Федоров С.С., Сибір А.В., Губинський С.М., Губинський М.В., Гогоці А.Г.
11 липня 2019

Умовно робочу камеру можна розділити на кілька елементів, що визначають ефективність роботи печі: робочий простір печі, де розташовується киплячий шар із висотою Нраб та діаметром Dраб, надшаровий сепараційний простір висотою Ннс та діаметром Dнс, відстань від електрода діаметром Dе до газорозподільної решітки Нре.

Мал.11 Схема робочого простору печі з електротермічним киплячим шаром, 1 – центральний електрод, 2 – подача сировини в киплячий шар, 3 – видалення відпрацьованих газів, 4 – футерування печі – електрод, 5 – теплова ізоляція, 6 – водоохолоджуваний корпус, 7 – газорозподільна решітка.

Визначальними розмірами є розміри електротермічного киплячого шару, в об’ємі якого відбувається тепловиділення під час проходження струму: діаметр робочої зони Dраб, діаметр електрода Dе, висота робочої зони Нраб. Вибір цих параметрів визначається такими характеристиками печі, які мають бути узгоджені:

• продуктивність печі;
• електричний опір киплячого шару, який визначає напругу і силу струму на електродах;
• допустима щільність струму на перетин електрода;
• допустима щільність струму на поверхні електрода по висоті робочої зони;
• рівномірність тепловиділення і температурного поля в зазорі між центральним електродом і футеруванням печі;
• стійкість центрального електрода.

На основі математичного моделювання процесів нагріву вуглецевого матеріалу в електротермічному киплячому шарі [27, 29] висоту робочої зони печі рекомендовано як 2-5 діаметрів центрального електрода Нраб=(2-5)Dе. У [25] висота робочої зони визначається діаметром робочої зони і рекомендована як Нраб=(0,5-2)Dраб.

Для вибору діаметра робочої зони авторами [29] рекомендовано залежність, що зв’язує основні конструктивні та технологічні параметри роботи печі:

D екв – еквівалентний діаметр робочої зони [29], м,
N – електрична потужність печі, кВт,
D е – електрична провідність киплячого шару, Ом*м,
U – напруга між центральним і футеруванням, В,
V – об’єм киплячого шару робочої зони, м3.

У роботі [30] автори з метою підвищення надійності роботи печі та підвищення стійкості електрода рекомендують співвідношення діаметрів внутрішнього і зовнішнього електродів становить Dе/Dраб =0,55…0,66. Саме таке співвідношення відповідає мінімальній напруженості електричного поля на поверхні центрального електрода. Це зменшує ймовірність утворення іскрових розрядів на поверхні електрода характерних для електротермічного киплячого шару.
Як відомо, саме іскрові розряди, в яких температура може досягати до 10000˚С, спричиняють підвищену ерозію анодів і необхідність їх періодичної заміни. Вирішення цієї проблеми можливе завдяки екрануванню робочої поверхні анода насипним шаром матеріалу киплячого шару (рис.5,12) [22, 31]. Останній варіант може бути використаний тільки для “низькотемпературних” печей.

Мал. 12 Схема екранування анода матеріалом киплячого шару
1 – газорозподільна решітка, 2 – електротермічний киплячий шар, 3 – надшаровий простір, 4 – футерування печі з діелектричного матеріалу, 5 – захисний шар матеріалу, 6 – електрод.

Вибір розмірів надшарового Ннс і Dнс визначається можливостями сепарації частинок, що викидаються з киплячого шару, і зниження механічного їхнього виносу з печі. Величина діаметра надшарового простору, як правило, більша за діаметр робочого простору печей (рис. 6,7,11), що дає змогу знизити швидкість газу і зменшити винесення матеріалу з печі [9,10,15, 21, 25-27]. У [25] рекомендовано висоту надшарового простору вибирати в півтора раза вищою, ніж висота киплячого шару (Нраб+Нре).
Однак у “низькотемпературних” печах диметри робочої зони і надшарового простору можуть збігатися (рис. 8-10) [9,18,19, 22]. Висота надшарового простору повинна мінімізувати винесення матеріалу і за рекомендаціями [32] має становити не менше 1 м для частинок діаметром 100-200 мкм.
Одним із важливих розмірів робочого простору печі є відстань від газорозподільної решітки до початку робочої зони печі (рис. 10). Величина цієї відстані повинна забезпечувати основне тепловиділення в радіальному зазорі між електродами та мінімізувати витоки струму на ґрати, що дасть змогу керувати процесом під час зміни висоти занурення центрального електрода.

