CC BY
7УДК 66.041.3-65:691.365
А.И. НИЖЕГОРОДОВ, д-р техн. наук (nastromo_irkutsk@mail.ru),
А.В. ЗВЕЗДИН, инженер (alexzvez@gmail.com), Т.Б. БРЯНСКИХ, инженер
Иркутский национальный исследовательский государственный технический университет (664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83)
Уточненная модель теплоусвоения вермикулита при обжиге в электрических печах
•*
с учетом новых экспериментальных данных
В связи с появлением новой электрической печи с подвижной подовой платформой появилась возможность экспериментально установить зависимость плотности вспученного вермикулита от его температуры. Новые опытные данные показали, что прежняя модель теплоусвоения давала завышенный результат по значению необходимой для полноценного вспучивания энергии. В статье приведены результаты экспериментов и расчетов, убедительно доказывающие новые, уточненные основные показатели модели теплоусвоения вермикулита. Экспериментальное определение температуры вермикулита показало, что для его эффективного вспучивания требуется почти на двадцать процентов меньше энергии, чем предполагалось ранее по первой модели теплоусвоения. А более высокий коэффициент полезного действия процесса структурообразования указывает на несколько большую энергоэффективность электрических печей для обжига вермикулита.
Ключевые слова: вермикулит, электрическая печь, модель теплоусвоения, коэффициент полезного действия.
Для цитирования: Нижегородов А.И., Звездин А.В., Брянских Т.Б. Уточненная модель теплоусвоения вермикулита при обжиге в электрических печах с учетом новых экспериментальных данных // Строительные материалы. 2017. № 3. С. 96-99.
A.I. NIZHEGORODOV, Doctor of Sciences Engineering (nastromo_irkutsk@mail.ru), A.V. ZVEZDIN, Engineer (alexzvez@gmail.com), T.B. BRYANSKIH, Engineer Irkutsk National Research State Technical University (83, Lermontov street, Irkutsk, 664074, Russian Federation)
Specified Model of Vermiculite Heat Absorption While Burning in Electric Kilns with New Experimental Data
With the advent of a new electric kiln with movable hearth it is possible to determine experimentally the dependence of the density of expanded vermiculite on its temperature. New experimental data have shown that the previous model of heat absorption gave an overestimated result by value needed for full swelling of energy. The experimental results and calculations are presented to demonstrate clearly the new specified and basic indices of model of vermiculite heat absorption. Experimental determination of the temperature of vermiculite found that swelling it effectively requires up to twenty per cent less energy than previously thought according to the first model of heat absorption. And higher efficiency of structurization process indicates several large energy efficiency electric ovens for roasting vermiculite.
Keywords: vermiculite, electric kiln, the model of heat absorption, efficiency factor of structure formation process.
For citation: Nizhegorodov A.I., Zvezdin A.V., Bryanskih T.B. Specified model of vermiculite heat absorption while burning in electric kilns with new experimental data. Stroite'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 3, pp. 96-99. (In Russian).
Работа электрических модульно-спусковых печей для обжига вермикулита основана на принципе действия гравитационных спусков [1]. Движение массива вспучиваемого вермикулитового концентрата идет монослоем в модулях обжига в условиях локализованного теплового поля, созданного за счет температурного излучения нагревателей и отраженных тепловых потоков от поверхностей основания и термокрышки. Процессы поглощения тепловой энергии (теплоусвоение), дегидратации и механической трансформации (структуро-образование) вермикулитовых зерен полностью завершаются при выходе вспученного материала из печи. Теплоусвоение имеет сложный, прерывисто-переменный характер, так как зерна периодически затеняют друг друга, то приближаются к нагревателям, то отдаляются от них, но усвоенная энергия накапливается и суммируется на всем протяжении процесса обжига.
Ранее при анализе процессов, сопутствующих тепло-усвоению, предполагалось, что к моменту выхода из печи все зерна вермикулитового массива разогреваются до температуры поверхности нихромовых полосовых нагревателей [1, 2, 3]. Но новые экспериментальные данные показали, что это было весьма грубым допущением.
на выход химически связанной (гидратной) воды 0х, нагрев сухой части минерала (твердая фаза) 0с; фазовый переход физически связанной (межслоевой) и гидратной воды 0в; перегрев водяных паров 0п и нагрев адсорбированных газов ©аг.
