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

о.

Рис. 15. Схема окисления метана.

температур 500—1200 °С равновесное состояние реакции разложе­ ния метана СН4 С + 2Н2 характеризуется следующими данными

[26]:

Данныео равновесии не характеризуют кинетики реакции, и по­ этому степень полноты протекания процесса диссоциации, особенно в специфических условиях шахтных печей, остается еще не выяснен­ ной.

Как указывает В. П. Михеев [27], «углеводороды, включая ме­ тан, даже в очень малые промежутки времени в результате разложе­ ния дают заметные количества элементарного углерода. Наличие катализаторов (железа, никеля) сильно ускоряет процесс разложе­ ния».

Температура термической диссоциации углеводородов метаново­ го ряда уменьшается с увеличением их молекулярного веса. А. Е. Чичибабин [28] приводит следующие данные о температуре разложения углеводородов до элементарного углерода: метан 800 °С, пропан 700—800 °С, бутан 650—750 °С. Поэтому применение пропан-бута- новых фракций для сжигания в шахтных печах требует соблюдения некоторых специфических условий.

В качестве газообразного топлива применяют коксодоменные га­ зы и отходящие газы электродуговых карбидных печей. Отходящий газ карбидных печей, состоящий в основном из окиси углерода, мо­ жет покрыть более 50% потребности в топливе, а недостающее коли­ чество намечается восполнять природным газом.

Процесс горения СО развивается энергично только в присутствии небольшого количества воды или водорода [29]. Механизм процесса заключается во взаимодействии окиси углерода с имеющимися в га­ зовой фазе активными центрами ОН~ и О2по следующей схеме:

ОН + СО-----> С02 + Н

О+ СО-----> с о 2

Н+ 0 2 ------ ОН + О

2СО + 0 2 = 2СОа

В результате образуется не только конечный продукт, но и новые активные центры. Установлено, что скорость реакции окисления окиси углерода не зависит от концентрации кислорода и пропорцио­ нальна произведению концентрации СО и начальной концентрации влаги. При одновременном сжигании окиси углерода и водорода, при избытке кислорода, водород сгорает в 3 раза быстрее СО. Меха­ низм горения водорода во многом напоминает механизм горения СО

[30].

61

При сжигании газообразного топлива различают кинетический и диффузионный режим горения. В первом случае сжигание топлива характеризуется наличием однородной газовоздушной смеси, кото­ рая вводится в топочное пространство. Горение протекает в однород­ ной среде, при постоянном избытке воздуха, с постоянной произво­ дительностью по теплу (теплопроизводительностью). При недоста­ точном количестве кислорода в горячей смеси горение идет до пол­ ного его расходования, а оставшееся горючее, находящееся в смеси с продуктами горения, догорает уже за счет диффузионного подвода недостающего кислорода. При кинетическом режиме горения обеспе­ чивается полнота сжигания газа при минимальном избытке воздуха, причем горение происходит интенсивно, без образования светящегося пламени.

Диффузионный режим сжигания топлива характеризуется горе­ нием газовоздушной смеси в момент ее образования и происходит в случае отсутствия предварительного перемешивания газа с возду­ хом. Наибольшая протяженность диффузионного факела наблюда­ ется при ламинарном характере течения потоков топлива и воз­ духа [31].

С переходом от ламинарного режима течения потоков к турбу­ лентному изменяется и относительная длина пламени, равная отно­ шению осевой скорости потока к скорости диффузии. Если при ла­ минарном режиме движения относительная длина факела возрастает с увеличением нагрузки горелки, то при переходе к турбулентному режиму, в некоторых границах, она постоянна. Длина диффузион­ ного факела в турбулентном потоке не зависит от его скорости, а за­ висит от химического состава газа, его физических свойств и особен­ ностей перемешивания. Газы с высокой теплотой сгорания образуют более длинный факел.

При высоких температурах скорость химической реакции ста­ новится несоизмеримо больше скорости образования смеси, поэтому фактическая скорость сгорания топлива оказывается равной скоро­ сти смешивания топливного газа и воздуха.

Жидкое топливо сжигают после предварительного испарения или распыления в топочном пространстве, что способствует его быстрому испарению и перемешиванию с воздухом. Процесс испарения мазута начинается при 150 °С, а при 200—300 °С протекает очень интенсив­ но, в особенности при тонком распылении.

Переход жидких углеводородов в газ.ообразное состояние может протекать одновременно с реакциями окисления в присутствии кис­ лорода.

Процесс пирогенетического разложения углеводородов мазута начинается при 400 °С и интенсифицируется с повышением темпера­ туры. Однако при 650—700 °С и недостатке кислорода могут обра­ зоваться тяжелые высокомолекулярные углеводороды, предельно насыщенные углеродом (до 95—98%). Процесс расщепления топлива обычно сопровождается образованием твердого остатка в виде сажи и коксика.

