книги из ГПНТБ / Табунщиков, Н. П. Производство извести

Особенности сжигания газообразного топлива. В кипящем слое радиальное перемешивание ожижающей среды незначительно. По­ этому при организации горения газо- и воздухопроводы должны быть выполнены таким образом, чтобы топливо и воздух равномерно рас­ пределялись по площади решетки. Это требование может быть осу­ ществлено двумя способами.

1. Воздух, необходимый для горения, подводится через решетку. Газообразное топливо подается соплами, установленными с боку пе­ чи. Способ предложен и опробован в полупромышленной печи обжи­ га известняка [2]. При его использовании горение протекает следую­ щим образом. В кипящем слое формируются две отчетливо разли-

Рис. 69. К механизму горения газообразного топлива в слое (А2 — А2 — нижняя граница газового факела в слое).

чимые зоны (рис. 69, а), разграниченные уровнями 00 (уровень ре­ шетки), А ХА Х(уровень, где начинается процесс смешения газа и воз­ духа), Б Б (завершение процесса горения). На участке 00 — АХА Х формируется прирешеточная зона слоя и происходит нагрев воздуха. Зажигание топлива наступит выше уровня А ХАЛ, где концентрация горючего достигнет стехиометрического или близкого к нему соотно­ шения. Выше уровня зажигания идет процесс горения с одновремен­ ным поглощением тепла частицами слоя. Процесс горения заканчи­ вается на уровне ББ. Выше лежит зона чистого теплообмена ожи­ жающая среда — материал кипящего слоя. Как следует из приве­ денного механизма, расположение зоны горения по высоте, при про­ чих равных условиях, определяется удалением газовых сопел 1 от решетки и интенсивностью вертикального перемешивания ожижаю­ щей среды. Интенсивность перемешивания является одним из глав­ ных факторов, определяющих протяженность зоны по высоте и вели­ чину максимальной температуры, достигаемой в ней.

Способ может быть рекомендован к применению в печах, сечение зоны обжига которых представляет собой прямоугольник или эл­ липс. Очевидно, ширина печи не должна превышать удвоенной дли­ ны газового факела, образующегося в слое при истечении газа из

180

сопла. По опытным данным, для известняка с размером кусков 3— 10 мм эта длина не превышает 1 м.

2. Газообразное топливо вводится в кипящий слой горелочными устройствами. При этом способе каждое отверстие решетки должноявляться выходным сечением горелочного устройства. Впервые способ предложен [3] применительно к трехзонной известково-обжига­ тельной печи кипящего слоя. Протекание процесса горения при ис­ пользовании этого способа будет зависеть от полноты предваритель­ ного перемешивания газа и воздуха на выходе из горелки.

При подаче в слой газовоздушной смеси молекулярного переме­ шивания горение газа протекает следующим образом. Выходящая из горелки 2 (рис. 69, б) газовоздушная смесь интенсивно подогре­ вается частицами слоя. Дополнительное повышение температуры сме­ си будет происходить за счет сгорания газа в пограничном слое, окружающем частицы. Когда приход тепла в этом слое превысит его расход в окружающую среду, произойдет зажигание газовоздушной смеси (уровень А А, рис. 69, б). Высота этого уровня над срезом го­ релок определяется интенсивностью теплообмена частицы — ожи­ жающая среда и кинетикой реакции. Выше уровня АА происходит горение газа с одновременным поглощением тепла частицами слоя. Процесс горения заканчивается на уровне ББ. Выше него находится зона теплообмена ожижающая среда — частицы слоя.

Описываемый способ характерен вынесением процесса перемеши­ вания топлива и воздуха за пределы слоя. Это обстоятельство су­ щественно ускоряет процесс выгорания, вследствие чего сокращает­ ся высота зоны подготовки к горению и зоны горения и, следователь­ но, повышается максимальная температура, развивающаяся при го­ рении.

Способ позволяет организовать процесс горения при минималь­ но возможных высотах слоя. Однако при его применении следует учитывать то обстоятельство, что зона повышенной температуры рас­ полагается в непосредственной близости у решетки. Конструкция горелочных устройств, применяемых при использовании этого спо­ соба, описана в работе [20].

