CC BY
24УДК 691.42
В.В. КУРНОСОВ, канд. физ.-мат. наук (kbb@komas.ru), В.Р. ТИХОНОВА, инженер
ООО «КОМАС» (143362, Московская обл., г. Апрелевка, ул. Мартовская, 8А)
Совершенствование технологии обжига керамического кирпича в кольцевых печах
Представлен опыт внедрения новых систем отопления для кольцевых печей кирпичных заводов РФ с целью совершенствования технологии обжига керамического кирпича. Описана последовательность проведения работ по техническому перевооружению печи. Приведены характеристики работы печи. Представлен сравнительный анализ тепловой работы печи до и после модернизации. Показана высокая эффективность модернизации печи с точки зрения потребления топлива по сравнению с туннельными печами: удельный расход газа на 1 т обожженной продукции в кольцевой печи составил 30 м3, в туннельной печи - 50-100 м3. Сделан вывод о высокой эффективности кольцевой печи с современной системой отопления как теплового агрегата.
Ключевые слова: кирпич керамический, полнотелый кирпич, керамические изделия, экономическая эффективность, ресурсосбережение, кольцевая печь, туннельная печь, горелки, обжиг, экономия топлива, автоматизация, модернизация.
Для цитирования: Курносов В.В., Тихонова В.Р. Совершенствование технологии обжига керамического кирпича в кольцевых печах // Строительные материалы. 2018. № 4. С. 29-31.
V.V. KURNOSOV, Candidate of Sciences (Physics and Mathematics) (kbb@komas.ru), V.R. TIKHONOVA, Engineer OOO «KOMAS» (8A, Martovskaya Street, Aprelevka, 143362, Moscow Oblast, Russian Federation)
Enhancement of Technology of Ceramic Brick Burning in Ring Furnaces
The experience in the introduction of new heating systems for ring furnaces of the brick factories of the Russian Federation with purpose to enhance the technology of ceramic brick burning is presented. The sequence of works on technical re-equipment of the furnace is described. Characteristics of the furnace operation are given. A comparative analysis of the thermal operation of the furnace before and after modernization is presented. The high efficiency of the furnace modernization from the point of view of fuel consumption in comparison with tunnel kilns is shown: specific gas consumption per a ton of calcined product in the ring furnace is 30 m3, in the tunnel kiln - 50-100 m3. The conclusion about the high efficiency of the ring furnace with a modern heating system as a thermal unit is made.
Keywords: ceramic brick, solid brick, ceramic products, economic efficiency, resource saving, ring furnace, tunnel kiln, burners, burning, fuel saving, automation, modernization.
For citation: Kurnosov V.V., Tikhonova V.R. Enhancement of technology of ceramic brick burning in ring furnaces. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2018. No. 4, pp. 29-31. (In Russian).
Существует общепризнанное мнение, что самыми энергоэффективными тепловыми агрегатами для обжига керамических изделий являются туннельные печи [1—5]. Это утверждение можно встретить практически в каждой монографии, посвященной обжигу строительной керамики. Однако значительная часть кирпичных заводов России, выпускающих полнотелый кирпич, оснащена в основном кольцевыми печами. Если оставить за рамками статьи полемику о целесообразности выпуска полнотелого кирпича, его конкурентоспособности на современном рынке штучных стеновых материалов и принять как данность, что такой кирпич выпускается и еще длительное время будет выпускаться и пользоваться спросом, особенно в регионах, то вопрос оптимизации его производства следует признать актуальным. Представляет интерес провести оценку эффективности обжига кирпича в кольцевых печах с точки зрения качества обжига, экологических аспектов и, что немаловажно в современной экономической ситуации, оценку удельного потребления природного газа.
За период 2004 по 2016 г. ООО «КОМАС» провело модернизацию систем отопления кольцевых печей ряда кирпичных заводов Российской Федерации с применением запатентованных газогорелочных устройств собственной разработки: на Бухоновском, Тульском, Боло-ховском, Нижнетагильском, Нижнеломовском, Шахтин-ском кирпичных заводах. Проведенный ООО «КОМАС» комплекс технических мероприятий позволил значительно усовершенствовать технологию обжига полнотелого керамического кирпича.
Первые внедрения систем отопления были осуществлены на Бухоновском кирпичном заводе в 2004 г. и на Тульском кирпичном заводе в 2005 г. Обжиговые печи состояли соответственно из 16 и 28 камер. В каждой из камер на наружной боковой стене в разрыве между каме-
рами было установлено по три горелки: нижняя автоматическая горелка ГСП-50 мощностью 500 кВт и две верхние ГСПС-80 мощностью 80 кВт. В общей сложности была установлена автоматизированная отопительная система соответственно 60 и 90 горелок с учетом двух дополнительных секций в двух угловых камерах. Таким образом, были заменены 300 и 560 диффузионных горелок, установленных на двух сторонах печи.
