Влияние состава природного газа на тепловой коэффициент полезного действия отражательной печи для никелевых сплавов

Цель – разработать и обосновать принципы энергетической модели промышленной отражательной печи с учетом химического состава и свойств природного газа и рассчитать тепловой коэффициент полезного действия печи для оценки ее производительности в промышленности. Для проведения исследования выполнены математические расчеты на основе данных химического и физического анализа дымовых газов и температуры дымохода с использованием стандартных графиков избытка воздуха и значений энтальпий компонентов дымовых газов. Измерение количества отходящих загрязняющих веществ осуществлялось при помощи газоанализаторов марки MRU Delta 65–3, которые идентифицируют суммарное количество газов (О₂, СО, NO, H₂S), а также температуру, давление (разряжение), рассчитывают содержание СО₂ и коэффициент полезного действия установки. Для проверки математической модели использовалась программа Aspen Hysys. Получены данные о свойствах природного газа: химическом составе, молекулярной массе, теплотворной способности, избытке воздуха при сгорании. Также получены данные о газах сгорания: компонентах сгоревшего газа, молекулярных массах, энтальпии, теплотворной способности, соотношение газов сгорания при температуре от 94°C до 316°C. Приведенные химические реакции горения с количеством молей, необходимых и образующихся для каждой реакции, использованы для расчета теплового коэффициента полезного действия отражательной печи для никелевых сплавов. Расчетные данные подтверждены с помощью программы Aspen Hysys. На основании проведенных исследований было установлено, что переменной, которая имеет наибольшее влияние на величину теплового коэффициента полезного действия, является низкая теплотворная способность, так как она зависит от состава природного газа. Предложенная методика расчета теплового коэффициента полезного действия с использованием компьютерной программы эффективна в случае, если оператор на месте хочет оценить эффективность работы технологической печи.

1. Stanković S., Stopić S., Sokić M., Marković B., Friedrich B. Review of the past, present, and future of the hydrometallurgical production of nickel and cobalt from lateritic ores // Metallurgical and Materials Engineering. 2020. Vol. 26. Issue 2. P. 199–208. https://doi.org/10.30544/513

2. Elliott R., Pickles C.A., Forster J. Thermodynamics of the reduction roasting of nickeliferous laterite ores // Journal of Minerals and Materials Characterization and Engineering. 2016. Vol. 4. Issue 6. P. 320–346. https://doi.org/10.4236/jmmce.2016.46028

3. Barati M., Esfahani S., Utigard T.A. Energy recovery from high temperature slags // Energy. 2011. Vol. 36. Issue 9. P. 5440–5449. https://doi.org/10.1016/j.energy.2011.07.007

4. Дружинин К.Е., Немчинова Н.В., Васюнина Н.В. Совершенствование основного и вспомогательного оборудования пирометаллургических процессов и его испытания в условиях действующего производства // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. № 5. С. 144–152. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2016-5-144-152

5. Bogusz A., Masset P.J. High temperature diffusion processes at the metal/slag interface // Defect and Diffusion Forum. 2012. Vol. 323-325. P. 115–120. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/DDF.323-325.115

6. Bunjaku A., Kekkonen M., Pietila K., Taskinen P. Effect of mineralogy and reducing agent on reduction of saprolitic nickel ores // Mineral Processing and Extractive Metallurgy. 2013. Vol. 121. Issue 3. P. 156–165. https://doi.org/10.1179/1743285512Y.0000000010

7. Bains P., Psarras P., Wilcox J. CO2 capture from the industry sector // Progress in Energy and Combustion Science. 2017. Vol. 63. P. 146–172. https://doi.org/10.1016/J.PECS.2017.07.001

8. Cruz R.A., Romero S.A., Vargas R.M., Hallen L.M. Thermodynamic analysis of the SiO2–NiO– FeO system // Journal of Non-Crystalline Solids. 2005. Vol. 351. Issue 16-17. P. 1359–1365. http://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2005.03.008

9. Fernández-Tarrazo E., Sánchez-Sanz M., Sánchez A.L., Williams F.A. A multipurpose reduced chemicalkinetic mechanism for methanol combustion // Combustion Theory and Modelling. 2016. Vol. 20. Issue 4. P. 613– 631. https://doi.org/10.1080/13647830.2016.1162330

10. Gondaliya V., Pujara M., Mehta N. Transient heat transfer analysis of induction furnace by using finite element analysis // Indian Journal of Applied Research. 2013. Vol. 3. Issue 8. P. 231–234.

