Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,823

ОБОБЩЁННАЯ СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ИНЖИНИРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНОЙ ПЕРЕРАБОТКОЙ ОТВАЛОВ ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНЫХ КОМБИНАТОВ АПАТИТ-НЕФЕЛИНОВЫХ РУД

Бобков В.И. 1 Дли М.И. 1 Панченко С.В. 1
1 Филиал ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет МЭИ»
Статья посвящена разработке обобщенной структурно-функциональной модели инжиниринга и управления экологически безопасной многостадийной химико-энерготехнологической системой переработки отходов апатит-нефелиновых руд горно-обогатительных комбинатов. Используется анализ сквозных взаимосвязанных тепло- и массообменных и физико-химических процессов, протекающих в различных зонах обжиговых машин конвейерного типа и руднотермических печей, для определения оптимальных с точки зрения энерго и ресурсосбережения конструктивных параметров элементов данной системы, а также алгоритмов ее функционирования. Рассматриваемая сложная схема представляется эксергетическим потоковым графом, изоморфным представленной химико-энерготехнологической системе, учитывающей практически все параметры, и определяет максимальную функциональность. Эксергетический метод позволяет учесть количественно и качественно энергетические потоки, что делает его, во взаимосвязи с энергетическим, максимально объективным. Обоснованный учёт обобщённых характеристик графа потоков эксергии позволяет уйти от множества типов моделей топологического анализа графов химико-энерготехнологических систем и применять унифицированный топоэксергетический подход к изучению химико-энерготехнологических систем. Важная особенность эксергетических методов – это их универсальность, позволяющая применять эксергию для оценки потоков и объёмов основных видов энергий, используемых при анализе балансов в любой системе через единый критерий энергетической эффективности. Применение этого метода в данной работе позволило обеспечить взаимосвязь эксергетических и технико-экономических характеристик. Увеличение размерности и сложности задач оптимизации и синтеза химико-энерготехнологической системы потребовало использования современного максимально эффективного математического аппарата для решения такого типа задач в реальном времени. Так как сложные иерархические системы включают в себя отношения подсистем, бинарные отношения объектов систем, применение теории графов оказалось наиболее эффективно.
руднотермическая печь
эксергия
обжиговая машина
температура
структурная модель
энергоресурсосбережение
химико-энерготехнологическая система
переработка отходов
1. Зайнуллин Л.А., Дружинин Г.М., Буткарев А.А. Инновационные разработки ОАО ВНИИМТ для энергосбережения и экологии в металлургии // Черная металлургия. 2014. № 7 (1375). С. 79–82.
2. Леонтьев Л.И., Григорович К.В., Костина М.В. Фундаментальные исследования как основа создания новых материалов и технологий в области металлургии. Часть 1 // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2016. Т. 59. № 1. С. 11–22. DOI: 10.17073/0368-0797-2016-1-11-22.
3. Новичихин А.В., Шорохова А.В. Процедуры управления поэтапной переработкой железорудных отходов горнопромышленных районов // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2017. Т. 60. № 7. С. 565–572. DOI: 10.17073/0368-0797-2017-7-565-572.
4. Бобков В.И. Моделирование термически активируемых процессов обжига окомкованного сырья // Тепловые процессы в технике. 2016. Т. 8. № 1. С. 42–47.
5. Бобков В.И., Мищенко М.Н. Исследование теплофизических характеристик окомкованного фосфатного материала // Современные наукоемкие технологии. 2016. № 7–1. С. 26–29.
6. Бобков В.И. Энергосбережение в технологии сушки материала в плотном слое на основе интенсификации тепломассообмена // Современные наукоемкие технологии. 2015. № 12–4. С. 585–589.
7. Леонтьев Л.И. Физико-химические особенности комплексной переработки железосодержащих руд и техногенных отходов // ХХ Менделеевский съезд по общей и прикладной химии Тезисы докладов в 5 т. Уральское отделение РАН. Екатеринбург, 2016. С. 92.
8. Luis P., Van der Bruggen B. Exergy analysis of energy-intensive production processes: advancing towardsa sustainable chemical industry.
9. Боковиков Б.А., Брагин В.В., Швыдкий В.С. О роли зоны тепловой инерции при термообработке окатышей на обжиговых конвейерных машинах // Сталь. 2014. № 8. С. 43–48.
10. Elgharbi S., Horchani-Naifer K., Ferid M. Investigation of the structural and mineralogical changes of Tunisian phosphorite during calcinations. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2015. Vol. 119. No. 1. P. 265–271. DOI: 10.1007/s10973-014-4132-5.
11. Тимофеева А.С., Никитченко Т.В., Федина В.В. Определение комкуемости железорудной шихты с целью прогнозирования прочностных свойств окатышей // Современные наукоемкие технологии. 2015. № 8. С. 53–57.
12. Буткарев А.А. Особенности практического использования методологии ВНИИМТ для оптимизации теплотехнических схем обжиговых конвейерных машин // Металлург. 2011. № 4. С. 38–43.
13. Бобков В.И. Оптимизация химико-технологического процесса сушки в стационарном режиме многослойной массы фосфоритовых окатышей по критерию энергоресурсоэффективности // Современные наукоёмкие технологии. 2018. № 5. С. 25–29.
14. Швыдкий В.С., Фатхутдинов А.Р., Девятых Е.А., Девятых Т.О., Спирин Н.А. К математическому моделированию слоевых металлургических печей и агрегатов. Сообщение 2 // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2017. Т. 60. № 1. С. 19–23. DOI: 10.17073/0368-0797-2017-1-19-23.

