Федоров С.С., Сибір А.В., Губінський С.М., Губінський М.В., Гогоці А.Г.
11 квітня 2019

Однією з вирішальних переваг реалізації технологічних процесів високотемпературної хімії (пряме відновлення оксидів заліза, отримання карбідів, збагачення вуглецевих матеріалів, газифікація та активація вугілля тощо) в агрегатах з киплячим шаром є можливість інтенсифікації тепло та масообміну, організації потокових високопродуктивних технологій. -2].
Під високотемпературними ми розуміємо процеси, що протікають в діапазоні температур 1000 – 3000˚С. Такі процеси вимагають постійного підведення теплової енергії, що забезпечує компенсацію теплових втрат та підтримку необхідної температури.
Джерелом теплової енергії може бути гарячий газоподібний теплоносій, що надходить у піч як зріджувальний агент, спалювання палива (твердого або газоподібного) безпосередньо в шарі та електронагрів. Використання подачі гарячих продуктів згоряння в шар та спалювання палива безпосередньо в шарі, як показала практика, забезпечують роботу печей при температурах до 900-1200 С [2 – 4].

У зв’язку з цим основним методом високотемпературної обробки в киплячому шарі є використання електронагріву, який включає кілька напрямків: індукційне нагрівання електропровідних частинок киплячого шару, плазмове нагрівання, непрямий нагрівання електронагрівачами і нагрівання пропусканням струму через киплячий шар (електротермічний кип’ят).

Електротермічний киплячий шар забезпечує роботу печей при температурах шару в діапазоні від 1000 до 3000С при цьому тривалість обробки матеріалу не обмежена і дозволяє організувати безперервний виробничий процес.

Основний принцип організації електротермічного киплячого шару передбачає наявність трьох необхідних компонентів (рис.1):

• як мінімум два електроди;
• киплячий шар з електропровідним матеріалом;
• джерело струму.

Вибір варіанта реалізації киплячого шару визначається рівнем температури процесу, яка визначає можливість використання вогнетривких матеріалів виготовлення робочої камери печі. У зв’язку з цим усі технологічні процеси та конструкції печей можна умовно розділити на:

• «низькотемпературні» – температура шару 1000 – 1600?
• високотемпературні – температура шару 1600 – 3000˚С.

Мал. 1 Варіанти реалізації електротермічного киплячого шару [1]

1-джерело струму, 2- корпус з тепловою ізоляцією, 3-киплячий шар, 4- електрод,
5 – газорозподільні грати- електрод, 6 – газорозподільні грати,
7 – підведення інертного газу, 8 – видалення газів з печі, 9 – неелектропровідне футерування робочої камери печі, 10 – електропровідне футерування робочої камери печі.
У «низькотемпературних» печах можуть бути використані вогнетривкі матеріали [5, 6] – шамотні, корундові, магнезіальні, динасові. Для “високотемпературних” печей – графіт. Саме це обмеження визначає конструкцію печі та організацію технологічного процесу.

«Низькотемпературні» печі з електротермічним киплячим шаром

До «низькотемпературних» процесів в електротермічному киплячому шарі можна віднести: пряме відновлення заліза з використанням твердого вуглецевого матеріалу як відновник [7], отримання карбіду титану TiC [8], карбіду кремнію SiC [9,10] і карбіду цирконію [9], парова газифікація коксу [12], термічна обробка металевих виробів [13], отримання хлориду цирконію ZrCl4 [14], отримання водню піролізом вуглеводнів [15], капсулювання кварцового піску піровуглецем [16], прожарювання зеленого нафти.

Всі конструкції печей з «низькотемпературним» електротермічним киплячим шаром можна розділити у напрямку ходу електричного струму в киплячому шарі: поперек шару (у горизонтальній площині) і осі шару (у вертикальній площині).
На малюнку 1а, 2 і 3 наведені конструкції печей з двома електродами [17,18], які занурені в киплячий шар електропровідних частинок, що забезпечує нагрівання шару при протіканні струму від електрода до іншого в горизонтальній площині. Аналогічна конструкція печі пропонується автором патенту [19].

Мал. 2 Пекти з електротермічним киплячим шаром для прокалювання нафтового коксу [17]

Рис.3 Пекти з електротермічним киплячим шаром для проведення каталітичних реакцій [18]

1 – електроди, 2-киплячий шар, 3 – газорозподільні грати, 4, 5, підведення та евакуація інертного газу, 6 – теплоізоляційні екрани.

