Идея предложена на основании запроса № 18 от 27.01.2023 года с краудсорсинговой площадки изобретателей – Способы восстановления металлов из руд.

Предлагается восстановление железной руды до железа проводить в капельном (1-5 мм) горении специально подготовленной топливно-металлургической водной суспензии. Сжигание топливно-металлургической водной суспензии должно проводиться в классической печи, которая переоборудована для работы на водо-угольном топливе.

Предлагается топливно-металлургическая водная суспензия, как смесь воды с порошком угля и реагентом (железная руда), средним фракционным составом 75-150 мкм.  

Ответ на вопрос, сколько железа восстановится за время окислительно-восстановительной реакции горения капли топливно-металлургической водной суспензии – может дать только эксперимент.

В этом случае теоретический расчёт скорости восстановления мельчайших частиц руды на основе известного ступенчатого механизма провести невозможно, т.к. не учитываются размеры и количество частиц руды в капле и т.п.  Например, ориентировочный вес одной частицы руды с содержанием 78% оксида железа размером 100 мкм составляет 0,005 мкг и содержит 0,002 мкг железа.

Размер и содержание частиц угля и руды в капле, средний размер капли и время горения в печи будут определять зольность топливно-металлургической водной суспензии, и как результат – выход “губчатого” железа.

Топливно-металлургическая водная суспензия напоминает водо-угольное топливо, только без реагента.  Имеет подобный механизм капельного горения.

Механизм капельного горения водо-угольного топлива в топке печи существенно отличается от горения классического жидкого, газообразного или пылевидного топлив.

Капельное горение водо-угольного топлива.

Известно, что водо-угольное топливо (ВУТ) представляет собой дисперсную смесь, состоящую из угля с размерами частиц 75-150 мкм. и воды.

Известно, что при сгорании капель водо-угольного топлива образуются полые сферические частицы более крупного размера, чем исходный фракционный состав водо-угольного топлива.

Известно, что каждая капля водо-угольного топлива в среднем содержит до 200 частичек угля. Практика показала, что при распылении водо-угольной суспензии формируются капли (сфера, эллипсоид и др.) 3-5 мм. При попадании каждой капли водо-угольного топлива в горячую печь сначала вода с поверхности капли мгновенно испаряется. В след за этим происходит испарение влаги внутри капли и одновременное воспламенение микрочастиц угля на поверхности капли.  Начинается горение наружных микрочастиц угля капли по следующим схемам:

C + O2 = CO2,

2C + O2 = 2CO,

C + CO2 = 2CO.

Одновременно с процессом воспламенения наружных микрочастиц угля капли проходит другой и самый интересный процесс, в том числе,  для заявленных целей восстановления металла из руды. Перегретый пар изнутри капли взаимодействует с углеродом по следующим схемам:

C + H2O → CO + H2,

H2O → H2 + O2.

Образуются восстановители (водород и углерод). Восстановители приводят к более экологическому горению водо-угольной смеси по сравнению с традиционными топливами. Восстановители удаляют почти все оксида азота и серы в уходящих газах за счёт протекания следующих реакций восстановления:

NOx + H2 (СО) → N2 + H2O (СО2),

SOx + H2 (СО) → S + H2O (СО2).

Таким образом, резкому уменьшению образования летучей золы, оксидов серы и азота, способствует классический процесс восстановления оксидов азота и серы водородом и углеродом.

На основании вышеизложенного можно предположить следующее:

ГИПОТЕЗА

Капельное горение топливно-металлургической водной суспензии как одновременный источник тепла и “губчатого” железа в одном технологическом процессе.

Капельное горение топливно-металлургической водной суспензии необходимо проводить в обыкновенной печи, которая переоборудована для работы на классическом водо-угольном топливе. Переоборудование печи заключается в простой замене форсунки, которая позволяет формировать воздушно-капельное облако с средним размером капель в 1-5 мм.

Топливно-металлургическая водная суспензия формируется из порошков угля и реагента – руды со средним фракционным составом 75-250 мкм.

В каждой капле топливно-металлургической водной суспензии в среднем содержится смесь из 100 частичек угля и 100 частичек руды.

При попадании капли топливно-металлургической водной суспензии в горячую печь – сначала мгновенно испаряется вода с поверхности капли. В след за этим происходит испарение влаги внутри капли с одновременным воспламенением внешних микрочастиц угля капли.  Перегретый пар внутри капли взаимодействует с углеродом капли, с образованием CO и H2 (восстановитель). Восстановитель, выходя из капли, взаимодействует с частицами руды внутри капли и восстанавливает их до железа, см. рис. № 1.

Этому способствует “лабиринтный” (более медленный) выход восстановителя c вовлечением в реакцию восстановления всех частиц руды.

Рис. № 1. Стадия горения частиц угля на поверхности “капли” с выходом летучих и восстановителей (CO и H2).

Необходим эксперимент, подтверждающий предложенную идею, т.к. теоретический расчёт скорости восстановления мельчайших частиц руды на основе известного ступенчатого механизма провести невозможно, т.к. не учитываются размеры и количество частиц руды в капле и т.п.

В этом случае должно быть выполнено условие по верхнему пределу температуры горения топливно-металлургической водной суспензии – не выше 1000 градусов. Необходимо предотвратить начало спекания частиц руды в капле.  Температура горения топливно-металлургической водной суспензии определяется процентным содержанием воды, и может соответствовать 850-900 градусов.

ВЫВОД:

1. Использование топливно-металлургической водной суспензии в классической печи, которая переоборудована для работы на водо-угольном топливе (оборудована распылителем под заявленный размер капель) – решает две задачи:

     – энергетическая – получение тепла для различных целей.

     – металлургическая – получение “губчатого” железа в зольном виде.

2. Ответ на вопрос, сколько железа восстановится за время окислительно-восстановительной реакции горения капли топливно-металлургической водной суспензии – может дать только эксперимент.

3. Теоретический расчёт скорости восстановления мельчайших частиц руды в этом случае, на основе известного ступенчатого механизма провести невозможно, т.к. не учитываются размеры и количество частиц руды в капле и т.п.

4. Предполагается, что простой эксперимент может подтвердить заявленную гипотезу. В этом случае, любая тепловая электростанция и ее разновидность – теплоэлектроцентраль (ТЭЦ), при незначительных доработках – превратиться в тепло-электрометаллургический завод. Коксоаглодоменное производство, как основная экологическая нагрузка на природу уйдёт в историю. История технологий производства меди в доказательство сказанному.  В древности породу, обогащенную медью, перемешивали с углем и помещали в глиняный горшок. Далее массу в горшке поджигали. Выделяющийся угарный газ восстанавливал породу до меди. По аналогии, все в точности, как сейчас происходит в доменной печи. При этом, металлургия меди вышла на совершенно новый технологический тренд в виде пирометаллургии, гидрометаллургии и электролиза меди. А металлургия железа из прошлого, в виде коксоаглодоменного производства – осталась без изменения.

ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Процесс детонационного напыления защитных покрытий был впервые разработан в 1955 году Х. Б. Сарджентом, Р. М. Пурманом и Х. Миногой.

Этот процесс позволяет наносить очень твердые и плотные поверхностные покрытия, которые полезны в качестве износостойких покрытий. По этой причине детонационное распыление обычно используется для защитных покрытий в авиационных двигателях, штекерных и кольцевых датчиках, режущих кромках (ножах), трубчатых сверлах, лопастях ротора и статора, направляющих рельсах или любом другом металлическом материале, подверженном высокому износу. 

