CC BY
33УДК 691.42
В.В. КУРНОСОВ1, канд. физ.-мат. наук, генеральный директор (kbb@komas.su), А.А. ДОРОЖКИН2, инженер, генеральный директор (teploogragdenie@mail.ru), Н.Н. КАЛИНИНА2, инженер, главный технолог, В.Р. ТИХОНОВА1, ведущий инженер, А.В. ФИЛАТОВ1, магистр
1 ООО «КОМАС» (143362, Московская обл., г. Апрелевка, ул. Мартовская, 8А)
2 ООО НПП «Теплоограждение» (143360, Московская обл., г. Апрелевка, ул. Парковая. 1)
Энергоэффективные технологии обжига керамических изделий в камерных печах
Рассмотрены технические решения, позволяющие изготавливать камерные печи периодического действия для обжига керамических изделий, удовлетворяющие комплексу технологических и энергоэкологических требований. Показано, что наиболее актуально строительство камерных печей для малых предприятий с выпуском продукции от 5 до 15 млн шт. усл. кирп./год, особенно применяющих метод компрессионного формования. В газоплотных камерных печах имеется возможность осуществлять восстановительный обжиг. Конструкция камерной печи, предусматривающая рециркуляционные контуры, позволяет с применением высокоскоростных рекуперативных горелок получать высокую равномерность температурного поля на поверхности нагреваемых изделий и по всему объему рабочего пространства печи, а также уменьшить расход топлива до 40%.
Ключевые слова: энергоэффективность, камерные печи, теплоограждение, рекуперативные горелки, обжиг, керамическое волокно, керамические изделия, компрессионное формование, экономия топлива.
V.V. KURNOSOV1, Candidate of Sciences (Physics and Mathematics) (kbb@komas.su), A.A. DOROZhKIN2, Engineer (teploogragdenie@mail.ru), N.N. KALININA2, Engineer, V.R. TIHONOVA1, Engineer, A.V. FILATOV1, Master
1 OOO «KOMAS» (8A, Martovskaja Street, Aprelevka, Moscow Region, 143362, Russian Federation)
2 OOO NPP «Teploograzhdenie» (1, Parkovaja Street, Aprelevka, Moscow Region, 143360, Russian Federation)
Energy Efficient Technologies of Ceramic Products Burning in Chamber Kilns
Technical solutions, which make it possible to manufacture chamber kilns of periodical action for ceramic products burning meeting the complex of technological and energy-environmental requirements, are considered. It is shown that the manufacture of chamber kilns for small enterprises which produce from 5 to 15 million pieces of equivalent brick per year and especially use the method of compression molding is very actual one. It is possible to execute the reducing firing in gas-tight chamber kilns. The design of the chamber kiln with recirculation contours makes it possible, with the use of high-speed recuperative burners, to obtain the high uniformity of the temperature field on the surface of heated products and for the whole volume of kiln space as well as to reduce the fuel consumption by up to 40%.
Keywords: energy efficiency, chamber kilns, recuperative burners, burning, ceramic fiber, ceramic products, compression molding, fuel saving.
Наиболее эффективным тепловым агрегатом для обжига разнородных керамических изделий являются камерные печи. В них возможно организовать качественный обжиг полнотелого, лицевого, клинкерного кирпича, керамической плитки. В современных условиях высокой конкуренции на строительном рынке иметь широкий ассортимент выпускаемой продукции весьма привлекательно. Особенно это актуально для малых предприятий с выпуском продукции от 5 до 15 млн усл. кирп./год.
ООО «Комас» и ООО «НПП «Теплоограждение» разработали и внедрили в производство ряд камерных печей. Это напольные печи со съемным сводом, с подъемными боковыми или торцевыми стенами, колпако-вые печи, печи с выкатным подом [1, 2]. Наибольший эффект дает применение данных камерных печей при производстве керамических строительных материалов методом компрессионного формования [3, 4]. В этой технологии отсутствует сушильное отделение, сушка сырца осуществляется в рабочем пространстве печи. Следует отметить, что в газоплотных камерных печах имеется возможность осуществлять восстановительный обжиг.
