книги из ГПНТБ / Циклонная плавка. (Теоретические основы, технология и аппаратурное оформление)

что даже при ширине отстойника, равной шести диаметрам циклона,

и при расстоянии от диафрагмы до расплава ~“д =5,0 скорость движе-

ния расплава у стенки остается заметной и составляет около 30% от максимального значения. При этих условиях для полного устране­ ния эрозии расплавом стенок отстойника габариты его нужно увели­ чить до неприемлемых размеров.

V

Рис. 82. Сравнение эксперименталь­ ного профиля вращения скорости жидкости (1) с {расчетным (2).

Таким образом, лишь размещение водоохлаждаемого порога под вертикальными циклонными камерами с совместным выводом газов и расплава и кессонирование стен разделительной камеры могут устранить износ кладки вращающейся струей газов, выходящих из циклона.

РАЗДЕЛИТЕЛЬНАЯ КАМЕРА

Размещаемый под циклонной камерой водоохлаждаемый порог вместе с ограждающими его поверхностями образует разделительную камеру, которая играет немалую роль при осуществлении в циклон­ ном агрегате процесса пироселекции, конечным продуктом которого являются возгоны окислов металлов, а получаемый расплав представ­ ляет собой отвальный шлак. По нашему мнению, при осуществ­ лении этих процессов благодаря высокой температуре и соответ­ ствующей газовой среде, поддерживаемой в циклонной камере, про­ исходит не только сублимация окислов металлов или их сульфидных соединений, но и возгонка восстановленных металлов, образующихся

врезультате ряда физико-химических превращений. Таким образом,

вциклонной камере в газовую фазу переходят в виде паров возгоня­ емые металлы или их простейшие соединения в соотношениях, зави­ сящих от режима работы камеры. Наряду с этим в газах содержатся

180

выносимые из циклона мельчайшие частицы шихты с сильно разви­ той поверхностью, и на них в результате адгезионных явлений и сорб­ ции осаждаются возгоны.

На выходе из циклона из-за высокой скорости вращения газового потока происходит сепарация обогащенных расплавом частиц уноса, улавливаемых жидкой пленкой расплава, покрывающей порог и ограждающей поверхности разделительной камеры. При этом проис­ ходит обогащение расплава металлом, что способствует увеличению содержания металла в шлаках. Впервые это явление было замечено при циклонной плавке цинковых кеков [67]. После размещения цик­ лона над узкой подковообразной водоохлаждаемой камерой содержа­ ние цинка в шлаке увеличилось за счет улавливания на ее стенках окислов цинка, содержащихся в твердой фазе, выносимой из циклона. Увеличение габаритов разделительной камеры (с таким расчетом, что­ бы исключить возможность контакта струи газов с ее стенками) и рас­ стояния между диафрагмой циклона и порогом до трех калибров диаметра диафрагмы снизило потери цинка со шлаком с 30 до

9—15%.

Можно предполагать, что аналогичное явление происходит при осуществлении в циклонной установке и других возгоночных процес­ сов, например при переработке материалов, содержащих редкие ме­ таллы.

Влияние аэродинамики потока и конструктивных соотношений разделительной камеры на технологические показатели возгоночного процесса можно проиллюстрировать результатами переработки в цик­ лонной камере золы, содержащей редкие металлы. Здесь при увеличе-г

щения возгонов снизилась с 5,7 до 4,4 и одновременно уменьшились потери металла со шлаком с 35—37% до 24—27% [68].

Как уже отмечалось, закрученная струя, вытекающая в ограни­ ченное пространство, отличается от аналогичной свободной струи. Прежде всего наличие стенок вызывает появление градиента давления по высоте струи. Он оказывает влияние на форму профиля скорости, направление вектора скорости и соотношение его составляющих. Про­ филь тангенциальной составляющей скорости потока, вытекающей

вразделительную камеру в зависимости от входной скорости воздуха

вциклон и диаметра диафрагмы, описывается зависимостью [68]

181

где Увх— скорость ввода воздуха в циклон;

где X — отношение расстояния между выходной диафрагмой и поро­

гом к диаметру диафрагмы x —h/d^.

Рис. 83. Зависимость потерь со шлаком (а) и кратности обога­ щения (б) от скорости газов у порога.

Сизменением расстояния от диафрагмы до порога скорость струи

уповерхности шлаковой пленки, покрывающей порог, претерпевает существенное изменение. Соответственно этому меняется и давление, оказываемое струей на поверхность порога, образуется профиль дав­

ления, оконтуренный границами воздушного потока в данном сечении. Основная часть кинетической энергии струи теряется при ударе, после чего скорость ее резко падает. Это положение подтверждено экспери­ ментально на моделях и огневых стендах.