Истощение ресурсной базы минерального сырья и экологические проблемы хранения техногенных отходов апатит-нефелиновых руд горнопромышленных предприятий обуславливают необходимость создания комплексной системы их переработки и утилизации, включающей с точки зрения аппаратно-технической составляющей многокамерные обжиговые машины конвейерного типа и руднотермические печи [1]. Очевидно, что формирование и эффективное функционирование указанной системы должно обеспечиваться использованием методологии инжиниринга энергоресурсоэффективных экологически безопасных производств переработки отходов апатит-нефелиновых руд на горно-обогатительных комбинатах, которая непосредственно связана с реализацией междисциплинарного подхода [2]. Важность создания научных основ комплексной энергоресурсоэффективной экологически безопасной переработки отходов апатит-нефелиновых руд на горно-обогатительных комбинатах определяется необходимостью комплексного применения фундаментальных методов анализа тепломассообменных и физико-химических процессов и сложных химико-энерготехнологических систем (ХЭТС); инжиниринга производств, включающих обжиговые конвейерные машины и руднотермические печи; оптимального управления энергоресурсоэффективностью многостадийных химических, металлургических и горных производств [3].

Цель исследования: решение актуальной фундаментальной задачи формирования научных основ инжиниринга энергоресурсоэффективных экологически безопасных многостадийных систем переработки отходов апатит-нефелиновых руд на горно-обогатительных комбинатах в обжиговых машинах конвейерного типа для производства окатышей с последующим их использованием в руднотермических печах [4]. Данная задача непосредственно связана с разработкой фундаментальных методов управления энергоресурсоэффективностью многостадийных комплексных технологических процессов на основе иерархических моделей тепломассообмена при реализации отдельных подпроцессов с учетом свойств перерабатываемого сырья и необходимости рационального использования вторичных энергетических ресурсов при перераспределении и замыкании энергетических потоков [5].

Это позволило разработать методологический аппарат инжиниринга сложного технологического оборудования переработки твердых техногенных отходов горно-обогатительных комбинатов и разработать комплексный алгоритм оптимального управления взаимосвязанными процессами, реализуемыми в обжиговых машинах и руднотермических печах, с учетом параметров партий исходного мелкодисперсного сырья и требований к продукции на выходе печи [6, 7].

Материалы и методы исследования

Граф потоков эксергии имеет ряд свойств, которые позволяют объективно описывать ХЭТС переработки отходов апатит-нефелиновых руд горно-обогатительных комбинатов, с использованием анализа сквозных взаимосвязанных тепло- и массообменных и физико-химических процессов, протекающих в различных зонах обжиговых конвейерных машин и руднотермических печей. Формировать связи между объектами и подсистемами, иметь качественную и адекватную информацию о рассматриваемой ХЭТС [8, 9].

Эксергетический потоковый граф, рассматриваемой сложной многостадийной ХЭТС, с произвольной структурой, имеет вид: bobk01.wmf, где bobk02.wmf – совокупность вершин, соответствующих отдельным элементам ХЭТС; bobk03.wmf, – совокупность дуг перераспределения потоков эксергии в ХЭТС, bobk04.wmf bobk05.wmf bobk06.wmf; H – многозначное отображение множества V в себя. Соответствие дуг bobk07.wmf упорядоченной двойке вершин (vk, vl) определяется направленностью эксергетического потока из вершины vk в вершину vl, для рассматриваемой ХЭТС из элемента vk в элемент vl.

