Технические науки/5. Энергетика

Диханбаев Б.И., к.т.н

ТОО «Отрар»

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ АГРЕГАТ НА БАЗЕ РЕАКТОРА ИНВЕРСИИ ФАЗ

В настоящее время имеются много известных технологических решений по комплексному извлечению ценных компонентов из шлаков, реализованных в опытном или опытно-промышленном масштабе. Например, извлечение и драгоценных металлов из шлаков цементационным методом, переработка силикатной составляющей шлака в изделий для нужд стройиндустрии и т.д. Но, при всех своих достоинствах эти процессы не могут конкурировать с крупнотоннажным производством выпускающим такую же продукцию, такого же качества. Поэтому, для того чтобы сделать рентабельным производство продукции из шлаков «бедных» отвалов требуется поиск новых способов, создание на их основе высокопроизводительного плавильно-восстановительного реактора, в итоге позволяющего достичь предельно низкого уровня потребления топливно-энергетических ресурсов на процесс.

Согласно [1] эффективным средством решения такого рода задач в теплотехнологии является комбинирование теплотехнических принципов (ТТП), где каждый из ТТП должен обладать высокой интенсивностью тепловой обработки материала. Касательно к плавильно-восстановительному реактору в качестве такого ТТП примем слой инверсий фаз, показавшим хорошие результаты по удельному расходу топлива при фьюминговании жидких шлаков свинцовой плавки, [2, 3, 4]. Оборудование реализующее данный ТТП назван реактором инверсии фаз (РИФ).

Трубчатые печи широко применяют для сушки, нагрева материала, вельцевания кеков и шлаков, гидротермической обработки фосфатного сырья и во многих других физико-химических процессах. Согласно [1], способ организации тепловой обработки материала в трубчатой печи классифицируется как теплотехнический принцип пересыпающегося слоя и подразумевает перекрестное движение ссыпающегося слоя материала по отношению к прямому потоку газов. Однако при всей своей эффективности данный принцип имеет значительный резерв для интенсификации тепло-массообменных процессов в слое. Эксперименты на трубчатой печи с закрученным потоком газов в противотоке со ссыпающимися частицами слоя показали, что в сопоставимых условиях, материал в закрученном потоке газов нагревается в 1,5-2 газа быстрее, чем при прямом потоке газов. Результаты экспериментов позволили нам выявить новый, более эффективный способ тепловой обработки материала – ТТП пересыпающегося материала в закрученном потоке газов и назвать оборудование осуществляющее этот ТТП – трубчатой печью с закрученным потоком газов. Далее, для простоты индексации обозначим его «ТП».

Определим, с помощью укрупненного теплового расчета правомерность суждений об эффективности предлагаемой комбинации ТТП – «слой инверсий фаз – пересыпающийся слой с закрученным потоком газов». Сравним для этого практически достигнутый удельный расход условного топлива в существующей вельцпечи с расчетным удельным расходом у.т. в предлагаемом агрегате «РИФ-ТП». Так как не существует вельцпечи или иной установки перерабатывающей «бедные» шлаки, то в качестве материала в сравниваемых агрегатах примем «богатые» отвальные шлаки.

Запишем для элементов «РИФ-ТП» следующие уравнения теплового баланса (при отсутствии подогрева воздуха, ).

(1)

(2)

(3)

(4)

После совместного решения (1) – (4) получим:

, (5), где

. Правильность выбора определяем из выражения:

, (6)

Здесь - теплота отходящих газов РИФ;

- приход теплоты к РИФ и ТП;

- химическая теплота природного газа и физическая теплота нагретого в ТП шлака, кДж/ч; - низшая теплота сгорания природного газа, кДж/м³. и - расход природного газа, нм³/ч и производительность реактора по шлаку, кг/ч; - доля полезноиспользованной теплоты в ТП; - доля теплоты отходящих газов в РИФ; - удельные расходы теплоты на нагрев шлака и сушки влаги в ТП, кДж/кг.

