CC BY
77
УДК 662.741: 666.971.4
Пульсирующий режим во вращающихся печах
Э.Г. ТЕЛЯШЕВ, д.т.н., проф., директор И.Р. ХАЙРУДИНОВ, д.х.н., проф., гл.н.с. И.М. АРПИШКИН, к.т.н., начальник отдела
ГУП «Институт нефтехимпереработки РБ» (Россия, 450065, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Инициативная, д. 12). E-mail: [email protected] Б.С. ЖИРНОВ, д.т.н., проф., завкафедрой
Филиал ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» в г. Салавате (Россия, 453250, Республика Башкортостан, г. Салават, ул. Губкина, д. 22а/67). М.И. АРПИШКИН, студент
ФГБОУ ВО Уфимский государственный авиационный технический университет (Россия, 450008, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. К. Маркса, д. 12).
Рассмотрены вопросы, связанные с созданием пульсирующих режимов обжига сыпучих материалов во вращающихся печах, в частности особенности теплообмена в аксиальной цилиндрической вращающейся печи с сопряжениями; вопрос изменения размеров поперечного сечения в эллиптической печи. Предложены к рассмотрению вращающиеся обжиговые печи с пульсирующим режимом обжига сыпучих материалов с корпусом, выполненным в поперечном сечении: в виде цилиндрических участков в аксиальном исполнении с сопряжениями; в виде эллипса; в виде эллиптических участков в коаксиальном исполнении с сопряжениями.
Ключевые слова: вращающаяся печь, цилиндрический, эллиптический, участок, сопряжение, пульсирующий режим, поперечное сечение, обжиг, сыпучие материалы, холодный, горячий конец печи, профиль заполнения печи, степень заполнения сыпучим материалом, теплообмен, массообмен, конвективный.
низкая интенсивность теплообмена и ограниченные технологические возможности.
Известны вращающиеся печи для обжига сыпучего материала [4-6]:
• с образованием по наружной и внутренней поверхностям корпуса винтовых линий и винтовых поверхностей в виде карманов многоугольной формы, направленных в одну сторону [4] (рис. 2);
• наличием однонаправленных ломаных винтовых линий и одинаковых ломаных винтовых карманов треугольной формы [5];
• наличием многозаходной винтовой поверхности с винтовыми линиями по периметру и винтовыми поверхностями внутри корпуса [6];
• цилиндрический барабан печи расположен горизонтально и смонтирован из секций одинаковой площади, собранных по периметру из разнона-клоненных друг к другу равносторонних треугольников, соединенных между собой двумя сторонами [7].
Для обжига сыпучих материалов, для прокалки кокса используются вращающиеся печи [1-2]. Обычно печи имеют цилиндрическое сечение - внутреннее и наружное. Длина таких печей достигает 120 м.
Корпус вращающейся печи имеет уклон в 3-4°, в результате чего обрабатываемый материал под собственным весом движется по нижней образующей печи от холодного конца к горячему. По длине цилиндрической печи профиль и степень заполнения ее сыпучим материалом постоянны. Профиль заполнения печи и ее сечение показаны на рис. 1. Перемешивание обрабатываемого материала в таких печах происходит за счет его движения вдоль печи, а также за счет вращательного движения корпуса печи.
Существуют вращающиеся печи для обжига сыпучего материала [3], содержащие теплообменные устройства и винтовую вставку, размещенные в рабочем пространстве печи и снабженные винтообразным кольцом и кронштейнами, плоскость которых направлена вдоль образующей печи. Недостатком этих устройств является
Профиль заполнения сыпучим материалом цилиндрической печи
Вращающаяся печь с винтовой поверхностью
Рис. 1
Рис. 2
Винтовая поверхность в печах [4-6] усиливает перемешивающий эффект обрабатываемого материала, увеличивая интенсивность теплообмена и расширяя технологические возможности печи. Однако профиль и степень заполнения обрабатываемым материалом печи по длине остаются постоянными так же, как и в обычной печи. К другим недостаткам таких печей можно отнести сложность их изготовления и наличие мертвых зон в местах внутреннего сопряжения полос.
Увеличения интенсивности теплообмена обжиговой печи можно добиться, изменяя по длине профиль и степень ее заполнения, например выполнив печь:
• в виде цилиндрических участков в аксиальном исполнении с сопряжениями;
• с поперечным сечением в виде эллипса;
• в виде эллиптических участков в коаксиальном исполнении с сопряжениями.
