Читать - Строительные и дорожные машины

ОБОРУДОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
УДК 67.05; 66.041; 666.7; 66.041.3-65:691.365
Использование системы рекуперации тепловой
энергии электрической печи для выделения
вторичных продуктов обжига вермикулита
В статье рассмотрен способ применения системы рекуперации тепловой энергии электрической модульно-спусковой печи для выделения
вторичных продуктов обжига вермикулитовых
концентратов, приведены техническое решение задачи, экспериментальные результаты
по выделению мелкодисперсных и крупных чешуйчатых частиц, а также данные снижения
объёмного веса вспученного вермикулита после
его дообогащения.
Ключевые слова: электрическая модульноспусковая печь, система рекуперации энергии,
чешуйчатые и мелкодисперсные частицы, выброс отслоившихся частиц, выделение вторичных продуктов обжига.
С появлением технологии электрического
обжига вермикулитовых концентратов
возникла необходимость создания системы
дообогащения вспученного вермикулита
в процессе обжига за счёт выделения из
его массива сопутствующих чешуйчатых
и мелкодисперсных компонентов.
Очищенный вспученный материал
обладает меньшим удельным весом, но
сами мелкие частицы являются полезным
целевым (хотя и вторичным) продуктом,
имеющим различное применение в
производстве строительных и огнеупорных
материалов [1, 2].
елью работы является создание системы
выделения вторичных продуктов с
использованием элементов системы
рекуперации тепловой энергии электрической модульно-спусковой печи. При исследовании закономерностей движения и выброса
отслоившихся частиц из модулей обжига
печи было установлено, что, несмотря на
разнообразие вариантов их движения, в
итоге все частицы оказываются выброшенными из верхних торцевых частей модулей
в направлении к рекуператорам тепловой
энергии [3], которые попутно выполняют
функцию продуктопроводов.
На рис. 1 приведена схема выброса частиц
различных размеров из верхних торцевых
участков модулей воздушным потоком,
сформированным разностью температур на
входе и выходе. Система дифференциальных
уравнений для одиночной вермикулитовой
частицы имеет вид [4]:
А.И. НИЖЕГОРОДОВ,
д-р техн. наук
(Национальный
исследовательский
Иркутский
государственный
технический
университет)
(1)
где
– коэффициент сопротивления
воздуха; ξ – динамический коэффициент
вязкости воздуха [5]; ρ ~ 165 кг/м3 – истинная
плотность вспученного вермикулита; D –
среднее значение условного диаметра;
dx/dt = Fс – сила сопротивления воздуха.
Начальные условия по координатам и
времени следующие: х0 = 0; у0 = 0; t0 = 0.
В работе [3] были получены максимальные
значения скорости vmax выброса частиц в
зависимости от их размера, приведённые в
табл. 1
Таблица 1
Максимальные значения скорости выброса частиц
а, мм
0,05
0,1
0,25
0,5
1,0
2,0
vmax, м/с
0,1414
0,1312
0,1245
0,1188
0,112
0,083
Ц
Рис. 1. Схема выброса частиц
из верхнего торца модуля
27
ОБОРУДОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Значение средней по сечению скорости
движения воздуха в рабочем пространстве
модуля определяется по формуле [2]:
Vт = k1lр + k2.
(2)
При k1 = 0,4 с–1 и k2 = 0,1 м/с для модуля
обжига с рабочим участком длиной 0,472 м
V т = 0,326 м/с. Значения относительной
скорости для частиц с предельно возможными размерами а можно определить следующим образом: для а = 2 мм vmax/Vт = 0,32,
и для а = 0,05 мм vmax/Vт = 0,56. Значения
начальной скорости на вылете из модуля
равны: V0 = 0,11 и 0,18 м/с.
При выбросе частицы потоком воздуха
под углом α ~ 45° решение уравнений (1)
примет вид [6]:
Рис. 2. Конструктивная схема электрического модуля
28
Для частиц чешуйчатого строения (такое
строение имеют и частицы мелкодисперсного материала) условный диаметр равен:
где t ~ 0,5 мм – толщина частицы; d 1 и
d2 ~ 2 мм – диаметры частицы в двух взаимно
перпендикулярных направлениях (размеры
приведены для крупных частиц).
