Эволюция электрических модульно-спусковых печей: пределы повышения энергоэффективности и надежности

УДК 67.05; 66.041

ЭВОЛЮЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЬНО-СПУСКОВЫХ ПЕЧЕЙ: ПРЕДЕЛЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ

л

© А.И. Нижегородов1

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Проведен анализ путей повышения энергоэффективности и надежности электрических модульно-спусковых печей для обжига вермикулита, определены пределы и причины пределов их совершенствования. Показано, что главный недостаток указанных печей заложен в принципе их действия, когда движение вермикулита происходит за счет сил тяжести, поэтому управлять скоростью потока материала и его концентрацией на разных участках модулей обжига невозможно. Сформулированы основные положения концепции печных агрегатов нового поколения - электрических печей с вибрационной подовой платформой.

Ключевые слова: электрическая модульно-спусковая печь; концентрация вермикулита; «нулевой» неэлектрический модуль; «скрытая» эксэргия вермикулита; электрическая печь с вибрационной подовой платформой.

EVOLUTION OF ELECTRIC KILNS WITH MODULE RELEASE: ENERGY EFFICIENCY AND RELIABILITY IMPROVEMENT LIMITS A.I. Nizhegorodov

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The paper analyzes the methods to enhance energy efficiency and reliability of electric kilns with module release used to burn vermiculite. It identifies the limits of electric kiln with module release improvement and their causes. It is shown that the principle defect of the kilns under investigation is their operating principle: vermiculite moves under the action of the gravity force. Therefore, it is impossible to control material flow velocity and its concentration in different sections of burning units. The fundamental principles of the concept of the new generation of furnace units including electric kilns with a shaking bottom plate have been formulated.

Keywords: electric kiln with module release; vermiculite concentration; "zero" non-electric module; latent exergy of ver-miculite; electric kiln with a shaking bottom plate.

Вспученный вермикулит остается востребованным продуктом уже более ста лет, так как является ценным сырьем для производства огнеупорных, огнезащитных, тепло- и термоизоляционных материалов; он так же широко применяется в растениеводстве, используется для приготовления почвосмесей, его применяют в металлургической промышленности, в природоохранных технологиях и т.д. [1, 2, 9].

Однако производство вермикулита все еще является энергоемким процессом, хотя с появлением электрических модульно-спусковых печей удельную энергоемкость обжига по сравнению с традиционными огневыми печами удалось существенно уменьшить [4, 5, 8].

Новая концепция электрических модульно-спусковых печей периодически подвергалась структурным изменениям и по мере наработки опыта их эксплуатации появлялись все новые технические решения. Прогноз по печам с рекуперацией тепловой энергии и последовательно-параллельным сопряжением электрифицированных и, так называемых «нулевых» модулей (ППС-печи), приведенный в работе [8], показывает возможность достижения удельной энергоемкости ~ 175 мДж/м3.

Целью статьи является анализ путей повышения

энергоэффективности и надежности рассматриваемых печей, определение пределов их совершенствования и формулировка базовых критериев для энерготехнологических агрегатов следующего поколения.

Первые электрические модульно-спусковые печи были построены в 2003-2008 гг. в Иркутске ООО «Квалитет» (где автор настоящей статьи работал директором более шести лет). Они обладали значительными габаритами, и огнеупорные поверхности модулей обжига длиной 910-920 и шириной 920-1265 мм были слишком велики. На нижних участках модулей из-за ускоренного движения формирующихся при механической трансформации зерен вермикулита резко снижалась их концентрация, и значительная часть мощности теплового излучения электрических нагревателей падала не столько на зерна, сколько рассеивалась в плоском незамкнутом пространстве обжига. Энергоемкость процесса обжига во второй опытно-промышленной печи, схема которой показана на рис. 1, составляла в среднем для различных размерных групп концентратов 250 мДж/м3 [5].