62

Горение газообразного топлива в слое кускового материала

Спецификой обжиговых печей является необходимость охлажде­ ния получаемого продукта. Поэтому воздух полностью или частич­ но должен подаваться в печь через зону охлаждения, что предопре­ деляет диффузионный режим горения, протекающий в межкусковых порах. Кусковой слой может оказывать различное влияние на про­ цесс горения. С одной стороны, компактный слой препятствует пол­ ному и быстрому перемешиванию газов и этим резко замедляет го­ рение, с другой — наличие раскаленной насадки может способство­ вать зарождению активных центров, ускоряющих течение основной реакции. И все же скорость всего процесса лимитируется образова­ нием смеси. Поэтому изучение закономерностей перемешивания га­ зов в компактном и кипящем слое кусковой засыпки приобретает особо важное значение.

Трудность образования газовоздушной смеси в слое кускового материала приводит к тому, что углеводороды, движущиеся через нагретый кусковой слой, подвергаются термической диссоциации с образованием элементарного углерода. Элементарный углерод, вы­ деляющийся в виде сажи, очень трудно сжечь в шахтной печи. Влия­ ние его на процесс не ограничивается только увеличением расхода топлива на обжиг извести. Вследствие неполного сгорания углерода в стыках и трещинах откладывается сажа, что разрушающе действу­ ет на футеровку, резко сокращая срок ее службы [32, 33].

Особые трудности возникают в случае применения в шахтных печах пропан-бутановых фракций. При сжигании пропан-бутана не­ обходимо поддерживать более высокий коэффициент расхода возду­ ха, чем при сжигании метана (1,2—1,3 против 1,1 при использова­ нии в обоих случаях горелки одного и того же типа). Недопустимо применение периферийных однопроводных горелок, которые быстро забиваются образующимся элементарным углеродом [34]. С целью обеспечения взрывобезопасности рекомендован режим работы печей под избыточным давлением. Такой режим способствует получению газовоздушной смеси в заданной пропорции, что исключает проскок несгоревшего газа на колошник печи [35].

Явление термической диссоциации газообразного топлива отсут­ ствует у окиси углерода, что облегчает ее сжигание в кусковом слое. Отсюда следует, что в случае удовлетворительного решения вопроса о сжигании метана оно будет, безусловно, приемлемо и для случая сжигания СО (например, для случая применения отходящих газов карбидных печей).

Горение газообразного топлива при использовании периферий­ ных горелок. Горение газообразного топлива при вводе его через фурмы изучалось на промышленной печи [36]. Результаты анализа проб газа, отобранных в радиальном направлении на уровнях 1,6 и 3,6 м от оси диффузионной и инжекционной горелок, приведены на рис. 16, 17.

63

Экспериментальные данные показывают, что на расстоянии до 0,8 м от стенки шахты происходит неполное горение метана. Коэф­ фициент расхода воздуха изменяется в пределах 0,4—0,6, в газах отмечается высокое содержание СН4, СО и Н2, что свидетельствует о плохом перемешивании газа с воздухом в слое кускового материала.

Рис. 16. Состав газа по радиусу печи на высоте 1,6 м (а) и 3,6 м (б) над уровнем газовых фурм и значения коэффициента расхода воздуха (в) для этих высот.

Расстояние от стенки печи, к

Увеличение пути прохождения газа по высоте шахты не приводило к повышению полноты его сжигания в пристенном слое из-за недо­ статка кислорода. Интенсивное перемешивание газа с воздухом про­ исходило лишь на небольшом участке на расстоянии 0,8—1,0 м от

стенки печи.

Аналогичная картина наблюдалась и при использовании инжек­ ционной горелки (рис. 17). При подсосе воздуха через инжекционную горелку концентрация окиси углерода и водорода снижалась

64

по сравнению с работой этой горелки без подсоса воздуха, однако общее содержание горючих компонентов в смеси в полуметровом слое от стены оставалось высоким. Коэффициент расхода воздуха при этом возрос незначительно — от 0,5 до 0,6.

Таким образом, при подаче воздуха в инжекционную горелку обеспечивалось более полное сжигание газа, что, в свою очередь, вы­

приосевом участке шихты горение газа происходило при значитель­ ном недостатке воздуха. Только на расстоянии 1 м от оси коэффи­ циент расхода воздуха достиг 1 (рис. 18).

Общим недостатком применения однопроводных горелок являет­ ся неполнота сгорания газообразного топлива и, вследствие этого, большие потери тепла от химического недожога.