При подаче в кипящий слой частично перемешанной смеси на скорость горения значительное влияние оказывают параллельно иду­ щие процессы смешения. Это выражается в увеличении высоты слоя, на которой происходит подготовка к горению и само горение. Реали­ зация этого способа осуществляется с помощью горелки, представ­ ленной на рис. 70. Изменение степени перемешивания достигается путем изменения заглубления газовой трубки, а также числа и рас­ положения газовыпускных отверстий в ней.

Вторым требованием при организации горения газообразного топлива в слое является обязательное расположение зоны горения в области развитого кипящего слоя. Это способствует интенсивному отводу тепла от зоны и предотвращает образование спека частиц ма­ териала или их расплавление. Исходя из этого высота, на которой температура горящего газа достигнет температуры размягчения ма­

181

териала или превысит ее, должна превышать высоту откосов, лежа­ щих между отверстиями решетки, т. е.

h f= tp 5^ ^отк (Х>2)

где tp—температура размягчения материала, °С; h01K—высота откосов. Графически изображение этого требования представлено на

рис. 69, б.

Особенности сжигания жидкого топлива. Организация процесса горения жидкого топлива, в частности мазутов, должна производить­ ся с учетом механизма горения, кото­ рый в настоящее время представляется

следующим образом.

Мазут, введенный в слой тем или другим способом, попадает на частицы обрабатываемого материала и вслед­ ствие их интенсивного перемешивания

летучих и выгорание коксового остат­ ка на самой частице. В связи с этим равномерное распределение топлива по площади решетки теряет свой смысл, и для промышленных известково-об­ жигательных печей получил распрост­

ющей стали диаметром 12,5 мм, установ­ ленные на высоте 305 мм от верхнего среза колпачков зоны обжига. Подача топлива осуществляется индивидуальным для каждой горелки шестеренчатым насосом. Распыл производится сжатым воздухом дав­ лением 68,6 кПа. На полупромышленной печи кипящего слоя [9], предназначенной для магнетизирующего обжига руд, применена форсунка Шухова. Общим требованием при применении того или иного типа форсунок является создание условий, обеспечивающих одинаковый расход мазута по всем форсункам.

Промышленный опыт сжигания твердого топлива отсутствует. Однако эксперименты по обжигу мела фракции 0,5—5 мм с исполь­ зованием антрацитового штыба размером 0,8—2 мм показывают [10] принципиальную возможность применения этого вида топлива для получения извести удовлетворительного качества.

182

ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ ИЗВЕСТКОВО-ОБЖИГАТЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ КИПЯЩЕГО СЛОЯ

Проблема подвода тепла к реагирующей частице известняка и его отвода от раскаленной частицы извести является решающей в организации процесса обжига известняка с малым размером кусков. Теплообмен между ожижающим агентом, являющимся греющей сре­ дой в процессе обжига или отнимающей тепло в процессе охлажде­ ния, и частицами твердого материала описывается уравнением

где а — коэффициент теплоотдачи от ожижающего агента к твердой частице (или наоборот), кДж/(м2-ч-К); F4 — поверхность теплооб­ мена, равная поверхности частиц в слое, м2; At — разность темпера­ тур ожижающего агента и твердых частиц, К.

При сжигании топлива в выносной топке и подаче в кипящий слой продуктов сгорания температура твердых частиц постоянна по всей его высоте. Этот факт подтвержден многочисленными прямыми измерениями температуры частиц по объему слоя после прекраще­ ния загрузки материала и отключения дутья.

Температура ожижающей среды практически постоянна по всей высоте слоя и только возле решетки наблюдается зона значитель­ ных градиентов температуры. На этом участке, называемом зоной стабилизации, температура ожижающей среды изменяется от вели­ чины, соответствующей температуре входа в слой, до своего постоян­ ного значения, приблизительно равного температуре частиц. Ход температурной кривой в зоне стабилизации описывается следующи­ ми зависимостями, полученными из уравнения теплового баланса элементарного объема слоя.

Для случая охлаждения ожижающей среды (подача в слой про­ дуктов сгорания)

где Тч — температура частиц, К; Тол — температура ожижающей среды на входе в слой, К; Fysx— удельная поверхность частиц, м2/м3; с0.с — теплоемкость ожижающей среды, кДж/(кг- К); G0.c — удель­ ный массовый расход ожижающей среды, кг/(ч-м2); h — текущая высота, отсчитываемая от решетки, м.

