Глава 10
Расширение сферы использования технологии электронейтрализации при переработке материалов
10.1. Универсальность технологии электронейтрализации
Переработка материалов предусматривает использование различных воздействий для изменения их состояния и свойств. Материалы при этом стремятся сохранить своё термодинамическое и электромагнитное равновесие, сопротивляются переработке. Как уже указывалось выше, в соответствии с принципом термодинамического подвижного равновесия Ле Шателье в системе, находившейся в состоянии равновесия и оказавшейся под каким-либо воздействием, возникают процессы, ослабляющие это воздействие. К таким процессам следует отнести активизацию в перерабатываемом материале макроносителей электрического заряда, действие которых было предложено выделить в виде электростатической составляющей силы сопротивления материала прилагаемому воздействию. В перерабатываемых металлах такими носителями являются дислокации. В диэлектрических материалах – это диполи, которые активируются в процессе деформации или термического воздействия.
Разработанный в нескольких моделях оригинальный активный электронейтрализатор – устройство «ЭКОФОР», воздействуя на макроносители электрического заряда, подавляет электростатическую составляющую сопротивления материала переработке. Тогда та часть энергии, которая терялась на электризацию, используется более рационально. Результатом нейтрализации является интенсификация технологического процесса и снижение удельного расхода энергии на переработку материала. В этом отношении технология электронейтрализации является в определенной степени универсальной и может быть применима не только для сухого измельчения [118]. Некоторые дополнительные сферы использования этой технологии были апробированы и имеются основания считать, что этот процесс не закончен.
10.2. Спекание материалов
Спекание широко используется в промышленности для получения при повышенной температуре твердых и пористых продуктов из зернистых или порошкообразных, чаще многокомпонентных материалов. Оно представляет собой стадии порошковой металлургии, производства керамических, в том числе огнеупорных, изделий и промежуточных продуктов, таких как цементный клинкер, спёк глинозема, металлургический агломерат.
Так обжиг цементного клинкера предусматривает спекание во вращающейся печи оксидов алюминия, железа и кремния на основе оксида кальция при температуре 1250…1450°С. При этом имеет место процесс электризации спекаемого материала, на который бесполезно расходуется тепловая энергия. В печи спекаемый материал электризуется не только трением при пересыпании. При нагревании его в силу неоднородности имеет место тепловая поляризация с накоплением пироэлектрических зарядов. Эти электрические заряды сдерживают достижение вязкости расплава, необходимой для спекания.
Для оплавления кристаллического материала существенное значение имеет сопротивление сдвигу, которое при критическом подведении теплоты резко снижается. Сопротивление сдвигу включает в себя электростатическую составляющую. Она связана с действием активированных макроносителей электрического заряда. С ростом температуры происходит сначала накопление разнополярных зарядов, а затем их аннигиляция, вызванная интенсификацией теплового, колебательного движения частиц в материале. Оплавление при этом неизбежно достигается. Для экономии тепловой энергии целесообразно ускорить начало оплавления.
Электронейтрализации материала в зоне спекания [119] с использованием устройства «ЭКОФОР» снижает его сопротивление сдвигу за счет снижения электростатической составляющей. Несколько раньше, чем обычно, снижается вязкость расплава. Это дает возможность уменьшить удельный расход топлива при обжиге клинкера при возвращении вязкости к прежнему уровню. Если же не уменьшать подачу топлива или не увеличить производительность печи, то плотность спекаемого клинкера повышается больше требуемой.
Это было обнаружено в 1994 году на ОАО «Пикалевский глинозем», где впервые устройство было испытано при обжиге цементного клинкера на 60-метровой вращающейся печи. Устройство «ЭКОФОР» было подключено к изолированному от земли, скользящему по бандажному кольцу обечайки печи контакту в центре зоны спекания. Далее электрическая цепь проходила через расклинивающие футеровку печи металлические пластины, в достаточной степени проводящую в горячем состоянии обмазку печи до спекаемой массы материала. Испытание продолжалось двое суток и сопровождалось улучшением гранулометрии клинкера, ростом активной составляющей тока электродвигателя печи. Это обстоятельство свидетельствовало о большей подвижности спекаемой массы, подъём которой по внутреннему диаметру печи при её вращении увеличил статический момент нагрузки электродвигателя печи. Однако через полчаса после отключения устройства ток электродвигателя вернулся к исходному значению, что свидетельствовало о том, что вязкость также вернулась в исходное состояние.
Возобновить испытание оказалось возможным на вращающейся печи производительностью 25 т/час в Египте на «Tourah Cement» в 1996 году. Апробация проходила кратковременно, в течение двух суток. После включения перенастроенного на обжиг электронейтрализатора произошло чрезмерное изменение основных параметров качества спекания – содержания свободного оксида кальция в клинкере и веса литра определенной фракции клинкера. На рисунке 10.1. представлены во времени имевшие место изменения. Через 6,5 часов работы вращающейся печи доля свободного оксида кальция снизилась с 1,5% до 0,75%, а вес литра увеличился с 1200 до 1400 г/л. По местным условиям это свидетельствовало о чрезмерном обжиге клинкера. Оператор спустя10 часов после включения устройства смог увеличить производительность печи без увеличения подачи топлива.