Обычно материалами, которые распыляются на детали при детонационном напылении, являются порошки металлов, металлических сплавов и металлокерамики, а также их оксиды (алюминий, медь, железо и др.).

Детонационное распыление покрытий наносится с помощью детонационного пистолета, который состоит из длинного металлического ствола с водяным охлаждением, содержащего впускные клапаны для введения газов и порошков в камеру. Предварительно выбранное количество защитного материала покрытия в виде порошка с размером частиц 5–60 мкм вводят в камеру. В камере кислород и топливо поджигается свечой зажигания для создания сверхзвуковой ударной волны, которая выталкивает смесь расплавленного и/или частично расплавленного и/или твердого сырья (в зависимости от типа используемого материала из ствола на распыляемый объект. Затем ствол очищается с помощью короткой очереди азота, прежде чем D-пушка готова к повторному выстрелу. 

Частота следования волн детонационного горения в данной технологии ограничена 20 Гц.

ДОСТОИНСТВА СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ

– возможность получения покрытий из большинства порошков, плавящихся при температуре до 2800 °С без разложения.

– возможность нанесения покрытий на различные материалы (металлы, керамику, стекло, пластмассу и др.);

– отсутствие деформации напыляемой поверхности;

– возможность получения покрытий с пористостью 0,5— 1,5% и высокой прочностью сцепления покрытий;

– возможность управлять химическим составом продуктов детонации за счет регулирования газового режима;

НЕДОСТАТКИ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Детонационное напыление из-за своего импульсного режима работы является не слишком производительным методом (по сравнению, например, с высокоскоростным газопламенным напылением).

Детонационное напыление экономично для напыления поверхностей площадью не более нескольких квадратных сантиметров.

ЗАДАЧА

Исходя из недостатков детонационного напыления, необходимо предложить технологию промышленного нанесения защитных покрытий на большие площади, например для производства стального листа с цинковым, алюминиевым и т.п. защитным покрытием, которое в разы  прочнее классике горячего оцинкования или алюминирования.

ПРЕДЛАГАЕМОЕ РЕШЕНИЕ

Классические трубчатые источники волн детонационного горения

для  заявленных целей нанесения покрытий на большие площади в условиях промышленного производства не эффективны.  Связано это в первую очередь с частотами следования волн детонационного горения, которые ограничены конструктивными особенностями самих источников волн детонационного горения. В пределе частота следования волн не превышает 20 гц.

Исходя из выше изложенного, предлагается использовать для заявленных технологических целей источники волн детонационного горения, работающие в квазиимпульсном (почти непрерывном) режиме работы с энергетическими характеристиками одной волны детонационного горения со скоростями уровня 2000 м/с и температурой во фронте уровня  3000°С.  С частотой следования волн детонационного горения более 1 кГц.

Такие высокочастотные (квазирезонансные) источники энергии, конструктивные особенности, принципы работы и т.п. наиболее подробно изложены в книге: Детонационные технологии как новый технологический тренд в промышленности [2].

К таким высокочастотным источникам волн детонационного горения относятся полусферические детонационно-резонансные горелки  и  спиновые источники волн детонационного горения с механическими и электромагнитными системами клапанов управления детонационного горения.

Заявленные источники волн детонационного горения работают  на частотах 1-10 кГц, что вполне достаточно для заявленных промышленных целей нанесения защитных покрытий на большие площади.

Для примера, схематически, предлагаемое решение на основе полусферической детонационно-резонансной горелки  представлено на рис. № 8.19.1.

Полусферическая детонационно-резонансная горелка размещается сверху стального, движущегося листа. Сверху полусферы  горелки размещён бункер с клапаном дозатором. В бункере находится жидкий металл.

Рис. № 8.19.1. Квазиимпульсная технология напыления защитных металлических покрытий.

Подготовленное топливо  поступает для смешивания с вторичным воздухом непосредственно  перед кольцевым выходным соплом в короткую кольцевую зону смешивания. Смешивание происходит путём инжекции подготовленного топлива вторичным воздухом с большой скоростью.

После инжекции, подготовленная к детонационному горению топливовоздушная смесь поступает  в кольцевое сопло. На выходе в фокусе полусферы формируется высокоскоростной поток за счёт кольцевого сопла, которое изготовлено по профилю поперечного сечения сопла Лаваля. Такой профиль позволяет сформировать радиальный центростремительный  поток топливовоздушной смеси со сверхзвуковой скоростью. Большая скорости потока топливовоздушной смеси не допускает его самовоспламенения.

Одновременно в эту центральную область поступает порционно жидкий металл из бункера.

Заключительный этап – инициация детонационной волны электроискровым поджогом с частотой, равной частоте следования волн детонационного горения.

После инициации формируется фронт бегущей волны детонационного горения с сверхвысокой температурой, давлением и сверхзвуковой скоростью.  Волна детонационного горения придаёт порции жидкого металла высокую энергетику для заявленных целей формирования защитного покрытия на стальном листе. Затем цикл повторяется с частотой 1 кГц.

Можно сказать, что такая полусферическая детонационно-резонансная горелка работает в квазиимпульсном (почти непрерывном) режиме формирования волн детонационного напыления

Пример детонационно-резонансной горелки представлен на рис. 8.19.2

Рис. № 8.19.2. Детонационно-резонансная горелка с полусферическим резонатором

ВЫВОД

– Переход от классических трубчатых низкочастотных (20 Гц.) источников волн детонационного горения  на высокочастотные с частотами 1-10 кГц позволит расширить сферу применения  детонационного способа напыления защитных покрытий. Это относится в первую очередь к высокочастотным источникам волн детонационного горения полусферического детонационно-резонансного типа и спинового типа с механическими и электромагнитными системами клапанов управления детонационного горения.

– Заявленный способ обеспечит массовое,  площадное нанесение защитных покрытий, и что самое главное, с более высокими характеристиками, которые не доступны, например, горячему способу оцинкования или алюминирования стального листа.    Это обеспечивается, в отличии от классических технологий горячего нанесения покрытий, за счёт следующего:

При детонационном воздействии (высоко скоростное, высоко кинетическое, высоко температурное  воздействие)  расплавленные частицы покрытия ударяются о более холодную поверхность с последующим растеканием и одновременным затвердеванием. По мере растекания уже затвердевшая часть покрытия бомбардируется  новой порцией высоко кинетического жидкого покрытия, обеспечивая  большую адгезию с подложкой (стальным листом).

– Процесс детонационного горения в заявленных высокочастотных (квазиимпульсных) источниках и параметры и сочетания различных продуктов детонационного напыления легко регулируются. Таким образом можно получать материалы с новыми характеристиками.

ВСТУПЛЕНИЕ

Получение порошков металлов методом газового распыления является относительно простым и дешевым технологическим процессом. При этом, и это важно —  уровень “микронности” ограничен энергетическими характеристиками первичного газового потока:

1. Размер образующихся частиц зависит от скорости  газового потока.
2. Размер образующихся частиц зависит от энергетики газового потока.
3. Размер образующихся частиц зависит от температуры  газового потока. Наиболее эффективно распыление идёт при температуре газового потока, совпадающего с температурой расплава или выше её, так как вязкость и поверхностное натяжение при этом не претерпевают изменений в процессе дробления струи из-за отсутствия переохлаждения расплава.

