Туннельно-шнековая электрическая печь для обжига мелкого керамзитового гравия и песка

Емельянов А. Туннельно-шнековая электрическая печь для обжига мелкого керамзитового гравия и песка // Строительные материалы. 2002. №2. C.6, 7

Повышение требований к ограждающим конструкциям зданий по теплозащите и энергосбережению привело к тому, что однослойные панели из керамзитобетона слитной структуры в значительной степени вытеснены слоистыми конструкциями, в том числе трехслойными панелями с эффективными утеплителями. При этом основным и единственным аргументом в пользу последних выдвигается низкая теплопроводность, а против применения керамзитобетонных однослойных ? высокая насыпная плотность керамзита, высокий удельный расход топлива на обжиг и отсутствие обжигового керамзитового песка.

Однако, по нашему мнению, для обоснования широкого применения слоистых конструкций только одного параметра - теплопроводности ? недостаточно. Необходима объективная оценка их долговечности.

Слоистые конструкции, включая и трехслойные панели, представляют собой четко выраженные разноплотные среды [1]. В таких средах, особенно на границе их раздела и фаз ингредиентов среды, постоянно имеется разность температуры и влажности, переноса вещества, энергии и импульса, химического и электрического потенциалов и т. п., что создает условия для развития деструктивных процессов (гидролиз, термодеструкция, криолиз, поверхностные явления, диффузия, коррозия и т.д.) в объеме конструкции, панели, в основе которых лежит адсорбция, а также конденсация.

Перечисленные физико-химические процессы действуют совместно. Под их влиянием утеплители (пенопласты, минвата) могут рассыпаться в порошок. Такое положение подтверждается результатами натурных обследований [2].

На границе раздела сред всегда имеется скачок температуры при теплопроводности, являющийся главной причиной расхождения расчетного и действительного значений сопротивления теплопереносу. Отмечается [3], что это расхождение тем больше, чем больше слоев и чем больше различаются между собой теплофизические свойства материалов слоистой конструкции.

Адсорбция, конденсация и теплоперенос неразрывно и тесно связаны в слоистых конструкциях. Значительное влияние на характер конденсации оказывает смачиваемость поверхностей, составляющих конструкцию: утеплителя (пенопласта, минваты, ориентированного волокна из базальтового расплава и др.) и цементного камня, например керамзитобетона.

На менее гидрофильных (плохо смачиваемых), высокоразвитых, богатых микронеровностями поверхностях (пенопласта, связующих утеплителей) жидкая фаза - вода выпадает в виде отдельных капель, происходит так называемая капельная конденсация. На более гидрофильных (хорошо смачиваемых) и в меньшей степени развитых поверхностях (цементный камень керамзитобетона) образуется пленка. В данном случае происходит пленочная конденсация.

Именно характер конденсации является решающим фактором для теплопереноса в слоистых конструкциях. При капельной конденсации интенсивность теплопереноса выше, чем при пленочной, поскольку сплошная пленка конденсата на цементном камне представляет значительное термическое сопротивление переходу теплоты от поверхности конденсации (цементный камень) к поверхности охлаждения (нагревание утеплителя): коэффициент теплопереноса при капельной конденсации чистого водяного пара при атмосферном давлении в среднем в 7-10 раз больше, чем при пленочной конденсации [4]. Необходимо отметить и такую особенность. При расчете локальных значений коэффициента теплопередачи найденное значение этого коэффициента по известной формуле Нуссельта необходимо увеличивать на 15%, так как в ламинарно движущейся пленке под действием капиллярных сил возникают волны (что не учитывается теорией Нуссельта), приводящие к возрастанию теплопереноса [5].

Рассматривая работу утеплителя в слоистой конструкции, необходимо отдавать предпочтение однослойной, из керамзитобетона, слитной структуре. К этому необходимо добавить важное обстоятельство: керамзит имеет более высокую химическую устойчивость (кислото- и щелочестойкость) в сравнении даже с цементным камнем.

Однако для производства однослойных конструкций, отвечающих требованиям второго этапа СНиП П-3?79, необходимо существенно снизить насыпную плотность керамзита и удельный расход топлива на обжиг, а также организовать производство обжигового керамзитового песка.

На основании результатов анализа работы конструкции печей различного типа для обжига керамзита и других сыпучих, зернистых материалов разработана принципиально новая печь туннельно-шнекового типа (патент России ?Аппарат для термической обработки зернистых материалов?, авт. Емельянов А.Н.). В качестве энергоносителя используется электроэнергия. Нагрев гранул и крошки полуфабриката осуществляется за счет излучения и теплопроводности.

Печь представляет собой муфель туннельного типа (см. рисунок), внутри которого по ходу перпендикулярно продольной оси расположены шнековые транспортеры из жаростойкой стали или иного тождественного по свойствам материала. Шнековые транспортеры объединены в транспортирующие системы с помощью независимых передач и имеют индивидуальные приводы, каждый из которых имеет многоступенчатое регулирование скорости движения материала.





Печь работает следующим образом. В предварительно разогретую печь гранулы и/или крошка полуфабриката поступают через загрузочное устройство на шнековый транспортер, по которому равномерно перемешиваясь, перемещаются на следующий, рядом расположенный транспортер. Процессы перемешивания и перемещения повторяются до разгрузочного устройства печи. Простое специальное устройство исключает скопление гранул и/или крошки у стенок печи. Гранулы и/или крошка, перемещаясь таким образом по ходу печи, быстро и равномерно нагреваются до температуры вспучивания, выдерживаются необходимое время при этой температуре и затем выгружаются из печи.