Как и в обычной цилиндрической печи, стенки корпуса с внутренней части печи могут быть ровными, а корпус - иметь уклон в 3-4°. В таких печах возникает искусственная пульсация, изменяя режим тепло- и мас-сообмена при обработке сыпучих материалов.
На рис. 3 показан пример аксиальной цилиндрической вращающейся печи с сопряжениями.
Обработка сыпучего материала в печи происходит следующим образом. Корпус 1, смонтированный под углом 3-4°, начинает вращаться, сыпучие материалы подают через питательную трубу 4 (при помощи ковшовых или объемных дозаторов) в холодный конец печи. Со стороны головки 5 (горячий конец печи) в печь подают топливо и воздух. В результате сгорания топлива получаются горячие газы, поток которых направлен от горячего конца печи к холодному, навстречу движущемуся сырью. Частицы сыпучего сырья, находясь внутри цилиндрических частей 2 вращающегося корпуса 1, накапливаются в местах сопряжений 3, а затем скатываются лавинообразно вниз, таким образом осуществляется переменный режим перемешивания. Объем перерабатываемого материала и степень заполнения им в каждом сечении по длине цилиндрического участка печи 2 с сопряжениями 3 изменяется во времени по периодическому закону, как показано на рис. 4. Степень заполнения изменяется в объеме от прямой линии 1 до линии 2 (см. рис. 4, 5).
Сырье в слое печи нагревается путем конвекции от дымовых газов и радиации от факела и поверхности печи [2]:
Аксиальная цилиндрическая вращающаяся печь с сопряжениями:
1 - корпус, 2 - цилиндрические части печи со смещенными друг относительно друга центральными осями; 3 - сопряжения, 4 - питательная труба, 5 - головка
Изменение объема материала и степени заполнения цилиндрического участка печи с сопряжением по времени:
1 - заполнение участка печи в крайнем верхнем положении,
2 - заполнение участка печи в крайнем нижнем положении
Профиль заполнения цилиндрического участка печи с сопряжением
сЮ
СОк + сюр,
(1)
где Юк - количество теплоты, передаваемое конвекционным способом, Дж/с; Юр - количество теплоты, передаваемое радиантным способом, Дж/с.
Количество тепла СЮ, передаваемое от дымовых газов к слою сырья через элемент поверхности СГ, рассчитывается по уравнению [2]:
СОк = а-(Гг - ГЛСГ,
(2)
где ак - конвективный коэффициент теплоотдачи, кВт/(м2-К); ОщЦ
Тг - температура дымовых газов, К; Т - температура кокса, к определению площади теплообмена К; - поверхность теплообмена, м2.
Общая площадь теплообмена определяется периметром сектора, заполненного сырьем (рис. 6):
dF = (Lc + Lx)dl,
dF-
2-ж-R 360°
• 2 • arccos f | + 2^2-R-H - H2
2-ж • R-ш 2-ж • R (R-H
■■-- =--arccos I-
360° 360° f R
Lx = 2V2 • R-H - H2,
dl,
(3)
(4)
(5)
(6)
где Lc - периметр окружности печи занятой сырьем, м; Lх-длина поверхностной хорды участка печи, занятой сырьем, м; dl - дифференциал продольной координаты печи, м; R -внутренний радиус печи, м; ф - угол сектора, образованный радиусами к концам поверхностной хорды участка печи, град.; Н - высота слоя кокса в центре сектора, м.
В случае конвективного теплообмена:
dF = 2>/2-R-H -H2
dl.
Значение ак определяется по выражению:
Nu-X
D
(7)
(8)
„0,8 п0,8 л 0,8 1
: 0,0258• ——-D "D" = О)
360
+ (R - H )2-R-H - H2
R
(10)
и количество тепла dQ, передаваемое от дымовых газов к слою сырья через элемент поверхности dF конвективным теплообменом, рассчитывается по уравнению
Qk =0,02246 х
Л0,8
где N11 = 0,0258-Яе°'8; Яе = юО/р; О - эффективный диаметр сечения газового пространства печи, м; X - коэффициент теплопроводности дымовых газов, кВт/(м-К); ц - динамическая вязкость дымовых газов, кг/(м-с); ю - скорость дымовых газов, м/с.
3,Ш2-3,14-%- 2- arccos | + (R-H))2RH-H2 360 l R )
х(Тг -TK)(2j2RH-H2)L.
