Введение к работе
Актуальность темы. В производстве строительной извести одним из основных процессов является обжиг известняка в печах различных конструкций. Процесс обжига характеризуется тепломассообменом между реагирующей зоной обжигаемой частицы известняка и омывающим её высокотемпературным потоком теплоносителя, при этом на поверхности обжигаемой частицы образуется растущий по толщине слой твёрдого продукта реакции—оксида кальция, препятствующий тепломассообмену, тормозящий процесс термической диссоциации известняка, снижающий качество (активность) получаемой извести, ввиду наличия в обожженной частице непрореагировавшего до конца ядра частицы известняка. В результате этого часть неиспользованной теплоты уходит с газовым потоком из печи в окружающую среду, что не только снижает КПД тепловой установки, но и оказывает негативное влияние на окружающую среду. Таким образом, современная технология производства строительной извести характеризуется значительными удельными энергозатратами, заниженным качеством получаемой извести, низкой скоростью декарбонизации, отрицательным воздействием на окружающую среду, невозможностью обжига мелкозернистого известняка из отвалов отходов его рассева после измельчения. Анализ работы и конструкций существующих печей для обжига известняков показал, что для обжига мелкозернистого известняка, а также для сокращения и сведения к минимуму указанных недостатков целесообразно проводить обжиг известняков в теплотехнических установках иной конструкции, другого принципа действия. К таким установкам, например, можно отнести термомеханическую пресс-сдвиговую установку (типа жернового измельчителя) интенсивного действия, в которой одновременно происходит измельчение (истирание) известняка его механическое активирование, нагрев за счёт теплоты внутреннего трения до температуры его диссоциации и сама термическая диссоциация, при этом в качестве исходного сырья используется мелкозернистый известняк из отвалов отходов его рассева после измельчения.
Поэтому исследования и разработки в этом направлении являются несомненно актуальными и значимыми для дальнейшего развития теории и практики технологии производства строительной извести. Всё перечисленное определило цели и содержание данной работы, которая выполнялась в рамках ФЦП «Интеграция» (2.1 – А118 Математическое моделирование ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий) и плана НИР ИГАСУ.
Цель работы: исследование процесса обжига мелкозернистого известняка за счёт теплоты его внутреннего трения в термомеханической пресс-сдвиговой установке интенсивного действия с целью получения высокоактивной строительной извести.
Объект исследования - строительная известь, получаемая термомеханической обработкой известняка в пресс-сдвиговой установке интенсивного действия, где обжиг его осуществляется за счёт теплоты внутреннего трения.
Задачи работы:
1) провести системный анализ проблем интенсификации производства строительной извести, снижения энергозатрат, улучшения экологической обстановки и повышения качества продукта;
2) разработать методики проведения экспериментальных исследований термомеханической обработки известняка в пресс-сдвиговой установке интенсивного действия и обработки полученных опытных данных;
3) создать математическую модель нагрева известняка за счёт теплоты внутреннего трения в пресс-сдвиговой установке интенсивного действия;
4) получить зависимости, описывающие процессы измельчения и механической активации известняка в условиях его нагрева и декарбонизации;
5) разработать математическую модель процесса термической диссоциации известняка за счёт теплоты его внутреннего трения с учётом измельчения и механической активации;
6) получить расчётную зависимость производительности установки от её основных конструктивных параметров и качественных показателей получаемой в ней извести;
Научная новизна работы заключается в следующем:
1) проведён комплексный анализ совмещённых процессов термической обработки и измельчения известняка в пресс-сдвиговой установке интенсивного действия;
2) показано, что совместные воздействия высоких температур и механических нагружений на частицы известняка приводят к интенсификации процесса декарбонизации и к сокращению времени его обработки;
3) разработана кинетическая модель термической диссоциации известняка за счёт теплоты его внутреннего трения с учётом измельчения и механической активации;
4) дано математическое описание процесса нагревания известняка за счёт теплоты внутреннего трения в пресс-сдвиговой (термомеханической) установке интенсивного действия;
5) разработаны математические модели процессов измельчения (истирания) и механической активации известняка с учётом его нагревания.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
1) экспериментально показана возможность получения строительной извести термомеханической обработкой известняка в пресс-сдвиговой установке интенсивного действия, приводящей к ускорению процесса декарбонизации на 23 – 25%, к снижению удельных энергозатрат на 28 – 32%, к повышению активности получаемой извести на 12-14%, к улучшению экологической обстановки, ввиду сокращения газовых выбросов в атмосферу до 4 раз и использования в качестве исходного сырья мелкозернистого известняка из отвалов отходов продуктов его рассева после измельчения;
2) представлены математические зависимости для инженерных расчётов параметров ведения процессов термомеханической обработки известняка и прогнозирования качественных показателей получаемой извести;
3) разработана методика расчёта рабочих и конструктивных параметров промышленной термомеханической установки обжига известняка;
4) представленные технические решения позволяют организовать производство строительной извести заданного качества на базе высокопроизводительных, малогабаритных, энергосберегающих термомеханических установок, которые могут широко использоваться как в малом, так и в среднем бизнесе.
Реализация результатов работы. Предприятие ООО «Техснаб» г. Иваново
изготовило и смонтировало пресс-сдвиговую установку интенсивного действия для получения строительной извести, было выполнено исследование и выпущена опытная партия размером 50 кг строительной извести, соответствующей требованиям ГОСТ 9179-77 и ГОСТ 22688-77.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих международных научно-технических конференциях: VII, VIII, IX, X международные научно-технические конференции «Информационная среда вуза» (Иваново, 2000, 2001, 2002, 2003); международные научно-практические конференции «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (Пенза, 2002, 2003); всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы строительного материаловедения» (Саранск, 2002); международная научная конференция «Фундаментальные проблемы комплексного использования природного и техногенного сырья Баренцева региона в технологии строительных материалов» (Апатиты, 2003); III международная научно-техническая конференция «Надёжность и долговечность строительных материалов и конструкций» (Волгоград, 2003).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 работ в материалах международных научно-технических конференций, в изданиях РААСН и Кольского научного центра РАН, одна из них [1] опубликована в рецензируемом издании по перечню ВАК.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения по работе, списка использованной литературы, включающего 114 наименований работ российских и иностранных авторов; содержит 173 страницы, в том числе 35 рисунков, 11 таблиц и приложение.
