УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗЛОЖЕНИЯ И СПЕКАНИЯ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ

Полезная модель относится к химическим отраслям промышленности, где используются процессы диссоциации и спекания твердого минерального, в частности, карбонатного сырья. Продукты разложения карбонатов применяются в металлургии, строительной индустрии, целлюлозно-бумажной и сахарной промышленности, в производстве удобрений для сельского хозяйства и т.п. Технология строительных материалов полностью основана на обжиге карбонатного сырья. При этом в обжигаемом материале происходит ряд физических и химических превращений, среди которых следует отметить разложение карбонатов и других сложных молекул, сушку, вспучивание, спекание и другое.
Обжиг сырья ведут в специально для этих целей разработанных печах. По своей конструкции печи эти различаются между собой кардинально, исходя из принципа преобразования энергии применяемых энергоносителей в энергию тепловую: энергия плазмы, электроннолучевая энергия, СВЧ-энергия и энергия сгораемого топлива. Рассмотрим более подробно принцип действия этих печей, область их применения, достоинства и недостатки.
1. Плазмотермические печи. В плазмотермических печах используется в качестве теплоносителя энергия низкотемпературной плазмы с кинетической энергией электронов до 10 эВ. Это значение кинетической энергии не позволяет электронам проникнуть вглубь вещества на сколько-нибудь заметную глубину. Поэтому эти печи не применяются для обжига в индустрии строительных материалов и эффективны только для производства газообразных продуктов и порошков функционального назначения (диоксид титана, ультрадисперсный нитрид титана, нитрид кремния и т.п.) / (Ю.П.Удалов. «Процессы и аппараты химических технологий». Часть 2., Сайт: www.naukaspb.ru)
2. Электроннолучевые печи. Они представляют собой электронную пушку, на катод которой подается электрическое напряжения 10-40 кВ. Пушка работает в вакууме. Мощность этих печей достигает 8 МВт. Так же, как и в предыдущем случае, из-за малости кинетической энергии электронного луча, эта печь не используется в технологии строительных материалов. Она эффективна в вакуумной плавке металлов.
Литература: БСЭ «Электроннолучевая печь».
3. СВЧ-печи. Нагрев подлежащего обжигу сырья проводят в этих печах электромагнитным излучением СВЧ-диапазона. Схема разложения и обжига карбонатов
выглядит следующим образом: фракционированное сырье подается в бункер, откуда оно поступает в СВЧ-резонатор (реактор), где и протекают реакции диссоциации и происходит спекание после того, как в этот реактор будет по волноводу подано электромагнитное излучение. Из верхней части реактора через специальные штуцеры откачиваются конверсионные газы. Создание в реакторе постоянного разрежения повышает конверсию карбонатов, так как снижение давления приводит к смещению равновесия реакции в сторону протекания реакции разложения.
В известной установке «Электродинамическая сверхвысокочастотная установка для разложения карбоната кальция» (Бикбулатов И.Х., Деминев Р Р., Шулаев Н.С. и др. Патенты РФ №2170138, №2116826) решалась задача снижения энергопотребления, повышения конверсии, качества продуктов, уменьшения загрязнения окружающей среды. Использование в качестве энергоносителя электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, по утверждению авторов, освобождает процесс разложения карбонатов от применения различных топлив, от инициирования побочных реакций вследствие контакта с топливом и материалом печей, обеспечивает объемное нагревание сырья. Результаты экспериментов с образцом карбоната кальция массой 38 г, проведенных на этой установке, также показали, что ее эффективность на 15% выше традиционной известковой печи. Аналогичные результаты получены и Бахониным А.В. (Автореферат диссертации «Разработка конструкций аппаратов для массообменных процессов с использованием СВЧ-электромагнитного излучения» Изд. Уфимского ГНТУ. 2003)
Известна так же «Установка для обжига гидрослюд» (Патент РФ №2171552), на которой решалась задача дегидрации слюд с различным содержание воды.