Позднее была создана шестимодульная печь с короткими модулями, длиной 0,297 м, что несколько повысило концентрацию материала и привело к снижению энергоемкости до 235 мДж/м3 [5]. Снижение не

1 Нижегородов Анатолий Иванович, доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой строительных и дорожных

машин и гидравлических систем, тел.: (3952) 405134, 89149061228, e-mail: nastromo_irkutsk@mail.ru

Nizhegorodov Anatoly, Doctor of technical sciences, Associate Professor, Head of the Department of Construction and Roadmaking Machinery and Hydraulic Systems, tel.: (3952) 405134, 89149061228, e-mail: nastromo_irkutsk@mail.ru

велико, но трехмодульная печь при среднем времени обжига ¿=2,84 с и производительности П=1,75 м3/ч имела размеры модуля в плане: ширину В=0,96 м и длину его рабочего участка 0,89 м. В пересчете на вспученный материал можно найти суммарный объем всех зерен, одновременно находящихся в печи:

У=ПхГх(1-0,365) / 3600,

где 0,365 - коэффициент пористости массива вспученного вермикулита [8].

\

Рис. 1. Принципиальная схема трехмодульной печи

Объем V равен 876600 мм3, а одно вспученное зерно, полученное из концентрата Ковдорского месторождения при среднем условном диаметре 4 мм, имеет объем 33,5 мм. При этом можно найти количество зерен т одновременно находящихся в печи:

т=876600 / 33,5=26167 шт.,

а на одном модуле будет находиться 8722 зерна при среднем шаге их расположения 6=10,7 мм и зазором между ними 6,7 мм.

Концентрация вермикулита в среднем на одном модуле трехмодульной печи равна:

к3м=8722 / (96*89)=1,0208 шт./см2.

Шестимодульная печь с параметрами ¿=2,74 с и П=1,28 м3/ч имела размеры модуля 0,92x0,297 м, а объем вспученного материала здесь равен 555800 мм3. Количество зерен, одновременно находящихся в печи:

т=611600 / 33,5=18257 шт.,

а количество зерен на одном модуле - 3043 шт.

Концентрация вермикулита в среднем на одном модуле трехмодульной печи равна:

к6м=3043 / (92х29,7)=1,1138 шт./см2.

Отнеся к6м к к3м, получим:

К6м / К3м=1,1138 / 1,0208=1,091.

Очевидно, произошло увеличение концентрации на 9,1%, что соответствует снижению удельной энергоемкости на 6,2%. Но дальнейшее повышение концентрации за счет увеличения модульности печи невозможно, так как модуль короче 250 мм конструктивно не реализуем.

Это главный недостаток электрических модульно-спусковых печей.

Он заложен в принципе их действия: движение вермикулита происходит под действием сил тяжести. Поэтому в таких печах невозможно управлять потоком материала и его концентрацией на поверхности модуля. Узким местом в буквальном смысле слова является зона пересыпания с одного модуля на другой. При попытке увеличения подачи исходного сырья в месте контакта частиц вермикулита с поверхностью зоны пересыпания нижележащего модуля образуется их скопление, полосы нихромовых нагревателей термо-изолируются вспучивающимся вермикулитом, а это постепенно приводит к локальному перегреву нихрома и его плавлению.

Анализ трехмодульной печи показал [5, 9], что на верхнем модуле 1 кВт его мощности снижает насыпную плотность вермикулита на 10,27 кг/м3, а на втором и третьем только на 0,79 и 0,198 кг/м3 соответственно. Следовательно, процессы теплоусвоения и структуро-образования вермикулита наиболее интенсивны на начальном этапе обжига; энергетически эффективным является верхний модуль, а КПД модулей уменьшается от верхнего к нижнему.

Следующая структурная трансформация - изменение сопряжения модулей - дала более радикальный результат [10]. Изменение конструкции переносом нижнего модуля из цепи последовательных сопряжений в параллельное сопряжение с первым (верхним) модулем [6, 8] привело к изменению показателей энергетической эффективности. Печь с последовательно-параллельным сопряжением модулей, приведенная на рис. 2 (ППС-печь), показала снижение энергоемкости до 196 мДж/м3. По сравнению со второй опытно-промышленной печью ее энергоемкость снизилась на 21,6% [8].

Дальнейшее повышение энергоэффективности рассматриваемых печных агрегатов стало невозможным из-за принципа модульности.

Это второй непреодолимый недостаток.

