litceysel.ru
добавить свой файл
1


РЕФЕРАТ

Ефективні теплові процеси і агрегати для металургійного виробництва


Автори:

Азаров С.І, Губинський В.Й., Губинський М.В., Касімов О.М., Максимук О.Б., Піоро Л.С., Сорока Б.С., Третьяков О.Б., Цкітішвілі Е.О.


Мета роботи: забезпечення розвитку металургійного комплексу України відповідно до сучасних вимог науково-технічного прогресу, скорочення техногенних викидів забруднюючих речовин та парникових газів у навколишнє середовище за рахунок зменшення споживання енергетичних ресурсів зокрема експортних, підвищення якості та конкурентоспроможності вітчизняної металургійної продукції завдяки розробці та впровадженню комплексу енергоефективних теплотехнологічних процесів та агрегатів.

Наукова новизна роботи полягає у розробці наукових основ створення металургійних печей і теплотехнологічних процесів, що забезпечують високий рівень енергоекологічної ефективності та якості металургійної продукції, включаючи суміщені процеси спалення палива, теплообміну, гідродинаміки продуктів згоряння, нагріву та термічної обробки металургійної продукції з використанням: опосередненого радіаційного нагріву; розподіленого по об’єму печі спалення палива , високого ступеня утилізації теплоти продуктів згоряння у компактних регенераторах; горіння горючої суміші в розплаві у плавильній ванні, що барботується,; спалювання особливо небезпечних відходів в пічних агрегатах; дифузійного зварювання та пайки біметалевих виробів у компресійних печах.

Науково-практична значимість роботи підтверджується результатами її впровадження на таких підприємствах:

Україна - АрселорМіттал Кривий Ріг, ВАТ «Металургійний комбінат Азовсталь», Південний машинобудівний завод ім. А. М. Макарова, , ВАТ «Алчевський металургійний комбінат», ВАТ «Комбінат будіндустрія», Броварський завод порошкової металургії, Єнакієвський металургійний завод, Херсонський завод карданних валів, Синельніковський ресорний завод ПО «АВТОКРАЗ» та ін;


Росія: Череповецький металургійний завод, Першоуральський новотрубний завод, Таганрозький металургійний завод, ПО «ИЖСТАЛЬ», завод «ЕЛЕКТРОСТАЛЬ», та ін;

Білорусь: ВАТ “Березабудматеріали”

Угорщина : Металургійний комбінат ДУНАФЕР;

США - за ліцензійною угодою технологія зануреного спалювання газу впроваджується фірмами Intl Melting&Manufacturing, LLC і Energy Solutions.

В рамках виконання роботи опубліковано: 24 монографії, 147 доповідей на науково-технічних конференціях, 108 наукових статей, зокрема у міжнародних журналах, що містяться в базі даних SCOPUS – 58 (середній індекс цитування складає 3), отримано 74 патенти та документи про винахід, захищено 5 докторських та 21 кандидатська дисертація.


Короткий зміст та основні науково-технічні результати роботи


В першому розділі роботи наведено результати розвитку сучасної теорії металургійних печей (ТМП) - наукової дисципліни, яка є основою при розробці нових теплових агрегатів та модернізації печей існуючих конструкцій, призначених для реалізації процесів плавлення, нагріву та хіміко-термічної обробки матеріалів.

В умовах створення нових технологій, розширення асортименту металургійної продукції та підвищення вимог до її якості ТМП має забезпечити керівні якісно нові методи комп’ютерного управління печами. Мова йде про прецизійне виконання режимів експлуатації печей при обмеженнях щодо кардинального зменшення витрат енергії та палива, забезпечення постійно зростаючих екологічних вимог за міжнародними та національними нормативами.

Вперше запропонований сучасний підхід, який забезпечує комплексний розгляд взаємопов’язаних фізико-хімічних процесів в печах з можливістю адекватного визначення впливу окремих конструктивних та режимних характеристик печей на енергетичні, екологічні, технологічні, та експлуатаційні показники останніх.

Сучасний етап створення високоефективних паливовикористовуючих агрегатів (печей), топкової і теплоутилізаційної техніки нового покоління, поряд з розробками в області ефективного використання палива та енергії, , потребує широкого використання методів математичного та комп'ютерного моделювання. Така методологія відповідає світовим тенденціям прикладних досліджень і технологічних розробок, пов’язаних з теорією та практикою екологічно чистого спалювання горючих сумішей.


