CC BY
12Глаголев С.Н., д-р экон. наук, проф., Севостьянов В.С., д-р техн. наук, проф., Гридчин А.М., д-р техн. наук, проф., Трубаев П.А., д-р техн. наук, проф., Севостьянов М.В., канд. техн. наук, доц., Кощуков А.В., аспирант
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ТЕПЛОВОЙ АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЛИНИИ ПО ЭКСТРУДИРОВАНИЮ И СУШКЕ ТЕХНОГЕННЫХ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ
Одной из актуальных задач современного производства является экономия топливо-энергетических ресурсов при комплексной переработке различных техногенных материалов. В этой связи значимость создания небольших малотоннажных технологических комплексов для производства и переработки различных материалов строительной индустрии стало очень актуально. Комплексная переработка сырьевых и техногенных материалов, а также создание безотходных производств - одно из важнейших направлений развития различных отраслей промышленности. Научными сотрудниками БГТУ им. В. Г. Шухова спроектирован и изготовлен малотоннажный технологический комплекс для производства экструдированных техногенных материалов, который является инновационным предприятием по производству конкурентоспособных стабилизирующих добавок для щебеночно-мастичного асфальтобетона. В результате исследований была выявлена эффективность использования парогенератора для увлажнения материала и использование барабанно-винтового сушильного агрегата для сушки сформованных гранул.
Ключевые слова: малотоннажные технологические комплексы; техногенные материалы; стабилизирующие добавки, парогенератор, барабанно-винтовой сушильный агрегат._
Интенсивный рост промышленного производства России и мировой индустрии, а также внедрение новых технологий переработки неорганических и органических материалов влечет за собой появление огромного количества отходов. Современные промышленные производства зачастую ориентированы на первичную прибыль из природного сырья, не уделяя должного внимания проблеме утилизации техногенных материалов в технологических комплексах [1, 2].
В промышленности строительных материалов (ПСМ) достаточно успешно внедрена практика вторичного использования отходов, а также техника и технологии переработки техногенных материалов методом компактирования: экстру-дирования, гранулирования, брикетирования, прессования и др [3].
Основную массу техногенных волокнистых материалов (ТВМ) - представляют целлюлозно-бумажные отходы (ЦБО). Целлюлоза самый распространенный полимер на земле, который играет важную роль в природном круговороте углерода. Однако ежегодное увеличение отходов целлюлозно-бумажной промышленности и загрязнение ими окружающей среды ставит ряд задач по утилизации ЦБО. Поскольку целлюлоза - это органическое соединение, состоящее из нерастворимых волокон, которые не расщепляются обычными ферментами желудочно-кишечного тракта млекопитающих, а расщепление в промышленных условиях целлюлозы до
глюкозы очень сложно и требует колоссальных энергетических затрат, то процесс компактиро-вания ТВМ в сформованные тела заданной геометрической формы с последующим использованием - является одним из приоритетных направлений в настоящее время [4].
Одним из направлений утилизации бумажных отходов является производство на их основе гранулированных стабилизирующих добавок (ГСД) для щебеночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА). В условиях рыночной экономики, в сфере малого и среднего бизнеса стало актуально внедрение небольших малотоннажных технологических комплексов для производства и переработки различных материалов строительной индустрии. Создание небольших малотоннажных технологических комплексов влечет за собой разработку экономичного, малогабаритного и менее металлоемкого оборудования -в частности сушильных агрегатов. Сушка является неотъемлемой частью во многих сферах производственной деятельности, а на отдельных направлениях сушильное оборудование занимает до 30% производственных площадей, потребляет до 40% всего расходуемого тепла и до 30% электроэнергии [5, 6].
С учетом выполненных научно-технических и конструкторско-технологических разработок коллективом сотрудников университета спроектирован и изготовлен малотоннажный технологический комплекс для производ-
ства экструдированных техногенных материалов (рис. 1). Технологический комплекс предназначен для получения экструдированных техногенных материалов различного функционального назначения (ГСД ЩМА, топливных пеллет, ор-
ганоминеральных удобрений, теплоизоляционных наполнителей и др.), но основную роль уделяется созданию гранулированных стабилизирующих добавок для щебеночно-мастичного асфальтобетона [7-9].
6 I 5 I 4
Рис. 1. Малотоннажный технологический комплекс для производства экструдированных техногенных материалов: 1 - зона загрузки; 2 - зона измельчения; 3 - зона аспирации; 4 - зона смешения и компактирования; 5 - зона классификации и сушки; 6 - зона упаковки готовой продукции
Технологический комплекс содержит шесть зон, каждая из которых выполняет свои функции: 1- зона загрузки; 2- зона измельчения; 3-зона аспирации; 4- зона смешения и компактирования; 5- зона классификации и сушки; 6- зона упаковки готовой продукции.
