DOKTORSKA DISERTACIJA

DOKTORSKA DISERTACIJA

“DEFINISANJE OPTIMALNIH TEHNOLOŠKO-TERMIČKIH PARAMETARA PROCESA PROIZVODNJE OPEKA U

PROTOČNIM PEĆIMA”

UNIVERZITET U ZENICIFAKULTET ZA METALURGIJU I MATERIJALE

Mr. Jusuf Duraković

Zenica, februar 2006. godine

Fakultet za metalurgiju i materijale

UN

I VE

RS

I T AS S T U D I O R U M Z E

NI C

AE

NS

IS

UN

I V E R Z I T E T U Z E N

I CI

OPIS PROBLEMA I RAZLOZI ISTRAŽIVANJA

• Trend rasta proizvodnje opekarskih proizvoda. • Konkurencija na tržištu.• Optimalna potrošnja energije po jedinici proizvoda.• Različita temperaturna polja u peći.• Proizvodi ekološki zdravi za gradnju objekata sa dobrim

termoizolacionim svojstvima.• Na bazi dostupnih saznanja iz literature može se zaključiti da

je pomenuta problematika aktuelna u svijetu a kod nas nedovoljno istražena.

• Postoji interes kod domaćih proizvođača opekarskih proizvoda za ovom tematikom istraživanja.


CILJ ISTRAŽIVANJA

1. Istraživanje uticaja minerološkog sastava glina, sadržaja vlage, granulacije i temperature termičkog tretmana na kvalitet gotovih proizvoda.

2. Istraživanje uticaja bitnih parametara na potrošnju energije u tunelskim pećima.

3. Određivanje temperaturnih polja po zonama tunelske peći.

4. Istraživanje mogućnosti za bolje uslove prijenosa toplote u radnom prostoru peći.

5. Konstruisanje matematičkog modela optimizacije.


HIPOTEZE

Glavna hipoteza:

1. Moguće je izvršiti optimizaciju potrošnje energije u tunelskoj peći.

Pomoćne hipoteze:

1. Za optimizaciju potrošnje energije moguće je postaviti matematički model koji opisuje ponašanje temperaturnog polja u peći i temperaturnog polja u proizvodu.

2. Sa zadovoljavajućom tačnošću je moguće rezultate matematičkog modela potvrditi eksperimentalnim putem.


PROGRAM ISTRAŽIVANJA

• Pregled dosadašnjih istraživanja

• Uzimanje uzoraka i ispitivanje gline sa ležišta Golo Brdo kod Visokog.

• Izrada matematičkog modela optimizacije potrošnje energije:– Jednačina toplotnog bilansa– Temperaturno polje u peći– Temperaturno polje u proizvodu

• Provjera matematičkog modela u praktičnim uslovima.

• Testiranje matematičkog modela.


DOSADAŠNJA ISTRAŽIVANJA

a) Dodavanje različitih aditiva i kontrola sagorijevanja aditiva (perlit, pješčana prašina itd.)

b) Sušenje opekarskih proizvoda

c) Izbor vatrostalnog i izolacionog materijala za ozid vagona peći, gubici toplote kroz akumulaciju i provođenje u ozidu vagona peći

d) Iskorištenje toplote hlađenjem proizvoda za potrebe sušare

e) Uticaj predgrijanog zraka na specifičnu potrošnju energije

f) Uticaj temperature izlaznih proizvoda na potrošnju energije

g) Optimizacija potrošnje energije


TEHNOLOŠKA ŠEMA PROIZVODNJE OPEKARSKIH PROIZVODA

ULAZ U PEC IZLAZ IZ PEC I

TUNELSKA PEC

PRESJEK PEĆI


KRIVA ZAGRIJAVANJA


ISPITIVANJA GLINA

• ISPITIVANJA NA ZAGRJEVNOM MIKROSKOPU

• HEMIJSKI SASTAV

• MINERALOŠKI SASTAV (TG, DTG, DTA, XRD)

• GRANULOMETRIJSKI SASTAV


Ispitivanja su obavljena na Metalurškom Institutu «Kemal Kapetanović» Zenica, Institutu za bakar u Boru i Fakultetu za metalurgiju i materijale u Zenici.

