ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА ПРОКАЛКИ АНТРАЦИТА

АННОТАЦИЯ

В данной статье представлен анализ процесса прокалки антрацита в трубчатой вращающейся печи, включающий тепловой и материальный балансы. Антрацит используется для производства электродной продукции, необходимой как для черной, так и для цветной металлургии, его качество оказывает большое влияние на весь технологический процесс и на свойства готовой продукции.

Введение

Производство углеграфитовой электродной продукции – важная составляющая тяжелой промышленности, обеспечивающей экономическую независимость государства. Электродная продукция широко применяется в производстве алюминия, магния, стали, ферросплавов, серого и ковкого чугуна, цветных металлов, карбида кальция и т.д. [2,9]. При неправильной технологии подготовки сырья для изготовления электродной продукции могут возникать сбои и поломки в металлургических агрегатах, что ведет к увеличению операционных затрат [1].

В настоящее время, антрациты, применяемые для изготовления электродной продукции, подвергаются операции кальцинирования, главная цель которой заключается в максимальном удалении летучих веществ, а также в изменении физико-химических свойств. Структурные изменения в матрице углерода могут быть реализованы лишь при температурах превышающих 1000 ^оС [3,4]. Термоантрацит и другие прокаленные углеродистые материалы получают прокалкой в трубчатых-вращающихся печах. Повышение эффективности процесса может быть достигнуто различными способами, одним из которых является стабилизация теплового баланса процесса кальцинации.

Характеристика процесса кальцинации антрацита в трубчатых вращающихся печах

Сырой антрацит перед кальцинацией проходит стадии дробления и измельчения, после чего подается в трубчатые вращающиеся печи (кальцинаторы) [3,4,8]. После этого антрацит прокаливается во вращающейся печи при температуре 1200-1400 ^оС теплом газов, образующихся при сжигании топлива и выделяющихся летучих веществ, затем прокаленный антрацит перегружается в теплоизолированную емкость и подвергается глубокой прокалке нагревом электрическим током до температуры 1800-2000 ^оС с выдержкой в зоне высоких температур, вторая стадия прокалки необязательна.

На первом этапе прокаливания во вращающейся печи удельное сопротивление антрацита (УЭС) снижается до 860-1000 Ом*мм²/м за счет повышения плотности структуры, связанного с увеличением истинной плотности [8].

Во время прокаливания антрацита по мере повышения температуры происходит упорядочивание его структуры (вплоть до кристаллической решетки графита) и, как следствие, изменяются физико-химические свойства [4,8]. Происходят следующие структурные превращения:

• удаляются летучие соединения (в том числе и S-содержащие соединения);
• увеличивается плотность и механическая прочность;
• упорядочивается углеродная структура;
• увеличивается электропроводность.

Увеличение плотности и механической плотности:

• При температурах 700–750 °С летучие продукты выделяются в результате прямой дистилляции с частичным пиролизом. Пористость увеличивается примерно до 1200 °С.
• Образующийся пиролитический углерод отлагается плотным слоем в порах и на поверхности прокаливаемого материала, увеличивая плотность материала.
• Одновременно с пиролизом происходит конденсация и полимеризация углеводородов с обогащением их углеродом, что и обусловливает усадку. Процесс завершается образованием плоских углеродистых сеток (плоских углеродистых гексагональных решеток).

Тепловой баланс процесса прокалки антрацита

Для изучения теплового баланса процесса прокалки были проведены модельные эксперименты по прокалке антрацита, состав которого приведен в таблице 1. Опыты проводились в лабораторной трубчатой печи, позволяющей варьировать время выдержки в различных температурных интервалах. Схема лабораторной установки показана на рисунке 1.

Таблица 1.

 Исходный состав антрацита, поступающего на прокалку

Рисунок 1. Схема лабораторной установки для изучения теплового баланса процесса прокалки антрацита: 1 – баллон с нейтральным газом (CO₂); 2 – трубчатая лабораторная печь; 3 – кварцевый реактор; 4 – терморегулятор; 5 – исследуемая проба антрацита

Общее количество тепла (Q), необходимое для ведения процесса прокаливания, рассчитывается из теплового баланса. Расход газа устанавливается из расчета потребности тепла от сжигания газообразного топлива равным Q / 3,7 - 4,7.

Тепловой баланс трубчатой вращающейся печи для прокалки антрацита включает:

• приток тепла в воздухе горения, необработанном антраците и природном газе;
• тепло, выделяемое при сжигании природного газа, и частичное сжигание летучих веществ и углерода из антрацита;
• тепло, потребляемое при структурных изменениях антрацита (сушка и удаление летучих веществ);
• потери тепла от печи;
• отток тепла в дымовом газе и в кальцинированном антраците;

Долю тепла от сжигания газа поддерживают расчетным расходом газа, долю тепла от сжигания антрацита  поддерживают количеством подаваемого воздуха на его окисление. При этих соотношениях количества тепла, выделившегося в объеме печи и в слое антрацита, обеспечивается прогрев последнего до температуры 1350 – 1400 ^oC, при которой происходит перекристаллизация и упорядочение структуры термоантрацита.

