Журнал "Цемент и его применение" №2 2013 PDF Печать E-mail

С.Н. Ефременко директор

ООО «Технологии энергосбережения», г. Белгород, РФ.

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ МОДУЛИ ДЛЯ ПНЕВМОКАМЕРНЫХ НАСОСОВ,КОТОРЫЕ ОТ 30% СНИЖАЮТ ЭНЕРГОЗАТРАТЫ НА ПЕРЕКАЧКУ ЦЕМЕНТА.

Справка:ООО «Технологии энергосбережения», сокращенно ООО «ТЭС» город Белгород, ул. Щорса 62. Директор ООО «ТЭС» Ефременко Сергей Николаевич.  Тел/факс: (4722) 347-490 ; +7920-200-60-27;

E-mail: info@ tes31.ru;

 

В статье изложены результаты полученные ООО «ТЭС» на ряде цементных заводов: по снижению энергозатрат пневмотранспорта цемента энергосберегающими модулями (ЭСбМ) пневматических камерных насосов (ПКН). ЭСбМ для любых типов  и моделей ПКН изготавливаются под требуемые значения приведенной длины трассы цементопроводов, производительности цементных мельниц с ПКН. ЭСбМ размещается внутри камеры ПКН.

Запатентованная технология ЭСбМ [1] позволяет  при малых инвестициях, минуя затратные строительно– монтажные работы по внедрению механического транспорта (аэрожелоба, ленточные транспортеры и элеваторы), получить снижение удельных затрат сжатого воздуха от 30%. Это снижение обеспечивает вывод в резерв части компрессорного парка цементного завода. Электроэнергия на выработку сжатого воздуха выведенных в резерв компрессоров образует экономический эффект внедрения ЭСбМ со сроками окупаемости 3 - 6 месяцев.

В табл. 1 приведены фактические данные по транспортировке цемента, с указанием удельных затрат по электроэнергии кВт/т. цемента до и после внедрения ЭСбМ.

Место установки ЭСбМ

Модель ПКН

и количество ЭСбМ

Удельные затраты внедрения кВт/т

Отключен компрессор

К-1955

ТА-29

ТА-28

До

После

Белгородский цемент

-

18

-

8

4,3

4VRZ

Кричевцементошифер

4

6

-

6

2,7

50 м3/мин

Ангарский цемент

-

-

1

8

4,5

-

Кавказцемент

-

-

10

8

5,0

К-250

Ульяновскцемент

3

6

-

8

4,5

4VRZ

Вольскцемент

-

8

6

10,8

5,0

-

Мальцовский портландцемент

-

-

1

6

3,6

-

 

Конструкция ЭСбМ исполнена, как правило, в виде мультисоплового аппарата, каждое из сопел которого оснащается специальным турбулизатором воздушного потока. Аэродинамическое сопротивление турбулизатора обеспечивает высокоскоростной профиль смешения цемента с подводимым сжатым воздухом. Рассмотрим особенности работы ЭСбМ: тепловой и турбулентный факторы.

1. Тепловой фактор.

Сжатый воздух поступает в ЭСбМ и через мультисопловый аппарат направляется в камеру ПКН, где происходит интенсивное создание цементо-воздушной смеси. По мере нарастания давления скорость смешения цемента с воздухом  уменьшается, при этом аэрированный цемент переходит в режим «псевдоожиженного слоя» в поперечном сечении камеры.

Интенсивная теплопередача от цемента к сжатому воздуху происходит в стационарном кипящем слое в ограниченном интервале скоростей потока     wкр<w<wв. При скоростях ниже wкр слой неподвижен, а при скоростях пото-ка выше wв происходит полный унос всех частиц и кипящий слой перестает существовать.

Для нахождения скорости вскипания wкр используется зависимость [2]:

Reкр= 0,0128Ar/ (18 + 0.59 √0,0128Ar ) =  wкрδ/ν      (1)

где δ – средний диаметр частиц цемента, ν –кинематический коэффициент вязкости воздуха.

Для оценки скорости витания частиц цемента кипящего слоя с плот-ностью частиц цемента ρц используется зависимость:

Reв= Ar/ (18 + 0.61 √Ar ) =  wвδ/ν                              (2)

гдекритерий Архимеда имеет вид

Ar = gδ3ц – ρв)/ ν2 ρв (3)

здесь ρв – плотность  сжатого воздуха.

Оценки по формулам (1) – (3) при значениях δ = 100 мкм, ρц = 3200 кг/м3, плотность и кинематическая вязкость сжатого воздуха при давлении           0,34 МПа и температуре 20 0C равны ρв = 4,08 кг/м3 и ν =4,51*10-6 м2/с  дают следующие границы существования кипящего слоя:

0,01 м/с ≤ w ≤ 0,57 м/с                                      (4)

В частности для ЭСбМ камерного насоса ТА-29  (диаметр камеры d= 1,8 м), средний расход сжатого воздуха составляет 40 м3/мин, что в пересчете на скорость потока в поперечном сечении ПКН:

w = (40 м3/мин/π d2/4)/60 = 0,26 м/с

Как следует из (4), на примере ТА-29 значение w = 0,26 м/с соответствует  границам существования кипящего слоя в ЭСбМ.