ПРЕДЛОЖЕНИЕ

Анализируя  выше поименованные ограничения получается, что для увеличения эффективности процесса получения мелко дисперсионных порошков микронного уровня необходимо увеличивать энергетику, скоростные и температурные характеристики первичного газового потока.

Исходя из выше изложенного, предлагается обратить внимание на детонационные источники энергии в качестве источника первичного высокоскоростного, высокоэнергетического и высокотемпературного

Детонация в атмосферу от одного источника детонационного горения представляет собой взрыв, в котором взрывная волна распространяется со скоростью 2000-3000 м/с, а температура горения достигает 3000-3500 °С. Мощность тепловыделения в детонационном фронте на несколько порядка выше дефлаграционного фронта (обычного горения).Продукты детонации обладают огромной кинетической энергией. Теплопередача от продуктов детонации к теплоносителю существенно выше, чем при использовании обычного горения, ввиду огромной конвективной составляющей.

Наиболее подробно принципы работ, виды, типы, особенности, конструктивные исполнения детонационных источников энергии заявлены здесь:

Детонационные источники энергии и технологии

Предлагается для заявленных целей в качестве источника  высокотемпературного, высокоскоростного и высокоэнергетического газового потока использовать классическую сферическая детонационно-резонансную горелку, например такого конструктивного исполнения, ссылка:

Детонационно-резонансная горелка.

КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ ПО ЗАЯВЛЯЕМОМУ СПОСОБУ

Предлагаемое конструктивное исполнения  по заявленному способу достаточно просто и выглядит согласно рис. № 8.16.1.

Сферическая детонационно-резонансная горелка размещена сверху по центру достаточно габаритного пылеуловительного бункера.  Сама горелка имеет конструктивное отличие от классики тем, что дополнительно на наружной части сферического резонатора горелки в центральной части установлена ёмкость с жидким металлом. В ёмкости внизу на выходе установлен клапан регулировки потока подачи жидкого металла. Бункер снабжён по средине пылеуловительными  тарелками и нижним затвором для выгрузки мелко дисперсионного порошка металла.

Рис. № 8.16.1. Гравитационно-детонационный распылительный способ получения мелко дисперсионных порошков микронного уровня любых металлов из жидких расплавов.

ПРИНЦИП РАБОТЫ:

Жидкий металл гравитационным  способом  подаётся в фокус сжатия/разряжения волн детонационного  горения классической детонационно-резонансной горелки. Структура потока определяется клапаном регулировки подачи жидкого металла.

Разрушение жидкого металла начинает происходить   непосредственно в  фокусе формирования следующих друг за другом волн детонационного горения в детонационно-резонансной горелке. Затем частицам жидкого металла придаётся значительное ускорение следующими друг за другом сверхзвуковыми волнами горения/сжатия.

          Происходит высоко энергетическое, высокотемпературное и высокоскоростное распыление жидкого металла. Время пребывания частичек металла в волнах горения несоизмеримо мало, поэтому последние не успевают сгореть с образованием оксидов. Продукт распыления   оседает в крупногабаритном бункере с встроенными пылеуловительными тарелками.

Термобарический способ разложения химических соединений заключается в воздействии на химические соединения мелко дисперсионной структуры сверх высокой температурой и продуктами детонационного горения топливовоздушной смеси (ТВС).

При этом нужно учитывать, что в качестве химических соединений может выступать абсолютно любые мелко дисперсионные, вязкие или жидкие химические, органические минеральные смеси в том числе и ядовитые для утилизации или получения новых продуктов.

Термобарический способ разложения любых химических соединений на простые составляющие осуществляется непосредственно во фронте детонационного горения топливовоздушной смеси (ТВС). Химические соединения мелко дисперсионной структуры вводятся непосредственно во фронт распространения детонационного горения ТВС. При этом сам фронт детонационного горения сжимается центростремительно в одной точке – в фокусе полусферического резонатора, за счёт конструктивных особенностей источника детонационного горения.

Главным достоинством такого конструктивного решения является тот факт, что фокус полусферического резонатора, т.е. центр формирования сверхвысоких температур и давлений, в котором происходит основное термобарическое воздействие на вещество непосредственно не контактирует с конструкционным материалом.

Таким образом в фокусе полусферического резонатора формируются сверхвысокие давление и температура для заявляемых целей.

При этом классические способы нагрева не способны обеспечить нужные температуры и давления для протекания термобарических процессов разложения химических соединений.  Это связано с особенностью классического дефлаграционного горения, а именно в том, что при распространении дефраграционного горения фронт волны не встречает на своём пути препятствий и распространяется от зон с высоким давлением в зоны низкого давления. Распространение горения в этом случае происходит с относительно низкой скоростью, которая зависит от температуры процесса горения, и всегда ниже 2000 °С.

В отличии от классического горения —  детонация в атмосферу от одного источника детонационного горения представляет собой взрыв, в котором взрывная волна распространяется со скоростью 2000-3000 м/с, а температура горения достигает 3000-3500 °С. При этом нужно учесть тот факт, что детонация не в атмосферу (расширение), а сжатие центростремительно в фокусе полусферического резонатора обеспечивает формирование на много больших температур.

Детонация представляет собой фронт расширяющихся изломов ударных волн, которые постоянно растут и сталкиваются друг с другом. В местах сталкивания изломов ударных волн возникают зоны очень высокого давления, в которых горение происходит с более высокими температурами, если бы оно происходило на границе между областью высокого и низкого давлений (как при классическом горении).

Анализ литературы открытого доступа показал, что методы термобарического разложения химических веществ на основе использования детонационного горения ни кем ещё не рассматривался.

Практические работы в области детонационного горения для интенсификации или создания новых технологических процессов в настоящее время практически не используются в промышленном производстве.

После публикаций в открытом доступе работ, связанных с гиперзвуковыми ракетами и в частности с их двигательными установками на основе управляемого детонационного сгорания топливовоздушной смеси появилась возможность использовать такие технологии в промышленности.

Исходя из выше изложенного предлагается следующее практическое решение заявляемой идеи термобарического разложения химических соединений на отдельном примере так называемой зелёной металлургии, а именно: непосредственного термобарического разложения оксида железа (железной руды) в чистое железо минуя классическое доменное производство.

Известен факте, что если оксид железа Fe (III) нагреть до температуры +675°C (точка Нееля), то произойдёт фазовый переход: антиферромагнитные свойства оксида сменятся парамагнитными. При дальнейшем нагревании до +1565°C оксид сначала расплавится, превратившись в оксид железа Fe (I), а затем при увеличении температуры начнёт разлагаться на простые вещества по схеме: 2Fe203 => 4Fe +3O2.  Что нам как раз и нужно.

При этом скорость разложения будет зависеть от количества смеси (скорости её нагрева), температуры и давления. Т.е. для осуществления технологии так называемой зелёной металлургии нужно выполнить следующие условия:

1. Температура более 2000 градусов.
2. Сверхвысокое давление.
3. Высокодисперсная структура реакционной смеси.

На этом примере следует ввести коэффициент, который бы показывал эффективность заявленного способа разложения оксида железа (железной руды) в чистое железо минуя классическое доменное производство. 

Таким коэффициентом в данном примере может выступать “степень металлизации”, которая показывает объём кислорода, выделенного из оксида железа в ходе реакции термобарического разложения.

