Витяганець, Валентин Сергійович2024-07-032024-07-032024Витяганець К. О. Оптимізація режиму роботи шахтної печі вапнякового виробництва в металургійній галузі [Електронний ресурс] : дис. ... д-ра філософії : спец. 161 : галузь знань 16 / Валентин Сергійович Витяганець ; наук. керівник Пітак І. В. ; Нац. техн. ун-т "Харків. політехн. ін-т". – Харків, 2024. – 146 с.https://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/78986Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 161 Хімічні технології та інженерія (16 – Хімічна та біоінженерія) ‒ Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2024. Об’єктом дослідження є процес випалу вапняку в шахтних печах від початкової сировини до отриманого кінцевого продукту. Предмет дослідження ‒ параметри процесу випалу вапняку в шахтних печах, що забезпечують максимальний вихід якісної продукції при мінімальних витратах сировини та енергії, а також зниженні негативного впливу на навколишнє середовище. Дисертаційне дослідження присвячене визначенню оптимальних параметрів процесу випалу вапняку в шахтних печах для забезпечення максимального виходу якісної продукції при мінімальних витратах сировини, енергії та зниженні негативного впливу на навколишнє середовище. Розробка ефективних теплотехнічних та апаратних рішень дасть змогу реалізувати процес випалу вапна для металургійної галузі в шахтній печі з отриманням вапна сталеплавильного. У вступі обґрунтовано актуальність роботи, визначено мету, ідею та розв’язувані завдання, визначено основні положення, наукову новизна та практичну значущість. У першому розділі виконано короткий науково-технічний аналіз сучасного стану та перспектив розвитку теорії та практики виробництва вапна в шахтних печах. В другому розділі представлено аналіз процесу випалу вапняків у шахтних печах, включаючи математичні моделі для опису дисоціації гранул карбонату кальцію та аспекти теплофізики, пов’язані з роботою шахтних печей. У третьому розділі були проведені дослідження щодо вдосконалення технологічного процесу випалу вапняку в шахтних печах: розроблено конструктивне оформлення випалювальних шахтних печей з використанням газоподібного палива та досліджено особливості процесу; розроблена методика проведення експерименту для детального аналізу процесу випалу вапняку; отримано результати експериментальних досліджень, які були проаналізовані з метою подальшого вдосконалення технологічного процесу. Показано, що для термічної обробки полідисперсних порід з регульованою температурою теплоносія паливо слід спалювати поза шаром матеріалу, отримуючи газоподібні продукти горіння (теплоносій) з температурою 1200‒1250°C. На основі експериментальних досліджень виведено рівняння для розрахунку глибини проникнення топкових газів у шар матеріалу в радіальному напрямку, що дозволяє оцінити діаметр шахтної печі залежно від об’єму топкових газів, розміру шматків і висоти шару засипки. Досліджено кінетику термічного розкладання полідисперсного вапняку в модернізованій шахтній печі з перпендикулярним введенням топкових газів у шар матеріалу, підтверджено ефективність цього методу. У четвертому розділі було досліджено збагачення вапняку з використанням фотоелектронного сепаратора: розроблено методику проведення досліджень, спрямованих на збагачення вапняку, та отримано результати експериментальних досліджень з використанням фотоелектронного сепаратора. Проведені дослідження щодо можливості сортування вапняку за колірною ознакою для його збагачення до вимог карбонатної сировини виявили, що коефіцієнт відбиття вапняків різних родовищ варіює від 63,8 до 14%. Встановлено певний зв’язок між сумарним складом сумішей всіх колірних різновидів вапняку і величиною коефіцієнта відбиття, що дозволяє збагачувати вапняк за кольором. Досліджено і встановлено, що найраціональніший поріг поділу відповідає коефіцієнту відбиття близько 33%. У п’ятому розділі було виконані дослідження, спрямовані на оптимізацію випалу вапняку у шахтній печі. Розглянуто технології оптимізації у виробництві вапна та представлено оптимізаційні моделі. Обговорено результати досліджень, спрямовані на оптимізацію випалу вапняку у печі. Проведено дослідження процесу руху матеріалу у шахтній печі з метою подальшої оптимізації технологічного процесу. Результати досліджень показали, що головним позитивним наслідком реконструкції стало зменшення витрат палива у 2,1‒2,3 рази та підвищення сумарного вмісту CaO і MgO у вапні в середньому на 7%. Важливим висновком є те, що, попри різний час перебування матеріалу в зонах підігріву та випалу, який впливає на рівномірність дисоціації, різниця у фактичних швидкостях руху менш значуща. Встановлено, що одним із потенційних напрямків вдосконалення шахтних печей із прямим профілем футерування є перехід на принцип теплообміну за прямоточно-протитечійною схемою та організація нижнього контуру рециркуляції продуктів згоряння