ЭСбМ обеспечивает формирование стационарного кипящего слоя в течение времени 0,2t и его удержание  в течение времени 0.7t, где t – время выгрузки ПКН.

При работе ЭСбМ в режиме стационарного кипящего слоя в течение времени 0.7t, за счет интенсивного теплообмена цемента с воздухом удается изменить начальные термодинамические параметры воздуха, а именно его температуру. Для изобарического процесса это означает, что дополнительная работа  совершаемая воздухом на транспортировку цемента составит:

ΔA = P(V2 – V1) = (m/μ) R(T2 – T1) – по уравнению Менделеева –Клайперона, где  V2/ V1 = T2/ T1.

В частности, при начальных температурах воздуха T1 = 20 0C = 2930K  и це-мента T2 = 120 0C = 3930K, расчетная экономия сжатого воздуха  ЭСбМ при изобарическом процессе составит 34%:

V2/ V1 = T2/ T1 =3930K/2930K = 1,34

2. Турбулентный фактор.

Количество сопел мультисоплового аппарата ЭСбМ, их взаимное распо-ложение и ориентация,  оказывает дополнительное воздействие на структуру псевдоожиженного слоя и варьируют плотность аэрированного цемента в широких пределах.

В конструкции ЭСбМ предусмотрен разгонный блок, расположенный вблизи входа в цементопровод , для эффективной транспортировки аэриро-ванного цемента в силос (см. рис. 1 а,б).

Затраты на пневмотранспорт цемента ЭСбМ  с учетом турбулентного фактора на 40% – 73% ниже, чем при использовании традиционных ПКН

ПКН

Массовый расход воздуха из магистрали при адиабатическом заполнении камеры ПКН можно представить  как совокупность двух режимов, определяемых соотношением σ = P/Pм< 1 (P – давление в камере ПКН, Pм –давление  воздуха в магистрали). Если σ ≤ 0,529, то  имеет место максимальный расход сжатого воздуха G* и режим истечения называется надкритическим. Если  0,529 < σ < 1, то режим истечения называется подкритическим  и характеризуется меньшим расходом сжатого воздуха  G. Используя результаты [3] , отношение расходов надкритического к подкритическому истечению можно представить в виде:

ε(σ) = G*/ G = 0,259/φ(σ)  > 1                                      (5)

где расходная функция φ(σ) = (σ 2/k– σ(k+1)/k)1/2 ; показатель адиабаты k=1,4.

Мультисопловый аппарат ЭСбМ расчитывается для работы в области значений 0,7≤  σ ≤ 0,9, что позволяет реализовать подкритический режим истечения сжатого воздуха из магистрали в ПКН. Отметим, что на верхней границе расчетного значения σ = 0,9 из выражения (5) следует отношение расходов истечения ε(0,9) = 1,73.

Применение ЭСбМ для работы ПКН в подкритическом режиме позво-ляет достичь энергоэффективности и обеспечить снижение удельных затрат сжатого воздуха до 73%. Дальнейшее увеличение σ нецелесообразно, т.к. ограничивает производительность ЭСбМ, что может привести к сбою в работе пары: ПКН и цементная мельница.

Совокупность теплового и турбулентного факторов в работе ЭСбМ определяют его экономичность даже  в случаях, когда температуры цемента и сжатого воздуха сопоставимы по значению (например, не используется охлаждение воздуха в компрессорном цехе). Водяной пар и капельная влага в сжатом воздухе снижают роль теплового фактора ЭСбМ 2, а использование осушителей увеличивает роль теплового фактора ЭСбМ 1, что отражено на рис.2.

Сравнение энергозатрат на транспортировку цемента в зависимости от длины трассы мехтранспорта

Рис.2  Сравнение энергозатрат на транспортировку цемента в зависимости от длины трассы мехтранспорта (ленточные транспортеры и элеваторы с обеспыливанием мест пересыпки) и ЭСбМ.

Согласно рис.2  энергозатраты:

-для механического транспорта в 2 раза ниже чем у ЭСбМ 1(с осушкой воздуха) при длине трассы 250 м;

-для механического транспорта в 1,7 раза ниже чем у ЭСбМ 1(с осушкой воздуха) при длине трассы 1024 м.

Увеличение длины трассы транспортировки цемента приводиткуменьшению разницы энергозатрат ЭСбМ к механическому транспорту.

