CC BY
12
УДК 691.574:66.013 © А.К. Кайракбаев, В.З. Абдрахимов, 2019
Исследование тепломассообменных процессов при обжиге керамических материалов с применением золошлакового материала Западного Казахстана
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-9-70-72
КАЙРАКБАЕВ А.К.
Канд. физ.-мат. наук, доцент Актюбинского
университета имени С. Баишева, 030009, г. Актобе, Республика Казахстан, e-mail: [email protected]
АБДРАХИМОВ В.З.
Доктор техн. наук, профессор Самарского государственного экономического университета, 443090, г. Самара, Россия, e-mail: [email protected]
Исследования показали, что наибольшее значение коэффициента эффективной температуропроводности (аэф) керамических ма териалов с применением золошлакового ма териала лежит в интервалах температур, где интенсивность физико-химических процессов более значительна. Эти зоны соответствуют наиболее сложным условиям обжига, так как, чем ниже коэффициент температуропроводности, тем медленнее прогревается изделие. Наиболее сложные условия обжига образцов с применением золошлакового материала происходят в интервале 960-1050°С. В этом интервале температур начинается наиболее интенсивное уплотнение черепка, появление жидкой фазы, анортита, гематита и других минералов. Ключевые слова:легкоплавкая глина, золошлаковый материал, керамические материалы, обжиг, тепломассо-обменные процессы.
ВВЕДЕНИЕ
Физико-химические процессы при обжиге керамических материалов с применением отходов энергетики существенно отличаются от аналогичных процессов, происходящих при использовании традиционного природного сырья [1, 2]. Эти отличия обусловлены наложением дополнительных эффектов на известные, что чрезвычайно осложняет исследование новых материалов.
Согласно термодинамике необратимых процессов, скорость у каждого из этих потоков (тепла и массы) будет зави-сить не только от сопряженной термодинамической силы, но также и от налагающих явлений. В связи с этим по специальной методике, представленной в работах [1, 2], изучен тепломассообмен.
ЭКПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Для получения керамических образцов использовались сырьевые материалы Западного Казахстана. В качестве связующего использовалась легкоплавкая глина Илекско-го месторождения Актюбинской области), а в качестве ото-щителя и выгорающей добавки использовался золошлаковый материал АО «Актобе ТЭЦ». Химический состав сырьевых материалов представлен в табл. 1.
В экспериментах использовали образцы, приготовленные методом пластического формования из смесей следующих составов, %:
- состав № 1 легкоплавкая глина - 100;
- состав № 2 легкоплавкая глина - 70, золошлаковый материал - 30;
- состав № 3 золошлаковый материал - 98, ССБ (сульфитно-спиртовая барда) - 2.
Экспериментальная методика исследования построена на основе решения дифференциального уравнения переноса тепла, осложненного массообменном, при фазовых и химических превращениях, протекающих в материале. Для керамических материалов, имеющих в своем составе золош-лаковый материал с повышенным содержанием органики (п.п.п., см. табл. 1), это уравнение имеет следующий вид [1, 2]:
суод/дг) + Х(т/дх2) + уо(рг - р)ди/дх, (1)
где с - удельная теплоемкость обожженного материала; уо - плотность образца; 1 - коэффициент теплопроводности материала; рг - теплота горения органических веществ в сырьевом материале; рх - теплота химических превращений.
После несложных преобразований уравнения (1) с учетом градиента массы по времени, представляющего собой сложную зависимость [1, 2]:
ди/дг = (дыЩ'(дШ), (2)
получим классическое уравнение теплопроводности Фурье с эффективным коэффициентом температуропроводности [1, 2]:
д/Удг = аф\т/дх2). (3)
Эффективный коэффициент температуропроводности
эф
(у/сэф)уо , а эффективная теплоемкость равна: с
эф
с + (рх - р)ди/дт.
Решение уравнения (3) получено путем записи температурных полей модельных образцов из составов № 1, № 2, № 3 по методике работ [1, 2] на специальной установке.
