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

ной степени метаморфизма не определяется ни остаточным содержа­ нием летучих веществ, ни химическим составом полукоксов.

Неизученность свойств и строения исходного топлива представ­ ляет основную трудность в создании наиболее рациональных техно­ логических схем комплексной переработки природных топлив [14].

ОСОБЕННОСТИ СЖИГАНИЯ РАЗУБОЖЕННОГО СЛОЯ ТОПЛИВА

Специфические условия сжигания твердого топлива определяют­ ся следующим.

1.Шихта известково-обжигательных печей содержит от 6,5 до 10% топлива, а остальная часть ее представляет собой инертную к горению массу, поэтому в печи вместо сплошного горящего слоя топ­ лива образуются очаги горения, разобщенные между собой обжигае­ мым материалом (разубоженный слой).

2.Выделяющееся тепло расходуется на разложение СаС03 не­ посредственно в зоне горения.

3.Воздух, идущий на горение, предварительно нагревается в зо­ не охлаждения извести.

4.Кусковой слой, который выполняет функции колосниковой ре­ шетки, непрерывно перемещается. Опережающее перемещение ком­ понентов шихты существенно сказывается на процессе горения в це­ лом.

Процесс горения разубоженного слоя топлива, так же как и при

горении сплошного слоя, слагается из нескольких стадий. Вначале из топлива выделяется влага, потом летучие вещества, топливо по­ степенно нагревается до температуры воспламенения (зона подго­ товки топлива). Образовавшийся коксовый остаток в присутствии кислорода воздуха сгорает [15, 16].

Стадия подготовки топлива. Выделение летучих веществ

Выделение летучих веществ из антрацита начинается при 200 °С, а заканчивается при 1100—1200 °С [17]. Оно происходит в зоне под­ готовки топлива, в которой практически отсутствует кислород. Ле­ тучие вещества антрацита — это главным образом азот, водород и метан [18]. В составе летучих веществ кокса горючие компоненты почти отсутствуют.

Полный анализ печного газа при работе на антраците показал, что в нем содержится ~ 0,2% предельных углеводородов и ~0,4% водорода [19].

Для количественной оценки потерь тепла с летучими были опре­ делены изменения элементарного состава антрацита, происходящие

взоне подготовки. В результате термообработки содержание серы

внем уменьшилось с 2,12 до 1,31%, водорода — с 1,80 до 0,08%, азота и кислорода — с 1,41 до 0,00%. Вследствие удаления летучих

50

веществ содержание негорючих компонентов в единице массы топли­ ва увеличилось с 7,20 до 7,84% и углерода — с 83,64 до 90,69%. По­ сле пересчета на исходный состав содержание компонентов будет следующим: 1,20% серы, 83,29% углерода, 0,07% водорода.

В шахтных печах летучие вещества сжечь не удается из-за отсут­ ствия кислорода в зоне подогрева. Ввиду высокой теплоты сгорания метана и водорода потери с летучими веществами у антрацита дости­ гают 8,5% его теплоты сгорания. Для кокса они не превышают 2%. Потери тепла от недожога летучих веществ могут быть учтены пу­ тем внесения соответствующих коррективов в формулу Менделеева.

Поправка на потерю свободного водорода. Теплота сгорания топ­ лива должна быть уменьшена на величину, равную теплоте сгора­ ния свободного водорода. При расчете нужно принять во внимание, что высшая теплота сгорания водорода, находящегося не в газооб­ разном состоянии, равна 30 000-4,19 кДж/кг. Потери тепла со сво­ бодным водородом: 300Н (своб.)-4,19 кДж/кг топлива, где Н(своб.)— содержание свободного водорода в топливе, %.

Поправка на потерю метана. Теплота горения выделяемого мета­ на должна быть также исключена из теплоты сгорания топлива. По­ тери тепла с метаном при теплоте сгорания 12 000-4,19 кДж/кг (высшая теплота сгорания с учетом теплоты разрушения макромо­ лекулы угольного вещества) равны 120 СН4 : 4,19.

Количество выделяющегося метана удобнее выразить через со­ держание водорода в топливе. Тогда потери тепла составят: 480 Н ах х4,19 (гдеН — содержание водорода в топливе, а — доля водорода, связанного в СН4). Отсюда Н(своб.) = Н(1—а).

