - объемный расход воздуха в барабане с учетом коэффициента заполнения материалом (15 - 20 % от сечения барабана). Следует отметить, что часть объемного расхода воздуха в барабане ¥в затрачивается на поддержание горения топлива. Предполагается, что эта часть может быть определена из стехиометрического соотношения, т.е. происходит полное сгорание топлива. Коэффициент стехиометрии для пропана равен 23,8, т.е. для сгорания 1 м3 пропана теоретически необходимо 23,8 м3 воздуха (таким образом, ¥вст = 23,8Кт). Известно, что максимально возможная температура, развиваемая при полном горении пропана в теоретически необходимом для горения количестве воздуха без предварительного подогрева воздуха и топлива, равна 2100 оС. В связи с этим, так как в качестве топлива, в основном, используется пропан, будем считать температуру факела равной 2100 оС. Из уравнения (4) можно рассчитать температуру смеси продуктов горения первого факела и воздуха Тсм1 в барабане. Значение Тсм1 можно использовать в качестве Тв при расчете температуры на поверхности материала ТР в области непосредственно под первой горелкой и от нее до второй горелки, используя уравнение (1).
В области под второй горелкой и от второй горелки до следующей горелки температуру Тв можно считать как температуру смеси продуктов горения первого факела, воздуха и продуктов горения второго факела. Поэтому в уравнении (4) вместо Тв используется Тсм1.
Таким же образом рассчитывается температура смеси в остальных областях (если добавить еще горелки), в том числе в последней области (от последней горелки до выходной границы). Соответственно, для расчета температуры смеси в области под третьей горелкой и от нее до следующей (четвертой) в уравнении (4) вместо Тв будет использоваться Тсм2 и т.д. Затем эти значения температуры применяются для расчета температуры на поверхности нагреваемого материала в каждой области.
С использованием указанной методики расчета температуры на поверхности нагреваемого материала, зная примерный диапазон значений температуры в каждой зоне агрегата, были определены конструктивные параметры агрегата, количество газовых горелок, обеспечивающих необходимое распределение температуры, их месторасположение в агрегате, а также параметры горелок.
На основе разработанной методики был создан программный комплекс. Результаты вычислений, полученные с использованием программного комплекса, позволили определить параметры конструкции агрегата. На рис. 2 представлено распределение температуры на поверхности материала вдоль барабанного агрегата. Цифрами 1, 2, ..., 5 обозначено расположение горелок вдоль агрегата. Кривая 1 на рис. 2 - усредненная кривая для выполнения особенностей технологического процесса: медленного повышения температуры при сушке (чтобы не было растрескивания) и постоянство температуры в зоне обжига [10]. Кривая 2 - результаты расчетов, полученные с использованием разработанной методики.
Рис. 2. Распределение температуры на поверхности материала в барабанном агрегате
Как видно из рис. 2, результаты расчетов хорошо соответствуют рекомендуемым значениям температуры на поверхности материала в каждой зоне.
Длина барабанного агрегата L принята равной десяти диаметрам (внутренний диаметр барабана D в расчетах равен 2,8 м). Количество газовых горелок равно пяти. Первая горелка располагается на входе в зону обжига, последняя (пятая) горелка - на выходе из зоны обжига, еще три горелки располагаются внутри зоны обжига. Расстояние от каждой горелки до поверхности материала 1,7 - 2,1 м. Расстояние между горелками одинаковое и составляет 1,375 м. Диаметр сопла горелок выбран в диапазоне 4 - 5 мм, скорость истечения топлива из сопла примерно равна 250 м/с (в качестве топлива используется пропан), скорость воздуха в барабане равна примерно 1 м/с. При перечисленных значениях параметров достигается необходимое для каждой зоны распределение температурного поля на поверхности материала вдоль барабанного агрегата, которое обеспечивает получение на выходе из агрегата окатышей. Следует отметить, что важным условием было обеспечить необходимый диапазон температур в каждой зоне. Например, в зоне сушки -медленный нагрев (предотвращение растрескивания), в зоне обжига перепад температур не должен превышать 100 оС (чтобы происходил качественный обжиг), а сами значения температуры должны изменяться в пределах 1250 - 1350 оС. Кроме того, помимо необходимых диапазонов температур в других зонах, важно обеспечить плавный переход температур из одной зоны в другую. Это оказалось возможным благодаря определенному расположению горелок перпендикулярно поверхности материала внутри агрегата.
Литература
1. Пат. 2163645 РФ С22В1/14. Барабанный агрегат для получения обожженных окатышей.
2. Каменецкий Е.С., Свердлик Г.И., Орлова Н.С., Хосте-лиди В.Н. Расчетно-экспериментальное исследование распределения температурного поля в стационарной установке цилиндрической формы при радиальном расположении факела // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2014. № 4 (179). С. 25 - 28.