Этот показатель отражает эффективность термобарического разложения в зависимости от различных режимов работы детонационного горения и количества химических соединений и его фракционного (гранулометрического) состава.

При заданном объёме расхода мелко дисперсионной железной руды “степень металлизации” всегда будет зависеть от её гранулометрического состава, частоты следования детонационных волн, а также от количества  и степени подготовки топливовоздушной смеси.

В заявленном отчёте по опытно-конструкторским работам (ОКР)коэффициент — “степень металлизации” составляла меньше процента. Это связано с тем, что ОКР проводились исключительно для подтверждения самой возможности термобарического разложения оксида железа на железо и кислород с относительно низкой частотой следования детонационных волн и т.п.

Функциональная схема заявляемого способа представлена на рис. № 8.2.1.

Рис. № 8.2.1.Схема реализации термобарического способа разложения отходов в волне детонационного горения с дополнительным сжатием

Принцип работы основан на том, что отдельно сформированная детонационная волна детонационного горения топливовоздушной смеси (источник на схеме не представлен) вводится радиально центростремительно в так называемый полусферический резонатор.

Одновременно в резонатор также радиально и принудительно подаётся в импульсном режиме синхронно с частотой детонации мелко дисперсионное химическое соединение для термобарического разложения.  

В конструктивном плане диаметральные каналы ввода химического соединения представлены на рис. № 8.2.2.

Рис. № 8.2.2. Диаметральные каналы ввода химического соединения и волны детонационного горения.

Таким образом сформированная детонационная волна детонационного горения топливовоздушной смеси перед входом в так называемый полусферический резонатор имеет сверхвысокую скорость распространения и температуру. В импульсном режиме согласно отчёта температура может достигать 2500-3000 градусов. Это значение относится к классической детонационной волне. При этом, как было заявлено выше — она ещё дополнительно центростремительно сжимается в фокусе полусферического резонатора.

Исходя из выше изложенного можно предположить, что температура и давление в таком фокусе будет ориентировочно в 2 и более раза выше, примерно– 4000-5000°С. Этого вполне достаточно для целей заявляемого.

Практические работы по заявляемому.

На примере проверки возможности термобарического разложения оксида железа (так называемая зелёная металлургия) заявленным способом провёл эксперимент с добавлением во фронт детонационного горения мелко дисперсионного порошка оксида железа. Был приобретён порошок железного сурика, который не обладает магнитными свойствами.

Взял мелкоячеистую сетку. Согнул в кольцо и окунул край в порошок оксида железа, см. рис. № 8.2.3.

Рис. № 8.2.3. Сетка ввода оксида железа в волну детонационного горения.

Сетка ввода оксида железа  в волну детонационного горения детонационной горелки размещена внутри полусферичсекого резонатора, см. рис. № 8.2.4.

Рис. № 8.2.4. Установка сетки ввода оксида железа в волну детонационного горения детонационной горелки.

Для сбора продуктов детонационного горения использовал трубу из нержавейки с зеркальными внутренними стенками.

Инициировал детонацию. И так многочисленное число раз, см. рис. № 8.2.5.

Рис. № 8.2.5. Распространение волны детонационного горения в патрубок сбора продуктов горения.

Затем пыль с внутренних стенок трубы была собрана и проверены её магнитные свойства.  Собранная пыль продуктов детонационного горения проявляет магнитные свойства.

Это подтверждает, что происходит термобарическое разложение не магнитного оксида железа до чистого железа.

На основании таких работ и предлагается заявленный выше термобарический способ разложения любых химических соединений на простые составляющие непосредственно во фронте детонационного горения топливовоздушной смеси (ТВС).

ВЫВОД:

Заявленный термобарический способ с достижимыми температурами в зоне реакции в 3000 — 4000°С и сверхвысоким давлением способен наиболее эффективно проводить химические реакции температурного разложения химических соединения на простые составляющие. Степень эффективности в этом случае зависит всегда от гранулометрического (фракционного) состава, частоты следования и объёма детонационных волн. При этом нужно учитывать, что в качестве химических соединений может выступать абсолютно любые мелко дисперсионные, вязкие или жидкие химические, органические минеральные смеси в том числе и ядовитые для утилизации или получения новых продуктов.

Термобарический способ разложения химических соединений заключается в воздействии на химические соединения мелко дисперсионной структуры сверх высокой температурой и давлением продуктами детонационного горения топливовоздушной смеси (ТВС).

При этом нужно учитывать, что в качестве химических соединений может выступать абсолютно любые мелко дисперсионные, вязкие или жидкие химические, органические минеральные смеси в том числе и ядовитые для утилизации или получения новых продуктов.

Термобарический способ разложения любых химических соединений на простые составляющие осуществляется детонацией смеси в фокусе полусферического резонатора, состоящей из топливо-окислитель и мелко дисперсионных химических соединений. Химические соединения мелко дисперсионной структуры вводятся непосредственно в подготовленную для детонационного горения топливовоздушную смесь.

Главным достоинством такого конструктивного решения является тот факт, что фокус полусферического резонатора, т.е. центр формирования сверхвысоких температур и давлений, в котором происходит основное термобарическое воздействие на химические вещества непосредственно не контактирует с конструкционным материалом.

Таким образом в фокусе полусферического резонатора формируются сверхвысокие давление и температура для заявляемых целей.

При этом классические способы нагрева не способны обеспечить нужные температуры и давления для протекания термобарических процессов разложения химических соединений.  Это связано с особенностью классического дефлаграционного горения, а именно в том, что при распространении дефраграционного горения фронт волны не встречает на своём пути препятствий и распространяется от зон с высоким давлением в зоны низкого давления. Распространение горения в этом случае происходит с относительно низкой скоростью, которая зависит от температуры процесса горения, и всегда ниже 2000 °С.

В отличии от классического горения —  детонация в атмосферу от одного источника детонационного горения представляет собой взрыв, в котором взрывная волна распространяется со скоростью 2000-3000 м/с, а температура горения достигает 3000-3500 °С. При этом нужно учесть тот факт, что детонация не в атмосферу (расширение), а сжатие центростремительно в фокусе полусферического резонатора обеспечивает формирование на много больших температур.

Детонация представляет собой фронт расширяющихся изломов ударных волн, которые постоянно растут и сталкиваются друг с другом. В местах сталкивания изломов ударных волн возникают зоны очень высокого давления, в которых горение происходит с более высокими температурами, если бы оно происходило на границе между областью высокого и низкого давлений (как при классическом горении).

Анализ литературы открытого доступа показал, что методы термобарического разложения химических веществ на основе использования детонационного горения ни кем ещё не рассматривался.

Практические работы в области детонационного горения для интенсификации или создания новых технологических процессов в настоящее время практически не используются в промышленном производстве.

После публикаций в открытом доступе работ, связанных с гиперзвуковыми ракетами и в частности с их двигательными установками на основе управляемого детонационного сгорания топливовоздушной смеси появилась возможность использовать такие технологии в промышленности.

Исходя из выше изложенного предлагается следующее практическое решение заявляемой идеи термобарического разложения химических соединений на отдельном примере так называемой зелёной металлургии, а именно: непосредственного термобарического разложения оксида железа (железной руды) в чистое железо минуя классическое доменное производство.

