Размеры камеры печи с электротермическим кипящим слоем

Jul 12, 2019

 

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

11 Июля 2019


Условно рабочую камеру можно разделить на несколько элементов определяющих эффективность работы печи: рабочее пространство печи , где располагается кипящий слой с высотой Нраб и диаметром Dраб, надслоевое сепарационное пространство высотой Ннс и диаметром Dнс, расстояние от электрода диаметром Dе до газораспределительной решетки Нре.

 

Схема рабочего пространства печи с электротермическим кипящим слоем
Рис.11 Схема рабочего пространства печи с электротермическим кипящим слоем, 1- центральный электрод, 2 – подача сырья в кипящий слой, 3 – удаление отработанных газов, 4 – футеровка печи – электрод, 5 – тепловая изоляция, 6 – водоохлаждаемый корпус, 7 – газораспределительная решетка.

Определяющими размерами является размеры электротермического кипящего слоя, в объеме которого происходит тепловыделение при прохождении тока : диаметр рабочей зоны Dраб, диаметр электрода Dе, высота рабочей зоны Нраб. Выбор этих параметров определяется следующими характеристиками печи, которые должны быть согласованы:

  • производительность печи;
  • электрическое сопротивление кипящего слоя, которое определяет напряжение и силу тока на электродах;
  • допустима плотность тока в сечение электрода;
  • допустимая плотность тока на поверхности электрода по высоте рабочей зоны;
  • равномерность тепловыделения и температурного поля в зазоре между центральным электродом и футеровкой печи;
  • стойкость центрального электрода.


На основе математического моделирования процессов нагрева углеродного материала в электротермическом кипящем слое [27, 29] высота рабочей зоны печи рекомендована как 2-5 диаметров центрального электрода Нраб=(2-5)Dе. В [25] высота рабочей зоны определяется диаметром рабочей зоны и рекомендована как Нраб=(0,5-2)Dраб.


Для выбора диаметра рабочей зоны авторами [29] рекомендована зависимость связывающая основные конструктивные и технологические параметры работы печи:

 
зависимость связывающая основные конструктивные и технологические параметры работы печи(1)
где

D экв - эквивалентный диаметр рабочей зоны [29], м,
N - электрическая мощность печи, кВт,
D е - электрическая проводимость кипящего слоя, Ом*м,
U - напряжение между центральным и футеровкой, В,
V - объем кипящего слоя рабочей зоны, м3.


В работе [30] авторы с целью повышения надежности работы печи и повышения стойкости электрода рекомендуют соотношение диаметров внутреннего и наружного электродов составляет Dе /Dраб =0,55…0,66. Именно такое соотношение соответствует минимальной напряженности электрического поля на поверхности центрального электрода. Это уменьшает вероятность образования искровых разрядов на поверхности электрода характерных для электротермического кипящего слоя.

Как известно, именно искровые разряды в которых температура может достигать до 10000˚С приводят повышенной эрозии анодов и необходимости их периодической замены. Решение этой проблемы возможно за счет экранирования рабочей поверхности анода насыпным слоем материала кипящего слоя (рис.5,12) [22, 31]. Последний вариант может быть использован только для «низкотемпературных» печей.

Схема экранирования анода материалом кипящего слоя

Рис. 12 Схема экранирования анода материалом кипящего слоя
1 – газораспределительная решетка, 2 – электротермический кипящий слой, 3 – надслоевое пространство, 4 - футеровка печи из диэлектрического материала, 5 – защитный слой материала, 6 – электрод.

Выбор размеров надслоевого Ннс и Dнс определяется возможностями сепарации частиц выбрасываемых из кипящего слоя и снижение механического их уноса из печи. Величина диаметра надслоевого пространства, как правило, больше диаметра рабочего пространства печей (рис.6,7,11), что позволяет снизить скорость газа и уменьшить унос материала из печи [9,10,15, 21, 25-27]. В [25] рекомендовано высоту надслоевого пространства выбирать в полтора раза выше чем высота кипящего слоя (Нраб+Нре).

Однако в «низкотемпературных» печах диметры рабочей зоны и надслоего пространства могут совпадать (рис.8-10) [9,18,19, 22]. Высота надслоевого пространства должна минимизировать унос материала и по рекомендациям [32] должна составлять не менее 1 м для частиц диаметром 100-200 мкм.

Одним из важных размеров рабочего пространства печи является расстояние от газораспределительной решетки до начала рабочей зоны печи (рис. 10). Величина этого расстояния должна обеспечивать основное тепловыделение в радиальном зазоре между электродами и минимизировать утечки тока на решетку, что позволит управлять процессом при изменении высоты погружения центрального электрода. Авторы [27] рекомендуют величину Нре не менее одного диаметра центрального электрода, что гарантирует выделение не менее 90% тепловой энергии в зазоре между футеровкой и центральным электродом.

