авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Разработка энергоресурсосберегающей схемы процесса извлечения железа из руд и метода обеспечения ее предельных энергетических характеристик

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Нешпоренко Евгений Григорьевич

РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ СХЕМЫ ПРОЦЕССА ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЖЕЛЕЗА ИЗ РУД И МЕТОДА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕЕ
ПРЕДЕЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Специальность 05.14.04. – “Промышленная теплоэнергетика”

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Москва, 2011 г.

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО “Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова” на кафедре ТиЭС (Теплотехнических и энергетических систем)

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Картавцев Сергей Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

Попов Станислав Константинович;

кандидат технических наук, профессор

Селезнев Николай Прохорович

Ведущее предприятие: ОАО «Магнитогорский металлургический

комбинат»

Защита состоится “24” ноября 2011 г. в 15 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.10 при ФГБОУ ВПО «НИУ «Московский энергетический институт» по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная улица, д.17, аудитория Г-406.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная улица, д.14, Ученый Совет ФГБОУ ВПО «НИУ«МЭИ»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ«МЭИ»

Автореферат разослан “ ” октября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Д 212.157.10

Кандидат технических наук Т.А. Степанова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Крупным потребителем минеральных и энергетических ресурсов является черная металлургия. Мировое производство чугуна, производимого по аглококсодоменной (АКД) технологии в 2009 году, составляло около 900 млн. т, а по альтернативным способам чуть больше 60 млн. т. При этом извлечение руды находится на уровне около 1800 млн. т.

Задачи рационального использования минеральных и энергетических ресурсов в настоящее время наиболее значимы при производстве конечной продукции. Особенно это актуально для теплотехнологического комплекса черной металлургии, который является одним из крупнейших потребителей первичных природных ресурсов.

Разработка новых схем извлечения железа из руд позволит понизить потребление первичных природных ресурсов, как минеральных, так и энергетических на единицу продукции. В настоящее время перспективными считаются процессы жидкофазного извлечения железа из руд. Отличительной чертой таких процессов является возможность вывода из технологической цепочки получения чугуна таких стадий, как подготовка руд после их усреднения и коксования углей, а также высокая удельная производительность.

Большая часть жидкофазных процессов не вышла из стадии лабораторных или полупромышленных исследований из-за непроработанной тепловой схемы, что с позиции энергетики является главным аспектом их успешной реализации. С энергетической точки зрения не обосновывается, какой первичный природный энергоресурс лучше подходит для реализации данного процесса.



Значительная интенсивность процесса жидкофазного получения полупродукта приводит к необходимости применения принудительного охлаждения ограждений реактора (для их тепловой и химической защиты), в котором реализуется главная теплотехнологическая стадия. При этом увеличиваются тепловые потери через ограждения, достигая 2025% в тепловом балансе агрегата. В условиях восстановительной плавки это вызывает экспоненциальный рост расхода первичного энергоресурса на процесс.

Таким образом, комплексная разработка энергетически эффективной тепловой схемы процесса извлечения железа из руд и энергетически эффективного способа снижения тепловых потерь через ограждения реактора, содержащего расплав технологического материала, является актуальной задачей.

Цель и задачи исследования. В данной работе ставятся следующие цели:

1. Разработать термодинамически идеальную тепловую схему процесса извлечения железа из руд с минимальными энергетическими затратами.

2. Определить влияние тепловых потерь в окружающую среду через ограждения элементов схемы на ее энергетические характеристики.

3. Разработать теплотехнический метод снижения тепловых потерь через ограждения, для обеспечения предельных энергосберегающих характеристик схемы.

Для достижения поставленных целей в диссертационной работе последовательно решены следующие задачи:

  • определен расчетом и зафиксирован уровень потребления первичных ресурсов как минеральных, так и энергетических, в действующем АКД металлургическом комплексе извлечения железа из руд;
  • проведен сравнительный анализ энергетических характеристик природного газа и углей, приведенных к обобщенному составу, в условиях восстановительной плавки железорудных материалов при 1600°С. Выбрана энергетическая база для данного процесса;
  • разработана энергоэффективная тепловая схема процесса жидкофазного извлечения железа из руд в термодинамически идеальных условиях;
  • произведено сравнение характеристик действующей АКД схемы с характеристиками разработанной тепловой схемы;
  • определен резерв интенсивного ресурсо- и энергосбережения;
  • на вычислительном эксперименте исследована возможность снижения тепловых потерь через перфорированное ограждение, работающего в догарниссажном режиме в условиях его прямого соприкосновения с расплавом технологического материала;
  • на “тёплом” физическом эксперименте (75°С) исследованы энергетические возможности снижения тепловых потерь через перфорированное ограждение, работающего в гарниссажном режиме в условиях прямого соприкосновения с расплавом. На основе алгебраического метода Рэлея разработаны безразмерные комплексы для переноса результатов на более высокотемпературные условия и проведен эксперимент (1000°С);
  • сделаны рекомендации по применению результатов работы как для действующего металлургического комплекса в части жидкофазной переработки расплавленных конвертерных шлаков, так и для разработки новых энергетически эффективных реакторов извлечения железа из руд.