(13)
При R = 3, Тг = 1450 °С, Тк = 1300 °С, L = 1 м, ц = 1,67-10-5 кг/(м-с), X300K = 0,026 Вт/(м-К), Q = 100 м3/с:
Qk =
(37097,3466^6H - H2
Площадь свободного поперечного сечения печи равна площади поперечного сечения печи за вычетом площади поперечного сечения печи, занятого сырьем:
Э = 3,14-R2 -3,14-• 2-агссоэ^R-Н
28,26 - 0,157 arccos f j + (3 - H)^6H - H2 )
(14)
Величина QD - тепло радиации от поверхности стенок
печи, вычисляется по выражению
Qp =
Т 4 - Т 4
'flf (Тг
'Г ' l«'
-Тк),
(15)
Q
— =— = Si
Q
3,14• R2-3,14• 2- arccos(RHj + (R-H))2-R-H-H2 (Ii)
360
где Q - расход дымовых газов через сечение печи, м3/с. Тогда
а„ = 0,0258 х
Q
360"
3,14R2-3,14^4-2-arccosI | + (R-H))2RH-H2
RH R
•X
ц.°'820'2 R02
где С3 = 5,694-10-11 кВт/(м2-К4) - постоянная излучения абсолютно черного тела; е^ - приведенная степень черноты; F -поверхность теплообменника, м2; ф - угловой коэффициент излучения, определяется как отношение части окружности, не экранируемой коксом, к общей длине окружности, обычно ф = 0,8. Величина еу вычисляется по формуле
£v = 1/(1/£k + l/ег - 1),
(16)
,(12)
где ег = eCo + Ье^0; b - поправка на парциальное давление водяного пара, равная 1,08; = 0,15(РСО21/3Х1/2)Тг; еНг0 = 0,07РН2О°,81°,6Тг; PC02 и РНг0 - парциальные давления диоксида углерода и водяного пара, Па; l = V/S - толщина поглощающего газового слоя; V - объем, в котором заключен газ, м3; S - поверхность оболочки, ограничивающей объем газа, м2.
В случае радиального теплообмена поверхность теплообмена рассчитывается по формуле
dF = (Lx + Lc)dL. (17)
L
c
х
Рис. 7
Зависимость теплообмена от высоты слоя материала в печи
9000 -
1000 -
0 -
0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 Высота слоя материала, м
Рис. 8
Вращающаяся печь с эллиптическим сечением:
1 - корпус; 2 - питательная труба, 3 - головка
Рис. 9
К определению значения высоты слоя и длины поверхностной хорды сектора печи, занятого сырьем
Тогда количество тепла СЮр, передаваемого от дымовых газов к слою сырья через элемент поверхности СГ радиацией, рассчитывается следующим образом:
~Т'-(Тг-гк) = с5,(-Т4)г, (18)
г4
Qp = Cs Sv ф —
Tr - TK
Qp
CsSvФ(ТГ4 - t4)F,
Qp = CsSvф(тГ -T4)
2nR 360°
-arccos
R2 - 4HR + 2H21 R2
2V2RH-
H2
(19)
(20)
= пЯ2; (23)
Рц = 2-п-Я, (24)
где Я - внутренний радиус печи, м.
Площадь и периметр внутреннего сечения эллиптической печи определяется по формулам
5Э = п-а-Ь, (25)
ж-а-Ь + (а-Ь)2
Рэ = Г-
(26)
При R = 3, Тг = 1450 °С, Тк = 1300 °С, Cs = 5,69Г-10"11 кВт/ (м2-К4), L = 1 м, ф = 0,8, ev = 0,01, получаем:
Юр = 0,00166 ^0,105агссоз ^3-И+ 2^6И - И2 J. (21)
Общее количество тепла равно
Ю = Ок + Юр. (22)
Зависимость Юк, Ю Ю от Н представлена на рис. 7.
На рис. 8 показана вращающаяся печь с эллиптическим сечением обжиговой трубы печи.
Рассмотрим отличия процесса переработки сырьевого материала в эллиптической печи от печи с обычным сечением в виде окружности.
Площадь и периметр внутреннего сечения цилиндрической печи определяется по формулам:
a + b
a2 = b2 + с2, (27)
где a - 1/2 большой оси эллипса внутренней поверхности печи, м; b - 1/2 малой оси эллипса внутренней поверхности печи, м; с - фокальное расстояние (полурасстояние между фокусами) эллипса внутренней поверхности печи, м. Учитывая, что:
с = еа, (28)
где е - эксцентриситет, уравнения (25, 26) перепишутся в следующем виде:
^ _ (29)
Бэ =%•a• Va2 -е2 • a2
„2 „2
Рэ = Г
% • a^ Va2 -е2 • a2 +(a-s¡a2-e2 • a2)2
a Wa2 -e2 •a2
(30)
Тогда при условии
Я = а (31)
площадь и периметр внутреннего сечения эллиптической печи будут меньше площади соответствующей окружности, насколько - зависит от значения эксцентриситета.