Робочий апарат моделювання  математичний опис результатів попередніх та найсучасніших досліджень у галузі механіки однорідних і неоднорідних середовищ, теплофізики, фізико - хімії та хімічної кінетики. Математичне моделювання реалізується із залученням методів і процедур чисельного рішення систем нелінійних рівнянь переносу (аеродинаміка, масо теплопереніс) та хімічної кінетики горіння з урахуванням турбулентних характеристик потоків. До цих рівнянь додаються схематизація процесів реакторними моделями та за необхідністю – функції ймовірності.

В другому розділі роботи викладено сучасні методи інтенсифікації тепломасообмінних процесів при спалюванні палива в печах новітніх конструкцій, розроблені на основі комп’ютерного моделювання теплових процесів.

У роботі вперше розвинуто методологію науки про інтенсифікацію процесів переносу (ІПП) і наведено класифікацію методів ІПП.

Виконано термодинамічний (у термінах повних ентальпій) аналіз процесу використання палива в печах, зроблено оцінку інтенсивних та екстенсивних факторів процесів переносу. Аналіз проведено для печі як ідеального теплового агрегату з врахуванням впливу різних теплових втрат, що зумовлюють термодинамічну неідеальність печі.

Визначено наступні напрямки інтенсифікації теплових процесів:

підвищення потенціалу паливної суміші (4методи), інтенсифікація тепловіддачі (7методів), оптимізація схеми руху теплоносія (5 методів), а також група з трьох методів, які нейтралізують вплив теплової неідеальності печі.

Вперше розроблені концептуальні положення енергоекології використання палива як нової наукової дисципліни та науково-технічної проблеми, де визначальними є узагальнені параметри, що пов’язують забруднення атмосфери з енергетичною ефективністю печей. Створені та впроваджені технічні засади підвищення енергоекологічної ефективності використання органічного палива в промисловості та енергетиці. Розробки мають світову новизну.


В Інституті газу НАНУ вперше розроблено комплекс теоретичних засад, методів розрахунку, а також комп'ютерних програм, з метою прогнозування впливу складу та параметрів паливоокислювальної суміші на питомі енергоекологічні показники печей: витрати теплоти палива, викиди оксидів азоту (шкідливі речовини), двооксиду вуглецю (основний парниковий газ).

Розвинена теорія печей непрямого радіаційного нагріву (НРН), що опалюються за допомогою плоскополум’яних пальників (ППП). Наукові засади включають аеродинаміку печей та пальників, процеси тепло-масообміну в пічному просторі та проточній частині пальників, організацію процесів горіння та утворення шкідливих речовин. Незвичайна аеродинаміка газів обумовлює, з одного боку, інтенсифікацію теплообміну за рахунок формування нерівномірного температурного поля поперек печі з максимумом біля поверхні обмурівки та з огляду на селективність газового випромінювання, а з другого боку – забезпечує унікальну однорідність температурного поля на теплоприймальних поверхнях за рахунок організації ефекту Коанда та розвитку горіння у віялоподібних факелах уздовж обмурівки (відсутність осьової складової швидкості). Інтенсивна циркуляція продуктів згоряння вздовж осей плоскополум’яних пальників (кратність 5–10) забезпечує низькі викиди оксидів азоту NOx на виході з печей.

Виконаний систематичний аналіз впливу принципової схеми печі, систем вводу палива, димовидалення, оптико-геометричних, режимних характеристик печі, потенціалу палива, включаючи підігрів окислювача або його збагачення киснем, на енергетичний ККД.

Створені численні конструкції плоскополум’яних пальників серій ГПП для спалювання природного газу низького (серія ГППН), середнього (ГППС), високого (ГППВ) тиску. Кожна серія складається з 7 типорозмірів номінальною тепловою потужністю від 50 до 1600 кВт. Створені модифікації ГПП для спалювання низькокалорійних газів та рідкого палива.

Останнім часом створені нові конструкції низькоемісійних ППП з низьким рівнем NOx, низьким СО, названих ГПП-LE. Пальники відрізняються надвисокою стабільністю горіння, навіть в умовах «холодних» печей. Концентрація забруднювачів під час роботи пальників ГПП-LE набагато менша, ніж передбачено міжнародними (наприклад, Європейського Союзу) або національними нормами. Проведено порівняння характеристик нових пальників з найкращими іноземними аналогами. Показано, що головні експлуатаційні та екологічні показники пальників ГПП-LE переважають характеристики для будь-якої відомої конструкції ППП (є найкращими): концентрації [СО] – 5…10 ррm, [NOx] – 25…45 ppm.