По экспериментальным данным, содержание водорода в СН4 при­ мерно равно содержанию свободного водорода в топливе. Отсюда а может быть принято равным 0,5 и потери тепла (в кДж/кг) составят:

с метаном

480-0,5Н-4,19 = 240Н-4,19

со свободным водородом

300-0,5Н-4,19= 150Н-4,19

Поправка на потерю летучей серы. Потери тепла с летучей серой также необходимо исключить из теплоты сгорания топлива. Содер­ жание летучей серы составляет 59% от общего, а теплота сгорания 2180-4,19 кДж/кг, тогда потери (в кДж/кг) составят

2180-0,5S• 4,19 = 10S-4,19

100

где S — общее содержание серы в топливе, %.

Поправка на энтальпию паров воды. При расчете низшей теплоты сгорания топлива по формуле Менделеева учитываются потери тепла на испарение воды, образующейся при сгорании водорода. В шахт­ ных печах эти потери отсутствуют, поэтому в формуле QH= Q B — 6 (9Н + W) 4,19 необходимо исключить член 54Н-4.19.

После внесения поправок расчетная формула примет вид:

Ввиду того что содержание летучей серы достигает примерно 1 %, поправка на нее составляет всего ~ 10 ккал/кг, или менее 0,02%. В технических расчетах поправкой на серу можно пренебречь, и тогда перерасчет низшей теплоты сгорания рабочего топлива на теп­ лоту сгорания без летучих можно произвести по формуле

Таким образом, для определения потерь тепла с летучими нужно знать содержание водорода в топливе.

При сравнении расходных коэффициентов по топливу в шахтных известковых печах необходимо учитывать неизбежное увеличение расхода антрацита по сравнению с расходом кокса (примерно на б— 8%) из-за потерь с летучими веществами.

Стадия выжига кокса

На основании результатов многочисленных экспериментов уста­ новлено, что в обычных эксплуатационных условиях известково-об­ жигательных печей стадия выжига кокса характеризуется наличием только кислородной зоны горения, которая оказывается сильно рас­ тянутой (примерно в 30 раз длиннее, чем при слоевом сжигании топ­ лива). Зона восстановления почти отсутствует, о чем свидетельству­ ет низкая концентрация СО в отходящих газах (1—2%). Изменение состава и температуры газов по высоте печи приведено на рис. 12.

Температурный режим кислородной зоны горения резко отли­ чается от случая горения топлива в слое. По мере расходования кис­ лорода на горение топлива температура газов вначале повышается, затем, достигнув максимума, начинает понижаться. Снижение тем­ пературы газов связано с интенсивным расходом тепла на обжиг СаС03. Расход тепла превышает его выделение. Отсюда вытекает весьма важное следствие: в шахтных печах лимитирующей стадией процесса является не теплопередача и кинетика термической дис­ социации карбоната кальция, а процесс горения топлива. Таким образом, интенсификация работы печи должна идти по пути интенси­ фикации сжигания топлива.

Температура газов по высоте слоя зависит и от соотношения раз­ меров кусков в шихте. Чем мельче куски топлива, тем больше теп­ ловое напряжение объема зоны обжига. С изменением величины те­ пловоспринимающей поверхности (размеров кусков карбоната каль­ ция) изменится и температурный режим печи — увеличение разме­ ров кусков карбоната кальция приведет к уменьшению тепловоспри­ нимающей поверхности и, следовательно, к повышению температу­ ры в зоне обжига, а уменьшение их — к снижению температуры.

52

При одновременном одинаковом относительном уменьшении разме­ ров кусков известняка и кокса отношение их поверхностей остается неизменным, вследствие чего сохраняется неизменным и температур­ ный режим процесса.

Низкая температура газов на границе зон обжига и подогрева, а также разубоженность слоя топлива препятствуют развитию вос­ становительной зоны горения. Окись углерода обнаруживалась

Рис. 12. Изменение состава и температуры газов по высоте печи.

