CC BY
304
Цыдыпов Шулун Балдоржиевич, доктор технических наук, заведующий кафедрой общей физики, Бурятский государственный университет, e-mail: shulun@bsu.ru
Герман Евгений Иванович, преподаватель, кафедра общей физики, Бурятский государственный университет, e-mail: net-admin@list.ru
Tsydypov Shulun Baldorzhievich, doctor of technical sciences, Head of Department of General Physics, Buryat State University, e-mail: shulun@bsu.ru
Herman Evgeny Ivanovich, lecturer of general physics chair, Buryat State University, e-mail: net-admin@list.ru
УДК 62-63 © С.Л. Буянтуев, А.С. Кондратенко, С.А. Цыренов
РАСЧЕТ ПРОЦЕССА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАВКИ БАЗАЛЬТА СЕЛЕНДУМСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Рассматривается механизм плавления базальта с помощью электромагнитного технологического реактора. Проводится анализ температурных и фазовых превращений сырья при его нагревании вплоть до плавления, а также определение удельных энергозатрат с помощью обобщенной модели термодинамического анализа ТЕРРА.
Ключевые слова: базальтовое сырье, электромагнитный технологический реактор, равновесный состав, температурные и фазовые превращения, определение удельных энергозатрат.
S.L. Buyantuev, A.S. Kondratenko, S.A. Tsyrenov
CALCULATION OF HIGH-TEMPERATURE MELTING BASALT OF THE SELENDUME DEPOSIT
Mechanism of basalt melting with the help of an electromagnetic technological reactor ia considered. The analysis of the temperature and phase transformations of the raw materials when heated up to the melting point, and the definition of specific energy consumption by using a generalized model of the thermodynamic analysis of TERRA is conducted.
Keywords: basalt raw materials, electromagnetic technological reactor, equilibrium composition, temperature and phase transformations, definition of specific energy consumption.
Потребность различных отраслей промышленности в теплоизоляционных строительных материалах постоянно возрастает. На сегодняшний день наибольшее применение находят теплоизоляционные материалы на основе минеральных волокон [1]. Для получения силикатных расплавов в минераловатном производстве применяют различные типы плавильных печей, различающиеся по принципу сжигания топлива, зависящего от его вида: шахтные (вагранки), ванные, электродуговые, индукционные. Одним из перспективных направлений в этой области является применение электротермического метода для плавления исходного сырья с целью получения теплоизоляционных волокнистых материалов.
В работе представлены данные по экспериментальному получению расплавов из базальта с применением в качестве плавильного аппарата электромагнитного технологического реактора [2].
Процесс производства минеральных волокон состоит из двух основных стадий - получения гомогенного сырьевого расплава и его раздува в волокна. Для получения расчетно-теоретических и экспериментальных результатов по плавлению базальта с определением оптимальных технологических режимов при получении расплавов и волокон необходимо проведение расчетов процесса высокотемпературной плавки (переработки) рассматриваемого сырья. При изучении механизма плавления сырья с помощью электромагнитного технологического реактора использована среда моделирования в виде компьютерной программы ТЕРРА для расчетов процессов плавления базальта [3].
Описываемый программный комплекс позволяет моделировать предельно равновесные состояния и реализует созданный для него метод и алгоритм расчетов. Для каждого вещества набор свойств должен состоять из его химической формулы, пределов аппроксимации термодинамических функций Tmin, Tmax, семи коэффициентов для приведенного термодинамического потенциала Ф1 (T) (ф1 - ф1), стандартной энтальпии образования Hf0 (298). Каждому индивидуальному веществу, находящемуся в базе данных программного комплекса ТЕРРА, соответствует один или несколько комплектов свойств, в которые помимо перечисленных термодинамических функций входят параметры функций Леннарда-Джонса для расчета теплофизических констант (коэффициенты теплопроводности, вязкости, диффузии) многокомпонентных газовых смесей.
Удельные энергозатраты на процесс термообработки состоят из затрат энергии на нагрев сырья до заданной температуры и плавления, приводящего к химическим превращениям, для установления термодинамического равновесия в системе. Выражение для имеет вид:
Оуд = 1равн -1исх, кВт-ч/кг, (1)
С.Л. Буянтуев, А. С. Кондратенко, С.А. Цыренов. Расчет процесса высокотемпературной плавки базальта Селендумского месторождения_
где 1исх и 1равн - полная энтальпия, отнесенная к 1 кг рабочего тела (шихта + окислитель), находящегося в исходном и равновесном (после всех превращений) состояниях.
Для конкретных термодинамических систем значение 1равн вычисляют методами химической термодинамики многокомпонентных гетерогенных систем с помощью программы ТЕРРА.
Энтальпия исходного сырья может быть записана выражением:
1исх = АН°£(То)исх + , (2)
где ЛН°^Т0)исх - стандартная теплота образования рабочего тела, Т0 = 298,15 К - стандартная температура; Тисх - исходная температура процесса, при которой реагенты поступают в зону реакции.