Рисунок 10.1. – Переходный процесс при включении устройства «ЭКОФОР» на печи обжига цементного клинкера в Египте
Таблица 10.1. – Результаты испытания на печи обжига клинкера в Китае
| Рабочие смены | Клинкер т/смену | Уголь т/смену | Усредненные значения | ||
| Насыпная плотность г/дм3 | Свободный CaO,
% |
Удельный расход топлива
т угля / т клинкера |
|||
| До включения «ЭКОФОР» | 201 | 55,4 | 1370 | 1,19 | 0,276 |
| Устройство «ЭКОФОР» включено в 12:00 24.06.97 | |||||
| 24.06.97, 08:00 -16:00 | 206,5 | 54,0 | 1385 | 1,18 | 0,262 |
| 24.06.97, 16:00 -24:00 | 223 | 54,8 | 1385 | 0,96 | 0,245 |
| 25.06.97, 00:00 -08:00 | 226 | 57,4 | 1350 | 1,35 | 0,254 |
| 25.06.97, 08:00 -16:00 | 231,5 | 47,4 | 1350 | 0,98 | 0,204 |
| 25.06.97, 16:00 -24:00 | 217 | 54,1 | 1360 | 1,14 | 0,249 |
| 26.06.97, 00:00 -08:00 | 231 | 53,7 | 1390 | 0,91 | 0,232 |
| 26.06.97, 08:00 -16:00 | 232,5 | 55,0 | 1380 | 1,05 | 0,237 |
| 26.06.97, 16:00- 24:00 | 235,5 | 53,5 | 1390 | 1,05 | 0,227 |
В 1997 году такой же эффект достигнут в Китае на «Suzhou Nanxin Cement». Результаты испытания представлены в таблице 10.1. С уменьшением свободного кальция оператор увеличивал производительность печи. В итоге она была увеличена на 8%, а удельный расход угля на производство тонны клинкера снизился на 10%.
В 1998 году было проведено испытание устройства на 170- метровой печи обжига клинкера производительностью 68 т/час ОАО «Пикалевский глинозем». В среднем за месяц была достигнута 3,9% экономия газа при сохранении прежней производительности печи.
В 2006 году после предварительных испытаний в Республике Беларусь на ОАО «Красносельскстройматериалы» четыре вращающиеся печи обжига были оснащены устройствами «ЭКОФОР», модель ЭФ-01-04. По данным технологической службы объединения, на печах 4х150м № 1 и 2 производительностью 32 т/час была достигнута экономия топлива 8-12%, а на печах 5х150м № 3 и 4 производительностью 54 т/час – от 4 до 6%.
Минимально достижимая экономия газа при использовании устройства «ЭКОФОР» при спекании цементного клинкера составила 250 м³/час.
Полученные при спекании цементного клинкера результаты дают основания полагать, что получение положительных результатов при использовании технологии электронейтрализации возможно при спекании и других видов продукции, в том числе для порошковой металлургии.
10.3. Кристаллизация сплавов
В 1995 году в СПб ГТУ проводилось испытание воздействия устройства «ЭКОФОР» при кристаллизации на структуру и свойства сплавов алюминия АЛ-2 и А-7. Образцы отливались в бронзовый кокиль с температурой расплава 800°С. Процесс кристаллизации происходил без воздействия и с воздействием устройства. Структура сплавов, полученных с воздействием устройства «ЭКОФОР» оказалась более однородной, наблюдалось значительное уменьшение межосевых расстояний дендритов второго порядка. Пластичность материалов была увеличена на 40%, отмечалось снижение характеристики сопротивления пластической деформации на 12-16% на уровне предела текучести [120].
В 1996 году испытания устройства «ЭКОФОР» проводились на производстве алюминиевой катанки ОАО «Иркутский алюминиевый завод». На агрегате непрерывной кристаллизации и прокатки это устройство было подключено к кристаллизатору литейной машины роторного типа. Под влиянием активного электронейтрализатора процесс кристаллизации внутренней части прутка при неизменной скорости вращения ротора несколько замедлился. Мощность, потребляемая двигателем прокатного стана, снизилась на 15%, значительно уменьшился шум оборудования. Поверхность катанки стала более блестящей. За счет улучшения качества поверхности удельное сопротивление катанки было снижено почти на 2%, с 0,0285 до 0,028 Ом мм²/м, что существенно для производства катанки высшего класса [121].
10.4. Производство углеродного восстановителя
Одним из лучших углеродных восстановителей с древнейших времен является древесный уголь – макропористый, высокоуглеродистый и высококалорийный материал. Он производится в металлических пиролизерах, таких как углевыжигательная печь УВП-5, в бескислородной среде. Из 7 – 8 м³ березового сырья получают одну тонну древесного угля. То есть обгар – потеря массы при этом составляет около 70%. Древесный уголь используется в качестве восстановителя в производствах алюминия, металлического кремния, а также при выплавке редких и ценных металлов.