Несмотря на имеющиеся положительные результаты, не возможно сделать заключение о перспективе применения этого метода в различных химических технологиях, прежде всего, по следующим причинам:
- метод имеет принципиальное ограничение применения, связанное с тем, что различные вещества по-разному в зависимости от физической природы поглощают или вовсе не поглощают электромагнитное излучение; материалы, предназначенные для нагрева и обжига должны иметь большое значение коэффициента диэлектрических потерь (произведение диэлектрической постоянной на тангенс угла потерь), так как в противном случае мощность, рассеиваемая в диэлектрике, будет недостаточной для нагрева и обжига; - принципиальные технические трудности загрузки и выгрузки больших масс вещества в резонаторы в условиях подачи в эти резонаторы больших мощностей СВЧ-энергии;
- проблемы с электрической прочностью в резонаторах и подводящих волноводах при высоких уровнях мощности СВЧ-излучений;
- поглощение части СВЧ-энергии в подводящих волноводах, резонаторах и в нагрузках - СВЧ.
По нашему мнению установки, основанные на этом энергоносителе, имеют большую перспективу для процессов дегидрации, сушки и т.п. потому, что влажные материалы имеют большое значение коэффициента диэлектрических потерь.
4. Термические печи. Они являются основными печными агрегатами, используемыми в технологии производства строительных материалов Ввиду схожести основных сырьевых материалов (в производстве извести - известняк, в производстве цемента - известняк и глина, в производстве керамзита - глина и т.п.) и процессов при их термической обработке в этих производствах применяется и однотипное оборудование, отличающееся только размерами и набором вспомогательных устройств, входящих в состав печных агрегатов: шахтные, пересыпные, вращающиеся, печи кипящего слоя и циклонные.
(Ю.И.Дытнерский. Процессы и аппараты химической технологии. Изд. «Химия». 2002; А.В.Волжанский. Минеральные вяжущие вещества. М. Стройиздат. 1986; Процессы и аппараты химических технологий. Сайт www.naukaspb.ru; Производство цемента в России в 2005-2010 гг. Сайт www.iskitimcement.ru; Патенты РФ: 2101636, 2158402, 2205806, 2287496 и т.п.)
В качестве прототипа, наиболее близко подходящему к нашему предложению по назначению и универсальности, мы выбрали обжиг минерального сырья в термических печах, в частности, обжиг во вращающейся печи. Шпионский, И.П, Цибин. Вращающиеся печи для производства строительных материалов; В книге «Процессы и аппараты химических технологий», часть 2,сайт www.naukaspb.ru).
Вращающаяся печь - это полый цилиндр или барабан из огнеупорной стали, выложенный внутри огнеупорным кирпичом (футеровкой). Корпус печи расположен наклонно к горизонту под углом 3-6 градусов и вращается вокруг продольной оси с частотой обращения 1-4 оборота в минуту. Этот печной агрегат включает в себя устройство для сжигания топлива, питатели, холодильник, пылеулавливающие приспособления и др. В верхнюю загрузочную часть подается сырьевая масса, а в нижней разгрузочной части помещается топливосжигающее устройство. В этих печах преимущественно сжигается природный газ, пылевидное топливо (уголь и сланец) и мазут. Из-за вращения барабана сырьевая масса движется к голове печи и через соединительную камеру поступает в холодильник, установленный за печью, а затем - к складским бункерам. Конверсионный углекислый газ вследствие конвекции или принудительного движения воздуха от головы печи к загрузочному устройству движется по наклонному барабану вверх, смешивается с топочным газом и уходит в атмосферу, либо - на газоулавливающее устройство для дальнейшей очистки от топочного газа и последующего направления на утилизацию.
На декарбонизацию, например, 1 моля карбоната по теории требуется 180 кДж. Из сопоставления этого значения теплового эффекта реакции и эксплуатационных данных на разложение такого количества карбоната следует, что КПД термического процесса лежит в пределах 25%. Расход топлива на декарбонизацию и спекание значителен и достигает 25-40 процентов обжигаемой массы.
К недостаткам вращающейся печи, наиболее часто применяемой в строительной индустрии, следует отнести:
1. Чрезвычайно большой расход энергии из-за низкого КПД термического процесса и рассеяния теплоты в материалах печи и окружающей среде.
2. Огромные расходы условного топлива и большие затраты на доставку этого топлива к заводам.
3. Низкое качество продукции вследствие смешения обжигаемого сырья с топливом и наличия контакта сырья с материалом конструкции печи, а так же наличия недогретых и перегретых областей сырья вследствие неоднородного нагрева.