Одной из немаловажных особенностей представленного технического решения является техническое перевооружение печей прерывания технологического процесса. Заранее рассверливались отверстия в боковой стене, в которые вмонтировали закладные гильзы для последующей установки горелок; для каждой горелочной секции из трех горелок установили индивидуальный вентилятор дутьевого воздуха; смонтировали приборы и запорно-регулирующую аппара-
Рис. 1. Система отопления кольцевой печи
lj научно-технический и производственный журнал
„Ы ■ ® апрель 2018 29
Керамические строительные материалы
Рис. 2. Автоматическая горелка
туру. Во время перехода камеры на выгрузку-загрузку устанавливали горелки и монтировали систему управления.
Применение дутьевых горелок позволило получить эффективную технологии обжига [6]. Включение нижней автоматической горелки производилось при температуре камеры 400оС, а верхние горелки со стабилизатором факела включались по достижении температуры камеры 700оС. Это нововведение в режиме нагрева позволило значительно снизить перепад температуры в объеме садки, что для определенных марок кирпича является решающим критическим фактором. Вместе с этим был интенсифицирован процесс обжига, что привело к уменьшению цикла обжига с последующим повышением производительности печи [7, 8]. Также была изменена схема отбора воздуха и дымовых газов, а именно было сокращено количество открытых конусов в зоне подготовки и увеличено в зоне охлаждения.
В результате применения вышеуказанных технических решений производительность печи возросла от 30 до 40%, что позволило заводам увеличить объем производства на 7 и 11 млн шт. усл. кирпича в год соответственно.
Кроме улучшения технологических показателей производства также были значительно улучшены условия труда обжигальщиков. Немаловажным фактором является и повышение технологической дисциплины. Повысилась эргономичность работы обслуживающего персонала. Так, после введения в эксплуатацию новой системы управления печью технологическая кривая обжига каждой камеры устанавливалась технологом на сенсорной панели, связанной непосредственно с контроллером, управляющим тепловой нагрузкой индивидуально в каждой камере печного агрегата. Тепловая нагрузка, в свою очередь, регулировалась по сигналу термопары, установленной в боковой стене каждой обжиговой камеры со смещением по ходу огня от оси горелок. Таким образом, обжигальщику требовалось лишь осуществить запуск камеры на обжиг нажатием кнопки «ПУСК» на щите управления, установленного у горелочной группы каждой камеры.
Кроме увеличения производительности печи проведенные технические нововведения позволили добиться гарантированно высокого качества обжига керамических изделий: заводы стали получать марку кирпича не ниже 150, с повышением морозостойкости свыше 50 циклов. О высоком качестве полнотелого кирпича, производимого ТКЗ, говорит и тот факт, что завод выиграл тендер на поставку кирпича для реконструкции стен Московского Кремля.
Опираясь на имеющийся опыт, при последующих модернизациях на других заводах, в каждой камере устанавливали по две автоматические горелки с локальной системой управления, которая в дальнейшем объединялась в единую систему управления печью с применением промышленного компьютера.
I Д 1 _А_|
Рис. 3. МЦ БУТР (модуль центрального управления печью)
В 2016 г. на ТКЗ с целью дальнейшего улучшения качества продукции и повышения производительности печи было принято решение переоснастить систему отопления кольцевой печи. Обжиговую камеру разделили на две зоны нагрева с установкой в каждой из них двух автоматических горелок: в нижней зоне — горелок ГСП-25 мощностью 250 кВт; верхней зоне — горелок ГСП-10 мощностью 100 кВт. Таким образом, общее число автоматических горелок, установленных на печи, стало 112 (рис. 1). Также печь была оснащена трехуровневой автоматизированной системой управления технологическим процессом АСУ ТП. Поставку горелок осуществила компания ООО «КОМАС». Поставщиком автоматики была компания ООО «Офенбау Альянс». Монтаж и пусконаладочные работы осуществлялись совместно со специалистами завода.
Автоматика модернизируемых кольцевых печей представляет собой АСУ ТП обжига, построенную в виде трехуровневой распределенной системы. Первый уровень представлен первичными датчиками, приборами и исполнительными устройствами, второй уровень — контроллерами управления отдельными камерами обжига, объединенными в локальную сеть; третий уровень представляет собой автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора, состоящее из модуля центрального блока управления тепловым режимом (МЦ БУТР) и компьютерной станции с программным обеспечением.