Баланс тепловых энергий определяется суммой:
01 = 0100 + 0х + &с + @е + @п+ ®аг, (1)
где 01ОО — теплота усвоенная при предварительном нагревании концентрата до 100оС; она является начальным условием и в дальнейшем не учитывается.
Для определения весовой доли гидратной и физической воды и адсорбированных газов использовались усредненные эмпирические данные, накопленные еще в 2004—2010 гг. в условиях производственной эксплуатации печей в ООО «Квалитет» (г. Иркутск) и в объемах, соответствующих крупным партиям концентрата [1].
Для концентрата КВК-4 Ковдорского месторождения средний вес партии равен Gп ~ 48900 кг, средний объем партии во вспученном состоянии — Vв ~ 450 м3, а средняя плотность вспученного материала ~ 89 кг/м3.
Масса той же партии во вспученном состоянии равна:
Первая модель теплоусвоения. Gвсп = V,в у = 40050 кг, Усвоенная тепловая энергия, необходимая для полностью завершенных процессов дегидратации и струк- а доли твердой фазы минерала Gс, гидратной и межслоевой турообразования зерен вермикулита 02, распределяется воды и адсорбированных газов Gв равны соответственно:
* Поддержано грантом ФГБУ «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере». Заявка С1-11374, приказ № 22-39 от 04. 03.2016. Договор № 1243 ГС 1 / 2169.
96
март 2017
С ! - /Iii г Iii Ii
lA ®
Рис. 1. Общий вид опытного образца электрической печи с вибрационной подовой платформой
G = Gecn/Gn = 0,819;
Ge = (Gn — Gecn)/ Gn = °,181.
В таблице приведены соответствующие данные для ковдорских концентратов основных размерных групп. Используя данные таблицы, рассмотрим материальный баланс при обжиге концентратов из расчета на 1 кг вермикулита-сырца.
Зададим среднее значение содержания физической воды исходя из влажности сырья (4—5%) G&HiO) ~ 4,5%. Тогда выход физической влаги из сырья будет равен:
= 0,0045- 1кг = 0,045 кг.
Суммарный выход химически связанной воды и адсорбированного углекислого газа равен:
Gezjr 1кг - 0,045 - Gc, где Gc — масса сухой части минерала, равная 0,816 кг.
Тогда:
G^ — &Н2о — Gco1= 1 — 0,045 — 0,816 = 0,139 кг. (2)
Долю гидратной воды определим с учетом объемного соотношения Н2О и СО2 в структуре минерала и плотности водяного пара и углекислого газа при 20°С. Опытами в работе [4] установлено, что соотношение удаляемых при обжиге объемов пара Н2О и газа СО2 составляет примерно 3,625. Тогда массовое отношение можно определить исходя из плотностей водяного пара PHoO (0,48 кг/м3) и pCo углекислого газа (1,98 кг/м3):
^£ = 3,625.^ = 0,88. (3)
С°2 Рс02
Из (2, 3) находим весовые доли: GxHO = 0,06 кг; Gco= 0,079 кг. 2
Рис. 2. Вид на модуль со стороны нижней части подвижного пода где происходит выход вспученного материала
Общий выход испаряемой воды равен:
= &Н20- &Н20 = 0,045 + 0,06 = 0,105 кг (10,5%).
Тепловая энергия, необходимая для дегидратации 1 кг вермикулитового концентрата равна [5]:
©х « 196,9 кДж.
Теплота нагрева твердой фазы минерала (сухое вещество):
вс = ст 0,816ДТ, (4)
где с — средняя удельная теплоемкость вермикулитового концентрата, равная ~ 960 Дж/(кт°С) [6]; т — масса концентрата (1 кг); 0,816 — доля твердой фазы (см. таблицу). Так как удельная теплоемкость минералов при увеличении температуры возрастает на 20—25% [7], то для интервала температуры 100—750°С следует ввести поправочный коэффициент кТ ~ 1,225. Тогда количество теплоты, полученное твердой фазой и оставшееся во вспученном материале, будет равно:
0С = 960-1,225Ф0,816-650 = 623,8 кДж.
