Энергозатраты процесса плавления базальта Енхорского месторождения

В настоящее время производство строительных теплоизоляционных материалов постоянно возрастает, в том числе растет и применение материалов на основе минеральных волокон [1]. Традиционные технологии изготовления минеральных волокон базируются на способах плавления природного минерального сырья, таких как базальт, силикаты и др., при относительно невысоких температурах плавления. Далее естественным способом производится вытягивание расплава в минеральные волокна с одновременным охлаждением полученных волокон. Базальт имеет температуру плавления от 1500 до 1800 К [2, 3]. Главными преимуществами базальтового волокна являются низкая стоимость, высокая термостойкость, низкая теплопроводность, экологическая безопасность [4-6]. Кроме того, базальтовые волокна негорючи, обладают высокой химической стабильностью [7, 8], хорошей устойчивостью к атмосферным воздействиям, воздействию щелочей и кислот, базальтовые волокна можно использовать от очень низких температур (около -200 °С) до сравнительно высоких температур (600 °С) [9, 10].

При получении минеральных волокон из базальта плазменным способом процесс можно разделить на два этапа: этап первый расплавление базальта в плазменном энергетическом реакторе, этап второй – получение волокон в камере волокнообразования. Первый этап получения расплава из базальта в реакторе очень важен для энергоэффективности всей установки в целом, так как основным потребителем энергии является реактор, кроме того, на первом этапе задается состав и качество будущих волокон, получаемых на втором этапе [11 - 13]. Для получения оптимальных режимов плавления базальта необходимо произвести предварительные расчеты высокотемпературной плавки сырья. Для этого возможно применение компьютерного комплекса TERRA [14].

Цель данной работы состоит в определении энергозатрат на процесс плавления базальта Енхорского месторождения и их сравнении с расчетными данными.

Материалы и метод исследования

Для моделирования предельно равновесных состояний веществ был применен программный комплекс TERRA. Для расчета в программный комплекс TERRA вносят исходный состав вещества со следующими параметрами: химическая формула, предел аппроксимации термодинамических функций T min , T max , энтальпия образования H°(298K), а также семи коэффициентов для приведенного термодинамического потенциала Фi (T) (φ1 – φi). Каждому индивидуальному веществу, находящемуся в базе данных программного комплекса ТЕРРА, соответствует одно или несколько комплектов свойств, в которые помимо перечисленных термодинамических функций входят параметры функций Леннарда - Джонса для расчета теплофизических констант (коэффициенты теплопроводности, вязкости, диффузии) многокомпонентных газовых смесей [15].

Удельные энергозатраты на процесс плавления базальта слагаются из энергии для нагревания сырья от исходной температуры до температуры плавления, приводящего к химическим превращениям, для установления термодинамического равновесия в системе, и рассчитываются по следующей формуле:

Q yg = (1 равн —1 исх )/3600, кВт-ч/кг,                             (1)

где I исх и I равн – полная энтальпия, находящегося в исходном и равновесном состояниях.

Энтальпия вещества в равновесном состоянии определяется расчетным методом в программном комплексе TERRA.

Энтальпия вещества при исходных температуре и давлении определяется выражением: /_исх = ЛН^Т о^исх + J ⁰ C_p(T)dT,                           (2)

• ^{J                      1} исх

где АН ° (Т о ) исх — энтальпия при стандартной теплоте образования рабочего тела; Т о = 298,15 K -стандартная температура; T исх – исходная температура процесса, при которой реагенты поступают в зону реакции.

При равенстве T исх = T о , выражение будет иметь вид:

1 исх = Н/(298) исх..                                         (3)

Энтальпия при начальных давлении и температуре определяется исходной энтальпией I исх всех компонентов исходного вещества. К основным компонентам базальта SiO 2 , CaO, Na 2 O, MgO, Al 2 O 3 , K 2 O, Fe 2 O 3 , TiO 2 и прочие материалы [16 - 20]:

∆H f ⁰(298) исх = ∆H f ⁰(298) SiO2 + ∆H f ⁰(298) TiO2 + ∆H f ⁰(298) Fe2O3 + ∆H f ⁰(298) MgO + ∆H f ⁰(298) Na2O + ∆H f ⁰(298) K2O + ∆H f ⁰(298) Al2O3 + ∆H f ⁰(298) CaO\

Экспериментальное определение плазменной плавки базальта Енхорского месторождения проводилось на опытно-промышленной плазменной установке [21], представленной на рисунке 1.

Рисунок 1 – Опытно-промышленная плазменная установка

Опытно-промышленная плазменная установка имеет производительность до 50 кг/ч. Основу данной установки составляет плазменный трехфазный сериесный реактор, работающий от системы трехфазного переменного тока, в котором можно получать температуры от 1000 до 2500 °С с регулированием температуры в указанных пределах.