Таким образом, представление о движении газовой струи [69], согласно которому струя, отражаясь от порога, ударяется в свод и раз­ рушает его, не находит подтверждения. Угол полного раскрытия струи, образуемый осью циклона и внешней ее границей, где вектор скорости равен нулю, для изотермического и неизотермического пото­ ков в зависимости от расхода воздуха находится в пределах 22—34°.

Минимальная ширина порога при известном угле раскрытия фа­ кела может быть определена как

где h — расстояние от порога до выходной диафрагмы; а — угол раскрытия струи.

182

где Тт— температура газов в камере разделения.

Подставив необходимое значение осевой скорости газов у поверх­ ности порога, из последнего уравнения можно найти необходимое рас­ стояние от диафрагмы до порога, а по полученной величине h по фор­ муле (3.75) определить минимально необходимую ширину порога.

Влияние изменения скорости газов на выходе из циклона, раз­ меров диафрагмы и расстояния от диафрагмы до порога на основные

•технологические показатели процесса пироселекции, кратность обога­ щения возгонов и потери металла со шлаками изучались при перера­ ботке зол, содержащих редкие металлы [68].

Из рисунка 83 отчетливо видно, что при малой скорости газов у порога (последний значительно удален от диафрагмы) потери метал­ ла со шлаками минимальны. Однако при этом низка и кратность обога­ щения, так как на пороге из-за малой скорости газов сепарируется незначительное количество механического уноса. Уменьшение диа­ метра диафрагмы сопровождается возрастанием кратности обогаще­ ния [68]. Это обусловлено улучшением сепарации частиц из газового потока, вследствие чего уменьшается пылевынос и соответственно воз­ растает кратность обогащения.

Таким образом, приведенные соотношения позволяют определить размеры разделительной камеры в зависимости от производительности циклонной установки и оценить влияние геометрических соотношений разделительной камеры на характеристики потока, а следовательно, и на технологические показатели процесса пироселекции.

ДВИЖЕНИЕ, ГОРЕНИЕ И ОКИСЛЕНИЕ ЧАСТИЦ УГЛЕРОДА И СУЛЬФИДОВ

Состояние вопроса

Сложность рабочего процесса, протекающего в циклонной камере, пока еще не позволила разработать всеобъемлющую теорию, на базе которой можно было бы создать надежную методику инженерного рас­ чета такого аппарата.

Уместно отметить, что подобная методика отсутствует не только применительно к плавильным агрегатам рассматриваемого типа, но также и к давно существующим и широко используемым в цветной металлургии отражательным и шахтным печам. Тепловые расчеты

183

печных и топочных устройств базируются на эмпирических'^зави­ симостях, возможность экстраполяции которых существенно ограни­ ченна.

Плодотворным в разработке методики расчета огневых устройств оказался метод обобщения экспериментальных материалов с помощью теории подобия. Этим способом удалось обработать значительное чис­ ло отечественных и зарубежных опытов и получить полуэмпирические зависимости, которые используются в настоящее время для расчета выгорания твердого и жидкого топлива в прямоточном факеле. Такой прием дает возможность приблизиться к реальной обстановке изучае­ мого процесса, отличающегося сугубо зональным характером, который пока не может быть описан аналитической зависимостью.

Для расчета топок котельных агрегатов в качестве исходных при­ нимаются экспериментальные зависимости, отражающие удельные тепловыделения, приходящиеся на единицу объема или сечения топки

(дѵ, Гкал/м3 -час или qf, Гкал/м2-час).

В циклонной камере в условиях быстро вращающегося потока, включающего в себя газовую и твердую фазы, происходит прогрев, горение, окисление и плавление частиц, масса которых в большинстве случаев подвергается непрерывному изменению.

Несущая газовая среда также претерпевает различные физико-хи­ мические изменения (меняются ее аэродинамическая структура, тем­ пература, плотность, химический состав и др.).

Поведение частиц измельченных материалов, подвергающихся тепловой обработке и соответствующим физико-химическим измене­ ниям при их движении в аппаратах циклонного (вихревого) типа, при­ влекали к себе внимание исследователей с того момента, как эти устройства стали применяться в огнетехнике. Главное внимание было, естественно, уделено частицам топлива, поскольку горение его яв­ ляется основой, на которой базируются все огнетехнические и пирометаллургические процессы.

