Введение к работе
Актуальность работы. За последние 10-15 лет резко возрос интерес к процессам жидкофазного восстановления - КОРЕКС, РОМЕЛТ, СЭР и т.д. Это связано с громоздкостью и многозвенностью традиционной аглококсодоменной технологии, прогнозируемым дефицитом на кокс и возможностью использования в качестве восстановителя дешевых низкосортных, пылевидных руд и отходов. Однако с позиции энергосбережения подобные процессы требуют дальнейшего совершенствования. Только с отходящими газами, температура которых порядка 1600 С, теряется около половины энергии исходного топлива, выбрасываемой в окружающую среду. Такие потери тепла приводят к существенному снижению КПД металлургических агрегатов, а попытки освоения полной тепловой энергии в рабочей камере процесса приводят к нежелательным результатам и чаще всего к ухудшению выхода основной продукции.
Уменьшение энергоемкости агрегатов жидкофазного восстановления требует не только повышения ресурсосбережения производственного процесса, но и сокращения непроизводственных потерь. В связи с этим весьма перспективна экономия топлива при одновременном снижении тепловых потерь с отходящим газом путем комплексного использования продуктов сгорания для технологических, энергетических и комбинированных видов утилизации энергии. Обычно это системы энергопотребляющих установок (котлы-утилизаторы, аппараты кипящего слоя, газовые турбины и т.д.), в которых продукты сгорания отдают свою тепловую энергию, последовательно направляясь из высокотемпературного источника в средне- и низкотемпературные устройства для более полного использования теплоты. При этом возможно также использование химической энергии.
Вопросы эффективного использования различных видов вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) и попытки математического описания выше указанных проблем нашли отражение в работах Г.В. Лисиенко, B.C. Швыдкого, Н.В. Соловьева, М.Г. Ладыгичевой, Л.А. Шульца, A.M. Бакластова, А.Г. Блоха, В.М. Бородянского, СИ. Денисова, В.М. Зорина, В.П. Исаченко, Л.И. Куперма-на, Л.С. Попырина, Ю.И. Розентарга, Н.А. Семененко, Б.В. Шанина и других авторов.
В связи с этим разработка математических, моделей и алгоритмов их реализации применительно к жидкофазным агрегатам прямого восстановления может позволить решить задачу утилизации ВЭР за счет оптимального распределения функций использования химической и тепловой энергии между основным технологическим агрегатом и аппаратами для использования вторичной энергии. При этом изыскание методов рационального расходования топлива, путем использования физической и химической энергии отходящих газов позволяет существенно повысить сквозной коэффициент использования энергии исходного топлива.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планами госбюджетных НИР по следующим научным направлениям: производственные технологии; технологические совмещаемые модули для металлургических ми-
ни-производств; топливо и энергетика; энергосберегающие технологии; производство электроэнергии и тепла на органическом топливе.
Цель работы. Создание моделей, алгоритмов и комплекса программ для решения задач рациональной утилизации энергии отходящих газов металлургических агрегатов струйно-эмульсионного типа.
В рамках поставленной цели выделены задачи:
Рационального распределения энергии исходного топлива между технологическим агрегатом и утилизирующими устройствами.
Разработки модифицированной математической модели агрегата прямого восстановления, включающие уравнения материального, теплового баланса и термодинамические зависимости.
Разработки математических моделей вынужденного движения продуктов реакций в системах последовательно соединенных теплоиспользующих аппаратов.
Разработки математических моделей теплообмена в системах теплоиспользующих установок для оценки сквозных коэффициентов использования топлива.
Разработки комплекса моделей и алгоритма для оптимизации параметров энергоутилизаторов и выбора оптимальной схемы использования ВЭР.
Исследования и идентификации моделей конкретных вариантов утилизации энергии отходящих газов.
Создания на основе разработанных моделей и алгоритмов комплекса программ для моделирования схем утилизации ВЭР, определения конструктивных параметров аппаратов систем энергоутилизации и систем газоочистки.
Методы выполнения работы. Методы структурного моделирования и вычислительного эксперимента, численные методы решения задач теплообмена и газодинамики, методы объектно-ориентированного программирования для разработки приложений, современные компьютерные технологии и системы. Алгоритмы оптимизации.
Научная новизна диссертации.
Постановка задачи создания комплекса математических моделей процессов утилизации энергии отходящих газов применительно к агрегатам струйно-эмульсионного типа.
