Исследование процесса обжига цинковых концентратов в кипящем слое методом математического моделирования

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

--© А. Л. Рутковский, Д. Н. Дюнова,
A.B. Бигулов, И. С. Яковснко, Б. Д. Билаонов, С. Ш. Дзантисв, 2013
УДК 669: 519. 216
А. Л. Рутковский, Д. Н. Дюнова, A.B. Бигулов, И. С. Яковснко, Б. Д. Билаонов, С.Ш. Дзантисв
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБЖИГА ЦИНКОВЫХ КОНЦЕНТРАТОВ В КИПЯЩЕМ СЛОЕ МЕТОДОМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Разработана математическая модель процесса, обжига цинковых концентратов, основу которой составляют соотношения материального и теплового баланса. Установлено, что статическая характеристика процесса, определяющая зависимость температуры& gt-1 в печи кипящего слоя от расхода поступающего концентрата, носит экстремальны& gt-й характер. Показана целесообразность применения системы& gt-1 экстремального управления для стабилизации оптимального функционирования исследуемого объекта.
Ключевые слова: математическая модель, статическая характеристика, процесс обжига цинковых концентратов, системы экстремального управления.
дним из основных процессов гидрометаллургического производства цинка является обжиг цинковых концентратов в печах «кипящего слоя» (КС), который в значительной мере определяет технико-экономические показатели последующих переделов и производства в целом. По виду источника тепловой энергии обжиговые печи КС относятся к агрегатам, работающим за счет энергии сырьевых материалов [1]. Сульфидные соединения, содержащиеся в шихте, вступают во взаимодействие с окислителем, в результате чего они полностью или частично окисляются и содержащаяся в них сера переходит в газовую фазу в виде сернистого ангидрида. Окисление сопровождается выделением значительного количества тепловой энергии и тем самым технологический процесс протекает в автогенном режиме за счёт тепла экзотермических реакций. Вследствие этого цель функционирования обжигового передела связана с переводом в оксиды максимального количества сульфидов металлов, получением обожженного продукта с большой реакционной поверхностью, ограничением в получаемом огарке содержания ряда соединений (феррита цинка, силикатов свинца и цинка) и обеспечением получения максимальной концентрации сернистого ангидрида в обжиговых газах.
Характерной особенностью современного цинкового производства является необходимость переработки большого ассортимента концентратов различных месторождений, поступающих во времени и количестве неравномерно. Под влиянием внешних условий имеет место неконтролируемое изменение во времени характеристик процесса переработки полиметаллического сульфидного цинкового сырья. Это обусловливает необходимость изменения управления процессом обжига при изменении условий его функционирования.
Поведение компонентов сырья при обжиге определяет ход извлечения цинка на последующих переделах. Нестационарность составов огарка является одним из основных факторов возникновения переходных процессов в технологическом цикле гидрометаллургического комплекса [2]. Оптимальный режим переработки концентратов должен определяться на основе анализа измерительной информации об объекте и исследовании его характеристик.
Количество подаваемого в печь воздуха определяется заданной производительностью печи по концентрату и условиям псевдоожижения, обеспечивающими нормальную работу печи. Удельный расход воздуха на 1 т обжигаемого
о
концентрата составляет 1600−1700 м с учётом избытка воздуха при коэффициенте избытка воздуха против стехиометрически необходимых 1,15 1,35 в зависимости от состава концентрата. Содержание кислорода в газах, отходящих из печей КС, не должно быть ниже 4%.
Температурный режим печи устанавливается и регулируется автоматически подачей определённого количества концентратов. Одним из важнейших условий, обеспечивающих устойчивый ход технологического процесса обжига, является равномерное и непрерывное питание печи концентратом.
Уравнение теплового баланса для зоны кипящего слоя в установившемся режиме определяется соотношением:
Gtqt+ Gv cvtv+ Gtcttt= Gctf, (1)
где Gt — расход концентрата, кг/с- qt — теплотворная способность концентрата, кДж/кг- Gv — расход воздуха, кг/с- v — теплоемкость воздуха, кДж/(кг°С) — tv — температура воздуха, oC- ot — теплоемкость концентрата, кДж/(кг°С) — tt- температура концентрата, °C- G = Gt + Gv- расход продуктов обжига, кг/с- с — теплоемкость продуктов обжига кДж/(кг °C), tf -температура в кипящем слое, C.
