CC BY
29УДК 666.7
Г.Д. АШМАРИН, канд. техн. наук, ОАО «ВНИИстром им. П.П. Будникова»; В.В. КУРНОСОВ, канд. техн. наук, ООО «Комас»; В.Г. ЛАСТОЧКИН, инженер, ОАО «ВНИИстром им. П.П. Будникова» (п. Красково Московской обл.)
Энерго- и ресурсосберегающая технология керамических стеновых материалов
Производство керамических стеновых материалов является высокоматериало- и энергоемким. Если рассматривать строительство долговечного, комфортного для проживания жилья в России, то необходимо внимательно изучить вопросы сырьевых ресурсов и совершенствования тепловых агрегатов.
Важнейшими переделами в технологии керамических стеновых материалов из полиминерального легкоплавкого сырья является сушка и обжиг. Работы П.А. Ре-биндера [1, 2], А.В. Лыкова [3, 4], Г.Д. Диброва [5] и других о роли энергии связи влаги с материалом в формировании дисперсных пространственных структур и происходящих при этом физико-химических явлений подготовили основание для единого теоретического подхода к изучению влажностного состояния и твердения строительных материалов. При сушке и обжиге керамических изделий происходит тесное взаимодействие между процессами, протекающими внутри изделий и во внешней среде. Эти процессы подробно изучены и опубликованы в работах К.А. Нохратяна [6], М.С. Бело-польского [7], В.М. Казанского [8], С.П. Ничипорен-ко [9] и других авторов. Ими изучены вопросы физико-химической механики дисперсных структур и исследованы кристаллизационные структуры глинистых минералов при температурах обжига керамических стеновых материалов.
Сушку изделий производят исключительно термическим методом, при котором влага испаряется за счет теплообмена между изделием и окружающей средой. Для осуществления процесса переноса тепла и влаги определенной массы необходимо наличие разности потенциалов — для теплового потока разность потенциала переноса влаги, для испарения влаги с поверхности изделия — разность парциальных давлений водяных паров. При теплообмене разность потенциалов оценивается разностью температур. В сушилках и печах происходит непрерывный теплообмен между средой, влагой и изделиями всеми видами теплопередачи: омыванием (конвекцией), теплопроводностью (кондукцией) и лучеиспусканием (радиацией). Сушильные агрегаты строятся, как правило, двух типов — большеразмерные камерные и туннельные. При использовании преимущественно чувствительного к сушке монтмориллони-тового сырья используются больше камерные сушила, в которых можно задавать режимы сушки, соответствующие типу изделий.
Обжиг является завершающей операцией в производстве керамических изделий, определяющей качественные и эксплуатационные показатели готовой продукции: прочность, плотность, морозостойкость и другие показатели.
Ранее проведенными исследованиями установлено, что при нагревании в глинистых материалах происходят следующие физико-химические процессы: выделение адсорбционно связанной воды; окисление органических примесей; выделение конституционной воды (де-
гидратация глинистых минералов); реакции декарбонизации и десульфуризации; реакции новообразований в твердых фазах; образование расплава и жидкофазные реакции; образование новых кристаллических фаз. Обжиг является основным потребителем тепловой энергии и источником теплового загрязнения окружающей среды. В этой связи совершенствование тепловой работы обжиговых печей является весьма актуальной задачей.
Наибольшее распространение получили печи непрерывного действия, работающие по принципу противотока. Продукты сгорания, поступающие из топли-восжигательных устройств в зону обжига, движутся по обжиговому каналу навстречу садке, нагревая ее. Для создания организованного движения дымовых газов в печном канале создается разрежение с помощью дымососа, производящего отбор отработанных продуктов сгорания в зоне загрузки холодной садки кирпича. К недостаткам этого метода тепловой работы печи можно отнести наличие разрежения в зоне подготовки, что приводит к неконтролируемому подсосу воздуха через неплотности рабочего пространства, снижающему равномерность нагрева изделий и энергоэффективность работы печи, а также сложности при изменении режима обжига, например при переходе от обжига пустотелого кирпича к полнотелому. Так, при увеличении плотности садки необходимо увеличивать тягу для отвода продуктов сгорания из зоны обжига, что вызывает существенное увеличение подсосов в зоне подготовки. На сегодняшний день к недостаткам противоточной схемы можно отнести также омывание продуктами сгорания кирпича в зоне подготовки. Использование на многих производствах глинистого сырья с высоким содержанием серы приводит к тому, что в зоне обжига происходит окисление серы и она в виде сернистого газа с дымовыми газами поступает в зону подготовки, где происходит ее взаимодействие с поверхностью холодной садки, что приводит к высолам на поверхности изделий, особенно при использовании отходов углеобогащения, в которых оксид серы в определенном количестве присутствует.
