Возможности применения барабанных агрегатов в процессах подготовки кокса к оптимальному использованию

Размещено на http://www.allbest.ru/

Возможности применения барабанных агрегатов в процессах подготовки кокса к оптимальному использованию (Сообщение 1)

Мучник Дамир Абрамович, докт. техн. наук, проф., R&D manadger

Гуляев Виталий Михайлович, докт. техн. наук, проф., первый проректор

Предложены формулы и выполнены расчеты требуемых габаритов барабанов для разной производительности и степени заполнения. При постоянной частоте вращения 15 об/мин установлена связь между углом наклона барабана и величиной механической нагрузки для оптимальной стабилизации в зависимости от свойств кокса. Установленная длина барабана до 4-х метров позволяет использовать его как желоб транспортерного тракта перед классификацией кокса.

Ключевые слова: барабан; угол наклона; производительность; число воздействий; заполнение; длина; диаметр;

Барабанные агрегаты используются в очень многих процессах, как в различных отраслях промышленности, так и в сельском хозяйстве. От копчения мяса и рыбы до восстановления марганцевой руды и обжига известняка. Барабаны легко вписываются как в периодический, так и в непрерывный технологический процесс, легко управляемы и позволяют достигать при необходимости в одном процессе совмещения двух, а иногда и большего числа целей. Они представляют собой горизонтальный, а чаще наклонный вращающийся барабан, оборудованный внутри определенными, отличающимися по назначению, устройствами, или без них.

Так, при получении удобрений на Гомельском химзаводе [1] используют барабанные сушилки, грануляторы, а также барабаны кондиционирования, в которых гранулы обрабатывают против слеживания. В источнике [2] описано широкое использование барабанных агрегатов при обогащении полезных ископаемых. Используются они и при утилизации отходов производства, например, фосфогипса с получением серы и окиси кальция, а также сульфата аммония и карбоната кальция [3]. Барабанные грохоты применяют при производстве ванадиевых катализаторов [4], а при переработке бытовых отходов применяют биотермический барабан, а также грохот и сушилку [5]. Чрезвычайно широко используются барабаны в процессах сушки и нагрева, как элементах подготовки сырья к использованию. Во всех случаях предполагается стабильный режим, задаваемый проектом и практически сохраняемый в период эксплуатации.

Большое различие в назначении предопределяет многообразие габаритов и объемов барабанов: от 1м³ до печей диаметром до 7,5м и длиной до 200 м для производства цемента. Внутренние устройства также весьма разнообразны. Так, сушильные и нагревательные барабаны, как правило, оборудуются лопатками различных размеров и расположения, которые должны обеспечить материалу максимальный контакт с газовой средой. Последний зависит от высоты, а точнее времени падения материала с лопаток. Имеются и другие виды внутренних устройств.

В России работают крупные предприятия, выпускающие серийно барабанные агрегаты. В ассортименте более 15 видов печей, сушилок и другого назначения барабанов с диаметром до 2,5м и длиной до 75м. Имеются специализированные производители, как в ближнем, так и в дальнем зарубежье [19]. При всем этом, в процессе производства кокса барабаны не используются. барабанный кокс транспортерный

Расчет и проектирование барабанов производят в соответствии с назначением и производительностью. Ниже приведены некоторые из методов расчетов, которые могут представлять интерес для коксового производства. Они не связаны с теплотехнической составляющей процессов сушки, нагрева и охлаждения. Задачей расчетов является определение габаритов и частоты вращения, обеспечивающих требуемую производительность и возможности оптимизации формирования свойств кокса вне камер коксования.

Одной из первых появилась формула расчета производительности барабанных грохотов, предложенная Левенсоном Л. Б. еще в 1927г. [6]:

, т/мин

где- объемная плотность, т/м³; n - частота вращения барабана, об/мин; h-толщина слоя в барабане; Ф - угол наклона барабана. Конструкция предполагает неизменное положение агрегата и не предусматривает возможности его регулирования.

Ворошилов А. П. [7] предложил уравнение для определения величины продвижения частицы за один оборот барабана:

,

где D -диаметр барабана; в - угол наклона линии скоса движения материала по отношению к оси; ц - степень заполнения барабана; Ф - угол наклона барабана; И - угол естественного откоса материала. Как видно из уравнения, основные параметры рабочего органа отсутствуют, хотя и возможно установить производительность, как функцию частоты вращения барабана, но это не было сделано.