Використання ППП змінило підходи до проектування печей різного призначення з огляду як на їхню геометрію, так і взаємну компоновку пальникових пристроїв та матеріалів (заготовок), що піддаються тепловому впливу: нагріву, плавленню, хіміко-термічній обробці. Область робочих температур печей НРН 700…1900 К.

Поряд із чорною, кольоровою та порошковою металургією, печі НРН були розроблені, впроваджені, досліджені для теплових технологічних процесів у машинобудуванні, промисловості будівельних матеріалів (виробництво скла та кераміки), хімічній промисловості (виробництво радіокераміки та феритів).

Створені численні конструкції теплових агрегатів безперервної та періодичної дії, перш за все нагрівальні печі прокатного та ковальсько-пресового виробництва, штовхального типу та з механізованим подом: крокуючим, роликовим, викатним, із зовнішньою механізацією.

У третьому розділі розглянуті розроблені авторами наукові основи конструювання сучасних нагрівальних та термічних печей нового типу.

На передній план при конструюванні сучасних печей висувається вимога високої якості теплової обробки виробів, а саме точності, рівномірності і стандартності нагріву виробів у поєднанні з ефективним використанням енергії палива та дотриманням екологічних норм.

Висока якість нагріву досягається завдяки тому, що традиційний факельний спосіб спалювання палива, недоліком якого є високі температури в зоні горіння факела, замінюється спалюванням палива з розподіленою по об’єму печі рівномірною генерацією теплоти.

Розроблені авторами та застосовані в печах прокатного виробництва три способи розподіленого тепловиділення: безперервне коливальне переміщення паливного струменя по об’єму робочого простору великотоннажної печі для нагріву зливків, при цьому частота хитання паливного сопла пальника залежить від витрати палива і об’єму робочого простору печі; періодична зміна напрямку потоку пічних газів на зворотний стосовно садки металу (реверс) у поєднанні з пульсуючею подачею палива або повітря в пальниковий пристрій; уповільнена швидкість перемішування потоків палива і повітря шляхом роздільного виходу з пальникового пристрою з одночасним підвищенням швидкості витікання струменів.


Описано конструкцію та роботу пальника з хитним факелом відповідно з авторським свідоцтвом СРСР, патентами Великобританії, Франції і ФРН, застосованого для опалення великотоннажних нагрівальних печей комбінату «Криворіжсталь».

Висока енергоекологічна ефективність печей нового типу забезпечується регенерацією теплоти, тобто поверненням в піч не менше 80 % теплоти відхідних газів, шляхом нагріву повітря, а при необхідності і палива, в малогабаритних регенераторах з пониженням температури димових газів перед виходом в атмосферу до 150-200 °С. Наведена реконструкція нагрівальних колодязів комбінату «Криворіжсталь» шляхом заміни застарілих керамічних рекуператорів малогабаритними кульковими регенераторами відповідно до авторських патентів України. Відображені результати розробок та досліджень нових видів малогабаритних регенераторів для регенеративних пальників, які здатні працювати в умовах запилених пічних газів.

Представлена технологічна схема екологічно нейтральної великої нагрівальної печі з повною тепловою та хімічною утилізацією димових газів на поверхні землі, без викиду їх в атмосферу. У результаті утилізації передбачається отримання пари, гарячої води, мастильних матеріалів, добрив, хімічно чистого вуглекислого газу. Всі елементи схеми випробувані в промислових умовах і можуть бути використані комплексно в печах найближчого майбутнього.

Також відображені результати теоретичних досліджень та промислової реалізації розробок щодо істотного зменшення втрат металу від окислення в прокатному виробництві шляхом малоокислювального нагріву металу в печах і прискореного охолодження після гарячої прокатки на безперервних дротових станах.

У заключній частині розділу розвинуто теоретичні засади теплової роботи і спалення палива у шахтних печах із зернистим шаром матеріалів. Розроблено рекомендації що до вдосконалення режимів роботи вапняково-опалювальних печей , що дозволить отримати зниження питомої витрати палива на 20 ÷ 25 %.


В четвертому розділі розглянуто роботи авторів в області барботування розплавів, а також розроблені принципово нові барботажні плавильні печі, що ґрунтуються на зануреному спалюванні палива.

Особливості плавлення із зануреним горінням полягають в тому, що горіння палива з окислювачем відбувається в товщі рідкого шару розплавленого матеріалу. Продукти горіння проходять через розплав, створюючи складну газорідинну структуру з розвиненою поверхнею теплопередачі, високотемпературна зона горіння знаходиться всередині розплаву. В результаті значно інтенсифікується теплообмін між продуктами горіння і матеріалом, що перероблюється. Активне перемішування розплаву забезпечує підвищення швидкості плавлення і хімічних реакцій.