HEMIJSKI SASTAV

Oksid-

Element

Glina

[%]

Sivoplavi glinac

[%]

Kompozit sa trake (1:1)

[%] Analitička metoda

SiO2 66,68 51,18 62.80 G

Al2O3 16,74 16,45 15,11 G

CaO 0,70 7,55 2,97 AAS

Fe2O3 3,97 3,56 3,98 AAS

Mn 0,030 0,037 0,035 OES

Mg 0,35 0,68 0,42 OES

Pb 0,0030 0,0028 0,0027 OES

Ti 0,20 0,86 0,18 OES

V 0,0080 0,0084 0,0075 OES

Cu 0,010 0,0064 0,0060 OES

Ag 0,0028 0,0010 0,0024 OES

Sn 0,0010 0,0010 0,0010 OES

Cr 0,003 0,003 0,003 OES

Bi 0,003 0,003 0,003 OES

Ni 0,01 0,01 0,01 OES

Co 0,003 0,003 0,003 OES

Na Identifikovan


GRANULOMETRIJSKI SASTAV

Otvor sita [mm] Glina

[%]

Sivoplavi glinac

[%] Kompozit sa trake

(1:1) [%]

+0,16 6,61 0,68 7,32

-0,16 do +0,10 1,63 1,70 2,82

-0,10 do +0,09 0,40 0,98 0,18

-0,09 do +0,08 0,20 0,12 0,44

-0,08 do +0.075 0,07 0,14 1,55

-0,075 do +0,063 0,8 0,63 3,46

-0,063 90.29 95,75 84,23


MINERALOŠKI SASTAV GLINE

Derivatogram za glinu

• 105 0C - gubitak higroskopne vlage – jak endotermni efekat • 510 0C - dehidroksilacija glinenih minerala, gubitak OH grupe – jak endotermni efekat

• 800 0C - disocijacija kalcijum karbonata - vrlo slab endotermni efekat

105 0C

510 0C

800 0C


MINERALOŠKI SASTAV SIVO PLAVOG GLINCA

• 120 0C - gubitak higroskopne vlage – jak endotermni efekat

• 300 0C - moguća transformacija aragonit-kalcit

• 410 0C - moguća transformacija aragonit-kalcit

• 320 0C – jak endotermni efekat

• 520 0C - dehidroksilacija glinenih minerala, gubitak OH grupe – jak endotermni efekat

• 780 0C - disocijacija kalcijum karbonata–jak endotermni efekat

Derivatogram za sivo plavi glinac

120 0C

300 0C

520 0C

780 0C

410 0C


MINERALOŠKI SASTAV KOMPOZITA

Derivatogram za kompozitni uzorak

• 100 0C - gubitak higroskopne vlage– jak endotermni efekat

• 520 0C - dehidroksilacija glinenih minerala, gubitak OH grupe, moguća transformacija kvarc – jak endotermni efekat

• 745 0C - disocijacija kalcijum karbonata - vrlo slab endotermni efekat

100 0C

520 0C 745 0C


RENDGENSKO DIFRAKCIONA ANALIZA

Rendgenogram za kompozitni uzorak

2

ISPITIVANJE NA ZAGRJEVNOM MIKROSKOPU


KARAKTERISTIČNE TAČKE

Karakteristična tačka

Uzorak 1 Uzorak 2 Uzorak 3

- 35 % glina

-65 % sivo plavi

glinac

- 50 % glina

-50 % sivo plavi

glinac

- 65 % glina

-35 % sivo plavi

glinac

Sinterovanja [0C] 1200 1140 1240

Omekšavanja [0C] 1260 1260 1290

Topljenja [0C] 1305 1370 1400


FORMIRANJE MATEMATIČKOG MODELA I IZRADA PROGRAMA

• Jednačina toplotnog bilansa

• Temperaturno polje u peći

• Temperaturno polje u proizvodu


JEDNAČINA TOPLOTNOG BILANSA

......... pldprovagsušozsvokzrprg QQQQQQQQQ

n

ipldipiplpočproproppropočkonvagpvag

okolpećszrzrpzrokolpeć

okolpećpočkonpropprozrzrpznplpld

cVVcmcm

tAkcm

tAk

tAkcmcVVVK

1...............