При выбросе чешуйчатой частицы, плотности мелких частиц ρ = 320–370 кг/м3 и
коэффициенте λ ≈ 0,63 с–1 значения максимального подъёма у max(ч) и соответствующей координаты xmax(ч), определённых по
формулам (2) и (3), равны 0,038 и 0,06 м.
Для мелкодисперсного материала Dср ≈
≈ 0,05 мм при V0 = 0,14 м/с и ρ = 400–440 кг/м3
значения координат максимального выноса
следующие: уmax(м) = 0,056 и xmax(м) = 0,098 м.
Тогда положение патрубка пылеуловителя
должно соответствовать следующим значениям координат:
у = 0,038–0,056 м и х = 0,06–0,098 м. (4)
Однако выведение вторичного продукта
не главная функция рекуператора тепловой
энергии, названного пылеуловителем. К тому
же система рекуперации должна быть дополнена другими элементами, обеспечивающими в комплексе выделение вторичных
продуктов обжига вермикулита.
Конструктивная схема электрического
модуля (рис. 2) содержит огнеупорное основание 1, термокрышку 2, продольно установленные нагреватели 3, рамную конструкцию
из элементов 4 (уголков и швеллеров),
крепления 5 для установки и регулирования
положения панели 6 крепёжных головок 7. С
тыльной части головок продольно и в непосредственной близости к ним расположен
рекуператор тепловой энергии 8, выполненный в виде отрезка трубы (см. рис. 2).
Прорези, расположенные с определённым
шагом по длине на плоских вставках 9 рекуператора, предназначены для всасывания
горячего воздуха, а вместе с ним мелкодисперсных и чешуйчатых частиц вермикулита. Буквой А обозначен контур верхнего
модуля обжига, сопряжённого с рассматриваемым.
Рекуператоры выполнены из жаростойкой
стали с шероховатой зачернённой поверхностью, обладающей способностью эффективно поглощать лучистую энергию, идущую
ОБОРУДОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
от нагревателей, основания и термокрышки.
Разогреваясь от потоков лучистой энергии,
идущих через торцевые части модулей,
до 500–600°С (при температуре нихрома
700–750°С), они нагревают воздух, прокачиваемый вытяжным вентилятором (на
рисунке не показан) через тепловые камеры
дополнительного неэлектрифицированного
модуля 3 (рис. 3).
Вид А (см. рис. 2) показан с тыльной
стороны модуля с условно снятым рекуператором. Заштрихованное поле а–б–в–г
примерно соответствует проекции потока
лучистой энергии на рекуператор. Головки
7 существенно затеняют его нижнюю часть,
но верхняя (большая) их часть, находящаяся
над головками, непосредственно подвергается тепловому излучению. Потоки лучистой энергии в направлении плоских вставок
рекуператора показаны стрелками в зоне
сопряжения двух модулей. Воздух, достаточно нагретый в пространстве обжига электрического модуля, дополнительно нагревается, проходя через прорези в плоских
вставках рекуператора.
Минимальные значения координат х и у [см.
формулу (4)], рассчитанные для пылеуловителей, удовлетворяют условию, по которому
рекуператоры должны располагаться в непосредственной близости к торцам модулей.
Энергосберегающая электрическая модульно-спусковая печь с системой рекуперации
тепловой энергии, содержащая дополнительный неэлектрифицированный модуль и
рекуператоры с плоскими вставками, приведена на рис. 3. Из барабанного дозатора 1
вермикулитовый концентрат поступает в верхний и последующие электрические модули 2, а
затем в дополнительный модуль 3 [3], а из него
выходит уже полностью вспученный.
Важно отметить, что энергия, «собираемая» рекуператорами 4 и 5, обеспечивает
нагрев только дополнительного модуля 3,
практически сводя к нулю теплопотери
из его рабочего пространства. Температурный режим энергосберегающей печи
таков, что завершение процессов теплоусвоения и вспучивания происходит в дополнительном модуле. Вторичным энергетическим ресурсом является энергия вермикулитовых зёрен. Накопленная ими теплота
при отсутствии внешнего источника лучистой энергии в условиях неполного тепло-
Рис. 3. Электрическая модульно-спусковая печь с
системой рекуперации и
дополнительной функцией выведения вторичного
продукта
усвоения в дополнительном модуле будет
переходить из внешних хорошо разогретых
слоёв в глубинные слои, где дегидратация и
вспучивание ещё не завершились.