Автори [27] рекомендують величину Нре не менше одного діаметра центрального електрода, що гарантує виділення щонайменше 90% теплової енергії в зазорі між футеруванням і центральним електродом.
Конструкція газорозподільної решітки повинна забезпечувати рівномірний розподіл інертного газу по робочому простору печі, інтенсивне перемішування матеріалу, що забезпечує рівномірне температурне поле і відсутність застійних зон, в яких можливе скупчення необробленого матеріалу. Крім цього, решітка, як правило, має канал для вивантаження обробленого матеріалу з робочої камери.
На практиці використовуються два види решіток: плоскі з рівномірним [9, 15, 16, 18, 20, 21, 22, 23] (мал. 4, 5, 7-10) і нерівномірним [25] (мал. 11) розподілом отворів для проходу газу, а також конусні решітки, що визначають рух матеріалу до отвору вивантаження [7, 10, 24, 26]. Решітки можуть бути провального [18,19, 23, 25, 27] і не провального [7,15,16,21,22,24,26] типів, зокрема й ковпачкові (мал. 7,8), характерні для “низькотемпературних” печей.

Конструкція безпровальної решітки авторів [24] являє собою ступінчасту конструкцію з графітових кілець, між якими організовано подачу газу в шар, при цьому кільця електрично розв’язані між собою. Це дає змогу керувати напругою, що подається на них, і таким чином керувати розподілом джерел теплоти у вертикальному киплячому шарі. При цьому можлива організація подачі газу тангенціально (рис. 15), що забезпечує обертальний рух шару і забезпечує поліпшення перемішування матеріалу.

Мал.13 Схема печі з електротермічним киплячим шаром для отримання карбіду кремнію [10].
1 – подача сировини, 2 – графітове футерування печі, 3 – центральний електрод,
4 – корпус печі, 5 – електротермічний киплячий шар, 6 – розвантажувальний отвір, 7,9 – конусна штанга для регулювання розвантаження готового матеріалу, 8 – газорозподільна решітка, 10 – подача інертного газу.

Мал.14 Печь с электротермическим кипящим слоем [24]
1 – патрубок удаления отработанных газов, 2 – футерованный корпус печи, центральный электрод, 4 – подача газа к центральному электроду, 5 – графитовые кольца, образующие безпровальную решетку, 6 – канал дя удаления обработанного материала, 7 – патрубок загрузки сырья, 8 – электротермический кипящий слой, 9 – подвод электроэнергии, 10 – подача инертного газа.

Мал.15 Схема газораспределительной решетки с тангенциальным подводом инертного газа [24]
1- футерованный корпус печи, 2 – графитовое кольцо, 3 – тангенциальный канал для подвода инертного газа, 4 – электротермический кипящий слой

Мал. 16 Піч з електротермічним киплячим шаром для обробки вуглецевого матеріалу [25].
1 – патрубок для завантаження сировини, 2- корпус печі, 3 – теплова ізоляція,
4 – графітове футерування – електрод, 5 – патрубок відведення відпрацьованих газів, 6 – центральний електрод, 7 – конусна газорозподільна решітка, 8 – підведення інертного газу, 9 – патрубок вивантаження готової продукції.

Використання конусних решіток із нерівномірним розподілом отворів за висотою [7, 25] (рис. 6, рис. 16). Подача газу здійснюється у верхній частині конусної решітки через один ряд сопел. У [25] центральний кут конусної решітки рекомендується вибирати в діапазоні 40-60˚, а висота розташування сопел становить 0,5-0,75 висоти конуса. Таке рішення забезпечує роботу киплячого шару із заданою циркуляцією матеріалу в робочій камері аналогічно до роботи апаратів із фонтануючим шаром. Підйом матеріалу біля центрального електрода й опускання матеріалу біля футерування печі. Це забезпечує повну обробку всього матеріалу і гарантоване його перемішування.

Аналогічно конструкції [24] автори печі [25] передбачили можливість тангенціального введення газових струменів у робочий простір печі, для забезпечення вихрового руху шару (рис. 17). При цьому сопла утворюють кут до дотичної, що дорівнює β=10˚-20˚, а сумарна площа сопел становить 0,15-0,5 площі перерізу робочої зони печі з діаметром Dраб.