3..3....,2..2

1..1..........

)(

10001000

1000

...

......

pldQQK

QQQQQQV

zrd

provagsušozsvokpl


Qdov.= Qk + Qg

TEMPERATURNO POLJE U PEĆI

),,,(),,,(),,,(),,,( 22

2

2

tzyxFtzyxUKt

tzyxUH

t

tzyxUM

)()(

2

22 xF

x

xUK

Rubni uslovi U(0)=u0, U(L)=uL.

22

2 )()(

K

xF

dx

xUd

2

)()(

K

xFxG

dxdx

K

xFxG

2

)()(

de[i]) -(x de[i]) - 1](de[i

V[i])-1](V[i

iX VT


Urađena je diskretizacija koja predstavlja jednostavan prikaz svih funkcija F(t,T,x,y,z)

koje ovise o vremenu, temperaturi i mjestu u peći pomoću skupa diskretnih vrijednosti.

MJERNA MJESTA I TEMPERATURE

Mjerno mjesto

Mjesto i temperatura Ti (de[i], ve[i]),

Udaljenost od početka peći,

de[i],[m] Temperatura,

ve[i],, [ oC]

Ulaz u peć 0 30

I mjerno mjesto 3,9 65

II mjerno mjesto 19,9 400

III mjerno mjesto 25,1 440

IV mjerno mjesto 30,8 460

V mjerno mjesto 36,9 600

VI mjerno mjesto 43,2 710

VII mjerno mjesto 45,8 780

VIII mjerno mjesto 48,4 825

XI mjerno mjesto 51,0 860

X mjerno mjesto 53,6 865

XI mjerno mjesto 56,2 865

XII mjerno mjesto 58,8 865

XIII mjerno mjesto 61,4 865

XIV mjerno mjesto 71,6 800

XV mjerno mjesto 82,6 710

XVI mjerno mjesto 88,0 660

XVII mjerno mjesto 111,0 60

TEMPERATURNO POLJE U PEĆI


TEMPERATURNO POLJE U PROIZVODU

),(),(),(

)(2

22 txF

x

txTK

t

txTxH

),(),exp()(),exp()()( "2 txFtxBKtxBxH

Traži se funkcija T(x, t) koja zadovoljava diferencijalnu jednadžbu uz zadovoljavanje rubnih uslova T(0, t)=T0, T(L, t)=TL, pri čemu je L dužina peći.

N

kikkiikikiiii txBCxBCxBBxBBtxTtxT1

1,111 )()()()(),(),(


TEMPERATURNO POLJE U PROIZVODU


POTVRDA POMOĆNE HIPOTEZE

1. Za optimizaciju potrošnje energije potrebno je postaviti matematički model koji opisuje ponašanje temperaturnog polja u peći i temperaturnog polja u proizvodu.


OSNOVA OPTIMIZACIJE Podaci u r-tom redu matrice podataka za optimizaciju svrstaju se u četiri vektora:V1[r] = (x1[r],x2[r],x3[r],x4[r],x5[r]),gdje su:x1[r]=pod[r,41],x2[r]=pod[r,42],...x5[r]=pod[r,45], V2[r] = (De1[r],te1[r], Dej[r],Tej[r], D20[r],Te20[r]), gdje su: Dj[r]=De[r,j],Tej[r]=Te[r,j], ili

V3[r] = (Tmax[r],Tmin[r],Tkk[r],Tdmpl[r]),gdje su:Tmax[r]=pod[r,46],Tmin[r]=pod[r,47], Tkk[r]=pod[r,48],Tdmpl[r]=pod[r,49],V4[r] = (Sel[r]),gdje je:Sel[r]=pod[r,50].q[r]=Vpl(V1[r],V2[r],V3[r],V4[r])/Mpro(V2[r],V3[r],V4[r]),gdje su: Vpl i mpro vrijednosti za Volumen plina a mpro ukupna masa proizvoda iz toplotnog bilansa za podatke iz

reda r. R=1,...300.qopt[ropt]= MIN {q[r]}r=1..300 ir in SOCgdje je: SCO skup r-ova za koje je sel[r] ='ide'Ropt je r za koji je q[r] minimalnoqopt[ropt] je minimalna vrijednost za q koja se dobije iz proračuna toplotnog bilansa za r=ropt.


