Підвищення ефективності утилізації теплоти при мокрому гасінні коксу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна металургійна академія України

УДК 621.181:62

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ УТИЛІЗАЦІЇ ТЕПЛОТИ ПРИ МОКРОМУ ГАСІННІ КОКСУ

05.14.06 - Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

СУРТАЄВ ВІКТОР ВІКТОРОВИЧ

Кривий Ріг 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Криворізькому технічному університеті, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Трегубов Віталій Анатолійович, Криворізький технічний університет, завідувач кафедри теплоенергетики

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Павленко Анатолій Михайлович, Дніпродзержинський державний технічний університет,декан енергетичного факультету, професор кафедри промислової теплоенергетики.

кандидат технічних наук, доцент Димитров Олександр Дмитрович, Одеський національний політехнічний університет, доцент кафедри теплових електростанцій та енергозберігаючих технологій.

Захист відбудеться «9» грудня 2008 р. о 12³⁰ на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 в Національній металургійній академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національної металургійної академії України (49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4).

Автореферат розісланий «23» жовтня 2008 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03,

доктор технічних наук, професор Л. В. Камкіна

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В умовах значного підвищення вартості енергоресурсів перед підприємствами України особливо гостро постають питання енергозбереження, які багато в чому визначають конкурентоспроможність продукції. Підвищення теплової ефективності технологічних установок набуває першорядного значення, оскільки економіка України базується на таких енергоємних галузях промисловості, як виробництво сталі, хімічних продуктів і будматеріалів. У цей час на багатьох коксохімічних підприємствах України гасіння коксу здійснюється мокрим способом, що пов'язано зі значними втратами теплоти та забрудненням навколишнього середовища. Так, наприклад, в умовах річного виробництва 3 млн. тон коксу на коксохімічному виробництві (КХВ) ВАТ «АрселорМіттал Кривий Ріг» втрати теплоти в навколишнє середовище досягають 6,285 млн. ГДж, що в перерахунку на вугілля марки «АМ» теплотворною здатністю 26,9 МДж/кг, становить близько 290 тис. тон. Такі істотні втрати теплоти спричиняють відносно низький тепловий к. к. д. коксохімічних виробництв, які використовують мокрий спосіб гасіння (на цей час - не вище 14,6 %). Відома теплоутилізаційна установка для мокрого гасіння коксу, розроблена наприкінці 80_х рр. ВНДПІенергоПромом (авт. - канд. техн. наук О. О. Михайленко, В. С. Семенов) для умов Московського коксогазового заводу, не відповідає сучасним вимогам: має відносно низький тепловий к. к. д., не вирішує проблеми забруднення атмосфери шкідливими компонентами парогазових викидів і створює підприємствам дебаланс по стічним водам [1-6].

Таким чином, підвищення ефективності утилізації теплоти при мокрому гасінні коксу шляхом розробки нових систем на основі контактних теплоутилізаторів з підвищеною ефективністю форсункових камер, що дозволить забезпечити енергозбереження та екологічну безпеку технології мокрого гасіння коксу, є актуальною науково-технічною задачею, рішення якої дозволить повернути на потреби виробництв і в комунальне господарство до 40 % теплоти, яка йде на коксування вугілля.

Зв'язок дисертації з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана на кафедрі теплоенергетики Криворізького технічного університету відповідно до плану наукових досліджень кафедри зі створення енергозберігаючих технологій для міжгалузевої науково-технічної програми «Створення високоефективних, екологічно прийнятних технологій видобутку, переробки та комплексного використання мінеральних ресурсів України для підтримки розвитку й регулювання мінерально-сировинного забезпечення держави» (наказ Міністерства освіти та науки України № 37 від 13.02.97).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності утилізації теплоти парогазових викидів при мокрому гасінні коксу за допомогою контактних теплоутилізаторів на базі форсункових камер. теплота утилізація гасіння кокс

Задачі роботи:

– розробити нові тепломеханічні схеми, методику й алгоритм визначення параметрів систем утилізації теплоти та знешкодження шкідливих викидів при мокрому гасінні коксу;

– розробити математичну модель для визначення параметрів контактного тепломасообміну в характеристичному елементі форсункової камери;

– розробити методику й провести експериментальні дослідження тепломасообміну в характеристичному елементі форсункової камери дослідної установки з метою встановлення залежностей між визначальними параметрами тепломасообміну з урахуванням конструктивних і технологічних параметрів роботи відносно процесів утилізації теплоти при мокрому гасінні коксу;

– встановити залежності для поширення результатів експерименту на характеристичні елементи форсункової камери промислового теплоутилізатора, які ґрунтуються на вимогах теорії подібності щодо критеріїв і коефіцієнтів, включених у математичну модель.

Об'єкт дослідження - процеси тепломасообміну та утилізації теплоти парогазових викидів при мокрому гасінні коксу.

Предмет дослідження - вплив параметрів формування контактної поверхні на інтенсивність тепломасообміну при охолодженні й конденсації пари з парогазової суміші в теплоутилізаторах на основі форсункових камер.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження роботи контактного теплоутилізатора на базі форсункової камери виконано за допомогою математичної моделі, що базується на одномірному переносі теплоти і маси (б-модель) в тепломасообмінних апаратах, з використанням теоретичної залежності академіка А. М. Колмогорова для якісних параметрів роботи тангенціальних механічних форсунок і рівняння Розіна-Раммлера, обробка результатів досліджень здійснювалась з використанням ПЕОМ. Експериментальні дослідження тепломасообміну в характеристичному елементі форсункової камери виконано на дослідній установці в лабораторії кафедри теплоенергетики КТУ.