Конструкция газораспределительной решетки должна обеспечивать равномерное распределение инертного газа по рабочему пространству печи, интенсивное перемешивание материала, что обеспечивает равномерное температурное поле и отсутствие застойных зон, в которых возможно скопление необработанного материала. Кроме этого, решетка , как правило имеет канал для выгрузки обработанного материала из рабочей камеры.

На практике используются два вида решеток плоские с равномерным [9, 15, 16, 18, 20, 21, 22, 23] (рис.4,5,7-10) и неравномерным [25] (рис.11) распределением отверстий для прохода газа, а также конусные решетки определяющие движение материала к отверстию выгрузки [7,10,24, 26 ]. Решетки могут быть провального [18,19, 23, 25, 27] и не провального [7, 15, 16,21,22, 24, 26] типов, в том числе и колпачковые (рис. 7,8) , характерные для «низкотемпературных» печей.

Конусная провальная решетка (рис.13) [10] с равномерным распределением отверстий для подачи газа и центральным разгрузочным каналом имеет угол конусности 5˚-10˚ , который обеспечивает сход материала к центральному отверстию для выгрузки.

Конструкция беспровальной решетки авторов [24] представляет собой ступенчатую конструкцию из графитовых колец, между которыми организована подача газа в слой, при этом кольца электрически развязаны между собой. Это позволяет управлять напряжением , подаваемым на них и таким образом управлять распределением источников теплоты в вертикальном кипящем слое. При этом возможна организация подачи газа тангенциально (рис. 15) , что обеспечивает вращательное движение слоя и обеспечивает улучшение перемешивания материала.

Схема печи с электротермическим кипящим слоем для получения карбида кремния

Рис.13 Схема печи с электротермическим кипящим слоем для получения карбида кремния [10]
1 – подача сырья, 2 – графитовая футеровка печи, 3 – центральный электрод,
4 – корпус печи, 5 – электротермический кипящий слой, 6 – разгрузочное отверстие, 7,9 – конусная штанга для регулирования разгрузки готового материала, 8 – газораспределительня решетка, 10 – подача инертного газа.

 

 

 

Печь с электротермическим кипящим слоем
Рис.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.

Схема газораспределительной решетки с тангенциальным подводом инертного газа

Рис.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

Печь с электротермическим кипящим слоем для обработки углеродного материала

Рис. 16 Печь с электротермическим кипящим слоем для обработки углеродного материала [25]
1 – патрубок для загрузки сырья, 2- корпус печи, 3 – тепловая изоляция,
4 – графитовая футеровка – электрод, 5 – патрубок отвода отработанных газов, 6 – центральный электрод, 7 – конусная газораспределительная решетка, 8 – подвод инертного газа, 9 – патрубок выгрузки готовой продукции.

 

Использование конусных решеток с неравномерным распределением отверстий по высоте [7, 25] (рис 6, рис 16). Подача газа осуществляется в верхней части конусной решетки через один ряд сопел. В [25] центральный угол конусной решетки рекомендуется выбирать в диапазоне 40-60˚, а высота расположения сопел составляет 0,5-0,75 высоты конуса. Такое решение обеспечивает работу кипящего слоя с заданной циркуляцией материала в рабочей камере аналогично работе аппаратов с фонтанирующим слоем. Подъем материала у центрального электрода и опускание материала у футеровки печи. Это обеспечивает полную обработку всего материала и гарантированное его перемешивание.


Аналогично конструкции [24] авторы печи [25] предусмотрели возможность тангенциального ввода газовых струй в рабочее пространство печи, для обеспечения вихревого движения слоя (рис.17). При этом сопла образуют угол к касательной равный β=10˚-20˚, а суммарная площадь сопел составляет 0,15 -0,5 площади сечения рабочей зоны печи с диаметром Dраб.

 

Схема тангенциального подвода газа через конусную решетку
Рис.17 Схема тангенциального подвода газа через конусную решетку [25].
1 – тепловая изоляция, 2- газораспределительная камера, 3 – конусная газораспределительная решетка с соплами для подачи инертного газа

Принципиально другое решение для подачи инертного газа в кипящий слой , характерное для фурменной продувки расплавов в металлургических агрегатах, предложено в работе [33]. Распределительная решетка совмещена с центральным электродом, через который подается инертный газ и распределяется в слое через ряд сопел, распложенных по образующей в нижней части электрода. Такой вариант упрощает конструкцию нижней части печи и позволяет организовать движение материала в рабочей зоне аналогично [25], а так же исключить операцию замены решетки при выходе ее из строя, которая требует полного охлаждения печи.

