Повышение эффективности горения угольного топлива в кольцевой печи для обжига строительного кирпича

АННОТАЦИЯ

В работе приводятся результаты проведенных исследований по оптимизации процесса сжигания угольного топлива в кольцевой печи для обжига строительного кирпича. С этой целью была осуществлена модернизация топки печи с включением в схему подготовки топлива стадии его измельчения в специально созданной установке, которая дает возможность повысить сортность твердого топлива, сжигать его подобно газу с достижением полноценного его горения с минимальным остатком золы и улучшить условия эксплуатации кольцевой печи.

ABSTRACT

The paper presents the results of studies to optimize the process of burning coal in a ring furnace for firing building bricks. For this purpose, the furnace was modernized with the stage of its grinding included in the fuel preparation scheme in a specially designed installation, which makes it possible to increase the grade of solid fuel, burn it like gas, achieve its full combustion with a minimum ash residue and improve the operating conditions of the ring furnace.

Kлючевые слова: Топливо, угольное топливо, бурый уголь, пылеугольная установка, мельница, вентиляторный эффект, тонкий помол, высокодисперсное состояние, кольцевая печь, зола-остаток, сжигание топлива, теплотворная способность,керамический кирпич, лессовая глина, марка, обжиг, прочность.

Keywords: fuel, coal fuel, brown coal, pulverized coal plant, mill, fan effect, fine grinding, finely dispersed state, ring furnace, ash residue, fuel combustion, calorific value, ceramic brick, loess clay, grade, firing, strength.

Введение. Задачи по снижению энергоемкости продукции строительного комплекса с одновременным сокращением объема вредных выбросов не могут быть решены без кардинально технического перевооружения отрасли с использованием последних достижений науки и техники.

Строительный керамический кирпич является наиболее надежным и эффективным видом строительных материалов с высокими эксплуатационными свойствами и в общем балансе применения стеновых материалов занимает более 30%. В производстве керамического кирпича процесс обжига считается весьма трудоёмкой и энергоёмкой технологической операцией и требует серьезного отношения как к выбору и эксплуатации производственных печей, так и к процессу эффективного использования доступного вида топлива для сжигания в печи. Для обжига строительного кирпича до настоящего времени широко применяются кольцевые печи. Для отопления кольцевых печей наряду с газообразными также применяют твердые виды топлива, как бурый и каменный угли. Ископаемые угли являются главнейшим видом промышленного топлива, поскольку значение угля для индустриального развития Узбекистана при дефиците газа огромное.

Известно, что эффективность сжигания твердого топлива, в особенности угля с низкой теплотворной способностью в кольцевых печах недостаточно высока из-за большого количества золы-остатка, которая откладываясь на дне кольцевой печи, создает большие проблемы. В этой связи, изыскание путей повышения эффективности использования местных бурых углей, способных заменить дорогостоящее и дефицитное газовое топливо в кольцевых печах в производстве строительного кирпича является актуальным.

Методы проведенных исследований. В ходе проведенных исследований применялись стандартные методы изучения свойств керамического строительного кирпича такие как марка кирпича, водопоглощение, механическая прочность, морозостойкость и др. согласно методикам, указанным в ГОСТе 530-2012. Теплотехнические расчетные работы связанные с горением топлива с целью оценки тепловых затрат на обжиг изделий в кольцевой печи выполнялись согласно традиционной методики теплотехнического расчета топлива и кольцевых печей, приведенных в [1].

Для определения минералогического состава керамического черепка из обожженного кирпича использовался рентгенографический метод анализа. Съёмки проводились на дифрактометре ДРОН-3 с CоKα c отфильтрованным (Fe) излучением в режиме: I = 25-30 mA; U = 30 kV; V_детект = 20 мм/мин; V_дифр. ленты = 600 мм/ч; предел измерений 1х10³ имп./с, τ=0,5 сек щели 1х4х1мм.

Область съемки составляла 2Ө=2-75.

Исследования возможностей использования твердого топлива подобно газообразному при обжиге строительного керамического кирпича в кольцевых печах проводились на примере одного из кирпичных заводов Узбекистана, где налажен выпуск полнотелого строительного керамического кирпича производительностью 8000 усл. кирпича в сутки методом пластического формования.

Сырьем для производства кирпича служат местные лессовые глины, в состав которых другие сырьевые компоненты не вводятся. Обжиг кирпича на предприятии осуществляется в кольцевой печи при температуре 1080⁰С, время обжига составляет 54 часа.

