Analiza numeryczna dopalania i schładzania gazów technologicznych z pieca elektrycznego w hutnictwie miedzi

Transkrypt

1 Analiza numeryczna dpalania i schładzania gazów technlgicznych z pieca elektryczneg w hutnictwie miedzi Adam Milejski, Henryk Rusinwski, Plitechnika Śląska adam.milejski@plsl.pl, henryk.rusinwski@plsl.pl Knarskieg 22, Gliwice

2 elektryczneg Mdel bliczeń Pdsumwanie Wielu prcesm metalurgicznym twarzyszy emisja dużych ilści silnie zapylnych gazów wyskiej temperaturze i zróżnicwanej zawartści składników palnych. O mżliwściach zagspdarwania gazów teg rdzaju decyduje ich wartść pałwa i parametry termiczne. Gazy wyskich wartściach pałwych (wyższych d k. 4 MJ/Nm 3 ) mgą być wykrzystane energetycznie jak paliwa indywidualne lub wspmagające w innych prcesach przemysłwych. D gazów teg rdzaju należą gazy pwstające w hutnictwie żelaza i stali takie jak gaz kkswniczy, gaz knwertrwy raz gaz wielkpiecwy. Gazy dznaczające się niską wartścią pałwą (pniżej k. 4 MJ/Nm 3 ) dpalane są najczęściej w kmrach dpalania zainstalwanych za piecami technlgicznymi, schładzane w ktłach dzyskwych lub w układzie chłdnic wdnych i atmsferycznych i dpylne w urządzeniach dpylających. Zagspdarwanie gazów technlgicznych wyskich wartściach pałwych jest dbrze rzpznane i technlgicznie panwane. W przypadku gazów zawierających niewielką ilść składników palnych najważniejsze prblemy związane z ich zagspdarwaniem nie zstały rzwiązane kmpleksw c pwduje nadmierną energchłnnść prcesów i zwiększa negatywne ddziaływanie na śrdwisk naturalne. Knarskieg 22, Gliwice

3 Cel prwadznych badań elektryczneg Mdel bliczeń Pdsumwanie Celem prwadznych badań jest mdelwanie matematyczne prcesów dpalania i schładzania gazów prceswych z pieca elektryczneg w hutnictwie miedzi, dbór ptymalnych parametrów prcesu raz kreślenie mżliwści zagspdarwania ciepła dpadweg pwstająceg pdczas schładzania gazów. Knarskieg 22, Gliwice

4 Technlgia prdukcji miedzi w HM Głgów elektryczneg Mdel bliczeń Pdsumwanie gaz gardzielwy Huta Miedzi GŁOGÓW I kamień miedziwy pył kncentrat piec szybwy knwertr brykiety żużel żużel kncentrat pył Huta Miedzi GŁOGÓW II piec zawiesinwy żużel piec elektryczny stp PbFeCu knwertr żużel szlam pył miedź knwertrwa miedź blister żużel z wytpu srebra szlam dpady andwe zawrty własne piec Derschla piec andwy łów żużel żużel miedź andwa Elektrrafinacja miedź elektrlityczna W piecu elektrycznym następuje redukcja w becnści kksu i kamienia wapienneg tlenków miedzi i innych metali, głównie łwiu i żelaza. Prduktem prcesu jest stp CuPbFe raz gazy prceswe. Knarskieg 22, Gliwice

5 Piec elektryczny d dmiedziwania żużla z pieca zawiesinweg elektryczneg Mdel bliczeń Pdsumwanie elektryczneg przed dprwadzeniem d tczenia muszą być dpalne, schłdzne i dpylne. Strumień i parametry gazów prceswych zależą d fazy prcesu. Najwyższe parametry występują w fazie napełniania pieca: strumień gazu Nm³/h, temperatura ºC, skład mlwy: CO = 27%, CO 2 = 21%, N 2 = 52%. Dpalanie tlenku węgla zachdzi w kmrze dpalania. Następnie gazy są schładzane w chłdnicach wdnych i atmsferycznych, w których następuje również dpylanie większych frakcji pyłu. Właściwe dpylanie gazów przeprwadza się w filtrach wrkwych. Zapylenie gazów przed instalacją dpylania 5 15 g/nm³. Dpuszczalna temperatura pracy tkaniny filtracyjnej wynsi 130ºC. Przed filtrami wrkwymi następuje dssanie zimneg pwietrza atmsferyczneg aby nie przekrczyć tej temperatury. Knarskieg 22, Gliwice

6 Piec elektryczny d dmiedziwania żużla z pieca zawiesinweg elektryczneg Mdel bliczeń Pdsumwanie Aktualnie parametry dpalania i schładzania gazów dbrane są w parciu dświadczenie eksplatacyjne. Brak jest wyników badań pzwalających kreślić bszar, w którym następuje dpalenie gazów raz bszar, w którym mżna realizwać ich intensywne schładzanie. W istniejącej instalacji schładzanie dbywa się w chłdnicach wdnych i atmsferycznych raz pprzez dprwadzenie zimneg pwietrza. Nadmiar dprwadzaneg pwietrza zwiększa ilść gazów prceswych raz mc napędwą wentylatrów wyciągwych. Knarskieg 22, Gliwice