Целью расчета была прогнозирование удельного расхода топлива в агрегате «РИФ-ТП», когда тот имел бы характеристики условного комбинированного агрегата «фьюминг-печь - вельцпечь», использующего традиционные ТТП – «барботажный слой расплава – пересыпающийся слой материалов».

.

Результаты расчетов сведены в таблицу 1.

Таблица 1 – Сравнительные характеристики агрегатов

Объекты сравнения	Вид потребляемого сырья и топлива	Характеристики агрегатов	Удельный расход условного топлива
РИФ-ТП, расчетный образец	Отвальный шлак, СН=10%, Е=75% Природный газ	Рриф=5т/ч tш=0^0С tв=0^0С	2422
ВП, рудник Ачисай	Отвальный шлак, СН=10%, Е=75% Коксик	РВП=5т/ч tш=0^0С tв=0^0С	5332

Здесь С_н, Е – начальная концентрация цинка в шлаке и степень извлечения цинка из шлака.

Таким образом, посредством укрупненного расчета, в первом приближений установлено, что комбинация ТТП «слой расплава инверсий фаз – пересыпающийся слой шлака в закрученном потоке газов» является очень эффективным способом на пути снижения удельного расхода топлива на процесс. Реализация этого способа в виде оборудования «РИФ-ТП» может дать снижение удельного расхода топлива более чем в 2 раза по сравнению с вельцпечью перерабатывающей отвальный шлак идентичного состава.

В ТОО «Отрар», построена пилотная установка по непрерывной переработке отвальных шлаков свинцовой плавки, на базе агрегата РИФ-ТП. Было переработано ~ 400т шлака, в том числе ~ 150т «бедного» и ~ 250т «богатого» шлака. Производительность по шлаку в опытах варьировалась от 500 до 1500 кг/ч.

Результаты опытов

1. В течение опытных испытаний, 2004-2006 г.г., РИФ проработал безаварийно около 1000 часов в горячем режиме, что подтверждает надежность его конструкции.

2. Расчеты основанные на результатах экспериментов показывают, что в случае коммерциализации установки удельный расход условного топлива (кг у.т. /тZn) в них будут:

- при переработке отвальных «богатых» шлаков, в 2,5 раза ниже чем в вельцпечах обрабатывающих такие же шлаки;

- при переработке отвальных «бедных» шлаков , в 1,5 раза ниже чем в вельцпечах обрабатывающих «богатые» шлаки.

Особый интерес представляют «бедные» по цинку отвальные шлаки с огромными их запасами имеющими тенденцию к дальнейшему росту, переработка которых считается нерентабельной при существующих способах обработки шлаков.

Литература

1. Ключников А.Д. Теплотехническая оптимизация топливных печей. М.: Энергия. 1974.

2. Ключников А.Д., Диханбаев Б.И., Ковалев А.С., Тельбаев С.А. Мероприятия интенсивного энергосбережения для системы фьюмингования шлаков свинцовой плавки. // Интенсивное энергосбережение в промышленной теплотехнологии. Тезисы докладов 3^й Всесоюзной научной конференции по проблемам энергетики теплотехнологии. М.: 1991. с. 67.

3. Диханбаев Б.И., Ковалев А.С., Морозов И.П., Нысанбеков О.А. Результаты работы опытной установки «ЧСЗ-МЭИ» для непрерывного фьюмингования шлаков свинцовой плавки.// Интенсивное энергосбережение в промышленной теплотехнологии. Тезисы докладов 3^й Всесоюзной научной конференции по проблемам энергетики теплотехнологии. М.: 1991. с.68.

4. Диханбаев Б.И., Тельбаев С.А. Непрерывное фьюмингование при периодической заливке.// Труды Республиканской научно-практической конференции «Ауезовские чтения-2». 2^й том. Шымкент. 1999. с.189-192.