Теплофизические основы создания тепловой схемы обжиговой машины нового поколения

Abstract

The article describes the development progress of numerical simulation (mathematical) models, which take into account the entire flow of thermal and physical processes during pellet production. Authors have compared the solution of the Schumann task with the results of numerical simulation of the thermal performance of a pellet bed in an operating indurating machine. It was shown that, in contrast to classical Schumann task where the heat transfer in a bed stabilizes rapidly, and the dimensionless heat wave speed ∆ Y/∆ Z tends to one, in an indurating machine, due to the presence of two heat waves (from a gas-heat medium from the indurating hood, and due to the exothermic magnetite oxidation), heat transfer in a pellet bed stabilizes slower and only at the end of the preheating/firing zones of the machine. The gradual stabilization of the heat transfer along the machine makes it easier to determine the length of the thermal inertia zone and optimize the temperature settings and gas-through-bed filtration velocity parameters in an indurating machine. Maximum heat-up of the bottom layer of the pellet bed with equal fuel consumption will be achieved if the high-temperature heat medium is fed mostly before the thermal inertia zone and at its very beginning. This feature provides a margin for machine capacity (productivity) increase and for the reduction of specific fuel consumption at the given quality of fired pellets. A quantitative relationship between the emissions to a waste gas stack and energy efficiency of indurating machines has been established. It was shown that the ratio between the areas of process zones is one of the main factors determining the specific fuel consumption values and the machine capacity (productivity). Foremost, this is related to the first sub-zone of the drying zone with the updraught of the heat medium. Numerical simulation results indicated that the area of the first sub-zone of the drying zone has the drying optimum, which corresponds to the lowest total duration of the drying process. Comprehensive detailed study including the study of physical and chemical processes of pellet firing (induration), taking into account the thermal and geometric features of an indurating machine and the fulfillment of conditions listed in the article formed the basis for the development of the fundamentally new thermal circuit for a domestic (Russian) indurating machine of the fourth generation, which is unrivaled throughout the world. The indurating machine with this new thermal circuit has achieved the following key performance indices: specific iron ore pellet production rate (1.07 t/m2h), consumption of natural gas (not more than 10 m3/t) and power (not more than 36 kWh/t), as well as low off-gas emissions (1750 nm3/t). Meanwhile, the process margin required for manageability of drying, firing and cooling processes has been provided in the conditions of an existing plant.

Описано развитие математических моделей, учитывающих всю полноту протекания теплофизических процессов при производстве окатышей. Выполнено сопоставление решения «задачи Шумана» с результатами математического моделирования тепловой работы слоя на реальной обжиговой машине. Показано, что в отличие от классической задачи, где теплообмен в слое быстро стабилизируется и безразмерная скорость тепловой волны ∆Y/∆Z стремится к единице, на обжиговой машине, вследствие наличия двух тепловых волн (от газа – теплоносителя из горна и за счет экзотермической реакции окисления магнетита), теплообмен в слое стабилизируется медленнее и только в конце нагревательной части машины. Постепенная стабилизация теплообмена по длине машины облегчает определение длины зоны тепловой инерции и оптимизацию температурно-фильтрационного режима на обжиговой машине. Максимальный прогрев низа слоя при равном расходе топлива будет достигнут в случае сосредоточения подачи высокотемпературного теплоносителя перед зоной тепловой инерции и в самом ее начале. Это обеспечивает резерв повышения производительности машины и снижения удельного расхода топлива при заданном качестве обожженных окатышей. Определена количественная взаимосвязь выбросов на трубу и энергоэффективность обжиговых машин. Показано, что соотношение площадей отдельных технологических зон, является одним из основных факторов, определяющим показатели удельного расхода топлива и производительности машины. В первую очередь, это касается первой секции зоны сушки с продувом теплоносителя. Результаты математического моделирования показали, что площадь первой секции сушки имеет оптимум, которому соответствует наименьшая общая продолжительность процесса сушки. Всесторонняя детальная проработка, включающая изучение физико-химических процессов обжига сырых окатышей с учетом тепловых и геометрических особенностей обжиговой машины, и выполнение перечисленных в статье условий легли в основу разработки принципиально новой теплотехнической схемы отечественной обжиговой машины четвёртого поколения, не имеющей аналогов в мире, на которой к настоящему времени достигнуты передовые технико-экономические показатели производства железорудных окатышей по удельной производительности (1,07 т/м2ч), расходу природного газа (не более 10 м3/т) и электроэнергии (не более 36 кВт∙ч/т), а также минимальные выбросы дымовых газов (1750 нм3/т). При этом обеспечен технологический резерв, необходимый для управляемости процессами сушки, обжига и охлаждения в условиях действующего производства.