Применение аппаратов комбинированного действия в ресурсо- и энергосберегающих технологиях

УДК 621.926

ПРИМЕНЕНИЕ АППАРАТОВ КОМБИНИРОВАННОГО ДЕЙСТВИЯ В РЕСУРСО- И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЯХ

И.В. Постникова, В.Н. Блиничев

Ивановский государственный химико-технологический университет,

В данной статье рассматриваются разработанные с участием авторов замкнутые ресурсо- и энергосберегающие технологические цепочки получения различных тонкодисперсных материалов. Для этого используется высокоэффективное оборудование комбинированного действия.

Ключевые слова: энергосберегающие технологии, аппарат комбинированного действия, механоактивация, обработка минерального сырья.

Производство любого продукта предполагает затраты энергии, сырья, материальных и людских ресурсов. Необходимо также обеспечить конкурентоспособность производимой продукции и соблюсти требования экологической безопасности. Все это объясняет возросшую в последнее время актуальность проблемы энерго- и ресурсосбережения. Перед проектировщиками ставится задача создания таких технологических цепочек и такого оборудования, которые позволят максимально снизить затраты энергии и образование отходов и в то же время обеспечить минимальную себестоимость получаемого продукта.

На кафедре «Машины и аппараты химических производств» ИГХТУ разработаны принципиальные замкнутые технологические схемы и основное технологическое оборудование для получения тонкодисперсных активированных химических продуктов. Ключевыми аппаратами в данных схемах являются так называемые аппараты комбинированного действия (АКД), совмещающие в одном технологическом объеме различные взаимосвязанные процессы: обжиг, измельчение, механическую активацию, сепарацию, смушку и т.п. Сравнение разработанных на кафедре МАХП АКД с аналогичным оборудованием, выпускаемым в

нашей стране и за рубежом, позволяет сделать вывод о значительной экономии энерго- и материальных ресурсов при одновременном снижении себестоимости продукта [патенты ДСП 1-3].

Описание конструкции аппарата комбинированного действия

Аппарат комбинированного действия (АКД) [4] - это аппарат, совмещающий измельчение сырья и продуктов реакции при высокоскоростном ударном нагружении в псевдоожиженном слое частиц, эндотермический эффект реакции в котором обеспечивается либо за счет теплоты газа, поступающего на псевдоожижение, либо за счет сжигания газа непосредственно в слое при осуществлении высокотемпературных процессов. Классификация частиц по крупности реализуется также внутри аппарата с помощью инерционно-пневматического классификатора. Разгон частиц осуществляется струей газа непосредственно внутри кипящего слоя без применения разгонных трубок и выносных переточных устройств, так как их функционирование при высоких температурах среды и повышенной абразивности обрабатываемого материала очень затруднено. По этим же причинам применение в качестве

классификатора аппарата сложной конструкции также неприемлемо.

Принципиальная схема АКД изображена на рис.1.

Аппарат работает следующим образом: исходное сырье поступает в реакционную камеру аппарата. Необходимая для протекания реакции температура (950 - 10000С) создается либо за счет псевдоожижения слоя топочными газами, либо за счет сжигания природного газа непосредственно в псевдоожиженном слое частиц. Одновременно через систему сопел подается сжатый воздух. Частицы материала, подхваченные струей газа, разгоняются до критических скоростей.

необходимых для измельчения. В реакционной камере аппарата, непосредственно в слое обрабатываемого материала за счет столкновения струй образуется фонтанирующий слой материала. Частицы, измельченные за счет ударного столкновения и истирания в псевдоожи-женном слое до требуемого размера, проходя инерционный классификатор, уносятся потоком газа через выходной патрубок, а неизмельченный материал возвращается в слой, где заново подхватывается струями энергоносителя. Классификация частиц осуществляется при помощи классификатора, который может иметь различную конструкцию.

Рис.1. Аппарат комбинированного действия

1 - выходной патрубок;

2 - реакционная камера;

3 - напорные сопла;

4 - топочная камера;

5 - газораспределительная решетка;

6 - инерционно-пневматический

классификатор

Технологии, разработанные на базе применения аппаратов комбинированного действия

Предлагаемый АКД типа реактор-измельчитель-классификатор может быть использован в качестве ключевого технологического модуля в различных технологических процессах. Нами разработаны

производственные схемы с включением в них аппарата комбинированного действия для следующих процессов: переработка отходов известняка для получения тонкодисперсной окиси кальция; получение магнезиального вяжущего и производство тонкодисперсного мела.

Принципиальная схема получения тонкодисперсной окиси кальция из от-

ходов известкового сырья [5 - 7] представлена на рис. 2.