При равенстве Тисх = Т0, выражение будет иметь вид:
1исх = ЛН°К298)Исх. (3)
Тогда необходимо по справочным данным определить 1исх системы. Для этого производится суммирование энтальпий образования всех компонентов, входящих в состав сырья (базальт, золошлак):
АН°({298)исх = ЛН°£<298)3102 + ЛН°£<298)А12оз + ЛН°£<298)Т1о2 + ЛН°£<298)Ре2о3 + ЛН°(<298)сао + ^298^0 + ЛН°£<298)№20 + ДН°£(298)к2о +АН°£(298)мпо + АН°£(298)р205 + АН°г(298)3оз.
Определяя энтальпию образования компонентов системы по вышеприведенной зависимости получаем значение 1исх = 112074,3 кДж/кг.
При вычислении Qуд необходимо также учитывать массовые доли входящих в состав компонентов [4].
Итак, исходным материалом является базальт Селендумского месторождения, массовые доли образующих его состав компонентов распределяются следующим образом: 8Ю2 = 0,4812; А12о3 =0,1387; ТЮ2 = 0,0293; Бе2о3 = 0,0528; Бео = 0,0674; Сао = 0,0880; = 0,0375; №2о = 0,0337; К2О = 0,0172; Р2о5 = 0,0078; 8о3 = 0,0021; Мпо = 0,17.
Определяем Qуд (кВт*ч/кг) и рассчитываем минимально вкладываемую электрическую мощность Рэл, кВт: результаты термодинамического расчета полной энтальпии 1равн, количества конденсированной фазы Ъ (%), а также равновесного состава с помощью программы ТЕРРА представлены на рис. 1 а, б; 2 и табл. 1, 2.
Таблица 1
Зависимость удельных энергозатрат от температуры плавления базальта
T, °C 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000
буд, кВт*ч/кг 0,40 0,685 0,98 1,37 1,71 1,874 1,96 2,07 2,16 2,32 2,76
P, кВт - 70,3 81,4 98,1 114,75 148,1 159,2 187 200 225,9 292
А
Б
Рис. 1 Полная энтальпия плавления (А) и количество конденсированной фазы (Б) Селендумского базальта
Рис. 2 Состав конденсированной фазы базальта Селендумского месторождения
Как показали расчеты, в конденсированной фазе, в области температур Т=1000-1800°С концентрация оксида кремния 8Ю2 монотонно возрастает с 26,5 до 31,4%, затем при Т=2000°С снижается до 27,4% в связи с ростом концентрации Са8Ю3 и при Т=3000°С составляет 26,6%, а оксида алюминия А1203 остается практически постоянной и составляет 14,4%. Моносиликат кальция Са8Ю3 в интервале температур 1400-1800°С уменьшается до 12,6%, что связано с появлением в этом интервале СаТЮ3 (5,2%) и с падением до нуля концентрации ТЮ2. Затем происходит постепенное увеличение концентрации Са8Ю3 и при 2000°С она равна первоначальному значению. Это вызвано тем, что при температуре 2000°С происходит образование М^Т1205 с концентрацией 3,8%, что объясняется появлением при данной температуре СаТЮ3 (1,2%). Концентрация MgSi03 - 9,7%, а затем при 1800°С падает до нуля. Это связано с появлением Mg2Si04. При 2000°С концентрация MgSi03 выравнивается и составляет 7,8%. При нагреве до температуры 1600°С наблюдается окисление Ре+3 до Бе+4, затем при температуре 2800°С происходит процесс восстановления катиона Бе+4 до Бе+2 и при 3000°С - его переход в Ре^Ю4, но все же, как следует из состава конденсированных фаз, при 3000 °С происходит восстановление 1% Бе. Полученный железный сплав, обладая значительно большей плотностью, чем расплав, собирается на дне плавильного аппарата. Данное превращение становится возможным не только из-за влияния температуры, но и под действием электрического тока (протекающего в расплаве), являющегося мощным восстановителем [5, 6].
