Транспортирование сыпучих материалов в аэрожелобах

Аэрожелоба для транспортировки огарковой и коксовой пыли

Комплекс оборудования  и система управления  обеспечивают транспортировку различных сыпучих материалов от складских или технологических силосов до конечного оборудования. Транспортирование сухих сыпучих материалов с помощью аэрожелобов дает как минимум два положительных эффекта:

  • снижение удельной стоимости транспортирования сырья;
  • уменьшение или исключение измельчения транспортируемого материала.

Аэрожелоб имеет ряд преимуществ – нет движущихся частей, соответственно их износ гораздо меньше, небольшие габариты, меньшее энергопотребление на транспортирование. Но есть и технологические ограничения, связанные со свойством текучести транспортируемого сырья. При аэрировании различные сыпучие материалы по-разному реагируют на подачу воздуха и соответственно по-разному текут. Это зависит от крупности частиц материала, их структуры, влажности и других физических свойств.

Поэтому перед составлением Технического задания специалисты нашей компании обязательно берут образцы сыпучего вещества на экспертизу, где определяют свойства текучести материала, возможности транспортировки этого вещества именно аэрожелобом, потенциально возможные ограничения: ограниченное пространство в помещении, крутизна углов наклона аэрожелоба и т.д.

Технология «Управляемый поток» представляет собой комплекс технологического оборудования на основе аэрожелобов и средств автоматизированного управления. Технология запатентована и включает в себя совместные разработки Компании «ТоксСофт», специалистов Надвоицкого алюминиевого завода и Инженерно-технологического центра «РусАл».

Cама по себе идея аэрожелоба известна давно. Технологи и инженера нашей компании, имея большой практический опыт работы с аэрожелобами, доработали конструкцию, сделали ее более технологичной, гибкой в управлении и более экономичной. Аэрожелоба нашей конструкции могут работать в высокотемпературной агрессивной среде.

Преимущества

  1. Самое низкое энергопотребление из всех известных транспортных систем на основе аэрожелоба. В частности, для глинозема это значение не превышает 4 Вт/(т•м). Такое энергопотребление достигается как за счет конструктивных решений технологического оборудования, так и за счет гибкого управления распределением энергии по транспортным участкам.
  2. Самые малые углы наклона к горизонту. Для глинозема угол наклона к горизонту составляет в среднем 0,2° по всей длине аэрожелоба.
  3. Модульность и унификация конструкции, которые существенно облегчают монтаж, демонтаж и обслуживание конструкций аэрожелоба.
  4. Развитая система управления и самодиагностики позволяет снизить до минимума расходы на регламентное обслуживание аэрожелоба.

Особенности

  1. Применение нержавеющей стали в качестве пористой перегородки. Нержавеющая сталь как альтернатива ткани или керамике позволяет существенно улучшить эксплуатационные свойства аэрожелоба. За счет снижения трения транспортируемого материала о пористую перегородку удалось уменьшить угол наклона к горизонту от единиц до десятых долей градуса (для глинозема). Металлическая пористая перегородка более технологична при изготовлении и монтаже, так как обрабатывается при помощи того же оборудования, что и металлоконструкции аэрожелоба. Она оказывает меньшее сопротивление воздушному потоку, чем ее аналоги, поэтому позволяет в несколько раз снизить энергозатраты на формирование аэрирующей «смазки». Металлическая пористая перегородка достаточно прочна, соответственно срок ее службы гораздо больше тканевых или керамических перегородок, а спектр ее возможных применений более широк и допускает использование в агрессивных средах.
  2. Применение распределенного дутья. Распределенное дутье является альтернативой централизованному и заключается в том, что необходимый для аэрации воздушный поток создается локальными дутьевыми агрегатами малой мощности, закрепленными за небольшими отрезками транспортной магистрали. Мощность одного вентилятора не превышает 1 кВт. Длина транспортного участка, обслуживаемого одним вентилятором, подбирается в пределах от 3 до 15 метров в зависимости от прикладной задачи. Применение локального дутья позволяет минимизировать энергозатраты на транспортирование воздушного потока вдоль аэрожелоба, которые неизбежны при централизованном дутье, а также уменьшить общие энергозатраты, отключая аэрацию на тех транспортных участках, где перемещение материала не требуется.
  3. Модульность конструкции. Применение локального дутья позволило разработать полностью независимый транспортный модуль, оснащенный собственной системой аэрации и собственными средствами автоматики. За счет модульности и унификации снижаются затраты на монтаж и обслуживание, а за счет автономности транспортных модулей серьезно повышается живучесть системы.
  4. Управление и самодиагностика. Локальные средства автоматики транспортных модулей объединяются в единую систему управления транспортной схемой. Применение интеллектуальной автоматики позволяет гибко подавать электроэнергию только в те транспортные участки, по которым осуществляется движение материала, что важно для разветвленных транспортных схем, а также позволяет контролировать состояние и работоспособность транспортных модулей. В целом повышается информативность и живучесть транспортной системы и снижаются суммарные энергозатраты.