В настоящее время уже существует проблема доступности запасов глинистого сырья как для вновь строящихся, так и для работы действующих предприятий, и пришло время всерьез заняться использованием отходов углеобогащения. Ресурсы традиционного керамического сырья истощаются, глин и суглинков, которые можно использовать без корректировки состава в производстве керамических стеновых материалов, становится все меньше. Параллельно со снижением запасов высококачественного глинистого сырья повышаются требования к качеству выпускаемой продукции, увеличивается спрос на полнотелый и лицевой керамический кирпич. Особое внимание уделяется цветовой гамме, фасонности изделий, появляется потребность в крупноразмерных керамических блоках с высокими теплозащитными свойствами.
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал
24 апрель 2010 *
Качественные характеристики углеотходов основных обогатительных фабрик России
Наименование обогатительных фабрик Крупность классов, мм Минералогическая характеристика Влажность, % Содержание углерода, % Химический состав, %
БОз БЮг А1203 Ре203 СаО МдО
Комсомольская 0-200 Аргиллит 8-9 5 0,2 63 21,7 7 1,6 2,4
Октябрьская 13-50 Глинистый сланец, аргиллит 7-8 5 0,2-1 62,7 21,7 8,3 1,8 2,6
Шахта № 25 0-100 Аргиллиты 6 6 0,6-1,3 61,7 23,4 6,7 1,1 1,9
Заполярная 0-100 Алевролиты,аргиллиты 4-5 7 0,2-0,5 65,3 21,3 6,8 1,8 2,6
Шахта № 26 0-50 Аргиллит 6-7 7 0,2-0,3 62 20,9 7,5 1,4 2,8
Юр-Шор 0-50 Аргиллит, алевролит 4 5 0,3-0,7 64 21,5 7,1 1,1 2,6
Центральная 0-100 Аргиллиты,алевролиты - 7 - 63 21 8,03 1,75 2,62
Промышленная 0-100 Глинистый сланец, аргиллит 6 7 0,06 63 21,9 7,7 1,8 2,9
Северная 12-50 Аргиллиты 5 8 0,4 63 20,7 6,7 1,6 3,6
Гуковская 13-150 Аргиллиты,алевролит - 16 4 50 15,9 12,1 6,9 3,5
Ростовская 6-100 Аргиллиты,алевролит - 20 2,6 59 20,7 11 1,1 2,8
им. Артема 6-100 Аргиллиты,алевролит - 12 2,1 55 27,9 8,5 0,9 1
им. Газеты «Комсомольская правда» 6-100 Аргиллиты - 7 0,9 60 20,6 9,6 0,96 4,5
Горняцкая 6-100 Аргиллиты - 6 3,3 57 22,8 10,4 2,6 2,8
Шолоховская 0-100 Аргиллиты - 22 1,7 60 22,1 7,7 1,4 1,4
Судженская 25-100 Аргиллиты 5 12 0,3 69 16 2,9 2,7 1,2
Анжерская 25-100 Аргиллиты 3,2 10 0,6 68 17,1 4,6 2,7 1,2
Комсомолец 13-100 Аргиллиты 2,3 17 0,2 67 20 2,9 2,6 1,2
им.Кирова 25-100 Аргиллиты 2,6 5 - 64 19,3 6,5 2,7 1,2
Кузнецкая 0-100 Алевролиты,аргиллиты 5,5 23 0,3 63 20,3 4,1 3,4 1,7
Абашевская 13-100 Алевролиты,аргиллиты 6 7 0,1 66 20,2 2,4 2,4 1
Томуси некая 0-100 Алевролиты,аргиллиты 5,5 7 0,1 67 20 4,1 1,4 0,7
Красногорская 0-75 Алевролиты,аргиллиты 1,8 17 0,1 63 19,3 4,4 3,7 2,2
Капитальное 0-50 Алевролиты,аргиллиты 4,5 11 0,1 62 17,2 6,4 5,1 1,7
Кузбасская 0-50 Алевролиты, аргиллиты 2,5 23 0,3 63 20,3 4,1 3,4 1,7
Шушталепская 13-100 Алевролиты, аргиллиты 2,1 22 0,2 65 20,6 5,1 1,5 0,5
Байдаевская 0-50 Алевролиты,аргиллиты 3,9 22 0,2 63 13,9 10,4 5,2 2,2
Сибирь 0-150 Алевролиты,аргиллиты 5,5 7 0,1 68 20 4,1 1,4 0,7
тс £
т
о а. о 3
П5
Ж
к
3 £
4
В
Для удовлетворения потребностей рынка многие предприятия вынуждены завозить полукислые светло-жгущиеся глины с отдаленных карьеров на расстоянии до 1000 км, неся большие затраты. В то же время в стране имеются огромные запасы отходов обогащения угля, которые по своим свойствам можно классифицировать также как полукислые глины с содержанием А1203 до 27% и углерода от 5 до 23% (см. таблицу). Их использование является одним из самых эффективных направлений экономии материальных и энергетических ресурсов.
