32.5 Принципы расчета печей для обжига в кипящем слое

Ниже приведены основные данные, используемые при расчёте печей КС для обжига цинковых концентратов. Следует заметить, что материал, находящийся в печи, в слое по составу соответствует огарку, а не концентрату.

Определение давления воздуха. Явление кипения происходит в условиях, когда давление воздуха под слоем огарка на подине несколько превышает давление слоя:

где ΔР – избыточное давление воздуха под слоем, ат;

Н_с – высота спокойно лежащего или фильтрующего слоя, м;

_н – насыпная масса огарка (1,8–2,2 т/м³);

Н_к – высота кипящего слоя, м;

_о – плотность огарка (4,7–4,9 т/м³);

_г –плотность газа (0,35 кг/м³), этой величиной можно пренебречь;

ε – порозность слоя, доли единицы (0,7–0,75). Для спокойного слоя ε=0,5÷0,6; отсюда Н_к=1,2÷1,5•Н_с.

Приведенное уравнение является основным законом псевдоожижения. Кипение может начинаться при Н_к=30÷50 мм. Однако устойчивая работа промышленной печи по условию достаточной тепловой и гидродинамической инерции надежна при Н_к=0,8÷1,8 м. Можно рекомендовать Н_к=1,4÷1,1 м, тогда количество шихты из огарка (75%) и концентрата (25%) для пуска печи на 1 м² подины при высоте кипящего слоя 1,3 м и коэффициенте раздувания 1,5 (отношение Н_к:Н_с) составит (1,3/1,5)•1,8=0,87•1,8=1,6 т и Р=1600 кгс/мм², или 0,16 ат (1600 мм вод. ст.), а при одном огарке и Н_к=1,1 ΔР=0,72•2,0=1475 мм.

Потери напора в соплах подины колеблются в пределах 150–400 мм вод. ст. и зависят от конструкции сопла и его изношенности. При соплах с двойной решеткой следует принимать максимальную величину. Полное избыточное давление на воздуходувке при 20% потерь в воздухопроводе равно (1600+400)•1,2=2400 мм вод. ст., или 0,24 ат. Фактически при «загоревших» соплах избыточное давление возрастает до 0,3 ат при высоте слоя 1,2 м.

Определение расхода воздуха. Расход воздуха на 1 м² подины определяется по практическим данным, исходя из скорости дутья 10–14 см/с. Отсюда расход дутья на 1 м² подины равен 6,0–8,4 м³/мин, или около 360–504 м³/(м² •ч). Возможна и значительно большая удельная подача воздуха [до 625–800 м³/(м² •ч)]. Контрольные, теоретически обоснованные расчеты дутьевых режимов рекомендуется делать в три стадии:

1. Определение гранулометрического состава огарка кипящего слоя и вычисление эквивалентного диаметра производят по формуле

d_э=1/∑(a/d),

где а – доля материала по ситовому анализу;

d – средний размер частиц данной доли, мм.

С учетом укрупнения при обжиге величина d_э часто находится в интервале 0,15–0,25 мм.

Приводим пример использования этой формулы. Пусть имеется огарок следующего состава по крупности частиц:

Размер частиц
мм	–1,5+1,3	+0,54	+0,425	+0,29	+0,173	+0,1	–0,1
доли	0,122	0,07	0,014	0,039	0,148	0,448	0,164

Вычисляем средние размеры частиц по классам, мм:

класс 1 (1,5+1,3)/2=1,4;

класс 2 (1,3+0,54)/2=0,92;

класс 3 (0,54+0,425)/2=0,49;

класс 4 (0,425+0,29)/2=0,36;

класс 5 (0,29+0,173)/2=0,23;

класс 6 (0,173+0,1)/2=0,14;

класс 7 (0,1+0,05)/2=0,08.

d_э= мм.

2. Определение начальной и выбор рабочей скорости кипения (первой критической скорости) по формуле. О. Тодеса для горячего и холодного (пуск печи) воздуха:

v_н= ,

где ₀ – плотность огарка, равная в среднем 4800 кг/м³;

_г – плотность воздуха (газа), г/см³;

 – вязкость газа, кг•с/м². Для d_э=0,2 мм и холодного воздуха находим (=1,88•10^-6)

v_н=(2•10^-4)²•4800/(l400•l,88•10^-6+1,62• )=7 см/с.