Мал.17 Схема тангенціального підведення газу через конусну решітку [25].
1 – теплова ізоляція, 2- газорозподільна камера, 3 – конусна газорозподільна решітка з соплами для подачі інертного газу

Принципово інше рішення для подачі інертного газу в киплячий шар, характерне для фурменного продування розплавів у металургійних агрегатах, запропоновано в роботі [33]. Розподільча решітка поєднана з центральним електродом, через який подається інертний газ і розподіляється в шарі через низку сопел, розподілених по твірній у нижній частині електрода. Такий варіант спрощує конструкцію нижньої частини печі та дає змогу організувати рух матеріалу в робочій зоні аналогічно [25], а також виключити операцію заміни решітки в разі виходу її з ладу, яка вимагає повного охолодження печі.

Рис. 18 Електротермічна піч із киплячим шаром для високотемпературної обробки вуглецевих матеріалів [33].
1 – корпус печі, 2 – теплова ізоляція, 3 – графітове футерування, 4 – центральний електрод, 5 – випускна труба для обробленого матеріалу, 6 – труба для завантаження сировини, 7 – газохід для видалення газів, що відходять, 8 – вертикальний канал для подачі інертного газу, 9 – сопла для подачі інертного газу в шар.

Крім цього інертний газ охолоджує електрод і нагрівається перед подачею в шар. Аналогічне рішення використано і в роботі [30] (рис. 19), де запропоновано розігрівати реагент у каналах центрального електрода й одночасно підвищити його стійкість. Відмінність від [33] полягає в тому, що розігрітий газ подають у робочий простір через кільцеву газорозподільну решітку.

Мал.19 Схема реактора синтезу з електротермічним киплячим шаром [30].
1 – корпус, 2- кришка, 3- днище, 4 – патрубок подачі легколеткого компонента, 5 – газорозподільна решітка, 6 – центральний електрод, 7 – підрешітковий простір, 8 – патрубок для подачі важколеткого компонента, 9 – зовнішній електрод, 10 – реакційний простір

Попередній розігрів інертного газу перед подачею в електротермічний киплячий шар дозволяє вирішити кілька завдань одночасно:

• зменшити витрату інертного газу;
• знизити теплові втрати, пов’язані з його нагріванням;
• забезпечити підтримання рівномірної швидкості газу по висоті печі, що забезпечує підтримання заданого гідравлічного режиму роботи киплячого шару.

Особливо це важливо для високотемпературних печей. Так розв’язання цього питання авторами [25] полягає в організації подачі інертного газу через кільцевий канал, у якому відбувається нагрівання газу перед подачею в киплячий шар. (рис. 20).

Мал. 20 Високотемпературна піч для обробки вуглецевого матеріалу в електротермічному киплячому шарі [25].
1 – центральний графітовий електрод, 2 – графітове футерування робочої камери, 3 – теплова ізоляція, 4 – водоохолоджуваний корпус печі,
5 – газорозподільна решітка; 6 – канал для вивантаження готового продукту з робочої камери; 7 – розподільна камера готового матеріалу; 9 – холодильник готового матеріалу першого ступеня; 10 – подача інертного газу; 11 – кільцевий канал для подачі інертного газу.

Багато з розглянутих конструкцій печей – печі безперервної дії, в яких реалізовано потоковий процес обробки матеріалу [7,9,10,16,17, 21-28,33]. Він вимагає постійного завантаження сировини і вивантаження готового продукту.
Завантаження сировини в піч проводиться через окремий канал у верхній кришці печі. При цьому сировина потрапляє в робочий простір печі і під дією сили тяжіння опускається в шар [7, 9, 10, 21,22,24,25] (Рис. 6-8,11,13-14,16).
У верхній частині печі організовано відведення відпрацьованих газів, у такий спосіб частинки і газ рухаються в протитечії, що може спричинити винесення з печі разом із газами необроблених частинок матеріалу. Для усунення цього недоліку авторами [25, 27, 33] завантаження сировини проводиться через трубу безпосередньо в киплячий шар або його на поверхню (мал.16,18). У роботі [20] (рис. 5) подачу сировини безпосередньо в киплячий шар здійснюють через електроди, таким чином, спрощуючи конструкцію печі.