Полученные результаты и их обсуждение. Как известно, в процессе обжига кирпича под влиянием высоких температур происходят сложные физико-химические процессы, в результате которых обожженные изделия приобретают высокие эксплуатационные свойства. Кольцевые печи до настоящего времени широко применяются для обжига строительного кирпича. Они отличаются высокой тепловой экономичностью, возможностью использования низкосортных видов топлива, перехода с одного вида топлива на другое без каких- либо значительных переделок, высокой удельной и общей производительностью.

На предприятии в качестве топлива преимущественно применяется бурый уголь рядовой  Ангренского месторождения, иногда по необходимости используется уголь месторождения Ташкумир, доставляемый из соседнего Киргызстана, что объясняется низкой теплотворной способностью местных углей. Бурый уголь для сжигания подаётся без предварительного размола с преимущественным размером в 10- 30 мм. В таблице 1 приводится химический состав бурого рядового угля Ангренского месторождения.

Таблица 1.

Химический состав бурого угля Ангренского месторождения

По содержанию углерода, водорода и серы, а также по теплотворной способности бурые угли Ангрена не являются высокосортным топливом, для них характерна термическая неустойчивость, небольшая твердость и малая механическая прочность. Они характеризуются низкой теплотой сгорания и высокой зольностью, в связи с этим, эффективность их использования в кольцевых печах традиционным методом сжигания не достаточно высока.

С целью повышения эффективности использования и снижения золы-остатка при сжигании угля данного месторождения нами была осуществлена модернизация топки печи с включением в схему подготовки топлива стадии предварительного его помола в специально созданной дробилке, где на стадии сверхтонкого помола угля создается вентиляторный эффект с направлением измельченного до высокодисперсного состояния топлива  потоком воздуха в печь для горения. Разработанная установка дает возможность повысить сортность твердого топлива, сжигать его подобно газообразному топливу с достижением полноценного его горения с минимальным остатком золы.

Рисунок 1. Схема пылеугольной установки для сжигания топлива, подвергнутому к сверхтонкому помолу 1-бункер, 2- мельница, 3-сито, 4-шнек, 5-циклон, 6-пневмотранспорт, 7-вентилятор

Преимуществом предлагаемой установки ( рис.1 ) является то, что в ней осуществляется тонкий помол твердого топлива до 100 микрон, что способствует повышению производительности печи и снимает проблему золы. Измельченный до высокодисперсного состояния уголь преимущественно сложен частицами размером 0,05- 0,08 мм и при прохождении через сито № 0,056 мм на оставляет остатка на сите.

Уголь подается в систему с помощью бункера, оборудованного автоматической системой дозирования. Скорость поступления угля регулируется в зависимости от потребления мельницы, которая служит для измельчения угля. На этот участок подается теплоноситель из зоны охлаждения печи для сушки угля, в связи с чем, имеется возможность работать с углем, влажность которого достигает 10 %. Измельченный уголь направляется вентилятором в трубопровод главного контура и подается к группам инжекторов на сводовые горелки, расположенные в отверстиях кольцевой печи. Объем подачи по контуру всегда выше объема, потребляемого инжекторами. Так обеспечивается стабильность

работы печи. Контроль нагнетания угля в печь осуществляется с помощью температурных зондов, установленных на каждом участке печи. Поступление горючего в печь контролируется пневматическим клапаном. Избыточный уголь поступает по возвратному контуру в мельницу, откуда вновь поглощается вентилятором и циркулирует до тех пор, пока не израсходуется.

С целью определения влияния усовершенствования процесса сжигания бурого угля на качественные показатели строительного кирпича, обжигаемого в кольцевой печи нами были изучены керамико-технологические и физико-механические показатели кирпича в случаях, когда сжигался уголь в кусковом виде и в высокодисперсном состоянии. В таблице 2 приводятся показатели основных свойств готовой продукции, обожженной в кольцевой печи.

Таблица 2.

Основные показатели и свойства керамического кирпича (для полнотелого кирпича марки 100)

Как видно из представленных данных, качественные показатели готовой продукции при сжигании угольного топлива в кусковом виде не достаточно высоки, они соответствуют нижним границам показателей, требуемых по ГОСТу. Невысокое качество выпускаемой продукции связано как с использованием низкокачественного сырья без введения технологических добавок, так и не достижением требуемой температуры обжига в печи, что вызвано низкой теплотворной способностью применяемого твердого топлива.