Ваганов Н. П. предложил в работе [8] следующую формулу определения производительности:, в которой факторы управления процессом имеются в явном виде (tg2Ф и n), но управление работой барабана не предусматривалось, поэтому и взаимосвязи между факторами и не анализировались.

В 1952 году Ходоров Е. И. предложил [9] эмпирическую формулу для вычисления производительности барабанного агрегата:

где W- скорость продвижения материала в осевом направлении; ? - объемная плотность материала, т/м³; i - угол наклона барабана, %; К - коэффициент учитывающий внутренние устройства (без внутренних устройств в барабане К=1).

Аналитическое определение производительности дал Saeman W. C. [10]. На вид, простое решение, требует весьма сложного нахождения безразмерного коэффициента

Здесь - угол между поверхностью слоя материала и осью барабана, рад; r₀ - кратчайшее расстояние между осью барабана и точкой на лопатке, то есть, предполагается барабан, оснащенный лопатками. Остальные обозначения те же. Сопоставление результатов расчета по данным формулам показывают значимо отличающиеся между собой результаты.

К факторам возможного управления процессом (или процессами) происходящими в барабане могут быть частота вращения и угол наклона барабана. Конструктивные параметры - диаметр и длина барабана - являются постоянными и определяют производительность. Ни одна из перечисленных выше и других, известных нам формул не рассматривают возможность воздействия условий обработки в барабане на продукт.

В процессе производства кокса барабанные агрегаты могут быть использованы при реализации различных, как индивидуальных, так и совмещенных процессов. Они протекают при формировании свойств кокса после завершения процесса спекания и выдачи кокса из печей. К ним относятся стабилизация свойств насыпной массы, совмещение названного процесса с классификацией кокса, завершающая стадия охлаждения кокса после УСТК с незначительным увлажнением крупного кокса, а также стабилизацией свойств и, наконец, вторая ступень охлаждения кокса в процессах по патентам [11] и [12]. Все эти процессы требуют оптимизации.

Возможно вставка рисунка с подрисуночной подписью

Движение кокса вдоль барабана обусловлено наклоном барабана на угол в и определенной частотой оборотов щ. Во вращающемся барабане движение кокса происходит следующим образом. При повороте барабана на некоторый угол, кокс вместе с барабаном поворачивается до определенного момента, а затем спускается несколько и вновь затягивается вверх. Такая картина обусловлена соотношением воздействий сил трения кокса о несущую поверхность и силой тяжести кусков. Она многократно рассматривалась как теоретически, так и экспериментально [4-10, 15-17 и др.].

Условный след при непрерывном скольжении материала по поверхности барабана представит собой винтовую линию с углом наклона в к образующей цилиндрическую поверхность. За один оборот продольное перемещение в барабане произойдет на величину, называемую шаг винтовой линии и равный

(1).

Угол в равен углу наклона барабана, а D - его диаметр¹.

Объем кокса, переместившегося за 1оборот, будет

V= h *F, м³/об. , (2)

где F- сечение барабана, заполненное коксом. Допустим, кокс располагается сегментом, площадь которого равна

, (3)

где ц - степень заполнения барабана. За одну минуту перемещение кокса будет

h*F*щ , (4)

где щ - частота вращения барабана, об/мин. Производительность барабана будет

, т/мин.

Объединив все числовые значения и переведя тонны в м³/сек получим коэффициент 3.14*3.14/(60*4) = 0.0411 и

, м³/с (5)

Уравнение (5) можно записать в виде

, м , (6)

откуда вычисляется значение диаметра барабана для конкретных условий работы.

Например, для G=0,039 м³/с; ц=0,25; щ=15 об/мин и tgв=0,087, D=1.43м (см. табл.1).

Величина произведения щ_яtgв может быть установлена исходя из реально возможной (или желаемой) величины составляющих. Так щ может быть в пределах от 1 до (32/D^0.5). Считая максимально возможным D=3м, наибольшая частота оборотов щ_мах=32/1,73=18,5 об/мин. Принимаем щ_мах=15 об/мин.