Что при этом происходит с объемом перерабатываемого сырья? Принимая равные расходы перерабатываемого сырья для цилиндрического и эллиптического объемов печи, проанализируем влияние эксцентриситета на изменение размеров объема перерабатываемого сырья.
Если принять, что в цилиндрической печи перерабатывается сырья столько, что оно занимает сегмент сечения печи высотой Нц = 1/2Я, соответственно хорда поверхности сырья в печи будет равна Ьц = 1/2Я (рис. 9).
Тогда для эллиптической печи, находящейся в таком положении, что большая ось эллипса расположена по вертикали, высота сегмента сечения печи, занимаемая сырьем, будет равна:
а 1 2
Коаксиальная эллиптическая вращающаяся печь с сопряжениями:
1 - корпус, 2 - эллиптические части печи со смещенными друг относительно друга осями эллипсов, с центром, расположенным на центральной оси печи; 3 - сопряжения; 4 - питательная труба, 5 - головка
до значения
Нэв = —■
2
(32)
Нэ
U
b /
(37)
Соответственно хорда поверхности сырья в печи также будет равна:
Ь
U
-л-vi-е
2
(33)
Для эллиптической печи, находящейся в таком положении, что большая ось эллипса расположена по горизонтали, высота сегмента сечения печи, занимаемая сырьем, будет равна
няг=a /- 1
2
(34)
Соответственно хорда поверхности сырья в печи также будет равна
э =Ь /41-е. (35)
Если для цилиндрической печи величина юц = Нц/^ц = const постоянна по всей длине печи, то для эллиптической
печи величина юц цизменяется от значения
=^=a ■i. е2 =Т1Гё"
Lsr b
(36)
При условии вращения обжиговой печи длиной 60 м и углом наклона в 3° с частотой вращения 1 об/мин и временем пребывания перерабатываемого сырья около 40 мин величина ю изменится 40 раз.
Дополнительного изменения величины ю можно добиться, разбив печь на участки по длине, например на цилиндры в виде эллипсов в коаксиальном исполнении с сопряжениями, как показано на рис. 10.
Предполагается, что эллиптическое сечение печи с наличием сопрягающих участков должно обеспечить большее по сравнению с аксиальной цилиндрической печью увеличение интенсивности тепло- и массообмена. Дополнительное увеличение интенсивности перемешивания сыпучего материала происходит в местах сопряжений по подобию увеличения интенсивности тепло- и массообмена в аксиальной вращающейся печи.
Таким образом, предлагаем к рассмотрению вращающиеся обжиговые печи с корпусом, выполненным в поперечном сечении:
• в виде цилиндрических участков в аксиальном исполнении с сопряжениями,
• в виде эллипса,
• в виде эллиптических участков в коаксиальном исполнении с сопряжениями. НГХ
Рис. 10
е
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дуда В. Цемент: Пер. с нем. / Под. ред. Б.Э. Юдовича. М.: Стройиздат, 1981. 464 с.
2. Жирнов Б.С. Кинетические исследования и моделирование промышленных химико-технологических процессов с участием углерода //Уфа: ГУП ИНХП РБ, 2010. 188 с.
3. А.С. S №1322051. Вращающаяся печь для обжига сыпучего материала. Монтвила В.В. Оп. 07.07.1987.
4. Патент РФ № 2421669. Вращающаяся печь для обжига цементного клинкера. Белокур К.А., Серга Г.В. Оп. 20.06.2011.
5. Патент РФ № 2421670. Вращающаяся печь для обжига сыпучего материала для получения цементного клинкера. Белокур К.А., Серга Г.В. Оп. 20.06. 2011.
6. Патент РФ № 2424482. Вращающаяся печь для приготовления цементного клинкера (варианты). Белокур К.А., Серга Г.В. Оп. 20.07.2011.
7. Патент РФ № 2421671. Печь для обжига цемента. Белокур К.А., Серга Г.В. Оп. 20.06.2011.
A PULSATING MODE IN THE ROTARY KILNS
Telyashev E.G., Dr. Sci. (Tech.), Prof., Director Khairudinov I.R., Dr. Sci. (Chem.), Chief Researcher Arpishkin I.M., Cand. Sci. (Tech.), Head of Department
Institute of Petroleum Refining and Petrochemistry of RB (12, Iniciativnaya St., 450065, Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia). E-mail: [email protected]
Jirnov B.S., Dr. Sci. (Tech.), Prof., Head of Department
Branch Ufa State Petroleum Technological University (USPTU) (22A/67, Gubkin St., 453250, Salavat, Republic of Bashkortostan, Russia) Arpishkin M.I., student
Ufa State Aviation Technical University (USATU) (12, K. Marx St., 450008, Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia).