Методы исследований. Исследования проводились с использованием основных принципов методологии интенсивного энергосбережения, разработанной в Московском энергетическом институте (ТУ), в части термодинамического анализа тепловых схем, а также методов математического моделирования, вычислительного и лабораторного физического экспериментов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

  • численно исследовано влияние зольности углей в сравнительном анализе с природным газом на их энергетические характеристики в жидкофазном восстановлении железа при 1600°С;
  • разработана энергетически эффективная безотходная тепловая схема извлечения железных руд в термодинамически идеальных условиях;
  • определен резерв интенсивного энергосбережения и ресурсосбережения для разработанной схемы;
  • теоретически (вычислительный эксперимент) и экспериментально (температурный уровень экспериментов 75°С, 1000°С) исследованы энергосберегающие возможности работы перфорированного ограждения в условиях его прямого соприкосновения с расплавом технологического материала в целях сохранения резерва энергосбережения.

Практическая значимость диссертационной работы:

  • разработанная безотходная энергосберегающая схема переработки усредненного состава железных руд в жидкий полупродукт в полном объеме может быть реализована на металлургических предприятиях со значительным энерго- и ресурсосберегающим эффектом;
  • часть результатов разработанной схемы может быть применена на действующих металлургических предприятиях для непосредственной переработки жидких конвертерных шлаков и рудной мелочи;
  • результаты теоретического и экспериментального исследования работы перфорированного ограждения могут быть использованы для проектирования и дальнейших опытно-промышленных испытаний плавильных реакторов;
  • методы разработки безотходных энергосберегающих теплотехнологических схем, математические и компьютерные модели тепловой работы энергетически эффективного ограждения плавильных реакторов могут быть использованы в учебном процессе высших учебных заведений для повышения качества подготовки студентов-теплоэнергетиков.

Основные положения, выносимые на защиту:

  • энергетически эффективная тепловая схема процесса жидкофазного извлечения железа из руд, доказанная на каждом этапе ее построения, характеризующаяся минимальными расходами первичных минерально-сырьевых и энергетических ресурсов;
  • математическая модель стационарного теплового состояния перфорированного ограждения для догарниссажного режима его работы в условиях прямого соприкосновения с расплавом технологического материала;
  • результаты экспериментов для догарниссажного и гарниссажного режима регенерации тепловых потерь через ограждение в условиях его прямого соприкосновения с расплавом технологического материала.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых “Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии”, Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 3-7 декабря 2001 г., 2002 г., ; 7-м Конгрессе сталеплавильщиков, Магнитогорск, 15-17 октября 2002 г.; 1-й, 2-й Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов “Энергосбережение – теория и практика”, Москва, МЭИ, 2002 г., 2004 г.; Международной науч.-практич. конф. молодых специалистов, Магнитогорск, ОАО “ММК”, 21-25 апреля 2003 г.; 6-й Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов “Энергетики и металлурги настоящему и будущему России”, Магнитогорск, 24-26 мая 2005 г.; на заседании кафедры энергетики высоких температур Московского энергетического института (Технического университета) в 2006 г.; на заседаниях кафедры теплотехнических и энергетических систем Магнитогорского государственного технического университета в период с 2002 по 2006 г., 2010 г.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 11 печатных работах, в том числе 1 монография и 2 статьи в журналах по списку ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 150 страницах основного текста, содержит 39 рисунков, 20 таблиц, список литературы из 125 наименований и 1 приложение. Общий объем работы составляет 163 страницы.

Во введении определяется объект исследования, для которого обозначены основные проблемы и указаны причины их возникновения. Обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, направление исследований и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены известные способы жидкофазного извлечения железа из руд, их энергетические характеристики. Выявляются недостатки или неполнота тех или иных исследований. Ставятся главные цели работы и поэтапно решаемые задачи, а также методы и подходы для их достижения.

Анализ существующего “классического” металлургического комплекса, основанного на АКД технологии показывает, что основное потребление первичных природных ресурсов происходит в части извлечения железа из руд. Энергетической базой доменной печи является металлургический кокс, который в свою очередь получен из коксующихся углей.

Стремление понизить потребление первичных ресурсов приводит к необходимости разрабатывать новые схемы извлечения железа из руд с минимальным видимым расходом ресурсов. За основу решения данной задачи могут быть приняты процессы жидкофазного извлечения железа из руд.





Анализ энергетических характеристик жидкофазных процессов показывает, что их энергоемкость в условном топливном эквиваленте сопоставима с АКД комплексом (950 кг у.т./т). Например, процесс COREX, достигший полного внедрения в металлургический комплекс, имеет энергоемкость продукта на уровне 900 кг у.т./т. Остальные жидкофазные процессы, не вышли из стадии лабораторных или полупромышленных исследований из-за непроработанной тепловой схемы.

Литературный обзор показал, что выбор в пользу углей сделан с позиции природных запасов данного вида энергоресурса и, как правило, не обосновывается с точки зрения энергетики. Реализация процессов сопровождается в основном расчетами металлургического характера в реакторе жидкофазного восстановления, а системный энергетический аспект не включен в рассмотрение.