Зона классификации и сушки содержит ба-рабанно-винтовой сушильный агрегат (БВСА) для сушки экструдированных техногенных материалов, который был создан для повышения эффективности процессов тепломассообмена в сушильном барабане, повышения его тепловой мощности и производительности технологической линии в целом [8, 9].
Использование разработанной конструкции БВСА обеспечивает выполнение следующих конструктивно -технологических функций:
- перфорированный участок внутреннего барабана обеспечивает удаление просыпи мате-
риала. Реализация этого принципа позволяет при сушке экструдированных материалов возвращать просыпь на повторную грануляцию и исключать ее налипания на внутреннюю рабочую поверхность барабана;
- транспортирующий геликоид с изменяющимся шагом по длине барабана позволяет материалу равномерно распределяться тонким слоем по всей внутренней поверхности барабана и не «запирать» влагу на начальной стадии сушки, где максимальное влагоотделение;
- используемый вариатор позволяет изменять частоту вращения барабана для более эффективной сушки материала с различной начальной влажностью;
- тангенциальное движение теплоносителя по спирали геликоида и искусственно созданное разряжение внутри сушильного агрегата способствует эффективному удалению влаги из рабо-
чей камеры;
- выделенная тепловая энергия в ходе сушки и отработанный пар не выбрасываются в атмосфе-
ру, а рециркулируются как в зоне классификации и сушки, так и в зоне смешения и компакти-рования.
Рис. 2. Барабанно-винтовой сушильный агрегат для сушки гранулированных техногенных материалов: 1- внутренний барабан; 2- средний барабан; 3-внешний барабан; 4- геликоид; 5-сетка; 6- опорные ролики; 7- загрузочный бункер; 8-привод; 9- вариатор; 10-воздуховодная камера; 11-отвод пара; 12-выгрузочные окна;
13- пневморолики; 14- выгрузочная камера
Расчет основных теплотехнических и конструктивно-технологических параметров разработанных нами БВСА и технологической линии производим на основании классических положений теории сушки [10].
Исходный материал имеет влажность
3...6%. Низкая влажность приводит к большим затратам энергии при смешении и компактиро-вании, а также к перегреву валков в пресс-валковом экструдере. Это вызывает необходимость увлажнения материала и последующей сушки полученных гранул (рис. 3).
Рис. 3 Схема участка компактирования и сушки: ДВ - дутьевой вентилятор для подачи воздуха на сушку; К - калорифер для подогрева воздуха; С - сушильный агрегат; ПВЭ - пресс-валковый экструдер; В - источник влаги (воды или пара)
Расход влаги Ов, кг/с, которую необходимо подавать в экструдер, может быть определен из выражения:
С = бв.м1 - бв.м0 = Ое.м [0^/(100 - Жм1) -
- 0^/(100 - Гм0)], (1)
где Свм1, Свм0 - расход влаги, содержащейся в материале после и до экструдера, кг/с; Осж -расход сухого материала, кг/с; Жм1, Жм0 - влажность материала после экструдера и начальная влажность, %.
Влага может быть подана двумя способами: с помощью распыления воды и с помощью пара. Первый способ не требует дополнительных рас-
ходов энергии, кроме затрат на работу насоса, во втором необходима энергия для приготовления пара. Но из-за плохого смешения воды с материалом, такой способ требует повышенного расхода влаги и влажность материала после компак-тирования составляет около 30%. При увлажнении паром влажность материала после компак-тирования достигает почти 20%.
Тепловой баланс участка смешения и ком-пактирования можно представить в виде:
(Сс.м сс.м + Св.м0 св) ^м0 + Яв = = (Сс.м Сс.м + Св.м1 св) ^:м1 + Яп, (2)
где ссм, св - удельная массовая теплоемкость материала и влаги, принята 1,35 и
1,00 кДж/(Ккг); ¿м0, tм1 - температура влажного материала на входе и выходе, °С; Нв - расход тепловой энергии воды или энтальпия пара в единицу времени, кВт; Нп - потери теплоты в окружающую среду, кВт.
Если для увлажнения используется вода, то её тепловая энергия определяется из выражения:
Яв = бусв^о, (3)
где t0 - температура воды, используемой для увлажнения. Если используется пар, то энтальпия насыщенного пара определяется по его давлению согласно методике, приведённой в работе [11]. При этом теплота конденсации пара в уравнении учтена в виде разности энтальпии пара и теплосодержания конденсирующейся из него воды. Для приготовление пара используется парогенератор, имеющий избыточное давление на выходе 0,35....0,55 МПа. При этом давление получаемого насыщенного пара незначительно влияет на термодинамические характеристики и затраты энергии на его получение. Так, при абсолютном давлении 0,45 МПа температура насыщенного пара 148°С и удельная энтальпия 2743 кДж/кг. При давлении пара 0,65 мПа -соответственно, 162°С и 2760 кДж/кг. Мощность, потребляемая парогенератором, кВт, оценивалась по выражению:
N = бв-(Нв - св ^во)/Пп, (4)
где п - КПД парогенератора.