Соотношение (1) показывает, что количество тепла, поступающее с концентратом и воздухом в результате обжига, уравновешивается отводимым теплом и повышением температуры в кипящем слое. Отсюда температуру в кипящем слое можно определить следующим образом:
tf = Gt qt+ Gv cv tv+ Gt ct tt (2)
= (G+Gvc '- ()
Примем некоторые допущения, которые принципиально не повлияют на вид статической характеристики горения. Пренебрежем членом Gt ct tt, так как это количество тепла при постоянном расходе концентрата пренебрежительно мало по сравнению с членом Gt qt. Кроме того, считаем, что теплоемкость продуктов горения не зависит от температуры, т. е. c = c°nst во всем интервале температур. Выполним определение основных режимных параметров. Находим количество железа, связанное с серой в пирите:
FeS =(S- 0,49 Zn-0,16Pb-0,01Cu) 0,8, (3)
где S, Zn, Pb, Cu — содержание в шихте серы, цинка, свинца и меди соответственно, %.
Количество железа в халькопирите
РеСие2 = 0,88 Си. (4)
Суммарное количество сульфидного железа
БитГе = Р'-е^ + ^р^. (5)
Теоретическое количество кислорода, необходимое для окисления концентрата, определяется соотношением:
02 Т = 0,734 гп+ 0,232РЬ+1,576 5итРе+1,511 Си, (6) 22 40
V = 22,4 02 Т (7)
° = 32. (7) Теоретическое количество воздуха, необходимое для окисления концентрата:
^ = 3,762 О + (8)
Действительное количество воздуха, необходимое для окисления концентрата, определяется так:
V = V (9)
у = 0,21^. (10)
02Ю = 02Тр02 ,
где, а — коэффициент избытка дутья, р^ - плотность кислорода, кг/м3. Теплотворная способность концентрата
= 129,35+ 10,09гп+ 28,1 Си + 10,5РЬ кДж/кг. Расход воздуха на печь у = 10 у., грРуС124 у 1440. (60 ,
где ру — плотность воздуха, кг/м3- (- коэффициент нахождения печи под дутьем.
Рассмотрим пример: по данным практики одного из предприятий имеется шихта следующего состава: Zп — 50%, РЬ — 1,5%, 5- 32%, Си — 1%. В результате определения основных режимных параметров получено, что
— количество железа, связанное с серой в пирите:
РеРе5 =(5- 0,49 Zп-0,16РЬ-0,01 Си) 0,8 = 6,38 кг-
— количество железа в халькопирите: РеСи5 = 0,88 Си = 0,88 кг-
— суммарное количество сульфидного железа:
5итРе= РеРе5 + РеСиРе5 = 7,26 кг.
Теоретическое количество кислорода, необходимое для окисления концентрата, составляет:
02 Т = 0,734 гп+ 0,232РЬ+1,5765ишГе+1,511 Си = 50,001кг- О 22 4
= = 35,001 м³.
02 Т 32
Теоретическое количество воздуха, необходимое для окисления концентрата:
Когтг = УогТ3,762 + у = 166,673 м³.
Действительное количество воздуха, необходимое для окисления концентрата, составляет
^ = VoozdTI= 200,007 м³,
где, а — коэффициент избытка дутья.
Теплотворная способность концентрата
= 129,35+ 10,09гп+ 28,1 Си +10,5/%= 4677 кДж/кг. Расход воздуха на печь
V = = 554 кг/с
Уу = 144060 =5,54
где ру — плотность воздуха, кг/м3- ^ - коэффициент нахождения печи под дутьем.
