Fakultet za metalurgiju i materijale UNIVERZITET U ZENICI

Fakultet za metalurgiju i materijale UNIVERZITET U ZENICI FAKULTET ZA METALURGIJU I MATERIJALE Mr. Jusuf Duraković DOKTORSKA DISERTACIJA “DEFINISANJE OPTIMALNIH TEHNOLOŠKO-TERMIČKIH PARAMETARA PROCESA PROIZVODNJE OPEKA U PROTOČNIM PEĆIMA” Zenica, februar 2006. godine

Fakultet za metalurgiju i materijale 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.

Fakultet za metalurgiju i materijale 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.

Fakultet za metalurgiju i materijale 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.

Fakultet za metalurgiju i materijale 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.

Fakultet za metalurgiju i materijale 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

Fakultet za metalurgiju i materijale PRESJEK PEĆI

Fakultet za metalurgiju i materijale KRIVA ZAGRIJAVANJA

Fakultet za metalurgiju i materijale ISPITIVANJA GLINA Ispitivanja su obavljena na Metalurškom Institutu «Kemal Kapetanović» Zenica, Institutu za bakar u Boru i Fakultetu za metalurgiju i materijale u Zenici. • HEMIJSKI SASTAV • GRANULOMETRIJSKI SASTAV • MINERALOŠKI SASTAV (TG, DTA, XRD) • ISPITIVANJA NA ZAGRJEVNOM MIKROSKOPU

Fakultet za metalurgiju i materijale HEMIJSKI SASTAV Oksid. Element Glina [%] Sivoplavi glinac [%] Kompozit sa trake (1: 1) [%] Analitička metoda Si. O 2 66, 68 51, 18 62. 80 G Al 2 O 3 16, 74 16, 45 15, 11 G Ca. O 0, 70 7, 55 2, 97 AAS Fe 2 O 3 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 OES Cr 0, 003 OES Bi 0, 003 OES Ni 0, 01 OES Co 0, 003 OES Na Identifikovan

Fakultet za metalurgiju i materijale 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

Fakultet za metalurgiju i materijale MINERALOŠKI SASTAV GLINE 800 0 C 510 0 C • 105 0 C - gubitak higroskopne vlage – jak endotermni efekat • 510 0 C - dehidroksilacija glinenih minerala, gubitak OH grupe – jak endotermni efekat • 800 0 C - disocija kalcijum karbonata - vrlo slab endotermni efekat 105 0 C Derivatogram za glinu

Fakultet za metalurgiju i materijale MINERALOŠKI SASTAV SIVO PLAVOG GLINCA • 120 0 C - gubitak higroskopne vlage – jak endotermni efekat • 300 0 C - moguća transformacija aragonit-kalcit 410 0 C 300 120 0 C • 410 0 C - moguća transformacija aragonit-kalcit 0 C 520 0 C 780 0 C • 320 0 C – jak endotermni efekat • 520 0 C - dehidroksilacija glinenih minerala, gubitak OH grupe – jak endotermni efekat • 780 0 C - disocija kalcijum karbonata–jak endotermni efekat Derivatogram za sivo plavi glinac

Fakultet za metalurgiju i materijale MINERALOŠKI SASTAV KOMPOZITA • 100 0 C - gubitak higroskopne vlage– jak endotermni efekat • 520 0 C - dehidroksilacija glinenih minerala, gubitak OH grupe, moguća transformacija kvarc – jak endotermni efekat 520 0 C 745 0 C • 745 0 C - disocija kalcijum karbonata - vrlo slab endotermni efekat 100 0 C Derivatogram za kompozitni uzorak

RENDGENSKO DIFRAKCIONA ANALIZA 2 q Rendgenogram za kompozitni uzorak

Fakultet za metalurgiju i materijale ISPITIVANJE NA ZAGRJEVNOM MIKROSKOPU

Fakultet za metalurgiju i materijale KARAKTERISTIČNE TAČKE Uzorak 1 Uzorak 2 Uzorak 3 - 35 % glina -65 % sivo plavi - 50 % glina -50 % sivo plavi - 65 % glina -35 % sivo plavi glinac Sinterovanja [0 C] 1200 1140 1240 Omekšavanja [0 C] 1260 1290 Topljenja [0 C] 1305 1370 1400 Karakteristična tačka