Именно так работает новая модифицированная печь, обеспечивая пониженное
потребление электроэнергии, рекуператоры
тепловой энергии 4 и 5 благодаря вытяжному вентилятору всасывают горячий воздух,
а вместе с ним мелкодисперсные и чешуйчатые частицы. Горячий воздух проходит через
тепловые камеры дополнительного модуля 3
и по трубопроводам 6 выносит эти частицы
в инерционно-гравитационный классификатор, бункер-осадитель и рукавные фильтры
(на рисунке не показаны). В классификаторе
оседают крупные чешуйчатые компоненты
вторичного продукта, в бункере – мелкодисперсный вермикулит, а в фильтрах – ультратонкий материал.
29
ОБОРУДОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Рис. 4. Фрагменты
очищенного основного
вспученного продукта (а), чешуйчатого (б)
и мелкодисперсного (в) вермикулита
(вторичные продукты)
30
с работой системы рекуперации электрической модульно-спусковой печи. На рис. 4, а
отчетливо видно, каким чистым получается
вспученный вермикулит после его дообогащения, а на рис. 4, б и в показаны чешуйчатые
и мелкодисперсные целевые продукты.
Опыты по выделению компонентов вторичного продукта проводились на технологическом комплексе ООО «Квалитет»
(г. Иркутск). В процессе исследований было
установлено соотношение объёмов вторичного Vвп и основного Vв продуктов для вермикулита, полученного из концентратов Ковдорского и Татарского месторождений.
В табл. 2 приведены значения среднесуточного объёма вторичных продуктов,
полученных на Ковдорских и Татарских
концентратах. Во второй и третьей колонках
приведены значения суммарного объёма и
массы вторичных продуктов мелкодисперсного и чешуйчатого вермикулитов. При
среднем значении объёмного веса материала вторичных продуктов (для Ковдорского ~ 275,5 кг/м3 и Татарского ~ 290 кг/м3)
были определены суммарные значения
массы, собираемые за сутки (см. табл. 2).
На рис. 5 приведены зависимости объёма
вторичного Vвп и основного Vв продуктов
для вермикулита, полученного из концентратов Ковдорского и Татарского месторож-
Суточный объём
вторичного
продукта, м3
Суточная масса
вторичного
продукта m, кг
Суточный
объём основного
продукта Vв, м3
Относительная
масса m/Vв, кг/м3
Таблица 2
Значения суточного объёма вторичных продуктов
Концентрат
Опыт эксплуатации электрических модульно-спусковых печей показал, что пылеуловители собирают около 45% вторичного
продукта, остальное выпадает в пространство корпуса печи [7], поэтому бункернакопитель 7 должен быть смещён максимально вправо. Для того чтобы минимизировать попадание мелкодисперсных и чешуйчатых компонентов в массив очищенного
(дообогащённого) материала, в правой части
печи, расположенной над бункером, целесообразна установка ещё двух всасывателейпылеуловителей 8 и 9, не выполняющих
функцию рекуператоров. Необходимость
нижнего всасывателя 9 обусловлена и тем,
что он создаёт разрежение вдоль щелевого
канала дополнительного модуля 3, уменьшая
всасывание холодного воздуха внутрь него,
возникающее вследствие температурного
перепада на верхнем и нижнем торцах.
Под левой частью корпуса печи необходима
установка второго бункера 10, выполняющего
функцию сборника и гравитационного спуска
для частиц вторичного продукта, выпадающих
в пространство корпуса печи. В его нижней
части вставлен всасыватель-пылеуловитель 11,
через который собирается весь выброшенный
из модулей вторичный продукт. Поэтому
всасыватель 12 устанавливать не обязательно,
так как он не несёт функцию рекуператора, а
лишь дублирует работу всасывателя 11. Но он
может быть использован, если конструкция
печи предусматривает второй неэлектрифицированный модуль.
Присутствие чешуйчатого и мелкодисперсного материала в межзерновых пространствах
основного вспученного массива, не изменяя
его объём, утяжеляет готовый продукт, что
приводит к увеличению объёмного веса и
ухудшению его теплофизических свойств.