Оснащение пиролизеров, производящих древесный уголь, устройствами “ЭКОФОР” позволило получить древесный уголь с повышенной активностью. Обгар сырья при этом снизился более чем в два раза, соответственно повысилась производительность пиролизера. Пиролиз происходил быстрее, чем обычно, так как необходимая температура пиролиза в 950ºС снизилась до 800ºС. При этом образовывались дополнительные активные центры в порах древесного угля, способные проводить не только физическую, но и хемосорбцию, то есть связывать в этих порах химические соединения. Активность такого продукта по осветляющей способности в растворе йода, равная 30 оптич. %, находилась на уровне активности дробленого активного угля марки ДАК, получаемого методом парогазовой активации при значительно больших энергозатратах.
В ОАО «ВАМИ» в 1995 году было проведено обследование такого углеродного восстановителя в качестве сырья для производства технического кремния. Если содержание нелетучего углерода в древесном угле составило 65,4 %, то на пиролизере ООО «Петросорбент», оснащенном устройством «ЭКОФОР», оно было 96,4 %. Активность этого продукта превышало активность древесного угля в 1,3 раза.
При производстве технического кремния неизбежны его потери в виде летучей моноокиси кремния. Для повышения технологических показателей необходимо более полное улавливание моноокиси кремния активными углеродистыми материалами в верхних зонах ванны электропечи. Это является основным критерием использования углеродистого материала. Так, по данным ОАО «ВАМИ» за счет улучшения улавливания моноокиси кремния снижение потребления электроэнергии при расходе такого более активного древесного восстановителя с расходом 600 кг/т кремния составило от 500 до 1000 кВт час на 1 т кремния.
Выпуск такого углеродного восстановителя был освоен в Ленинградской области на ООО “Петросорбент” [122] и активного торфяного кокса на “ООО “КАРБОТОРФ” [123] на базе малозольнистых торфов Бокситогорского района Ленинградской области.
10.5. Нагрев и испарение жидкости
В паровых и водогрейных котлах при недостаточно качественной водоподготовке образуется накипь, что приводит к снижению КПД этих аппаратов и перерасходу топлива. Так накипь в 1,5 мм приводит к 15-процентным потерям топлива, а при толщине в 3 мм к 25-процентному его перерасходу. При подключении к верхнему барабану парового котла или к коллектору горячей воды водогрейного котла, в результате нейтрализации устройством «ЭКОФОР» электростатической составляющей силы адгезии, накипь рассасывается и переходит в шлам [124]. Образуется магнетитовая пленка, которая, продолжая находиться под воздействием устройства, защищает испарительную поверхность от накипи и коррозии.
В 1997 году испытания технологии на паровых котлах ГП “Адмиралтейские верфи” показало 8-процентную экономию топлива. Под эгидой ГУП “ТЭК Санкт-Петербурга” в отопительный сезон 2000-2001 годов проводилась апробация устройства “ЭКОФОР” на паровом и водогрейном котлах котельной ЭУ-4 Красносельского филиала. Внутренний осмотр котлов в конце сезона подтвердил его полную очистку от накипи. С 2007 года начались поставки устройств модели ЭФ-01-02 на паровые водогрейные котлы и теплообменники.
Это же устройство «ЭКОФОР», модель ЭФ-01-02 может быть использовано при ректификации спирта и перегонке нефти, где технологический процесс имеет место на основе испарения. В 1999 году в ОАО «ВНИИнефтехимпром» были проведены испытания устройства на лабораторной колонне. При ректификации системы этанол-вода флегмовое число, характеризующее эффективность дистилляции, было снижено на 30-40%, по сравнению с разгонками без устройства «ЭКОФОР». На той же колонне производилась разгонка системы н-гептан – толуол, моделировавшей нефть. При этом флегмовые числа оказались на 25-30% ниже, чем без использования устройства. Это позволяет повысить производительность колонны на 30% при сохранении заданного качества продукции или значительно снизить расход греющего пара. Возможным является снижение доли мазута при перегонке нефти, что может внести вклад в актуальную задачу повышения глубины первичной её переработки.
10.6. Потери трения
Исследование электрофизических явлений при трении является одним из эффективных путей изучения его природы [56]. В адгезионном взаимодействии при трении наибольшую роль играет электризация при разрушении двойного электрического слоя на границе двух фаз [16].
В 1996 году на стенде для исследования подшипников скольжения в лаборатории трения и смазки СПб ГТУ были проведены испытания по воздействию электронейтрализации на трение в подшипнике. Испытание показало, что в режиме полужидкостного трения при скорости 15 об/мин с подключенным к корпусу подшипника устройством «ЭКОФОР» момент трения уменьшился на 12,4%, а при скорости 300 об/мин на 1,7%.
Электрофизические процессы имеют место и в паровых турбинах [125], с чем связаны профильные потери в их сопловых каналах. В 2013 году с целью выявления возможности снижения этих потерь было проведено испытание устройства «ЭКОФОР» на модельной турбине осевого типа МДГ-20 на кафедре «Турбины, гидромашины и авиационные двигатели» СПб ГТУ. В результате сравнительных испытаний было установлено, что подключение активного нейтрализатора, привело к возрастанию КПД турбины с 53% до 61%, что подтвердило возможность снижения потерь в турбоагрегатах.