Величина в реально возможна в пределах 5 - 45- градусов, а tgв соответственно составляет 0,087 - 1,0. Понятно, что чем меньше угол наклона, тем больше должна быть частота оборотов для сохранения производительности. Поэтому изменения произведения щ_яtgв составляют 0,087*15 об/мин = 1,3; или 1*1,3 об/мин = 1,3. На рис.1 показано, что произведение щ_яtgв может быть постоянным, если изменение одного показателя производится пропорционально изменению второго, обеспечивая постоянную величину производительности барабана.

Принятие этих условий дает возможность установить по (6) диаметр барабана, обеспечивающий при соответствующей степени заполнения заданную производительность (см. табл. 1).

Таблица 1. Значения диаметров барабана и продвижения кокса за один оборот (h,м) при разной степени заполнения (ц), для производительности:

В табл.1 диаметр D определялся для разных секундных производительностей барабана, соответствующих объему производства 50, 70 и 100 тонн/час. Степень заполнения барабана для разных процессов влияет по-разному. С учетом этого диапазон ее изменения выбран 0,15 - 0,25. Произведение щ_яtgв принято равным 1,3. По поводу длины барабана, ввиду большого различия процессов, рассматриваемых далее, вопрос будет изложен отдельно в каждом случае.

Барабан, предназначенный только для оптимальной стабилизации кокса.

Поскольку вопрос достаточно хорошо изучен и неоднократно поднимался в литературе разными авторами, в том числе и нами, останавливаться на необходимости оптимизации не имеет смысла. Достаточно лишь напомнить, что чрезмерная стабилизация дает большое снижение выхода доменного кокса при незначительном улучшении его качества (см. статьи в Кокс и химии 2006. № 10; 2010. № 1; 2012. №№ 6; 10 и др.). Предполагается, что число оборотов малого стандартного барабана Микум для оптимального стабилизирования будет установлено расчетом после испытания кокса [18]. Также потребуется сравнительное испытание одного и того же товарного кокса в Микуме и промышленном барабане на предмет сопоставления величины воздействия.

В расчетах значений D и h (табл.1) принималось значение щtgв=1,3. Изменение одного из них сопровождалось изменением второго. В работе [13] и [14] описана общая конструкция барабана, позволяющая изменять частоту оборотов и угол наклона барабана. С целью упрощения конструкции допускаем постоянство частоты оборотов, поскольку на шаг h влияет только переменная tgв. Во взаимосвязи с tgв можно установить число оборотов n, при котором кокс будет находиться в барабане от момента поступления до выхода из него, то есть осуществлено n воздействий на кокс. За одно воздействие принимается результат изменения свойств кокса после одного оборота барабана.

Барабан для стабилизации кокса может быть закрытым (то есть цилиндрическая оболочка сплошная) иметь постоянную частоту оборотов и управляемый угол наклона. Диаметр и длина барабана L выбираются в соответствии с конструктивными особенностями коксовой сортировки и учетом данных о производительности, а также варьирования в определенном диапазоне угла наклона. Число воздействий n определяется как частное от деления L на шаг винтовой линии h, то есть n = L/ h или , а с учетом (1)

. ⁽⁷⁾

Для предотвращения затора в рассматриваемом стабилизаторе, диаметр барабана должен быть примерно таким же, как и при секундной производительности (см. табл.1). Иначе говоря, приняв диаметр барабана, примерно равный указанному в табл. 1 для соответствующих условий и назначив частоту оборотов барабана, можно вычислить угол его наклона, который обеспечит требуемое число воздействий за период пребывания кокса внутри барабана.

В табл. 2 показаны результаты расчетов величины tgв в зависимости от принимаемого для стабилизации (в соответствие со свойствами кокса) числа воздействий n. Исходными условиями были: производительность 70 т/ч (0,039 м³/сек); степень заполнения 25 % ; диаметр барабана в одном случае 1,5м и во втором 1,3м, близкие к приведенному в табл.1 D=1.43м; постоянная частота вращении 15 об/мин и число воздействий на кокс величиной от 10 до 1,3 оборотов. Как видно из табл. 2, условиям управляемой обработки может соответствовать барабан длиной 3 - 3,5 м. Это значит, что он может вписаться вместо желоба, на передаче кокса, например, с наклонного транспортера на классификатор (валковый или вибрационный грохот).