Наименование /длина транспортировки

250м

400м

640м

1024м

Ленточный конвейер (кВт)

37

55

82

122

Элеватор  (кВт)

37

37

37

37

Аспирация мест пересыпки: загрузка ленточного транспортера, загрузка башмака элеватора, разгрузка головной части элеватора - 3 рукавных фильтра по 5000  м³/час, мощность вентилятора 11 кВт каждый (кВт)

33

33

33

33

Полная предусмотренная мощность  (кВт)

107

125

152

192

Удельные энергозатраты при 120 т/час

0,89

1,04

1,27

1,6

Средняя стоимость оборудования на рынке (млн.руб)

12

18

24

30

КАПИТАЛЬНЫЕ ЗАТРАТЫ на внедрение механического транспорта (млн. руб)

8

12

16

20

Устройство фундаментов с закладными деталями. Материалы. Монтаж опорных металлоконструкций с площадками обслуживания ленточных транспортеров, рукавных фильтров и элеваторов (млн. руб)

20

30

40

50

ПРИМЕЧАНИЕ:Затраты на внедрение ЭСбМ1 и ЭСбМ2 не зависят от длины трассы. Разница в цене ЭСбМ1 - 1,5 млн.руб и ЭСбМ2 - 3,0 млн.руб обусловлена затратами на их изготовление, стоимостью материалов.

В случае использования аэрожелобов, следует учесть угол наклона 6-8 градусов к горизонту, что для расстояний транспортировки свыше 100 м требует применить дополнительный элеватор для загрузки аэрожелоба - автоматически увеличивает энергозатраты. Если этого не достаточно, мы готовы предоставить аналогичный расчет для аэрожелобов (вместо ленточных транспортеров) и элеваторов

Таблица 2.  Расчет  энергозатрат мехтранспорта (ленточный транспортер и элеватор)  : номинальная производительность по цементу 120 т/час (расчетная производительность 175 т/час); высота подъема в силос 42 м; длина трассы 250 м, 400 м, 640 м, 1024 м.

В качестве примера на рис. 3 представлен  ЭСбМ для ТА-29, энергоэффективностькоторого  близка к механическому транспорту  при наличии осушки сжатого воздуха.

ЭСбМ для камерногонасоса ТА-29

Рис.3  ЭСбМ для камерногонасоса ТА-29.

Капитальные затраты на внедрение систем механического транспорта  примерно 10 – 25 раз превосходят затраты на внедрение систем ЭСбМ, что показано на Рис.4.

Капитальные затраты на внедрение систем механического транспорта

 

РАСЧЁТ СРОКОВ ОКУПАЕМОСТИ ЭСБМ И МЕХТРАНСПОРТА.

Расстояние от мельницы до силоса-1024м.

До внедрения: цементная мельница Ø4×13,5 с установленным м камерным насосом ТА-28,производительность 120т\час ,коэффициент использования КИ=0.6

Расход воздуха 120м3\т=10.8кВтч\т(ЗАТРАТЫ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ВЫРАБОТКУ 1М3=0.09КвТЧ) Стоимость 1кВтч=2 руб.

ВАРИАНТ 1. :Установить ЭСбМ для ТА-28 .

Затраты:1.5 млн.руб.

Расход воздуха 56м3\т=5.04 квтч\т производительность 120т\час Ки=0.6

Экономия1(Э1)=Ки×365дн×24час×120т\час×(10.8- 5.04)кВтч\т×2руб\кВтч =7265894.4руб\год

 

Срок окупаемости1(Ср.ок1)ЭСбМ

Ср.ок1=ЗАТРАТЫ/Э1×1год=1.5\7.266год=0.2года=3месяца.

 

ВАРИАНТ 2. :Установить ленточный транспортер l=1024м и элеватор Н=42м-мехтранспорт вместо ПКН.

Затраты:50 млн.руб.

Энергозатраты мехтранспорта с аспирацией мест пересыпки-1.6 кВТ\т

Э2=0.6×365дн×24час×120т\час×(10.8-1.6)кВтч\т×2руб\кВтч =11605248руб\год

Срок окупаемости2(Ср.ок2)ЭСбМ

Ср.ок2=ЗАТРАТЫ/Э2×1год=50\11.6год=4.31года

ВЫВОДЫ

  1. Технология ЭСбМ обеспечивает энергозатраты на транспортировку цемента сравнимые с механическим транспортом.
  2. Цементопровод и ЭСбМ практически не требуют обслуживания. Затраты на ТО, приобретение и монтаж комплектующих минимальны.
  3. Затраты на внедрение механического транспорта, ТО, приобретение и монтаж комплектующих  значительно превышают затраты на внедрение ЭСбМ.
  4. Срок окупаемости механического транспорта 5-7 лет.
  5. Срок окупаемости ЭСбМ составляет3 – 6 месяцев.
  6. Капитальные затраты на внедрение механического транспорта прямопропорщиональны длине трассы.
  7. Капитальные затраты на внедрение технологии ЭСбМ не зависят от длины трассы.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Ефременко А.Н., Хлудеев В.И. «Пневмокамерный насос для транспортировки порошкообразных и мелкозернистых материалов». Патент РФ № 2312808 от24.03.2006 г.
  2. Основы практической теории горения: Учебное пособие, под ред. В.В. Померанцева, 2-е изд. – Л.:Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1986,  С. 69
  3. Пневматические устройства и системы в машиностроении: Справочник, под  ред.Е.В. Герц – М.: Машиностроение, 1981, С. 311