CC BY
7
УДК 66.047
Бобков В.И., Баранова ЯП.
РАВНОМЕРНОЕ НАГРЕВАНИЕ ПЛОТНОЙ МНОГОСЛОЙНОЙ МАССЫ ОКАТЫШЕЙ ЧЕРЕЗ ФОРМИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ВОЛН
Бобков Владимир Иванович, студент 2 курса магистратуры факультета инженерной химии; e-mail: vovabobkoff@mail. ru
Баранова Яна Павловна, студент 1 курса магистратуры факультета цифровых технологий и химического инжиниринга, учебный мастер I категории
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия.
В данной статье рассматривается задача о равномерном нагреве движущейся плотной многослойной массы окатышей на конвейере сложной химико-энерготехнологической системы - обжигово-конвейерной машины. Рассматривается вопрос оптимизации химико-энерготехнологических процессов обжига окатышей по критерию энергоресурсоэффективности.
Ключевые слова: температура, окатыши, обжигово-конвейерная машина, химико-энерготехнологический процесс, химико-энерготехнологическая система, энергоресурсоэффективность, оптимизация, оптимальное управление.
UNIFORM HEATING OF DENSE MULTILAYER MASS PELLETS THROUGH FORMATION HEAT WAVES
Bobkov Vladimir Ivanovich, Baranova Yana Pavlovna
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
This article discusses the problem of uniform heating of the moving dense multilayer mass of pellets on the conveyor of a complex chemical and energy technological system - a burning and conveyor machine. The issue of optimization of chemical and energy technological processes of pellet burning according to the criterion of energy resource efficiency is considered.
Keywords: Temperature, pellets, burning and conveyor machine, chemical and power process, chemical and power system, energy efficiency, optimization, optimal control.
Актуальность управления химико-
энерготехнологическими процессами,
протекающими при термической обработке окомкованного рудного сырья в движущейся плотной многослойной массе на колосниковой решётке обжигово-конвейерной машины
определяется высокой энергоемкостью процессов и влиянием множества факторов. Теплоперенос в плотной многослойной массе химически реагирующих дисперсных частиц описывается уравнением теплопроводности для задачи внутреннего теплообмена в окатыше и уравнением теплообмена между греющим газом и окатышами. Математическое описание, базируется на системе дифференциальных уравнений с частными производными, а её конечно-разностный вид представлен авторами в [1].
Режимы энергоресурсоэффективного
функционирования сложной химико-
энерготехнологической системы - обжигово-конвейерной машины, работающей на заданном сырье, при известной высоте и фракционном составе засыпки обеспечиваются: нагревом окатышей до максимально возможной температуры с максимально возможной скоростью.
Выдерживанием материала при этой температуре в течение времени, необходимого для завершения процессов диссоциации карбонатов и спекания, что следует из зависимости этих процессов от
температуры. Таким образом, задача сводится к поиску оптимального управления, параметры которого - начальная температура Т 0(т) и скорость
греющих газов на входе в слой
T ^ TM
r,U ' 1 гЛ
Wg (т) , когда . В этом случае реализуется максимально
возможная средняя температура газа в слое и при соответствующем коэффициенте теплоотдачи будет обеспечен наиболее интенсивный нагрев материала. Особенности протекания химико-
энерготехнологических процессов, на конвейере обжиговой машины, в движущейся плотной многослойной массе окатышей, накладывают ограничений на функционирование химико-энерготехнологической системы в целом [2].
Температура газа-теплоносителя на выходе из многослойной массы ограничена условиями работы
колосниковой решетки 1 . < 1h
Скорость газа
ограничена производительностью тягодутьевых установок 0 < Wgh < WghA , температура греющих
газов на входе - техническими возможностями горна и максимально возможной температурой нагрева окатышей по условию проведения процесса спекания. Авторами предложен эвристический критерий оптимальности \rm -^ min [3]. При решении задачи оптимизации, применялся метод
деформируемого многогранника, а для выполнения ограничений - алгоритм скользящего допуска.
Результаты вычислительных экспериментов, по разработанной математической модели и оптимизации критерия \Tm - 850 ^ min , в условиях
ограничений на управляющие переменные 0,1 < W 0 < 1,0 ,400 < T 0 < 1500 представлены на рис.
1 - 4. В расчётах применялись следующие характеристики: радиус окатышей - 1 см, высота их многослойной массы 20 см.
Тепло-физические характеристики материала и кинетические константы химической реакции взяты из [4].
О 10 20 30 ¿10 50 60 70 80 80 100 Рис.1. Распределение температуры газа-теплоносителя на входе в многослойную массу окатышей.