Принятая для расчета степень заполнения 0,25 даст весьма легкую обработку кокса, главным образом в виде истирающих воздействий, в количестве, соответствующем углу наклона. Положительной стороной высокой степени заполнения послужит факт перемещения в барабане кокса по коксу, практически предохраняя барабан от износа. Такой же эффект будет получен и при меньшей степени заполнения, при установке внутри барабана продольных полок по цилиндрической образующей. Ширина полок может быть до 50мм. Количество полок - порядка 8. В подтверждение приводим рис.1, на котором показано расположение кокса на полках в шести позициях вращающегося барабана.

Таблица 2. Зависимость угла наклона барабана от требуемого числа воздействий n при tgв=L/(3.14nD) в случае G= 70 т/ч (0.039 т/сек), ц = 0.25; щ =15 об/мин ;

Из рис.1 видно, что падение кокса даже с полки, а тем более с пластов, перекрывавших полки, происходит на слой кокса. При меньшей степени заполнения часть кокса будет не пересыпаться, а падать на коксовую подстилку, увеличивая интенсивность механической обработки.

Поскольку угол наклона барабана определялся по другому принципу, чем тот, который был использован при составлении формулы (5), по которой вычислялась производительность барабана, необходимо проверить обеспечиваемость ее при найденных величинах tgв и постоянном значении щ = 15 об/мин . Проверка выполнена расчетом G по формуле (5) при величинах tgв вычисленных и приведенных в табл.2. Результаты проверки представлены в табл.3. Для условия ц = 0,25 - две левые колонки.

Таблица 3. Производительность, G, м³/сек, при условиях (см. табл. 2, 5, 6)

Из табл.3 видно, что при D = 1,5м и L=3,0м, производительность меньше, чем была задана изначально (0,039 м³/сек). Из формулы (5) следует, что

(8)

Подставив в (8) значения требуемой производительности, значение щ=15 и выбранный диаметр 1,5 м, получаем величину tgв=0.0749, которая обеспечивает производительность барабана. Для приближения к этой величине можно изменить выбранные параметры D или L. При расчете tgв (табл.2, формула (7)) фигурируют обе величины, и они по-разному влияют на результат. Так, например, увеличение диаметра снижает результирующий угол наклона, а увеличение длины - увеличивает его

(см. табл.4). В наибольшей мере это проявляется на больших числах воздействия.

Таблица 4. Влияние величины L и D на tgв при n=10

Увеличивать tgв путем снижения D можно лишь до определенной величины, поскольку диаметр входит в расчетную формулу производительности в третьей степени, то есть производительность при его уменьшении резко снижается. Изложенные выше соображения следует принимать, и принимались нами в расчет при подборе габаритных размеров стабилизирующего барабана и во всех других случаях.

Таблица 5. Зависимость угла наклона барабана от требуемого числа воздействий n, в случае G = 70 т/ч (0.039 т/сек), ц=0.2 и щ = 15 об/мин в условиях

Представляет интерес влияние степени заполнения барабана на его габаритные размеры. В табл.5 приведены данные расчетов влияния требуемого угла наклона барабана для обеспечения желаемой (или оптимальной) величины стабилизирования кокса по формуле (7), в случае заполнения барабана на 20%. Из табл. 5 видно, что для обеспечения производительности пришлось увеличить диаметр барабана до 1,6м при длине 3,5 м.

В табл.6 даны характеристики работы барабана при степени заполнения 0,15. Как видно из приведенных данных, для обеспечения заданной производительности ( см. табл. 3, две колонки справа) пришлось увеличит не только длину барабана до 4,4м, но увеличить и диаметр его до 1,7 м. Даже при этих условиях требуемое воздействие в 10 оборотов полностью не достигается. Во всех остальных случаях ( число воздействий 9 -1,3) имеется достаточный запас увеличения производительности, что гарантирует свободное прохождение кокса через барабан без образования заторов.

Таблица 6. Зависимость угла наклона барабана от требуемого числа воздействий n, в случае G = 70 т/ч (0.039 т/сек), ц=0.15 и щ = 15 об/мин в условиях

Отметим, что во всех трех случаях не удавалось с первого раза установить габаритные размеры, которые обеспечивали бы производительность во всем предусмотренном диапазоне величины воздействий. Более того, приведенный второй вариант подбирался путем варьирования величинами D и/или L, проверяя каждый раз удовлетворительность результата по формуле (5).