Комплекс математических моделей процессов утилизации и использования энергии отходящих газов, состоящий из следующих взаимосвязанных моделей:
модифицированная для решения поставленных задач статическая модель металлургического агрегата, предназначенная для оценки параметров отходящего газа при различных технологических условиях;
модели вынужденного движения, предназначенные для оценки потерь давления в системах теплоутилизирующих агрегатов и соединительных каналов;
модели процессов теплообмена в теплоиспользующих установках, отражающие процессы передачи тепловой энергии от первичного теплоносите-
ля (газа) ко вторичному (пароводяной смеси, частицам угля или оксидов железа в кипящем слое, газовой турбине и т.д.); системные модели конкретных вариантов установок утилизации ВЭР, удовлетворяющие критерию сквозного коэффициента использования первичной энергии топлива.
Алгоритм оптимизации конструктивных параметров энергоутилизаторов и выбора оптимальной схемы использования ВЭР.
Комплекс программного обеспечения на основе объектно-ориентированного подхода к программированию для проведения вычислительного эксперимента по методике имитационного моделирования.
Результаты исследования на системной модели, заключающиеся в нахождении оптимального сочетания функций и режимов технологического агрегата и определенных наборов энергоутилизирующих устройств, обеспечивающих достижение максимального коэффициента теплоиспользования.
Достоверность представленных в работе результатов и выводов, полученных при проведении вычислительных и натурных экспериментов, подтверждена тестированием численных методов, а также сравнением расчетных данных с измерениями, полученными на физической модели опытно-промышленного агрегата.
Практическая значимость. На основе разработанных моделей и результатов исследования создан комплекс программного обеспечения, который может быть использован для:
Выбора и оптимизации вариантов утилизации вторичной энергии в агрегатах струйно-эмульсионного типа и их аналогах.
Автоматизированного проектирования энергоутилизаторов и газоочистных устройств, использующих энергию отходящих газов металлургических агрегатов прямого восстановления.
Моделирования аномальных ситуаций в энергоиспользующих аппаратах и газоочистных системах.
Научных исследований, обучения студентов и повышения квалификации обслуживающего персонала.
Реализация результатов. Результаты исследований на математических моделях и комплексе программ для утилизации энергии отходящих газов использованы:
При проектировании систем утилизации энергии отходящих газов пилотной установки технологического мини-модуля на основе агрегата типа СЭР совместно с проектным институтом ОАО «Сибирский сантехпроект» г. Новокузнецк.
В учебном процессе при подготовке инженеров и магистров по направлению "Металлургия", "Теплоэнергетика" по специальностям "Информационные системы и технологии", "Теплогазоснабжение и вентиляция".
Предмет зашиты и личный вклад автора. На защиту выносятся: 1. Постановка задачи создания комплекса математических моделей для утилизации энергии отходящих газов применительно к агрегатам струйно-эмульсионного типа.
Системные математические модели процессов утилизации энергии отходящих газов.
Алгоритм для выбора оптимальной схемы использования ВЭР.
Комплекс программ для моделирования схем утилизации ВЭР, определения конструктивных параметров аппаратов систем энергоутилизации и систем газоочистки.
Результаты исследований на математических моделях процессов теплообмена, газодинамики, определения рационального сочетания функций и режимов технологического агрегата и комплекса энергоутилизирующих устройств.
Автору принадлежит: постановка задачи исследований и разработка математических моделей по утилизации энергии отходящих газов металлургических агрегатах струйнс—эмульсионного типа; разработка методики минимизации сквозного коэффициента использования энергии исходного топлива, методики оптимизации конструктивных параметров теплоиспользующих агрегатов и конкретных вариантов; проведение вычислительных, натурных экспериментов и анализ результатов; программная реализация имитационных систем на ЭВМ.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на Второй Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 25-летию кафедры "Информационные технологии в металлургии" (Новокузнецк, 2006); Четвертой международной научно-технической конференции "Современная металлургия начала нового тысячелетия" (Липецк, 2007); IX Международной научно-практической конференции: Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах, (Пенза 2008); Второй Международной научно-практической конференции "Управление отходами - основа восстановления экологического равновесия в Кузбассе" (Новокузнецк, 2008); Международной научно-практической конференции "Творческое наследие Б.И.Китаева", (Екатеринбург, 2009).
Публикации: По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ (из них статья в журнале, рекомендованном ВАК для публикаций материалов докторских диссертаций).
Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и выводов, библиографического списка, включающего 125 наименований, и содержит 129 страниц основного текста, 8 таблиц, 52 рисунка.