Fakultet za metalurgiju i materijale FORMIRANJE MATEMATIČKOG MODELA I IZRADA PROGRAMA • Jednačina toplotnog bilansa • Temperaturno polje u peći • Temperaturno polje u proizvodu

Fakultet za metalurgiju i materijale JEDNAČINA TOPLOTNOG BILANSA Qdov. = Qk + Qg

Fakultet za metalurgiju i materijale TEMPERATURNO POLJE U PEĆI Rubni uslovi U(0)=u 0, U(L)=u. L. 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 Mjesto i temperatura Ti (de[i], ve[i]), Mjerno mjesto Udaljenost od početka peći, de[i], [m] Temperatura, ve[i], , [ o. C] 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 Ulaz u peć

Fakultet za metalurgiju i materijale TEMPERATURNO POLJE U PEĆI

Fakultet za metalurgiju i materijale TEMPERATURNO POLJE U PROIZVODU Traži se funkcija T(x, t) koja zadovoljava diferencijalnu jednadžbu uz zadovoljavanje rubnih uslova T(0, t)=T 0, T(L, t)=TL, pri čemu je L dužina peći.

Fakultet za metalurgiju i materijale TEMPERATURNO POLJE U PROIZVODU

Fakultet za metalurgiju i materijale POTVRDA POMOĆNE HIPOTEZE

Fakultet za metalurgiju i materijale OSNOVA OPTIMIZACIJE Podaci u r-tom redu matrice podataka za optimizaciju svrstaju se u četiri vektora: V 1[r] = (x 1[r], x 2[r], x 3[r], x 4[r], x 5[r]), gdje su: x 1[r]=pod[r, 41], x 2[r]=pod[r, 42], . . . x 5[r]=pod[r, 45], V 2[r] = (De 1[r], te 1[r], Dej[r], Tej[r], D 20[r], Te 20[r]), gdje su: Dj[r]=De[r, j], Tej[r]=Te[r, j], ili V 3[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], V 4[r] = (Sel[r]), gdje je: Sel[r]=pod[r, 50]. q[r]=Vpl(V 1[r], V 2[r], V 3[r], V 4[r])/Mpro(V 2[r], V 3[r], V 4[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 i r in SOC gdje je: SCO skup r-ova za koje je sel[r] ='ide' Ropt je r za koji je q[r] minimalno qopt[ropt] je minimalna vrijednost za q koja se dobije iz proračuna toplotnog bilansa za r=ropt.

ŠEMA BLOKOVSKE STRUKTURE PROGRAMA Obrada datoteke imena Datoteka imena Start Exit Iniciranje datoteke Iniciranje svih ostalih datoteka Adaptacija ostalih datoteka Iniciranje datoteka parametara Adaptacija datoteka parametara Iniciranje datoteka zaglavlja Procedura obrade podataka, Proračuni Adaptacija datoteka zaglavlja Iniciranje datoteka podataka Toplotni bilans Proračun Rezultati Temperaturna polja u peći i proizvodu Minimizacija potrošnje goriva Osobine proizvoda Korelacija Prikaz tabela i grafovi Polje u peći Matematska struktura modela Prikaz i upis Reg. Te. i qq Tabele Proračun optimizacije Kvalitet Te_dmpl I qq Grafovi Polje u proizvodu Test saglasnosti proračunskih i mjerenih temperatura Rezultati Te_zr, qq Te_pro, qq

Fakultet za metalurgiju i materijale PRAKTIČNA MJERENJA NA PROTOČNOJ PEĆI

Fakultet za metalurgiju i materijale KORIŠTENA MJERNA OPREMA

Fakultet za metalurgiju i materijale RASPORED TERMOELEMENATA I Kanal III Kanal IV Kanal

Fakultet za metalurgiju i materijale SNIMLJENI DIJAGRAM ZA TEMPERATURNO POLJE U PEĆI

Fakultet za metalurgiju i materijale POREĐENJE TEORIJSKOG I STVARNOG TEMPERATURNOG POLJA U PEĆI

Fakultet za metalurgiju i materijale SNIMLJENI DIJAGRAM ZA POLJE U PROIZVODU

Fakultet za metalurgiju i materijale POREĐENJE TEORIJSKOG I STVARNOG TEMPERATURNOG POLJA U PROIZVODU

