Энергоэффективная печь для плавления базальта

1. Существующие технологии

Сравнение затрат на производство одной тонны базальтового расплава, представленное в интернет-источнике [2], может быть актуализировано с учетом текущих цен на энергоресурсы.

Для расчётов приняты следующие условия:

• состав шихты одинаковый;
  
• учитываются энергетические ресурсы, необходимые только для процесса нагрева и плавления;
  
• принято, что стоимость природного газа составляет 4,859 руб/м³, стоимость электроэнергии — 4,43 руб./кВт•ч, стоимость кокса — 11,533 руб/т. Стоимость электроэнергии существенно отличается от 1,11 руб/кВт•ч в Иркутской области до 8,42 руб/кВт•ч в Чукотском автономном округе, что рассчитывается для Хабаровского края как среднее значение и перспективный регион для строительства предприятий по производству композиционных материалов.
  

Таблица 1. Затраты энергии на плавление 1 тонны базальта

Результаты расчетов, приведенные в таблице 1, наглядно показывают существенные затраты на плавление базальта.

Теоретический минимум энергозатрат на процесс плавления базальта значительно ниже. При расчете теоретического минимума энергозатрат принимались теплоёмкости в соответствии со справочником [3]. Представлены в таблице 2.

Таблица 2. Удельная теплоемкость базальта в зависимости от температуры

По результатам расчётов теоретический минимум затрат, необходимый для нагрева, плавления и перегрева базальта до температуры 1450°С (наиболее распространённая в действующих печах), составляет 1244 кДж/кг.

Общими принципами конструкций нового поколения должны быть: подогрев поступающих в агрегат материальных потоков отходящими тепловыми потоками; организация непрерывности процесса; применение эффективной футеровки; использование погруженного горения рассредоточенной продувки расплавов [4]; применение кислорода в качестве окислителя; удаление газовых включений из расплавов за счёт снижения давления над расплавом.

2. Предлагаемый вариант энергоэффективной печи

Наибольший вклад в повышение энергетической эффективности теплотехнического процесса плавления базальта вносит теплотехнический принцип погруженного факела, который является одним из способов осуществления тепломассообмена между двумя средами, одна из которых — жидкость (расплав), другая газ.

Принцип погруженного факела предполагает взаимодействие газа и жидкости. Основным отличием этого принципа является мощное механическое взаимодействие двух сред. Это достигается пропусканием горящего газа через весь объем жидкости, что приводит к существенному развитию поверхности газ — жидкость, усилению конвективной составляющей тепломассообмена. Таким образом интенсифицируется теплообмен.

Высокотемпературное барботажное горение внутри расплава создает сложную структуру, включающую твёрдые частицы, жидкость и газ. В ванне расплава образуется большая поверхность теплообмена между продуктами сгорания и расплавом материала. Интенсивное перемешивание расплава приведет к увеличению скорости плавления, а также к однородности технологического продукта. Кроме этого, барботаж расплава снижает общую температуру в пространстве печи над расплавом.

Следующим и ключевым является процесс осветления расплава. Способы осветления или дегазации расплавов известны [5]. Можно выделить основные:

• при атмосферном давлении с повышением температуры расплава;
  
• за счёт уменьшения высоты расплава;
  
• вакуумирование расплава.
  

Представленные выше теплотехнические принципы и технические решения позволили предложить конструкцию реактора (рисунок 1), на способ работы которого получен патент [6].

Рисунок 1. Принципиальная схема энергоэффективной печи по плавлению базальта. 1 — устройство для предварительного подогрева базальтовой шихты; 2 — барботажный слой расплава; 3 — устройство для подогрева расплава; 4 — камера осветления расплава; 5 — перегородка, отделяющая осветлённый расплав от неосветлённого; 6 — осветлённый расплав

В соответствии с рисунком 1 перспективная печь должна состоять из устройства 1 для предварительного подогрева базальтовой шихты, выполненного в виде шахты. Конструкция защищена патентом [7]. Задача данного устройства в противоточной схеме подогревать поступающий базальт отходящими из плавильной зоны реактора газами до температуры близкой к температуре плавления (1000–1150°С), которые проходят через перфорированные конуса.

3. Модель разрабатываемой печи

Реальная картина барботажа расплава осложняется множеством факторов, в том числе пузыри взаимодействуют друг с другом, что может приводить как к изменению их формы и траектории движения, так и к слиянию и дроблению. В связи с этим принципиально важным становится демонстрационная физическая модель.

Задача демонстрационных моделей — наглядно показать происходящие процессы. Поэтому при создании физической модели и для обеспечения наглядности конструкции было выбрано органическое стекло, а в качестве жидкости, моделирующей расплав базальта, был выбран глицерин. Поскольку при температуре 5–10°С он имеет вязкость близкую к вязкости базальта при температуре 1400°С. В соответствии с источником [8] вязкость глицерина при 10°С составляет 3,95 Па•с, вязкость расплавов базальта, по данным источника [9], может быть 3 Па•с при температуре 1450°С.

Рисунок 2. Экспериментальная установка

В модели, разработанной в НИУ «МЭИ» на кафедре Энергетики высокотемпературных технологий, предусмотрен перфорированный под (рисунок 2), с помощью которого на промышленных печах будет обеспечиваться интенсификация процесса плавления базальта и гомогенизация расплава. Кроме этого, за перегородкой предусмотрена часть реактора, предназначенная для осветления глицерина, которая позволит значительно сократить размеры агрегата за счёт высокоскоростного осветления расплава.