С началом термической обработки до 180°С из образцов составов № 1, № 2, № 3 выделяется остаточная вода (первый эффект). Второй эффект (570-770°С) наблюдается у составов № 1, № 2, он связан с отщеплением и удалением из глинистого материала химически связанной (кристаллогидратной)
Таблица 1
Химический состав сырьевых материалов
Сырьевые материалы Содержание оксидов, мас. %
I SiO2 AI2O3 I Fe2O3 I CaO I M9O I SO3 R2O I П.п.п.
Легкоплавкая глина 47-49 17-18 8-9 2-3 2-3 0,1-0,2 2-3 12-14
Золошлаковый материал 45-48 15-17 7-8 4-5 2-3 0,1-0,3 2-4 19-21
П.п.п. - потери при прокаливании; R2O = Na2O + K2O
воды, входящей в состав глинистых минералов: гидрослюды - К (А1, Мд, Ре)2-3 (Б14-хАЮ10МОН)2пН2О, где х < 0,5, п < 1,5 (общая формула), и монтмориллонита [ф,А1)4О10] (0Н)2пН20. При температуре 200-800оС начинается выделение летучей части органических примесей глины и введенных в состав массы выгорающих добавок, а так же окисляются органические примеси в пределах температуры их воспламенения.
При термообработке образцов состава № 3 около 450°С появляется экзотермический эффект, связанный с процессом горения ССБ. Сульфитно-спиртовая барда (ССБ) -жидкость с резким запахом, сильнокислой реакцией рН = 1,0-1,5. ССБ (% по массе): 10-14% органических веществ, в том числе 7-10% лигносульфонатов и 3-4% моносахаридов (в основном ксилоза, галактоза, глюкоза), летучие органические кислоты (уксусная и муравьиная в соотношении 10:1; их количество в сульфитном щелоке из хвойной древесины дости гает 10-15% от содержания сахаров, из л иствен-ной - 30-45%), минеральные кислоты (преимущественно серная и сернистая), остальное - вода и другие примеси.
При 800-950°С наблюдается относительная интенсификация процессов выгорания органики в составах № 1, № 2, № 3, что объясняется ускорением перемещения зоны горения внутрь образца с началом вторичной реакции:
С + СО ^ 2СО2.
При этом тепловой поток направлен из центра к поверхности < ( ). Скорость выгорания углистого остатка определяется самым медленным процессом - диффузией кислорода через слой керамики [3, 4, 5]. Кислород вступает в соединение с углеродом по следующим реакциям:
С + О2 = СО2 + 97650 кДж;
2С + О2 = 2СО + 58860 кДж.
Наличие внутри керамического образца кокса при недостатке кислорода приводит к восстановлению СО2 до оксида углерода по реакции:
С + СО2 = 2СО - 38750 кДж.
На дифференциальных кривых нагрева образцов состава № 1 при температуре 900оС резко искажается экзотермический эффект, связанный с выгоранием органики. Показания дифференциальных кривых нагрева образцов составов № 1, № 2, № 3 в интервале температур 950-1050оС резко искажаются экзотермическим эффектом (экзотермический эффект сопровождается выделением теплоты), который связан с выгоранием органики. Наложение этих процессов заметно по кинетике массообмена исследуе-
Таблица 2
Расчет коэффициента и критерия Фурье переноса массы исследуемых образцов состава 2
Интервал температур, °С Время процесса, мин а -104, эф ' м2/ч Критерий Фурье переноса массы
570-770 80 1,05 0,18
800-950 80 0,65 0,12
960-1050 80 0,195 0,135
мых образцов из составов № 1, № 2, № 3. Показания дифференциальных кривых нагрева относительно механизма горения углерода в теле (постепенное углубление зоны горения внутрь образца) подтверждаются при осмотре и сравнении обожженных образцов в поперечном разрезе. Результаты определения термических характеристик оптимального состава № 2 для производства керамических материалов приведены в табл. 2.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Как следует из табл. 2, термические характеристики образцов состава № 2 в процессе нагревания изменяются в широких пределах, что необходимо учитывать при расчете рациональных режимов обжига керамических изделий. Наибольшее значение коэффициента эффективной температуропроводности (аэф) материалов лежит в интервалах температур, где интенсивность физико-химических процессов наиболее значительна [1, 2]. Эти зоны соответствуют наиболее сложным условиям обжига, так как, чем ниже коэффициент температуропроводности, тем медленнее прогревается изделие. Из табл. 2 видно, что наиболее сложные условия обжига образцов в интервале температур 960-1050оС. В этом интервале температур начинаются наиболее интенсивное уплотнение черепка, появление жидкой фазы, анортита, гематита и других минералов.
