Дисертаційне дослідження присвячене визначенню оптимальних параметрів процесу випалу вапняку в шахтних печах з метою забезпечення максимального виходу якісної продукції при мінімальних витратах сировини, енергії та зниженні негативного впливу на навколишнє середовище. Розробка ефективних теплотехнічних та апаратних рішень дасть змогу реалізувати процес випалу вапна для металургійної галузі в шахтній печі з отриманням вапна сталеплавильного.
У вступі обґрунтовано актуальність роботи, визначено мету, ідею та розв’язувані завдання, визначено основні положення, наукову новизна та практичну значущість.
У першому розділі виконано короткий науково-технічний аналіз сучасного стану та перспектив розвитку теорії та практики виробництва вапна в шахтних печах.
В другому розділі представлено аналіз процесу випалу вапняків у шахтних печах, включаючи математичні моделі для опису дисоціації гранул карбонату кальцію та аспекти теплофізики, пов’язані з роботою шахтних печей.
У третьому розділі були проведені дослідження щодо вдосконалення технологічного процесу випалу вапняку в шахтних печах: розроблено конструктивне оформлення випалювальних шахтних печей з використанням газоподібного палива та досліджено особливості процесу; розроблена методика проведення експерименту для детального аналізу процесу випалу вапняку; отримано результати експериментальних досліджень, які були проаналізовані з метою подальшого вдосконалення технологічного процесу.
Показано, що для термічної обробки полідисперсних порід з регульованою температурою теплоносія паливо слід спалювати поза шаром матеріалу, отримуючи газоподібні продукти горіння (теплоносій) з температурою 1200‒1250°C. На основі експериментальних досліджень виведено рівняння для розрахунку глибини проникнення топкових газів у шар матеріалу в радіальному напрямку, що дозволяє оцінити діаметр шахтної печі залежно від об’єму топкових газів, розміру шматків і висоти шару засипки. Досліджено кінетику термічного розкладання полідисперсного вапняку в модернізованій шахтній печі з перпендикулярним введенням топкових газів у шар матеріалу, підтверджено ефективність цього методу.
У четвертому розділі було досліджено збагачення вапняку з використанням фотоелектронного сепаратора: розроблено методику проведення досліджень, спрямованих на збагачення вапняку, та отримано результати експериментальних досліджень з використанням фотоелектронного сепаратора.
У п’ятому розділі було виконані дослідження, спрямовані на оптимізацію випалу вапняку у шахтній печі. Розглянуто технології оптимізації у виробництві вапна та представлено оптимізаційні моделі. Обговорено результати досліджень, спрямовані на оптимізацію випалу вапняку у печі. Проведено дослідження процесу руху матеріалу у шахтній печі з метою подальшої оптимізації технологічного процесу.
У шостому розділі було проведено дослідження отриманого продукту в результаті випалу вапняку, включаючи опис методології проведення досліджень, визначення розподілу пор за розміром, морфології та елементного аналізу матеріалу, а також рентгеноструктурного аналізу готового продукту. Результати цих досліджень були представлені, включаючи результати скануючої електронної мікроскопії (СЕМ), фізичної адсорбції та рентгеноструктурного аналізу отриманого вапна. Досліджено ключові фактори, що впливають на дисоціацію кускового вапняку та ефективність випалу у шахтних печах.
За висновками щодо ефективності дисертаційного дослідження відзначені такі наукові результати:
1) запропоновано вдосконалену математичну модель шахтної печі випалу вапняку, завдяки якій вирішується завдання оптимізації процесу з урахуванням технологічних параметрів;
2) отримано уточнений математичний опис випалу одиничної гранули карбонату кальцію, що враховує вплив температури, концентрації вуглекислого газу в газовій фазі, крупності на швидкість дисоціації шматкового вапняку на різних стадіях випалу, виявлено фактори, що лімітують;
3) вперше показана можливість і намічені шляхи підвищення теплової ефективності шахтної печі за рахунок зміни характеристик сировини, реконструкції систем завантаження та вивантаження, перенесення поясів опалення, режимного налаштування, проведено багатопараметричну оптимізацію теплового режиму шахтної печі;
4) обґрунтовано метод інтенсифікації випалу у шахтній печі та підвищення якісних характеристик продукту з використанням прямоточно-протиточійного принципу теплообміну у поєднанні з нижнім контуром рециркуляції пічних газів.