Несовершенные тепловые схемы приводят к высоким затратам первичных энергоресурсов на процесс извлечения железа из руд, сводят к минимуму преимущества бескоксовых жидкофазных процессов перед АКД технологией. Например, для процесса Romelt расход углей составляет от 1,4 до 5,1 т/т полупродукта в зависимости от вида шихтовых материалов.

Отчасти развитие высокотемпературных процессов получения железа сдерживается отсутствием огнеупоров, способных надежно работать в агрессивных условиях высокотемпературных расплавов при температуре выше 1550С. Высокотемпературные процессы получения жидкого полупродукта отличаются высокими тепловыми потоками от расплава к ограждениям, что для восстановительных условий является значимым ограничением, так как это вызывает экспоненциальный рост расхода топлива.

Следует отметить, что при достаточно большом количестве способов жидкофазного извлечения железа из руд отсутствует:

  • предварительный анализ и выбор первичного энергоресурса;
  • энергетически эффективная тепловая схема процесса извлечения железа из руд;
  • эффективное решение по снижению тепловых потерь через ограждения реактора, содержащего расплав технологического материала.

Разработка тепловой схемы процесса жидкофазного извлечения железа из руд, отвечающей минимальным энергетическим затратам и минимальному комплексному потреблению ресурсов, на основе эффективной энергетической базы и исследование возможности энергоэффективного использования потерь теплоты через ограждения реактора восстановительной плавки железа представляют практический и научный интерес.

Во второй главе, используя исходные принципы методологии интенсивного энергосбережения, разрабатывается энергоэффективная термодинамически идеальная тепловая схема процесса жидкофазного извлечения железа из руд и фиксируется “принципиально возможный” уровень потребления первичных природных минеральных и энергетических ресурсов.

Для этого последовательно решаются следующие задачи:

  1. В соответствии с методологией интенсивного энергосбережения фиксируется уровень потребления ресурсов в действующем комплексе, в качестве которого принят АКД комплекс как доминирующий, где наиболее полно реализуется процесс извлечения железа из руд;
  2. Ставится задача выбора энергетической базы (первичного источника энергии) для разрабатываемой схемы, для этого проводится сравнительный энергетический анализ обобщенных составов углей и природного газа в виде их основных компонентов C+H2+A (А – зола топлива);
  3. Производится разработка энергоэффективной термодинамически идеальной тепловой схемы процесса извлечения железа из руд, которая доказана на каждом шаге ее построения;
  4. Производится сравнение ресурсных характеристик уравненных вариантов АКД схемы и разработанной;
  5. Рассчитывается резерв ресурсосбережения и энергосбережения.

По исходным данным получены величины потребления первичных природных ресурсов при производстве единицы чугуна на каждом этапе технологической цепочки АКД комплекса. Общий расход первичного природного ресурса определяется суммированием произведений всех поточных коэффициентов по всем технологическим линиям потребления последнего и может быть представлен следующей формулой:

, (1)

где количество технологических линий потребления первичного ресурса; количество технологических стадий в i-й технологической линии; поточный коэффициент i-й технологической линии в j-й технологической стадии.

Процесс извлечения железа из руд по АКД технологии характеризуется значительным потреблением первичных природных ресурсов. На производство 1 т чугуна расходуется свыше 3,45 т железных руд, при этом с хвостами обогащения теряется около 0,274 т железа в оксидах. Воздух в количестве более 3220 м3. Считается, что доменное производство не является электроёмким, и тем не менее расчеты показывают, что на производство тонны чугуна расходуется около 170 кВтч электрической энергии с учетом ее затрат на этапах подготовки шихтовых материалов к плавке.

Материальные отходы с хвостами обогащения достигают 1,9 т/т чугуна со средним содержанием железа в виде оксидов около 14%. Этим обосновывается ресурсосберегающий эффект при исключении стадии обогащения железных руд и переходе на плавление сырых руд в жидкофазных процессах.

Для новых способов жидкофазного извлечения железа из руд в качестве основной энергетической базы выбираются энергетические угли. Однако опора на ресурсные соображения может привести к неверным энергетическим характеристикам. Есть основания полагать, что наилучшими характеристиками для жидкофазного процесса обладают продукты термической конверсии природного газа, называемые сажеводородной смесью (СВС).

В этих условиях актуальным является проведение сравнительного энергетического анализа углей и природного газа в восстановительной плавке сырых железных руд. Основным критерием эффективности использования углеводородного топлива выбран минимальный видимый расход энергоресурса на процесс жидкофазного извлечения железа.

Анализ составов углей и природных газов показывает, что в первых содержание углерода (С) на рабочую массу не превышает 75%, а в составе вторых соответственно содержание углерода не менее 75%. В остальном составе природных газов содержится водород (Н2) не более 25% (в случае, если газ полностью состоит из метана), а в углях эту часть занимает зола (А), водород (менее 5%), влага. Таким образом, получена смесь вида 75%С+25%(Н2+А), отвечающая обобщенным составам углей и природных газов.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.