4. Оценка производительности

Известны [10] данные, полученные опытным путём, в соответствии с которыми применение барботажного режима увеличивает производительность плавильных печей фактически в два раза. С 1000÷1500 кг/(м²•сут) в обычных пламенных печах до 2500÷2 600 кг/(м²•сут) в печах, где осуществляется продувка сжатым воздухом с расходом 17 нм3/(м²•сут). В соответствии с результатами проведённых опытов и опубликованных в источнике [10], использование в качестве энергоносителя при барботаже горючей газовоздушной смеси заметно увеличивало температуру расплава, что позволило снизить температуру пламенного пространства от 1 450°С до 1400°С, увеличив срок службы печи.

В печах с излучающим факелом коэффициент теплоотдачи 700–1200 Вт/(м²•K), а при организации погруженного в расплав факела при теплообмене твердой частицы с минеральным расплавом достигает 3000–4000 Вт/(м²•K) [11]. Что позволяет предположить двукратное увеличение скорости теплообмена, а значит и скорость плавления.

Ещё одним фактором, позволяющим увеличить скорость плавления, является применение базальта меньшей фракции. На сегодняшний день в печи базальт подают размером 20–25 мм, применение фракции в 10 ±5 мм позволит сократить время плавления ещё в два раза.

Следующим ключевым отличием новой печи является подогрев шихты до температуры 1000–1150°С, то есть до температуры предельно близкой к началу плавления. Принимая, что на килограмм непрерывного базальтового волокна требуется 1,18 кг исходного базальта, то нагрев до 1150°С позволит подавать материал, содержащий 390 кДж, а это 27% от необходимого количества теплоты (1 438 кДж на 1,18 кг базальта). Таким образом, период нагрева до температуры начала плавления фактически вынесен за периметр ванны расплава, а значит производительность увеличится ещё ориентировочно на 27%.

Всё выше обозначенное позволит сократить время плавления в 5–6 раз. Возможность столь существенного увеличения производительности доказана на практике в чёрной металлургии, в частности в мартеновских печах стандартное время плавки составляет 5÷6 часов. В конвертерном процессе общая продолжительность плавки в 100–350 тонных конвертерах составляет от 40 до 50 минут [12].

Выше представленные аргументы позволяют оценить ожидаемую производительность перспективного реактора по плавлению базальта в 6250–7500 кг/(м²•сут).

5. Выводы

Растущие потребности в непрерывном базальтовом волокне и конкуренция на рынке требуют создания энергоэффективных печей по плавлению базальта. Создание таких печей возможно при комплексном подходе, обеспечивающем снижение тепловых потерь, в том числе за счёт подогрева до 1000–1150°С поступающего в печь базальта дымовыми газами, а также подачи в печь подогретых до 1000°С газообразного топлива и окислителя, организации барботажа расплава и осветления расплава за счёт создания разряжения.

В НИУ «МЭИ» на кафедре Энергетики высокотемпературных технологий продолжается разработка перспективной плавильной печи для базальта. Сотрудники кафедры заинтересованы в дальнейшей работе с индустриальным партнёром или инвестором. Следующим этапом развития работы может быть создание экспериментальной полупромышленной установки, в которой будет плавиться базальт при организации погруженного в расплав факела. Результаты высокотемпературных испытаний будут использованы для создания энергоэффективных промышленных печей нового поколения.

Благодарность

Работа выполнена в рамках проекта «Прорывные технологии энергоэффективных конструкций плавильных печей барботажного типа» при поддержке гранта НИУ «МЭИ» на реализацию программ научных исследований «Энергетика», «Электроника, радиотехника и IT» и «Технологии индустрии 4.0 для промышленности и робототехника» в 2020-2022 гг.».

Литература

1. Оснос М. С., Оснос С. П. Базальтовые непрерывные волокна – основа для создания новых промышленных производств и широкого применения армирующих и композитных материалов / Журнал Композитный мир № 1. 2019 – С. 58-65.
2. URL: www.termokomplex.ru 21.06.2020.
   
3. Техническая энциклопедия: справочник физических, химических и технологических величин / главн. ред. Л. К. Мартенс. Том второй: Аэродинамика. Бумажное производство, 1928 – 882 с.
   
4. Ключников А. Д., Кузьмин В. Н., Попов С. К. Теплообмен и тепловые режимы в промышленных печах, М.: Энергоатомиздат, 1990. – 176 с.: ил.
   
5. Панкова Н. А. Исследование механизма процесса осветления стекломассы в промышленных условиях: Дисс. доктора тех. наук. М.: Государственный научно-исследовательский институт стекла. 1978. – 464 с
   
6. Строгонов К. В., Назаров М. Н. 2019 Устройство для изготовления непрерывных базальтовых волокон (Москва: Патент № 2695188 RU)
   
7. Строгонов К. В., Коркоц К. А. Патент 2019 Устройство для предварительного подогрева базальтовой шихты (Москва: Патент № 194480 РФ)
   
8. Лещенко Н. Ф. Технология производства глицерина из жиров и масел и его применение М.: Пищепромиздат, 1998. – 189 с.
   
9. Воронкович Е. Л., Папко Л. Ф. Технологические свойства базальтовых расплавов // IX Всероссийская научно-практическая конференция молодых учёных «Россия молодая» 18-21 апреля 2017 г. URL: science.kuzstu.ru
   
10. Джигирис Д. Д., Махова М.Ф. 2002 Основы производства базальтовых волокон и изделий (М.: Теплоэнергетик) с. 412
    
11. Ключников А. Д., Кузьмин В. Н., Попов С. К. Теплообмен и тепловые режимы в промышленных печах: Учебное пособие для вузов /. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 176 с.
    
12. Воскобойников В. Г., Кудрин В. А., Якушев А. М. Общая металлургия. Учебник для вузов – 5-е изд., – М.: Металлургия, 1998.