Исследования, проведенные в работе [8], показали, что полный КПД у ППС-печи равен всего Пя=0,43, следовательно, 57% тепловой энергии электрических

нагревателей, несмотря на эффективную термоизоляцию модулей, неизбежно теряется. Этот фактор подсказал новое техническое решение - энергосберегающую печь с так называемым «нулевым» (неэлек-трифицированным) модулем (рис. 3), использующим «скрытую» эксэргию вермикулитовых зерен при пониженном потреблении электроэнергии.

Рис. 2. Принципиальная схема шестимодульной печи с последовательно-параллельным сопряжением модулей

Эксэргия - это качественная энергия, способная к совершению механической работы [12]. Накопленная в вермикулите теплота за счет кондукции по пластинкам зерен переносится внутрь, завершает дегидратацию и механическое вспучивание глубинных слоев вермикулита, так как около 45% теплоты, накопленной вермикулитом при теплоусвоении, остается во вспучивающемся и нагретом до 700-800°С материале. Без «нулевого» модуля эта энергия рассеялась бы в окружающую среду.

Можно оставить дегидратацию частично незавершенной и перенести ее завершение в «нулевой» модуль и при этом сэкономить электроэнергию, настроив печь на пониженный температурный режим. Схема такой печи приведена на рис. 3 [11].

Печь содержит дозатор 1 с лотком 2. В корпусе 3 размещены электрифицированные модули 4 с рекуператорами энергии 5, соединенные трубами 6 с «нулевым» модулем 7 через патрубки 8. Трубопроводы 9 отводят из тепловых камер «нулевого» модуля горячий воздух. Модули установлены на рамах 10, закрыты термокрышками 11, под которыми находятся электронагреватели, закрепленные на специальных головках 12. Перфорированные отверстиями всасыватели 13 вытягивают горячий воздух из модулей 4. В «нуле-

вом» модуле между верхними и нижними тепловыми камерами расположены полости, заполненные термоизоляционным материалом, а между ними находится пространство обжига. Сами камеры не связаны с процессом довспучивания, а лишь минимизируют потери тепла из пространства обжига.

I отовый продукт Ч

Рис. 3. Схема энергосберегающей электрической печи с Г-образным «нулевым» модулем

Сырьевой концентрат, пересыпаясь по модулям, дегидратирует под действием лучистой энергии, падающей на него с поверхностей нагревателей, отраженной от оснований и крышек и усваиваемой верми-кулитовыми зернами внутри пространства обжига. Однако из-за пониженного температурного режима теплоусвоение и сопутствующие процессы не успевают закончиться до выхода из нижнего модуля 4. Зерна вермикулита, оставаясь частично недовспученными, поступают в пространство обжига, где теплоусвоение завершается окончательно.

«Нулевой» модуль так же изолирован термоизоляционным материалом снаружи, что практически сводит к нулю теплообмен между зернами вермикулита, находящимися в пространстве обжига «нулевого» модуля, и окружающей средой. Аналитическая модель этого процесса еще не разработана, но предварительный анализ теплоусвоения вермикулита с учетом «скрытой» эксэргии, проведенный в работе [7], пока-

зал, что применение «нулевых» модулей может повысить КПД таких печей на 8-12% при соответствующем снижении удельной энергоемкости.

Но и этот путь, основанный на использовании эксэргии вермикулита при пониженном потреблении электроэнергии, дает ограниченный эффект: удельная энергоемкость может опуститься до значений 173-175 мДж/м3.

Как механическая система печь представляет собой гравитационный спуск для перемещения сыпучих материалов [3]. Особенность таких систем заключается в невозможности управлять скоростью движения материала, которая определяется тяготением и трением частиц. Применительно к печи это значит, что управление скоростью вермикулитового потока и временем обжига невозможно, а выбор оптимального температурно-временного режима может быть достигнут только установкой температуры нагревателей.

Этот фактор накладывает ограничения на управление процессом обжига, и он является еще одним недостатком.

Вся поверхность обжига электрифицированных модулей разделена на продольные камеры, образованные нагревателями в виде нихромовых полос, внутри которых происходит движение вермикулита. Нагреватели установлены на ребро, но они занимают некоторую площадь: например, у модуля шириной В=0,96 м и длиной рабочего участка /=0,89 м площадь поверхности имеет значение 0,8544 м2, а суммарная площадь поверхности, занимаемая нагревательными элементами (10 шт.) при их толщине ¿=0,002 м с учетом, что нагреватели имеют по две полосы, равна 0,00356 м2, что составляет 0,42%. Это немного, но фактическое снижение производительности из-за этого обстоятельства больше, так как каждая полоса нагревателя устанавливает границы, вытесняя частицы вермикулита за пределы камер.