Для случая подогрева ожижающей среды (подача воздуха в ки­ пящий слой горячей извести)

183

где t0 — температура ожижающей среды на входе в слой, °С; tB — температура ожижающей среды на выходе из зоны стабилизации, К; 7Ч— температура частиц, К-

При сжигании топлива непосредственно в кипящем слое верти­ кальное распределение температуры ожижающей среды не подчи­ няется уравнениям (Х,4), (Х,5) и зависит от вида топлива и типа применяемого горелочного устройства. Расчет температурного на­

личины находят из выражения

При вычислении поверхности частиц неправильной формы вме­ сто величины диаметра следует использовать его приведенное зна­ чение, определяемое как

^пр = Фзd

где cpj — фактор формы, находимый экспериментально.

Величина коэффициента теплообмена определяется толщиной по­ граничного слоя, окружающего частицу, и физической природой га­ за, образующего данный пограничный слой. Теоретические зависи­ мости для расчета коэффициентов теплообмена отсутствуют. Много­ численные экспериментальные данные представлялись в виде зави­ симости

Nu = / (Re)

Эти зависимости приведены в монографиях [1], [11] и др. Вследствие развитой поверхности теплообмен в слое заканчивает­

ся на малой высоте. Ниже приведены относительные высоты hid, на которых практически завершается теплообмен (недогрев ожижаю­

184

щей среды до температуры частиц составляет 5%), для случая подо­ грева воздуха в слое частиц при 300 °С:

В подавляющем большинстве эксплуатируемых аппаратов высо­ та слоя значительно превышает высоту зоны стабилизации. Вслед­

нию (Х,3).

Анализ зависимости (Х,3) показывает, что лимитирующим усло­ вием в процессе теплообмена является низкая разность температур между обрабатываемым материалом и ожижающей средой. Ее повы­ шение позволяет увеличить количество тепла, поглощаемого слоем, а следовательно, и степень утилизации тепла газа (или материала). Для увеличения разности необходимо уменьшать перемешивание ма­ териала, являющееся основной причиной снижения температурного напора. С этой целью кипящий слой делят на секции горизонтальны­ ми сетками или вертикальными перегородками, имеющими отвер­ стия для перетока материала.

Радикальным средством интенсификации является секционирова­ ние агрегата путем устройства ряда кипящих слоев, через которые последовательно проходит обрабатываемый материал и движущийся противоточно ожижающий агент. Совокупность таких слоев и обра­ зует многозонный агрегат кипящего слоя. При достаточном числе слоев указанный агрегат работает в режиме противотока и по своим теплотехническим показателям соответствует шахтным печам.

Принципиальное конструктивное оформление описанных спосо­ бов представлено на рис. 72. Для процесса обжига известняка инте­ рес представляют два последних способа, поскольку установка гори­ зонтальных решетчатых перегородок в высокотемпературном слое больших размеров затруднена.

185

КОНСТРУКЦИЯ ИЗВЕСТКОВО-ОБЖИГАТЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ

Известково-обжигательная печь кипящего слоя простейшей кон­ струкции (рис. 73, а) представляет собой вертикальный цилиндр, футерованный изнутри огнеупорным кирпичом и разделенный решет­ чатыми перегородками на зоны, которые соединены между собой переточными устройствами. В одну из зон вводится топливо. Воздух, необходимый для горения, подается под решетку нижней зоны.

В печи взаимное расположение зон не сказывается на качестве готового продукта, но оказывает влияние на эффективность работы печи. В связи с этим появилось значительное число вариантов печей,

Рис. 73. Некоторые варианты (а — г) технологических схем известковсьобжигательных печей кипящего слоя:

1 — технологический циклон; 2 — устройство для ввода пыли известняка в зону обжига.

отличающихся от представленного на рис. 73, а ходом материала, продуктов сгорания и пылевых потоков. Некоторые из этих схем по­ казаны на рис. 73.