В ОАО «ВНИИстром им. П.П. Будникова» на протяжении многих лет занимались разработкой технологии переработки и использования отходов углеобогащения в зависимости от их минеральной составляющей. В зависимости от содержания горючего компонента углеот-ходы могут использоваться как основное сырье, например углеотходы Печорского бассейна с содержанием углерода в минеральной части 5—8%) при более высоком содержании — как добавки к глинам, суглинкам. Если углеотходы использовать как добавку к глинистому сырью средне- и умеренно пластичному, то она должна выполнять структурообразующие функции и в этом случае оптимальный размер зерен должен составлять 0,5—2 мм. Если же углеотходы используются как пластифицирующая добавка к малопластичному сырью, то ее следует измельчать до размера зерен не более 0,5 мм с целью повышения пластичности. Массы с использованием пород углеобогащения обладают более широким интервалом формуемости, что снижает возможность образования дефектов в формуемых изделиях. Изделия являются более трещиностойкими в процессе сушки.
Исследования показывают, что максимальный ввод топлива с углеотходами в состав шихты может составлять до 80% от количества, необходимого на обжиг. Безусловно, количество отходов, вводимых в шихту, и достигаемая при этом экономия кондиционного топлива зависит от минералогического и химического состава глинистого сырья и углеотходов, калорийности последних, типа печи и других факторов. На основании анализа этих факторов предполагаемый ввод углеотходов составляет в среднем 800—1000 кг на 1 тыс. шт полнотелого кирпича формата 1НФ. При этом достигается экономия 80—100 кг условного топлива на 1 тыс. шт кирпича. Расчеты показывают, что на заводах России использование углеотходов может составлять около 3,5 млн т с экономией условного топлива порядка 500 тыс. т при условии поставки углеотходов на расстоянии 500 км. При этом надо учесть, что большая часть кирпичных заводов расположена от приведенных в таблице обогатительных фабрик на расстоянии от 10 до 400 км, а многие кирпичные заводы могли бы использовать и отходы обогащения углей Украины.
Как видно из приведенной таблицы, углеотходы в основной массе состоят из аргиллитов с влажностью 6—9%; массы на их основе не чувствительны к сушке. В связи с этим наряду с традиционным пластическим формованием напрашиваются более рациональные способы производства — экструзионное формование из масс пониженной влажности и компрессионное формование из пресс-порошков с применением скоростных методов сушки и обжига.
Для улучшения тепловой работы обжиговой печи предлагается установка системы отопления, использующей рекуперативные горелки. Применение рекуперативных горелок приводит к распределенному отбору дымовых газов по длине обжигового канала в отличие от сосредоточенного при традиционном способе отопления. Этот способ отопления печи позволяет снизить неконтролируемые подсосы из внепечного пространства, повысив качество нагрева изделий и энергоэффективность работы печи.