Наукова новизна отриманих результатів.

За наслідками теоретичних і експериментальних досліджень:

– уперше отримано емпіричну залежність між добутком коефіцієнта масообміну на площу контактної поверхні та визначальними параметрами тепломасообміну (відношенням витрати парогазової суміші та теплоносія, відношенням середньомасового діаметра крапель до еквівалентного діаметра сопла форсунки, числом Рейнольдса для еквівалентного діаметра сопла форсунки) в діапазоні параметрів парогазової суміші на вході у форсункову камеру: температура - 95ч110°С, масова частка пари в суміші - 0,04ч0,3, абсолютний тиск - 91,2ч131,7 кПа;

– уперше отримано залежності для визначення параметрів роботи форсункової камери при середньологарифмічній різниці ентальпій - 149ч304 кДж/кг і тепловому к. к. д. - 75ч98 %;

– уперше встановлено додаткові умови для розповсюдження результатів експериментів на характеристичні елементи форсункових камер промислової технології, які ґрунтуються на дотриманні вимог теорії подібності для критеріїв і коефіцієнтів, що включені в модель і характеризують якісні параметри роботи форсунок.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Розроблено тепломеханічні схеми пристрою і системи для мокрого гасіння коксу з контактними теплоутилізаторами, виконаними на базі форсункових камер, що дозволяють підвищити ефективність утилізації теплоти до рівня теплового к. к. д. порядку 93ч95 % (раніше досягнутий тепловий к. к. д. - 51,7 %) і в комплексі з пристроєм для низькотемпературного доспалювання шкідливих домішок забезпечити знешкодження шкідливих викидів в атмосферу. Пріоритет основних наукових і технічних рішень, які реалізують висунуті в роботі принципи створення енергозберігаючої екологічно безпечної системи утилізації теплоти мокрого гасіння коксу, захищений патентами України № 42199А Мкл. С10В39/04 «Пристрій для мокрого гасіння коксу» і № 44003А Мкл. С10В39/04 «Система для мокрого розпеченого гасіння коксу».

2. Розроблено методику і алгоритм визначення параметрів систем утилізації теплоти та знешкодження шкідливих викидів при мокрому гасінні коксу, засновані на конвенціональних залежностях, що дозволяє застосувати їх до різних установок для мокрого гасіння коксу.

3. Розроблено практичні рекомендації із проектування систем утилізації теплоти та знешкодження шкідливих викидів при мокрому гасінні коксу відповідно до умов КХВ ВАТ «АрселорМіттал Кривий Ріг». Розроблено схему дослідно-промислової теплоутилізаційної установки (системи) з тепловою потужністю 46 МВт.

За результатами роботи науково-технічна рада управління енергетики та енергозбереження ВАТ «АрселорМіттал Кривий Ріг» рекомендувала інституту «ДІПРОкокс» використати результати виконаних досліджень тепломасообмінних процесів утилізації теплоти парогазових викидів і визначення параметрів теплоутилізаторів з підвищеною ефективністю та комплексним рішенням питань захисту навколишнього середовища при виконанні проектно-дослідницьких робіт з модернізації гасильних башт № 1, 5 коксохімічного виробництва.

Особистий внесок здобувача полягає: у розробці нових тепломеханічних схем пристрою та системи, які дозволяють підвищити ефективність утилізації теплоти до рівня теплового к. к. д. порядку 93ч95 %, що перевищує раніше досягнутий рівень в 51,7 % [1-3]; у публікаціях наукових праць з теми дисертації, розробці математичної моделі тепломасообмінних процесів у характеристичному елементі контактного апарата, виконаного на базі форсункової камери [2, 4]; у проведенні та обробці результатів чисельних і експериментальних досліджень [2, 4]; у розробці методики та алгоритму визначення параметрів систем утилізації теплоти й знешкодження шкідливих викидів, заснованих на застосуванні більш ефективних контактних апаратів, виконаних на базі форсункових камер [4-6].

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації були представлені й обговорювалися на технічних радах КХВ КДГМК «Криворіжсталь» (Кривий Ріг, 2000, 2004), на науково-технічній конференції «Перспективи розвитку Кривбасу» (Кривий Ріг, 22.11.2001), на коксохімічній секції 17_ої науково-технічної конференції молодих фахівців «Криворіжсталь-2002» (Кривий Ріг, КДГМК «Криворіжсталь», 2.11.2002) з присудженням диплома, на розширеному засіданні наукового семінару кафедри теплоенергетики Криворізького технічного університету (червень 2003 р.), на Міжнародних виставках-форумах «Промисловість, інвестиції, технології» (Кривий Ріг, листопад 2003 р.; квітень 2004 р.); на засіданні НТР управління енергетики та енергозбереження ВАТ «АрселорМіттал Кривий Ріг» (Кривий Ріг, 20.11.2007).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 6 друкованих праць, з яких 2 - патенти на винаходи; 4 - статті в науково-технічних журналах, з них 3 - у спеціалізованих фахових виданнях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота викладена на 216 сторінках, складається зі вступу, 4 розділів, висновків, містить 21 рисунок, 4 таблиці, список використаних джерел зі 104 найменувань та 8 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дана коротка характеристика роботи, що підкреслює її актуальність, наукову новизну й практичне значення для промисловості України.