У більшості конструкцій печей безперервної дії вивантаження здійснюється через канал у газорозподільчій решітці, в якому він рухається в щільному шарі за рахунок сили тяжіння. Після вивантаження обробленого матеріалу з робочої камери печі він прямує до холодильника, при цьому утворюється щільний шар матеріалу, який є гідравлічним опором (затвором), що перешкоджає руху газів із робочого простору через холодильник (рис. 20).
У [25] передбачено розподільчу камеру, в якій відбувається усереднення матеріалу, розподіл його між холодильниками, а також витримка за високих температур, що забезпечує обробку частинок, які транзитом пройшли через киплячий шар. Рух матеріалу в холодильнику визначається або живильниками (рис. 11), або затворами різних типів (рис. 21) [9].

Мал.21 Електротермічна піч для виробництва карбідів [9].
1 – центральний електрод, 2 – птрубок для видалення відпрацьованих газів,
3 – футерування печі, 4 – газорозподільна решітка, 5,6 – подача сировини,
7 – подача інертного газу, 8 – затвор розвантаження готової продукції.

Електротермічний киплячий шар – основа розвитку високотемпературних теплотехнологічних процесів (Частина 1)

Використані джерела:

1. Gupta, C. K., & Sathiyamoorthy, D. (1999). Fluid bed technology in materials processing. Boca Raton: CRC Press.
2. Забродский С.С. Высокотемпературные установки с псевдоожиженным слоем, М. Энергия, 1971, 328с
3. Баскаков А.П. Скоростной безокислительный нагрев и термическая обработка в кипящем слое, Металлургия, 1968, 223с
4. Теплотехнические расчеты печей глиноземного производства /Гущин С.Н., Майзель С.Г., МатюхинВ.И., Гольцев В.А. , Екатеринбург, УГТУ,2000, 229с
5. Волочко А.Т., Шипко А.А., Демин Н.И., Будзинская А.В. Мониторинг применения огнеупорных материалов на предприятиях республики Беларусь /Литье и металлургия, №4, 2011, с. 53-59.
6. Огнеупоры для промышленных агрегатов и топок: Справочное издание, Кн.1/ И.Д. Кащеев и др.- М. Интермет Инжинииринг, 2000, 663с
7. Goldberger, William M., Zak Mark S. 2003, Process and apparatus for the direct reduction of Irion oxides in an electrothermal fluidized bed and resultant product US Patent 2005/0092130 A1
8. James Tuot. Prodaction of TiC in an electrothermal fluidized bed Departrment of Chemical Engineering, McGi11 University, Montreal. Canada.August 1976, 680pp
9. Goldberger William M. Method for the continuous production of carbides. U.S. Patent 4,543,240, 1985
10. Бородуля, В. А. Способ и установка для получения карбида кремния / В. А. Бородуля [и др.]. Евразийский патент № 027539 от 31 августа 2017 г.
11. Алексеева Т.И., Галевский Г.В., Руднева В.В., Галевский С.Г.. Технологические решения в_производстве карбида циркония: анализ, оценка состояния и_перспектив // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2017. Т. 23. № 1._С._256–270. DOI: 10.18721/ JEST.230126
12. Knowlton, T.M., Pulsifer, A.H. and Wheelock, T.D., Coal char gasification in an electrofluid reactor, Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev., 8(4), 539, 1969.
13. Yukio Tanaka Electric direct heating method metallic pieces US Patent 306034, 1962
14. Manieh A., Scott D. S. and Spink D. R. Electrothermal Fluidized Bed Chlorination of Zircon. The Canadian Journal of Chemical Engineering, Vol. 52, 1974, pp 507-514.