ВЫВОДЫ
Проведенные исследования позволяют регулировать процессы обжига с учетом изменения эффективных термических характеристик керамических материалов с применением нефтяного шлама. Термические характеристики образцов из оптимального состава в процессе нагревания изменяются в широких пределах, что необходимо учитывать при расчете рациональных режимов обжига керамических изделий. Наибольшее значение коэффициента эффективной температуропроводности (аэф) материалов лежит в интервалах температур, где интенсивность физико-химических процессов более значительна. Эти зоны соответствуют наиболее сложным условиям обжига, так как, чем ниже коэффициент температуропроводности, тем медленнее прогревается изделие. Наиболее сложные условия обжига образцов в интервале температур 960-1050оС. В этом интервале температур начинаются наиболее интенсивное уплотнение черепка, появление жидкой фазы, анортита, гематита и других минералов.
Список литературы
1. Сайбулатов С.Ж., Сулейменов С.Т., Ралко А.В. Золокера-мические стеновые материалы. Алма-Ата: Наука, 1982. 292 с.
2. Сулейменов С.Т. Физико-химические процессы струк-турообразования в строительных материалах и минеральных отходов промышленности. М.: Монускрип, 1996. 298 с.
3. Абдрахимов В.З., Абдрахимова Е.С., Абдрахимова И.Д. Исследования состава выделяющихся газов и пористости
при термообработке теплоизоляционного материала на основе нефтяного шлама и межсланцевой глины // Бурение и нефть. 2018. № 5. С. 7.
4. Абдрахимова Е.С., Абдрахимов В.З. Исследование процессов горения при обжиге теплоизоляционного материала
из техногенного сырья цветной металлургии и энергетики // Журнал прикладной химии. 2012. Т. 85. Вып. 8. С. 1247-1252.
5 Абдрахимов В.З., Рощупкина И.Ю., Абдрахимова Е.С. Процессы горения углерода при обжиге теплоизоляционного материала из отходов горючих сланцев // Кокс и химия. 2012. № 11. С. 35-41.
MINERALS RESOURCES
UDC 691.574:66.013 © A.K. Kairakbaev, V.Z. Abdrakhimov, 2019
ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2019, № 9, pp. 70-72 DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-9-70-72
Title
THE STUDY OF HEAT AND MASS TRANSFER PROCESSES DURING FIRING
OF CERAMIC MATERIALS USING OF ASH AND SLAG MATERIAL OF WESTERN KAZAKHSTAN
Authors
Kairakbaev A.K.1, Abdrakhimov V.Z.2
1 Baishev University Aqtobe, Aqtobe city, 030000, Republic of Kazakhstan
2 Samara State University of Economics, Samara, 443090, Russian Federation
Authors' Information
Kairakbaev A.K., PhD (Physico-mathematical), Associate Professor, e-mail: [email protected]
Abdrakhimov V.Z., Doctor of Engineering Sciences, Professor, e-mail: [email protected]
Abstract
Studies have shown that the highest value of the coefficient of effective thermal diffusivity (a ) of ceramic materials using ash-slag material lies in the temperature ranges, where the intensity of physical and chemical processes are more significant. These zones correspond to the most difficult conditions of firing, since the lower the coefficient of thermal conductivity, the slower the product warms up. The most difficult conditions for firing samples using ash-slag material occurs in the range of 960-1050°C. In this temperature range begins the most intense compaction of the shard, the appearance of the liquid phase, anorthite, hematite and other minerals.