Введение в технологию

Сыпучие материалы широко применяются в металлургии. Это бокситы и гидраты на различных стадиях производства глинозема, глинозем в первичной металлургии алюминия, коксовая и угольная пыль, применяемые при изготовлении анодов, легирующие и шлакообразущие добавки и т.п. Здесь названы лишь несколько примеров из широкой палитры сыпучих материалов и мест их использования в металлургическом производстве. Потребляемые производством объемы зачастую составляют сотни тысяч тонн материала в год (бокситы, гидраты, глинозем в качестве примера). Средства доставки – или транспортирования – материала от мест хранения к местам переработки занимают значительную долю в общей массе технологического оборудования и сегодня они бурно развиваются. Развитие технологий транспортирования сыпучих преследует две цели: во-первых, снизить удельную стоимость транспортирования одной тонны материала, что с учетом общих объемов потребления дает внушительный экономический эффект; во-вторых, уменьшить или исключить вовсе изменение фракционного состава материала в процессе транспортирования или, иными словами, предотвратить измельчение.

Сегодня широко используются следующие транспортные схемы:

  1. Шнек – самый энергоемкий и уязвимый транспорт. Сыпучий материал, как правило, абразивен, поэтому шнек быстро изнашивается и требует постоянного ухода. В силу данного обстоятельства шнековые схемы транспорта практически не используются на дальние (несколько сотен метров) расстояния.
  2. Конвейер – имеет низкую энергоемкость, однако изобилует большим количеством электроприводов и требует развитой системы аспирации. Кроме того, конвейер практически неприменим в тех ситуациях, когда необходимо не просто доставить материал к месту, но и раздать его в несколько десятков точек потребления. В этих случаях транспортная схема становится чересчур громоздкой и практически нереализуемой.
  3. Высоконапорный пневмотранспорт – самый дешевый по капитальным затратам, но самый энергоемкий в эксплуатации вид транспорта. К достоинствам высоконапорного транспорта можно отнести также его технологичность и легкость создания сложных разветвленных схем раздачи материала. Серьезным недостатком высоконапорного пневмотранспорта является его способность к измельчению транспортируемого материала. По этому критерию высоконапорный транспорт опережает все другие виды.
  4. Низконапорный пневмотранспорт – является усовершенствованной модификацией высоконапорного транспорта. Низконапорный транспорт пытается уйти от главных недостатков высоконапорного – высокие энергозатраты и уровень измельчения материала – за счет повышения концентрации материала в воздухе, снижения скорости перемещения материала и снижения скорости движения частиц материала друг относительно друга. Сила трения преодолевается, как правило, за счет введения дополнительной аэрирующей трубы по всей длине транспортной магистрали, что приводит к усложнению и удорожанию конструкции.
  5. Аэрожелоб – среди различных транспортных схем аэрожелоб вызывает особый интерес. Он прост, технологичен, дешев при изготовлении и установке, позволяет транспортировать материал на сколь угодно дальние расстояния, единственный из всех способов позволяет раздавать материал на много точек без использования сложных схем коммутации. Аэрожелоб принципиально не может «пересыпать» материал в силу свойства самозапирания. Единственным недостатком аэрожелоба, в отличие от предыдущих 4 способов, является то, что он способен транспортировать материал только в направлении действия силы тяжести.

В таблице 1 представлено сравнение различных транспортных технологий по нескольким критериям. Сравнение является качественным. По каждому критерию транспортной схеме присвоен рейтинг от 1 до 5, рейтинг 5 является наивысшим. Как видно из таблицы, аэрожелоб является самым предпочтительным видом транспорта там, где не требуется поднимать материал на более высокие отметки, чем его исходное положение.