При увлажнении материала паром для обеспечения его конденсации, от него необходимо отводить теплоту. Отвод теплоты может быть осуществлён за счёт нагрева материала и потерь в окружающую среду. Анализ уравнения (2) показывает, что конденсация только за счет нагрева материала возможно при соблюдении неравенства
Нв — (Ос.м сс.м + Ов.м1 св) tм1
- (Ос.м сс.м + Ов.м0 св) tм0, (5)
Расчёты показали, что при избыточном давлении насыщенного пара 0,35.0,55 МПа и начальной влажности материала 3% равенство (5) соблюдается при конечной влажности материала не выше 8%, что недостаточно для проведения процесса компактирования.
Потери теплоты (отношение Нп/Нв) при указанных условиях и боле высокой конечной влажности составляют:
Влажность материала Жм2 10% 15% 20% Потери 27% 55% 66%
Таким образом при увлажнении паром часть энергии, расходуемая на его приготовление, будет теряться.
В БВСА можно принять, что воздух на вы-
ходе находится в стоянии насыщения (его относительная влажность Жв2 равна 100%). Так как схема движения потоков в большей части сушильного барабана имеет вид прямотока, то температура потоков на выходе принята одинаковой. Тепловой баланс сушилки может быть представлен в виде:
(Ос.м сс.м + Ов.м1 св) ^м1 + (Ос.в сс.в + Ов.в1 св.в) ^в1 = [(б с.м сс.м + бв.м2 св) + (О с.в сс .в + Ов.в2 св.в )] t2, (6)
где Осв ссв - расход сухого воздуха, кг/с; Овв1, Овв2 - расход водяных паров, содержащихся в воздухе, до и после сушилки, кг/с; ссв + Овв1 свв - удельная теплоёмкость водяных паров, кДж/(кгК); ^ - температура высушенного материала и воздуха после сушилки, °С.
В уравнении (6), так же как и в уравнении (2), для расчёта теплосодержания влажного материала и воздуха использовался аддитивный принцип, при котором рассматривался расход сухого материала или воздуха, и расход влаги и водяных паров.
Массовый расход водяных паров на входе в БВСА Овв1 определялся по параметрам воздуха окружающей среды, по его задаваемой относительной влажности Жв0 и температуре Массовый расход водяных паров на выходе из агрегата Овв2 определялся по свойствам воздуха в состоянии насыщения при температуре Для автоматизированного расчёта свойств влажного воздуха использовались методы, приведенные в работах [12-14].
В уравнении (6) неизвестным является температура Ь, от которой зависит расход воздуха на сушку и теплосодержание потоков на выходе. Решение уравнения производится численным методом.
Затраты электроэнергии на нагрев воздуха в калорифере в единицу времени кВт, определялись из выражения:
N = (О с.в сс.в + Ов.в1 св.в (7)
где пк - КПД калорифера.
Затраты электроэнергии на работу вентилятора в единицу времени ЛДр, кВт, определялись из выражения:
^ДВ = (Осв + Ов.в1)А^ / (ПДВ-Рв),
(8)
где Ар - сопротивление воздуховодов и сушилки, кПа; ПдВ - КПД вентилятора; рв - плотность влажного воздуха, кг/м3, при температуре ^0,°С. Затраты электроэнергии в единицу времени на работу насоса, подающего воду в парогенератор при увлажнении паром или непосредственно в экструдер при увлажнении водой не учитывались, так как в обоих случаях из-за небольшого расхода воды (не более 0,1 м3/ч) они составляют
незначительную величину, около
0,030.0,040 кВт.
Для анализа работы технологической линии произведен расчет параметров при следующих исходных данных: расход сухого материала 200 кг/ч, исходная влажность материала 3%, конечная влажность материала после сушилки - 8%.