У першому розділі дисертаційної роботи наведено огляд літературних джерел з проблематики діючої технології мокрого гасіння коксу. Встановлено, що енергетична недосконалість технології мокрого гасіння коксу зумовлює низький тепловий к. к. д. комплексу «коксова батарея - гасильна башта», що для вітчизняних коксохімічних виробництв (КХВ) не перевищує 14,6 %, крім того, установки для мокрого гасіння коксу (УМГК) є джерелом забруднення атмосферного повітря шкідливими компонентами парогазових продуктів гасіння, серед яких: фенол, аміак, сірководень та ін. Проаналізовано відомі технічні рішення в галузі утилізації теплоти при мокрому гасінні коксу, серед яких провідне положення займає розробка ВНДПІенергоПрому для умов Московського коксогазового заводу (Установка для мокрого тушения кокса: А. с. 1581733 СССР МКИ С10В39/04 / Михайленко А. А., Семенов В. С. и др. // Открытия-изобретения. - № 28. - 1990 г.), заснована на використанні контактного теплоутилізатора, виконаного на базі перфорованих лотків (максимальний тепловий к. к. д. контактного теплоутилізатора - 51,7 %). У результаті аналізу технічних рішень зроблено висновок про недостатній рівень теплової ефективності контактних теплоутилізаторів, виконаних на базі перфорованих лотків, і поставлена задача підвищення ефективності утилізації теплоти УМГК. У рамках поставленої задачі проведено аналіз найпоширеніших типів контактних апаратів, у ході якого встановлено, що контактні апарати, виконані на базі форсункових камер (ФК), мають ряд необхідних переваг для утилізації теплоти парогазових викидів УМГК, які дозволяють використовувати їх в межах промислових площадок діючих УМГК без проведення коштовної реконструкції КХВ [1].

Огляд патентної та науково-технічної літератури в галузі досліджень та конструкторських розробок показав, що, незважаючи на широке поширення контактних апаратів на базі форсункової камери (ФК) у промисловості, сучасні методики визначення параметрів тепломасообміну у ФК через їх особливості непридатні для умов роботи контактних теплоутилізаторів в УМГК. У зв'язку з цим обґрунтовано необхідність розробки нової методики визначення параметрів тепломасообміну у ФК для умов, наближених до промислової технології мокрого гасіння коксу, з проведенням комплексу експериментальних досліджень, математичним моделюванням і одержанням емпіричних залежностей на дослідній установці. Відзначено великий внесок вітчизняних учених, таких, як Є. Є. Карпіс, Л. М. Зусманович, О. О. Гоголін, Л. Д. Берман, О. О. Кузнєцова, М. Д. Сарішвілі, О. Я. Кокорін, Є. І. Андрєєв та ін. в дослідження й створення контактних апаратів, виконаних на базі ФК, вивчення досвіду яких дозволило значною мірою сформулювати вимоги до розроблюваної математичної моделі в частині теплофізичних властивостей парогазової суміші та теплоносія, необхідності врахування різних факторів тепломасообміну, у тому числі й конструктивних параметрів ФК.

У другому розділі дисертаційної роботи проведено теоретичні дослідження, спрямовані на розробку раціональної технології утилізації теплоти мокрого гасіння коксу, які включають: розробку нових тепломеханічних схем систем утилізації теплоти та знешкодження шкідливих викидів із застосуванням більш ефективних контактних теплоутилізаторів, виконаних на базі ФК, розробку математичної моделі характеристичного елемента ФК, методики й алгоритму визначення параметрів систем відповідно до умов вітчизняних КХВ.

У пункті 2.1 другого розділу в рамках рішення поставлених в роботі завдань розроблено нові тепломеханічні схеми пристрою та системи для мокрого гасіння коксу (патенти України № 42199А і № 44003А) [2, 3]. На рис. 1 представлена тепломеханічна схема пристрою для мокрого гасіння коксу.

Підвищення ефективності утилізації теплоти при мокрому гасінні коксу в схемах пристрою та системи для мокрого гасіння коксу досягається за рахунок ступеневого підігріву теплоносія в контактному теплоутилізаторі, виконаному на базі ФК, при цьому максимальна ефективність утилізації теплоти, підтверджена результатами експериментів, досягає рівня теплового к. к. д. порядку 93ч95 % на відміну від відомої розробки ВНДПІенергоПрому з тепловим к. к. д. контактного теплоутилізатора на базі перфорованих лотків в 51,7 %.

Рис. 1. Тепломеханічна схема пристрою для мокрого гасіння коксу [1, 2]: 1 - гасильна башта; 2 - вхідний проріз воріт; 3 - щит; 5 - зчіпка; 4 - демпфер; 6 - зрошувальний пристрій; 7, 8, 9 - три ступені конденсації, виконані на базі ФК; 10, 11, 12 - приймально-розподільні лотки; 13 - газохід для подачі газів; 14 - газопромивач; 15 - побудник витрати; 16, 19 - пристрій для спалювання шкідливих домішок з теплообмінниками, 17 - пальник; 18 - реактор; 20 - трубопровід гарячого теплоносія в систему утилізації; 21 - трубопровід відводу очищеного газу в атмосферу; 22, 23 - відстійники відповідних ступенів конденсації; 24, 32 - насоси; 25 - теплообмінник тепломережі; 26 - пристрій для очищення води; 27 - електровоз; 28 - гасильний вагон; 29 - під'їзні шляхи; 30 - канали для відводу транзитної гасильної води; 31 - відстійник транзитної гасильної води; 33 - клапан подачі підживлювальної води; 34 - зовнішня мережа.