Известен факте, что если оксид железа Fe(III) нагреть до температуры +675°C (точка Нееля), то произойдёт фазовый переход: антиферромагнитные свойства оксида сменятся парамагнитными. При дальнейшем нагревании до +1565°C оксид сначала расплавится, превратившись в оксид железа Fe(I), а затем при увеличении температуры начнёт разлагаться на простые вещества по схеме: 2Fe203 => 4Fe +3O2.  Что нам как раз и нужно.

При этом скорость разложения будет зависеть от количества смеси (скорости и технологии её сверх нагрева), температуры и давления. Т.е. для осуществления технологии так называемой зелёной металлургии нужно выполнить следующие условия:

1. Температура более 2000 градусов.
2. Сверхвысокое давление.
3. Высокодисперсная структура реакционной смеси.

На этом примере следует ввести коэффициент, который бы показывал эффективность заявленного способа разложения оксида железа (железной руды) в чистое железо минуя классическое доменное производство.

Таким коэффициентом в данном примере может выступать “степень металлизации”, которая показывает объём кислорода, выделенного из оксида железа в ходе реакции термобарического разложения.

Этот показатель отражает эффективность термобарического разложения в зависимости от различных режимов работы детонационного горения и количества химических соединений и его фракционного (гранулометрического) состава.

При заданном объёме расхода мелко дисперсионной железной руды “степень металлизации” всегда будет зависеть от её гранулометрического состава, частоты следования детонационных волн, а также от количества и степени подготовки топливовоздушной смеси.

Функциональная схема заявляемого способа термобарического способа разложения химических соединений детонационно-резонансным горением совместно с топливовоздушной смесью в фокусе полусферического резонатора представлена на рис. № 8.3.1.

Рис. № 8.3.1.  Схема реализации способа термобарического способ разложения отходов в волне детонационного горения.

Принцип работы основан на том, что химические соединения вводятся в готовую для детонации топливовоздушную смесь (ТВС), смешиваясь с ней. Затем происходит инициация детонации и центростремительное сжатие детонационной волны в фокусе полусферического резонатора с резким увеличением температуры и давления. В фокусе полусферического резонатора протекают термобарические процессы разложения химических соединений на простые составляющие.

ЭКСПЕРИМЕНТ

На примере проверки возможности термобарического разложения оксида железа (так называемая зелёная металлургия) заявленным способом провёл эксперимент с добавлением в  готовую для детонации топливовоздушную смесь (ТВС)   мелко дисперсионного порошка оксида железа. Был приобретён порошок железного сурика, который не обладает магнитными свойствами.

Взял мелкоячеистую сетку. Согнул в кольцо и окунул край в порошок оксида железа, см. рис. № 8.3.2.

Рис. № 8.3.2. Сетка ввода оксида железа в волну детонационного горения.

Для сбора продуктов детонационного горения использовал трубу из нержавейки с зеркальными внутренними стенками.

Инициировал детонацию. И так многочисленное число раз, см. рис. № 8.3.3.

Рис. № 8.3.3. Распространение волны детонационного горения в патрубок сбора продуктов горения.

Затем пыль с внутренних стенок трубы была собрана и проверены её магнитные свойства.  Собранная пыль продуктов детонационного горения проявляет магнитные свойства.

Это подтверждает, что происходит термобарическое разложение не магнитного оксида железа до чистого железа.

На основании таких работ и предлагается заявленный выше термобарический способ разложения любых химических соединений на простые составляющие непосредственно во фронте детонационного горения топливовоздушной смеси (ТВС).

ВЫВОД:

Заявленный термобарический способ с сверхвысокими температурами и давлением способен наиболее эффективно проводить химические реакции температурного разложения химических соединения на простые составляющие. Степень эффективности в этом случае зависит всегда от гранулометрического (фракционного) состава, частоты следования и объёма детонационных волн.

При этом нужно учитывать, что в качестве химических соединений может выступать абсолютно любые мелко дисперсионные, вязкие или жидкие химические, органические минеральные смеси в том числе и ядовитые для утилизации или получения новых продуктов.

Всем известно, что высокотемпературная газовая коррозия и т.п., имеющие место при нагреве стальных заготовок в печи, перед горячей прокаткой ухудшают показатели качества дальнейшего передела и одновременно увеличивают потери металла.

Особенности, причины, классические способы борьбы и т.п. высокотемпературной газовой коррозии здесь рассматриваться не будут. Они довольно широко представлены в открытом доступе.

При этом разработка эффективных и недорогих способов снижения потерь металла является актуальной задачей.

       Предлагается состав защитного простого защитного покрытия стальной заготовки, состоящий из экзотермической СВС (Скоростной Высокотемпературный Синтез) смеси термитного типа. Такое покрытие при нагреве стальной заготовки в нагревательной печи выше 850 градусов воспламеняется в режиме теплового взрыва.  При более низких температурах горение экзотермической СВС смеси термитного типа не происходит.

В качестве защитного покрытия предлагается использовать масляную краску МА-15 “железный сурик” с добавкой алюминиевой пудры.

Согласно ГОСТ масляная краска МА-15 содержит 50-60 % железного сурика. Остальное — связующие и добавки.  В пересчёте на чистый оксид железа, содержание его в краске составляет 45-50 %.

Для протекания термитного горения, согласно температурному балансу достаточно в масляную краску добавить 20% алюминиевой пудры.

Проведённые ОКР по теме подтверждают такую возможность, см. рис. № 9.1.

На рис. № 9.1. видно, что на поверхности стального прутка с обмазкой по выше предлагаемому в пламени газовой горелки при цвете свечения, соответствующем 800-850 градусов начинает протекать СВС (скоростной высокотемпературный синтез) формирования защитного покрытия

Рис. № 9.1.  Самораспространяющийся высокотемпературный синтез  (СВС) защитного покрытия поверхности стальной заготовки от высокотемпературной газовой коррозии.

ВЫВОД:

Практические работы, проведённый по теме   подтверждают тот факт, что защитное покрытие на основе   масляной краски МА-15 “железный сурик” с добавкой 20 % алюминиевой пудры в качестве экзотермической СВС (скоростной высокотемпературный синтез) смеси термитного типа позволяет создать защитное покрытие из оксида алюминия. Защитное действие покрытия обусловливается образованием на поверхности заготовки плотной окисной пленки с хорошим сцеплением с поверхностью самой стальной заготовки.

ПО СУЩЕСТВУ ПРЕДЛАГАЕМОГО:

Перед нагревом в печи вся поверхность стальной заготовки должна быть покрыта тонким слоем толщиной не менее 1 мм и высушена.

В нагревательной печи на первом этапе нагрева заготовки с покрытием до 850 градусов происходит полное выгорание плёнкообразующих веществ и добавок. Остаётся спеченная термитная смесь, которая при нагреве сляба выше 850 градусов инициируется термитным горением.

При достижении такой температуры поверхности заготовки начинает происходить относительно низкотемпературное очаговое восстановления оксида алюминия и железа, при котором отсутствует процесс распространения горения в режиме волнового синтеза. На поверхности раскаленной экзотермической СВС смеси термитного типа начинают наблюдаться кратковременные локальные очаговые области горения, где интенсивность свечения значительно выше общего фона разогретой поверхности шихты. По мере прогрева стальной заготовки происходит преимущественное послойное распространение очагов термитного горения со скорость примерно 0,5 – 1 см/с.

После прохождения фронта термитного горения с температурой более 2000 градусов на поверхности металлической заготовки образуется защитное покрытие из оксида алюминия.