Для полного окисления 1,852 кг концентрата необходимо 5,54 кг воздуха,
поэтому количество воздуха для полного окисления 1 кг концентрата составит
2,991 кг. Слагаемое Gtqt будет зависеть от расхода воздуха до тех пор, пока
этот расход не станет равен 5,54 кг/с. Эта зависимость определяется пропор-
«1 Gt Gv цией -=-, Gt =
2,991 Gv 2,991
Для расчета температуры кипящего слоя соотношение (2) реализуется посредством MathCad-программы:
Tf (Gv): =
Tf
Gv 2. 991
•qt + Gv-cv-tv
(GT + Gv) c
if Gv & lt- 5. 54
GT-qt + Gv-cv-tv
Tf- otherwise
(GT + Gv) c
Результат решения в виде графика зависимости температуры слоя tf, oC от расхода концентрата Gt, кг/c показан на рис. 1.
Рис. 1. Зависимость температуры слоя Т? & quot-С от расхода концентрата, а кг/с
Из рис. 1 следует, что полученная статическая характеристика носит экстремальный характер. Это объясняется особенностями физических процессов, имеющих место при обжиге цинковых концентратов.
Выходной параметр процесса обжига, температура в печи КС, определяется количеством обжигаемого огарка, а также количеством и температурой поступающего воздуха. При малом количестве воздуха огарок обжигается не полностью и, следовательно, это приводит к уменьшению производительности процесса. При избытке воздуха в печи КС топливо шихты сгорает полностью, но много выделяемого при его сгорании тепла расходуется на нагрев избытка воздуха и уносится из печи вместе с продуктами горения и избыточным воздухом.
При некотором соотношении количества огарка и подаваемого воздуха температурный режим печи КС будет оптимальным, что и соответствует экстремуму выходного параметра процесса.
При оптимальном расходе концентрата обеспечивается полное его окисление, а температура достигает максимума. Вследствие этого цель управления процессом обжига сводится к поддержанию оптимального функционирования работы печи КС, при котором в непрерывном режиме обеспечивается ее максимальная производительность при изменении условий ведения процесса и ограниченной априорной информации о нем.
Процесс обжига цинковых концентратов относится к инерционным объектам управления, характеризующимся сложной динамикой. Изменение основных режимных параметров процесса может привести к дрейфу положения оптимума исследуемой зависимости. Вследствие этого обеспечение и длительное поддержание оптимального статического режима исследуемого процесса может быть реализовано на основе использования сис-
тем экстремального управления. При этом стабилизация процесса сводится к многократному решению взаимосвязанных задач определения экстремального положения рабочей точки и организации движения к ней. Полученные результаты являются обобщающими и для других процессов, реализованных в печах КС, в которых обжиг ведется с избытком воздуха, например, обжиг пирита.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Зайцев В. Я. Металлургия свинца и 2. Лоскутов Ф. М., Цейдлер A.A. Расчеты цинка // Учебное пособие для вузов. — М., по металлургии тяжелых цветнык металлов. — Металлургия — 1985. — С. 263. М., Металлургиздат — 1963. С. 591. ГГШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ —
Рутковский Александр Леонидович — доктор технических наук, профессор, Rutkowski@mail. ru,
Дюнова Диана Николаевна — кандидат технических наук, доцент, Dunova_dn@mail. ru, Яковенко Иван Сергеевич — аспирант, i.s. yakovenko@mail. ru,
Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет),
Билаонов Б Д. — генеральный директор, ООО «ЖИРАФ», Бигулов Артур Васильевич — генеральный директор,
Дзантиев С. Ш. — кандидат экономических наук, консультант, Vratar1870@mail. ru, Научно инновационное предприятие Северо-Кавказского горно-металлургического института «Стройкомплект инноваций».
— РУКОПИСИ,
ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ «ГОРНАЯ КНИГА»
КЛАССИФИЦИРОВАНИЕ ПРОФЕССИЙ ПО УСЛОВИЯМ ТРУДА, ОПРЕДЕЛЯЮЩИМ ТРЕБОВАНИЯ К ЗАЩИТНЫМ СВОЙСТВАМ СПЕЦОДЕЖДЫ
(№ 949/03−13 от 22. 12. 12, 11 с.)
Михайлова В. Н. — доктор технических наук, профессор, Московский государственный горный университет, ud@msmu. ru
PROFESSIONS CLASSIFICATION ACCORDING OF LABOR CONDITIONS, DETERMINING REQUIREMENTS TO PROTECTION QUALITIES OF WORKING CLOTHES
Mikhailova V.N.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой