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

Высота промышленных печей обычно составляет от 3 до 6 D шах­ ты. Таким образом, при вводе воздуха по периферии печи распреде­ ление его по сечению происходит крайне неравномерно, причем об­ ласть двумерной фильтрации захватывает значительную часть или даже всю высоту засыпки. Ввиду этого процессы горения топлива и теплообмена между газом и шихтой в центральной части печи проте­ кают менее интенсивно, чем у стен, что вызывает неравномерность обжига материала, перерасход топлива и увеличение коэффициента расхода воздуха в отходящих газах.

Влияние диаметра аппарата. Из теории фильтрации [12] следует, что неравномерность распределения потока по сечению аппарата обу­ словливается различной плотностью упаковки кусковой засыпки у стен и в центральной части. Отношение порозности слоя у стенки к порозности в центральном участке еп/ец ^ 1,3. Для монодисперсной засыпки разрыхленный слой можно принять равным d (доля разрых­ ленного слоя и изменение средней порозности слоя в зависимости от соотношения Did показаны на рис. 21, а). Для полидисперсной ших­ ты ширину разрыхленного слоя можно принять 2d [7]. Тогда поправ­ ка на увеличение средней порозности слоя <5% будет при D!d > > 45 (рис. 21, б). Последующее увеличение Did практически не ска­ зывается на средней порозности слоя. При <icp=80 мм это наблюдает­ ся в печах, диаметр шахты которых больше 3,6 м.

Влияние конфигурации низа шахты печи. В практике встречают­ ся печи не только цилиндрической формы, но и комбинированные — цилиндр и усеченный конус, обращенный меньшим основанием кни­ зу, сочетание двух усеченных конусов и т. п.

Наличие конусной части внизу шахты печи сокращает длину участка двумерной фильтрации за счет уменьшения диаметра аппа­ рата на входе потока (табл. 11) [9]. При подаче воздуха только по пе­ риферии печи наличие усеченного конуса внизу шахты благоприятно влияет на распределение его в слое. При соблюдении принципа под­ вода воздуха по всему сечению характер распределения воздуха в слое не зависит от конфигурации низа печи.

Влияние сегрегации кусков в шахте. При односторонней подаче полидисперсной шихты в загрузочный бункер происходит ее сегре-

70

гация, которая может сохраняться и при распределении шихты по поперечному сечению печи. В результате неравномерного распреде­ ления кускового материала происходит резкое искажение поля ско­ ростей, количественная характеристика которого зависит от грану­ лометрического состава шихты. В сегменте, заполненном преиму­ щественно крупной фракцией, возможно [131 трехкратное увеличе­ ние скорости газового потока (рис. 22). Именно это явление вызывает постоянные перекосы зоны горения в печах.

Рис. 22. Влияние сегрегации кусков на профиль скоростей газа:

а — односторонняя загрузка полидисперсной шихты; б — двусторонняя загрузка той же

шихты.

Для улучшения работы шахтных печей необходимо ликвидиро­ вать сегрегацию кусков в загрузочной воронке. С этой целью реко­ мендуется, в первую очередь, разгрузку шихты из вагонеток произ­ водить по оси печи путем открытия откидных днищ. Если такая раз­ грузка не может быть осуществлена, следует применять двусторон­ нюю или многостороннюю загрузку с помощью вращающейся загру­ зочной воронки либо использовать распределительное устройство, которое устраняет первичную сегрегацию шихты.

ПЕЧИ, РАБОТАЮЩИЕ НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ

Экспериментально установлено [14], что струя газа, движущая­ ся от куска горящего топлива, омывает участок, сечение которого на расстоянии h!dK~ 7,4 имеет диаметр DCTp = 4,8 dK (рис. 23).

Полученные результаты могут быть использованы для расчета наименьшего (теоретически) количества очагов горения, обеспечи­ вающего омывание шихты газами по всему поперечному сечению. Из условия полного перекрытия сечения печи струями следует, что

71

площадь одной струи должна быть равна площади шестиугольника со стороной r=5/2dK. Тогда минимально необходимое число очагов

горения составит

В реальных условиях куски топлива никогда не распределяются равномерно по всему сечению печи (что обеспечило бы максималь­ ное число очагов горения), а образуют скопления в отдельных мес­ тах. Это нарушает равномерность распространения газов по всему

\ \

Рис. 23. Распространение газовой струи от куска' горящего топлива в диаметральных сечениях под углом 45°.

сечению, которую можно оценить коэффициентом неравномерности распределения кусков.

Коэффициентом неравномерности назовем отношение минималь­ ного числа кусков топлива, фактически находящегося в монокусковом слое шихты и обеспечивающего распределение газов на площа­ ди, равной 0,95 сечения печи (Л7ф), к минимально необходимому чис­ лу кусков (Лгт):

Ки= Мф/Ыг

Для вращающегося спиралеобразного конуса с отбойником экс­ периментальное значение Кн равно 2.