До відмінностей нових схем утилізації теплоти відноситься використання в схемі, представленій у роботі [3], відстійників і напірних баків у якості пневматичних камерних насосів і додаткового очищення конденсату від твердих зважених часток у гідравлічних класифікаторах, у схемі (рис. 1) для подачі теплоносія використані насоси [1, 2]. Крім утилізації теплоти, застосування схем пристрою та системи дозволяє забезпечити комплексне вирішення проблем забруднення атмосферного повітря та очищення стічних вод. Більш детально технологічні аспекти застосування нових схем висвітлені в роботах [1-3].

У пунктах 2.2-2.3 дисертаційної роботи визначено основні підходи до розробки методики визначення параметрів систем утилізації теплоти парогазових викидів при мокрому гасінні коксу, засновані на дотриманні сформованих технологічних регламентів технології мокрого гасіння коксу; для проведення експериментальних досліджень обґрунтовано вибір в якості характеристичного елемента ФК одиничної форсунки й обмеженого об'єму в зоні її дії. Отримано теплове балансове рівняння та рівняння для теплового к. к. д. характеристичного елемента, секції, ступеню контактного теплоутилізатора на базі ФК для умов адіабатного протікання процесів тепломасообміну у ФК. Визначено термодинамічні параметри взаємодіючих середовищ. Виведення аналітичних залежностей базувалося на фізико-математичній моделі одномірного переносу теплоти й маси (б-модель) [4].

У пункті 2.4 другого розділу дисертаційної роботи розроблено математичну модель для визначення параметрів тепломасообміну в характеристичному елементі ФК. У зв'язку з неможливістю визначення параметрів контактної поверхні та, як наслідок, незалежного визначення чисельних значень коефіцієнтів переносу в математичній моделі використано усереднені характеристики результатів процесів переносу, у якості яких були прийняті добутки коефіцієнтів переносу на площу контактної поверхні. Оскільки процеси, що протікають в характеристичному елементі ФК, пов'язані з охолодженням і конденсацією парогазової суміші, то для рішення цієї задачі тепломасообміну запропоновано використати апробований в теплоенергетиці метод, заснований на балансових співвідношеннях і різницях ентальпій у рамках моделі одномірного переносу теплоти та маси (б-модель).

У загальноприйнятих визначеннях:

1) величина потоку «повної» теплоти (тобто весь тепловий потік, що підводиться до теплоносія у ФК) визначалась відповідно до залежності , Вт, де уF - добуток коефіцієнта масообміну на площу контактної поверхні, кг/с; I_с.лог. - середньологарифмічна різниця ентальпій, кДж/кг;

2) потік «явної» теплоти - , Вт, де бF - добуток коефіцієнта теплообміну на площу контактної поверхні, Вт/°К; ?t_с.лог. - середньологарифмічна різниця температур, єК;

3) величина потоку «прихованої» теплоти - Q_r = g_k•r, Вт, g_k - витрата конденсату на виході з ФК, кг/c; r - теплота фазового переходу водяних парів, кДж/кг.

Оскільки в контактному теплоутилізаторі для УМГК потік «повної» теплоти формується за рахунок потоку «прихованої» теплоти, а потік «явної» теплоти незначний, тому в якості визначального параметра процесів контактного тепломасообміну прийнятий добуток коефіцієнта масообміну на площу контактної поверхні уF. В іншому випадку, тобто в умовах наявності значного «транзитного» потоку парогазової суміші через ФК, потрібно враховувати потік «явної» теплоти та визначати чисельні значення добутку коефіцієнта теплообміну на площу контактної поверхні бF, і співвідношення між добутками коефіцієнтів обміну на площу контактної поверхні виражатиметься через коефіцієнт С₁, який визначається експериментальним шляхом на дослідній моделі ФК [4], .

У ході експериментів величина добутку коефіцієнта масовіддачі на площу контактної поверхні уF, визначалась відповідно до залежності , кг/с, де t_w1 - температура теплоносія на вході у ФК, єК; t_w2 - температура теплоносія на виході з ФК, єК; t_k - температура конденсації пари (дорівнює температурі насичення пари з парогазової суміші при тиску насичення), єК; I_с.лог. - середньологарифмічна різниця ентальпій, кДж/кг. Величина коефіцієнта масовіддачі, може бути встановлена як комплексна характеристика вF, що включає площу контактної поверхні й зумовлена відповідно до залежності для масового потоку від парогазової суміші до теплоносія в характеристичному елементі ФК , кг/(Па·с) де ?p_с.лог. - середньологарифмічна різниця парціальних тисків між поверхнею контакту з теплоносієм і ядром парогазового потоку, Па.