Важнейшие свойства графов эксергетических потоков определяются универсальностью топоэксергетического подхода: связность потоковых эксергетических графов (ПЭГ) обеспечивается наличием связи потоков для каждого элемента ХЭТС хотя бы с одним другим элементом; ПЭГ – это ориентированный граф; ПЭГ структуры ХЭТС, является антисимметрическим; не сильно связным; потери эксергии для любой вершины ПЭГ суммой значений графовых положительно и отрицательно инцидентных дуг, при вершине [10].

Такой подход позволяет уйти от множественности типов моделей топографического анализа ХЭТС и рассмотреть общий топоэксергетический подход к исследованию ХЭТС [11, 12]. Отличительной особенностью ПЭГ от тепловых, параметрических или материальных графов состоит в том, что они в большей мере определяются схемой рассматриваемой ХЭТС, а это обеспечивает контроль всех главных функциональных параметров ХЭТС [13, 14].

Результаты исследования
и их обсуждение

В рассматриваемой ХЭТС переработки отходов апатит-нефелиновых руд горно-обогатительных комбинатов узлы графа соответствуют отдельным элементам структурно-функциональной модели инжиниринга: гранулятор; горн конвейерной обжиговой машины, в который направляются топливо и воздух на окисление, а удаляются остатки горения; зоны подогрева, низкотемпературной сушки, высокотемпературного обжига, тепловой рекуперации, охлаждения окатышей; выгрузная область машины со съёмом обработанных окатышей; отделение для шихтования; шихтовая часть руднотермической печи, с диффундирующими печными газами сквозь шихту и подогревающие её, затем поступающие на фильтрацию и конденсацию; область производства готового продукта с потреблением огромного количества электрической мощности, зона шлака с отбором в гранулятор, в котором тепловая энергия отбирается водой.

Дуги окатышей, кокса, воды на окатывание и конденсации продукта графа соответствуют эксергетическим потокам: исходной и после горна шихты; зоны сушки и спекания; шихты в руднотермической печи и пыли на фильтрах; топлива; воздуха на горение, на прокалку, в зону охлаждения, горячего воздуха из зоны охлаждения; уходящих газов; обожжённых окатышей в хвостовой части конвейера обжиговой машины; охлажденных и годных окатышей; возврата; выходящих печных газов; потока газа в печи из области интенсивной реакции и плавления; электрической энергии в области реакции; шлака и газа-теплоносителя до и после гранулятора; готового продукта. Рассматриваемая ХЭТС имеет последовательную линейную взаимозависимость разветвляющихся потоков, технологических агрегатов, полупродуктов.

Укрупненная исходная исследуемой ХЭТС представлена на рисунке. Узлы графа представляют составляющие элементы, а дуги – эксергетические потоки структурно-функциональной схемы.

На этом ПЭГ представлены потоки различных по физической природе электрической и тепловой энергий.

Элементы структурно-функциональной модели ХЭТС: 1 – агрегат окомкования; 2 – горн обжиговой конвейерной машины; 3, 4 и 5 – зоны сушки, спекания и охлаждения обжиговой машины; 6 – грохот; 7 – отделение для подготовки шихты; 8 – шихтовая печная зона; 9 – зона расплавления; 10 – зона восстановления; 11 – зона шлака, 12 – фильтры; 13 – зона конденсата.

bobk1.tif

Структурно-функциональная схема ПЭГ в экологически безопасной многостадийной ХЭТС переработки отходов апатит-нефелиновых руд на горно-обогатительных комбинатах

ПЭГ структурно-функциональной модели ХЭТС: 1 – отходы апатит-нефелиновых руд; 2 и 21 – кокс; 3 и 22 – технологический кварцит; 38, 39 и 4 – техническая вода для конденсации и окомкователя соответственно; 5 – подаваемая шихта; 9 – нагретая в горне шихта; 12 – спекающаяся шихта; 23 – поступающая из шихтовального отделения шихта; 26 – подаваемая в зону расплава шихта; 6 – топливо; 7 – воздух на горение для горна; 10 – воздух, для спекания; 13 – воздух в зоне охлаждения обжиговой машины; 16 – горячий воздух поступающий из зоны охлаждения; 8, 11 и 14 – отходящие газы; 15, 18 и 20 – окатыши на конвейере обжиговой машины сырые, в зоне сушки и обжига и в зоне охлаждения соответственно; 19 – возврат на окомкование; 24 и 25 – выходящие печные газы; 28 – поступающий в зону реакции расплав; 29 – джоулева теплота, которая выделяется в реакционной области; 30 – феррофосфор; 31 и 34 – шлак в грануляторе и после обработки соответственно; 32 и 33 – газ или вода теплоносители; 35 – фильтрационные газы; 36 – печной газ; 37 – готовый продукт.