только на участке, где концентрация кислорода была ниже 2—3%, причем содержание ее возрастало до максимального, а затем вновь понижалось без изменения концентрации кислорода. Максимуму концентрации СО соответствовала температура газов я^1000°С, а конечной яг800 °С. При послойной загрузке известняка и топлива содержание СО в отходящих газах повышается. При одной и той же дозе загружаемого кокса концентрация окиси углерода в отходящих газах достигала при смешанной шихте 0,5—0,7%, при послойной

53

загрузке и высоте слоя кокса I D куска—0,6—0,8%; 2 D куска —- 1,0—1,4%, 4 D куска — 3,0—4,0%.

Увеличение концентрации СО при послойной загрузке можно объяснить повышением температуры газов в горящем слое топлива из-за отсутствия отбора тепла на разложение СаС03 и, следователь­ но, ростом влияния восстановительной реакции С02 + С. С повыше­ нием температуры скорость этой реакции резко возрастает.

Аналогичные условия в печи могут наблюдаться при неправиль­ ной дозировке топлива или неравномерном распределении его по по­ перечному сечению шахты. Избыточное тепло будет расходоваться на образование окиси углерода и выводиться из печи в виде хими­ ческого недожога топлива. В подобных условиях увеличение дутья, т. е. форсирование процесса горения, может привести лишь к повы­ шению температуры и дальнейшему увеличению концентрации СО в отходящих газах. Поэтому попытки снизить содержание окиси углерода в газах печей по обжигу клинкера путем усиления дутья оказались неудачными. При испытании такого способа было уста­ новлено [39], что «неоднократные попытки усиленной подачей возду­ ха под колосники создать условия для полного сжигания образую­ щейся окиси углерода не привели к цели. Замечено, что количество СО увеличивается по мере большей интенсификации (повышения ин­ тенсивности) работы печи».

Таким образом, повышение содержания окиси углерода в печном газе, связанное с ростом температуры, указывает на опасность обра­ зования «козлов». В этом случае нельзя уменьшать отбор извести, так как снижение скорости движения шихты приводит к взаимодей­ ствию СаО с шамотной футеровкой. Уменьшить содержание окиси углерода в печном газе можно снижением температуры в зоне горе­ ния за счет уменьшения количества топлива в шихте и лучшего его распределения по сечению шахты. Понижения температуры в зоне горения до смены шихты в печи можно достигнуть уменьшением дутья, что повлечет за собой уменьшение количества сжигаемого в единицу времени топлива.

Наличие окиси углерода в газах иногда объясняют «недостатком воздуха». Такое объяснение лишено смысла: в печи всегда имеется подготовленное к горению топливо (в зоне подогрева) и увеличение подачи воздуха приведет лишь к возрастанию количества сжигае­ мого топлива.

Расположение зон в шахтной печи

Зона горения топлива, располагающаяся ниже зоны подготовки, не совпадает по размерам с зоной обжига СаС03 — последняя всегда оказывается более короткой. Закономерность этого явления со всей очевидностью вытекает из теплового баланса зоны охлаждения — обожженная известь может нагреть воздух, подаваемый в печь, лишь до 600—700 °С (в зависимости от удельного расхода последнего). Поэтому часть топлива сгорает ниже зоны разложения, и это тепло расходуется на нагрев газов.

54

Отсюда вытекает, что зоной обжига следует называть зону, в ко­ торой происходит выделение С02 вследствие разложения углекис­ лого кальция, а зоной горения — зону, в которой происходит рас­ ходование кислорода на сжигание топлива.

Высота зоны горения в известково-обжигательных печах резко возрастает по сравнению с сжиганием твердого топлива в слое и за­ висит главным образом от диаметра среднего куска топлива, степени разубоживания слоя топлива и концентрации кислорода [20]. При

Рис. 13. Влияние смещения зоны горения на температуру и состав газов в печи:

а — нормальное положение; б — смещение вверх; в — смещение вниз; 1 — концентрация С 02; 2 — то же, 0 2; 3 — температура газов.

обжиге известняка верхние границы зон разложения и горения сов­ падают. В случае обжига сырья с большим содержанием влаги часть топлива может сгорать в зоне подогрева, чем покрывается расход тепла на ее испарение.

Подобная картина может наблюдаться и при смещении зоны го­ рения относительно ее нормального положения. Рассмотрим эти случаи подробней.

Когда зона горения смещена вверх (рис. 13, б), объем зоны подо­ грева сокращается и газы не успевают отдать прежнее количество тепла карбонатному сырью. Температура отходящих газов, а следо­ вательно, и количество тепла, уносимого с отходящими газами, воз­ растает. Для обеспечения нагрева шихты до 830—850 °С потребуется уже более высокая температура газов на входе в зону подогрева.