4. В большой степени затруднена утилизация конверсионного углекислого газа из-за необходимости его очистки от топочных газов.
5. Большая металло- и материалоемкость конструкций печей.
6. Большая стоимость капитального строительства и площадей под строительство.
7. Огромное давление на окружающую среду: в эту среду рассеиваются тяжелые металлы, угарный газ, оксиды азота, сульфиды, тепло и, в конечном счете, в эту среду попадает и зола.
Поскольку все перечисленные здесь термические печи используют тот же энергоноситель, что и рассмотренная здесь нами вращающаяся печь, то и для них присущи те же недостатки.
Задачей данной полезной модели является снижение энерго- и материалоемкости производства, повышение качества конверсионных продуктов-оксидов металлов и углекислого газа, снижение экологического давления на окружающую среду.
Для этого предложено устройство для разложения и спекания минерального сырья, состоящее из узлов загрузки исходного сырья, выгрузки целевого продукта и отвода конверсионных газов, зоны разложения и спекания исходного сырья, средства подачи исходного сырья в зону разложения и спекания, при этом, средство подачи исходного сырья в зону разложения и спекания выполнено в виде замкнутого ленточного транспортера, у одного конца которого установлен узел загрузки исходного сырья в виде бункера с дозатором, а у другого - узел выгрузки целевого продукта, выполненный в виде бункера, над зоной разложения исходного сырья установлен ускоритель электронов, под которым установлен защитный колпак, соединенный трубопроводом со средством откачки конверсионных газов.
На фигуре показана общая схема устройства, где
1 - ускоритель электронов;
2 - пучок электронов;
3 - приемный бункер;
4 - дозирующее и формирующее устройство;
5 - колпак сбора конверсионного углекислого газа и защиты от рентгеновского излучения;
6 - ленточный транспортер;
7 - регулируемый привод;
8 - сырье;
9 - бункер готовой продукции;
10 - трубопровод;
11 - узел откачки углекислого газа и направления его на утилизацию;
12 - трубопровод.
2
2
Принцип действия устройства, основанного на радиационном носителе энергии, заключается в следующем. При облучении вещества электронами, если их кинетическая энергия выше энергии диссоциации или энергии ионизации молекул и атомов этого вещества, в веществе образуются ионы и возбужденные состояния атомов и, как следствие, - частицы, которые не могут возникнуть при низких температурах за счет равновесных процессов. Это, прежде всего, частицы разложившихся карбонатов и частицы типа: О, О, С, СО и др. Энергия ускоренных электронов, израсходованная на рождение этих частиц в конечном счете преобразуется в тепло. Потери же энергии на диссоциацию и ионизацию существенно превышают потери энергии на тормозное излучение при энергиях электронов порядка единиц мегаэлектронвольт и их не следует учитывать (Ю,М,Широков Н.П.Юдин. Ядерная физика. Изд. «Наука» М. 1972).
Поглощение энергии электронов происходит мгновенно, равномерно по всему объему и только там, где провзаимодействовал пучок электронов с веществом. В случае, когда времена релаксации, т.е. времена возврата системы из возбужденного состояния в нормальное, много больше времен физического воздействия, что характерно для конденсированного состояния вещества, появляется возможность управления выходом химических форм, фаз даже в условиях неравновесных систем и смещать их к более низким температурам.
3
Для осуществления этого устройства возможно использовать промышленные электронные ускорители с энергией электронов от 10 кэВ до 10 МэВ. Нижнее значение указанного диапазона энергий обусловлено тем обстоятельством, что уже при этой энергии процесс диссоциации и ионизации является эффективным, так как при этих энергиях сечение ионизации является максимальным. Верхнее значение обусловлено только требованием не создавать так называемой наведенной радиоактивности, которая появляется вследствие фотоядерных реакций в облучаемых материалах преимущественно при энергиях выше 10 МэВ. Наиболее подходящим, по нашему мнению, является ускоритель типа ЭЛВ-12 с параметрами: энергия - 1 МэВ, мощность в пучке - 400 кВт, КПД - 90%. Его можно разместить в помещении 5×5×6 м. Это промышленный ускоритель, полностью автоматизированный и успешно эксплуатируемый в народном хозяйстве в России и за рубежом. Ускорители этой серии разработаны и изготавливаются в Институте ядерной физики РАН, в Новосибирске.