Границы объекта исследования определялись формальной постановкой содержательной задачи. Системный подход, подчинённый синтезу многообразных характеристик, в итоге позволил провести всесторонний анализ ХЭТС. Авторами производилась чёткая разработка раздельных подсистем иерархии ХЭТС для обеспечения и согласования надёжного функционирования их совокупности. Процедура динамической декомпозиции учитывает иерархичнорсть ХЭТС в отдельных уровнях и отслеживает технологические качества элементов, который позволяет выявлять потенциал энергосбережения в совокупности элементов декомпозиции.

Имеются различные операции декомпозиции на первом и последующих уровнях. Во-первых, получение подсистем непосредственно получается по элементам ХЭТС, во-вторых, посредство подсистем последующих уровней.

Например: k-й подсистемой α-го уровня иерархии bobk08.wmf называется собственное подмножество некоторой совокупности элементов bobk09.wmf, где bobk10.wmf bobk11.wmf bobk12.wmf bobk13.wmf bobk14.wmf bobk15.wmf bobk16.wmf bobk17.wmf bobk18.wmf α – иерархические уровни; α = 0 – уровень элементов ХЭТС; α = γ – уровень центрального блока ХЭТС; βα – количество подсистем в уровне α.

Для любой подсистемы bobk19.wmf,
при bobk20.wmf определяются технологические операторы. Большое количество возможных вариантов декомпозиции ХЭТС на подсистемы достигается как по структуре, так и по количеству подсистем. Выявлено что при надёжной и эффективной работе одиночной подсистемы, без согласованности с прочими подсистемами в совокупности комплекс как единое целое не функционирует.

Базой для системного анализа проблем увеличения эффективности использования топливно-энергетических ресурсов (ТЭР), при графическом отражении связей среди различных видов энергетических ресурсов предприятия и продукцией, на которую затрачиваются эти энергетические ресурсы.

Основной проблемой общей задачи максимального повышения эффективности использования ТЭР на комбинатах горно-обогатительного комплекса выступает выявление и отыскание резерва для их сбережения, обнаружение основных агрегатов потребляющих энергию, химико-энерготехнологических процессов других элементов функциональной структуры ХЭТС, имеющие максимальный потенциал сбережения ТЭР.

Для этого было предложено произвести ранжирование ХЭТС, что позволило выявить с помощью совокупности показателей источники основного максимального резерва сбережения ТЭР. Определялся интегрированный ранг для каждой вершины ПЭГ, потоков с учётом рассмотрения всех видов энергетических ресурсов и значимости всех показателей.

Заключение

Обнаружено что весовые коэффициенты показателей согласованно учитывают динамику значимости технико-экономических проблем горно-обогатительного комплекса. Следует отметить, что ранги, характеризующие частные показатели, максимально устойчивые величины, которые определяют в итоге эффективность использования энергии.

В системе оценки эффективности энергетического использования и обнаружения узлов с максимальным потенциалом сбережения научно обосновано применять такие показатели, которые определяются спецификой конкретного производства и перспективой развития.

Таким образом, разработана композиционная структурно-функциональная модель инжиниринга и управления экологически безопасной многостадийной химико-энерготехнологической системой переработки отходов горно-обогатительных комбинатов апатит-нефелиновых месторождений. Проведён системный анализ сквозных взаимосвязанных тепло- и массообменных и физико-химических процессов, протекающих в различных зонах обжиговых машин конвейерного типа и руднотермических печей. Выявлены оптимальные с точки зрения энерго- и ресурсосбережения конструктивные параметры элементов данной системы и построены алгоритмы ее функционирования.

При дальнейшей работе в данном направлении следует учитывать совокупность энергетической эффективности, месторасположения, структуры главных резервов, как многовекторный характер работы горно-обогатительных предприятий, а также неравнозначности первоочередных задач. Необходимо рассмотреть возможность обнаружения первоочередных источников для экономии энергетических ресурсов.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант № 18-29-24094 MK.


Библиографическая ссылка

Бобков В.И., Дли М.И., Панченко С.В. ОБОБЩЁННАЯ СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ИНЖИНИРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНОЙ ПЕРЕРАБОТКОЙ ОТВАЛОВ ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНЫХ КОМБИНАТОВ АПАТИТ-НЕФЕЛИНОВЫХ РУД // Успехи современного естествознания. – 2019. – № 9. – С. 48-52;
URL: http://www.natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37196 (дата обращения: 23.04.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074