Fakultet za metalurgiju i materijale POREĐENJE TEORIJSKOG I STVARNOG TEMPERATURNOG POLJA U PEĆI I PROIZVODU

Fakultet za metalurgiju i materijale REZULTATI PROVJERE TERMOELEMENATA ZA ZONU PREDGRIJAVANJA R. br. Oznaka zone za termoelement Temperatura na regulatoru [0 C] Izmjerena temperatura na termokompenzatoru [0 C] 1. Tp 1 400 386 +14 14, 82 2. Tp 2 410 405 +5 15, 65 3. Tp 3 420 408 +12 15, 72 4. PV 502 485 +17 18, 90 5. SV 549 530 +19 20, 66 Izmjereni signal u [m. V]

Fakultet za metalurgiju i materijale REZULTATI PROVJERE TERMOELEMENATA ZA ZONU ZAGRIJAVANJA Oznaka ložioničke grupe Temperatura na regulatoru [0 C] Izmjerena temperatura na termokompenzatoru [0 C] Izmjereni signal u [m. V] 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 R. br.

Fakultet za metalurgiju i materijale REZULTATI PROVJERE TERMOELEMENATA ZA ZONU HLAĐENJA Oznaka zone za termoelement Temperatura na regulatoru [0 C] Izmjerena temperatura na termokompenzatoru [0 C] 1. Th 1 760 2. Th 2 3. [0 C] Izmjereni signal u [m. V] 780 -20 31, 32 - 952 - 38, 29 Th 3 700 705 -5 28, 72 4. Th 4 660 658 +2 26, 74 5. BH - 730 - 29, 45 R. br.

Fakultet za metalurgiju i materijale REZULTATI MATEMATIČKOG MODELA • 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

Fakultet za metalurgiju i materijale TOPLOTNI BILANS

Fakultet za metalurgiju i materijale DIJAGRAMSKA ZAVISNOST IZ MODELA

Fakultet za metalurgiju i materijale UKUPNA I SATNA POTROŠNJA PLINA U ZAVISNOSTI OD VREMENA

Fakultet za metalurgiju i materijale SPECIFIČNA POTROŠNJA ENERGIJE U ZAVISNOSTI OD TEMPERATURE DIMNOG PLINA

Fakultet za metalurgiju i materijale UKUPNA I SATNA POTROŠNJA PLINA U ZAVISNOSTI OD TEMPERATURE IZLAZNIH PROIZVODA

Fakultet za metalurgiju i materijale SPECIFIČNA POTROŠNJA ENERGIJE U ZAVISNOSTI OD TEMPERATURE TERMIČKOG TRETMANA

Fakultet za metalurgiju i materijale UKUPNA I SATNA POTROŠNJA PLINA U ZAVISNOSTI OD TEMPERATURE PREDGRIJANOG ZRAKA

Fakultet za metalurgiju i materijale UKUPNA I SATNA POTROŠNJA PLINA U ZAVISNOSTI OD MASE PROIZVODA

DIJAGRAM POREĐENJA IZMJERENIH I TEORIJSKIH REZULTATA TEMPERATURNOG POLJA U PEĆI

DIJAGRAM POREĐENJA IZMJERENIH I TEORIJSKIH REZULTATA TEMPERATURNOG POLJA U PROIZVODU

Fakultet za metalurgiju i materijale POTVRDA POMOĆNE HIPOTEZE Sa zadovoljavajućom tačnošću je moguće rezultate matematičkog modela potvrditi eksperimentalnim putem.

Fakultet za metalurgiju i materijale POJAS KRIVIH LINIJA

Fakultet za metalurgiju i materijale HISTOGRAMI

Fakultet za metalurgiju i materijale DIO GLAVNE MATRICE SA STVARNOM OPTIMIZACIJOM

Fakultet za metalurgiju i materijale TEORETSKA OPTIMIZACIJA

Fakultet za metalurgiju i materijale POTVRDA GLAVNE HIPOTEZE Moguće je izvršiti optimizaciju potrošnje energije u tunelskoj peći.

Fakultet za metalurgiju i materijale 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.

Fakultet za metalurgiju i materijale 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.

Fakultet za metalurgiju i materijale 11. ZAKLJUČCI Iz svega izloženog mogu se izvesti sljedeći zaključci:

Fakultet za metalurgiju i materijale 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. 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, 4. Energetski zajedno posmatrati tunelsku peć sa sušarom.