Требования к конструкции горелочных устройств и их расположению в шахтных печах

Применение газообразного топлива для обжига карбонатного сырья вместо твердого имеет ряд преимуществ, а именно: снижение себестоимости топлива, удобство и легкость дозирования газа и ре­

Г Л А В А IV

АЭРОДИНАМИКА ШАХТНЫХ ОБЖИГОВЫХ ПЕЧЕЙ

АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ СЛОЯ КУСКОВОЙ ЗАСЫПКИ

Область значений Re от 7—9 до (0,5— 1,0) 104 характеризуется переходным турбулентным режимом фильтрации, в котором одно­ временно действуют и силы инерции, и силы вязкости [1, 2]. При выражении зависимости сопротивления слоя от скорости газового потока степенной функцией показатель степени в этой области изме­ няется от 1 до 2. В общем случае сопротивление зернистого слоя описывается интерполяционной формулой типа [3—7]

где Н — высота слоя засыпки, м; w — скорость газов, м/с; d — сред­ ний размер кусков, м; А, В — коэффициенты пропорциональности (определяются экспериментально).

В критериальном виде эта зависимость записывается как зависи­ мость коэффициента сопротивления слоя от критерия Re:

Для различных кусков материалов характерна своя специфичес­ кая зависимость А,сл= /(Re) аналогично, например, различным зави­ симостям для труб с разной шероховатостью. Для известняка эта за­ висимость [4] выражается уравнением]

Для засыпки из кусков мела значение первого коэффициента от­ личается более чем вдвое [8]:

Отличие коэффициента в первом члене указывает на то, что влия­ ние сил трения слабее для известняка, чем для мела. По мере турбулизации потока, когда все большее значение приобретают силы инер­ ции, разница в значениях Ясл сглаживается, и в области квадратич­ ной турбулентной фильтрации они будут совпадать.

Значение критерия Re меняется по высоте печи и особенно резко в гоне подогрева (рис. 19). Для технических расчетов необходимо прибегнуть к усреднению значений Re по зонам и рассчитывать со­ противление 1 м слоя для каждой зоны в отдельности.

Численные значения Re указывают на то, что в зоне подогрева режим фильтрации близок к квадратичному турбулентному, в зонах охлаждения и обжига наблюдается переходной режим.

На практике определение эквивалентного диаметра шихты (учет влияния мелких фракций) оказывается трудным делом, поэтому мож­ но, пользуясь зависимостью А,сл= /(Re), решать обратную задачу—по найденно­ му экспериментальному значению Хсл находить величину d3. Для этого необ­ ходимо при данном режиме определить коэффициент сопротивления слоя реаль­ ной шихты и затем рассчитать значе­

ние d3.

ПОЛЕ СКОРОСТЕЙ! ГАЗА В АППАРАТЕ С КУСКОВОЙ ЗАСЫПКОЙ

Конфигурация поля скоростей. При фильтрации потока через слой куско­ вого материала может наблюдаться

Т е м п е р а т у р а ,° С ; Re

одно-, дву- и даже трехмерное движе­ ние газа. Если скорость меняется толь­ ко по радиусу шахты, такое движение называют одномерной фильтрацией. При изменении скоростей газа в зави­ симости от радиуса и высоты слоя за­ сыпки такую область называют двумер­

ной фильтрацией. В случае фурменного ввода газов может наблю­ даться и область трехмерной фильтрации (третьей координатой можно считать угол раскрытия струи).

Конфигурация поля скоростей в области одномерной фильтрации зависит от распределения материала по размерам кусков в попереч-

-ном сечении аппарата и от характера движения газового потока (кри­ терия Re), а конфигурация поля скоростей при двумерной фильтра­ ции определяется главным образом условиями ввода газа. Чем рав­ номернее распределяется газ (воздух) по поперечному сечению на входе в аппарат, тем быстрее достигается распределение газового потока, характерное для одномерной фильтрации, и тем короче ока­ зывается область, в которой происходит перераспределение газового потока (область двумерной фильтрации).

При заполнении шахты печи даже одинаковыми по размеру кус­ ками доля свободного объема у стен всегда больше, чем в централь­ ной части. Вследствие этого потери напора на преодоление местных сопротивлений и вязкого трения в центральной части выше, чем у

68

стен печи, и поэтому распределение газового потока в области одно­ мерной фильтрации характеризуется более высокими скоростями у стен. При значениях Re до 110 и Did < 30 оно описывается следую­ щим уравнением [9, 101:

где R — радиус шахты; г — текущий радиус; wa — скорость газово­ го потока у стены.

С турбулизацией газового потока неравномерность его распреде­ ления по поперечному сечению уменьшается [11].

Наибольшая протяженность области двумерной фильтрации на­ блюдается при вводе воздуха по периферии через выгрузочные отвер­ стия и может достигать 4 D шахты на входе потока (рис. 20). При вводе газового потока только по оси аппарата размер этой области сокращается до 2D.

69