Следовательно, потерянное с отходящими газами тепло будет вы­ ведено из зоны обжига, и соответственно уменьшится количество разложившегося карбоната кальция. В результате сократится выде­ ление С02 и снизится его концентрация в печном газе.

При значительном смещении зоны горения вверх может произой­ ти проскок неиспользованного кислорода через зону горения, что вызовет дополнительное уменьшение содержания С02 в печных га­ зах. Расход СаС03 и топлива на тонну извести возрастет.

55

Когда зона горения смещена резко вниз (рис. 13, в), тепло, со­ держащееся в извести, расходуется на нагрев воздуха неполно­ стью, и последний поступит в зону горения недостаточно подогретым. В этой зоне на его нагрев будет израсходована часть тепла, выделяю­ щаяся при сжигании топлива, которое обычно расходуется на раз­ ложение СаС03. Вследствие этого уменьшится количество разло­ жившегося СаС03 и соответственно выделится меньше С02, следова­ тельно, понизится концентрация С02 в отходящих газах. Если при этом известь будет выгружаться вместе с раскаленными кусками топлива, то резко повысятся потери топлива от механического недо­ жога.

Рациональное соотношение размеров кусков карбонатного сырья и топлива

Непрерывное движение шихты способствует тому, что мелкие куски топлива опережают куски обжигаемого материала, провали­ ваясь в промежутки между ними. Вследствие этого высота зоны горе­ ния и величина потерь от механического недожога могут существен­ но возрасти, а степень полезного использования топлива снизится. О полезном использовании топлива в шахтной печи, при постоянном содержании его в шихте, можно судить по степени обжига карбонат­ ной породы. Нем лучше использование тепла от сгорания топлива, тем выше и степень обжига СаС03.

Сопоставляя данные по обжигу мела на антраците с различным соотношением размеров кусков (табл. 9), можно видеть, что наилуч­ шее использование тепла достигается при соотношении средних раз­ меров кусков 1 :1 .

Т а б л и ц а 9. Степень обжига мела в условиях неподвижной шихты при различном соотношении размеров кусков

56

Результаты опытов по определению зависимости длины кислород­ ной зоны от размеров кусков топлива приведены в табл. 10.

При соотношении размеров кусков 1 : 1 в условиях опыта длина кислородной зоны равна 60—85 dT; при соотношении 3 : 1 , даже в условиях неподвижной шихты, кислородная зона резко увеличи­ вается и достигает 120—175 dT. Эти данные указывают на возможность искусственного удлинения зоны горения при проскакивании топли­ ва в промежутки между крупными кусками карбоната. Куски горя­ щего топлива, попавшие на выгрузной механизм, обычно не догора­ ют и представляют собой потери от механического недожога. Темпе­ ратура низа печи при этом возрастает.

По мере выгорания топлива размеры его кусков уменьшаются вплоть до образования мелких частиц, которые могут провали­ ваться между кусками извести. Поэтому потери от механического не­ дожога неизбежны, но величина их будет различна в зависимости от исходного соотношения размеров кусков карбонатного сырья и топ­ лива.

Методика расчета зоны горения топлива

При расчете шахтной печи особенности процесса горения топли­ ва не учитывались. Расчет часто вели с условным допущением, что топливо сгорает в монокусковом слое в среднем сечении зоны обжи­ га. Для этого случая рассчитывалась теоретическая температура го­ рения топлива, которая в дальнейшем умножалась на так называе­ мый пирометрический коэффициент. Введением пирометрического коэффициента как бы учитывалось влияние теплообмена продуктов

57

горения с обжигаемым материалом. Значение этого коэффициента выбиралось произвольно в весьма широких пределах изменений, что обесценивало подобный расчет.

В основе современного расчета высоты зоны горения в шахтных печах [21, 22] лежит методика расчета горения топлива в слое [4].

Для неизотермического слоевого режима горения в диффузионной области

распределение концентрации кислорода по высоте слоя определяется следующим уравнением:

Х_

(Ш ,3)

где X—концентрация реагирующего газового компонента, % ; г —координата вы­

соты слоя, м; dT—средний диаметр кусков топлива, м; t0—начальная температу­ ра газа, °С; tT — температура поверхности горения топлива, °С; <р — функция переноса.