Таблица 2
Состав конденсированной фазы базальта Селендумского месторождения
Температура нагрева, °С Состав базальта, %
Si02 А1203 Бе203 ТЮ2 CaSi0з СаТЮз MgSi0з K.2Si409 Ка^205
1000 26,5 14,48 13,3 3,0 17 - 9,7 5,4 7,7
1200 26,5 14,48 13,3 3,0 17 - 9,7 5,4 7,7
1400 28,8 14,48 13,3 - 12,5 5,2 9,7 5,4 7,7
1600 28,8 14,48 13,3 - 12,5 5,2 9,7 5,4 7,8
1800 31,5 14,48 Бе304 12,8 12,5 5,2 Mg2Si04 6,8 5,4 8,2
2000 27,4 14,48 12,8 - 17,5 - 7,8 5,2 8,1
2200 27,4 14,48 12,8 - 19,5 - 7,8 4,4 7,7
2400 27,4 14,48 12,8 - 19,5 - 7,8 4,5 7,6
2600 27,4 14,48 12,8 - 19,5 - 7,8 4,5 7,5
2800 27,8 14,48 Бе0 12,0 - 19,5 - 7,8 4,3 7,0
3000 26,6 14,48 Ге^Ю4 15,7 19,5 7,8 1,2
Рис. 3. Температурная зависимость удельных энергозатрат при плавлении базальта
Зависимость удельных энергозатрат от температуры представлена в табл. 1 и на рис. 3. Таким образом, резюмируя содержание статьи, необходимо отметить, что определены диапазон температур и удельные энергозатраты высокотемпературной переработки (плавки) базальта. Как показал анализ, оптимальный температурный диапазон плавления данных материалов находится в пределе 1600-2200 °С, а удель-
Б.И. Михайлов и др. Получение синтез-газа с заданным СО-водородным числом
ные энергозатраты в среднем составляют 1,1-1,3 кВт^ч/кг. Из экспериментальных данных следует, что мощность установки в зависимости от состава сырья варьирует от 65 до 200 кВт, при производительности по расплаву равной 150 кг/ч [7]. Данные по мощности электродугового плазменного реактора, вычисленные с помощью термодинамического расчета, согласуются с экспериментальными данными. Так, хорошая текучесть расплава базальта без подшихтовки наблюдалась при температуре 2000°C. Измерение проводилось на выходе струи из летки с помощью оптического инфракрасного пирометра. При этом электрическая мощность реактора при плавлении находилась в интервале 65-200 кВт. Данные по удельным энергозатратам относятся только к расплаву, а потому не включают в себя затраты на скрытую теплоту плавления, работу вспомогательного оборудования и другие факторы.
Литература
1. Попова В.В. Материалы для теплоизоляционных работ. - М.: Наука, 1978. - С. 20-37.
2. Буянтуев С.Л., Малых А.В., Пашинский С.Г., Иванов А.А., Китаев В.В. Патент РФ на изобретение №2432719. Электромагнитный технологический реактор. 27.10.2011 Бюл. №21.
3. Трусов Б.Г. Программный комплекс TERRA для расчета плазмохимических процессов // Матер. 3 межд. симп. по теоретической и прикладной плазмохимии. - Плес, 2002. - С. 217-218.
4. Ватолин Н.А., Трусов Б.Г., Моисеев Г.К. Термодинамическое моделирование в высокотемпературных неорганических системах. - М.: Металлургия, 1994. - 175 с.
5. Применение ЭВМ для термодинамических расчетов металлургических процессов / Г.Б. Синярев, Н.А. Ватолин, Б.Г. Трусов, Г.К. Моисеев. - М.: Наука, 1982. - С. 263.
6. Кубасов В. Л., Банников В.В. Электрохимическая технология неорганических веществ. - М.: Химия, 1989. - 288 с.
7. Буянтуев С. Л., Кондратенко А.С. Исследование физико-химических свойств минеральных волокон, полученных с помощью электромагнитного технологического реактора // Вестник ВСГУТУ. - 2013. - №5 (44). - С. 123-129
Буянтуев Сергей Лубсанович, доктор технических наук, профессор, кафедра машиноведения, Бурятский государственный университет, e-mail: buyantuevsl@mail.ru
Кондратенко Анатолий Сергеевич, инженер, кафедра машиноведения, Бурятский государственный университет.
Цыренов Солбон Аюрович, инженер, кафедра машиноведения, Бурятский государственный университет.
Buyantuev Sergei Lubsanovich, doctor of technical sciences, professor, Department of machines, Buryat State University, e-mail: buyantuevsl@mail.ru
Kondratenko Anatoly Sergeevich, engineer, Department of machines, Buryat State University.
Tsyrenov Solbon Ayurovich, engineer, Department of machines, Buryat State University.
УДК 537.534 © Б.И. Михайлов, С.Л. Буянтуев, А.Б. Михайлов, А.Б. Хмелев
ПОЛУЧЕНИЕ СИНТЕЗ-ГАЗА С ЗАДАННЫМ СО-ВОДОРОДНЫМ ЧИСЛОМ
Рассмотрены особенности получения синтез-газа с заданным СО-водородным числом, а также анализ результатов экспериментов с получением синтез-газа на плазменной газогенераторной установке. Приведены расчетные данные проводимых экспериментов.
Ключевые слова: синтез-газ, плазменная газификация углей, теплофизические параметры, оптимизация процесса газификации.
B.I. Mikhailov, S.L. Buyantuev, A.B. Mikhailov, A.B. Khmelev
OBTAINING SYNTHESIS-GAS WITH A GIVEN CO-HYDROGEN NUMBER
The distinctive features of the synthesis-gas production with a given number of CO-hydrogen, as well as the analysis of theresults of the experiments to produce synthesis-gas on the plasma gas generator were considered. The calculated data of the experiments are given.
Keywords: Synthesis-gas, plasma gasification of coal, thermal parameters, optimization of the gasification process .
Немецкий химик Ф. Фишер получил, сжигая СН4 в кислороде, газ, состоящий из моноокиси углерода и водорода (СО+Н2), названный им синтез-газом, поскольку из него синтезируются некоторые вещества:
СН4+ 1/2О2=СО+Н2+Н2О.