Адекватне регресійне рівняння (постульована модель) для визначення добутку коефіцієнта масообміну на площу контактної поверхні уF в характеристичному елементі ФК у ході експериментальних досліджень на дослідній установці виражається залежністю [4]

(1)

де А₁, А₂, А₃,…, А_n - значення критеріїв і коефіцієнтів, що характеризують тепломасообмінні процеси, які протікають в характеристичному елементі ФК; Х₁, Х₂, Х₃,…, Х_n - експериментальні значення показників степенів при критеріях і коефіцієнтах регресійного рівняння.

Критерії та коефіцієнти (фактори) для залежності (1) визначені в результаті аналізу мікрорівня взаємодії між речовиною краплі теплоносія та парогазовою сумішшю, у ході якого встановлено, що найбільше на прогрів краплі впливають її розміри та режим руху. Зроблено висновок про винятковий вплив якісних параметрів роботи тангенціальних механічних форсунок на тепломасообмінні процеси в характеристичному елементі ФК. Відомо, що максимальна ефективність розпилювання теплоносія спостерігається в першій фазі дроблення струменя, що описується на основі теорії локальної структури турбулентності, відповідно до теоретичної залежності А. М. Колмогорова та рівняння Розіна-Раммлера для якісних параметрів роботи форсунок:

, (2)

, (3)

де d_k - діаметр крапель, м; Re_Е - число Рейнольдса для еквівалентного діаметра форсунки; n - кутовий коефіцієнт прямої, що визначається графічно.

Використання в моделі критеріїв і коефіцієнтів, які входять у теоретичну залежність А. М. Колмогорова, що поєднує досвід розпилювання рідин у геометрично подібних камерах для 160 типів тангенціальних механічних форсунок, дозволяє сформулювати умови застосування емпіричних залежностей, засновані на теорії подібності, до характеристичних елементів ФК промислової технології. Вплив інших факторів установлювався в ході експериментальних досліджень на дослідній моделі контактного апарата [4].

Отримані в пункті 2.4 другого розділу аналітичні залежності дозволили провести експериментальні дослідження, результати яких використані в пункті 2.5 при розробці алгоритму визначення параметрів систем утилізації теплоти та знешкодження шкідливих викидів при мокрому гасінні коксу [4-6].

У третьому розділі дисертаційної роботи виділено клас перспективних промислових технологій, які забезпечують комплексне вирішення проблем екологічної безпеки технології мокрого гасіння коксу.

Для очищення вод, забруднених фенолами, запропоновано технологію «ВОСК», яка базується на адсорбційних методах і забезпечує високий ступінь очищення (більше 99,5 %) при високій ємності за фенолом (більше 20 % від маси адсорбенту), розглянуто можливості використання в якості адсорбенту відходів коксохімічного виробництва - коксового дріб'язку, при цьому ємність адсорбенту за фенолом усього на 15-20 % нижча, ніж при використанні активованого вугілля марки БАВ [5]. Представлено результати лабораторних досліджень з визначення концентрацій забруднюючих речовин у гасильній воді та парогазових викидах УМГК [5].

Для очищення газів після контактного теплоутилізатора УМГК запропоновано технологію «ВСА» фірми «ХальдорТопсе» (Данія), засновану на методах каталітичного низькотемпературного спалювання шкідливих речовин з утилізацією теплоти продуктів згоряння газів.

Використання апробованої технології очищення фенольних вод «ВОСК» фірми «Екопром» (м. Жовті Води) і технології знешкодження шкідливих речовин у газах «ВСА» фірми «ХальдорТопсе» (Данія) у комплексі з утилізацією теплоти в контактних теплоутилізаторах на базі ФК дозволяє вирішити екологічні проблеми технології мокрого гасіння коксу [1, 5].

У четвертому розділі дисертаційної роботи проведено експериментальні дослідження контактного тепломасообміну на дослідній установці (рис. 2, фото - рис. 3) в інтервалах параметрів взаємодіючих середовищ, які відповідають умовам промислової технології [1, 4].

Рис. 2. Схема експериментальної установки: 1 - электропарогенератор, 2 - камера контактного апарата, виконана у вигляді циліндричної ємності; 3 - запірно-регулююча арматура; 4 - запобіжні клапани; 5 - манометри; 6 - ртутні термометри; 7 - електронагрівальний елемент; 8 - форсунковий пристрій для камери контактного апарата; 9 - тягонапороміри; 10 - рівнеміри для ємностей 1, 2; 11 - мірна ємність.

Ємності 1 і 2 з'єднані трубопроводом для подачі парогазової суміші, до форсунки 8 підведено трубопровід для подачі води.

Експерименти проводилися в сталому режимі роботи установки; відповідно до розробленої методики проведено 6 серій експериментів по 19 вимірів у кожній. Обробка експериментальних даних виконувалась на ПЕОМ із застосуванням програми обробки результатів експериментів на базі «Microsoft Excel» загальним обсягом 1,03 Мбайт.

Після дослідного визначення чисельних значень змінних відгуків - добутків коефіцієнта масообміну на площу контактної поверхні уF і факторів - критеріїв і коефіцієнтів, включаючи: відношення середньомасового діаметра крапель у факелі розпилу до еквівалентного діаметра форсунки d_k^у/d_Е; критерій Рейнольдса для еквівалентного діаметра форсунки Re_Е; відношення масових витрат парогазової суміші та теплоносія - В, постульована модель представляється у вигляді мультиплікативної функції [4]:

, (4)

де е - залишок, нев'язка (різниця між дослідним і розрахунковим значеннями відгуку); А₁ - коефіцієнт витрати дослідної установки, кг/с.