Результаты исследования и их обсуждение

Исходная энтальпия компонентов, рассчитанная по формуле (3), была равна I исх = 11185,9 кДж/кг.

Удельные энергозатраты Q уд при различных температурах рассчитывали с учетом массовых долей каждого компонента смеси или исходного вещества [22, 23]. Базальт Енхорского месторождения имел массовый состав: SiO 2 = 0,4255; Al 2 O 3 =0,1737; TiO 2 = 0,0112; Fe 2 O 3 = 0,2151; CaO = 0,0358; MgO = 0,0542; Na 2 O = 0,0322; К 2 О = 0,0522.

Результаты расчета в программном комплексе TERRA даны в таблице 1, а также на рисунках 2 и 3, где рисунок 2 показывает количество конденсированной фазы и польные энтальпии плавления енхорского базальта в зависимости от температуры, рисунок 3 демонстрирует изменение состава конденсированной фазы базальта Енхорского месторождения.

Таблица 1

Температура нагрева, K	Состав базальта, %
	Fe 2 O 3	Al 2 O 3	CaSiO 3	MgSiO 3	SiO 2	K 2 Si 4 O 9	Na 2 Si 2 O 5
1000	10,9	17,5	7,7	13,1	17,5	8,5	8,4
1200	10,9	17,5	7,7	13,1	18,7	8,5	8,4
1400	10,9	17,5	5,1	13,1	19,8	8,5	8,4
1500	10,9	17,5	5,1	13,1	19,8	8,5	8,4
1600	10,9	17,5	5,1	13,1	19,8	8,5	8,4
1800	8,2	17,5	6	13,1	23,6	8,5	8,3
2000	8,2	17,5	7,1	13,1	20,4	8,5	8,3
2200	8,2	17,5	7,1	13,1	18,5	8,5	8,2
2400	8,2	17,5	7,1	13,1	19,2	8,2	8,2
2600	8,2	17,5	7,1	13,1	21,5	7,1	6,0
2800	10,5	17,5	7,1	13,1	22,5	4,1	2,0
3000	9,4	17,5	7,1	13,1	19,1	0	0

0.88

-0 45 Ш4

I к Д ж х к г

а)

б)

Рисунок 2 – Количество конденсированной фазы (а), полная энтальпия плавления (б) базальта

Енхорского месторождения

Рисунок 3 – Состав конденсированной фазы базальта Енхорского месторождения

Состав конденсированной фазы базальта Енхорского месторождения

Расчеты энергозатрат в диапазоне температур от 1000 до 3000 К показали, что концентрации оксида алюминия Al 2 O 3 составила 17,5 %. В области температур Т=1000 - 1800 К концентрация оксида кремния SiO 2 медленно возрастала с 17,5 до 23,6 %, затем начинала снижаться и при Т=2200 К составляла 18,5 % и далее снова увеличивалась до 22,5 % (Т=2800 К). Силикат кальция CaSiO 3 уменьшился с 7,7 до 5,1 % в интервале температур 1000 - 1700 К, затем начиная 112

с температуры Т=1800 К увеличился до 7,1 % и остался постоянным вплоть до 3000 К. Концентрация метасиликата магния MgSiO 3 была постоянна и равнялась 13,1 %. Концентрация тетрасиликата калии K 2 Si 4 O 9 равнялась 8,5 %, с температуры 2400 К концентрация постепенно снижалась до нуля. Концентрация метасиликат натрия Na 2 Si 2 O 5 равнялась 8,4 %, начиная с температуры 1800 К постепенно снижалась до нуля.

Удельные энергозатраты Q уд и минимальная электрическая мощность P эл , необходимая для расплавления 40 кг исходного сырья, распределены по температурам от 1000 до 3000 К с шагом 100 К (рис. 4, табл. 2).

Таблица 2 Зависимость удельных энергозатрат от температуры плавления базальта

Т, К	1000	1200	1400	1500	1600	1800	2000	2200	2400	2600	2800	3000
Q уд , кВт/кг	0,37	0,45	0,52	0,55	0,58	0,67	0,8	0,87	1,0	1,1	1,3	1,8
P эл , кВт	14,8	18,0	20,8	22,0	23,2	26,8	32,0	34,8	40,0	44,0	52,0	72,0

Рисунок 4 – Температурная зависимость удельных энергозатрат при плавлении базальта Енхорского месторождения

Как видно из таблицы 2 и рисунка 4, удельные энергозатраты увеличивались при возрастании температуры. Достаточная для производства базальтовых волокон температура расплава находилась в пределах 1500 К. Удельные энергозатраты для данной температуры при плавлении базальта Енхорского месторождения составили Q уд = 0,55 кВт×ч/кг (Т=1500 К).

