Математическое моделирование термических процессов утилизации отходов обогащения углей
В статті розглянуто процеси термічної деструкції й горіння вуглецевих матеріалів. За 
 допомогою методів математичної статистики встановлено закономірності, що описують ці 
 процеси. The processes of thermal destruction and combustion of carbonic material was reviewed in 
 th...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Геотехническая механика |
|---|---|
| Datum: | 2011 |
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2011
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33567 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Математическое моделирование термических процессов утилизации отходов обогащения углей / Э.С. Клюев, В.Н. Сапегин, А.И. Слащев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2011. — Вип. 94. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860102182349570048 |
|---|---|
| author | Клюев, Э.С. Сапегин, В.Н. Слащев, А.И. |
| author_facet | Клюев, Э.С. Сапегин, В.Н. Слащев, А.И. |
| citation_txt | Математическое моделирование термических процессов утилизации отходов обогащения углей / Э.С. Клюев, В.Н. Сапегин, А.И. Слащев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2011. — Вип. 94. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Геотехническая механика |
| description | В статті розглянуто процеси термічної деструкції й горіння вуглецевих матеріалів. За 
допомогою методів математичної статистики встановлено закономірності, що описують ці 
процеси.
The processes of thermal destruction and combustion of carbonic material was reviewed in 
this article. The regularities, which describe these processes, were determined due to methods of 
mathematical statistics.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:28:51Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 536.42: 622.421
Э.С. Клюев, асп.,
В.Н. Сапегин, м. н. с.
(ИГТМ),
А.И. Слащев, студент
(ГВУЗ «Национальный горный университет»)
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ ОБОГАЩЕНИЯ УГЛЕЙ
В статті розглянуто процеси термічної деструкції й горіння вуглецевих матеріалів. За
допомогою методів математичної статистики встановлено закономірності, що описують ці
процеси.
MATHEMATICAL MODELING OF THERMAL PROCESSES OF
WASH SLURRY WASTES UTILIZATION
The processes of thermal destruction and combustion of carbonic material was reviewed in
this article. The regularities, which describe these processes, were determined due to methods of
mathematical statistics.
Актуальность. Накопление промышленных и бытовых отходов – про-
блема актуальная, особенно в свете современных требований экологической
безопасности [1]. Одним из возможных вариантов решения этой проблемы
является разработка и внедрение малоотходных технологий по термической
переработке отходов хозяйственной деятельности предприятий угольной от-
расли.
Степень исследования проблемы. Разработкой теории горения ископае-
мого топлива, а также построением физической и математической модели
данного процесса в свое время занимались многие ученые ближнего и даль-
него зарубежья. Работы в этом направлении начаты еще в начале прошлого
века. Впервые расчет времени выгорания частиц пылевидного твердого топ-
лива выполнил В. Нуссельт [2]. Он решил задачу для изотермических усло-
вий, принимая, что скорость горения частицы определяется только диффузи-
ей кислорода, не учитывая изменение его концентрации. В последующих ра-
ботах [3, 4] также принималось, что скорость горения угольной пыли опреде-
ляется молекулярной диффузией и что на поверхности частицы концентрация
кислорода равна нулю. В экспериментальных работах Н. Хоттеля [5] и В.И.
Блинова [6] впервые учтена скорость химической реакции в процессе горения
угольной частицы. В работах Б.В. Канторовича [7, 8] впервые исследован
процесс выгорания комплекса частиц пылевидного монодисперсного твердо-
го топлива в изотермических условиях с учетом совместного влияния диффу-
зии и скорости химической реакции, внутреннего реагирования частиц, пере-
менной концентрации кислорода по длине зоны горения и скорости движения
частиц переменной массы. Современные достижения в области теории горе-
ния пылеобразного твердого топлива показывают, что это наиболее приемле-
мый способ, позволяющий проводить сжигание путем увеличения реакцион-
ной способности частиц [9, 10].
При изучении таких процессов следует учитывать то, что основной осо-
бенностью природного топлива является его способность выделять продукты
термической деструкции. С точки зрения физической химии термическая де-
струкция твердого топлива представляет собой процесс разрушения структу-
ры макромолекул веществ с разрывом химических связей под влиянием на-
грева с образованием новых продуктов, которые будут отличаться от исход-
ных по химическому строению, атомному составу и свойствам. При этом эта
реакция может осуществляться как с разрывом главной цепи макромолекулы,
которая лежит в основе углерода, так и с отщеплением различных боковых
заместителей [11]. Сложность описания данного процесса состоит в том, что
при термической деструкции одновременно протекает множество различных
реакций, кинетику которых изучают по динамике образования газообразных,
жидких и твердых продуктов реакции [12].