Таблица 1. Сравнение различных транспортных технологий
Вид транспорта Затраты на строительство Затраты на эксплуатацию Удельные энергозатраты Надежность Дальность Измельчение
Шнек 2 1 1 1 1 2
Конвейер 1 2 2 2 2 5
Высоконапорный 4 4 3 3 3 1
Низконапорный 3 3 4 4 4 3
Аэрожелоб 5 5 5 5 5 4


Аэрожелоб сам по себе не является техническим новшеством. Широко применяются аэрожелоба с матерчатыми или керамическими пористыми перегородками, имеющие угол наклона к горизонту 2–7° (для глинозема). Такие аэрожелоба снабжены централизованными дутьевыми агрегатами и не оснащены средствами автоматики. Аэрожелоба позволяют транспортировать материал на расстояния до нескольких сотен метров (на самом деле дальность транспортирования ограничена лишь допустимым перепадом высот между исходной и приемной точками) и раздавать материал в десятки и сотни точек. Самым ярким примером применения технологии аэрожелоба являются системы централизованной раздачи глинозема в производстве первичного алюминия.

Базовое оборудование

Рис.1. Транспортный модуль аэрожелоба Рис.2. Поперечный срез аэрожелоба
Рис. 1. Транспортный модуль Рис.2. Поперечный срез аэрожелоба


Важнейшей особенностью базовой конструкции технологии «Управляемый Поток» является то, что она имеет модульную структуру Каждый транспортный модуль (Рис. 1) является самостоятельной энергонезависимой технологической единицей. Для достижения нужной длины магистрали достаточно подобрать соответствующее количество таких модулей. Транспортный модуль состоит из конструктивных единиц:

  1. Секция аэрожелоба;
  2. Блок дутьевых агрегатов;
  3. Устройства сброса избыточного давления;
  4. Система автоматики.

Секция аэрожелоба

Секция аэрожелоба (Рис. 3) – элементарный строительный кирпичик технологии «Управляемый Поток»™. Поперечный разрез секции аэрожелоба представлен на Рис. 2. Секция состоит из двух полостей: дутьевой и транспортной, которые разделены пористой металлической перегородкой. Воздух, нагнетаемый в дутьевую полость, проходя через пористую металлическую перегородку, аэрирует слой материала, прилегающий к перегородке.

Частицы материала перестают быть связанными друг с другом, сила трения пограничного слоя уменьшается, возникает своеобразная смазка, в результате чего материал движется в направлении силы тяжести.

Дутьевая и транспортная полости секции соединены между собой при помощи разъемного механического соединения, что дает возможность в любой момент разобрать секцию и получить доступ к пористой перегородке.

Секции являются унифицированными. Каждая секция имеет отверстия для установки дутьевого блока, контрольно-измерительных датчиков и приспособления для установки фильтров сброса избыточного давления (аспирации). Конструкция секции позволяет эксплуатировать ее при температуре окружающего воздуха до 160 °С. Торцы секций снабжены фланцами для герметичного соединения полостей соседних секций при монтаже аэрожелоба. Герметичность обеспечивается за счет специальной герметизирующей прокладки. В тех случаях, когда требуется обеспечить гальваническое разделение участков аэрожелоба, применяются специальные изолирующие герметизирующие прокладки. Длина секции варьируется в пределах от 1 до 4 метров, а количество секций в транспортном модуле от 1 до 4, в зависимости от типа транспортируемого материала и конструктивных особенностей строительных конструкций и технологического оборудования, через которые проходит аэрожелоб.


Секция аэрожелоба
Рис. 3. Секция – конструктивная единица аэрожелоба


Дутьевые полости соседних секций в пределах одного транспортного модуля соединены. Дутьевые полости соседних секций разных транспортных модулей разделены. В некоторых случаях между дутьевыми полостями транспортных модулей ставятся клапаны, которые пропускают воздух из соседней дутьевой полости только в том случае, если давление в данной дутьевой полости по каким-либо причинам упало. В Технологии «Управляемый Поток»™ применяется локальное дутье. Это означает, что каждый транспортный модуль оснащен собственными воздуходувками малой мощности. Применение локального дутья по сравнению с централизованным позволяет более равномерно распределять плотность воздушного потока в дутьевой полости, более гибко управлять транспортной схемой, экономить электроэнергию, избавиться от трубопроводов-спутников, уйти от выделенного помещения воздуходувки, а также от мощных шкафов МСС. Кроме того, применение локального дутья повышает общую живучесть системы.