3. Орлова Н.С., Хостелиди В.Н. Разработка методики расчета температурного поля в барабанном агрегате горячего окомкования // V Междунар. науч.-практ. конф. «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки»: сб. работ молодых ученых. Владикавказ, 18 - 20 июня 2014 г. С. 38 - 41.
4. Макаров А.Н. Теория и практика теплообмена в электродуговых и факельных печах, топках, камерах сгорания. Ч. 1: Основы теории теплообмена излучением в печах и топках. Тверь: ТГТУ, 2007. 184 с.
5. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: справочник / под общ. ред. В.А. Григорьева, В.М. Зорина. М.: Энергоиздат, 1982. 512 с.
6. Теория тепломассообмена: учебник для вузов / С.И. Исаев, И.А. Кожинов, В.И. Кофанов и др.; под ред. А.И. Леонтьева. М.: Высш. школа, 1979. 495 с.
7. Дульнев Г.Н., Тихонов С.В. Основы теории тепломассообмена: учеб. пособие. СПб: СПбГУИТМО, 2010. 93 с.
8. Вафин Д.Б. Сложный теплообмен в энергетических установках: автореф. дисс. ... д-ра техн. наук, Казань, 2009.
9. Лисиенко В.Г., Щелоков Я.М., Ладыгичев М.Г. Вращающиеся печи: теплотехника, управление и экология. Кн. 2. М.: Теплотехник, 2004. 592 с.
10. Производство агломерата и окатышей: справочник: С.В. Базилевич, А.Г. Астахов, Г.М. Майзель и др. М.: Металлурггия, 1984. 216 с.
References
1. Sverdlik G.I. Barabannyj agregat dlya polucheniya obozhzhennyh okatyshej [The drum unit for the fired pellets]. Patent RF, no. 2163645, 2001.
2. Kamenetskij E.S., Sverdlik G.I., Orlova N.S., KHostelidi V.N. Raschetno-ehksperimental'noe issledovanie raspredeleniya tem-peraturnogo polya v statsionarnoj ustanovke tsilindricheskoj formy pri radial'nom raspolozhenii fakela [Design and experimental study of the distribution of the temperature field in the permanent installation of a cylindrical shape at a radial arrangement of the torch]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2014, no. 4(179), pp. 25-28. (In Russ.)
3. Orlova N.S., Hostelidi V.N. [Development of the method of calculation of the temperature field in the drum unit hot pelletizing]. VMezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya konferentsiya «Molodye uchenye v reshenii aktual'nykh problem nauki»: sbornik rabot molodykh uchenykh [V International scientific-practical conference "Young scientists in solving actual problems of science": a collection of works of young scientists]. Vladikavkaz, 2014. pp. 38-41. [In Russ.]
4. Makarov A.N. Teoriya i praktika teploobmena v ehlektrodugovykh i fakel'nykh pechakh, topkakh, kamerakh sgoraniya. Osnovy teorii teploobmena izlucheniem v pechakh i topkakh [Theory and practice of heat in electric furnaces and flares, furnaces, combustion chambers. Basic theory of radiation heat transfer in furnaces and furnaces]. Tver, TGTU, 2007, 184 p.
5. Teplo- i massoobmen. Teplotekhnicheskij ehksperiment [Heat and mass transfer. Thermal experiment. Edited by V.A. Grigor'eva, V.M. Zorina]. Moscow, Energoizdat Publ., 1982, 512 p.
6. Isaev S.I., Kozhinov I.A., Kofanov V.I. Teoriya teplomassoobmena [The theory of heat and mass transfer]. Moscow, Vysshaya shkola, 1979, 495 p.
7. Dul'nev G.N., Tikhonov S.V. Osnovy teorii teplomassoobmena [Fundamentals of the theory of heat and mass transfer]. St. Petersburg, SPbGUITMO, 2010, 93 p.
8. Vafin D.B. Slozhnyj teploobmen v ehnergeticheskikh ustanovkakh. Diss. dokt. tekhn. nauk [Sophisticated heat in power plants. Diss. doct. techn. scien.]. Kazan, 2009.
9. Lisienko V.G., Shchelokov Ya.M., Ladygichev M.G. Vrashhayushhiesya pechi: teplotekhnika, upravlenie i ehkologiya [Rotary kiln: Heat management and ecology]. Moscow, Teplotekhnik, 2004, 592 p.
10. Bazilevich S.V., Astakhov A.G., Maizel' G.M. Proizvodstvo aglomerata i okatyshej [Production of sinter and pellets]. Moscow, Metallurggiya, 1984, 216 p.
Поступила в редакцию 1 июля 2015 г.