Представлена нелінійна мультиплікативна модель (нелінійна за оцінюваними параметрами) може бути зведена до лінійного вигляду (тобто є внутрішньолінійною) за допомогою логарифмування за основою e. При цьому для поліпшення операбельності остаточного рівняння регресії показник степеня при параметрі B приймається рівним 1.

Після логарифмування за основою e модель набула вигляду

. (5)

Лінійна форма моделі (5) дозволила застосувати стандартні методи досліджень лінійної регресії. Після підстановок результатів 6 серій експериментів і остаточних перетворень сформована переповнена система лінійних рівнянь (кількість рівнянь перевищує кількість невідомих), при рішенні якої знайдені найбільш імовірні значення невідомих, для яких сума квадратів відхилень найменша. Виконання вимоги мінімуму суми квадратів відхилень привело до нової системи лінійних рівнянь, у якій кожне рівняння є частковою похідною цієї суми за відповідною невідомою, прирівняною до нуля. Узагальнено нова система рівнянь виглядає таким чином: , де k = 1, 2, …, n - номер вихідного рівняння, складеного за результатами k-го досліду; i = 1, 2, …, m - номер перетвореного рівняння; n - число вихідних рівнянь, дорівнює числу дослідів; m - число перетворених рівнянь, дорівнює числу невідомих.

У результаті вирішення нової системи лінійних рівнянь знайдені значення невідомих X₁, X₂, які є показниками степенів при відповідних факторах (критеріях і коефіцієнтах). Точність кореляції оцінювалася за середнім арифметичним відхиленням дослідних даних від розрахункових у відсотках:

. (6)

Представлений вище алгоритм розв'язання перенасичених систем лінійних рівнянь використаний у стандартній підпрограмі, у результаті роботи якої в підсумку ітераційного процесу (було задано 10000 ітерацій) отримані значення невідомих: X₁ = 2,32, X₂ = 0,56, при цьому точність кореляції становила ?Y = 3,49 %. Додаткова регресійна статистика до постульованої математичної моделі підтвердила високу точність експериментальної залежності, так, коефіцієнт детермінації дорівнював: r₂ = 0,97, що підтверджує адекватність моделі. Також у ході проведення додаткового регресійного аналізу за методом виключень установлено, що фактори, які входять в залежність (5), щонайкраще відображають функціональний зв'язок зі змінними відгуками.

Після підстановки чисельних значень показників степенів емпірична залежність для добутку коефіцієнта масообміну на площу контактної поверхні уF представляється у вигляді [4, 6]:

. (7)

Регресійна статистика до залежності (7) для добутку коефіцієнта масообміну на площу контактної поверхні підтверджує, що фактори, включені в модель, з високою точністю відображають реальні процеси, які протікають у контактному теплоутилізаторі на базі ФК, відповідно до умов взаємодії між парогазовою сумішшю при близькому до атмосферного тиску та розпилюваним тангенціальною механічною форсункою теплоносієм. Емпірична залежність (7) дозволяє визначити величину потоку «повної» теплоти в характеристичному елементі ФК експериментальної установки залежно від факторів формування контактної поверхні та співвідношення витрат взаємодіючих середовищ і діє в наступних інтервалах значень: 1) середньологарифмічна різниця ентальпій ?I_с.лог., кДж/кг: 149,3ч304,7; 2) потік «повної» теплоти Q_П, Вт: 149ч178; 3) добуток коефіцієнта масообміну на площу контактної поверхні 1000уF: 0,48ч1,16; 4) відношення середньомасового діаметра крапель до еквівалентного діаметра сопла тангенціальної механічної форсунки d_к^у/d_Е: 0,36ч0,69; 5) відношення витрати пари на вході в ФК до витрати води поданої через форсунку: 0,0043ч0,026; 6) число Re_Е: 22881ч11970; 7) константа розподілу n = 2; 8) середньологарифмічна різниця температур ?t_с.лог., єС: 34ч77; 9) тепловий к. к. д. ФК експериментальної установки з, %: 75-98; 10) приплив конденсату до теплоносія g_k, кг/c: 5,5E-05ч6,9E-05; 11) середньологарифмічна різниця парціальних тисків ?Р_с.лог., кПа: 8,7ч120,4; 12) коефіцієнт масовіддачі у ФК вF: 7,1E-09ч8,4E-12; 13) температура парогазової суміші на вході у ФК експериментальної установки t_вх, °С: 95ч110; 14) масова частка пари в парогазовій суміші ц, %: 4ч30; 15) абсолютний тиск на вході у ФК Р_вх, кПа: 91,2ч131,7; 16) коефіцієнт витрати дослідної установки: А₁ = 10^-3 кг/с. У дослідженому інтервалі значень отримано регресійне рівняння між добутком коефіцієнта масообміну на площу контактної поверхні та комплексною характеристикою масовіддачі: уF/A₁= уF•10³ ? 6,02·вF^0,1004, R² = 0,7.