При дальнейшем нагреве и последующей выдержки заготовки в печи синтезированная таким способом защитное покрытие является буфером для защиты от окисления и обезуглероживания стальных заготовок при высокотемпературном нагреве.

ФИНАНСОВЫЕ ЗАТРАТЫ НА ОКР.

Ориентировочно можно оценить, что одной банки краски МА-15 стоимостью 150 руб. и 200 грамм алюминиевой пудры стоимостью 300 руб. достаточно для нанесения смеси толщиной 1 мм. на всю поверхности одного стального сляба размером 100х100х12000 мм.

Себестоимость такой смеси для синтеза огнестойкого защитного покрытия на всей поверхности одного сляба размером 100х100х12000 мм. составит 450 рублей.

К сожалению, провести эксперимент по качеству   полученного заявленным способом покрытия в условиях моей мастерской не возможно. При этом возможно нужно пересмотреть после дополнительных экспериментов толщину нанесения смеси для синтеза защитного покрытия.

ПРЕДЛОЖЕНИЕ.

Для подтверждения заявляемого предлагается на действующем металлургическом производстве провести ОКР с финансовыми затратами уровня нескольких бутылок хорошего импортного пива…

и на месте оценить степень влияния высокотемпературной газовой коррозии на качество заготовки с защитным покрытием, сформированным таким образом.

Опубликован 22.05.2021 года.

Ссылка: Само распространяющийся высокотемпературный синтез любого огнеупорного изделия

Предлагаются технологии изготовления  огнеупорных изделий любой сложной формы методом скоростного высокотемпературного синтеза (СВС). При этом рецептура смесей и технологии изготовления самих изделий для СВС кардинально отличаются друг от друга в зависимости от использования основных составляющих оксидов,  и тем самым — от используемых  температур при работе.

Рассмотрим по аналогии с шамотным и динасовым кирпичом  две технологии изготовления огнеупорных изделий.

1. Синтез огнеупорного изделия с огнеупорностью  1100-1300 градусов.

Здесь в качестве основного компонента смеси всегда выступает оксид алюминия. Экспериментально доказано, что в смеси с алюминиевой пудрой он прекрасно прессуется в любой форме до готового изделия для СВС. Использовать связующее в этом случае нет необходимости.

2. Синтез огнеупорного изделия  с огнеупорностью 1700-1800 градусов.

Здесь в качестве основного компонента смеси всегда выступает оксид кремния и т.п. Экспериментально доказано, что в смеси с алюминиевой пудрой он не прессуется до готового изделия. Здесь необходимо использовать обязательно связующее по типу силикатов и т.п.

Исходя из Выше изложенного предлагается кардинально изменить технологию восстановления отопительных простенков коксовых печей и рассмотреть возможность применения технологии так называемого твёрдого пламени или само распространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) — научное открытие советских ученых  1967 год.

Такая технология позволит создать отопительный простенок   по аналогии с огнеупорным литьём, но с учётом того, что при СВС отопительный простенок  практически сразу набирает требуемую прочность, огнестойкость и немедленно готов к использованию. А это уже в контексте временных характеристик простоя печей, как я понимаю, для Вас самое главное.

Здесь нет смысла акцентировать внимание на физических основах данного явления. Всё достаточно просто и к тому же одновременно – достаточно сложно.  Только экспериментальные работы позволят подобрать состав компонентов, их предварительную обработку и т.п. Это обусловлено тем, что в теории не все параметры СВС однозначны, а некоторые имеют вероятностные характеристики.

Скажу только, что для целей заявляемого основными компонентами СВС всегда являются:

1.     Порошок металлического алюминия (для алюмотермии).

2.     Оксиды для так называемого бескислородного горения и восстановления в порошке алюминия.

       Для примера – рецептурный состав для СВС, с которым мной проведены эксперименты.

1. Диоксида кремния 75 %,

2. Порошок алюминия 25 %

3. Раствор жидкого стекла 35 %-ный в количестве 16‒18 % от массы.

При зажигании дуги внизу сформованной заготовки начинает протекать СВС, который всегда идёт со скоростью примерно 1 мм/секунда в направлении снизу – вверх. При этом температура в зоне горения достигает более 2500 градусов. Идёт экзотермическая реакция синтеза высокопрочного, огнестойкого огнеупора в режиме послойного горения, направленного снизу-вверх, рис. № 4.1.

Рис. № 4.1 Само распространяющийся высокотемпературный синтез  (СВС)  огнеупорного изделия.

Остановимся сейчас на самих технологиях применения заявляемого. Их может быть, на мой взгляд, две.

1. Монтируется опалубка с внутренними вертикалами всего отопительного простенка. Вводится смесь компонентов для СВС. Инициируется  СВС снизу-вверх. Но здесь нужно решить главную проблему – теплоизоляция поперечных стяжек КБ.
2. Заблаговременно до начала ремонтных работ  методом СВС  в формах  формируются  отдельные модули простенка по типу  элементов конструктора ЛЕГО для без растворной сборки.   Дополнительное прессование компонентов  в формах  позволит  получить модули, которые не требуют дополнительной механической обработки. Размер модулей  здесь будет зависеть от  существующих возможностей  сборки, т.е. от 30 кг для ручной сборки и выше – при использовании какого-либо механического манипулятора. Просматривая мировую практику по этому вопросу, например, одна иностранная  компания рассчитала, что для восстановления всего простенка оптимальным является  21 модуль. Только в её работах речь велась о модулях, изготовленных из огнеупорного бетона, а я веду здесь речь о кардинально другой технологии, которая позволяет использовать печь по назначению сразу, после формирования простенка.

При заранее отработанной на стапеле заявленной выше технологии  восстановление  отопительного простенка  “с нуля” можно провести в течении одного дня, а с учётом того фактора, что после  СВС простенок  практически сразу набирает требуемую прочность, огнестойкость  — печь будет готова к работе немедленно.

В качестве основных финансовых затрат в этом случае является порошок алюминия. Остальными затратами для предварительного расчёта можно пренебречь. Возьмём для примера отопительный  простенок  размером 6,00х15,00 м. Для СВС количество порошка алюминия будет ориентировочно  необходимо в количестве 13.5 тонн. Это примерно 1 350 000,00 руб.

Проведённые эксперименты подтверждают возможность утилизации фосфогипса с помощью СВС синтеза любых огнеупорных изделий.

В области  качественных характеристик получаемых огнеупорных изделий – здесь большое поле для эксперимента.

Экспериментами подтверждено, что:

1. изменения даже в 1 % любого компонента из смеси для СВС,
2. усилие прессования изделия,

существенно влияют на качественные характеристики  синтезируемого огнеупорных изделий.

К сожалению в настоящее время полноценный математический расчёт качества готовой продукции  не возможно, слишком много неопределённостей и вероятностных характеристик.

Таким образом проведение ОКР  – единственный способ повышения качества готовой огнеупорной продукции.

PS:

Способом СВС (скоростного высокотемпературного синтеза) была отремонтирована футеровка фехралевой электрической печи, в которой со временем раскрошились так называемые «полочки» под нагревательную спираль, рис. № 4.2.

Рис. № 4.2. Само распространяющийся высокотемпературный синтез  (СВС)  внутри печных полочек размещения спирального нагревательного элемента.

Состав смеси для СВС:

1. Диоксида кремния 75 %,

2. Порошок алюминия 25 %

3. Раствор жидкого стекла 35 %-ный в количестве 16‒18 % от массы.