з подальшим їх спалюванням у суміші з паливом і повітрям. Це дасть змогу збільшити продуктивність реконструйованої печі. У шостому розділі було проведено дослідження отриманого продукту в результаті випалу вапняку, включаючи опис методології проведення досліджень, визначення розподілу пор за розміром, морфології та елементного аналізу матеріалу, а також рентгеноструктурного аналізу готового продукту. Результати цих досліджень були представлені, включаючи результати скануючої електронної мікроскопії (СЕМ), фізичної адсорбції та рентгеноструктурного аналізу отриманого вапна. Досліджено ключові фактори, що впливають на дисоціацію кускового вапняку та ефективність випалу у шахтних печах. За висновками щодо ефективності дисертаційного дослідження відзначені такі наукові результати: 1) запропоновано вдосконалену математичну модель роботи шахтної печі випалу вапняку, завдяки якій вирішується завдання оптимізації процесу з урахуванням технологічних параметрів; 2) отримано уточнений математичний опис випалу одиничної гранули карбонату кальцію, що враховує вплив температури, концентрації вуглекислого газу в газовій фазі, крупності на швидкість дисоціації шматкового вапняку на різних стадіях випалу, виявлено фактори, що лімітують; 3) вперше показана можливість і намічені шляхи підвищення теплової ефективності шахтної печі за рахунок зміни характеристик сировини, реконструкції систем завантаження та вивантаження, перенесення поясів опалення, режимного налаштування, проведено багатопараметричну оптимізацію теплового режиму шахтної печі; 4) обґрунтовано метод інтенсифікації випалу у шахтній печі та підвищення якісних характеристик продукту з використанням прямоточно-протиточійного принципу теплообміну у поєднанні з нижнім контуром рециркуляції пічних газів. Теоретичні та практичні результати дисертаційної роботи використовуються у навчальному процесі НТУ «ХПІ» при підготовці студентів спеціальностей 101 «Екологія» та 133 «Галузеве машинобудування». Dissertation for obtaining the scientific degree of Doctor of Philosophy in speciality 161 “Chemical technologies and engineering” (16 ‒ Chemical and bioengineering) ‒ National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv, 2024. The object of research is the process of calcining limestone in mine furnaces from the initial raw material to the final product. The subject of the research is the optimal parameters of the process of calcining limestone in mine furnaces, which ensure the maximum yield of quality products with minimal consumption of raw materials and energy, as well as reducing the negative impact on the environment. The dissertation study is devoted to determining the optimal parameters of the process of calcining limestone in mine furnaces to ensure the maximum yield of quality products with minimal consumption of raw materials and energy and reduce the negative impact on the environment. The development of effective thermal engineering and hardware solutions will make it possible to implement the process of burning lime for the metallurgical industry in a mine furnace with the production of steelmaking lime. In the introduction, the relevance of the work is substantiated, the goal, idea and tasks to be solved are defined, and the main provisions, scientific novelty and practical significance are defined. The first chapter performs a brief scientific and technical analysis of the current state and prospects for developing the theory and practice of lime production in mine furnaces. The second chapter presents an analysis of the limestone firing process in mine furnaces, including mathematical models to describe the dissociation of calcium carbonate granules and aspects of thermophysics related to the operation of mine furnaces. In the third section, research was conducted on the improvement of the technological process of limestone firing in mine furnaces: the design of mine furnaces using gaseous fuel was developed and the peculiarities of the process were investigated developed a method of experimenting with a detailed analysis of the process of calcination of limestone; the results of experimental studies were obtained, which were analysed to improve the technological process further. It is shown that for the heat treatment of polydisperse rocks with an adjustable heat carrier temperature, the fuel should be burned outside the material layer, obtaining gaseous combustion products (heat carrier) at 1200‒1250°C. Based on experimental studies, an equation was derived for calculating the depth of penetration of combustion gases into the material layer in the radial direction, which allows estimating the diameter of the mine furnace depending on the volume of combustion gases, the size of the pieces, and the height of the backfill layer. The kinetics of thermal decomposition of polydisperse limestone in a