Adam Milejski, Henryk Rusinowski Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Śląska

1. Analiza numeryczna dopalaniai schładzania gazów technologicznych z pieca elektrycznego w hutnictwie miedzi Adam Milejski, Henryk Rusinowski Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Śląska adam.milejski@polsl.pl, henryk.rusinowski@polsl.pl Instytut Techniki Cieplnej Konarskiego 22, 44-100 Gliwice

2. Wstęp 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. • Wstęp • Cel badań • Gazy z pieca elektrycznego • Model matematyczny • Wyniki obliczeń • Podsumowanie Instytut Techniki Cieplnej Konarskiego 22, 44-100 Gliwice

3. Cel prowadzonych badań • Wstęp • Cel badań • Gazy z pieca elektrycznego • Model matematyczny • Wyniki obliczeń • 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. Instytut Techniki Cieplnej Konarskiego 22, 44-100 Gliwice

4. Wstęp Cel badań Gazy z pieca elektrycznego Model matematyczny Wyniki obliczeń Podsumowanie Technologia produkcji miedzi w HM Głogów 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. Instytut Techniki Cieplnej Konarskiego 22, 44-100 Gliwice

5. Piec elektryczny do odmiedziowania żużla z pieca zawiesinowego • Wstęp • Cel badań • Gazy z pieca elektrycznego • Model matematyczny • Wyniki obliczeń • Podsumowanie 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. Instytut Techniki Cieplnej Konarskiego 22, 44-100 Gliwice

6. Piec elektryczny do odmiedziowania żużla z pieca zawiesinowego • Wstęp • Cel badań • Gazy z pieca elektrycznego • Model matematyczny • Wyniki obliczeń • Podsumowanie 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. Instytut Techniki Cieplnej Konarskiego 22, 44-100 Gliwice

7. Piec elektryczny do odmiedziowania żużla z pieca zawiesinowego • Wstęp • Cel badań • Gazy z pieca elektrycznego • Model matematyczny • Wyniki obliczeń • Podsumowanie 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. Instytut Techniki Cieplnej Konarskiego 22, 44-100 Gliwice

8. 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). • Wstęp • Cel badań • Gazy z pieca elektrycznego • Model matematyczny • Wyniki obliczeń • Podsumowanie Instytut Techniki Cieplnej Konarskiego 22, 44-100 Gliwice

9. 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. • Wstęp • Cel badań • Gazy z pieca elektrycznego • Model matematyczny • Wyniki obliczeń • Podsumowanie Instytut Techniki Cieplnej Konarskiego 22, 44-100 Gliwice

10. Rozkład wektorów prędkości w przekrojach poprzecznych komory w miejscu doprowadzenia powietrza dopalającego • przekrój A-A • Wstęp • Cel badań • Gazy z pieca elektrycznego • Model matematyczny • Wyniki obliczeń • Podsumowanie • przekrój B-B Instytut Techniki Cieplnej Konarskiego 22, 44-100 Gliwice

11. Rozkład temperatury w przekrojach poprzecznych komory • przekrój E-E • Wstęp • Cel badań • Gazy z pieca elektrycznego • Model matematyczny • Wyniki obliczeń • Podsumowanie • przekrój F-F Instytut Techniki Cieplnej Konarskiego 22, 44-100 Gliwice

12. Rozkład temperatury w przekroju podłużnym komory • Wstęp • Cel badań • Gazy z pieca elektrycznego • Model matematyczny • Wyniki obliczeń • Podsumowanie Instytut Techniki Cieplnej Konarskiego 22, 44-100 Gliwice

13. Rozkład stężenia tlenku węgla w przekroju podłużnym komory • Wstęp • Cel badań • Gazy z pieca elektrycznego • Model matematyczny • Wyniki obliczeń • Podsumowanie Instytut Techniki Cieplnej Konarskiego 22, 44-100 Gliwice

14. Podsumowanie Wykorzystując oprogramowanie CFD AnsysFluent 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. • Wstęp • Cel badań • Gazy z pieca elektrycznego • Model matematyczny • Wyniki obliczeń • Podsumowanie Instytut Techniki Cieplnej Konarskiego 22, 44-100 Gliwice

15. Dziękuję za uwagę Autor otrzymał stypendium w ramach projektuDoktoRIS – Program stypendialny na rzecz innowacyjnego Śląskawspółfinansowanego przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Instytut Techniki Cieplnej Konarskiego 22, 44-100 Gliwice