15. Кажан А.П., Богомолов В.А., Ховавко А.И., Бондаренко Б.И., Симейко К.В. Исследование процесса получения водорода пиролизом углеводородов в аппарате с электротермическим псевдоожиженным слоем. Энерготехнологии и ресурсосбережение, №2, 2012 , с. 27-31
16. Богомолов В.А., Кажан А.П., Бондаренко Б.И., Ховавко А.И., СимейкоК.В. Капсулирование кварцевого песка пироуглеродом в электротермическом псевдоожиженном слое Энерготехнологии и ресурсосбережение, №5, 2013 , с. 33-36
17. Aleksandr Kozlov, Yaroslav Chudnovsky, Mark Khinkis, Huajun Yuan, Mark Zak. Advanced Green Petroleum Coke Calcination in anElectrothermal Fluidized Bed Reactor, EPD Congress 204, 17 January 2014 Print ISBN: 9781118889763 |Online ISBN: 9781118889664 |DOI: 10.1002 /9781118889664, pp1-8
18. F. Paul H. Johnson, Bartlesville, Okla. ELECTROTHERMIC FLUIDZED BED PROCESS US Patent 3499947, 1970.
19. Herbert S. Johnson, , Bartlesville, Okla.EECTROTHERMC FUDZED BED APPARATTUS US Patent 3006838, 1961.
20. Антонишин Н.В., Бородуля В.А., Никитин В.С., Мартынов О.Г. Реактор с электротермическим кипящим слоем SU 1223989, Публ. 15.04.86 Бюл. №14
21. Богомолов Валерій Олексійович , Бондаренко Борис Іванович , Кожан Олексій Пантелеймонович, Сімейко Костянтин Віталійович РЕАКТОР ДЛЯ ПІРОЛІЗУ ГАЗОПОДІБНИХ ВУГЛЕВОДНІВ UA 83147Патент на корисну модель , Публ. 27.08.2013, Бюл.№ 16
22. Сімейко Костянтин Віталійович, Бондаренко Борис Іванович , Кожан Олексій Пантелеймонович, Дмітрієв Валерій Максимович РЕАКТОР ДЛЯ ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНИХ ПРОЦЕСІВ У ПСЕВДОЗРІДЖЕНОМУ ШАРІ UA 117157 Патент на корисну модель, Публ. 26.06.2017, Бюл.№ 12
23. Севрюков В.Н., Мартюшин И.Г. Апарат для непосредственного нагрева псевдоожиженного слоя SU 181211, Публ. 23.04.66 Бюл. №9
24. Нехамин Сергей Маркович Способ электротермической переработки дисперсного материала в псевдоожиженном слое и устройство для его осуществления РФ 2663425 06.08.2018
25. Richard F. Markel, Greenville, S.C.; W. M. Goldberger,METHOD FOR HEAT TREATING CARBONACEOUS MATERAL IN A FLUIDZED BED US 4160813, Jul. 10, 1979
26. Mark S. Zak, William Mark Harrison, Joseph E. Doninger, METHOD AND APPARATUS FOR HEAT TREATMENT OF PARTICULATES IN AN ELECTROTHERMAL FLUIDIZED BED FURNACE AND RESULTANT PRODUCTS US 2005/0062205 A1, Mar. 24, 2005
27. Федоров С.С., Губинський М.В., Форись С.М. ЕЛЕКТРОТЕРМІЧНА ПІЧ ПСЕВДОЗРІДЖЕНОГО ШАРУ UA 108964, 10.08.2016, Бюл.№ 15.
28. Федоров С.С., Губинський М.В., Форись С.М., Гогоці О.Г. ЕЛЕКТРОТЕРМІЧНА ПІЧ ПСЕВДОЗРІДЖЕНОГО ШАРУ UA 107972 , 24.06.2016, Бюл.№ 12
29. Федоров, С. С., Губинский, М. В., Форись, С. Н. Выбор размеров рабочего пространства электротермических печей кипящего слоя для переработки углеродных материалов. Металлургическая и горнорудная промышленность,2014,№ 4,с. 87-90.
30. Кервалишвили З.Я., Ольшанов Е.Я., Парава Г.А., Севрюков В.Н., Сергеев А.Л., Сукимский А.И., Холин М.Н. Реактор с электротермическим кипящим слоем SU 1003878, 15.03.83, Бюл.№ 10
31. Антонишин Н.В., Забродский С.С., Немкович В.А., Никитин В.С., Бородуля В.А. Установка с электротермическим кипящим слоем SU 423861, 15.04.74, Бюл.№ 14.
32. Расчеты аппаратов кипящего слоя: Справочник/ Под ред. И. П. Мухленова, Б. С. Сажина, В. Ф. Фролова.—Л.: Химия, 1986.— 352 с
33. Федоров С.С., Губинський М.В., Форись С.М., Гогоци А.Г. ЕЛЕКТРОТЕРМІЧНА ПІЧ ПСЕВДОЗРІДЖЕНОГО ШАРУ UA 107972, 24.06.2016, Бюл.№ 12.