11. Reynolds W.C. The element potencial method for chemical equilibrium analysis: implementation in the interaсtive program STANJAN, version 3 // Department of Mechanical Engineering, Stanford University. 1986. [Электронный ресурс]. URL: https://web.stanford.edu/~cantwell/AA283_Course_Material/STANJAN_write-up_by_Bill_Reynolds.pdf (28.07.2020).

12. Fetisov V.G., Nikolaev A.K., Lykov Y.V. Aggregative simulation method for implementing mathematical models for gas transmission systems // Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2018. Vol. 327. Issue 2. Р. 022033. https://doi.org/10.1088/1757-899X/327/2/022033

13. Park Hyun Sik, Ha Min Chul, Kim Min Seok, Heo Jung Ho, Park Joo Hyun. Novel design of ferronickel smelting slag by utilizing red mud as a fluxing agent: Thermochemical computations and experimental confirmation // Calphad. 2017. Vol. 56. P. 185–195. https://doi.org/10.1016/j.calphad.2017.01.006

14. Bernhardt W. Combustion technology for the improvement of engine efficiency and emission characteristics // Symposium (International) on Combustion. 1977. Vol.16. Issue 1. P. 223–232. https://doi.org/10.1016/S0082-0784(77)80327-5

15. Diaz C.M., Landolt C.A., Vahed A., Warner A.E.M., Taylor J.C. A review of nickel pyrometallurgical operations // The Journal of the Minerals, Metals & Materials Society. 1988. Vol. 40. Issue 9. P. 28–33. https://doi.org/10.1007/BF03258548

16. Kim Sun-joong, Suzuki J., Gao X., Ueda S., Kitamura S. A kinetic model to simulate the reaction between slag and matte for the production of ferromanganese alloy from steelmaking slag // Journal of Sustainable Metallurgy. 2016. Vol. 2. P. 141–151. https://doi.org/10.1007/s40831-016-0042-z

17. Arkhazloo N.B., Bouissa Y., Bazdidi-Tehrani F., Jadidi M., Morin J.B., Jahazi M. Experimental and unsteady CFD analyses of the heating process of large size forgings in a gas-fired furnace // Case Studies in Thermal Engineering. 2019. Vol. 14. Р. 100428. https://doi.org/10.1016/j.csite.2019.100428

18. Veshkini A., Dworkin S.B. A computational study of soot formation and flame structure of coflow laminar methane/air diffusion flames under microgravity and normal gravity // Combustion Theory and Modelling. 2017. Vol. 21. Issue 5. P. 864–878. https://doi.org/10.1080/13647830.2017.1308558

19. Zhu Dе-Ging, Tian Hong-Yu, Pan Jian, Liao Hui, Guo Zheng-Qi, Xue Yu-Xiao. Comprehensive utilization status and progress of low-grade laterite nickel ore // Journal of Iron and Steel Research. 2020. Vol. 5. P. 351–362. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20200019

20. Taimoor A.A. Virtualization of the process control laboratory using ASPEN HYSYS // Computer Applications in Engineering Education. 2016. Vol. 24. Issue 6. P. 887– 898. http://doi.org/10.1002/cae.21758

21. Pickles C.A., Harris C.T., Peacey J., Forster J. Thermodynamic analysis of the Fe–Ni–Co–Mg–Si–O–H–S–C– Cl system for selective sulphidation of a nickeliferous limonitic laterite ore // Minerals Engineering. 2013. Vol. 54. P. 52–62. http://doi.org/10.1016/j.mineng.2013.03.029

22. Pillai R., Galiullin T., Chyrkin A., Quadakkers W.J. Methods to increase computational efficiency of CALPHAD-based thermodynamic and kinetic models employed in describing high temperature material degradation // Calphad. 2016. Vol. 53. P. 62–71. http://doi.org/10.1016/j.calphad.2016.03.004