Наличием нагревателей на поверхности создается еще один недостаток.

Большинство зерен в процессе движения контактирует с нагревателями и это приводит к постепенному налипанию мельчайших частиц различных нетугоплавких минералов, входящих в состав вермикулита и мелкодисперсного шлама, всегда сопутствующего концентратам. На поверхности нагревателей постепенно образуется нагар, который приводит к их локальному перегреву, перегоранию, отказу печи и вынужденному простою в ремонте.

На рис. 4 показаны фрагменты нагревателя с нагарными корками, образовавшимися при обжиге концентрата Татарского месторождения.

И последний фактор, определяющий еще один существенный недостаток, - неравномерное распределение температур по ширине электрифицированных модулей.

Экспериментальное исследование температуры поверхностей нагревателей и огнеупорной поверхности внутри продольных камер, образованных ими, показало [8], что в пристеночных зонах модуля обжига существенно «холоднее», чем в центре, поэтому вермикулит на выходе из печи по краям остается немного

недовспученным. Разность насыпной плотности с вермикулитом, выходящем в центре нижнего модуля печи, достигает 3-5%. Для устранения этого недостатка ширину продольных камер в пристеночных зонах приходилось делать несколько меньше, чем в средней, т.е. распределение нагревателей по поверхности модуля производилось с переменным шагом г. При этом необходимо было, чтобы самые узкие камеры удовлетворяли условию:

гт,„=(9...15) О,

где О - средний условный диаметр частиц исходного вермикулитового концентрата, определяющий его размерную группу [8] (меньшее значение - для крупных фракций, большее - для мелких), при котором в них исключается образование заторов вермикулита.

Рис. 4. Образование нагара на поверхности полосовых нихромовых нагревателей при обжиге концентрата Татарского месторождения

Итак, концепция электрических модульно-спусковых печей исчерпала возможности эволюции. Однако принцип локализации теплового поля в ограниченном щелевидном пространстве обжига доказал свое преимущество [8]. Если в огневой печи перепад температуры в ее рабочем пространстве составляет ~1200°С на входе и ~500°С на выходе, то здесь распределение температур по длине рабочих камер практически однородно. В огневых печах тепловое поле создается не непосредственно в сырьевой среде, а в большом пространстве, куда помещается эта среда. В электрической печи локализованное тепловое поле реализуется непосредственно в вермикулитовом потоке.

На принципе локализации базируется новая концепция электрической печи с подвижной подовой платформой, устраняющая недостатки модульно-спусковых печей и обеспечивающая:

- устранение фактора модульности;

- высокую концентрацию вермикулита на поверхности подовой платформы;

- постоянство средней скорости движения вермикулита в тепловом поле и возможность настройки печи на время обжига;

- возможность регулирования скорости движения вермикулита;

- исключение контакта вермикулита с электри-

ческими нагревателями;

- равномерное распределение температур по ширине подовой платформы;

- простоту конструкции.

Платформа является подвижным основанием для размещения вермикулита. С помощью управляемого вибрационного механизма создаются однонаправленные несимметричные колебания платформы, чем обеспечивается перемещение вермикулитовых зерен в одном направлении без возвратных движений. Этому дополнительно способствует возможный небольшой наклон платформы в сторону движения, которое происходит под натянутыми электрическими нагревателями, расположенными над вермикулитом на минимальном расстоянии от него. Размер щелевидного пространства обжига может регулироваться при переходе от одного вида и размера сырья к другому.

Зерна вермикулита (условно вспученные) располагаются на платформе со средним шагом 6=0 (О - средний диаметр зерна) и практически с нулевым зазором образуют сплошное покрытие основания. Непокрытыми остаются межзерновые пустоты, занимающие 25-40% общей площади в зависимости от гранулометрического состава и структуры взаиморасположения зерен: шахматная или порядная регулярная структура. Поэтому до 60% энергии эффективных (с учетом отраженных) потоков теплового излучения будут поглощаться вермикулитом. Отраженные от основания платформы потоки лучистой энергии, хотя и менее мощные, но исходящие от близлежащей к вермикулиту поверхности, также поглощаются зернами. В этом состоит еще одно достоинство печи новой концепции - основание платформы и внутренняя поверхность термокрышки, будучи выполненными из жаро-

стойкой отполированной стали, обладают высокой отражательной способностью.