Высокие требования, предъявляемые к равномерности температурного поля в рабочем пространстве печи при обжиге керамических изделий, экономии энергетических ресурсов и экологии теплового агрегата, вызывают необходимость применения при строительстве камерных печей современных теплоограждающих конструкций с использованием керамоволокнистых материалов, систем отопления с рекуперативными или
регенеративными горелочными устройствами, многоуровневых автоматизированных систем управления.
В данной работе рассмотрены технические решения, позволяющие изготавливать камерные печи периодического действия для обжига керамических изделий, удовлетворяющие комплексу технологических и энергоэкологических требований.
Камерные печи периодического действия (рис. 1) являются универсальными технологическими устройствами для обжига керамических изделий различных отраслей промышленности. Они применяются для об-
Рис. 1. Камерная печь с выкатным подом
r'j научно-технический и производственный журнал
¡'"il ® апрель 2016
2
3 - сетка стальная плетеная одинарная; 4 - огнеупорное волокно Subral Super; 5 - керамический колпачок; 6 - керамическое кольцо
жига керамического кирпича, плитки, клинкера, сан-фаянса, изоляторов, огнеупорных изделий. Конструкция печи, предусматривающая рециркуляционные контуры, позволяет с применением высокоскоростных горелок получать высокую равномерность температурного поля на поверхности нагреваемых изделий и по всему объему рабочего пространства печи.
Важнейшим техническим решением при реализации проекта печи высокоточного нагрева является применение в качестве материала футеровок волокнистых огнеупорных материалов, что позволяет создать новые конструкции промышленных печей с принципиально новыми теплоэнергетическими свойствами [5, 6].
В настоящее время используют в основном два вида конструкции футеровок с применением огнеупорного волокнистого материала. В первом случае каркас кожуха печи изготавливают заранее, при этом футеровка свода выполняется в потолочном положении, что более трудоемко и менее качественно. Футеровка свода, стен и заслонки выполняется из послойно укладываемых волокнистых материалов:
— для наиболее нагреваемых слоев используется огнеупорный волокнистый материал с классификационной температурой 1260 или 1430оС в зависимости от рабочей температуры печи;
— для наименее нагретых слоев может использоваться базальтовое волокно.
Для монтажа футеровки к каркасу-кожуху печи привариваются металлические штифты, в некоторых случаях прикрепляется сетка-рабица, затем послойно укладывается огнеупорный волокнистый материал и закрепляется на штифте либо поворотной шайбой из жаростойкого металла, либо с помощью керамических кольца и колпачка [7].
Конструкция футеровки данного вида имеет некоторые недостатки:
— усадка наиболее нагретых слоев футеровки может приводить к разрыву слоев волокнистого материала;
— температура металлических штифтов в зоне крепления поворотных шайб или керамических колпачков может превышать предельно допустимую температуру службы металла штифта, что вызовет высокотемпературную коррозию штифтов и, как следствие, отрыв керамических колпачков или поворотных шайб и обрушение футеровки;
— назначение высоты печи по соображениям возможности монтажа футеровки, а не по соображениям эффективности нагрева.
Во втором случае футеровка рабочего пространства печей (стен, свода, заслонки) выполняется модульными блоками, изготовленными из огнеупорного волокнистого материала с классификационной температурой применения 1260 или 1430оС, в зависимости от рабочей температуры в печи. Крепление модульных блоков к каркасу печи осуществляется с помощью скрытых анкеров, изготовленных из жаростойкой стали. Металлические анкеры располагаются в менее нагретой части футеровки и защищены от воздействия высокой температуры и прямого контакта с рабочим пространством печи, поперечное расположение исключает разрыв наиболее нагретых слоев волокна. Металлоконструкции печей для монтажа модульных блоков могут выполняться в виде каркаса и кожуха, на который крепятся модульные блоки, или стены и свод печи могут выполняться из заранее футерованных панелей, которые и являются каркасом печи.
Фрагмент конструкции теплоограждения печи с послойной футеровкой огнеупорным волокнистым материалом представлен на рис. 2.
Футеровка выполняется из послойно укладываемых огнеупорных волокнистых материалов: для наименее нагретых слоев используются маты СегаЫапке^ для наиболее нагретых слоев используются маты СегаЛетЫапке!.