Визуализация АРМ оператора (рис. 4) состоит из ряда экранов и позволяет в реальном времени контролировать и при необходимости корректировать основные параметры автоматической работы печи в целом и каждой камеры в отдельности.
Следует отметить, что горелки, вентиляционное оборудование и автоматика могут быть установлены только с одной стороны обжигового канала (рис. 1). Это обстоятельство создает значительные трудности в создании равномер-
■ Мм«иосхта Дцлраыма Т_кэи ГЦрлметрц Журнал 26 07 16 018(17 35 1
1 —■■ - 1
Тя 25 Тк 251 Тк 031 Тк 841 Тк 851 Тк 861 Тк 872 Тк 882
Та О Тв О То 832 То 842 Та 852 Тв 862 Та 873 Тв 883
Р,% О Р,% О ВВ 04 80 Р,% 76 72 Р, % 60
2-1 2-2 * 3-1 * * 3-2 * * 4-1 * 4 4-2 * * 5-1 ^ * Н *
Про □□□□ о по □ □ □□ п
П и и и и П н и н П и и П и
•000|»000| I• ООО!I»ООО! •СЮ0[*000| •■Рй".
Тк 092 Тк 902 Тк 913 Тк 923 Тх 933 тк 943 # «и»авд
Рис. 4. Мнемосхема печи
научно-технический и производственный журнал 'Й^ОМ^лЛЬНуН "30 апрель 2018
ного поля температуры в объеме топочного канала. Тем не менее решение этой характерной проблемы достигнуто с помощью применения эластичной системы управления тепловой нагрузкой в обжиговой камере [9]. Особенностью данной системы является сочетание нескольких факторов. Первым из них является применение непрерывного, импульсного и ступенчатого изменения подачи газа и воздуха на различных участках заданной программной кривой обжига. Следующей особенностью является применение горелок ГСП с камерой сгорания типа «реактивного двигателя». Газосожигательные устройства данного типа эффективно работают как на форсированных, так и на минимальных режимах с широким диапазоном изменения коэффициента избытка воздуха. Замеры состава продуктов сгорания свидетельствуют о высокой экологичности и энергоэффективности процессов сжигания топлива.
Анализ представленных данных тепловой работы кольцевой печи говорит о высокой эффективности использования топлива. Действительно, вместо регламентированных 240 кг условного топлива на 1 тыс. шт. усл. кирпича или 60 м3 природного газа на 1 т обожженных изделий после модернизации печей тратится порядка 30 м3 природного газа на 1 т. В туннельных печах расход газа составляет от 50 до 100 м3 на 1 т обожженных изделий, как правило, пустотелого лицевого кирпича. Как объяснить этот парадокс? Получение высококачественной продукции требует дополнительных технологических затрат — удлинения печи (средняя длина 120 м) для получения более гибкой кривой обжига, блокирования
Список литературы
1. Юшкевич М.О., Роговой М.И. Технология керамики. М.: Издательство литературы по строительству, 1969. 350 с.
2. Кашкаев И.С., Шейнман Е.Ш. Производство глиняного кирпича. М.: Высшая школа, 1974. 288 с.
3. Тихи О. Обжиг керамики. М.: Стройиздат, 1988. 344 с.
4. Курносов В.В., Шахов И.И. Технология скоростного обжига керамических изделий // Строительные материалы. 2001. № 2. С. 7.
5. Ашмарин Г.Д., Курносов В.В., Ласточкин В.Г. Энерго- и ресурсосберегающая технология керамических стеновых материалов // Строительные материалы. 2010. № 4. С. 24-27.
6. Патент на изобретение RU 2192584. Газовая горелка / Курносов В.В., Петров Н.Ф. Заявл. 10.12.2001. Опубл. 10.11.2002.
7. Kumosov V.V., Shakhov I.I., Dorazhkin A.A., Kalinina N.N., Povelitsa Yu.I. Heat engineering modernization of large heat-treatment furnaces // Refractories and Industrial Ceramics. 2012. Vol. 53. No. 2, pp. 101-103.
8. Dorokhina O.G., Karvetskii A.A., Arutyunov V.A., Kurnosov V.V., Levitskii I.A. Simulation of the gas dynamics and heat transfer in a high-precision furnace // Steel in Translation. 2012. Vol. 42. No. 3, pp. 230-232.