Анализ недостатков электрических модульно-спусковых печей позволил разработать альтернативную концепцию энерготехнологических агрегатов -электрические печи с подвижной подовой платформой и управляемым температурно-временным режимом.

Практическое использование таких печей не ограничивается только обжигом вермикулитовых концентратов и конгломератов. Они могут служить целям термоактивации минералов серпентиновой группы, в значительных объемах содержащихся в горнопромышленных отходах хризотил-асбестовых, магнезитовых, флогопит-вермикулитовых и медно-никелевых месторождений, которые можно извлечь и вернуть в промышленный оборот для получения магнезиально-силикатных реагентов, предназначенных для детокси-кации водных объектов техногенно загрязненных ландшафтов. Эти печи в различных модификациях можно применять для термоактивации кварцевых песков и гранитного щебня с целью понижения их радиационной активности, для термоактивации металлургических шлаков, использующихся в качестве сырья при производстве цемента, и, конечно, для получения вспученного вермикулита.

Разработка, создание опытного образца и целый комплекс экспериментальных и теоретических исследований предусмотрены программой работ, поддержанных грантом Ученого совета ИРНИТУ «Разработка электрического печного агрегата с вибрационной подовой платформой для термоактивации и обжига минералов» (приказ № 10 от 19.06.2015 г).

Статья поступила 21.08.2015 г.

Библиографический список

1. Арутюнов В.В., Чайков Б.М. Конъюнктура минерального сырья. Вермикулит. М.: ВИЭМС, 1992. 112 с.

2. Ахтямов Р.Я. Вермикулит - сырье для производства огнеупорных теплоизоляционных материалов // Огнеупоры и техническая керамика. 2009. № 1/2. С. 59-64.

3. Вайнсон А.А. Подъемно-транспортные машины: учебник. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 197 4. 431 с.

4. Нижегородов А.И. Альтернативная концепция энерготехнологических агрегатов для обжига вермикулита на базе электрических модульно-спусковых печей // Огнеупоры и техническая керамика. 2014. № 1/2. С. 48-55.

5. Нижегородов А.И. Опыт эксплуатации электрических мо-дульно-спусковых печей различных модификаций для обжига вермикулитовых концентратов // Огнеупоры и техническая керамика. 2014. № 9. С. 27-34.

6. Нижегородов А.И. Развитие концепции модульно-спусковых электрических печей для обжига вермикулитовых концентратов // Строительные и дорожные машины. 2009. № 10. С. 24-27.

7. Нижегородов А.И. Энергетический анализ и температур-но-временная модель процесса обжига вермикулита в элек-

трическои печи с последовательно-параллельным сопряжением модулей // Огнеупоры и техническая керамика. 2015. № 6. С. 9-14.

8. Нижегородов А.И., Звездин А.В. Энерготехнологические агрегаты для переработки вермикулитовых концентратов. Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2015. 250 с.

9. НПП «Укрвермикулит» [Электронный ресурс]. URL: http: // www. vermiculite. com. ua (31.10.2013).

10. Пат. 85993, Российская Федерация, МПК F 27 B 15/00. Печь для обжига вермикулита (варианты) / А.И. Нижегородов; заявитель и патентообладатель А.И. Нижегородов. № 2009114125; заявл. 14.04.09; опубл. 20.08.2009. Бюл. № 23.

11. Пат. 154263, Российская Федерация, МПК 27 B 9/06. Электрическая печь для обжига вермикулитовых концентратов / А.И. Нижегородов, А.В. Звездин; заявитель и патентообладатель А.И. Нижегородов. № 2015112982/02; заявл. 08.04.2015; опубл. 20.08.15. Бюл. № 23.

12. Эткин В.А. Эксэргия и анергия [Электронный ресурс]. URL: http: // www. ntpo.com/physics/studies/25/3.shtml (03.08.2015).