7 Piec elektryczny d dmiedziwania żużla z pieca zawiesinweg elektryczneg Mdel bliczeń Pdsumwanie Dbór ptymalnych parametrów dpalania i schładzania gazów wymaga przeprwadzenia szczegółwej analizy numerycznej zjawisk zachdzących pdczas tych prcesów. D teg celu niezbędne jest pracwanie mdelu matematyczneg pisująceg najważniejszych spśród nich. Są t: turbulencje wywłane głównie mieszaniem substratów spalania, chemiczne reakcje spalania raz wymiana ciepła na drdze przewdzenia, knwekcji i prmieniwania. Knarskieg 22, Gliwice

8 Mdel dpalania i schładzania gazów z pieca elektryczneg elektryczneg Mdel bliczeń Pdsumwanie Mdel dpalania i schładzania gazów z pieca elektryczneg utwrzn przy wykrzystaniu prgramwania CFD Gambit i Fluent Pakiet Gambit psłużył d zbudwania gemetrii bliczeniwej. Przy wykrzystaniu aplikacji Fluent zdefiniwan układ równań pisujących najważniejsze zjawiska fizykchemiczne zachdzące pdczas dpalania i schładzania gazów, kreśln warunki brzegwe i fizyczne raz przeprwadzn bliczenia symulacyjne. Określając warunki brzegwe przyjęt wylt gazów na pwierzchni zamykającej d góry statni segment kmry raz załżn idealne zaizlwanie zewnętrznych ścian łącznika, leja zasypweg i dysz dprwadzających pwietrze (w przypadku pzstałych pwierzchni kntaktujących się z tczeniem uwzględnin wymianę ciepła przekazywaneg na drdze knwekcji i prmieniwania). Knarskieg 22, Gliwice

9 Mdel dpalania i schładzania gazów z pieca elektryczneg elektryczneg Mdel bliczeń Pdsumwanie W parciu sfrmułwany mdel przeprwadzn bliczenia symulacyjne dla maksymalneg strumienia gazów z pieca elektryczneg. W bliczeniach załżn równy rzdział strumienia pwietrza dpalająceg i chłdząceg pmiędzy pszczególne dysze raz taką samą wartść strumienia wdy chłdzącej przepływającej przez pszczególne zespły wdne chłdnic taczających segmenty dlnej część kmry dpalania. Knarskieg 22, Gliwice

10 Rzkład wektrów prędkści w przekrjach pprzecznych kmry w miejscu dprwadzenia pwietrza dpalająceg elektryczneg Mdel bliczeń Pdsumwanie przekrój A-A przekrój B-B Knarskieg 22, Gliwice

11 Rzkład temperatury w przekrjach pprzecznych kmry elektryczneg Mdel bliczeń Pdsumwanie przekrój E-E przekrój F-F Knarskieg 22, Gliwice

12 Rzkład temperatury w przekrju pdłużnym kmry elektryczneg Mdel bliczeń Pdsumwanie Knarskieg 22, Gliwice

13 Rzkład stężenia tlenku węgla w przekrju pdłużnym kmry elektryczneg Mdel bliczeń Pdsumwanie Knarskieg 22, Gliwice

14 Pdsumwanie elektryczneg Mdel bliczeń Pdsumwanie Wykrzystując prgramwanie CFD Ansys Fluent pracwan mdel pisujący najważniejsze zjawiska fizykchemiczne zachdzące pdczas dpalania gazów z pieca elektryczneg w kmrze dpalania i ich schładzania w chłdnicach wdnych. W parciu sfrmułwany mdel przeprwadzn bliczenia symulacyjne dla maksymalneg strumienia gazów. Uzyskane dzięki zastswanej metdzie wyniki dstarczają ważnych infrmacji przebiegu prcesu dpalania i schładzania gazów. Pzwalają wyznaczyć rzkład najważniejszych parametrów fizykchemicznych w brębie bszaru bjęteg analizą raz kreślić wartść strumienia ciepła przekazywaneg wdzie chłdzącej przepływającej przez chłdnice. Opracwany mdel pwinien umżliwić dbranie ptymalnych parametrów prcesu dpalania i schładzania dla różnych wartści strumienia i parametrów dpalanych gazów raz pzwlić na wyznaczenie strumienia ciepła przekazywaneg wdzie chłdzącej. Określenie właściwych parametrów pracy instalacji pwinn przyczynić się d bniżenia strumienia gazów dpływających z kmry w wyniku czeg pwinn zmniejszyć się zużycie energii napędwej wentylatrów wyciągwych i w rezultacie energchłnnść całeg prcesu. Wyznaczenie wartści strumienia ciepła przekazywaneg wdzie chłdzącej ma pdstawwe znaczenie dla kreślenia mżliwści i spsbu efektywneg zagspdarwania energii dpadwej twarzyszącej schładzaniu gazów pza zespłem pieca elektryczneg. Knarskieg 22, Gliwice

15 Dziękuję za uwagę Autr trzymał stypendium w ramach prjektu DktRIS Prgram stypendialny na rzecz innwacyjneg Śląska współfinanswaneg przez Unię Eurpejską w ramach Eurpejskieg Funduszu Spłeczneg Knarskieg 22, Gliwice