Тепловая энергия фазового перехода химически связанной и межслоевой воды при 100°С определяется исходя из удельной теплоты парообразования (Спо= 2250-103 Дж/кг [7]):
вв = спо т 0,105 = 2250403Ф0Д05 = 235,3 кДж, (5)
где 0,105 — массовая доля воды в исходном концентрате.
Теплота перегрева водяного пара зависит от удельной теплоемкости Сп. В диапазоне температур 100—750°С средняя удельная теплоемкость составляет ~ 1593,4 Дж/(кг-°С) [8]. Тепловая энергия, идущая на перегрев равна:
Опытные данные по ковдорским концентратам
Разм. гр. концентрата Вес партии (кг) вп Вес вспуч.материала (кг) ввсп Об. вес (кг/м3) Об. вспуч. партии (м3) Vb Содерж. тв. фазы, % Содерж. воды,%
КВК-1 56800 45978 123,5 365 79,4 20,6
КВК-2 54400 47152 112 421 83,4 16,6
КВК-4 48900 40050 89 450 81,9 18,1
Средн. зн. ~81,6 ~18,4
март 2017
97
0п = сп т 0,105 АТ = 1593,4-0,105-650 = 108,7 кДж. (6)
Теплота нагрева адсорбированного углекислого газа до 750оС определяется по средней удельной теплоемкости в интервале температуры 100—750оС — 1102 Дж/(кг°С) [9]:
0аг = сСо2 т 0,115 АТ = 1102Ф0Д05-650 = 75,2 кДж. (7)
Общая энергия теплоусвоения 1 кг вермикулитового концентрата первой неуточненной модели:
0Е = 0х + 0С + 0в+ 0п+ 0аг = 196,9 + 623,8 + 235,3 + 108,7 + 75,2 = 1239,9 кДж.
Ранее в работе [1] и других работах общая энергия теплоусвоения 1 кг вермикулитового концентрата была равна 1209,1 кДж. Здесь мы не принимаем в расчет усредненные характеристики ковдорских и татарских концентратов, поэтому результат несколько больше.
Оценим энергетический эффект структурообразо-вания вермикулита. При быстром нагревании вермикулита-сырца в режиме термоудара (~ 200°С/с) основную механическую работу вспучивания совершает гидрат-ная (химически связанная) и частично межслоевая вода [4]. Микроструктура вспучивающегося вермикулита характеризуется образованием большого количества замкнутых мелких и микропор, занимающих до 65% площади поверхности вспученных «пакетов» [4]. Очевидно, что внутри этих пор механическую трансформацию вермикулитовых зерен совершают перегретый водяной пар и расширяющийся СО2. Теплота дегидратации входит в суммарную энергию эффекта струк-турообразования.
Тогда энергия механической трансформации ков-дорского вермикулита будет равна:
Емт= 0х + 0в + 0п+ 0аг = 196,9 + 235,3 +
+ 108,7 + 75,2 = 616,1 кДж. (8)
Единственная энергия в выражении (1), которая не совершает механическую работу вспучивания и отражает аккумулированную составляющую, — это теплота твердой фазы или сухой части минерала 0С.
Тогда можно вычислить к. п. д. процесса структуро-образования вермикулитовых зерен ковдорского концентрата:
^=^ = -^ = 0,497. (9)
™ б, 1239,9
Физическая картина энергетического баланса процесса теплоусвоения показывает, что к. п. д. электрической модульно-спусковой печи не может быть больше 50%.
Исходя из усредненных данных по крупным партиям определены значения энергии вспучивания Ковдорских концентратов (табл. 1):
0квк-4 = Gп•Qz = 48900-1239,9 = 60631,1 кДж;
0квк-2 = Gп•QI = 54400-1239,9 = 67450,6 кДж;
К]
/м3 130
0кш-1 = Gп•QI = 56800-1239,9 = 70426,3 кДж.
Удельная энергия теплоусвоения в расчете на 1 м3 вспученного материала для ковдорского вермикулита:
Еад = Qквк-4 / V, = 60631,1 / 450 = 134,7 кДж/м3;
Е2(К) = Qквк-2 / V, = 67450,6 / 421 = 160,2 кДж/м3;
Ет = Qквк-l / V, = 70426,3 / 365 = 192,9 кДж/м3,
В отличие от массовой удельной энергии теплоус-воения Q2, равной 1239,9 кДж/кг, не завивисящей от гранулометрического состава концентрата, объемные
1211
МО
100
90
ЯП
70
V
Л о £
\ о\
\ \ У 545 С
«6 кг/м-Ч
ЗЯ1 400 450
500
550 600 Т, С
Рис. 3. Зависимость плотности от температуры вермикулита
удельные энергии для различных размерных групп вспученного вермикулита существенно отличаются.