Keywords
Fusible clay, Ash-slag material, Ceramic materials, Firing, Heat and mass transfer processes.
References
1. Saybulatov S.J., Suleimenov S.T. & Ralko A.V. Zolokeramicheskie stenovye mate-rialy [Raw meal zolokeramicheskih wall materials]. Alma-Ata, Nauka Publ., 1982, 292 p. (In Russ.).
2. Suleimenov S.T. Fiziko-himicheskie processy strukturoobrazovaniya vstroitel'nyh materialah i mineral'nyh othodovpromyshlennosti [Physical and chemical processes of structure formation in building materials and mineral waste industry]. Moscow, Manuscript Publ., 1996, 298 p. (In Russ.).
3. Abdrakhimov V.Z., Abdrakhimova E.S. & Abdrakhimova I.D. Issledovaniya sostava vydelyayushchihsya gazov i poristosti pri termoobrabotke teploizolya-cionnogo materiala na osnove neftyanogo shlama i mezhslancevoj gliny [Studies of the composition of released gases and porosity during heat treatment of heat-insulating material based on oil sludge and inter-shale clay]. Burenie i net - Drilling & oil, 2018, No. 5, pp. 7. (In Russ.).
4. Abdrakhimova E.S. & Abdrakhimov V.Z. Issledovanie processov goreniya pri obzhige teploizolyacionnogo materiala iz tekhnogennogo syr'ya cvetnoj metal-lurgii i energetiki [Study of combustion processes during firing of heat-insulating material from technogenic raw materials of non-ferrous metallurgy and energy]. Zhurnalprikladnoy himii - Journal of applied chemistry, 2012, Vol. 85, Issue 8, pp. 1247-1252. (In Russ.).
5 Abdrakhimov V.Z., Roshchupkina I.Yu. & Abdrakhimov E.S. Processy goreniya ugleroda pri obzhige teploizolyacionnogo materiala iz othodov goryuchih slancev [Processes of combustion of carbon in the burning of thermal insulation material from waste of oil shale]. Koks i himiya - Coke and chemistry, 2012, No. 11, pp. 35-41. (In Russ.).
Received August 3,2019
Лучшие методики - на вооружении службы экологической безопасности АО «ММТП»
Специалисты службы экологической безопасности АО «Мурманский морской торговый порт» (ММТП) Анастасия Новикова и Дарья Шендель прошли обучение в Институте экологии ИПК «Интеграл» - одном из ведущих научно-образовательных центров Российской Федерации, специализирующихся в области промышленной экологии, природопользования и экологического проектирования.
Предметом изучения стали новейшие специализированные программы серии «Эколог», разработанные Интегралом: АЗС-эколог, РВЖД-эколог, РНВ-эколог, АТП-эколог, Дизель, Котельные, Сварка и др. В настоящее время предложенные компанией методики считаются наиболее современными, и только сделанные на их базе расчеты принимаются в органах надзора по всей России.
«Наша группа состояла из представителей разных городов России: Москвы, Волгограда, Нижнего Новгорода, Читы. Было важно и интересно пообщаться с людьми, которые говорят с тобой на одном языке, поделиться професси-
СУЭК
СИБИРСКАЯ УГОЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ КОМПАНИЯ
ональным опытом работы экологов из разных регионов страны», - рассказала Анастасия Новикова.
Было отмечено, что проблемы, решаемые экологами по всей стране, схожие. Прежде всего, они связаны с изменениями в действующем законодательстве. Например, это касается появления региональных операторов по обращению с твердыми коммунальными отходами. Благодаря такому профессиональному общению появляется возможность перенять наилучший опыт и применить его в практической деятельности.
«Важно, что АО «ММТП» идет в ногу со временем. Мы применяем самые современные методы в своей деятельности, а также обмениваемся опытом с коллегами по всей стране. Мы единственные реализуем столь масштабные проекты, как строительство пылеветрозащитных экранов, и было чувство гордости за нашу работу», - отметила Анастасия Новикова.
По итогам обучения сотрудники АО «ММТП» получили соответствующие удостоверения.