На рис. 4 приведены целевые продукты
рассматриваемой технологии, совмещённой
КВК-1
КВК-2
КВК-4
КВК-1
КВК-2
0,81
0,495
0,36
1,094
0,67
208,6
127,5
92,7
317,1
194,3
28,8
33,36
38,64
26,44
32,02
7,40
3,82
2,40
11,0
6,07
ОБОРУДОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Рис. 5. Зависимости суточного объёма вторичного продукта от объёма основного очищенного материала
Рис. 6. Зависимости удельного веса насыпных очищенных и неочищенных массивов от размерной
группы исходного концентрата
дений. С учётом производительности опытнопромышленной печи по различным размерным
группам концентратов рассчитывались суточные объёмы основного материала, соответствующие объёмам вторичных продуктов.
При известной массовой доле выделенного вермикулита определим снижение
его объёмного веса γв за счёт выведения из
общего массива вторичных продуктов:
(5)
Используя среднестатистические данные
объёмного веса вспученных продуктов [2],
полученные в результате расчёта по формуле
(4), определим величину объёмного веса
очищенного продукта γ'в, кг/м3:
для Ковдорского месторождения –
γ'в(КВК-1) = 115,1; γ'в(КВК-2) = 99,68;
γ'в(КВК-4) = 86,6;
для Татарского – γ'в(КВТ-1) = 119;
γ'в(КВТ-2) = 98,93.
На рис. 6 приведены зависимости объёмного веса вермикулита Ковдорского и Татарского месторождений от размерной группы
исходного концентрата. Зависимости для
неочищенного продукта построены по
усреднённым статистическим данным [2].
После выделения вторичных продуктов
получено снижение удельного веса γв вспученного вермикулита, в зависимости от
вида и размерной группы концентрата γв
это снижение доходило до 3% (для крупных
концентратов) и до 8,5% (для мелких). Дополнительные извлечённые значения объёма
составили 1,5–2% (для крупных фракций)
и 4–6% (для мелких) от объёма основного
продукта.
Эти результаты получены на оборудовании, разработанном ещё
в 2006 г. Реализация системы выделения вторичных продуктов
по схеме, приведённой на рис. 3, позволит существенно повысить
объёмы чешуйчатых и мелкодисперсных компонентов без ущерба
для системы рекуперации тепловой энергии.
Список литературы
1. Нижегородов А.И. Технологический комплекс для обжига вермикулитовых концентратов // Строительные и дорожные машины. 2009. № 2.
С. 30–32.
2. Нижегородов А.И., Звездин А.В. Энерготехнологические агрегаты для
переработки вермикулитовых концентратов . Иркутск: Изд-во ИРНИТУ. 2015.
250 с.
3. Нижегородов А.И. Энерго- и ресурсосберегающая электрическая
модульно-спусковая печь для обжига вермикулитовых концентратов // Строительные и дорожные машины. 2015. № 6. С. 8–12.
4. Елисеев С.В., Марков К.К. Исследование процесса виброперемещения с
подбрасыванием при учёте сил сопротивления // Вопросы теории флотации:
сб. научн. тр. Иркутск: Ирк. политехн. институт. 1972. Вып. 75. С. 280–286.
5. Воздух [Электронный ресурс]. URL: http://www. ru.wikipedia. оrg / wiki
(дата обращения 11. 01. 2010).
6. Нижегородов А.И. Метод вибрационно-воздушного разделения вспученного вермикулита с высоким содержанием инертного материала // Современные технологии, системный анализ, моделирование. 2011. № 1. С. 29–33.
7. Нижегородов А.И. Опыт эксплуатации технологического оборудования
и комплексов для переработки вермикулитовых концентратов и конгломератов // Огнеупоры и техническая керамика. 2014. № 9. С. 14–20.
A.I. NIZHEGORODOV
The Use of Heat Energy Recovery System of Electric Kiln Used for
Producing of Secondary Products of Vermiculite Burning
The article considers the way of the use of heat energy recovery system of
electric kiln with module release used for producing of secondary products of
vermiculite burning. The author describes engineering task solution and presents
the experimental results of producing of fine and large flake particles, including
the data on reduced volume weight of swollen vermiculite after its enrichment.
Keywords: electric kiln with module release, recovery system of energy, flake and
fine particles, delaminated particle ejection, producing of secondary products of
burning.
CДM
31