Встановлено чисельні співвідношення між тепловим к. к. д. ФК з, добутком коефіцієнта масообміну на площу контактної поверхні уF і середньологарифмічною різницею ентальпій ДI_с.лог.. Тепловий к. к. д. ФК експериментальної установки з визначався відповідно до залежності , %, де вираз у чисельнику являє собою величину потоку «повної» теплоти Q_П, що відводиться з ФК з теплоносієм, Вт, а вираз у знаменнику - величину теплового потоку, унесеного у ФК з парогазовою сумішшю, Вт; ДI і ДI_с.лог. - відповідно, різниця ентальпій парогазової суміші на вході та виході з ФК експериментальної установки та середньологарифмічна різниця ентальпій у ФК, кДж/кг; уF - добуток коефіцієнта масообміну на площу контактної поверхні і G_пгс - витрата парогазової суміші на вході у ФК експериментальної установки, кг/c.

Отримані залежності між тепловим к. к. д. ФК експериментальної установки з і середньологарифмічною різницею ентальпій у ФК ДI_с.лог. представлено на рис. 4 й розроблено алгоритм визначення параметрів роботи характеристичних елементів ФК експериментальної установки та промислової технології із заданою ефективністю, що виражається тепловим к. к. д. ФК, з [4].

Розроблено практичні рекомендації з раціонального використання реактивного простору ФК та з інженерних розрахунків тепломасообміну у внутрішніх секціях промислового контактного теплоутилізатора на базі ФК [4, 6].

Визначено чисельні співвідношення між якісними параметрами роботи тангенціальних механічних форсунок: d_k^у/d_Е, Re_Е і величиною «повного» теплового потоку, що підводиться до теплоносія в характеристичному елементі ФК, їх представлено у вигляді графічних залежностей рис. 5 і рис. 6 [4].

Визначено умови вибору конструкції та режимів роботи форсункового пристрою в ФК промислової технології, до яких віднесено: 1) відповідність якісних параметрів роботи форсунки промислової ФК (Re_Е, d_k^у/d_Е) режимам роботи ФК експериментальної установки, що виражається експериментальною залежністю , де - характеризує роботу ФК експериментальної установки, а вираз характеризує якісні параметри роботи форсунки експериментальної установки; 2) виконання умов алгоритму визначення параметрів роботи характеристичного елемента ФК експериментальної установки та промислової технології із заданою ефективністю, що виражається тепловим к. к. д. - з [4].

Після встановлення чисельних значень факторів Re_Е та d_k^у/d_Е, отриманих для умов характеристичного елемента ФК експериментальної установки при значенні константи розподілу п = 2 (форсунка експериментальної ФК), теоретична залежність А. М. Колмогорова представляється у вигляді [4, 6]:

, (8)

де Re_Е1, d_k^у₁/d_Е - якісні параметри роботи форсункового пристрою промислової технології; п₁ - константа розподілу для форсункового пристрою промислової технології. Після встановлення величин факторів Re_Е1, d_k^у₁/d_Е1, правильність підбору форсункового пристрою та режиму його роботи повинна бути підтверджена виконанням умови [4, 6]:

. (9)

Застосування залежностей (8), (9) дозволяє виконати підбір форсунки для умов роботи в характеристичному елементі ФК промислової технології з 160 різних типів тангенціальних механічних форсунок, однак це пов'язано з досить трудомісткими розрахунками, зумовленими необхідністю підбору значень факторів Re_Е1, d_k^у₁/d_Е1, які, у свою чергу, залежать від значної кількості різних індивідуальних конструктивних характеристик і параметрів роботи форсунок [4, 6]. Проблема вирішується з використанням ПЕОМ за допомогою завдання ітераційного процесу з необхідною точністю виконання умов, які виражаються залежностями (8), (9).

Практичним результатом роботи стала розробка технічного завдання на проектування системи утилізації теплоти мокрого гасіння для умов УМГК КХВ ВАТ «АрселорМіттал Кривий Ріг» з тепловою потужністю за утилізованою теплотою порядку 46 МВт [1, 4-6].

ВИСНОВКИ

1. У результаті аналізу технічних рішень у галузі утилізації теплоти мокрого гасіння коксу встановлено, що максимальна ефективність відомих теплоутилізаційних установок, яка виражається тепловим к. к. д., не перевищує 51,7 % (розробка ВНДПІенергоПрому для умов Московського коксогазового заводу) і пов'язана з низькою тепловою ефективністю контактних апаратів виконаних на базі перфорованих лотків. Визначено шляхи підвищення ефективності утилізації теплоти при мокрому гасінні коксу, засновані на використанні більш ефективних контактних теплоутилізаторів, виконаних на базі форсункових камер.

2. Огляд патентної та науково-технічної літератури в галузі досліджень і конструкторських розробок показав, що незважаючи на широке розповсюдження контактних апаратів на базі форсункових камер у промисловості сучасні методики визначення параметрів тепломасообміну у форсункових камерах через їхні особливості непридатні при розробці контактних теплоутилізаторів парогазових продуктів мокрого гасіння. Зроблено висновок про необхідність розробки нової методики визначення параметрів тепломасообміну у форсунковій камері для умов промислової технології мокрого гасіння коксу з проведенням комплексу експериментальних досліджень і одержанням емпіричних залежностей на дослідній установці.

3. Розроблено нові тепломеханічні схеми пристрою та системи для мокрого гасіння коксу, що дозволяють усунути недоліки, характерні для відомих систем, при дотриманні сформованих технологічних регламентів діючої технології мокрого гасіння.