Печі із плавкою в розплаві мають ряд переваг у порівнянні із процесами в газовій фазі: менш жорсткі вимоги до якості вихідної сировини (не потрібне здрібнювання, сушіння, грануляція й ін.), більша питома продуктивність, менший пиловинос, знижені викиди забруднюючі атмосферу. Зниження енерговитрат у печей із плавкою в рідкій ванні здійснюється шляхом підігріву шихти газами, що відходять. Крім того є додаткові можливості, що дають зниження енерговитрат і підвищення економічної ефективності в цілому. До них відносяться: досягнення раціональних гідрогазодинамічних характеристик у барботажних агрегатах; розробка більш досконалих конструкцій вузлів і елементів устаткування; оптимізація геометричних параметрів апаратів.

Науково-дослідні роботи проведені з застосуванням фізичного, математичного та комп’ютерного моделювання гідродинамічних та теплофізичних процесів. Експериментальні дослідження, виконані на пілотних установках та промислових печах, дозволили отримати наступні результати:

- розвинуто теоретичні основи динаміки руху дискретної частки в турбулентному потоці рідини, що плавиться.

- обґрунтовано особливості конфігурації барботажних печей із зануреним спалюванням палива.

- вивчено особливості гідродинаміки плавильної ванни при інтенсивному барботуванні розплаву.

- визначено оптимальну глибину розплаву у ванні.

На базі досліджених умов стабільного спалювання газоподібного палива в розплаві розроблено ряд багатосоплових газоповітряних пальників заглибленої дії, які не мають аналогів у світі.

Весь комплекс науково-дослідних робіт спрямований на створення оригінальних плавильних барботажних печей з зануреним спалюванням газу.

В п’ятому розділі наведено результати розробки і впровадження теплотехнологій і агрегатів для термічного знешкодження особливо небезпечних відходів.

Розроблено науково-технічні і еколого - економічні передумови для впровадження інноваційних технологій і теплотехнічних установок для екологічно безпечного і економічно доцільного високотемпературного знищення особливо небезпечних відходів - некондиційних хімічних засобів захисту рослин (ХЗЗР), об'єм яких на території України складає 19,4 тис. т, і технічних рідин, що містять поліхлоровані біфеніли і їх технічні аналоги, об'єм яких на території України складає 3,774 тис. т у високотемпературних обпалювальних металургійних і цементних печах.

Створено теоретичні основи і експериментальні дослідження при розробці маловідхідних енергозбережних, екологічно безпечних технологій і теплотехнічного устаткування для термічного знищення особливо небезпечних відходів у високотемпературних обпалювальних металургійних і цементних печах.

Оптимізовані шляхом математичного моделювання і експериментів технологічні параметри процесів. Розроблені нові еколого-економічні, ефективні технології і їх апаратурне оформлення по термічному знищенню твердих і рідких ХЗЗР шляхом дозованого вдування їх у факельну зону пальників високотемпературних протиточних обертових обпалювальних металургійних печей струменем вторинного повітря, що подається у пальник вторинного повітря.

Успішно проведені дослідно-промислові випробування розроблених технологій і устаткування. Встановлена висока ефективність розроблених технологій на дослідно-промисловому і промисловому рівнях. При спалюванні серії проб хлорорганічного некондиційного γ-гексахлорциклогексана (ліндан) у факелі пристрою пальника і високотемпературній зоні обпалювальної металургійної печі(Т=1600-2000°С) залишков токсичних органічних компонентів в окатишах не виявлений. Контроль за залишковим вмістом токсичних диоксино- і фураноподібних з'єднань показав їх практичну відсутність. Технології захищені патентами України і РФ.


Доказана еколого-економічна і енергетична ефективність теплотехнологій. Підтверджена можливість спалювання ХСЗР без додаткової витрати природного газу в пальниках протиточних обпалювальних печей з утилізацією хімічного тепла знешкоджуваних токсикантів і отриманням загального економічного ефекту при знищенні усіх некондиційних ХСЗР в масштабах держави у розмірі 348894 тис. грн. з додатковою економією на скороченні витрати природного газу у розмірі 320 тис. грн./рік.

В шостому розділі розглянуто роботи авторів із створення наукових основ розробки компресійних печей і теплотехнологій виробництва біметалевих виробів.