ABSTRACT
It is considered the issues associated with the creation of pulsating modes of roasting of bulk materials in the rotary kilns, in particular: the issue of heat transfer in the axial cylindrical rotary kiln with conjugations; the issue of changing the cross-sectional dimensions in the elliptical furnace. It is proposed the rotary kiln with a pulsating mode of roasting of bulk materials with a housing made in cross-section in the form of cylindrical sections in axial version with conjugations; in the form of ellipse; in the form of elliptical sections in coaxial execution with conjugations.
Keywords: rotary kiln, cylindrical, elliptical, phase, conjugation, pulsating mode, the cross section, roasting, bulk materials, cold and hot end of the kiln, the fill profile of the kiln, the degree of filling by bulk material, heat transfer, mass transfer, convective.
REFERENCES
1. Duda V. Tsement [Cement]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1981. 464 p.
2. Zhirnov B.S. Kineticheskiye issledovaniya i modelirovaniye promyshlennykh khimiko-tekhnologicheskikh protsessovs uchastiyem ugleroda [Kinetic studies and modeling of industrial chemical-technological processes with the carbon]. Ufa, GUP INKHP RB Publ., 2010. 188 p.
3. Montvila V.V. Vrashchayushchayasya pech' dlya obzhiga sypuchego materiala [Rotary kiln for roasting the bulk material]. Patent USSR, no. 1322051, 1987.
4. Belokur K.A. Serga G.V. Vrashchayushchayasya pech' dlya obzhiga tsementnogo klinkera [Rotary kiln for roasting cement clinker]. Patent RF, no. 2421669, 2011.
5. Belokur K.A. Serga G.V. Vrashchayushchayasya pech' dlya obzhiga sypuchego materiala dlya polucheniya tsementnogo klinkera [Rotary kiln for roasting the bulk material to produce cement clinker]. Patent RF, no. 2421670, 2011.
6. Belokur K.A. Serga G.V. Vrashchayushchayasya pech' dlya prigotovleniya tsementnogo klinkera (varianty) [Rotary kiln for making cement clinker (options)]. Patent RF, no. 2424482, 2011.
7. Belokur K.A. Serga G.V. Pech' dlya obzhiga tsementa [A kiln for cement roasting]. Patent RF, no. 2421671, 2011.
Неделя юфте переработки.
- м<"Пйг ~т
ЩШ
газа и нефтехимии в ; ^ L
Москве 2016 _ « - ■ ' т
19-23 сентября ■ Москва ■ Лотте Отель
Задачи и возможности развился газовой, нефтеперерабатывающей и нефтехимической отраслей России в современных меняющихся условиях
стсс aoie - гуу и химий - технологическая *0Hfj>epeHt(Hfl и эыстаька Росс™ н стран СИГ 19-го сентября acte 1 t toadp рыннри rñ:;s * Актувиьнам инфсомнцип * Синие; ■ rcj! w!? ^ñi но : ■ i lepaptiCcrr^s метанелн * вшафл^ 'i íHínaw * АН^ИГЕЬ- i" ЦЗРб&ЧШЩ » :JTL Мичш ■
Р2РТС 201в 15-я Конференции и выставка пи Тахк+оЛаГИЯМ ннфгехммии РйоСиИ и стпан СНГ 20-21 СЕНТЯБРЯ zote ■ Об:но[; ^чфтянимич«*:':^ рЫНЧОВ * Актуален ий информации по Крупнь гл мраочтшл ■ Новевшие тйхнйНвскйв peujewup дяи np0kí эввдетва влвфиНрн, талиолефкнеа. дроматцчваж)! углеводородов и их прпизвпдны*
rc3tc 2016 10-я Конференция и выставка по "е*+югн:гиям нефтепереработки России и игран ОН1 22-23 сентября 10к • OÉaoq рыикйи • Актуальная информации < и крупным i po+KiuM • Операционная ¿ффек i яность * Ноовйаш твхничаацнв разрабтки для П[*эиэвйЯС™е ЧИСТЫХ тоггпин И переработки нетртчныл остатков
СПОНСОРЫ:
■ION L UL" Ifi ¡ FNÍl-MFFFtí
. Honeywell; KBR
Axe ns - -
яу i i ' i UOp
ЩЩ О CRITERION
______,________С,-....»H
E^ortHobiJ ,,/Badgtr