Для выполнения работы по монтажу футеровки к металлическому кожуху печи привариваются металлические штифты из стали А^1 314, прикрепляется сет-ка-рабица, затем послойно укладывается огнеупорный волокнистый материал; крепление слоев между собой и к кожуху печи осуществляется с помощью керамических кольца и колпачка, которые надеваются на штифт и фиксируются на нем с помощью соответствующих прорезей и выступов на колпачке и штифте. Отверстие в колпачке закрывается слоем волокнистого огнеупорного материала.
Фрагмент конструкции теплоограждения печи с футеровкой модульными блоками из огнеупорного волокнистого материала СегаЛетЫапке! показан на рис. 3.
Модульный блок состоит из уложенных слоями полос огнеупорного волокнистого материала (матов), в которых волокна ориентированы перпендикулярно поверхности футеровки. Модульные блоки крепятся к каркасу печи с помощью скрытых анкеров, изготовленных из стали 12Х18Н10Т, конструкция анкеров разработана специалистами ООО «Комас». Металлические анкеры располагаются в менее нагретой части футеровки и защищены от воздействия высокой температуры и прямого контакта с рабочим пространством печи.
38
научно-технический и производственный журнал
апрель 2016
1
1 Ш . [ =Г U1M - В- чн ш "-LI- V о Ю СО
\
3
4
Рис. 3. Фрагмент панельной конструкции футеровки с применением модульных блоков: 1 - металлический каркас; 2 - модульные блоки; 3 - прокладки из огнеупорных материалов СегасЬютЫапке^ 4 - анкер из стали 12Х18Н10Е
При изготовлении футеровочных блоков для подин и нижнего строения печей рекомендуется применять огнеупорные бетоны на высокоглиноземистом цементе. Фиксация блоков на раме подины или на кожухе печи может быть осуществлена при помощи бортового обрамления из листа, привариваемого к днищу рамы и по ее периметру, либо при помощи анкеров, привариваемых к раме или к кожуху печи. Температурные швы между блоками заполняются огнеупорным волокнистым материалом.
Для обеспечения высокой равномерности нагрева и охлаждения при организации избыточного давления или разрежения в рабочем пространстве печи необходимо обеспечить высокую степень газоплотности тепло-ограждающих конструкций. Так, для плотного соединения заслонки или парапета с передним фронтом печи с выкатным подом помимо механических прижимов в настоящее время применяют прижимы с электрическими, гидравлическими и пневматическими приводами. Для надежного уплотнения выкатного пода со стенами печи вместо традиционного песочного затвора применяют подъемный затвор с различными типами приводов либо осуществляют подъем корпуса печи во время движения пода и последующую его фиксацию в нижнем положении с установкой нижнего горизонта модульных блоков корпуса печи и заслонки на поверхности пода.
Безусловно, определяющим в обеспечении высокой равномерности температурного поля в рабочем пространстве печи является выбор правильной тепловой схемы и системы отопления. В настоящее время наиболее распространенным требованием заказчиков печей является применение импульсной системы отопления. Для этого в обжиговых печах предусматривают различные способы частотно-широтно-импульсных модуляций двухпозиционной подачи топлива, согласованные с текущим уровнем тепловой нагрузки; для исключения пульсаций давления в рабочем пространстве печи задают последовательность включения горелок в каждом периоде следования импульсов.
При этом период следования импульсов с достаточной для инженерных расчетов точностью можно определить из следующего выражения [8]:
пературы в рабочем пространстве печи минимальный период следования импульсов Ти определяется при пятидесятипроцентной тепловой нагрузке, соответствующей q=0,5, когда комплекс ^.(1^)}=0,25. В случае повышения или понижения нагрузки относительно пятидесятипроцентной период следования импульсов Ти увеличивают на ^.(1^)}. Например, при увеличении тепловой нагрузки до 95% ^=0,95) или ее снижении до 5% ^=0,05) период следования импульсов Ти увеличивают в 5,26 раза. При этом амплитуда колебаний температуры в рабочем пространстве печи остается неизменной во всем диапазоне изменения тепловой нагрузки.