ŠEMA BLOKOVSKE STRUKTURE PROGRAMA

Te_dmplI qq

Obrada datoteke imenaDatoteka imena

Iniciranje datoteke

Iniciranje svih ostalih datoteka

Iniciranje datoteka parametara

Iniciranje datoteka zaglavlja

Iniciranje datoteka podataka

Adaptacija ostalih datoteka

Adaptacija datoteka parametara

Adaptacija datoteka zaglavlja

Start Exit

Procedura obrade podataka, Proračuni

Toplotni bilans

Temperaturna polja u peći i

proizvodu

Minimizacija potrošnje goriva

Osobine proizvoda

Korelacija Prikaz tabela i grafovi

Proračun

Rezultati

Polje u peći

Test saglasnosti proračunskih i mjerenih

temperatura

Polje u proizvodu

Matematska struktura modela

Rezultati

Proračun optimizacije

Reg.Te.i qq

Te_pro,qq

Te_zr,qq

Grafovi

Tabele

Kvalitet

Prikaz iupis

PRAKTIČNA MJERENJA NA PROTOČNOJ PEĆI


KORIŠTENA MJERNA OPREMA Fakultet za metalurgiju i materijale

I Kanal

II Kanal

III Kanal

IV Kanal

RASPORED TERMOELEMENATA


SNIMLJENI DIJAGRAM ZA TEMPERATURNO POLJE U PEĆI


POREĐENJE TEORIJSKOG I STVARNOG TEMPERATURNOG POLJA U PEĆI


SNIMLJENI DIJAGRAM ZA POLJE U PROIZVODU


POREĐENJE TEORIJSKOG I STVARNOG TEMPERATURNOG POLJA U PROIZVODU


POREĐENJE TEORIJSKOG I STVARNOG TEMPERATURNOG POLJA U PEĆI I PROIZVODU


REZULTATI PROVJERE TERMOELEMENATA ZA ZONU PREDGRIJAVANJA

R. br.Oznaka zone

za termoelement

Temperatura na regulatoru

[0 C]

Izmjerena temperatura na

termokompenzatoru[0 C]

[0 C]

Izmjereni signal u

[mV]

1. Tp1 400 386 +14 14,82

2. Tp2 410 405 +5 15,65

3. Tp3 420 408 +12 15,72

4. PV 502 485 +17 18,90

5. SV 549 530 +19 20,66


REZULTATI PROVJERE TERMOELEMENATA ZA ZONU ZAGRIJAVANJA

R. br.Oznaka

ložioničke grupe


[0 C]

Izmjerena temperatura na termokompenzatoru

[0 C]

[0 C]

Izmjereni signal u

[mV]

1. LG 2 - 528 20,40

2. LG 3 650 622 +28 24,58

3. LG 4 750 715 +35 28,56

4. LG 5 796 770 +26 30,68

5. LG 6 846 834 +12 33,30

6. LG 7 859 842 +17 33,58

7. LG 8 863 845 +18 33,76

8. LG 9 863 842 +21 33,55

9. LG 10 837 812 +25 32,76


REZULTATI PROVJERE TERMOELEMENATA ZA ZONU HLAĐENJA

R. br.Oznaka zone

za termoelement


[0 C]

Izmjerena temperatura na

termokompenzatoru[0 C]

[0 C]

Izmjereni signal u

[mV]