Целью работы является изучение процессов горения и термической дест-
рукции отходов обогащения угля с применением методов планирования экс-
перимента, математического моделирования и статистической обработки ре-
зультатов эксперимента.
Исследованию были подвергнуты отходы Червоноградской ЦОФ. Как по-
казали анализы проб (табл. 1), изучаемый материал представляет собой мно-
гокомпонентную смесь углеродно-глинистой массы и различных минераль-
ных веществ, которые на протяжении многих лет накапливались в шламона-
копителе [13, 14].
Таблица 1 – Элементный состав и показатели технического анализа проб
угольного шлама Червоноградской ЦОФ
№
пробы
С
р
, % Н
р
, % N
р
, % O
р
, %
р
общS ,
%
А
с
, % V
daf
, % W
р
, %
н
pQ ,
МДж/кг
2 26,9 3,1 2,8 19,5 1,7 43,9 33,1 2,1 13,6
3 26,2 3,1 2,8 19,8 1,7 44,8 37,6 1,6 15,0
8 25,6 3,0 2,9 19,9 1,8 45,4 34,7 1,4 15,5
усредн. 26,8 1,8 2,9 20,4 2,8 44,1 39,9 1,2 13,0
В ходе экспериментальных работ было осуществлено сжигание проб
шлама в изотермических условиях для изучения динамики их выгорания в
атмосфере воздуха. Исходная масса пробы составляла 5 г. Предварительно
материал подвергался просеиванию, а диапазон размеров составлял 0,96 –
1,02 мм.
Результаты поставленных опытов показаны на рис. 1. Полученные дан-
ные позволяют проводить комплексный анализ процесса при относительно
медленном нагреве, например, в слоевых процессах различного рода: в пе-
чах, в ретортах, в слоевых топках. Анализ и обобщение приведенных гра-
фиков показал, что при одинаковом режиме нагрева четырех проб материа-
ла потеря массы происходит практически одинаково для разных частиц и
стабилизируется уже после 70 минут от начала испытания. Показано, что
чем тоньше измельчен материал, тем быстрее протекают реакции расщеп-
ления в массе шлама, подвергающейся термической деструкции. В нашем
случае с уменьшением размеров частиц выход летучих из проб твердого
топлива незначительно увеличивался (на 1-2%).
25
30
35
40
45
50
55
60
0 20 40 60 80 100
Время, мин
У
б
ы
л
ь
м
а
с
с
ы
,
%
1,17 мм
1,06 мм
1,05 мм
1,02 мм
30
35
40
45
50
55
60
65
70
0 20 40 60 80 100
Время, мин
У
б
ы
л
ь
м
а
с
с
ы
,
%
1,17 мм
1,03 мм
1,00 мм
0,98 мм
а) б)
25
30
35
40
45
50
55
60
0 20 40 60 80 100
Время, мин
У
б
ы
л
ь
м
а
с
с
ы
,
%
1,17 мм
1,03 мм
1,01 мм
1,00 мм
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
0 20 40 60 80 100
Время, мин
У
б
ы
л
ь
м
а
с
с
ы
,
%
1,20 мм
1,05 мм
1,01 мм
0,96 мм
в) г)
а – проба № 2; б – проба № 3; в – проба № 8; г – усредненная проба
Рис. 1 – Динамика выгорания проб угольных шламов
Основываясь на этих результатах, можно сказать, что в начале экспери-
мента потеря массы составляла 36-39 % от исходной массы топлива (исклю-
чение представляет проба № 3, для которой эта величина была на 6-7 %
больше). Различие протекающих процессов деструкции молекул органиче-
ского вещества во времени связано, в основном, с неравномерностью нагрева
полидисперсного материала. Графики, соответствующие времени выгорания,
равном 80 мин, отличаются равномерностью, поскольку для этого времени
характерно полное разложение органической массы шлама для всех фракций.
Протекание термического процесса зависит от термодинамических факто-
ров, кинетических условий, температуры и состояния окружающей среды.
Химическое превращение в гетерогенных системах не может происходить
одинаково в равновеликих зернах шлама. В большинстве случаев кинетика
суммарного процесса обусловлена одновременным развитием нескольких ре-
акций различной природы.
При построении аналитической модели процесса были приняты некоторые
упрощающие положения:
– частицы имеют сферическую форму и одинаковые размеры;
– частицы по слою распределены равномерно;
– при нагреве частицы находятся в неподвижном состоянии;
– градиент температуры по радиусу частиц отсутствует.