В печи болгаркой была убрана полностью спирального вида внутренняя опора для нагревательного элемента.

Была «вылеплена» внутри печи заново так называемая вставка со спиральным углублением по всему внутреннему периметру.

После полного высыхания вставки произведён нагрев и непосредственно инициация СВС снизу вверх .

Предлагаются технологии изготовления  огнеупорных изделий любой сложной формы методом скоростного высокотемпературного синтеза (СВС). При этом рецептура смесей и технологии изготовления самих изделий для СВС кардинально отличаются друг от друга в зависимости от использования основных составляющих оксидов,  и тем самым — от используемых  температур при работе.

Рассмотрим по аналогии с шамотным и динасовым кирпичом  две технологии изготовления огнеупорных изделий.

1. Синтез огнеупорного изделия с огнеупорностью  1100-1300 градусов.

Здесь в качестве основного компонента смеси всегда выступает оксид алюминия. Экспериментально доказано, что в смеси с алюминиевой пудрой он прекрасно прессуется в любой форме до готового изделия для СВС. Использовать связующее в этом случае нет необходимости.

• Синтез огнеупорного изделия  с огнеупорностью 1700-1800 градусов.

Здесь в качестве основного компонента смеси всегда выступает оксид кремния и т.п. Экспериментально доказано, что в смеси с алюминиевой пудрой он не прессуется до готового изделия. Здесь необходимо использовать обязательно связующее по типу силикатов и т.п.

Исходя из Выше изложенного предлагается кардинально изменить технологию восстановления отопительных простенков коксовых печей и рассмотреть возможность применения технологии так называемого твёрдого пламени или само распространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) — научное открытие советских ученых  1967 год.

Такая технология позволит создать отопительный простенок   по аналогии с огнеупорным литьём, но с учётом того, что при СВС отопительный простенок  практически сразу набирает требуемую прочность, огнестойкость и немедленно готов к использованию. А это уже в контексте временных характеристик простоя печей, как я понимаю, для Вас самое главное.

Здесь нет смысла акцентировать внимание на физических основах данного явления. Всё достаточно просто и к тому же одновременно – достаточно сложно.  Только экспериментальные работы позволят подобрать состав компонентов, их предварительную обработку и т.п. Это обусловлено тем, что в теории не все параметры СВС однозначны, а некоторые имеют вероятностные характеристики.

Скажу только, что для целей заявляемого основными компонентами СВС всегда являются:

1.     Порошок металлического алюминия (для алюмотермии).

2.     Оксиды для так называемого бескислородного горения и восстановления в порошке алюминия.

       Для примера – рецептурный состав для СВС, с которым я лично экспериментировал.

1. Диоксида кремния 75 %,

2. Порошок алюминия 25 %

3. Раствор жидкого стекла 35 %-ный в количестве 16‒18 % от массы.

При зажигании дуги внизу сформованной заготовки начинает протекать СВС, который всегда идёт со скоростью примерно 1 мм/секунда в направлении снизу – вверх. При этом температура в зоне горения достигает более 2500 градусов. Идёт экзотермическая реакция синтеза высокопрочного, огнестойкого огнеупора в режиме послойного горения, направленного снизу-вверх, рис. № 10.1.

Рис. № 10.1.  Самораспространяющийся высокотемпературный синтез  (СВС)  огнеупорного изделия.

Остановимся сейчас на самих технологиях применения заявляемого. Их может быть, на мой взгляд, две.

1. Монтируется опалубка с внутренними вертикалами всего отопительного простенка. Вводится смесь компонентов для СВС. Инициируется  СВС снизу-вверх. Но здесь нужно решить главную проблему – теплоизоляция поперечных стяжек КБ.
2. Заблаговременно до начала ремонтных работ  методом СВС  в формах  формируются  отдельные модули простенка по типу  элементов конструктора ЛЕГО для без растворной сборки.   Дополнительное прессование компонентов  в формах  позволит  получить модули, которые не требуют дополнительной механической обработки. Размер модулей  здесь будет зависеть от  существующих возможностей  сборки, т.е. от 30 кг для ручной сборки и выше – при использовании какого-либо механического манипулятора. Просматривая мировую практику по этому вопросу, например, одна иностранная  компания рассчитала, что для восстановления всего простенка оптимальным является  21 модуль. Только в её работах речь велась о модулях, изготовленных из огнеупорного бетона, а я веду здесь речь о кардинально другой технологии, которая позволяет использовать печь по назначению сразу, после формирования простенка.

При заранее отработанной на стапеле заявленной выше технологии  восстановление  отопительного простенка  “с нуля” можно провести в течении одного дня, а с учётом того фактора, что после  СВС простенок  практически сразу набирает требуемую прочность, огнестойкость  — печь будет готова к работе немедленно.

В качестве основных финансовых затрат в этом случае является порошок алюминия. Остальными затратами для предварительного расчёта можно пренебречь. Возьмём для примера отопительный  простенок  размером 6,00х15,00 м. Для СВС количество порошка алюминия будет ориентировочно  необходимо в количестве 13.5 тонн. Это примерно 1 350 000,00 руб.

Однозначно для отработки технологии затраты возрастут в десятки раз.

Проведённые эксперименты подтверждают возможность с помощью СВС синтеза любых огнеупорных изделий.

В области  качественных характеристик получаемых огнеупорных изделий – здесь большое поле для эксперимента.

Экспериментами подтверждено, что:

1. изменения даже в 1 % любого компонента из смеси для СВС,
2. усилие прессования изделия,

существенно влияют на качественные характеристики  синтезируемого огнеупорных изделий.

К сожалению в настоящее время полноценный математический расчёт качества готовой продукции  не возможно, слишком много неопределённостей и вероятностных характеристик.

Таким образом проведение ОКР  – единственный способ повышения качества готовой огнеупорной продукции.

PS:

Способом СВС (скоростного высокотемпературного синтеза) была отремонтирована футеровка фехралевой электрической печи, в которой со временем раскрошились так называемые «полочки» под нагревательную спираль, рис. № 10.2.

Рис. № 10.2. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез  (СВС) полочек под нагревательную спираль внутри печи.

Состав смеси для СВС:

1. Диоксида кремния 75 %,

2. Порошок алюминия 25 %

3. Раствор жидкого стекла 35 %-ный в количестве 16‒18 % от массы.

В печи болгаркой была убрана полностью спирального вида внутренняя опора для нагревательного элемента.

Была «вылеплена» внутри печи заново так называемая вставка со спиральным углублением по всему внутреннему периметру.

После полного высыхания вставки произведён нагрев и непосредственно инициация СВС снизу вверх .

Вспомним, что в детстве все мы для само очистки втулок колёс велосипеда делали чистящую петлю из тонкого провода или старой велосипедной камеры. Такое кольцо автоматически до блеска полировало втулки при движении. Чем быстрее движение, тем чище втулки.

Такой же подход предлагается и для целей самоочистки  форсунок горелок коксового и доменного газа  от отложений.

Вместо кольца предлагается использовать свободно развивающуюся стальную тонкую (-ие) проволоку (-ки) в турбулентном потоке  коксового газа из газовой форсунки.