Блок дутьевых вентиляторов

Блок дутьевых вентиляторов Блок дутьевых вентиляторов на аэрожлобе
Рис. 4. Блок дутьевых вентиляторов


Блок дутьевых вентиляторов (Рис. 4) предназначен для нагнетания заданной массы воздуха с заданным напором в дутьевую полость одного транспортного модуля. Дутьевой блок состоит из двух вентиляторов с электрической мощностью по 1000 Вт каждый. Каждый из вентиляторов способен обеспечить работу модуля. Дутьевые вентиляторы оборудованы фильтрами для того, чтобы исключить засорение пористой пластины пылью, характерной для атмосферы промышленного производства. Фильтры имеют малое сопротивление и не подавляют воздушный поток малой мощности. Каждый дутьевой блок оборудован устройством регулировки мощности, подаваемой на вентиляторы. Это позволяет гибко управлять напором и интенсивностью воздушного потока в дутьевой полости данного модуля, подавая минимум воздуха, необходимый для транспортирования массы материала.

Устройство сброса избыточного давления

Устройство сброса избыточного давления на секции Магистральный аэрожелоб, НАЗ
Рис. 5. Устройство сброса избыточного давления на секции


Устройства сброса избыточного давления (Рис. 5) предназначены для сброса отработавшего воздуха в атмосферу. Устройства сброса избыточного давления устанавливаются, как правило, на каждую секцию. Устройство представляет собой несколько небольших рукавных фильтров из фильтровальной ткани, укрепленных на горловинах воздухоотводящих отверстий секции. Благодаря небольшой массе проходящего через них воздуха фильтры практически не забиваются. Обслуживание фильтров аспирации сводится к периодическому (не чаще 2 раз в месяц) вытряхиванию фильтров вручную без съема их с горловин.

Система автоматики

Шкаф управления транспортным секцией Шкаф управления транспортным модулем системы ЦРГ
Рис. 6. Шкаф управления транспортным модулем

Система автоматики предназначена для адаптивного управления процессом транспортирования материала. Система автоматики аэрожелоба делится на два уровня: локальная автоматика транспортного модуля и система управления аэрожелоба.

Локальная система автоматики транспортного модуля состоит из блока управления производительностью дутьевых вентиляторов и измерительного датчика давления в дутьевой полости.

Система автоматики аэрожелоба включает в себя локальную автоматику всех транспортных модулей, а также устройства измерения уровня в опорожняемых и наполняемых емкостях и шкафы управления (Рис. 6).

Система управления аэрожелоба выполняет следующие задачи:

  • обеспечивает полный технологический цикл транспортирования материала из опорожняемых емкостей в наполняемые, включая и выключая участки аэрожелоба в заданной последовательности. Цикл оканчивается либо при полном опорожнении первых, либо при полном наполнении вторых (и то, и другое фиксируется по срабатыванию соответствующего датчика уровня). Цикл также может остановиться аварийно при обнаружении неисправности на каком-либо участке аэрожелоба;
  • оптимизирует энергопотребление. Если аэрожелоб имеет разветвленную структуру и используется на множество потребителей, система автоматически отключает подачу энергии на те участки аэрожелоба, движение материала по которым не требуется;
  • оптимизирует движение потока материала. По значению давления в дутьевой полости транспортного модуля система определяет скорость движения материала и регулирует воздушный поток таким образом, чтобы обеспечить надежное движение материала при минимальном энергопотреблении. Реагирует на изменение свойств транспортируемого материала (влажность, сортность) и обеспечивает его бесперебойную транспортировку без изменения регулировок;
  • осуществляет мониторинг и диагностику неисправностей. По значению давления в дутьевой полости транспортного модуля и по информации от блока управления вентиляторами система осуществляет непрерывную диагностику и определяет исправность транспортного модуля. При обнаружении неисправности система немедленно оповещает технологический персонал, указывая номер неисправного модуля и вид неисправности.

Шкафы управления строятся на базе промышленных программируемых контроллеров. В Таблице 2 перечислены типы контроллеров, которыми могут быть оборудованы шкафы управления. Количество и распределение шкафов управления в системе не регламентируется и определяется требованиями конкретного проекта.