Тепло, потребляемое в процессе сушки и удаления летучих компонентов антрацита, можно грубо оценить путем расчета более низкой теплотворной способности (на сухой основе) для сырого и прокаленного антрацита и их сравнения. Для оценки теплотворности в работе [3] было выбрано уравнение Менделеева без учета кислорода, поскольку антрацит не содержит значительного количества кислорода:

Где С и Н представляют собой массовые доли углерода и водорода в сухом антраците. Во время сушки и удаления летучих компонентов, а также частичного сжигания, сырой антрацит теряет примерно 32,2 кг/ч водорода и 144,4 кг/ч углерода, а также 330 кг/ч воды. Энергии связей в соединениях, образующих антрацит, отражены в уравнении Менделеева. Сравнивая их с низкими значениями нагрева чистого компонента, единственное различие находится в водороде: его нижнее значение нагрева составляет 119,5 МДж/кг, тогда как в уравнении Менделеева составляет 102,9 МДж/кг. Таким образом, тепло, потребляемое для структурных изменений, просто вычисляется, умножая освобожденный поток массы водорода с разностью значений нагрева, давая 530 МДж/ч. Еще 833 МДж/ч потребляются для испарения воды из сырого антрацита. Другие статьи прихода и расхода в тепловой баланс вместе с его результатом показаны в таблице 1.

Таблица 2.

 Статьи прихода и расхода в трубчатой вращающейся печи при прокаливании антрацита [3]

Таким образом, тепловые потери печи, оцененные по тепловому балансу составляют = 8250 – 6560 = 1690 МДж/ч.

Таблица 3.

Конечный состав термоантрацита

Способы снижения энергетических затрат процесса прокаливания

Снижение тепловых потерь в процессе прокалки антрацита может быть достигнуто следующими способами:

1.Предварительным нагревом антрацита с целью удаления влаги.

В процессе сушки антрацита при температурах свыше 200 ^оС большая часть влаги удаляется (примерно 80 %). Основываясь на данных работы [3], где бралось 3800 кг антрацита, для его сушки понадобится затратить следующую энергию:

Таким образом, для нагрева 3800 кг необходимо 636 МДж/ч. Для нагрева можно использовать тепло отходящих газов. За счет использования тепла отходящих газов снизится расход топлива примерно на 8 %.

2. Снижением тепловых потерь печи за счет использования футеровочных материалов с низким значением теплопроводности. За счет введения подобных можно снизить тепловые потери агрегата.

Примерная оценка эффективности вышеописанных мер по оптимизации представлена в таблице 4.

Таблица 4.

 Статьи прихода и расхода после введения мероприятий по оптимизации

Заключение

Повышение качества термоантрацита может быть достигнуто комплексом мер, включающих в себя улучшение подготовки сырья для прокалки, а также конструктивными изменениями в самой печи. При повышении качества термоантрацита, применяемого как в черной, так и в цветной металлургии может быть повышена мощность и производительность электропечей и электролизеров [5,9], прибыль предприятий, а также могут снизиться затраты на приобретения дорогого и дефицитного графита.

Список литературы:

1. Sizyakov V.M. Features of high-amperage electrolyzer hearth breakdown / V.M. Sizyakov V.M., V.Y. Bazhin V.Y., R.K.Patrin, R.Y.Feshchenko, A.V.Saitov // Refractories and Industrial Ceramics. - 2013. Т. 54. - № 3.- С. 151-154.
2. Sizyakov V.M. Status and prospects for growth of the aluminum industry / V.M.Sizyakov, V.Y.Bazhin, A.A. Vlasov // Metallurgist. 2010. - Т. 54. - № 7-8.- С. 409-414.
3. Variny M. Mass and heat balance elaboration in anthracite calcination process / M. Variny, O. Mierka // Slovak society of chemical engineering: paper presented on 43^rd international conference of the Slovak society of chemical engineering, 348-356 pp.
4. Бажин В.Ю. Воздействие на структуру и свойства углей при экстремальной термообработке / В.Ю.Бажин, Ф.Ю.Шариков, Р.Ю.Фещенко, Е.О.Судницын // Международный научно-исследовательский журнал. – 2015 - № 7. С. 13.
5. Витюгин В. М. Повышение качества Листвянского антрацита как сырья для производства электродных изделий / В. М. Витюгин, В. А. Прохорович // Известия Томского политехнического института [Известия ТПИ]. – 1967. – Т. 148. – С. 80-82.
6. Пат. 2115634 Российская Федерация, МПК C10L9/08, C10B49/04. Способ получения антрацита во вращающейся трубной печи / Хан А.В., Дьяконова Л.А., Чернобровин В.П., Ларина И.И., Мартынов В.И., Зайко В.П., Карноухов В.Н.; заявитель и патентообладатель Акционерное общество открытого типа Челябинский электрометаллургический комбинат. - 95117483/04, 09.10.1995; опубл. 27.09.1998.
7. Селезнев А.Н. Углеродистое сырье для электродной промышленности. М.: Профиздат, 2000, 256 с.
8. Скрипченко Г.Б. Структура и свойства термоантрацитов, полученных в промышленных условиях / Г.Б. Скрипченко, А.Н. Селезнев, В.И. Пирогов // Химия твердого топлива. – 2010-№ 6. – С 11-16.
9. Цыбуля Е. И. Повышение качественных характеристик термоантрацита для производства угольной продукции металлургического назначения / Е. И. Цыбуля // Вестник Нац. техн. ун-та "ХПИ" : сб. науч. тр. Темат. вып. : Механико-технологические системы и комплексы. – Харьков : НТУ "ХПИ". – 2014. – № 60 (1102). – С. 19-24.