Для подтверждения рассчитанных энергозатрат в практике 40 кг енхорского базальта плавили в течение 1 ч. Все параметры напряжения и тока во время плавки показаны в таблице 3.

Таблица 3

Практические параметры напряжении и тока по времени

Время, ч, мин	Время действия нагрузки, мин	U 1 , В	U 2 , В	U 3 , В	I 1 , А	I 2 , А	I 3 , А	Примечание
1	2	3	4	5	6	7	8	9
13,01	12	240	240	220	20	20	20	запуск
13,13	2	240	240	240	30	30	30	-
13,15	3	220	220	220	50	50	50	-
13,18	3	170	170	170	55	55	55	-
13,21	10	170	170	170	70	70	70	-
13,31	1	220	220	220	70	70	70	-

Продолжение таблицы 1

1	2	3	4	5	6	7	8	9
13,32	2	170	180	180	70	70	70	-
13,34	5	170	180	170	90	90	90	-
13,39	3	150	150	150	80	90	85	-
13,42	2	240	220	240	70	70	70	-
13,44	2	170	170	170	85	90	85	-
13,46	2	200	180	200	110	110	110	-
13,48	5	180	190	190	130	130	130	-
13,53	1	240	240	240	120	120	120	-
13,54	5	180	170	170	130	130	130	-
13,59	2	200	200	200	115	120	125	-
14,01	3	160	170	170	120	120	125	-
14,04	1	170	170	170	130	130	130	-
14,05	-	-	-	-	-	-	-	слив расплава

Силовые электроды плазменной установки в рабочем состоянии короткозамкнуты через расплав по схеме треугольник, поэтому фазное напряжение Uф=U, а фазный ток Iф=I/1,73. Таким образом, используя данные таблицы 3, рассчитали электрическую мощность установки по фор- муле:

P = U ф1• I ф1• cosφ 1 + U ф2• I ф2• cosφ 2 + U ф3• I ф3• cosφ 3

Коэффициент мощности реактора составил cosφ=0,95. Принимаем, что для трех фаз cosφ 1 =cosφ 2 =cosφ 3 =0,95. Также для определения потребляемой мощности учитывали время работы установки в данном режиме.

В результате расчета экспериментально определенная электрическая мощность при плавлении 40 кг енхорского базальта в плазменном трехфазном сериесном реакторе составила 24956,72 кВт∙ч, а удельные часовые энергозатраты при плавлении 1 кг енхорского базальта составили 0,624 кВт∙ч/кг.

Общее время работы установки составило 1 ч 04 мин, или 1,067 ч. Таким образом, удельные энергозатраты составили 0,624/1,067=0,585 кВт/кг, что соответствовало рассчитанным ранее значениям удельных затрат. Разность теоретически определенных и экспериментальных энергозатрат (0,038 кВт/кг) объясняется потерями тепла в окружающую среду через систему охлаждения и с отведенными газами из реактора.

При плавлении базальт необходимо было нагреть до температуры жидкотекучести (≈1500 К). Термоактивационная зона в камере плазменного электрического реактора изучали тепловизионным способом с последующим картированием высокотемпературном тепловизором модели mcs-640 фирмы LumaSpec. Температура в конце процесса плавления показана на рисунке 5.

Рисунок 5 – Диапазон температуры расплава в реакторе

Анализ данных, представленных на рисунке 5, позволил сделать заключение о том, что температура расплава в конце плавления составляла 1225 °С, или 1522 К.

Слив расплава производился в штатном режиме. Базальтовое волокно соответствовало физико-механическим характеристикам, например показателям теплопроводности и плотности.

Заключение

Исследования по получению расплава базальта Енхорского месторождения в плазменном трехфазном сериесном реакторе позволили определить удельные энергозатраты и сопоставить их с расчетными данными (программный комплекс TERRA).

Как показал расчет плавления енхорского базальта, удельные энергозатраты лежат в пределах 0,52 - 0,67 кВт/кг (1400 - 1800 К), тогда необходимая суммарная электрическая мощность всей установки для полного расплавления 40 кг базальта Енхорского месторождения составит 20,8-26,8 кВт для данного диапазона температур.

Тепловизионным методом определена оптимальная для производства минеральных волокон температура расплава базальта Енхорского месторождения, которая составила 1500±30 К.

Экспериментом установлено, что удельные энергозатраты при нагревании расплава до температуры 1522 К составили 0,585 кВт/кг, а общая электрическая мощность, затраченная на плавление 40 кг базальта составила 24956,72 кВт∙ч, что незначительно отличается от расчетных данных и может быть объяснена потерями энергии в окружающую среду.