В зависимости от конструктивного исполнения газовых горелок, например:

1. C классическим распылением горючего газа — предлагается   использовать тонкую стальную проволоку диаметром в разы меньшим по сравнению с проходным диаметром форсунки в самом узком месте. Проволока жёстко закреплена с одной стороны, например к подводящему газовому колену. С другой стороны проволока свободно развивается в турбулентном потоке коксового газа с выходом из сопла форсунки. Таким образом по аналогии с приведённым выше примером из детства  происходит само очистка непосредственно проходного сечения форсунки газового сопла.  Если использовать дополнительно пучок таких проволок, которые по длине находятся только внутри подводящего патрубка газа, то  возможна  само очистка не только сопловой части форсунки, но и подводящего патрубка.  

2. C вихревым распылением горючего газа —  предлагается   использовать стальную тонкую полоску ленточного завихрителя с шагом крутки, равным  крутке проходного сечения вихревой форсунки. Полоска жёстко закреплена с одной стороны к подводящему газовому колену. С другой стороны полоска свободно развивается в вихревом потоке коксового газа. Таким образом по аналогии с приведённым выше примером из детства  происходит само очистка непосредственно проходного сечения газового сопла.  Если использовать дополнительно пучок стальных проволок, которые по длине находятся только внутри подводящего патрубка, то  возможна  само очистка не только сопловой части форсунки, но и подводящего патрубка.

ВЫВОД

Практическая реализация способа самочистки представлена на рис. № 12.1.

Рис. № 12.1. Механический проволочный способ само очистки  форсунок промышленных газовых горелок коксового и доменного газа от отложений

При этом стоит отметить, что:

1. Сопло форсунки не испытывает  достаточно сильного нагрева от дефлаграционного сгорания коксового газа, т.к. сгорание происходит не на срезе сопла, а на небольшом расстоянии от него. Тем самым поток коксового газа непосредственно из сопла можно сказать предотвращает  чрезмерный нагрев  стальной проволоки. И как  следствие – температурное разрушение.  
2. Проволока не оказывает существенного значения на расход газа.
3. С точки зрения безопасности максимально, что может произойти, это то, что проволока оторвётся и вылетит под напором газового потока в огневую часть, где с успехом и сгорит.
4. Можно предусмотреть возможность например ручной периодической принудительной подачи проволоки в зону проходного сечения форсунки в случае истирания в ходе работы.

PS:

По аналогии можно предположить аналогичный способ само очистки внутренних поверхностей трубопроводов коксового газа путём развивания внутри плохо обтекаемых тел на длинных нитях в турбулентном потоке газа.  При ударах о стенки такие  плохо обтекаемые тела формируют   акустические волны, предотвращающие налипания, но об этом позже.

 

Предлагается способ дезактивации внутренних поверхностей технологических трубопроводов на предмет образования центров кристаллизации путем формирования мощного низкочастотного акустического поля с частотой 100-200 герц в объёме транспортируемого энергоносителя (газа).

Акустическое поле в объёме движущегося энергоносителя  на границе раздела «трубопровод-энергоноситель» за счет создаваемых объёмных вибраций способствует предотвращению образования центров кристаллизации на границе раздела «трубопровод-энергоноситель» и выносу их непосредственно в объем самого энергоносителя.

Недостатки этого метода — сложность конструкции, а также то, что он не предотвращает образования отложений, а лишь переносит их энергоносителем.

Способов формирования низкочастотного акустическое поля в объёме энергоносителя  множество. Все классические электрические и механические способы рассматривать нет смысла.

Предлагается рассмотреть один необычный способ формирования мощного низкочастотного акустического поля в объёме транспортируемого энергоносителя (газа), основанный на эффекте Рийке — тепловой автогенерации звук.  Непосредственно с термической генерацией звука сталкивались практически мы все. Например, работа реактивного двигателя, сопровождается возбуждением весьма интенсивного звука или так называемое “поющее” пламя печи или дымохода.

         На основании моих проведённых многочисленных экспериментов с возбуждением звуковых волн в различных трубах на основе эффекта Рийке (Тепловой автогенератор звука Рийке (теория и практика) можно сказать что тепловая автогенерация требует уточнения для заявляемого способа возбуждения  низкочастотной звуковой волны в трубопроводе.

Конструктивно генератор звуковой волны будет представлять отрезок трубы  с P1, S1, V1   и с двумя идентичными расширительными каналами с P2, S2, V2.

Рассмотрим отрезок трубопровода, который будет являться автогенератором звуковых волн в объёме движущегося энергоносителя.

 

Рис. № 13.1. Схема термоаккустического генератора.

Где:

— P1, S1, V1 – давление, сечение и скорость газа в генераторном канале.

— P2, S2, V2 – давление, сечение и скорость газа в расширительной зоне, в которой соблюдаются условия акустической генерации – P2 > P1,  S2 > S1, V2 < V1.

— λ/4 – зона нагрева (возбуждения колебаний).

При возникновении в трубе длинной λ стоячей звуковой волны на концах трубы всегда образуются узлы давлении P2 > P1 (точнее, изменений давлений) и пучности смещений (а значит, и скоростей) частиц колеблющегося газа V2 < V1. Частота основного собственного колебания определяется соотношением:

F = C/2*L   (Гц.)   

Где:

C – скорость звука в воздухе.

L – длинна трубы.

Для работы теплового  автогенератора  необходимо, чтобы максимум теплоподвода в систему происходил в момент наибольшего сжатия газа в ней. Это так называемый критерий Рэлея, который равен λ/4.

Тепло  в зону λ/4 можно подводить различными способами, например путём теплообмена с кольцевым теплообменником, через который пропускается горячая вода или другими способами нагрева.  В любом случае на основании проведённых многочисленных экспериментов с возбуждением звуковых волн в трубах — существует строго пропорциональная зависимость значения расхода газа в генераторе от тепловой энергии, которую необходимо подводить  в зону λ/4.

ВЫВОД:

Сформированное низкочастотное акустическое поле частотой 100-200 герц в объёме движущегося энергоносителя  на границе раздела «трубопровод-энергоноситель» за счет создаваемых объёмных вибраций способствует предотвращению образования центров кристаллизации на границе раздела «трубопровод-энергоноситель» и выносу их непосредственно в объем самого энергоносителя не только в пределах λ, но и далеко за пределами от самого источника. 

В первую очередь это с вязано с низкими, частотами, для которых трубопроводное технологическое оборудование не является преградой, а наоборот выступает в качестве направляющего туннеля для распространения.

Акустическое поле в объёме движущегося энергоносителя  на границе раздела «трубопровод-энергоноситель» за счет создаваемых объёмных вибраций способствует предотвращению образования центров кристаллизации на границе раздела «трубопровод-энергоноситель» и выносу их непосредственно в объем самого энергоносителя.

PS:

Рассмотрим достоинства и недостатки генераторных труб из различных материалов:

1.     Полимерные трубы. Из достоинств — не нагреваются по всей длине. Из недостатков – очень медленно нагревают зону генерации λ/4.  Очень низкий КПД. Генерация практически не возможна при большом расходе газа.

2.     Стальные трубы.  Из достоинств – быстро нагревают зону генерации λ/4. Большой КПД. Из недостатков — быстро нагреваются по всей длине и как следствие – уменьшается КПД.   Недостаток может быть достаточно просто устранён локализацией места нагрева расположением лядом с кольцевым патрубком нагрева по обеим сторонам по одному кольцевому патрубку охлаждения, по которым пропускать обыкновенную техническую воду.