Наведено результати теоретичних та експериментальних досліджень теплотехнологічних процесів обробки біметалевих труб і виробів у компресійних печах. Доведено, що якість з’єднання шарів і техніко-економічні показники роботи печей регламентуються процесами теплообміну між шарами, способом нагріву заготовки, впливом пічної текучої середи високого тиску (газ, розплав). Визначено вплив різних факторів та конструктивних параметрів на показники роботи пічних агрегатів. Розроблено наукові основи, необхідні для проектування ефективних конструкцій компресійних печей різних типів, з використанням яких створено і впроваджено низку компресійних печей і теплотехнологій для дифузійного зварювання біметалевих виробів широкого сортаменту.

Розроблено промислові технології виробництва біметалевих порожнистих виробів і труб у компресійних печах: сталь вуглецева + мідь, 0Х16Н15М3Б + 03ВД, сталь нержавіюча + бронза, 03Х20Н32М3Б + 0Х15Н11С3М2, нержавіюча сталь феритно-аустенитного класу + 0Х15Н15М3, сталь вуглецева + сталь нержавіюча і других сполучень матеріалів. Розроблені процеси включають нагрів двошарової заготівки у текучій середі під тиском 4 - 11 МПа до температури 900-1100°С і витримку при цій температурі. Це забезпечує твердофазне з’єднання шарів між собою по всій поверхні контакту.

Отримані результати є основою створення високоефективних теплотехнологічних процесів і компресійних печей для виробництва біметалевих труб і виробів. На основі розроблених технічних рішень створено печі і процеси які впроваджені у виробництво , що дозволило підвищити надійність роботи ядерних енергетичних установок і ракетних двигунів.


В сьомому розділі роботи наведено результати розробки і впровадження ефективних теплотехнологічних агрегатів і процесів при виробництві металургійної продукції.

На основі сучасної теорії металургійних печей розроблено та впроваджено в виробництво комплекс технологій та агрегатів, спрямованих на підвищеня енергетичної ефективності процесів та якості металургійної продукції:


  • в доменному виробництві розроблено та впроваджено технології удосконалення складу шихти та загрузки шихтових матеріалів у доменну піч, що дозволило зменшити витрати окатішів на 171,7 тис .т і коксу на 31,6 тис.т;

  • в стлеплавильному виробництві розроблено та впроваджено нові технології обпалення мартенівської печі, азотного торкретування футеровки конвертеру, вдосконалення футеровки промковшей сухою вогнетривкою масою та вдосконалення роботи вапняково-обпалювальних печей, що дозволило зменшити витрати природного газу і мазуту у кількості 5,223 тис т у.т і кисню 8100 тіс м3;

  • в прокатному виробництві розроблено та впроваджено нові технології теплової оброки зливків, удосконалено конструкції нагрівальних колодязів та печей для термічної обробки виробів, що дозволило зменшити окалинеоутворення на 0,25кг/т та витрати природного газу.

Сумарний економічний ефект від впровадження розроблених пічних агрегатів і теплотехнологічних процесів в Україні складає 56.5 млн грн./рік, Окрім того річний економічний ефект від впровадження в Російській федерації в перерахунку на гривні складає 9.5 млн грн./рік. Тобто при середньому десятирічному терміні використання запропонованих рішень економічний ефект роботи сягає 659 млн грн. Окрім того частину з розроблених теплотехнологічних агрегатів і процесів було впроваджено в колишньому СРСР з річним економічним ефектом 14,4 млн руб СРСР. Впровадження результатів роботи в Республіці Білврусь склало 6,36 млн дол.США. Прибуток від продажу ліцензій на розробки авторів роботи склав 1,1 млн. дол. США.



Результати розвитку теорії печей та розроблені на їх основі нові металургійні печі і високотемпературні процеси, що забезпечують високу ефективність використання енергії та скорочення техногенних викидів забруднюючих речовин та парникових газів, створені авторами роботи, які представляють колективи Національної металургійної академії України, Інституту газу НАН України, Українського державного науково-технічного центру «Енергосталь», ВАТ «Металургійний комбінат «Азовсталь», впроваджені у виробництво на підприємствах металургійного комплексу та суміжних галузей в Україні і за кордоном.


Автори роботи:


Азаров

Сергій Іванович


Губинський

Володимир Йосипович


Губинський

Михайло Володимирович


Касімов

Олександр Меджитович


Максимук

Олександр Борисович


Піоро

Леонард Станіславович


Сорока

Борис Семенович


Третьяков

Олександр Борисович


Цкітішвілі

Енвер Омарєвич