Сооружение печи по наиболее простой схеме а (рис. 73) целесооб­ разно при обжиге легко истирающихся материалов, так как в этом случае унос готового продукта не засорен пылью известняка, выносимой из верхней зоны подогрева. Очистка продуктов сгорания от пыли извести после зоны обжига позволяет предотвратить забива­ ние отверстий решеток зон подогрева. Исходя из этого все известко­ во-обжигательные печи должны сооружаться с технологическим цик­ лоном.

Сооружение печи по схеме б (рис. 73) также имеет целью выделе­ ние из горячих продуктов сгорания, покидающих зону обжига, мел­ козернистого готового продукта. Одновременно предупреждается возможность залегания и накопления пыли под решеткой зоны подо­ грева. Кроме того, существенно упрощается процесс удаления мате­ риала из зон подогрева при остановке печи.

186

С целью более равномерного распределения воздуха и газообраз­ ного топлива по площади решетки зоны обжига печь может соору­ жаться по схеме в (рис. 73). В этом случае имеется возможность ре­ гулирования и перераспределения потока ожижающей среды по пло­ щади решетки не только при пуске печи, но и во время ее эксплуата­ ции.

На схеме г (рис. 73) показана печь, в зоне обжига которой обра­

Материал класса + 3 мм проходит дополнительный рассев на гро­ хотах 4, 5 с целью выделения из него фракции 3—10 мм. Несмотря на двухстадийный отсев фракции 0—3 мм, некоторое ее количество (иногда до 20%) поступает в бункер печи. Такое положение объяс­ няется увлажнением известняка при дроблении и перегрузкой грохо­ тов.

Из бункера 6 известняк шнеком подается в печь. Продукты сго­ рания направляются на очистку в санитарно-технические очисти­ тельные установки, а горячая известь из гидрозатвора выгружается на виброконвейер. Последний подает ее непосредственно в смеситель­ ный барабан аглолент. Здесь в процессе перемешивания компонентов

187

шихты происходит гашение извести. Образующееся известковое тес­ то идет на окомкование шихты.

Печь не имеет промежуточного бункера для извести, что приводит к остановкам, связанным с остановками смесительного барабана. Это обстоятельство ухудшает технико-экономические показатели ра­ боты печи за счет увеличения расхода топлива на обжиг и потерь ма­ териала при его истирании.

Технологическая схема печи проста. В одном корпусе, разделен­ ном решетчатыми перегородками, находятся зона обжига и две зоны

подогрева известняка. Выбор такой схемы определяется спецификой агломерационного производства, требующего предварительного по­ догрева шихты перед спеканием. Печь сооружена без зоны охлажде­ ния с тем, чтобы для подогрева использовать не только тепло гаше­ ния извести, но и ее физическое тепло.

Собственно печь представляет собой цилиндр, футерованный из­ нутри шамотным кирпичом КМ-13 и разделенный решетками на три зоны. Решетка зоны обжига металлическая. Каждое ее отверстие яв­ ляется выходным сечением горелочного устройства.

Решетки зон подогрева сборные. Они изготовлены из шамотного кирпича (рис. 76), боковые грани которого имеют в разрезе треуголь­ ные выступы и такой же формы впадины. Кирпич укладывают на арки, перекрывающие сечение печи, с шагом, равным ширине кирпи­ ча. Аксонометрия такой решетки, кирпич которой имеет одно отвер­ стие, профилируемое сменным стаканом, представлена на рис. 77,

Горелочные устройства печи (см. рис. 70) состоят из трубы с на­ ружным диаметром 50 мм и высотой 250 мм, в которую введена газо-

188

вая труба диаметром 14 мм. Несколько горелочных устройств объе­ динены одним воздухопроводом и одним газовым коллектором, на которых установлены измерительные и регулирующие устройства.

Рис. 77. Конструкция огнеупорной решетки:

1 — стакан; 2 — шамотный кирпич; 3 — арка; 4 — пятовый кирпич; 5 — опорный пояс.

Загрузка материала осуществляется шнековым питателем, число оборотов которого плавно регулируется. Материал передается из зо-

Рис. 78. Конструкция переточного устройства с плотным слоем:

компенсатор; 5 — труба.

ны в зону переточными устройствами с плотным слоем (рис. 78). Вы­ грузка из печи производится с помощью дополнительного кидящего слоя, так называемого гидрозатвора. Сюда на ожижение подается холодный воздух, вследствие чего температура выдаваемой извести

189