Adam Milejski, Henryk Rusinowski Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Śląska

Instytut Techniki Cieplnej Konarskiego 22, 44-100 Gliwice

Analiza numeryczna dopalaniai schładzania gazów technologicznych

z pieca elektrycznego w hutnictwie miedzi

Adam Milejski, Henryk Rusinowski

Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Śląska

[email protected], [email protected]


Wstęp

o Wstępo Cel badańo Gazy z pieca

elektrycznegoo Model

matematycznyo Wyniki obliczeńo Podsumowanie

Wielu procesom metalurgicznym towarzyszy emisja dużych ilości silnie zapylonych gazów o wysokiej temperaturze i zróżnicowanej zawartości składników palnych. O możliwościach zagospodarowania gazów tego rodzaju decyduje ich wartość opałowa i parametry termiczne. Gazy o wysokich wartościach opałowych (wyższych od ok. 4 MJ/Nm3) mogą być wykorzystane energetycznie jako paliwa indywidualne lub wspomagające w innych procesach przemysłowych. Do gazów tego rodzaju należą gazy powstające w hutnictwie żelaza i stali takie jak gaz koksowniczy, gaz konwertorowy oraz gaz wielkopiecowy. Gazy odznaczające się niską wartością opałową (poniżej ok. 4 MJ/Nm3) dopalane są najczęściej w komorach dopalania zainstalowanych za piecami technologicznymi, schładzane w kotłach odzyskowych lub w układzie chłodnic wodnych i atmosferycznych i odpylne w urządzeniach odpylających. Zagospodarowanie gazów technologicznych o wysokich wartościach opałowych jest dobrze rozpoznane i technologicznie opanowane. W przypadku gazów zawierających niewielką ilość składników palnych najważniejsze problemy związane z ich zagospodarowaniem nie zostały rozwiązane kompleksowo co powoduje nadmierną energochłonność procesów i zwiększa negatywne oddziaływanie na środowisko naturalne.


Cel prowadzonych badań



matematycznyo Wyniki

obliczeńo Podsumowanie

Celem prowadzonych badań jest

modelowanie matematyczne procesów

dopalania i schładzania gazów procesowych z

pieca elektrycznego w hutnictwie miedzi,

dobór optymalnych parametrów procesu oraz

określenie możliwości zagospodarowania

ciepła odpadowego powstającego podczas

schładzania gazów.


Technologia produkcji miedzi w HM Głogów





k o n cen tra tk o n cen tra tg azg a rd z ie lo w y

b ryk ie ty

p ył

p y ł

sz lam

żu ż e lo łó w

żu ż e l

p ył

z w yto p u sreb ra

k am ie ńm ied z io w y

m ied źk o n w e rto ro w a

sto pP b F e C u

m ied ź b lis te r

m ied ź an o d o w a

za w ro ty w ła sn e

m ied ź e lek tro litycz n a

p iecszy b o w y

p iec an o d o w y

p iec e lek try czn y

p iec zaw iesin o w y

E lek tro ra fin ac ja

k o n w erto r

o d p ad y a n o d o w e

p iec D o ersch la

H uta M iedziG ŁO G Ó W I

żu ż e l

żu ż e l

k o n w erto r

żu ż e l

żu ż e l

żu ż e l

H uta M iedziG ŁO G Ó W II

sz lam

W piecu elektrycznym następuje redukcja w obecności koksu i kamienia wapiennego tlenków miedzi i innych metali, głównie ołowiu i żelaza. Produktem procesu jest stop CuPbFe oraz gazy procesowe.


Piec elektryczny do odmiedziowania żużla z pieca zawiesinowego





Gazy z pieca elektrycznego przed odprowadzeniem do otoczenia muszą być dopalone, schłodzone i odpylone. Strumień i parametry gazów procesowych zależą od fazy procesu. Najwyższe parametry występują w fazie napełniania pieca: strumień gazu 30000 Nm³/h, temperatura 1100÷1200ºC, skład molowy: CO = 27%, CO2 = 21%, N2 = 52%. Dopalanie tlenku węgla zachodzi w komorze dopalania. Następnie gazy są schładzane w chłodnicach wodnych i atmosferycznych, w których następuje również odpylanie większych frakcji pyłu. Właściwe odpylanie gazów przeprowadza się w filtrach workowych. Zapylenie gazów przed instalacją odpylania 5÷15 g/Nm³. Dopuszczalna temperatura pracy tkaniny filtracyjnej wynosi 130ºC. Przed filtrami workowymi następuje dossanie zimnego powietrza atmosferycznego aby nie przekroczyć tej temperatury.