Печь обладает высокой совместимостью с окружающей средой и за счет экономичного использования теплоты отличается лучшими технико-экономическими показателями в сравнении с традиционными вращающимися печами. Хотя необходимо отметить, что 1 кДж теплоты, получаемый при использовании электроэнергии, в настоящее время стоит в среднем в 8 раз дороже 1 кДж, получаемого при сжигании природного газа.

В печи предпочтительнее обжигать мелкий полуфабрикат и/или крошку, что позволит получать керамзитовый гравий мелкой фракции 5?10 мм и керамзитовый песок. Уже готовым полуфабрикатом являются отходы добычи и дробления сухарных глин, глинистых сланцев, аргиллитов. Для мелкого полуфабриката и крошки из пластичного глинистого сырья имеются отработанные в заводских условиях технологические приемы их подготовки. Возможно использование порошковой технологии.

Основные технико-экономические показатели новой печи приведены в таблице, где для сравнения даны одноименные показатели наиболее распространенной вращающейся печи размером 2,3x22 м [6].

Футеровка печи не подвергается абразивному износу и механическому воздействию, что имеет место во вращающихся печах. Соответственно улучшаются условия ее эксплуатации, увеличивается срок службы огнеупоров и печи в целом.

В конструкции печи используются новые конструкционные материалы ? огнеупоры, жаростойкие стали и минералокерамика. Отечественный и зарубежный опыт показывает, что применение этих материалов в печах строительной керамики дает высокую экономическую эффективность. Например, переоборудование туннельных печей на роликовые снижает на 50% расход энергии [7].

В туннельно-шнековой печи новые конструкционные материалы используются для изготовления транспортирующих шнеков. Известные недостатки шнековых транспортеров ? дробление, измельчение транспортируемого материала и абразивный износ ? существенно снижены за счет изменения характера транспортирования и соответственно времени контакта материала со шнеком. В частности, шаг винта предусматривает предельно возможную величину, а скорость его вращения ? минимально возможную.

Отечественный производственный опыт эксплуатации роликовых печей как технического аналога туннельно-шнековой показывает, что расход жаростойкой стали не превышает 6% от массы роликов, установленных для транспортировки в печи. На 1 пог. м роликовой печи устанавливаются ролики из жаростойкой стали общей массой 240?250 кг, а в туннельно-шнековой шнековые транспортеры ? 190?200 кг. В общем, потребность в жаростойкой стали для туннельно-шнековой печи составляет 28% от потребности для роликовой печи.

Оценка технико-экономических показателей применения новой печи в сравнении с вращающейся печью показала, что себестоимость 1 м3 керамзита (гравий + песок) с учетом факторов экологической совместимости с окружающей средой (пылегазоочистка, выбросы вредных веществ и др.) не превышает одноименного показателя керамзитового производства, оснащенного традиционной короткой вращающейся печью.

По всем показателям туннельно-шнековая печь имеет лучшие характеристики в сравнении с традиционными вращающимися печами, работающими на природном газе и/или мазуте. Она обладает высокой технологической мобильностью, как по скорости транспортирования обжигаемого материала, так и в результате регулирования температурного режима обжига. Эта печь может успешно применяться для обжига карбонатных пород (особенно отсевов их дробления) в производстве извести, дегидратации глин в производстве керамического кирпича и плитки, строительного гипса и др.

В настоящее время разработана в полном объеме конструкторская документация и определен завод-изготовитель новой печи.

Показатели

Туннельно-шнековая печь

Вращающаяся печь 2,3х22 м

Производительность, м3/ч

гравий

6

6

песок

2,5

-

Насыпная плотность, кг/м3

гравии

200-250

400-450

песок

500-600

Удельный расход теплоты, кДж/кг

1675-1885

4600-5025

Установленная мощность привода, кВт

6

37

Масса печи, т

металл*

47,0/3,31

63/7,25

огнеупор**

38/6

76/40

Примечание: * в целом на печь / жаростойкой стали;

** на футеровку печи / для текущих расходов.

Список литературы

1. Емельянов А. Н. Совершенствование технологии керамзита для однослойных стеновых панелей // Изв. вузов. Строительство. Новосибирск 2000. № 2-3. С. 31-34.

2. Коледин В.В. Минераловатные материалы на основе природного и техногенного сырья Сибирского и Дальневосточного регионов: Автореф. дисс. докт. техн. наук. Новосибирск: НГСУ. 2000.

3. Протасевич A.M., Калинина Л.С. Использование эффективных теплоизоляционных материалов при капитальном ремонте и реконструкции жилых зданий // Строит, материалы. 2000. № 8. С. 10-13.

4. Лыков А.В. Теплообмен: Справочник. М.: Энергия, 1978. 480 с.

5. Левин В.Г. Физико-химическая гидродинамика. 2-е изд. М. 1959.603 с.

6. Милокумова Т.Н., Уварова Е.И., Егоркина А.Н. Технико-экономический обзор работы промышленности пористых заполнителей России за 1991 год: НИИКерамзит. Самара. 1992. 112 с.

7. Bitter H.G., Specht E. Kriterien Zur Beurteehung von Industrieefen in der Keramischen Industrie // CFI: Ber. DKG. 1990.№ 11. p. 502-509.