При традиционной схеме отопления обжиговой печи для увеличения срока службы дымососа и дымовой трубы температуру отходящих дымовых газов поддерживают на уровне 150—180оС. Коэффициент избытка воздуха при этом составляет 5—10. Таким образом, потери теплоты с уходящими дымовыми газами составляют 35—60%. При использовании системы отопления с рекуперативными горелками удается снизить эти потери до 20—25%. Действительно при высокой степени рекуперации температура отходящих дымовых газов будет составлять 250—300оС при коэффициенте избытка воздуха в пределах 1,5—2, что будет соответствовать приведенному проценту потерь тепловой энергии.
Рассмотрим вариант обжига, при котором теплота производится в процессе химического взаимодействия природного газа и воздуха, поступающих через горелоч-ные устройства в обжиговый канал. Тогда количество теплоты, выделившейся при сжигании одного кубического метра природного газа, будет равно низшей теплоте сгорания, т. е. (рн = 33,3 МДж. Потери с уходящими газами при коэффициенте избытка воздуха 5 составят (( =5 • Ср • Тух • 10,8 в расчете на м3 природного газа, где: Ср — теплоемкость при постоянном давлении, кДж/(м3 • оС)=1,3; Т.,, — температура уходящих газов, принимаемая равной 170оС; 10,8 — объем продуктов сгорания 1 м3 природного газа; 5 — коэффициент избытка воздуха.
Таким образом, при традиционной технологии обжига процент потерь на 1 м3 природного газа составит:
р = 0/0рн = 100% • (5 • 1,3 • 170 • 10,8)/33300 = 35%.
При использовании рекуперативных горелок процент потерь составит:
р = 0/0рн = 100% • (2 • 1,32 • 280 • 10,8)/33300 = 24%.
Продукты сгорания, двигаясь в противоток садке, удаляются последовательно по ходу движения через индивидуальные рекуператоры горелок, нагревая воздух, поступающий на горение, и замещаясь на свежие продукты сгорания, не содержащие окислов серы. Это позволяет заблокировать появление высолов на лицевой поверхности изделий при контакте с отработанными дымовыми газами, а также производить досушку кирпича в печи. Предлагаемая система отопления печей создает практически постоянное давление в обжиговом канале и способствует более качественному нагреву изделий.
Надо отметить, что несмотря на совершенствование сушил и печей, остается и их большой недостаток, состоящий в том, что они разобщены, и это приводит к значительному осложнению спецтранспорта, связанного с загрузкой и разгрузкой сушильных вагонеток и перекладкой кирпича на обжиговые вагонетки, сложной системой подачи и равномерного распределения теплоносителя в сушилки.
А если учесть, что в настоящее время получило развитие производство пустотело-поризованных больше-размерных блоков, не требующих длительных сроков сушки и обжига, наряду с этим увеличивается потребность в изделиях полнотелых или с небольшой пустот-ностью, производство которых со многих точек зрения целесообразно осуществлять методом компрессионного формования из пресс-порошков влажностью ниже критической на 2—3%, при которой кирпич-сырец не имеет усадки при последующей тепловой обработке, что позволяет значительно ускорить процесс бездефектной сушки. То есть появляется возможность также значительно форсировать режим и сократить продолжительность сушки изделий, существенно сократить тепловые
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал
26 апрель 2010 *
10
6 3
Зона
предварительного Зона сушки Зона подготовки нагрева
¿6 6>66б 000000
Зона обжига
Зона охлаждения
Схема туннельной печи-сушилки
потери. Для этой цели авторами разработана с учетом устранения недостатков действующих туннельных печей туннельная печь-сушилка, обеспечивающая сушку и обжиг изделий без укладки их на сушильную вагонетку и перекладки с сушильной на печную, значительно упростив систему спецтранспорта современного завода и сократив издержки производства.
На рисунке схематично изображена предлагаемая туннельная печь-сушилка.
Туннельная печь-сушилка содержит рабочий канал 1, условно разделенный на зоны предварительного нагрева, сушки, подготовки, обжига и охлаждения; вентилятор 2 подачи атмосферного воздуха в конец зоны охлаждения; вентилятор 3 подачи атмосферного воздуха в начало зоны охлаждения; вентилятор 4отбора горячего воздуха из зоны охлаждения и подачи его между зоной сушки и зоной подготовки; отопительную систему 5 зоны обжига со скоростными горелками 6; рекуперативные скоростные горелки 7; вентилятор 8 отбора дымовых газов из рекуперативных скоростных горелок 7, установленных в конце зоны подготовки, и отработанного теплоносителя из зоны сушки; систему рециркуляции 9, оснащенную воздухонагревателем 10, размещенную в зоне предварительного нагрева.