Рис. 2. Технологическая схема производства тонкодисперсной окиси кальция из отходов

известкового сырья

1 - бункер исходногосырья; 2 - нория; 3 - бункер-накопитель;4 - теплообменник плотного слоя; 5, 7 -вентиляторы; 6 - аппарат комбинированного действия; 8 - распределительное устройство;9 - бункеры-питатели; 10 - котел-утилизатор; 11 - циклон с охлаждающей рубашкой; 12 - циклон-разгрузитель;13 - транспортный трубопровод

Сырье из отвалов поступает в бункер-накопитель 3, откуда направляется в теплообменник плотного слоя 4 (ТПС). В ТПС исходный материал нагревается до температуры около 750°С отходящими топочными газами.

Нагретый материал самотеком перетекает в аппарат комбинированного действия, где попадает в псевдоожижен-ный слой, поддерживаемый смесью горячего газа, образованного при сжигании природного топлива, с возвратным воздухом, поступающим из системы пневмотранспорта. Температура в слое материала достигает 1000 - 1200°С. Одновременно с декарбонизацией известняка происходит измельчение исходного материала и продуктов реакции в псевдо-ожиженном слое и при столкновении встречных двухфазных потоков, образованных высоконапорными струями сжа-

того воздуха и частицами обрабатываемого материала. Так как воздух, поступающий в сопла на измельчение, имеет, как правило, температуру около 20°С, при его попадании в слой разогретого материала частицы испытывают сильный тепловой удар, что способствует более быстрому измельчению бикомпонентных частиц. Частицы, достигшие требуемого по технологии размера, уносятся потоком отходящего газа, а крупные частицы с обнаженной реакционной поверхностью возвращаются в псевдоожиженный слой.

Двухфазный поток газ-твердые частицы поступает в котел-утилизатор 10, где происходит частичное отделение материала от газа и одновременное охлаждение газо-пылевого потока. Более полная очистка газа происходит в циклоне с охлаждающей рубашкой 11, откуда газ с оставшимися частицами тонкодисперс-

ной извести поступает в ТПС 4. Проходя через плотный слой исходного материала, служащего одновременно зернистым фильтром, газ окончательно очищается от пылевидных примесей, и, в то же время, подогревает частицы минерального сырья. Для охлаждения в рубашке циклона и котла-утилизатора используется вода, которая при этом нагревается с образованием острого пара с высокими температурными параметрами. Полученный пар в дальнейшем может быть использован на технологические или бытовые нужды.

Охлажденный до температуры около 400°С готовый продукт из сборника котла-утилизатора и охлаждающего циклона через переточную систему 8 подается в два периодически работающих бункера-накопителя 9 системы пневмотранспорта. Сжатый воздух транспортирует известь по трубопроводу 13, одновременно охлаждая его до тепмерату-ры близкой к 90°С. После циклона-разгрузителя 12 отходящие газы, подогретые и запыленные тонкодисперсным продуктом, подаются в топочную камеру аппарата комбинированного действия, т.е. происходит возврат частиц в псевдо-ожиженный слой зернистого материала и рекуперация тепла.

Готовый продукт в виде тонкодисперсной окиси кальция выводится из бункера циклона-разгрузителя. Для транспортирования газа предусмотрены вентиляторы 5 и 7.

Технологическая схема производства магнезиального вяжущего [8] представлена на рис. 3.

Исходное сырье СаМ§(С03)2 загружается в бункер 1, откуда по транс-

портеру 2 поступает в накопительный бункер 3. Предварительное измельчение исходного материала осуществляется в мельнице среднего помола 4. Материал, измельченный до размеров 6,5 - 10 мм, транспортером 5 подается в бункер 6 теплообменника подвижного слоя 7. Внутри теплообменника находятся наклонные перфорированные переточные полки, по которым материал постепенно стекает в низ аппарата к выгрузочному патрубку. Псевдоожижение зернистого слоя происходит отходящими запыленными топочными газами с температурой около 600°С. Таким образом, теплообменник служит для одновременной очистки отходящих газов от пылевидного продукта переработки. Частично очищенный газ после теплообменника 7 поступает на разделение в батарейный циклон 10. Газ после этого идет на окончательную очистку в скруббер 11, после чего выбрасывается в атмосферу. Пылевидный материал, отделенный в циклоне 10, возвращается в бункер 6 теплообменника.

После подогрева до температуры около 550°С исходный материал поступает на переработку в аппарат комбинированного действия 8, где происходит одновременное измельчение его до размеров около 5 мкм и химическая реакция с получением М§0. Температура в слое зернистого материала поддерживается на уровне 700 - 750°С с помощью сжигания природного топлива в газовых горелках, установленных в нижней части аппарата. Сжатый воздух на измельчение подается в сопла, расположенные на высоте 150 мм от газораспределительной решетки.