Используя методы планирования полного факторного эксперимента
[15, 16], выберем математическую модель процесса, начальную точку плана и
интервалы варьирования. Полное уравнение регрессии для рассмотренного
процесса будет иметь вид
211222110 XXbXbXbbY
, (1)
где b1, b2, b12 – коэффициенты регрессии, которые определяются по результа-
там эксперимента.
Чтобы получить несмещенные оценки всех коэффициентов регрессии для
построенной модели, каждую переменную варьировали на трех уровнях: +1, –
1, 0 (т.е. n = 3). Число факторов равнялось k = 2 (время эксперимента Х1 и
размер частиц Х2). Следовательно, количество опытов составляло
932 knN . По этим данным построена расширенная матрица планиро-
вания факторного эксперимента (табл. 2).
Табл. 2 – Расширенная матрица планирования факторного эксперимента
№
опыта
Хо Х1 Х2 Х1Х2
1 + + + +
2 + – + –
3 + 0 + 0
4 + + – –
5 + – – +
6 + 0 – 0
7 + + 0 0
8 + – 0 0
9 + 0 0 0
В результате численных расчетов с применением методов математической
статистики были получены следующие уравнения регрессии, которые описы-
вают взаимосвязь убыли массы пробы со временем нагрева и размером час-
тиц:
а) для пробы № 2:
211 2,01,97,46 XXXY
(2)
б) для пробы № 3:
21 7,00,96,53 XXY
(3)
в) для пробы № 8:
2121 3,22,28,103,45 XXXXY
(4)
г) для усредненной пробы:
2121 2,04,04,95,47 XXXXY
(5)
Полученные уравнения (2-5) для функции отклика показаны в трехмерном
изображении на рис. 3. Следовательно, можно говорить о четырех однород-
ных процессах, происходящих в одно и то же время.
-1
-0.5
0
0.5
1
-1
-0.5
0
0.5
1
30
40
50
60
-1
-0.5
0
0.5
1
Рис. 3 – Трехмерное изображение функций отклика
Y
X
2
X1
Значимость экспериментальных и теоретических результатов установлена
по критерию Стьюдента [15] для уровня значимости 0,05 и степеней свободы
k=N–1=9-1=8. Расчетные величины этого параметра для уравнений (2-5) рав-
ны соответственно -0,02; -0,11; 0,01; 0,02. Полученные результаты различа-
ются незначительно, поскольку рассчитанные значения меньше табличных.
Проверка адекватности выполнена по критерию Фишера для уровня значимо-
сти 0,05 и степеней свободы k1=8 и k2=8. По таблице распределения Фишера
получаем Fтабл = 6,03. Расчетные же значения критерия Фишера для уравне-
ний (2-5) равны, соответственно, 2,67; 2,64; 3,00; 2,64. Поскольку приведен-
ные величины намного меньше табличной, исследуемые линейные регресси-
онные модели горения твердого топлива являются адекватными.
Таким образом, экспериментально доказано, что анализ процесса термиче-
ского разложения органических веществ позволяет определять кинетические
характеристики совместно протекающих процессов горения и термодеструк-
ции твердого топлива в топливосжигающих устройствах и регулировать их с
достаточной надежностью, что, в свою очередь, создаст возможность полу-
чать на основе экологически чистого производства ценное химическое сырье.
Весь комплекс исследований, проведенный ИГТМ НАН Украины, вклю-
чающий аналитические расчеты, лабораторные эксперименты и математиче-
ское моделирование термических процессов позволил более полно раскрыть
механизм процесса переработки отходов углеобогащения с учетом свойств их
органической и минеральной составляющих, установить связи между пара-
метрами процесса термодеструкции и параметрами технологии получения
твердого остатка с заданными химическими показателями. Для практического
применения полученных результатов и оценки параметров эффективных тех-
нологий переработки разработаны методика и компьютерная программа
оценки вариантов компоновки энерготехнологического комплекса.
В энерготехнологическом комплексе по утилизации углесодержащих от-
ходов производства создается замкнутый технологический цикл, в результате
которого из исходного сырья получают конечные продукты. Вместе с тем,
оценить целесообразность его строительства можно только с учетом особен-
ностей применяемой технологии переработки. Технология получения энергии
и строительных материалов основана на предварительном пиролизе углей,
получении золы с заданными свойствами и увеличении концентрации необ-
ходимых для строительных материалов химических элементов.
Отработку параметров процесса утилизации предложено проводить по-
этапно с оперативным автоматизированным анализом баз данных норматив-
но-технических документов, содержащих нормативные требования и техно-
логические ограничения по физико-химическому, гранулометрическому со-
ставам и другим параметрам. В этом плане структуру энерготехнологическо-
го комплекса можно представить тремя основными блоками (рис. 4).