Для Re от 40—50 до 1000 функцию переноса можно рассчитать по уравне­ нию [4]

Коэффициентом разубоживания слоя топлива % названо отношение объема шихты к объему кусков топлива, заключенных в ней:

Ввиду того что температурный фактор играет незначительную роль в опре­ делении высоты зоны горения, последнюю можно рассчитать по упрощенной формуле

Эта формула устанавливает взаимосвязь между основными показателями процесса, а именно: высотой зоны горения, остаточной концентрацией кислоро­ да в газе, скоростью газов и коэффициентом разубоживания слоя топлива. Необ­ ходимо отметить, что при определении критерия Re = vdK/v, подставляемого в формулу (III, 6) или (III, 7), учитывается v (скорость газов, отнесенная к полно­ му сечению незаполненной шахты печи) и dK (средний диаметр кусков шихты), в то время как при определении отношения z/dT принимается во внимание сред­ ний размер куска топлива. В последнем случае размер куска карбонатного сырья не оказывает влияния на величину z/dT, если только не происходит просыпание топлива в промежутки между слишком крупными кусками материала.

Средний диаметр кусков рекомендуется определять как средневзвешенный, а концентрацию кислорода в газе принимать без учета разбавления его углекис­ лым газом, выделяющимся при разложении СаС03.

Результаты расчета длины зоны горения по предложенной мето­ дике сопоставлялись с экспериментальными определениями на дей­ ствующей заводской печи. С этой целью в печь погружался вместе с шихтой водоохлаждаемый газозаборник и каждые 15 мин отбира­ лась проба газа на анализ. Результаты анализа проб газа по высоте

58

печи приведены на рис. 14. Протяженность зоны горения при изме­ нении концентрации 0 2 от 21 до 2,9% составила ~ 2,1 м, а по рас­ чету для этой печи получено значение 2,0 м (подробный расчет при­ веден в главе «Методика теплового расчета шахтной печи»). Хорошее совпадение результатов говорит о применимости методики расчетов при горении топлива (в слое) и к случаю горения разубоженного слоя топлива с введением коэффициента разубоженности слоя.

В заключение необходимо остановиться на эмпирическом уравнении для расчета высоты зоны горения, предложенном в работе [23]:

ЯйМ ,!. (III,8)

Это уравнение фактически не отли­ чается от уравнения, приведенного в

[24]:

где рнас. з. м — насыпная плотность за­ гружаемого материала; хк — содержа­ ние кокса в шихте, вес. %; ркаж_ к — кажущаяся плотность кокса.

При этом подчеркивалось, что величина кусков кокса должна состав­ лять не менее 40% величины кусков из­ вестняка.

В уравнении из работы [23] уже более четко сформулировано понятие коэф­ фициента разубоживания слоя топлива (х).

Сопоставляя это уравнение с уравнением (III,6) или (111,7), можно видеть, что оно не выявляет зависимости длины зоны горения от производительности пе­ чи и содержания кислорода в газах. Совпадающие результаты расчетов по этим уравнениям могут быть получены лишь для определенных значений X и Re, отве­ чающих равенству

2,161g- X Re».1? = 5 ( ШЛО)

ГОРЕНИЕ ГАЗООБРАЗНОГО И ЖИДКОГО ТОПЛИВА

В промышленности наибольшее применение получил природный газ, основным компонентом которого является метан.

Процесс горения метана — типичный пример сложной цепной реакции, схема которой представлена на рис. 15 [25]. Промежуточ­ ными продуктами реакции являются формальдегид, окись углерода, перекисные соединения, некоторые радикалы. Окись углерода часто находят в отходящих продуктах реакции. Формальдегид обнаружен экспериментально при окислении всех углеводородов. Концентра­ ция его стационарна и обычно невелика, но при определенных усло­ виях окисление может идти только до формальдегида.

Метан по сравнению с другими углеводородами сравнительно трудно окисляется и подвергается разложению при относительно высоких температурах — выше 500 °С. Такие температуры харак­ терны для шахтных печей, что указывает на имеющиеся благоприят­ ные условия для протекания термической диссоциации. В интервале

59