modernised mine furnace with perpendicular injection of flue gases into the material layer was investigated, and the effectiveness of this method was confirmed. In the fourth chapter, the enrichment of limestone using a photoelectron separator was investigated: a methodology for conducting research aimed at the enrichment of limestone was developed, and the results of experimental studies using a photoelectron separator were obtained. Conducted studies on the possibility of sorting limestone by colour for its enrichment to the requirements of carbonate raw materials revealed that the reflectance coefficient of limestones of different deposits varies from 63.8 to 14%. A certain relationship has been established between the total composition of mixtures of all colour varieties of limestone and the value of the reflection coefficient, which allows the enrichment of limestone by colour. It was investigated and established that the most rational separation threshold corresponds to a reflection coefficient of about 33%. In the fifth chapter, research was carried out to optimise the firing of limestone in a mine furnace. Optimisation technologies in lime production are considered, and optimisation models are presented. The research results aimed at maximising the firing of limestone in the kiln are discussed. A study of material movement in the mine furnace was carried out to optimise the technological process further. The research results showed that the main positive consequence of the reconstruction was a reduction in fuel consumption by 2.1‒2.3 times and an increase in the total content of CaO and MgO in lime by an average of 7%. An important conclusion is that, despite the different residence times of the material in the heating and firing zones, which affect the uniformity of dissociation, the difference in the actual movement speeds is less significant. It has been established that one of the potential areas of improvement of mine furnaces with a direct linking profile is the transition to the principle of heat exchange according to the direct-counterflow scheme and the organisation of the lower circuit of recirculation of combustion products with their subsequent burning in a mixture with fuel and air. This will make it possible to increase the productivity of the reconstructed furnace. In the sixth chapter, a study of the product obtained as a result of the calcination of limestone was carried out, including a description of the research methodology, determination of the distribution of pores by size, morphology and elemental analysis of the material, as well as X-ray structural analysis of the finished product. The results of these studies were presented, including the results of scanning electron microscopy (SEM), physical adsorption and X-ray structural analysis of the obtained lime. The key factors influencing the dissociation of lumpy limestone and the efficiency of firing in mine furnaces were studied. According to the conclusions regarding the effectiveness of the dissertation research, the following scientific results were noted: 1) an improved mathematical model of a limestone kiln is proposed, thanks to which the task of optimising the process is solved taking into account technological parameters; 2) a refined mathematical description of the firing of a single granule of calcium carbonate was obtained, which takes into account the influence of temperature, the concentration of carbon dioxide in the gas phase, and the size on the rate of dissociation of chunky limestone at different stages of firing, and the limiting factors were identified; 3) for the first time, the possibility and intended ways of increasing the thermal efficiency of the mine furnace due to changes in the characteristics of raw materials, reconstruction of loading and unloading systems, transfer of heating zones, mode setting, and multi-parameter optimisation of the thermal regime of the mine furnace were shown for the first time; 4) the method of intensification of firing in a mine furnace and improvement of the quality characteristics of the product using the direct-countercurrent principle of heat exchange in combination with the lower circuit of recirculation of furnace gases is substantiated. The theoretical and practical results of the dissertation work are used in the educational process of NTU "KhPI" in the preparation of students of specialities 101 "Ecology" and 133 "Industrial Mechanical Engineering".ukвапнокальцинована содапромислове зростаннясепараторохолодженнякінетика процесупромислові газові викидитемпературний профільхімічна активаціягранулюванняматематичний описадсорбціяsoda ashindustrial growthseparatorcoolingprocess kineticschannelcalculationindustrial gas emissionstemperature profilechemical activationgranulationmathematical descriptionadsorptionfiringDissertation