Эксперимент.
Устройство электрических модульно-спусковых печей не позволяет определить температуру вермикулитовых зерен на выходе из печи из-за больших расстояний между ними: поток вспученного вермикулита не является сплошным.
Новая конструкция электрической печи с вибрационной подовой платформой отличается тем, что концентрация вспученного материала на поверхности модуля (подовой платформы) в ней в 17 раз больше. За счет вибротранспортирования вермикулит движется монослоем, но скученно, без значительных зазоров, а это позволяет получить сплошную поверхность из вермикулитовых зерен и измерить их температуру.
На рис. 1 показан общий вид опытного образца печи с вибрационной подовой платформой, на рис. 2 — вид на модуль со стороны панели с крепежными головками в нижней части подвижного пода модуля, где происходит выход вспученного материала.
Измерение температуры вермикулита производилось в разных точках подовой платформы между крепежными головками с помощью пирометра DT-8835 (точность в диапазоне 50—1000°С равна ± 1,5%) при различных температурных режимах печи. На рис. 3 показана зависимость плотности вспученного вермикулита от его температуры.
В установившемся тепловом режиме при средней плотности вспученного продукта ~92 кг/м3 была зафиксирована средняя по нескольким измерениям температура 512°С. При этом температура поверхности нихро-мовых нагревателей составляла в разных точках 718—776°С при среднем значении 747°С (измерение проводилось термопарой-щупом, входящей в комплект пирометра).
Минимальная плотность вспученного ковдорского вермикулита четвертой размерной группы, которая неоднократно достигалась в процессе производства на электрической модульно-спусковой печи составляет ~86 кг/м3. Экстраполируя полученную кривую в область более высокой температуры, получаем предельную точку с температурой 545°С. Очевидно, что в этой точке состояние вспученных зерен соответствует полной дегидратации и максимальному вспучиванию.
научно-технический и производственный журнал Г> , ^ > г [ г ^¡я Ц март 2017 & ¿Г^/^У 1Ы '
Опыты показали, что в процессе обжига вермикулита его температура не выравнивается до температуры нагревательных элементов модуля, как это ранее предполагалось при построении первой, вышерассмотрен-ной аналитической модели теплоусвоения вермикулита. Поэтому новую, уточненную модель теплоусвоения следует откорректировать.
Уточненная модель.
Вернемся к уравнению (1) и проведем его перерасчет.
Энергия дегидратации не изменяется 0х « 196,9 кДж.
Теплота, накапливаемая твердой фазой минерала (сухое вещество во вспученном состоянии), будет меньше:
&с = 960^1,225Ф0,816445 = 427 кДж.
Теплота фазового перехода химически связанной и межслоевой воды при 100°С останется прежней 0в = 235,3 кДж.
Энергия перегрева водяного пара также станет ниже:
&п = сп 1593,4-0,105-445 = 74,5 кДж.
Теплота нагрева адсорбированного углекислого газа уменьшится и будет равна:
0аг = 1102Ф0Д05-445 = 51,5 кДж.
Общая энергия теплоусвоения 1 кг вермикулитового концентрата по уточненной модели будет равна:
Qz = Qх + Qс + Qв+ Qп+ Qаr = 196,9 + 427,0 + 235,3 + 74,5 + 51,5 = 985,2 кДж.
Это на 20,5% меньше, чем по первой модели тепло-усвоения.
Определим энергию структурообразования:
ЕмТ= Qх+ Qв+ Qп+ Qаг = 196,9 + 235,3 + 74,5 + 51,5 = 557,8 кДж.
Уменьшение составляет 9,5%.
Очевидно, что изменится и к. п. д. процесса механической трансформации вермикулитовых зерен ковдор-ского концентрата:
Термодинамический к. п. д. структурообразования увеличивает-ся на 12,7 %.
Заключение.