С целью перехода от спокойного кипения к барботажному рабочую скорость принимают в пределах 2–3 v_н, т.е. 12–20 см/с, что вполне соответствует практике заводов. В нашем примере v=13,3 см/с.*

^* С учетом коэффициента использования печи в сутки 0,98.

Для горячего воздуха, заменив вязкость и _г, аналогично получаем (=4,9•10^-6):

v_н=(2•10^-4)²•4800/(l400•4,9•10^-6+1,62• )=3 см/с.

Фактически рабочая скорость при 930–960⁰С достигает 40–50 см/с, т.е. она в 13–16 раз превышает скорость спокойного кипения. Поэтому перемешивание частиц усиливается, а слой раздувается примерно в 2 раза (Н_к=2•Н_с).

3. Определение выноса огарка (количества пыли). Для этого необходимо предварительно определить скорость выноса частиц (второй критической скорости)

v_у=

При подстановке уже известных величин в уравнение получаем v_y=1,9 м/с, т.е. теоретически можно увеличивать подачу воздуха еще в 4–5 раз. Интервал устойчивости слоя, или отношение скоростей выноса частиц и начала кипения, в нашем случае достигает 1,9/0,03=63, а практическое число псевдоожижения только 16. После грануляции концентрата скорость подачи дутья удается увеличить в 3–4 раза, т.е. до 40–50 см/с холодного воздуха. Такой прием применяют на дистилляционных заводах. На гидрометаллургических заводах пока его не применяют.

Определение размера уносимых частиц по фактической скорости газов в печи без учета захвата мелочи слоем выполняют по этому же уравнению методом последовательных приближений. Находим, что d_э равно 0,1 мм. Подсчитанный таким путем вынос равен около 30%, т.е. расчет дает цифры, близкие к заводским данным, позволяет оценить количество пыли, что имеет большое значение для определения суммарного состава огарка, так как пыль содержит много сульфатной серы.

Этот расчет указывает на целесообразность расширения надслоевой части печи, особенно при интенсификации обжига. В действительности интенсификация вследствие повышения температуры до 1150⁰С сопровождается укрупнением частиц до +0,2 мм на 100% (т.е. d повышается до 0,4–0,5 мм) в результате их спекания. После укрупнения частиц огарка вполне возможно увеличение скорости воздуха. Например, при удвоении скорости воздуха (до 20–24 см/с) производительность печи тоже удваивается и достигает 13–15 т/м²• сут. Расход воздуха в этом случае доводится до 800–900 м³/(м²• ч).

Определение расхода дутья и производительности печи. Расход дутья (теоретический) на 1 кг концентрата для полного окисления сульфидов до окислов равен 1,5–1,8 м³, в среднем 1,65 м³. Коэффициент  следует принимать равным 1,1–1,3, в среднем 1,2.

Для ориентировочного расчета количества воздуха, теоретически необходимого для обжига 1 кг концентрата, авторы рекомендуют следующее уравнение:

Рв=(Zn%/4+Fe%/2,3+1,05%S)•0,033 м³.

Удельная производительность печи (А) составляет 1440•Р_в.м/1650 т/(м² •сут). Здесь Р_в.м – расход воздуха (м³) на 1 м² пода в минуту.

В среднем при =1,2 она составляет 1440•7,2/1000•1,65•1,2=5,25 т/(м²• сут) для сухого концентрата или 6 т/(м²• сут) для влажного. По удельной производительности печи и заданной в проекте общей производительности цеха находят необходимую площадь пода обжиговых печей. В нашем расчете при удельном расходе воздуха на сухой концентрат, равном 2019 м³/т, подаче воздуха 7,99 м³/(мин•м²) удельная производительность печи равна 7,99•24•60/2019=5,7 т/(м² •сут) [6,13 т/(м² •сут) влажного]. Отсюда площадь печи равна 180/5,7=31,6 м². Рекомендуется устанавливать не менее двух печей. В последние годы наметилась тенденция строить печи большой производительности в пределах 300–600 т/сут.

По выбранной производительности печи и ее удельной производительности определяют площадь пода печи (см. §33.3). Как правило; в отечественной и зарубежной практике устанавливают круглые печи с двумя камерами для подачи концентрата по 2 м² каждая.