Способ управления импульсной подачей топлива в термических печах позволяет существенно расширить диапазон управления тепловой нагрузкой пламенных печей без отключения горелок при значительном снижении тепловой нагрузки в нагревательных и термических печах в период выдержки и при проведении низкотемпературной тепловой обработки в термических печах.
Организованная последовательность включения горелок в каждом текущем цикле, согласованная с длительностью текущего периода следования импульсов и относительной длительностью текущего импульса, позволяет существенно повысить точность регулирования температуры в нагревательных и термических печах при переходных режимах. Существенное расширение диапазона управления тепловой нагрузкой за счет многократного увеличения периода следования импульсов позволяет работать в импульсном режиме «большого-малого огня» без отключения горелок, что существенно улучшает экологичность сжигания топлива, так как исключает образование всплеска вредных выбросов в момент включения горелок и выхода на стационарный режим [9].
Следует отметить, что система импульсного отопления не является панацеей для всех способов обжига. Так в начальные периоды сушки и подогрева керамики требуются иные подходы, например применение систем отопления с широким диапазоном регулирования коэффициента избытка воздуха для гарантированного обеспечения равномерного теплового поля во всем объеме печи при пониженных температурах истечения продуктов сгорания.
AT = K(T).q.(1-q).TH,
(1)
где ДТ — заданная амплитуда колебания температуры в рабочем пространстве печи, оС; К(Т) — коэффициент усиления линейной системы (печи) в зависимости от температуры, оС/с; q=ти/Tи — относительная длительность импульса (включения горелки); ти — длительность импульса (включения горелки), с; Ти — период следования импульсов, с.
При заданной максимально допускаемой по технологическим соображениям амплитуде колебаний тем-
Рис. 4. Рекуперативная горелка ООО «КОМАС» в работе
4
2
StrPâ^s
V1} /'! Г :Ог1 -У/ "■ ■ ] -"! научно-технический и производственный журнал
¡'"il ® апрель 2016 39
Одним из непременных требований к современным печам является высокая степень экономии топлива. Рекуперация теплоты отходящих дымовых газов особенно актуальна при работе горелок с высоким коэффициентом избытка воздуха на низкотемпературных режимах работы печи для обеспечения гарантированных качественных показателей термообработки изделий. В этих условиях горелки, оснащенные эффективными индивидуальными рекуператорами, обеспечивают экономию топлива до 40%. На рис. 4 представлена рекуперативная горелка ООО «КОМАС», обладающая широким диапазоном регулирования коэффициента избытка воздуха (до 10) и степенью рекуперации теплоты отходящих дымовых газов до 0,7.
Управления современными термическими печами строятся в виде трехуровневых систем [10]. На нижнем уровне находится распределенная система управления горелками, построенная с использованием микропроцессорных контроллеров; на втором уровне располага-
Список литературы
1. Курносов В.В., Шахов И.И. Технология скоростного обжига керамических изделий // Строительные материалы. 2001. № 2. С. 7.
2. Шахов И.И., Курносов В.В. Четырехкамерная печь для обжига керамических изделий // Строительные материалы. 2003. № 2. С. 24.
3. Ашмарин Г.Д., Курносов В.В., Ласточкин В.Г. Энерго- и ресурсосберегающая технология керамических стеновых материалов // Строительные материалы. 2010. № 4. С. 24-27.
4. Ашмарин Г.Д., Ласточкин В.Г., Синянский В.И., Илюхин В.В., Курносов В.В. Сокращение цикла термической обработки в технологии керамического кирпича компрессионного формования // Строительные материалы. 2013. № 4. С. 42-43.
5. Гришин И.Е., Горшков А.С., Губин Б.П. О повышении эффективности работы энергетических тепловых агрегатов за счет перспективы применения современных огнеупорных и теплоизоляционных материалов // Новые огнеупоры. 2007. № 12. С. 6-9.
6. Шахов И.И., Дорожкин А.А., Калинина Н.Н., Курносов В.В. Конструкции футеровок термических и нагревательных печей на основе волокнистых огнеупорных материалов. Труды III Международной научно-практической конференции: Металлургическая теплотехника: история, современное состояние, будущее. К столетию со дня рождения М.А. Глинкова. 2006.