Таким образом, экспериментальное определение температуры вермикулита показало, что для его эффективного вспучивания требуется почти на 20% меньше энергии, чем предполагалось ранее по первой модели теплоусвоения. А более высокий коэффициент полезного действия процесса структурообразования указывает на несколько большую энергоэффективность электрических печей для обжига вермикулита.
Новый объект, упомянутый выше и показанный на рис. 1 и 2, — электрическя печь с вибрационной подовой платформой, является принципиально новым, перспективным техническим решением, способным, по предварительным расчетным и экспериментальным данным, обеспечить энергоемкость обжига вермикулита в пределах 75-85 мДж/м3. Это вдвое ниже, чем у электрических модульно-спусковых печей, и более чем втрое ниже, чем у самых совершенных пламенных печей, работающих на углеводородном топливе.
Но эта тема требует отдельного исследования и анализа.
Список литературы
1. Нижегородов А.И. Технологии и оборудование для переработки вермикулита: Оптимальное фракционирование, электрический обжиг, дообогащение. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2011. 172 с.
2. Нижегородов А.И. Некоторые аспекты технологии подготовки и обжига вермикулитовых концентратов в электрических печах // Строительные материалы. 2007. № 11. С. 16-17.
3. Нижегородов А.И. Развитие концепции энерготехнологических агрегатов для обжига вермикулитовых концентратов на базе электрических модульно-спу-сковых печей // Огнеупоры и техническая керамика. 2014. № 1/2. С. 48-55.
4. Попов Н.А. Производство и применение вермикулита М.: Стройиздат, 1964. 128 с.
5. Хвостенков С.И., Залкинд О.А. О теплоте гидратации и магнитной восприимчивости вермикулита. Горнометаллургический институт Кольского ф-ла АН СССР: Сб. науч. трудов. 1966. С. 90-100.
6. ООО «Хеликс». Свойства вермикулита [Электронный ресурс] / — режим доступа: http://vermiculite.heHx-gtm.com/ru/produktyo/37-content-ru. (19. 09. 2016).
7. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. М.: Наука, 1968. 940 с.
8. Перегретый пар. Техническая термодинамика [Электронный ресурс] / — режим доступа: http://ispu. ru/files/u2/book2/TD1_19-06/ttd7-6.htm (19.09. 2016).
9. Инженерный справочник DPVA. info. [Электронный ресурс] / — режим доступа: http://www.dpva.ru/ (19. 09. 2016).
References
1. Nizhegorodov A.I. Technologies and Equipment for Processing Vermiculite: Optimum Granulation, Electric Firing, Additional Enrichment, Irkutsk: ISTU. 2011. 172 p.
2. Nizhegorodov A.I. Some Aspects of the Preparation Technology and Vermiculite Concentrates Burning in Electric Kilns//Stroitelnye Materialy. [Construction Materials] 2007. No. 11, pp 16-17.(In Russian)
3. Nizhegorodov A.I. The Development of Concept of Energotechnological Units Used for the Purpose of Vermiculite Concentrates Burning Based on Electric Kilns with Module Release // Ogneupori i technicheskaya keramika. 2014. No. 1/2. P. 48-55. (In Russian)
4. Popov N.A. Production and Applications of Vermiculite, Moscow: Stroiizdat, 1964. 128 p.
5. Hvostenkov S.I., Zalkind O.A. Hydration Heat and Magnetic Susceptibility of Vermiculite. Miming institute of Kola Branch of Russian Academy of Sciences of the USSR. coll. of scientific works. 1966, pp. 90-100.
6. Limited Company "Helix". Properties of Vermiculite [Electronic Resource] / — URL: http://vermiculite.he-lix-gtm.com/ru/produktyo/37-content-ru. (19. 09. 2016).
7. Jaworski B.M., Detlaf A.A. Handbook of Physics for Engineers and Students. Moscow: Nauka. 1968. 940 p.
8. Superheated Vapor. Engineering Thermodynamics [Electronic Resource] / — URL: http://ispu.ru/files/u2/ book2/TD1_19-06/ttd7-6.htm (19.09. 2016).
9. Engineering Handbook DPVA. info. [Electronic Resource] / - URL: http://www.dpva.ru/ (19. 09. 2016).
j'yJ ®
март 2017
99
