Электротермический кипящий слой – основа развития высоко температурных теплотехнологических процессов (Часть1)

Apr 11, 2019

Электротермический кипящий слой – основа развития высоко температурных теплотехнологических процессов (Часть1)


Федоров С.С., Сибирь А.В., Губинский С.М., Губинский М.В., Гогоци А.Г.

11 апреля 2019


Одним из решающих преимуществ реализации технологических процессов высокотемпературной химии (прямое восстановление оксидов железа, получение карбидов, обогащение углеродных материалов, газификация и активация углей и т.п.) в агрегатах с кипящим слоем является возможность интенсификации тепло и массообмена, организации поточных высокопроизводительных технологий [1-2].

Под высокотемпературными мы понимаем процессы протекающие в диапазоне температур 1000 - 3000˚С. Такие процессы требуют постоянного подвода тепловой энергии, обеспечивающей компенсацию тепловых потерь и поддержание необходимой температуры.

Источником тепловой энергии может быть горячий газообразный теплоноситель, поступающий в печь как ожижающий агент, сжигание топлива (твердого или газообразного) непосредственно в слое и электронагрев. Использование подачи горячих продуктов сгорания в слой и сжигание топлива непосредственно в слое, как показала практика, обеспечивают работу печей при температурах до 900-1200˚С [2 - 4].

В связи с этим основным методом высокотемпературной обработки в кипящем слое является использование электронагрева, который включает несколько направлений : индукционный нагрев электропроводных частиц кипящего слоя, плазменный нагрев, косвенный нагрев электронагревателями и нагрев пропусканием тока через кипящий слой (электротермический кипящий слой).


Электротермический кипящий слой обеспечивает работу печей при температурах слоя в диапазоне от 1000˚С до 3000˚С при этом продолжительность обработки материала не ограничена и позволяет организовать непрерывный производственный процесс.


Основной принцип организации электротермического кипящего слоя предполагает наличие трех необходимых компонентов (рис.1) :

  • как минимум два электрода;
  • кипящий слой с электропроводным материалом;
  • источник тока.


Выбор варианта реализации кипящего слоя определяется уровнем температуры процесса, которая определяет возможность использования огнеупорных материалов для изготовления рабочей камеры печи. В связи с этим все технологические процессы и конструкции печей можно условно разделить на :

  •  «низкотемпературные» - температура слоя 1000 - 1600˚С ;
  •  «высокотемпературные» – температура слоя 1600 – 3000˚С.

Варианты реализации электротермического кипящего слоя

Рис. 1 Варианты реализации электротермического кипящего слоя [1]


1-источник тока, 2- корпус с тепловой изоляцией, 3-кипящий слой, 4- электрод,
5 – газораспределительная решетка- электрод, 6 – газораспределительная решетка,
7 –подвод инертного газа, 8 – удаление газов из печи, 9- неэлектропроводная футеровка рабочей камеры печи, 10 – электропроводная футеровка рабочей камеры печи.

В «низкотемпературных» печах могут быть использованы огнеупорные материалы [5, 6] – шамотные , корундовые, магнезиальные, динасовые. Для «высокотемпературных» печей – графит. Именно это ограничение определяет конструкцию печи и организацию технологического процесса.


«Низкотемпературные» печи с электротермическим кипящим слоем

К «низкотемпературным» процессам в электротермическом кипящем слое можно отнести : прямое восстановление железа с использованием твердого углеродного материала в качестве восстановителя [7], получение карбида титана TiC [8], карбида кремния SiC [9,10] и карбида циркония[9], паровая газификация кокса [12], термическая обработка металлических изделий [13], получение хлорида циркония ZrCl4 [14], получение водорода пиролизом углеводородов [15], капсулирование кварцевого песка пироуглеродом [16], прокаливание зеленого нефтяного кокса [17].


Все конструкции печей с «низкотемпературным» электротермическим кипящим слоем можно разделить по направлению хода электрического тока в кипящем слое: поперек слоя (в горизонтальной плоскости) и по оси слоя (в вертикальной плоскости).

На рисунке 1а, 2 и 3 приведены конструкции печей с двумя электродами [17,18], которые погружены в кипящий слой электропроводных частиц, что обеспечивает нагрев слоя при протекании тока от одного электрода к другому в горизонтальной плоскости. Аналогичная конструкция печи предлагается автором патента [19].

 

Печь с электротермическим кипящим слоем для прокалки нефтяного кокса

Рис. 2 Печь с электротермическим кипящим слоем для прокалки нефтяного кокса [17]

 

Печь с электротермическим кипящим слоем для проведения каталитических реакций

Рис.3 Печь с электротермическим кипящим слоем для проведения каталитических реакций [18]


1- электроды, 2-кипящий слой, 3 – газораспределительная решетка, 4, 5, подвод и эвакуация инертного газа, 6 – теплоизоляционные экраны.

Печь с электротермическим кипящим слоем


Рис.4 Печь с электротермическим кипящим слоем [22]


1- футервка печи, 2 – электроды, 3 – кипящий слой, 4 – газораспределительная решетка


Второй вариант конструкции с поперечным движением электрического тока это печи с цилиндрической рабочей камерой, ограждение которой является электродом. Второй электрод расположен по центру рабочей камеры. Таким образом, ток движется в радиальном направлении [7, 10, 12, 14, 20]. Пример такой печи для прямого восстановления оксидов железа представлен на рисунке 5 [7].