Сжигание Ангренского бурого угля подобно газообразному топливу способствует повышению эффективности процесса обжига кирпича в промышленной печи, что оказывает существенное положительное влияние на качественные показатели готовой продукции. Свойства кирпича заметно выше при сжигании угля, измельченного в разработанной установке до пылевидного состояния. При этом наблюдается заметное повышение степени полноценности сгорания угля с уменьшением золы- остатка, что оказывает существенное положительное влияние на условия эксплуатации кольцевой печи, т.е. снимает проблему золы при выгрузке готовой продукции и улучшает условия работы рабочих. (рис.2)

Рисунок 2. Сравнительное количество золы-остатка (в %) при неполном сгорании угля

Для определения фазовых превращений, происходящих при обжиге кирпича в кольцевой печи в условиях сжигания бурого угля в кусковом виде и в виде сверхтонкого измельчения были сняты рентгенограммы обожженного кирпича.

На рентгенограмме (рис.3) черепка из готового кирпича обожженного в кольцевой печи, работающей на кусковом твердом топливе при температуре обжига 1080⁰ С отчетливо видны дифракционные максимумы, отражающие кварц SiO₂- 0,427; 0,334; 0,246; 0,228; 0,223; 0,181 нм, анортит Ca(Al₂Si₂O₈)-0,405; 0,320; нм, микроклин К(Al₂Si₂O₈)- 0,660; 0,469; 0,378; 0,324; 0,298; 0,290; 0.216 нм и диопсид CaMg(Si₂O₆)-0,469; 0,256; 0,251; 0,163 нм. Наибольшая интенсивность линий принадлежит кварцу. Наличие рефлексов, свойственных микроклину свидетельствует о том, что при данной температуре обжига ( 1080⁰C) ещё сохраняется структура полевых шпатов, имеющихся в составе сырьевых материалов. Присутствие анортита связано с фазовыми превращениями, происходящими в данной системе в условиях обжига при температуре 1080⁰С. Судя по интенсивности рефлексов анортита его количество сравнительно малое.

Рисунок 3. Рентгенограмма обожженного в кольцевой печи кирпича при сжигании угля в кусковом виде

На рентгенограмме обожженного кирпича в кольцевой печи, работающей на тонкоизмельченном твердом топливе подобно газообразному (рис.3.) также видны дифракционные максимумы свойственные кварцу SiO₂ -0,427; 0,335; 0,246; 0,228; 0,223; 0,181 нм, анортиту Са (Al₂Si₂O₈)- 0,406; 0,378; 0,365; 0,322; 0,294нм, микроклину К(AlSi₃O₈)- 0,668; 0,469; 0,348; 0,324; 0,298; 0,299нм, диопсиду СаМg(Si₂O₆) -0,468; 0,298; 0,290; 0,256; 0,251; 0,228; 0,163 нм. Рефлексы анортита в данном случае более отчетливы. Кроме рефлексов этих кристаллических фаз обнаружены новые рефлексы отражающие гематит Fe₂O₃- 0,269; 0,252; 0,178 нм и клиноэнстатит MgSiO₃- 0,287; 0,246; 2,10 нм, однако их интенсивность не высокая.

Рисунок 4. Рентгенограмма обожженного в кольцевой печи кирпича при сжигании угля в высокодиспергированном состоянии

Таким образом, на рентгенограмме двух образцов строительного кирпича, обожженных в кольцевой печи при температуре 1080⁰С, используя в качестве топлива для сжигания бурый уголь Ангренского месторождения в кусковом виде и в тонкоизмельченном виде в созданной пылеугольной установке в качестве доминирующих кристаллических фаз обнаружены фазы кварца, анортита и микроклина. Судя по их интенсивности в наибольшем количестве находится кварц. В условиях сжигания тонкоизмельченного угля подобно газообразному топливу на рентгенограмме появляются новые минералы как гематит и клиноэнстатит, возможно за счет интенсификации процесса обжига. Образование новых кристаллических составляющих оказывает позитивное влияние на физико-механические свойства обожженного кирпича.

Таким образом, сверхтонкий помол твердого топлива в разработанной пылеугольной установке позволяет существенно снизить затраты твердого топлива на обжиг кирпича, ликвидировать механический и химический недожог угля, обеспечить равномерное температурное поле по сечению канала печи  как в случаях сжигания газа, интенсифицировать процесс обжига с повышением качества готовой продукции, улучшить экологические показатели производства кирпича , снять проблему золы при выгрузке готовой продукции и улучшить условия работы сортировщиков и пакетировщиков.

Список литературы:
1. Левченко П.В. Расчеты печей и сушил силикатной промышленности. Учебное пособие для вузов.-2е издание,Москва: Альянс, 2007, 368 с.
2. Химическая технология керамики. Под ред. проф. И.Я.Гузмана. Учебное пособие. М. : “Стройматериалы”, 2003, 493 с.