Туннельная печь-сушилка работает следующим образом: в рабочий канал 1 туннельной печи-сушилки подают атмосферный воздух вентиляторами 2 и 3 соответственно в начало и конец зоны охлаждения, создавая подзоны умеренного и скоростного охлаждения. Вентилятором 4 отбирают горячий воздух по всей зоне охлаждения и подают его между зоной подготовки и сушки. Отопительной системой 5зоны обжига подают в скоростные горелки 6 топливо и воздух, при сгорании которых нагреваются изделия до оптимальной температуры. Дымовые газы пропускают через установленные в зоне подготовки рекуперативные горелки 7, которые нагревают воздух до температуры 450оС. Затем дымовые газы, прошедшие рекуперативные скоростные горелки 7, отбирают вентилятором 8 и выбрасывают в атмосферу, что исключает попадание их в зону подготовки и оседание вредных соединений, содержащихся в газах, на сырце. Такое решение позволяет работать с коэффициентом избытка воздуха не более 2, существенно сократить зону подготовки за счет активного выравнивания температурного поля рекуперативными горелками, а также существенно снизить потери с уходящими дымовыми газами, тепло которых используют сразу после зоны обжига, то есть существенно увеличить коэффициент использования топлива и практически исключить появления высолов на готовых изделиях. Вентилятором 8 отбирают также из начала зоны сушки отработанный теплоноситель. Для улучшения качества сушки и ликви-
дации сушильного брака дополнительно перед зоной сушки предусмотрена зона нагрева сырца с размещенной в ней системой рециркуляции 9, оснащенной воздухонагревателем 10. Это позволяет смягчить режим сушки в результате равномерного нагрева изделий по всему объему канала без удаления влаги.
Использование в предлагаемом техническом решении системы рециркуляции, оснащенной воздухонагревателем, размещенной в зоне предварительного нагрева, и установленных в зоне подготовки рекуперативных скоростных горелок, выходы которых соединены с вентилятором отбора дымовых газов, позволяет повысить качество готовых изделий и сэкономить топливные ресурсы на 25—30%, то есть на 30—40 кг усл. топлива на 1т изделий.
Ключевые слова: стеновые материалы, большеразмер-ные блоки, туннельная печь-сушилка.
Список литературы
1. Ребиндер П.А. Физико-химическая механика дисперсных структур. М.: Наука, 1966. С. 3—16.
2. Ребиндер П.А. Научные основы технологии и развития производства стеновой строительной керамики в УССР. Киев.: Наукова Думка, 1970, С. 21-29.
3. Лыков А.В. Теория сушки. М.: Энергия, 1968. С. 17-27.
4. Лыков А.В. Теоретические основы строительной теплофизики. Минск: Изд-во АНБССР, 1961. 519 с.
5. Дибров Т.Д. и др. Изменение прочности пористых дисперсных тел в зависимости от условий взаимодействия с водой. ДАН. 1967. Т. 174. № 1. С. 154-157.
6. Нохратян К.А. Сушка и обжиг в промышленности строительной керамики. М.: Стройиздат, 1962. 602 с.
7. Белопольский М.С. Научные основы технологии и развития стеновой строительной керамики. Киев.: Наукова Думка, 1972. С. 89-98.
8. Казанский В.М. Удельная теплота испарения и потенциал переноса влаги капиллярно-пористых тел. ИФЖ. 1963. № 12. С. 44-51.
9. Ничипоренко С.П. Физико-химическая механика дисперсных структур в технологии строительной керамики. Киев.: Наукова Думка, 1968. 112 с.
10. Будников П.П. Новая керамика. М.: Стройиздат, 1969. 312 с.
11. Тихи О. Обжиг керамики. М.: Стройиздат, 1988. 344 с.
12. Патент SU № 1390506, МКи F 27Ь9|00 опубл. 23.04.1988.
13. Патент RU № 2187771, МКи F 27Ь9/00 опубл. 20.08.2002.
9
8
7
4
5
2
Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
Я! : ® апрель 2010 27