Условия
Температура воздуха tв0, °С Относительная влажность воздуха Жв0, % Исходная температура материала, °С Температура воды t0, °С Было произведено сравнение затрат электроэнергии N на работу линии, которые включают три составляющие, зависящие от параметров увлажнения и сушки: NдВ, Затраты электроэнергии, расходуемые на приводы агре-
Температура гранул после экструдера перед сушилкой - 60°С. Давление насыщенного пара при использовании парогенератора - 0,45 МПа. Расчет был произведен для зимних и летний условий, в качестве параметров воздуха окружающей среды принимались климатические данные для Белгородской области:
Зимние Летние -9,3 19,4
84 67
5 20
10 20 гатов: смесителей, экструдера и сушилки (которые будут постоянные в разных режимах сушки) не учитывались. Полученные результаты приведены в табл. 1
Потребляемая мощность агрегатов технологической линии, кВт
Таблица 1
Режим увлажнения Водой (Гм1= 30%) Паром (Гм1= 20%)
Климатические условия зимние летние зимние летние
Дутьевой вентилятор, ^в 7,6 8,2 3,4 3,6
Калорифер, ^ 88,5 64,3 39,6 28,2
Парогенератор, ^ - - 41,2 40,6
Всего, N 96,1 72,6 84,3 72,4
Как видно из табл., суммарные затраты электроэнергии при увлажнении паром материала сопоставимы или меньше, чем при увлажнении водой, даже при значительных потерях энергии пара. Это связано с тем, что при увлажнении паром влажность материала ниже, чем при увлажнении водой, что требует меньшего расхода на нагрев воздуха, идущего на сушку, и работу дутьевого вентилятора.
Также было проведен анализ затрат электроэнергии при различной степени нагрева воздуха в калорифере (рис. 4).
Полученные результаты показывают, что при более сильном нагреве воздуха суммарные затраты электроэнергии снижаются. Это объясняется снижением расхода воздуха, необходи-
мого на сушку. В процессе компактирования шихты для увлажнения материала более рационально использовать пар. При этом расходуется меньшее количество электроэнергии и происходит более равномерное увлажнение шихты, по сравнению с увлажнением методом распыления воды. Для снижения расхода электроэнергии необходимо обеспечивать более сильный нагрев воздуха, подаваемого на сушку.
Проведенные нами теоретические и экспериментальные исследования позволяют обеспечивать рациональные условия процессов подготовки шихты к формованию, ее экструдирова-ния, последующей классификации и сушки сформованной продукции.
60 70 80
Температура воздуха °С
Рис. 4. Зависимость потребляемой мощности от величины нагрева воздуха в калорифере: Увлажнение паром (^м1 = 20%): 1 - зимние условия, 2- летние условия; увлажнение водой (№м1 = 30%):
3 - зимние условия, 4 - летние условия
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Перерва П. Г., Глагольев С. Н., Мехович С. А. Основы инновационного менеджмента и экономики инноваций, Ч.1. Белгород-Харьков: Изд-во БГТУ, 2012. 545 с.
2. Гридчин А. М., Севостьянов В. С., Уральский А. В. Энергосберегающая техника и технологии для комплексной переработки природных и техногенных материалов// Эковестник России. 2010. №1. С.68-79.
3. Ильина Т. Н., Севостьянов М. В., Шкар-петкин Е. А. Конструктивно-технологическое совершенствование агрегатов для гранулирования порошкообразных материалов// Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. 2010. №2. С. 100 - 102.
4. Сажин Б.С. Основы техники сушки. М: Изд. Химия, 1984. 320 с.
5. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М: Изд. Химия, 1971. 784 с.
6. Классен П. В, Гришаев И. Г., Шомин И. П. Гранулирование. М: Изд. Химия, 1991. 240 с.
7. Заявка на изобретение РФ №2014149776, 09.12.2014. Глаголев С. Н., Севостьянов В.С., Гридчин А. М., Севостьянов М. В., Трубаев П.
A., Уральский В. И., Филатов В. И., Кощуков А.
B. Технологическая линия и способ для экстру-дирования техногенных волокнистых материалов.
8. Заявка на изобретение РФ №2013138030, 13.08.2013. Севостьянов В. С., Ильина Т.Н., Севостьянов М.В., Кощуков А. В., Бабуков В. А., Емельянов Д. А. Барабанно-винтовой сушильный агрегат для сушки гранулированных и сыпучих материалов.
9. Кощуков А. В, Бабуков В. А., Емельянов Д. А. Агрегат для сушки гранулированных и сыпучих материалов// Экология и рациональное природопользование агропромышленных регионов. 2013. Ч I. С. 121-123.
10. Лебедев П.Д. Расчет и проектирование сушильных установок. М.: Изд. Госэнергоиздат, 1962. 320 с.
11. IAPWS (2007), Revised Release on the IAPWS Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam [Электронные ресурс]. http://www.iapws.org/relguide/IF97-Rev.pdf.
12. Гаврилкин В.П., Куранов Е.А. Аналитическое определение параметров влажного воздуха // Вестник АГТУ. 2007. № 2(37). С. 148151.
13. Феоктистов А.Ю., Ильина Т.Н., Овсянников Ю.Г. Аналитическое описание процессов обработки воздуха в центральных кондиционерах. Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. 2010. № 1. С. 136-139.
14. Кулешов М.И., Кондрашов И.Б., Губарев А.В. Построение I-d-диаграммы влажного газа с помощью ЭВМ. Промышленная энергетика. 2007. № 5. С. 29-31.