1. Th1 760 780 -20 31,32

2. Th 2 - 952 - 38,29

3. Th 3 700 705 -5 28,72

4. Th 4 660 658 +2 26,74

5. BH - 730 - 29,45


• TOPLOTNI BILANS-Uticaj vremena trajanja termičkog tretmana na potrošnju plina-Uticaj temperature dimnih plinova na specifičnu potrošnju energije-Uticaj temperature proizvoda na izlazu iz peći na potrošnju plina-Uticaj temperature termičkog tretmana na specifičnu potrošnju energije-Uticaj temperature predgrijanog zraka na potrošnju plina-Uticaj mase proizvoda na potrošnju plina

• TEMPERATURNO POLJE U PEĆI

• TEMPERATURNO POLJE U PROIZVODU

• TEORETSKA OPTIMIZACIJA

• STVARNA OPTIMIZACIJA


REZULTATI MATEMATIČKOG MODELA

TOPLOTNI BILANS


DIJAGRAMSKA ZAVISNOST IZ MODELA


UKUPNA I SATNA POTROŠNJA PLINA U ZAVISNOSTI OD VREMENA

15600

15800

16000

16200

16400

16600

16800

17000

46,50 48,36 50,22 52,00 53,94

Vrijeme trajanja termičkog tretmana, [ h ]

Po

tro

šnja

plin

a, [

m3 ]

305

310

315

320

325

330

335

340

345

Po

tro

šnja

plin

a, [

m3 /h

]


SPECIFIČNA POTROŠNJA ENERGIJE U ZAVISNOSTI OD TEMPERATURE DIMNOG PLINA

1,452

1,454

1,456

1,458

1,460

1,462

1,464

1,466

105 126 147 168 189

Temperatura dimnog plina, [ 0C ]

Sp

eci

fičn

a p

otr

ošn

ja e

ne

rgije

, [ M

J/kg

]


UKUPNA I SATNA POTROŠNJA PLINA U ZAVISNOSTI OD TEMPERATURE IZLAZNIH PROIZVODA

15750

15800

15850

15900

15950

16000

16050

16100

16150

16200

16250

100 108 116 124 132

Temperatura izlaznih proizvoda, [ 0C ]

Po

tro

šnja

plin

a,[m

3 ]

340

341

342

343

344

345

346

347

348

349

350

Po

tro

šnja

plin

a, [

m3 /h

]


SPECIFIČNA POTROŠNJA ENERGIJE U ZAVISNOSTI OD TEMPERATURE TERMIČKOG TRETMANA

1,350

1,400

1,450

1,500

1,550

1,600

1,650

865 908 951 994 1038

Temperatura termičkog tretmana, [ 0C ]

Sp

eci

fičn

a p

otr

ošn

ja e

ne

rgije

, [

MJ/

kg ]


UKUPNA I SATNA POTROŠNJA PLINA U ZAVISNOSTI OD TEMPERATURE PREDGRIJANOG ZRAKA

15600

15650

15700

15750

15800

15850

15900

15950

16000

90 99 108 117 126

Temperatura predgrijanog zraka, [ 0 C ]

Po

tro

šnja

plin

a, [

m3 ]

335

336

337

338

339

340

341

342

Po

tro

šnja

plin

a, [

m3 /h

]


UKUPNA I SATNA POTROŠNJA PLINA U ZAVISNOSTI OD MASE PROIZVODA

15000

16000

17000

18000

19000

20000

21000

399.42 442.55 485.69 528.83 571.96

Masa proizvoda, [ t ]

Po

tro

šnja

plin

a, [

m3

]

300

320

340

360

380

400

420

440

Po

tro

šnja

plin

a, [

m3 /h

]


DIJAGRAM POREĐENJA IZMJERENIH I TEORIJSKIH REZULTATA TEMPERATURNOG POLJA U PEĆI

DIJAGRAM POREĐENJA IZMJERENIH I TEORIJSKIH REZULTATA TEMPERATURNOG POLJA U PROIZVODU

POTVRDA POMOĆNE HIPOTEZE

Sa zadovoljavajućom tačnošću je moguće rezultate matematičkog modela potvrditi eksperimentalnim putem.