Среднее время пребывания концентрата в печи определяется по уравнению

t=H_к•₀ •(1–ε)•24/А.

В нашем примере [Н_к=1,3 м; _o=4800 кг/м²; ε=0,75; А=5,25 т/(м²• сут)] t=7,13 ч.

На основании результатов опытов, проведенных Гинцветметом, продолжительность обжига равна 1 ч; по кинетическим yравнениям она равна не более 40 мин. Согласно данным опытов Г.М. Штейнгарта, радиоактивные («меченые») частицы огарка находились в печи от долей секунды до 15 ч. Эти данные указывают на большие резервы процесса обжига в печах КС. Одним из весьма эффективных способов повышения производительности этих печей оказалось обогащение дутья кислородом до 30–35%. Производительность печи при этом достигает 8–11 т/(м² •сут), т.е. возрастает в 1,5–1,7 раза, перевод цинка в растворимую форму увеличивается до 93%, содержание SO₂ в газах доводится до 10–12%.

Определение высоты печи. Высота печи, по данным отечественной практики, выбирается в пределах 10–12 м. За рубежом имеются печи с меньшей и большей высотой. Высота печи должна быть достаточной для того, чтобы частицы, выносимые из слоя, успели полностью окислиться во время движения с газами на пути от верхнего уровня слоя до выхода из печи. Ориентировочно для этого требуется 14–15 с.

Н_печи=Н_к+(14÷15)•υ_г=1,1+15•13,3•(930+273)/(273•100)=10 м,

где υ_r – вертикальная скорость горячих газов над слоем.

Хорошие результаты получаются, если кладку нижней части печи на высоте слоя выполнять в виде обратного усеченного конуса с уменьшением площади пода примерно на 20% относительно площади надслоевого сечения при угле наклона 80⁰ (к поду). На новом заводе в Финляндии площадь сечения верха печей в два раза больше площади пода.

Охлаждение слоя. Обжиг в кипящем слое протекает с большим избытком тепла. Расчет его отвода приведен ниже (§32.6).

Параметры воздуходувки. Давление воздуха на воздуходувке было определено равным 2400 мм вод. ст.

Исходя из давления и расхода воздуха для проектируемой печи, выбираем воздуходувку Хабаровского завода типа Э325-11-3 со следующей характеристикой: производительность 325 м³/мин, давление 2500 мм вод. ст.

Размеры и число дутьевых сопел. Для подачи дутья разработано несколько типов сопел. Почти все отечественные заводы применяют сопла своей конструкции, отличные от устройств других заводов. Выбираем для проектируемой печи сопла грибовидной формы со съемной головкой на штыре.

Суммарную площадь сечения выходных отверстий дутьевых сопел, расположенных в подине печи КС, рассчитывают по законам истечения газов при низком давлении.

Скорость истечения воздуха из сопла находят по формуле

,

где – коэффициент расхода; для цилиндрических отверстий с острыми кромками =0,8; g=9,81 м/с²;

Р₁ – давление воздуха в сопле, равное 1475 мм вод. ст.;

Р₂ – при потере в напоре в подине 100 мм вод. ст. давление воздуха в нижней части печи кипящего слоя, равно 1375 мм вод. ст. при Н_к = 1,1 м;

– плотность воздуха 1,29 кг м³.

м/с.

Количество сопел в печи можно рассчитать по формуле

n=1,2• .

где – расход воздуха на печь, м³/с, равный 2019•180/(24•60•60•0,98)=4,29;

– площадь выходных отверстий одного сопла, м²;

1,2 – коэффициент запаса.

В целях равномерного псевдоожижения материала на практике стремятся максимально увеличить число сопел на единицу поверхности пода печи (40–50 шт), учитывая возможность их размещения. Принимаем в расчете 44 сопла на 1 м² пода печи. Общее количество сопел n=44•31,6=1390 шт.

Отсюда суммарная площадь выходных отверстий одного сопла равна 1,2•4,29/(31•1390) 1,19•10^-4 м².

При наличии в сопле четырех отверстий сечение каждого из них равно 0,298•10^-4 м².

Диаметр отверстий находим равным

мм.

Суммарная площадь сечения отверстий всех сопел по отношению к площади пода печи КС составляет %. Часто ее увеличивают до 0,8–1,0%.