Рис. 3. Технологическая схема производства магнезиального вяжущего 1, 6 - бункеры; 2, 5 - транспортеры; 3 - накопительный бункер; 4 - мельница; 7 - теплообменник подвижного слоя; 8 - аппарат комбинированного действия; 9, 10 - батарейные циклоны; 11 - скруббер мокрой очистки газовых выбросов

Пылевидный продукт реакции вместе с отходящими топочными газами поступает на разделение в батарейный циклон 9. Частично очищенный газ после циклона идет на подогрев исходного материала в теплообменнике 7, а тонкодисперсный продукт выгружается из бункера циклона.

Применение данной технологии при производстве магнезиального вяжущего исключает возможность выброса в атмосферу запыленных газов, а также позволяет получить требуемый продукт с заданными размерами частиц и необходимой степени обжига.

Производство тонкодисперсного мела возможно при реализации четырех процессов; измельчения, сушки, классификации, выделения продуктов измельчения и очистки отходящего воздуха от тонкодисперсного мела.

Минимальная себестоимость готового продукта будет получена только при оптимизации всех 4-х процессов.

Наиболее энергоемкими процессами из вышеперечисленных являются процессы измельчения-классификации и сушки.

Технологическая схема процесса получения тонкодисперсного мела с учетом процесса сушки будет во многом зависеть от марки получаемого мела и от технологической надежности работы измель-чительно-классифицирующего оборудования в зависимости от влажности измельчаемого мела.

Анализ существующего оборудования по измельчению и классификации мела приведен авторами в [9], исходя из реализации двух технологий: а) получение мела марки М-5 (по ТУ 5743-01000186805-95) «мел природный тонкодисперсный»; б) получение мела типа М-90 по тому же ТУ

По второму варианту дисперсный состав следующий: 99 % менее 4 мкм; 90 % менее 2 мкм; 50 % менее 0,8 мкм. Удельная поверхность не менее 12,4 м /г.

Влажность готового продукта не должна превышать 0,3 % при начальной влажности 7 - 25 % в зависимости от месторождения и времени года.

Комбинированный процесс предварительного измельчения и сушки мела можно осуществить, по крайней мере, по двум вариантам:

а) измельчение в роторных мельницах с подачей в них подогретого воздуха;

б) измельчение и сушка в аппаратах типа АКД.

На рис. 4 показана одна из предлагаемых схем получения мела марки М-90 сухим способом.

На данной схеме показана возможность совмещения процесса предварительного измельчения мела до размеров менее 80мкм с сушкой его до конечной влажно-

сти менее 0,3 %. Для этого в измельчитель ударно-отражательного действия подается не только исходный мел из бункера 2, но также и горячий воздух из топки 1. Промышленные испытания подобного аппарата для тонкого измельчения отходов ПВХ на Новомосковском химическом комбинате показали, что при начальной влажности ПВХ 38 - 40 % и максимальном размере частиц 30мм, конечное влагосодержание составляло 0,05 - 0,08 % и тонину продукта 99 % менее 150мкм. То есть даже при малом среднем времени пребывания частиц в мельнице (7 - 9с) удастся резко интенсифицировать тепло- и массообмен при начальной температуре воздуха из топки или теплообменника 1нач=115 - 120°С.

Рис. 4. Технологическая схема получения тонкодисперсного мела марки М-90. 1 - топка или калорифер; 2 - бункер исходного мела; 3 - предварительный измельчитель-сушилка; 4 -циклон; 5 - струйный питатель; 6 - аппарат комбинированного действия; 7 - компрессор; 8 - ресивер; 9, 10 - электромагнитный клапан; 11 - классификатор; 12 - циклон для выгрузки мела М-90; 13, 16 -

фильтр; 14 - вентилятор; 15 - сопла

Высушенный и предварительно измельченный мел отделяется от влажного воздуха в циклоне 4, откуда струйным питателем 5 транспортируется в импульсный струйный измельчитель (АКД) 6, в который в две пары сопел 15 импульсно с помощью электромагнитных клапанов 9 и 10 подается сжатый воздух с давлением 0,6 -0,8 МПа от компрессора 7.

Измельченный мел воздухом выносится в классификатор 11, в котором разделяется на готовый продукт, направляющийся в циклон 12, и грубую фракцию, направляемую в зону струйного измельчения. В фильтре 13 происходит окончательное выделение тонкодисперсного продукта и очистка отходящего воздуха от пыли. Вентилятор 14 необходим для регулирова-

ния границы разделения в классификаторе 11 и для надежной работы фильтра 19.