Aktualnie parametry dopalania i schładzania gazów dobrane są w oparciu o doświadczenie eksploatacyjne. Brak jest wyników badań pozwalających określić obszar, w którym następuje dopalenie gazów oraz obszar, w którym można realizować ich intensywne schładzanie. W istniejącej instalacji schładzanie odbywa się w chłodnicach wodnych i atmosferycznych oraz poprzez doprowadzenie zimnego powietrza. Nadmiar doprowadzanego powietrza zwiększa ilość gazów procesowych oraz moc napędową wentylatorów wyciągowych.







Dobór optymalnych parametrów dopalania i schładzania gazów wymaga przeprowadzenia szczegółowej analizy numerycznej zjawisk zachodzących podczas tych procesów. Do tego celu niezbędne jest opracowanie modelu matematycznego opisującego najważniejszych spośród nich. Są to: turbulencje wywołane głównie mieszaniem substratów spalania, chemiczne reakcje spalania oraz wymiana ciepła na drodze przewodzenia, konwekcji i promieniowania.


Model matematyczny dopalania i schładzania gazów z pieca elektrycznego





Model matematyczny dopalania i schładzania gazów z pieca elektrycznego utworzono przy wykorzystaniu oprogramowania CFD – Gambit 2.2.30 i Fluent 14.0.0. Pakiet Gambit posłużył do zbudowania geometrii obliczeniowej. Przy wykorzystaniu aplikacji Fluent zdefiniowano układ równań opisujących najważniejsze zjawiska fizykochemiczne zachodzące podczas dopalania i schładzania gazów, określono warunki brzegowe i fizyczne oraz przeprowadzono obliczenia symulacyjne. Określając warunki brzegowe przyjęto wylot gazów na powierzchni zamykającej od góry ostatni segment komory oraz założono idealne zaizolowanie zewnętrznych ścian łącznika, leja zasypowego i dysz doprowadzających powietrze (w przypadku pozostałych powierzchni kontaktujących się z otoczeniem uwzględniono wymianę ciepła przekazywanego na drodze konwekcji i promieniowania).


Model matematyczny dopalania i schładzania gazów z pieca elektrycznego





W oparciu o sformułowany model

matematyczny przeprowadzono

obliczenia symulacyjne dla

maksymalnego strumienia gazów z

pieca elektrycznego.

W obliczeniach założono równy

rozdział strumienia powietrza

dopalającego i chłodzącego

pomiędzy poszczególne dysze

oraz taką samą wartość strumienia

wody chłodzącej przepływającej

przez poszczególne zespoły wodne

chłodnic otaczających segmenty

dolnej część komory dopalania.


Rozkład wektorów prędkości w przekrojach poprzecznych komory w miejscu doprowadzenia powietrza dopalającego





• przekrój A-A

• przekrój B-B


Rozkład temperatury w przekrojach poprzecznych komory





• przekrój E-E

• przekrój F-F


Rozkład temperatury w przekroju podłużnym komory






Rozkład stężenia tlenku węgla w przekroju podłużnym komory






Podsumowanie





Wykorzystując oprogramowanie CFD Ansys Fluent opracowano model matematyczny opisujący najważniejsze zjawiska fizykochemiczne zachodzące podczas dopalania gazów z pieca elektrycznego w komorze dopalania i ich schładzania w chłodnicach wodnych. W oparciu o sformułowany model przeprowadzono obliczenia symulacyjne dla maksymalnego strumienia gazów. Uzyskane dzięki zastosowanej metodzie wyniki dostarczają ważnych informacji o przebiegu procesu dopalania i schładzania gazów. Pozwalają wyznaczyć rozkład najważniejszych parametrów fizykochemicznych w obrębie obszaru objętego analizą oraz określić wartość strumienia ciepła przekazywanego wodzie chłodzącej przepływającej przez chłodnice.Opracowany model matematyczny powinien umożliwić dobranie optymalnych parametrów procesu dopalania i schładzania dla różnych wartości strumienia i parametrów dopalanych gazów oraz pozwolić na wyznaczenie strumienia ciepła przekazywanego wodzie chłodzącej. Określenie właściwych parametrów pracy instalacji powinno przyczynić się do obniżenia strumienia gazów odpływających z komory w wyniku czego powinno zmniejszyć się zużycie energii napędowej wentylatorów wyciągowych i w rezultacie energochłonność całego procesu. Wyznaczenie wartości strumienia ciepła przekazywanego wodzie chłodzącej ma podstawowe znaczenie dla określenia możliwości i sposobu efektywnego zagospodarowania energii odpadowej towarzyszącej schładzaniu gazów poza zespołem pieca elektrycznego.

Dziękuję za uwagę


Autor otrzymał stypendium w ramach projektuDoktoRIS – Program stypendialny na rzecz innowacyjnego Śląska

współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Documents

Adam Milejski, Henryk Rusinowski Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Śląska