(Салимов Р.А. Ускорители серии ЭЛВ и их применение в радиационных технологических процессах и медицине. Материалы 10-го Международного совещания. С-Пб. 2001).
Предлагаемое устройство (см. фиг.1) работает следующим образом. В приемный бункер 3, установленный вблизи ускорителя электронов 1, загружают измельченное до крупности, примерно, 1 мм сырье 8. С помощью дозирующего и формирующего устройства 4 на замкнутом ленточном транспортере равномерно распределяют массу сырья, эквивалентную мощности производства, по ширине и по толщине засыпки, причем ширина и толщина засыпки - величины постоянные, так как ширина развертки пучка электронов и его энергия не меняются. После этого включают регулируемый привод ленточного транспортера 7 и подают сырье под пучок электронов 2, а далее после облучения готовая продукция поступает в бункер 9 для охлаждения или хранения. В зоне облучения сырья между ускорителем и транспортером устанавливают колпак 5, изолирующий зону облучения от окружающей среды. Колпак 5 соединен трубопроводом 10 с узлом откачки 11 конверсионного углекислого газа и направления его по трубопроводу 12 на утилизацию.
Мощность обжига сырья оценивают из выражения:
уд
М=Р/(С×Т), где
уд
уд
Р - мощность пучка электронов, С - удельная теплоемкость карбоната. Т - температура. Для производства извести при Р=400000 Вт, С=835 Дж/кг×градус, Т=1200°С
М=0,4 кг/с.
Для обжига цемента это значение будет несколько ниже из-за более высокой температуры обжига - 3,4 кг/с. Скорость подачи сырья под пучок определяют по формуле:
уд
V=Р/(СТdab). где
d - плотность, а - ширина ленточного транспортера, b - толщина засыпки, остальные обозначения прежние. Для производства извести (Т=1200 градусов Цельсия)
3
при плотности, равной 1500 кг/м (учтен коэффициент прозрачности измельченного известняка), ширине транспортера - 1,5 м и толщине засыпки 0,5 см
скорость подачи сырья будет равна, примерно, 0,035 м/с (128 м/час), а для производства цемента - 0,03 м/с (110 м/час)
Из приведенных выражений следует, что устройство, основанное на радиационном носителе энергии, потребляет энергии на производство 1 кг кальцида 1786 кДж
(400 кДж/(0,56×0,4 кг/с) при часовой и суточной производительности 810 кг и 20 т соответственно.
В таблице приведены сравнительные характеристики устройств для разложения и спекания минерального сырья.
Таблица
параметры
радиационное
термическое
Смещение равновесия реакций разложения
В сторону низких температур
В сторону высоких температур
Характер нагрева
Мгновенный и равномерный по всему объему
Инерционный и неравномерный по всему объему
Коэффициент полезного действия, %%
90
25
Эффективность, отн. ед.
1
0,28
Потребление условного топлива, % от произведенной продукции
0
25-40
Наличие примесей
Только природные
Природные и технологические
Углекислый газ
Чистый
Требует сложных и дорогостоящих мер по очистке
Экологическое давление на среду
0
Зола, тяжелые металлы, вредные газы, рассеяние теплоты и т п.
В заключение отметим, что в настоящее время в России производится цемента и извести 80 и 10 млн. тонн ежегодно. По данным ОАО «ИскитимЦемент» износ активной части основных фондов на большинстве предприятий превысил 70%. В эксплуатации находится 93,5% печей со сроком службы более 30 лет. Осуществляемая и намечаемая модернизация исходит из усовершенствования печей и их агрегатов, тогда как основной и принципиальный вопрос о низком КПД термического процесса остается незыблемым. Поэтому модернизация этих отраслей промышленности на использовании новых и экологически чистых носителей энергии нам представляется чрезвычайно важным стратегическим направлением. Рекомендуемые нами ускорители предусматривают длительную непрерывную работу в условиях промышленного производства. Они просты по конструкции, удобны в эксплуатации, надежны в работе, полностью автоматизированы и постоянно усовершенствуются. Допускают модульные конструкции, за счет чего можно существенно увеличивать мощность заводов, построенных по данному предложению.