4. Розроблено методику й алгоритм визначення параметрів систем утилізації теплоти парогазових викидів мокрого гасіння коксу, обґрунтовано вибір у якості характеристичного елементу одиничної форсунки та обмеженого об'єму в зоні її дії, отримано теплове балансове рівняння та рівняння теплового к. к. д. характеристичного елементу, секції, ступеня контактного теплоутилізатора, виконаного на базі форсункової камери.

5. Розроблено математичну модель, засновану на одномірному переносі теплоти та маси (б-модель); для експериментальних досліджень процесів контактного тепломасообміну у форсунковій камері запропоновано метод, заснований на балансових співвідношеннях і різниці ентальпій, а в якості усереднених характеристик результатів процесів переносу прийняті добутки коефіцієнтів переносу на площу контактної поверхні. Обґрунтовано використання в якості визначального параметра процесів контактного тепломасообміну у форсунковій камері добутку коефіцієнта масообміну на площу контактної поверхні, обробку експериментальних даних проведено із застосуванням методів прикладного регресійного аналізу на ПЕОМ.

6. У результаті аналізу мікрорівня взаємодії між речовиною краплі та парогазовою сумішшю зроблено висновок про визначальний вплив якісних параметрів роботи форсунок на тепломасообмінні процеси у форсунковій камері. Обґрунтовано застосування в математичній моделі критеріїв і коефіцієнтів, що входять у теоретичну залежність А. М. Колмогорова.

7. Визначено перспективні напрямки забезпечення екологічної безпеки технології мокрого гасіння коксу. Запропоновано адсорбційну технологію очищення стічних вод «ВОСК» і технологію низькотемпературного доспалювання шкідливих компонентів парогазових викидів «ВСА» фірми «ХальдорТопсе» (Данія), які разом з утилізацією теплоти мокрого гасіння коксу дозволяють забезпечити комплексне вирішення проблем екологічної безпеки технології мокрого гасіння коксу.

8. Розроблено методику проведення експериментів, проведено експериментальні дослідження процесів тепломассообмену у форсунковій камері дослідної установки. У результаті обробки експериментальних даних одержано емпіричну залежність для знаходження визначального параметра тепломасообмінних процесів у характеристичному елементі форсункової камери - добутку коефіцієнта масообміну на площу контактної поверхні - у діапазоні параметрів парогазової суміші на вході у форсункову камеру: температура - 95ч110 °С; масова частка пари в суміші - 0,04ч0,3; абсолютний тиск - 91,2ч131,7 кПа - і встановлені додаткові умови для розповсюдження результатів експериментів на характеристичні елементи форсункових камер промислової технології, які ґрунтуються на дотриманні вимог теорії подібності для критеріїв і коефіцієнтів, які включені в математичну модель і характеризують якісні параметри роботи форсунок.

9. Визначено чисельні співвідношення й одержано залежності між тепловим к. к. д. форсункової камери - 75ч98 % і середньологарифмічною різницею ентальпій - 149,3ч304,7 кДж/кг, розроблено алгоритм визначення параметрів роботи характеристичного елементу форсункової камери експериментальної установки та промислової технології із заданою тепловою ефективністю, що виражається тепловим к. к. д.

10. Розроблено практичні рекомендації з раціонального використання реактивного простору форсункової камери та з інженерних розрахунків тепломасообміну у внутрішніх секціях промислового теплоутилізатора на базі форсункової камери. Визначено чисельні співвідношення між якісними параметрами роботи тангенціальних механічних форсунок і величиною «повного» теплового потоку та умови підбору тангенціальних механічних форсунок для роботи в контактних теплоутилізаторах на базі форсункових камер.

ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Суртаєв В. В. Система утилізації тепла та знешкодження шкідливих викидів при мокрому гасінні розпеченого коксу / В. В. Суртаєв // Розробка рудних родовищ : науково-технічний збірн. 2002. № 78. С. 150-154.

2. Патент України № 42199А. Пристрій для мокрого гасіння коксу / Суртаєв В. В., Суртаєв В. М. Бюл. № 9. 2001.

3. Патент України № 44003А. Система для мокрого гасіння розжареного коксу / Суртаєв В. В., Суртаєв В. М. Бюл. № 1. 2002.

4. Суртаєв В. В. Математичне моделювання і експериментальні дослідження процесів контактного тепломасообміну в характеристичному елементі теплоутилізатора, виконаного на базі форсункової камери / В. В. Суртаєв // Енергетика: економіка, технології, екологія / НТУУ КПІ. 2007. № 2. С. 88-93.

5. Суртаєв В. В. Перспективні напрямки забезпечення екологічної безпеки установок утилізації теплоти мокрого гасіння коксу / В. В. Суртаєв // Енергетика: економіка, технології, екологія / НТУУ КПІ. 2004. № 1. С. 77-81.

6. Суртаєв В. В. Алгоритм визначення параметрів систем утилізації теплоти мокрого гасіння коксу / В. В. Суртаєв // Системні технології : Регіональний міжвузівський зб. наук. пр. Вип. 1(54). Дніпропетровськ, 2008. С. 126-134.

АНОТАЦІЯ

Суртаєв В. В. Підвищення ефективності утилізації теплоти при мокрому гасінні коксу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. - Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2008.

Дисертація присвячена питанням підвищення ефективності утилізації теплоти, спрямована на створення нових енергоефективних і екологічно безпечних тепломеханічних схем утилізації теплоти та знешкодження шкідливих викидів при мокрому гасінні коксу.