 

Электротермическая печь с кипящим слоем для высокотемпературной обработки углеродных материалов
Рис. 18  Электротермическая печь с кипящим слоем для высокотемпературной обработки углеродных материалов [33]
1 - корпус печи, 2- тепловая изоляция, 3 - графитовая футеровка, 4 - центральный электрод, 5 - выпускная труба для обработанного материала, 6 - труба для загрузки сырья, 7 – газоход для удаления отходящих газов, 8 – вертикальный канал для подачи инертного газа , 9 - сопла для подачи инертного газа в слой

 Кроме этого инертный газ охлаждает электрод и нагревается перед подачей в слой. Аналогичное решение использовано и в работе [30] (рис.19), где предложено разогревать реагент в каналах центрального электрода и одновременно повысить его стойкость. Отличие от [33] состоит в том ,что разогретый газ подают в рабочее пространство через кольцевую газораспределительную решетку.

Схема реактора синтеза с электротермическим кипящим слоем
Рис.19 Схема реактора синтеза с электротермическим кипящим слоем [30]
1 – корпус, 2- крышка, 3- днище, 4 – патрубок подачи легколетучего компонента, 5 – газораспределительная решетка, 6 - центральный электрод, 7- подрешетечное пространство, 8 – патрубок для подачи тяжелолетучего компонента, 9 – наружный электрод, 10 – реакционное пространство

Предварительный разогрев инертного газа перед подачей в электротермический кипящий слой позволяет решить несколько задач одновременно:

  • уменьшить расход инертного газа;
  • снизить тепловые потери, связанные с его нагревом;
  • обеспечить поддержание равномерной скорости газа по высоте печи, что обеспечивает поддержание заданного гидравлического режима работы кипящего слоя.

Особенно это важно для высокотемпературных печей. Так решение этого вопроса авторами [25] заключается в организации подачи инертного газа через кольцевой канал в котором происходит нагрев газа перед подачей в кипящий слой. (рис.20).

 

Высокотемпературная печь для обработки углеродного материала в электротермическом кипящем слое
Рис. 20  Высокотемпературная печь для обработки углеродного материала в электротермическом кипящем слое [25]
1 – центральный графитовый электрод, 2 – графитовая футеровка рабочей камеры, 3 – тепловая изоляция, 4 – водоохлаждаемый корпус печи,
5 - газораспределительная решетка 6 – канал для выгрузки готового продукта из рабочей камеры, 7 – распределительная камера готового материала, 9 – холодильник готового материала первой ступени., 10 - подача инертного газа, 11 – кольцевой канал для подачи инертного газа

Многие из рассмотренных конструкций печей – печи непрерывного действия , в которых реализован поточный процесс обработки материала [7,9,10,16, 17, 21 – 28,33] . Он требует постоянной загрузки сырья и выгрузки готового продукта.
Загрузка сырья в печь производится через отдельный канал в верхней крышке печи. При этом сырье попадает в рабочее пространство печи и под действием силы тяжести опускается в слой [7, 9, 10, 21,22,24,25] (Рис. 6-8,11,13-14,16).

В верхней части печи организован отвод отработанных газов, таким образом частицы и газ двигаются в противотоке, что может вызвать унос из печи вместе с газами необработанных частиц материала. Для устранения этого недостатка авторами [25, 27, 33] загрузка сырья производится через трубу непосредственно в кипящий слой или его на поверхность (рис.16,18). В работе [20] (рис.5) подачу сырья непосредственно в кипящий слой осуществляют через электроды, таким образом, упрощая конструкцию печи.


В большинстве конструкций печей непрерывного действия выгрузка осуществляется через канал в газораспределительной решетке, в котором он двигается в плотном слое за счет силы тяжести. После выгрузки обработанного материала из рабочей камеры печи он направляется в холодильник, при этом образуется плотный слой материала, который является гидравлическим сопротивлением (затвором) препятствующим движению газов из рабочего пространства через холодильник (рис.20).

В [25] предусмотрена распределительная камера, в которой происходит усреднение материала, распределение его между холодильниками, а так же выдержка при высоких температурах, обеспечивающая обработку частиц транзитом прошедших через кипящий слой. Движение материала в холодильнике определяется либо питателями (рис.11) либо затворами различных типов (рис.21) [9].

Электротермическая печь для производства карбидов

Рис.21 Электротермическая печь для производства карбидов [9].
1 – центральный электрод, 2 – птрубок для удаления отработанных газов,
3 – футеровка печи, 4 – газораспределительная решетка, 5,6 – подача сырья,
7 – подача инертного газа, 8 – затвор разгрузки готовой продкукции.

 

Больше информации на нашем сайте: tmec.com.ua

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

 

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. 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.


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