Рис.4 Пекти з електротермічним киплячим шаром [22]

1 – футервка печі, 2 – електроди, 3 – киплячий шар, 4 – газорозподільні грати

Другий варіант конструкції з поперечним рухом електричного струму – це печі з циліндричною робочою камерою, огорожа якої є електродом. Другий електрод розташований у центрі робочої камери. Таким чином, струм рухається у радіальному напрямку [7, 10, 12, 14, 20]. Приклад такої печі для відновлення оксидів заліза представлений малюнку 5 [7].

Рис.5 Пекти для прямого відновлення оксидів заліза [7]

1- центральний електрод, 2-футерований корпус печі, 3-бічний електрод, 4- подача інертного газу, 5 – подача газу реакційного газу,
6- живильник вивантаження охолодженого матеріалу
Відомий також ряд конструкцій печей з електротермічним киплячим шаром з вертикальним рухом струму [21-24]. Як електроди використовують верхній електрод, нижня частина якого значно перекриває робочий простір печі і має розвинену форму поверхні (корону). Як нижній електрод використовується газорозподільна решітка (рис.6,7)

Мал. 6 Пекти з електротермічним киплячим шаром для піролізу вуглеводнів [21].

1 – теплова ізоляція, 2 – корпус печі, 3 – робоча камера з вогнетривкого матеріалу, 4 – верхній електрод, 5 – струмопідведення, 6 – підведення вуглеводнів, 7 – подача вуглецевого матеріалу в шар, 8 – вивантаження вуглецевого матеріалу з робочої камери, – газорозподільні грати – нижній електрод, 10 – видалення газу з робочої камери.

Рис.7 Пекти електротермічного киплячого шару для капсулювання кварцового піску піровуглецем [22]

1- Охоронний зовнішній нагрівач, 2,3- верхній електрод, що переміщається, 4 – газорозподільна решітка – нижній електрод, 5- подача вуглеводневих газів.

Інакше виглядає конструкція печі з гратчастими електродами розташованими по висоті киплячого шару між якими розташована вогнетривка насадка [23] (рис.8). Таким чином, реалізується обмежений електротермічний киплячий шар. Електроди поперемінно підключені до різних фаз.

У конструкції печі [25] (рис.9) реалізується підковоподібний рух струму. Електродами є окремі елементи газорозподільної решітки, розділені електроізоляційними вставками у вигляді перегородок.

 

«Високотемпературні» печі з електротермічним киплячим шаром

«Високотемпературні» печі з електротермічним киплячим шаром мають аналогічну конструкцію [7, 10, 12, 14, 20] з центральним електродом і електропровідною робочою камерою, футерування якої є другим електродом. Робоча камера виконується з графітових матеріалів, а як рідкий агент використовуються інертні гази аргон, азот.

Високотемпературні печі працюють у потоковому режимі з постійним завантаженням сировини та вивантаженням обробленого матеріалу [25-28].
Типова конструкція високотемпературної печі представлена на малюнку 10.

Рис.8 Пекти зі стисненим електротермічним шаром [23].

1 корпус, 2 газорозподільні грати, 3,4 електроди, 5,6 струмопровідні стрижні, 7 електроізоляційні втулки.

Рис.9 Пекти з електротермічним киплячим шаром [24]

1 – футерування печі, 2 – секція газорозподільної решітки – електрод,
3 – вертикальна перегородка з діелектрика, 4 – струмопідведення, 5 – киплячий шар.

Мал. 10 Високотемпературна піч для обробки вуглецевого матеріалу в киплячому електротермічному шарі

1 – центаральний графітовий електрод; 2 – подача сирого матеріалу в піч,
3 – корпус печі, 4 – теплова ізоляція, графітове футерування робочої камери, 6 – подача інертного газу, 7 – розподільна камера готового матеріалу, 8 – газорозподільна решітка, 9 – видалення відпрацьованих газів, 10 – холодильник готового матеріалу першого ступеня, 2 – холодильник готового матеріалу другого ступеня.
При розробці конструкцій печей з киплячим електротермічним шаром необхідно вирішувати питання вибору конструктивних рішень наступних елементів:

• робочої камери печі;
• електродів;
• газорозподільних ґрат;
• організації видалення готового матеріалу;
• завантаження сирого матеріалу;
• видалення відпрацьованих газів;
• охолодження готового продукту.

Друга частина статті буде присвячена аналізу та рекомендаціям щодо вибору конструкцій зазначених елементів печей.

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. 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