Таблица 2. Типы применяемых контроллеров
Применяемый контроллер Среда программирования
Octagon Systems Ultralogik 2.0
Siemens S7-300 Step 7
Allen-Bradley ControlLogix RS Logix 5000

Эксплуатация

С точки зрения особенностией эксплуатации оборудование Технологии "Управляемый Поток" можно разделить на три категории:

  1. Металлоконструкции – это узлы разгрузки , транспортный, магистральный и раздающие аэрожелобы. Применение пористого металла позволяет существенно повысить срок службы конструкций аэрожелобов, так как пористая пластина служит дольше ткани или керамики и не забивается материалом. Критичным для пористого металла является попадание в дутьевой воздух масляных и других вязких неиспаряющихся аэрозолей, способных «залепить» поры и существенно уменьшить эффективную площадь пористой пластины. Чтобы избежать этого, воздух на дутьевые агрегаты подается из внешней атмосферы и дополнительно фильтруется. Категорически запрещается подавать в дутьевую полость аэрожелоба воздух из заводской магистрали высокого давления (более 5 атм.), что может привести к разрушению аэрожелоба под действием давления или забиванию пор пористой перегородки.
  2. Система управления – дутьевые агрегаты, шкафы и стойки управления АСУ ТП, датчики КИП.
  3. К расходным материалам относятся рукавные фильтры системы аспирации.
Наименование системы Объект автоматизации Объем внедрения
Поставка технологического оборудования (аэрожелобов) Воронежский цементный завод Цех упаковки готовой продукции: 2 аэрожелоба по 6 м для загрузки цемента в "бигбэги"
Система транспортирования графита и коксовой пыли ОАО «Новосибирский электродный завод» Смесильное отделение. 2 нитки аэрожелобов для транспортировки графита и коксовой пыли по 40 м с 2-мя поворотами.
Система транспорта и дозирования аспирационной пыли и сырья для подготовки шихты Саяногорский алюминиевый завод Смесильно-прессовое отделение Производства электродов
Технологическое оборудование и система управления централизованной раздачей глинозема (ЦРГ) Иркутский алюминиевый завод 2 электролизных корпуса №№ 9-10
Технологическое оборудование и система управления ЦРГ Саяногорский алюминиевый завод 3 электролизеров РА-400, опытно-промышленный корпус
Стыковка системы управления ЦРГ на РА-400 с СААТ-2 Саяногорский алюминиевый завод
Автоматизированная система централизованной раздачи глинозема (10 электролизеров) Волховский алюминиевый завод 10 электролизеров
Технологическое оборудование и система управления автоматизированной подачи сырья Красноярский алюминиевый завод 5 электролизеров (опытный участок 5-го корпуса)
Транспортирование сорбента к установке улавливания паров пека Dantherm Filtration в производстве анодов (фракции 0-0,8 мм) Саяногорский алюминиевый завод 1 фильтр Dantherm, смесильно-прессовое отделение ПЭ
Система дозирования подачи огарковой пыли (фракция 0-2 мм) Саяногорский алюминиевый завод Аэрожелоба, суммарной длиной 24,5 м, дозирующие бункера. Анодное производство.
Технологическое оборудование и система управления транспортом коксовой пыли газоочистной установки Procedair в производстве анодов Саяногорский алюминиевый завод Смесильно-прессовое отделение ПЭ
Система управления ЦРГ для электролизеров РА-300 на САЗе Саяногорский алюминиевый завод 5 электролизеров РА-300, установленные на опытном участке электролизного корпуса №8
Система централизованной раздачи глинозема для электролизеров ОА Иркутский алюминиевый завод 13 электролизеров ОА опытного участка
Расширение автоматизированной системы централизованной раздачи глинозема Саяногорский алюминиевый завод Расширение системы управления в связи с установкой дополнительных электролизеров
Система ЦРГ для электролизеров ОА (90кА) Надвоицкий алюминиевый завод 16 электролизеров ОА (90 кА)
Модернизация оборудования системы транспортированием глинозема Надвоицкий алюминиевый завод Склад глинозема
Система управления централизованой раздачей глинозема для 22 электролизеров Саяногорский алюминиевый завод Опытно-промышленный корпус (22 электролизера)