Полученные данные были использованы для проверки возможно­ сти применения шихты с соотношением размеров кусков 1: 1. Пока­ зано [14], что даже применение мела и антрацита с соотношением размеров 1 : 1 не ухудшает условий распространения горячих га­ зов по всему сечению печи. Естественно, что при применении кокса, более легкого, чем антрацит, и известняка, более тяжелого, чем мел, количество очагов горения возрастет пропорционально отношению их кажущихся плотностей.

72

ПЕЧИ, РАБОТАЮЩИЕ НА ГАЗООБРАЗНОМ ТОПЛИВЕ

При равномерном распределении кускового материала по сече­ нию шахты наилучшее использование газообразного топлива будет зависеть от распределения его на входе в печь и от полного переме­ шивания его с воздухом. Как отмечалось выше, именно стадия обра­ зования газовоздушной смеси является лимитирующей стадией про­ цесса горения. Изучение процесса перемешивания газовых потоков позволяет определить условия наиболее полного сжигания газа в слое кускового материала.

Ввод газового потока через фурму в стенке шахты печи

Экспериментально установлено [15], что площадь распростране­ ния струи на уровне фурмы ограничивается дугой некоторой окруж­ ности радиусом R*, центр которой располагается на оси фурмы на некотором рассточении а от центра окружности поперечного сечения модели (рис. 24). Все принятые обозначения приведены на рисунке.

Рис. 24. Условные обозначения и схема распространения струи в горизонтальном сечении.

Так как дуга обращена вогнутой стороной к окружности модели

которые зависят от расходов газа по всему сечению аппарата и по фурме, от плотностей газовых потоков, диаметра кусков и т. п. Эти

Введем обозначения:

V — объемный расход газа; d— диаметр кусков; D — диаметр шах­ ты; индексы: ф — фурмы, п — печи, 0 — величины, относящиеся к сечению на уровне верхнего обреза фурмы

На основании экспериментов получены следующие зависимости

для Г0 и Р0, которыми можно пользоваться для инженерных расче­ тов:

Теперь можно рассчитать количество периферийных фурм п и обосновать необходимость осевого подвода газа. Количество пери­

74

ферийных фурм п=1:2Р0. При Г0 > 0,5 потоки газов, введенные по фурмам, перекроют все сечение печи, и центральный ввод газа в этом случае не требуется. При Г0 < 0,5 необходимо устанавливать цен­ тральную горелку. Распределение газового потока по периферийным и центральной горелкам будет определяться соотношением площа­ дей поперечного сечения печи, омываемых этими потоками.

При движении газовой струи вдоль шахты она смешивается с ос­ новным газовым потоком и омывает все возрастающую площадь се­ чения аппарата. Величина максимального радиального проникания возрастает пропорционально

~ 0,06hid (где h — высота данного сечения от оси фур­ мы).

Проверка отсутствия вли­ яния конфигурации фурмы

на глубину проникания га­ зов в слой была экспери­ ментально осуществлена на четырех вариантах фурмы: горизонтальная цилиндриче­ ская; наклонная цилиндри­ ческая (угол наклона 45°); усеченный конус; усеченная пирамида.

В результате подтвержден вывод, вытекающий из теории филь­ трации: конфигурация фурмы не оказывает влияния на глубину про­ никания газов в слой.

Исследование влияния двухъярусной фурменной подачи газов на глубину проникания их в слой представляло несомненный интерес.

При вводе газа через периферийную фурму образуется неравно­ мерное поле концентраций. У стен наблюдается избыток горючих компонентов, а в приосевой части — избыток воздуха [16]. Для вы­ равнивания концентраций в пристенный участок необходимо подать вторичный воздух.

Установлено, что подача воздуха через верхнюю фурму (второй ярус) увеличивает проникание газов Г' в слой кускового материала в радиальном направлении. На рис. 25 приведены результаты опы­ тов с вводом газа в два яруса. Проникание газов в слой увеличи­ вается до подачи в верхний ярус примерно трехкратного объема воз­ духа по отношению к объему газа.

Дальнейшее увеличение подачи воздуха в верхний ярус фурм уже не приводило к росту. Г' (рис. 25). В пристенном участке наблю­ далось движение воздушной струи, не смешивающейся с газовым по­ током.

Изменение расстояния между фурмами по вертикали не оказало заметного влияния на результаты опытов на холодном макете. Для промышленных печей оно должно выбираться с учетом кинетики сгорания топливного газа.

75

Ввод газа через центральную горелку-керн

Величина площади поперечного сечения шахты, омываемая га­ зами из керна, зависит от объемного расхода газообразного топлива в эту горелку. Чем больше доля газов, подаваемых в центральную горелку, тем большую площадь поперечного сечения печи они омы­ вают.

При соотношении размеров колпака керна и шахты 0,28 и расхо­ де газа в центральную горелку до 50% доля омываемой площади оказалась численно равной относительному расходу газообразного топлива в керн, выраженному в процентах к его общему расходу. Дальнейшее увеличение расхода газа в керн не приводило к пропор­ циональному увеличению омываемой площади сечения шахты. Так, при подаче 100% газообразного топлива в центральную горелку га­ зами омывалось только 78% всей площади сечения шахты.