 

Печь для прямого восстановления оксидов железа

Рис.5 Печь для прямого восстановления оксидов железа [7]


1- центральный электрод, 2-футерованный корпус печи, 3- боковой электрод, 4- подача инертного газа, 5 – подача газа реакционного газа,
6- питатель выгрузки охлажденного материала

Известен так же ряд конструкций печей с электротермическим кипящим слоем с вертикальным движением тока [21-24]. В качестве электродов используют верхний электрод, нижняя часть которого значительно перекрывает рабочее пространство печи и имеет развитую форму поверхности (корону). В качестве нижнего электрода используется газораспределительная решетка (рис.6,7)

 

Печь с электротермическим кипящим слоем для пиролиза углеводородов


Рис. 6 Печь с электротермическим кипящим слоем для пиролиза углеводородов [21].


1- тепловая изоляция, 2- корпус печи, 3- рабочая камера из огнеупорного материала, 4 – верхний электрод, 5 – токоподводы, 6- подвод углеводородородов , 7 – подача углеродного материала в слой, 8 – выгрузка углеродного материала из рабочей камеры, 9 – газораспределительная решетка - нижний электрод, 10 – удаление газа из рабочей камеры.

 

Печь электротермического кипящего слоя для  капсулирование кварцевого песка пироуглеродом

Рис.7 Печь электротермического кипящего слоя для капсулирование кварцевого песка пироуглеродом [22]


1- Охранный внешний нагреватель, 2,3- верхний перемещаемый электрод, 4 – газораспределительная решетка – нижний электрод, 5- подача углеводородных газов.


Иначе выглядит конструкция печи с решетчатыми электродами расположенными по высоте кипящего слоя между которыми расположена огнеупорная насадка [23] (рис.8). Таким образом, реализуется стесненный электротермический кипящий слой . Электроды попеременно подключены к различным фазам.


В конструкции печи [25] (рис.9) реализуется подковообразное движение тока. Электродами служат отдельные элементы газораспределительной решетки, разделенные электроизоляционными вставками в виде перегородок.


«Высокотемпературные» печи с электротермическим кипящим слоем

«Высокотемпературные» печи с электротермическим кипящим слоем имеют конструкцию аналогичную [7, 10, 12, 14, 20] с центральным электродом и электропроводной рабочей камерой, футеровка которой является вторым электродом. Рабочая камера выполняется из графитовых материалов, а качестве ожижающего агента используются инертные газы аргон , азот.


Высокотемпературные печи работают в поточном режиме с постоянной загрузкой сырья и выгрузкой обработанного материала [25-28].
Типичная конструкция выокотемпературной печи преставлена на рисунке 10.

Печь со стесненным электротермическим слоем


Рис.8 Печь со стесненным электротермическим слоем [23].


1- корпус, 2- газораспределительная решетка, 3,4 – электроды, 5,6 –токоведущие стержни, 7 – электроизоляционные втулки.

 

Печь с электротермическим кипящим слоем

Рис.9 Печь с электротермическим кипящим слоем [24]


1- футеровка печи, 2 – секция газораспределительной решетки – электрод,
3 – вертикальная перегородка из диэлектрика, 4 – токоподводы, 5 – кипящий слой.

Высокотемпературная печь для обработки углеродного материала в электротермическом кипящем слое

Рис. 10 Высокотемпературная печь для обработки углеродного материала в электротермическом кипящем слое


1 – центаральный графитовый электрод, 2 – подача сырого материала в печь,
3 – корпус печи, 4 – тепловая изоляция, графитовая футеровка рабочей камеры, 6 – подача инертного газа, 7 – распределительная камера готового материала, 8 – газораспределительная решетка, 9 – удаление отработанных газов, 10 – холодильник готового материала первой ступени, 2 – холодильник готового материала второй ступени.

При разработке конструкций печей с электротермическим кипящим слоем необходимо решать вопросы выбора конструктивных решений следующих элементов:

  • рабочей камеры печи;
  • электродов;
  • газораспределительной решетки;
  • организации удаления готового материал;
  • загрузки сырого материала;
  • удаления отработанных газов;
  • охлаждения готового продукта.

Вторая часть статьи будет посвящена анализу и рекомендациям по выбору конструкций указанных элементов печей.

 

На нашем вэбсайте https://tmec.com.ua вы найдете больше информации

 

Использованные источники:


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. Кервалишвили З.Я., Ольшонов М.Я., Пагава Г.А, Севрюков В.Н., Сергеев А.Л., Сукомский А.И., Холин Н.М. Реактор с электротермическим кипящим слоем SU 1003878, Публ. 15.03.83 Бюл. №10
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

 


Что мы делаем

Разработка инновационных промышленных технологий

Hаучные исследования

Изготовление и поставка оборудования

Наладка и пуск оборудования

Техническое сопровождение проектов

Поставка материалов и комплектующих

Консалтинг

Промышленный энергоаудит