7. Nevgen P., Richardson D. Unique anchor design produces improved refractory performance (Vhi — Gmbh). The Refractories Engineer. 2003. p. 38
8. Гречишников Я.М., Белов М.Л., Курносов В.В. Построение двухпозиционной системы с импульсной модуляцией для регулирования температуры пламенной печи // Кузнечно-штамповочное производство 1987. № 10.
9. Дорохина О.Г., Курносов В.В., Левицкий И.А. Математическое моделирование газодинамики и теплообмена в рабочем пространстве печи высокоточного нагрева при различных режимах работы горелочных устройств // Сборник научных трудов Sword. 2012. Т. 10.
10. Спирин Н.А., Лавров В.В., Рыболовлев В.Ю., Краснобаев А.В., Онорин О.П., Косаченко И.Е. Модельные системы поддержки принятия решений в АСУТП доменной плавки. Екатеринбург: УрФУ, 2011. 462 с.
ется центральный контроллер, управляющий процессом в целом; верхний уровень занимает промышленный компьютер, отвечающий за математическое обеспечение и диспетчеризацию процесса термообработки.
Выводы.
Изготовление камерных печей высокоточного обжига предполагает:
1) применение высокоэффективного керамоволокни-стого теплоограждения, обеспечивающего максимально возможную газоплотность рабочего пространства печи;
2) использование систем отопления на базе высокоскоростных горелок с широким диапазоном изменения коэффициента избытка воздуха;
3) высокоэффективную рекуперацию теплоты отходящих дымовых газов с применением горелок, оснащенных индивидуальными рекуператорами;
4) применение трехуровневой системы автоматического управления.
References
1. Kumosov V.V., Shakhov I.I. Technology fast firing ceramic products. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2001. No. 2, p. 7. (In Russian).
2. Shakhov I.I., Kurnosov V.V. Two-chamber furnace for firing ceramic products. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2003. No. 2, p. 24. (In Russian).
3. Ashmarin G.D., Kurnosov V.V., Lastochkin V.G. Energy and resources saving technology of ceramic wall materials. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2010. No. 4, pp. 24-27. (In Russian).
4. Ashmarin G.D., Lastochkin V.G., Sinyansky V.I., Ilyukhin V.V., Kurnosov V.V. Reduction of a cycle of thermal treatment in technology of ceramic brick compression moulding. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 4, pp. 43-44. (In Russian).
5. Grishin I.E., Gorshkov A.S., Gubin B.P. On increasing the energy efficiency of thermal units due to the prospects of the use of modern fire-resistant and heat-insulating materials. Novye ogneupory. 2007. No. 12, pp. 6-9. (In Russian).
6. Shakhov I.I., Dorozhkin A.A., Kalinina N.N., Kurnosov V.V. Construction linings of thermal and heating furnaces based fibrous refractory materials. Proceedings of the III International scientific-practical conference: Metallurgical heat engineering: history, current status and future. On the centenary of the birth of Glinkova M.A. 2006. (In Russian).
7. Nevgen P., Richardson D. Unique anchor design produces improved refractory performance (Vhi -Gmbh). The Refractories Engineer. 2003. p. 38.
8. Grechishnikov Ya.M., Belov M.L., Kurnosov V.V. Construction of a two-stage system with width modulation to control the temperature of the combustion furnace. Kuznechno-shtampovochnoe proizvodstvo. 1987. No. 10. (In Russian).
9. Dorokhina O.G., Kurnosov V.V., Levitskii I.A. Mathematical modeling of gas dynamics and heat transfer in the workspace precision heating furnace at various modes of burners. Sbornik nauchnykh trudov Sword. 2012. Vol. 10. (In Russian).
10. Spirin N.A., Lavrov V.V., Rybolovlev V.Yu., Krasno-baev A.V., Onorin O.P., Kosachenko I.E. Model'nye sistemy podderzhki prinyatiya reshenii v ASUTP domennoi plavki [Model decision support system in an automated blast furnace control system]. Ekaterinburg: UrFU. 2011. 462 p.
40
научно-технический и производственный журнал
апрель 2016
и; ®