Рис. 4 – Структурная схема оценки технологических решений и параметров процесса
переработки углесодержащих отходов
Сырьем для первого блока (модуль 1, рис. 4) являются шламы и неконди-
ционные угли. Первый и второй блоки содержат алгоритмы выбора рацио-
нальных технологий предварительной и промежуточной переработки. После
каждого технологического цикла оценивается качество полученных продук-
тов и возможность их применения для производства энергии, газов, топлива,
масел, строительных материалов. Критериями оценки являются нормативные
требования и ограничения действующих нормативно-технических докумен-
тов на исходные и получаемые в результате переработки параметры готовых
продуктов. Полный цикл энерготехнологического комплекса завершается на
этапе получения конечной продукции из компонентов промежуточных цик-
лов переработки (модуль 3, рис. 4).
На практике обычно рассматриваются несколько альтернативных вариан-
тов промежуточных и конечных циклов переработки. Поэтому предложена
методика последовательной отработки параметров энерготехнологических
комплексов, на базе которой создана программа «Перспектива» [17], позво-
ляющая на каждом этапе переработки углеотходов проводить автоматический
поиск рациональных решений и параметров процесса утилизации. Это дает
возможность, используя максимальный массив нормативных документов и
научных исследований, отработать наиболее перспективные направления
промышленного использования получаемых материалов, обосновать выбор
наиболее привлекательной технологии утилизации.
Выводы:
1. Лабораторными исследованиями установлено, что при одинаковом ре-
жиме нагрева всех исследованных проб угольных шламов фактически полное
выгорание углерода и завершение процесса деструкции органических ве-
ществ (стабилизация потери массы) происходит в течение 70 минут от начала
экспериментов, а для проб, характеризующихся высокой зольностью и низкой
влажностью, наиболее интенсивная деструкция происходит при размере час-
тиц 1,03-1,05 мм. Доказано, что анализ процесса термического разложения
органических веществ позволяет определять кинетические характеристики
совместно протекающих процессов горения и термодеструкции твердого топ-
лива в топливосжигающих устройствах и регулировать их с достаточной на-
дежностью.
2. С помощью метода планирования полного факторного эксперимента
построена математическая модель термических процессов переработки угле-
родистых материалов с учетом динамики потери массы. Критериями матема-
тической статистики установлена адекватность и значимость модели иссле-
дуемому процессу.
3. Разработаны методика и компьютерная программа оценки рациональ-
ных вариантов технологических решений переработки углесодержащих отхо-
дов. Предложено отработку параметров процесса утилизации проводить по-
этапно с оперативным автоматизированным анализом баз данных норматив-
но-технических документов, содержащих нормативные требования и техно-
логические ограничения по физико-химическому, гранулометрическому со-
ставам и другим параметрам углеотходов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Клюєв Е.С. Альтернатива є: сміття на переробку / Е.С. Клюєв // Вісник Присамар’я. – 2009. – № 16
(50). – 30 квітня. – С. 9.
2. Нуссельт В. Горение пылевидного твердого топлива / В. Нуссельт // Записки общества термодинами-
ков. – 1924. – Т. 68. – № 5. – С. 124 – 128.
3. Гумц В. Горение углеродных частиц / В. Гумц // Feuerungstechnik. – 1940. – Bd. 28, № 11. – Р. 249 –
255.
4. Орнинг А. Теория горения угольной пыли / А. Орнинг // Trans. Am. Soc. Mech. Eng. – 1942. – Vol. 64,
Р. 497.
5. Хоттель Н. Термодинамика горения угольной пыли / Н. Хоттель// Ind. Eng. Chem. – 1934. – Vol. 26, Р.
749.
6. Блинов В.И. Динамика горения угольной пыли / В. И. Блинов // Изв. ВТИ. – 1934. – № 7. – С. 8—17.
7. Канторович В.В. Газификация твердого топлива / В. В. Канторович. – М.: АН СССР, 1958. – С. 50 –
123.
8. Канторович В.В. Основы теории горения и газификации твердого топлив / В. В. Канторович. – М.: АН
СССР, 1958. – 301 с.
9. Калинчак В.В. Аналитическое определение двух пределов гетерогенного воспламенения частиц угле-
рода и металлов / В.В. Калинчак, А.С. Черненко, С. Г. Орловская // Физика аэродисперсных систем: Межвед.
сб. науч. трудов / Одесский национальный университет им. И.И. Мечникова. – Одесса: Астропринт, 2004. –
№ 41. – С. 177 – 189.