О 10 20 30 ¿10 50 80 70 80 30 100 Рис.2. Распределение скорости подачи газа-теплоносителя на входе в многослойную массу окатышей.
Известно, что тепловой импульс в среде с поглощением локализуется в конечной пространственной области и может служить средством воздействия на реагирующий материал. Тепловое воздействие на зернистый материал должно быть сосредоточено в пределах толщины слоя. Таким образом, создавая тепловую волну за счет резкого увеличения теплоотдачи на начальном этапе прогрева материала, можно локально повышать температуру в зоне реагирования без существенного повышения температуры газов на выходе из слоя. Что явно прослеживается на Рис.4. Для удобства анализа результатов время пребывания окатышей в обжигово-конвейерной машине представлено в процентах.
В области конвейера обжиговой машины 0 -26% формируется тепловая волна, где температура и скорость газа-теплоносителя наибольшие из возможных (рис. 1,2). После этой области, когда тепло нагревающего газа-теплоносителя достигает максимально возможной температуры выхода из
происходит
« « « rr^MAX
многослойной массы окатышей T
Ф
резкое падение температуры подаваемого газа-теплоносителя до наименьшей, но скорость потока газа-теплоносителя остается максимальной чтобы обеспечить наиболее эффективный теплообмен между ним и окатышами в многослойной массе (участок конвейера 26 - 45%).
ео so юо
Рис.3. Температурное поле газа-теплоносителя в многослойной массе окатышей.
0.1-
Рис.4. Температурное поле окатышей в многослойной массе.
Причем в этой области конвейера происходит перенос тепловой энергии с нижних, хорошо прогретых слоев, наверх, к наименее нагретым. Затем температура газа-теплоносителя повышается до максимально возможной, а скорость подачи газа-теплоносителя в многослойную массу окатышей варьируется около минимально возможной: что обеспечивает более "спокойный" прогрев материала окатышей. Затем температура газа-теплоносителя снижается, скорость его подачи возрастает, и опять происходит перенос тепла от нижних горизонтов многослойной массы к верхним. В силу того что верхние слои постепенно нагреваются до
« ГТ1МЛХ
максимальной температуры 1т процесс
волнообразования затухает к нижним слоям (участок 45 -100% рис. 4.) и в пределе достигается постоянная по высоте многослойной массы температура окатышей Тт .
Из анализа полученных результатов видно, что при такой постановке задачи оптимизации обеспечивается равномерный нагрев движущейся на конвейере плотной многослойной массы окатышей за наименьшее время до определенной температуры в условиях технологических ограничений. Эти ограничения образуют температурные волны, обеспечивающие нагрев многослойной массы окатышей. С точки зрения энергоэффективности, такой волнообразный перенос тепловой энергии нежелателен. Для энергоресусоэффективного функционирования химико-энерготехнологической системы производства окатышей, следует формировать одну, движущуюся вглубь многослойной массы окатышей, затухающую на эндотермические химико-энергнотехнологические процессы, тепловую волну [5].
Таким образом, оптимальное управление химико-энерготехнологическими процессами обжига окатышей посредством изменения параметров ^ 0(т) и Т 0(т) дает возможность обеспечить
энергоресурсоэффективное функционирование
химико-энерготехнологической системы
производства окатышей, удовлетворяющую необходимым технологическим требованиям. Формирование программированного распределения температуры газоза-теплоносителя и скорости его подачи по длине обжигово-конвейерной машины достигается перераспределением подачи топлива и воздуха в горелочные устройства и режимом работы эксгаустеров.
Список литературы
1. Бобков В.И. Исследование технологических и тепло-массообменных процессов в плотном слое дисперсного материала // Тепловые процессы в технике. — 2014. — №3. — С.139-144.
2. Бобков В.И. Ресурсосбережение в электротермии при подготовке сырья на обжиговых машинах конвейерного типа // Электрометаллургия. — 2015. — №7. — С.26-34.
3. Мешалкин В.П., Бобков В.И., Дли М.И. Автоматизированная система поддержки принятия решений по управлению энергоресурсоэффективностью химико-энерготехнологической системы обжига фосфоритовых окатышей // Теоретические основы химической технологии. — 2019. — Т. 53. № 6. — С. 609-616.
4. Богатырев А.Ф., Панченко С.В. Математические модели в теплотехнологии фосфора. М.: МЭИ, 1996. - 207с.
5. Бобков В.И., Кулага Н.Ф. Оптимальное управление термически активируемыми процессами подготовки дисперсного сырья в плотном слое // Научное обозрение. — 2015. — №17. — С.113-120.