POJAS KRIVIH LINIJA


HISTOGRAMI


DIO GLAVNE MATRICE SA STVARNOM OPTIMIZACIJOM


TEORETSKA OPTIMIZACIJA


POTVRDA GLAVNE HIPOTEZE

Moguće je izvršiti optimizaciju potrošnje energije u tunelskoj peći.


REZULTATI ISTRAŽIVANJA

• Obavljena laboratorijska ispitivanja uzoraka glina su pokazala da je glina sa stanovišta hemijskog, mineralnog i granulometrijskog sastava kvalitetna sirovina za proizvodnju opekarskih proizvoda.

• Potrebno je posebnu pažnju posvetiti sušenju sirovih opekarskih proizvoda jer sirovina koja se koristi za proizvodnju, usljed visokog sadržaja montmorilonita, se smatra osjetljivom na sušenje.

• Rezultati ovog rada, a to je predstavljeno putem grafikona, su pokazali da na potrošnju energije najviše utiče stepen predgrijavanja zraka, izlazna temperatura proizvoda, zadata temperatura sinterovanja, vrijeme trajanja termičkog tretmana, temperatura izlaznih dimnih plnova, temperatura vagona.

• Ukoliko postoji viška predgrijanog zraka preporuka je da se taj topli zrak vodi u sušaru i ispuštati ga tek iz sušare.

• Kod tunelskih protočnih peći neophodno je vršiti hlađenje svoda i gotovih proizvoda. Tako predgrijan zrak voditi u zonu predgrijavanja ili u sušnicu čime se povećava koeficijent iskorištenja čitavog postrojenja.


REZULTATI ISTRAŽIVANJA

• Na potrošnju energije znatno utiče temperatura proizvoda prilikom izlaska iz peći. Proizvode obavezno hladiti naglim hlađenjem.

• Model je pokazao da se ostvaruju veliki gubici toplote sa vagonom peći bilo kroz akumulaciju ili provođenjem. Jedan od načina za smanjenje potrošnje energije je kvalitetnija izolacija vagona sa savremenim izolacionim materijalima.

• Matematički model se može primjeniti na sve tunelske peći protočnog tipa za opekarske proizvode zagrijavane plinom ili mazutom, što ovom modelu daje jednu dimenziju univerzalnosti.

• Sa matematičkim modelom izvršena je optimizacija potrošnje energije i dalje bi se trebala izvršiti automatizacija procesa proizvodnje opeka prema rezultatima modela.


11. ZAKLJUČCI

Iz svega izloženog mogu se izvesti sljedeći zaključci:

1. Na osnovu obavljenih ispitivanja može se zaključiti da ležište Golo Brdo kod Visokog predstavlja kvalitetnu sirovinu za proizvodnju opekarskih proizvoda.

2. Dobijena je matematička zavisnost koja opisuje ponašanje temperaturnog polja u peći.

3. Dobijena je matematička zavisnost koja opisuje ponašanje temperaturnog polja u proizvodu.

4. Izvršena je optimizacija potrošnje energije određivanjem optimalnih tehnološko-termičkih parametara rada procesa u tunelskoj peći pomoću matematičkog modela.

5. Matematički model je potvrđen praktičnim mjerenjima u tunelskoj peći i može se koristiti u proizvodnoj praksi kao zamjena zahtjevnim i skupim mjerenjima prostorne raspodjele temperature u peći.


PRAVCI DALJNJIH ISTRAŽIVANJA

1. Iznalaziti mogućnost određivanja optimalnog odnosa mješavine dvije i više glina pri formiranju kompozita i posmatranje uticaja kompozita na kvalitet gotovog proizvoda.

4. Energetski zajedno posmatrati tunelsku peć sa sušarom.

2. Bilo bi interesantno ispitivati dodavanje aditiva sirovoj masi kontrolisano i po mogućnosti u vlaknastoj formi.

3. Vrijeme termičkog tremana u tunelskim pećima je dugo zbog čega bi bilo potrebno iznalaziti mogućnosti kraćeg vremena trajanja termičkog tretmana,


Documents

DOKTORSKA DISERTACIJA