9. Патент на изобретение RU 2524296. Способ управления импульсной подачей топлива в нагревательных и термических печах / Курносов В.В., Прибытков И.А. Тихонова В.Р. Заявл. 11.01.2013. Опубл. 13.07.2014. Бюл. № 21.
10. Кузнецов Ю.С., Качурина О.И. Окислительно-восстановительные свойства газовых фаз // Известия высших учебных заведений: Черная металлургия. 2018. № 1. С. 69-79.
11. Базайкин В.И., Базайкина О.Л., Осколкова Т.Н., Темлянцев М.В. Математическое моделирование тепловых процессов при обработке поверхности металлоизделий высококонцентрированными потоками энергии // Известия высших учебных заведений: Черная металлургия. 2017. № 5. С. 398-409.
подачи нагретого воздуха из зоны охлаждения в зону закала. Кольцевая же печь вдвое короче (работа в режиме «на два огня»). Это обстоятельство позволяет уменьшить вдвое подсосы холодного балластного воздуха в зоне подготовки. Кроме того, в кольцевой печи имеется возможность подать нагретый воздух с высоким температурным потенциалом из зоны охлаждения в зону закала, где он наиболее эффективно может быть использован в случае применения диффузионного горения [10, 11]. Так, для поддержания заданной температуры в зоне закала при поступлении воздуха из зоны охлаждения расход топлива в случае применения диффузионных горелок будет вдвое ниже, чем у дутьевых скоростных горелок. Горелки типа ГСП разработки ООО «КОМАС» позволяют в зоне высокой температуры и значительного избытка воздуха, поступающего из зоны охлаждения, работать на полудиффузионном режиме, что приводит к значительному снижению расхода топлива. Выводы
1. С точки зрения потребления топлива кольцевые печи являются высокоэффективными теплотехническими агрегатами для производства полнотелого керамического кирпича.
2. Качество регулирования процессом обжига керамических изделий в кольцевой печи, оснащенной автоматизированной системой отопления, не уступает туннельным печам.
3. Возможность автоматизации процесса загрузки-выгрузки в кольцевую печь приведет к сравнимому с туннельными печами уровню применения ручного труда.
References
1. Yushkevich M.O., Rogovoi M.I. Tekhnologiya keramiki [Technology of ceramics] Moscow: Publishing house of literature on construction. 1969. 350 p.
2. Kashkaev I.S., Sheinman E.Sh. Proizvodstvo glinyanogo kirpicha [Production of clay brick]. Moscow: Vysshaya shkola. 1974. 288 p.
3. Tikhi O. Obzhig keramiki [Firing ceramics]. Moscow: Stroyizdat. 1988. 344 p.
4. Kurnosov V.V., Shakhov I.I. Technology of rapid firing of ceramic products. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2001. No. 2, pp. 7. (In Russian).
5. 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).
6. Patent for invention RU 2192584. Gazovaya gorelka [Gas burner]. Kurnosov V.V., Petrov N.F. Declared 10.12.2001. Published 10.11.2002. (In Russian).
7. Kurnosov V.V., Shakhov I.I., Dorozhkin A.A., Kalinina N.N., Povelitsa Yu.I. Heat engineering modernization of large heat-treatment furnaces. Refractories and Industrial Ceramics. 2012. Vol. 53. No. 2, pp. 101-103. (In Russian).
8. Dorokhina O.G., Karvetskiy A.A., Arutyunov V.A., Kurnosov V.V., Levitskiy I.A. Simulation of the gas dynamics and heat transfer in a high-precision furnace. Steel in Translation. 2012. Vol. 42. No. 3, pp. 230-232.
9. Patent for invention RU 2524296. Sposob upravleniya impul'snoi podachei topliva v nagrevatel'nykh i termi-cheskikh pechakh [Method for controlling impulse fuel supply in heating and thermal furnaces]. Kurnosov V.V., Pribytkov I.A. Tikhonova B.R. Declared 01.11.2013. Published 07.13.2014. Bulletin No. 21. (In Russian).
10. Kuznetsov Yu.S., Kachurina O.I. Oxidation-reduction properties of gas phases. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Chernaya metallurgiya. 2018. No. 1, pp. 69-79. (In Russian).
11. Bazaikin V.I., Bazaikina O.L., Oskolkova T.N., Temlyantsev M.V. Mathematical modeling of thermal processes in the surface treatment of metal products with highly concentrated energy flows. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Chernaya metallurgiya. 2017. No. 5, pp. 398-409. (In Russian).
j'iyJ ®
научно-технический и производственный журнал
апрель 2018
31