В качестве предварительного измельчителя предлагается одна из ударно-отражательных мельниц ИГХТУ [10 - 12], а в качестве окончательного измельчителя - импульсно-струйный измельчитель с псевдоожиженным слоем (АКД) [13, 14], разработанный в ИГХТУ.

В качестве классификатора используется безроторный классификатор центробежного типа, обладающий высокой эффективностью разделения при малом граничном размере частиц

[15].

ЛИТЕРАТУРА

1. Авторское свидетельство № 1614262 Способ измельчения минерального сырья / Колобердин В.И., Блиничев В.Н., Афонин С.Б., Постникова И.В. // Приоритет 15.08.90.

2. Авторское свидетельство № 1721890 Противоточная струйная мельница / Колобердин В.И., Блиничев В.Н., Афонин С.Б., Постникова И.В. // Приоритет 22.11.91.

3. Патент РФ № 1823229 Способ измельчения минерального сырья / Колобердин В.И., Блиничев

B.Н., Афонин С.Б., Постникова И.В. // Приоритет 12.10.92.

4. Постникова И.В., Блиничев В.Н. Системный подход к расчету процессов в аппарате комбинированного действия// ТОХТ. - 2014. -Т.48. - №3.

C. 260-267.

5. Блиничев В.Н., Постникова И.В. Некоторые аспекты применения и расчета высокотемпературных аппаратов комбинированного действия //2 Ме-ждунар. научн. конф. Теоретические и экспериментальные основы создания нового оборудования. -Краков, - 1995. - С.98-120.

6. Блиничев В.Н., Вердиян М.А., Постникова И.В., Афонин С.Б., Гущина Т.В. и др. Разработка энерго- и ресурсосберегающей технологии получе-

ния тонкодисперсной извести-пушонки// V Международная научно-техническая конференция «Теоретические и экспериментальные основы создания нового оборудования». - Иваново-Плес. - 2001. -С.131 - 134.

7. Блиничев В.Н., Кутепов А.М., Гаврилов В.М., Постникова И.В., Зуева Г.А., Афонин С.Б., Гущина Т.В. Ресурсо- и энергосберегающая технология производства тонкодисперсной извести-пушонки//ТИХМ Труды конференции. - 2001. -С. 118-134.

8. Блиничев В.Н., Падохин В.А., Бобков С.П., Зуева Г.А., Постникова И.В. Теоретические основы создания новых ресурсо- и энергосберегающих совмещенных процессов с механоактивацией твердой фазы в реакционных системах газ-твердое тело, жидкость-твердое тело// Отчет ИГХТУ по научно-исследовательской работе по теме «Разработка новых высокоэффективных гетерогенных процессов и их аппаратурное оформление» за 2002 г.

9. Постникова И.В., Блиничев В.Н., Афонин С.Б. Ресурсо- и энергосберегающие технологии и оборудование получения тонкодисперсного мела//ТИХМ Труды конференции. - 2001. - С. 122 - 131.

10. Авторское свидетельство № 1466787 СССР МКИ В02 С13/14. Центробежная ударная мельница / В.Н. Блиничев и др. // Открытия, изобретения. -1989. - №11. - с. 26.

11. Авторское свидетельство № 1470325 СССР МКИ В02 С13/09. Многоступенчатая мельница ударного действия / В.Н. Блиничев и др.// Открытия, изобретения. 1989. - №13. - с. 27

12. Авторское свидетельство № 1706696 РФ МКИ 5 В02 С13/14. Центробежная мельница / В.Н. Блиничев и др. // Открытия, изобретения. - 1991. - №3. -с. 42.

13. Авторское свидетельство № 1071305 СССР МКИ 5 В01 18/18. Аппарат псевдоожиженного слоя / В.Н. Блиничев и др. // Б.И. - 1984. - №5.

14. Авторское свидетельство № 1082483 СССР. Способ измельчения зернистого материала / В.Н. Блиничев и др.// Б.И. - 1984. - №12.

15. Авторское свидетельство № 1792751 РФ. Центробежный классификатор/ В.Н. Блиничев, В.В. Пастин / Б.И. - 1993.

Рукопись поступила в редакцию 17.03.2015.

APPLICATION OF THE APPARATUS OF COMBINED ACTION IN RESOURCE-AND ENERGY-SAVING

TECHNOLOGIES

I. Postnikova, V. Blinichev

This article discusses developed with the participation of the authors closed resource and energy-saving technological chains of obtaining various particulate materials. To do this used highly effective equipment combined action.

Key words: energy-saving technology, apparatus combined action, mechanical activation, processing of mineral raw materials.