10. Сидоров А.Е. Горение угольных пылей / А.Е. Сидоров, А.Н. Золотко, В.Г. Шевчук // Физика аэро-
дисперсных систем: Межвед. сб. науч. трудов / Одесский национальный университет им. И.И. Мечникова. –
Одесса: Астропринт, 2008. – № 45. – С. 35 – 44.
11. Глущенко И.М. Теоретические основы технологии твердых горючих ископаемых / И.М. Глущенко. –
К.: Вища школа, 1980. – 256 с.
12. Гюльмалиев А.М. Кинетические модели процессов термической и гидрогенизационной переработки
углей / А.М. Гюльмалиев, Л.Г. Абакумова, Т.Г. Гладун // Химия твердого топлива. – 1996. – № 2 – С. 73 – 79.
13. Решение проблем экологической безопасности шламохранилищ углеобогатительных предприятий /
Приходченко В.Л., Слащева Е.А., Коваль Н.В. [и др.] // Строительство, материаловедение, машиностроение:
Сб. науч. тр. / ПГАСА. – Днепропетровск, 2010. – С. 81 – 85.
14. Энерготехнологическая переработка низкосортных углей и отходов углеобогащения / А.Т. Курносов,
В.Л. Приходченко, В.Я. Осенний [и др.] // Геотехническая механика: Межвед. сб. научн. трудов / ИГТМ. –
Днепропетровск. – 2010. – Вып. 88. – С. 81 – 86.
15. Ахназарова С.Л. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии: учеб. пособие для
хим.-технол. спец. вузов / С.Л. Ахназарова, В.В. Кафаров. – М.: Высшая школа, 1985. – 327 с.
16. Гайдадин А.Н. Применение полного факторного эксперимента при проведении исследований: метод.
указания / А.Н. Гайдадин, С.А. Ефремова. – Волгоград: ВолгГТУ, 2008. – 16 с.
17. Слащев И.Н. Алгоритм и программное обеспечение оценки параметров технологий переработки уг-
лесодержащих отходов / И.Н. Слащев, С.Д. Приходченко, А.И. Слащев / Геотехническая механика: Межвед.
сб. науч. тр. ИГТМ им. Н.С. Полякова НАН Украины. – Днепропетровск, 2011. – Вып. 92. – С. 238-247.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-33567 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:28:51Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Клюев, Э.С. Сапегин, В.Н. Слащев, А.И. 2012-05-28T16:51:39Z 2012-05-28T16:51:39Z 2011 Математическое моделирование термических процессов утилизации отходов обогащения углей / Э.С. Клюев, В.Н. Сапегин, А.И. Слащев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2011. — Вип. 94. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33567 536.42: 622.421 В статті розглянуто процеси термічної деструкції й горіння вуглецевих матеріалів. За 
 допомогою методів математичної статистики встановлено закономірності, що описують ці 
 процеси. The processes of thermal destruction and combustion of carbonic material was reviewed in 
 this article. The regularities, which describe these processes, were determined due to methods of 
 mathematical statistics. ru Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України Геотехническая механика Математическое моделирование термических процессов утилизации отходов обогащения углей Mathematical modeling of thermal processes of wash slurry wastes utilization Article published earlier |
| spellingShingle | Математическое моделирование термических процессов утилизации отходов обогащения углей Клюев, Э.С. Сапегин, В.Н. Слащев, А.И. |
| title | Математическое моделирование термических процессов утилизации отходов обогащения углей |
| title_alt | Mathematical modeling of thermal processes of wash slurry wastes utilization |
| title_full | Математическое моделирование термических процессов утилизации отходов обогащения углей |
| title_fullStr | Математическое моделирование термических процессов утилизации отходов обогащения углей |
| title_full_unstemmed | Математическое моделирование термических процессов утилизации отходов обогащения углей |
| title_short | Математическое моделирование термических процессов утилизации отходов обогащения углей |
| title_sort | математическое моделирование термических процессов утилизации отходов обогащения углей |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33567 |
| work_keys_str_mv | AT klûevés matematičeskoemodelirovanietermičeskihprocessovutilizaciiothodovobogaŝeniâuglei AT sapeginvn matematičeskoemodelirovanietermičeskihprocessovutilizaciiothodovobogaŝeniâuglei AT slaŝevai matematičeskoemodelirovanietermičeskihprocessovutilizaciiothodovobogaŝeniâuglei AT klûevés mathematicalmodelingofthermalprocessesofwashslurrywastesutilization AT sapeginvn mathematicalmodelingofthermalprocessesofwashslurrywastesutilization AT slaŝevai mathematicalmodelingofthermalprocessesofwashslurrywastesutilization |