Сопоставление габаритов барабанов при разных степенях заполнения показывает (см. табл.3), что уменьшение коэффициента ц с 0,25 до 0,2 и далее до 0,15 вынуждает увеличивать и диаметр барабана с 1,5 м до 1,6 и далее до 1,7м, и длину его с 3,5м до 4,4м.

Приведенные выше расчеты касались случая тракта кокса пропускной способностью 70 т/час. Это соответствует в настоящее время достаточно большому числу потоков кокса и потоков на коксовую сортировку и потокам кокса через УСТК. В то же время, на многих производствах имеются меньшие и большие мощности потоков. Влияние степени заполнения барабана на возможности управления стабилизацией кокса выше рассмотрены и можно полагать, что вцелом эти зависимости сохранятся такими же при других значениях производительности. Поэтому расчеты возможности управления барабанным стабилизатором при 50 т/ч и 100 т/ч выполнены только при степени заполнения ц = 0,2.

Полученные данные (см. табл. 7 и 8) показали, что снижение производительности до 50т/ч позволяет при той же степени заполнения лишь на 0,1м уменьшить диаметр барабана, сохраняя длину его 3,5м. Повышение производительности до 100т/ч требует увеличения диаметра до 1,8м и длины барабана до 4,3м.

Таблица 7. Угол наклона барабана для достижения заданного n при частотевращения 15 об/мин и условиях

Во всех случаях размеры барабанов могут быть вписаны в габариты коксовой сортировки и обеспечивать, как показывали предыдущие расчеты [18] существенный экономический эффект, особенно в масштабах металлургического предприятия.

Таблица 8. Производительность G, м³/сек, при постоянной частоте вращения 15 об/мин и условиях:

Таблица 9. Производительность G, м³/сек, при частоте вращения 10 об/мин, требуемой величине G и условиях:

Представляет интерес возможность снижения частоты вращения барабана. Результаты соответствующих расчетов показаны в табл.9, из которой видно, что в случае производительности 0,028 м³/сек и размерах барабана D и L 1,5 и 3,5м соответственно, диапазон возможного числа воздействий от 1,3 до 7. При необходимости большего числа воздействий производительность не обеспечивается (меньше 0,028). Для случая G = 0.056 м³/сек ограничение возможности стабилизирования еще больше: от 1,3 до 6 оборотов. Названные диапазоны возможности воздействий на кокс могут быть недостаточными. Таким образом, принятая частота вращения 15 об/мин будет обеспечивать более широкий спектр качества исходного кокса для решения вопроса оптимального стабилизирования состава и прочности кокса.

В сообщении 2 будут рассмотрены возможности и выполнены расчеты барабанов, совмещающих выполнение двух, трех и более функций процессов стабилизирования, оптимального формирования свойств кокса, увлажнения и окончательного охлаждения кокса сухого тушения с повышением производительности УСТК или без него, выделения мелких классов из товарного кокса, классификации доменного кокса на классы крупности, окончательного охлаждения в процессе ступенчатого тушения вплоть до изменения всей схемы внекамерной подготовки кокса к использованию с ликвидацией многоэтажного здания коксовой сортировки.

Выводы

1. Предложена методика вычисления требуемых диаметра и длины барабанов, обладающих возможностями изменять частоту вращения и угол наклона для обеспечения заданной производительности.

2. Предложена методика определения угла наклона барабана при постоянной частоте вращения, обеспечивающего необходимое число воздействий на кокс с целью его стабилизации или повышения определяющего показателя качества до желаемого уровня.

3. Выполнены расчеты габаритов и угла наклона барабана, выполняющего роль стабилизатора кокса при числе воздействий от 1,3 до 10 оборотов. Барабан может выполнять роль желоба на участках транспортерного тракта, и в первую очередь на передаче кокса с наклонного транспортера на классификатор и с разгрузочного устройства УСТК на транспортер.

4. Угол наклона барабана при частоте вращения 15 об/мин независимо от производительности в пределах 50 - 100 т/час, степени заполнения и длины барабана (до 4,3 м) изменяется в примерно одинаковых пределах порядка 4 - 30 градусов.

5. Расчеты показали увеличение требуемой длины барабана при снижении степени заполнения барабана в пределах 25-15% и увеличение диаметра и длины барабана с увеличением производительности.