Поле скоростей в центральном потоке было неравномерным. Вдоль оси отмечалось максимальное содержание горючего газа, ко­ торое постепенно снижалось вдоль радиуса шахты. Это наблюдалось как на макете, так и в промышленной печи. Для улучшения сжигания газа необходимо подавать воздух непосредственно в горелку.

Таким образом, при оснащении печи центральной горелкой и пе­ риферийными фурмами расход газа в керн не должен превышать 50% общего расхода. Более полное сжигание газообразного топлива мо­ жет быть достигнуто за счет подачи до 40% общего расхода воздуха непосредственно в центральную горелку. При этом следует отметить, что увеличение подачи первичного воздуха в горелку приводит к кон­ центрации очага горения непосредственно у горелки и, следователь­ но, сказывается на повышении температуры ее стенки. Остальные 60% воздуха необходимо вводить через холодильник извести.

Ввод газа с помощью балки

Площадь и конфигурация омываемого газами участка зависят от соотношения объемных расходов газа в подбалочный канал и в низ печи, а также от способа установки подбалочных горелок.

Балочный ввод газа может рассматриваться как ленточное горелочное устройство, расположенное вдоль диаметра шахты. При рав­ номерном распределении газа вдоль подбалочного канала, свобод­ ного от кускового материала, газ проникает в межкусковые поры в направлении, перпендикулярном оси балки, причем по обе стороны балки остается два сегмента, в которые газ из подбалочного канала не попадает. Поэтому для перекрытия всей площади сечения печи необходимо применять также периферийные горелки либо балочные горелки при взаимно перпендикулярном расположении двух балок.

Как показали опыты, торцевые подбалочные горелки не обеспе­ чивают равномерного распределения газа в канале. Конструкция горелки, устанавливаемой по диаметру печи, должна устранять этот недостаток.

76

ГЛАВА V

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ШАХТНЫХ ИЗВЕСТКОВО-ОБЖИГАТЕЛЬНЫХ ПЕЧАХ

Шахтные известково-обжигательные печи в делом работают по принципу противотока. Материал проходит последовательно зону подсушки и подогрева, в которой он нагревается до температуры на­ чала химической реакции (~850 °С), затем зону обжига, где происходит термическая диссоциация карбоната кальция, и, наконец, зону охлаждения, в которой образовавшаяся известь отдает тепло посту­ пающему в печь воздуху. Однако в области дву- и трехмерной филь­ трации может наблюдаться перекрестный ток и даже прямоток.

Зона тепловыделения (горения топлива) обычно совпадает с зо­ ной обжига и захватывает часть зоны охлаждения. Таким образом, зона обжига является зоной с внутренним источником тепла, а зона подогрева и значительная часть зоны охлаждения — рекуператив­ ными зонами, утилизирующими тепло выходящих потоков.

АНАЛИЗ СООТНОШЕНИЯ ВОДЯНЫХ ЭКВИВАЛЕНТОВ ПОТОКОВ

Для оценки конечной температуры выходящего из п,ечи газового потока и потока материала необходимо знать их водяные эквивален­ ты —• Wr и WM; IV — расход воды, кг/ч, эквивалентный по тепло­ емкости данному конкретному потоку. Если теплоемкость берется

в ккал/(кг-°С), то практически произведение /(с численно совпадает

сводяным числом, так как для воды св= 1. Водяное число можно опре­ делить по формуле

W= Кфв

где К — расход материала; св — теплоемкость воды.

Когда водяной эквивалент потока газов больше водяного эквива­ лента потока материала (Wr > WM), температура материала в ре­ зультате завершенного теплообмена достигнет начальной температу­ ры теплоносителя, а теплоноситель выйдет из теплообмена с избы­ точной температурой (t„_r). На рис. 26 приводится зависимость ко­ нечной температуры печных газов от соотношения водяных эквива­ лентов для двух случаев: #.= /„ и С = 0,95 t'T (где t' — температура потока на входе, t" — на выходе из зоны; индексы «г» и «м» относят­ ся к потокам газа и материала). По предложению Б. И. Китаева, случай С = 0,95 fT также считается завершенным теплообменом.

78

Из рис. 26 видно, что печные газы могут быть охлаждены до /п-г ss 100 °С при W JW T ж 0,9. При меньших значениях отношения водяных эквивалентов снижается степень утилизации тепла отходя­ щих газов.

В случае когда WM> WT, при завершенном теплообмене, газы отдадут все свое тепло материалу и охладятся до температуры посту­ пающего материала, однако материал останется нагретым недоста­

где сс — средняя теплоемкость сырья.

Обычно для данного вида сырья и установишегося режима обжи­ га К1 изменяется в очень узких пределах и может быть принят, в пер­

вом приближении, постоянным; теплоемкость потока и температур­ ный интервал нагрева также могут быть приняты постоянными (At может меняться только от tHr4 = /окрср). Тогда

скаж = Сс (А + В ■Н20 + D ■MgC03)

где А = Кс/Ксср_« 1; Я = 1(НЛ ?HCnc+Ag”eper ^ const; D = 10~2Л X

х ~ £ f - х const; Н20, MgC03 — содержание воды и MgC03 в потоке

79