6. При постоянной частоте вращения 15 об/мин барабан длиной 3,5м может обеспечить изменение числа воздействий на кокс от 1,3 до 10 оборотов при изменении угла наклона в пределах от 4,0 до 28,2 градусов, производительности 70т/час и степени заполнении 0,2.

7. Снижение частоты вращения барабана приводит к снижению диапазона воздействий от 1,3 до 6-и - 7-и в условиях той же степени заполнения и производительности от 50 до 100 т/час.

8. Оборудование барабана полками шириной до 50 мм и числом порядка 8-10 резко повышает износостойкость тела барабана, сохраняя практически все другие характеристики его работы.

Литература

1. Использование шламов станции нейтрализации сточных вод для производства сложносмешанных удобрений / И. П. Наркевич, В. В. Печковский, С. В. Плышевский [и др.] // Химическая промышленность. - 1984. № 1. С. 32 - 34.

2. Практика внедрения трехпродуктового барабанного сепаратора для обогащения датолитовых руд в тяжелых суспензиях / А. О. Кожевников, А. М. Алехин, С. И. Петрунина [и др.] // Химическая промышленность. 1978. № 7. С. 62-63.

3. Костыльков И. Г. Рогачев О. В. Эксергетическая оценка эффективности способов рекуперации серы из фосфогипса // Химическая промышленность. 1983. № 11. С. 36 - 40.

4. Сиденко П. М. Измельчение в химической промышленности. М.: Химия. 1977. 368с.

5. Гельперин Н. И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Книга 2 М.: Химия, 1981.

6. Левенсон Л. Б. Барабанные грохоты, их теория, расчет и проектирование. М.: Издание ВСНХ,1927г.

7. Ворошилов А.П. Продвижение материала в элементарном барабане. Современные проблемы сушильной техники // ГОНТИНКТП СССР. 1938. С. 21-27.

8. Ваганов Н. П. Определение производительности барабанов и вращающихся печей // М.: Огнеупоры. 1938. № 7. С.14-17.

9. Ходоров Е. И., Кичкина Е. С., Клюева Н. Н. Исследование на моделях процессов теплообмена и движения материала во вращающейся печи с различными внутренними устройствами // М.: Цемент. 1952. № 5. С. 23-29.

10. Saeman W. C. Passage of Solids through Rotary Kilns // Chemical Engineering Progress. 1951. № 10. P. 508.

11. Пат. 2110552 РФ МПК_, С 10 В 39/02. Бабанин В. И., Зайденберг М. А. Способ и устройство для охлаждения кокса. Опубл. 10.05.1998; Бабанин Б. И., Статников Б. Ш., Бабанин В. И. и др. Способ производства кокса, А. с. СССР 1277604. 29. 05. 1984.

12 Мучник Д. А., Бабанин В. И., Загайнов В. С., Стахеев С. Г. Перспективы совершенствования внекамерных процессов производства кокса // Кокс и химия. 2011. № 3. С. 45-50.

13. Пат. №86398 UA, МПК₉ В07В 1/18; B02C 17/00; C10B 45/00; C10L 9/00; C21B 5/00; G01N. 3/56. Спосiб полiпшення фiзико-механiчноi властивостi коксу до заданого значення показника. Гуляєв В. М., Мучник Д. А. Опубл. 24.04.2009. Бюл. № 8. 2009.

14. Мучник Д. А. Сортировка кокса при одновременной стабилизации и возможности улучшения его физико-механических свойств до заданного значения // Кокс и химия. 2010. № 1. С. 27-33.

15. Ходоров Е.И. Печи цементной промышленности. М. Стройматериалы.1951.

16, Першин В. Ф., Однолько В. Г. Переработка сыпучих материалов в машинах барабанного типа. М. : Машиностроение. 2009. 220с.

17. Михайлов Н. М. Вопросы сушки топлива на электростанциях. М. : Госэнергоиздат. 1951. 152 с.

18. Мучник Д. А. Определение целесообразной схемы и рациональной нагрузки при стабилизации кокса // Кокс и химия. 2010. № 12. С.24-30.

19. www.poli-nom.ru/barabanagregat.htm; www.uralelectropech.ru;

Размещено на Allbest.ru