Первая попытка аналитического решения задачи движения час­ тиц переменной массы во вращающемся потоке принадлежит М. Леддинегу [76], использовавшему уравнение расчета движения частиц в центробежных пылеуловителях. Принятые здесь допущения, как показано в [77], приводят к существенному расхождению результатов расчета с реальной картиной процесса. К числу допущений, например, относится использование закона Стокса для расчета коэффициента аэродинамического сопротивления движущихся в газовом потоке час­ тиц. Область применения этого закона, как известно, ограничена ма­ лыми значениями критерия Рейнольдса. Для циклонного потока, характеризуемого сильной турбулентностью, использование закона Стокса недопустимо.

184

Кроме того, не учитывался инерционный член и полагалось, что

лось равномерным. Такое допущение также противоречит действитель­ ности, ибо частица, вдуваемая тангенциально в циклонную камеру вместе с подводимым воздухом, движется в радиальном направлении ускоренно, имея лишь в начальный момент радиальную скорость

Ѵг =0.

Рассматривая условия выгорания частицы углерода, прилипшей к шлаковой пленке, М. Леддинег указывает, что время выгорания со­ измеримо с временем движения шлаковой пленки в циклоне. Выдви­ нув, таким образом, идею горения углерода на шлаковой пленке, он не пытается даже объяснить причин существенной интенсификации горе­ ния топлива в циклонных камерах.

Другая схема рабочего процесса в вихревых камерах [78] основа­ на на так называемых равновесных радиусах, и хотя она разрабатыва­ лась для сжигания жидкого топлива, отмечается возможность рас­ пространения полученных результатов на твердое топливо. Автор предполагает, что вводимая в камеру капля топлива находится в со­ стоянии равновесного вращательного движения вплоть до ее полного выгорания. По его мнению, таким условиям способствует характер распределения давления по сечению камеры, и в расчете необходимо учитывать не только величину тангенциальной и радиальной скоростей потока на равновесном радиусе, где уравновешиваются силы, воздейст­ вующие на частицу, и силы, направленные к центру, но и фактор ста­ бильности, заставляющий частицу колебаться около ее среднего поло­ жения, отвечающего равновесной окружности. По мере выгорания масса частицы уменьшается и соответственно изменяется равновесный радиус, т. е. частица перемещается к центру, в область пониженных давлений. Фракции, для которых радиус равновесной окружности больше, чем радиус циклона, достигают стенки камеры. Последняя должна рассчитываться таким образом, чтобы ее диаметр, определяе­ мый радиусом периферийного вихря, согласовывался с максимальным размером, который может выгореть в объеме камеры.

Таким образом, рассмотренные выше схемы процесса представ­ ляют собой две крайние точки зрения: горение основной доли топлива на шлаковой пленке и полное выгорание его в объеме.

В обеих работах, по существу, не анализируются причины, обу­ словливающие интенсификацию процесса сжигания топлива в цик­ лонной камере.

Попытку качественного объяснения высоких тепловых напряже­ ний в циклонных устройствах можно найти в работах [13, 79]. В них особенности сжигания топлива в циклонных камерах объясняются

185

специфической структурой потока, которая характеризуется возник­ новением в рабочем пространстве камеры вихревых циркуляционных зон, ускоряющих все стадии топочного процесса. Немалая роль в орга­ низации циркуляционной структуры отводится встроенному пережи­ му — коническому выходному соплу, размещаемому на торцевой стен­ ке камеры. Вблизи него возникают значительные вторичные течения, способствующие резкому ускорению наиболее затяжных стадий то­ почного процесса — смесеобразованию и горению коксового остатка, что и обусловливает интенсификацию сжигания топлива, а следова­ тельно, и тепловых процессов в этих устройствах.

Что касается минеральных частиц, содержащихся в топливе, то они, согласно [13, 79], подчиняются иной закономерности и за исклю­ чением мельчайших фракций, которые могут увлекаться вихревым стоком, направленным к центру камеры, неизбежно сепарируются на стенку циклона в виде расплавленного шлака. Такое «селективное» влияние воздушного потока на частицы горящего кокса и плавящейся золы в реальных условиях, очевидно, существовать не может.

Если принять изложенную схему процесса, то, как это показано [80], даже приближенная количественная оценка теплонапряжения циклона с указанием позиций окажется невозможной.

Нельзя также обосновать уменьшение удельного объемного теплонапряжения в циклонных камерах, работающих с сухим золоудале­ нием, которое отмечается в работе [13]. Наконец, касаясь роли встроенного пережима в развилин горения в циклоне, нельзя не отме­ тить, что в вертикальных камерах с плоской выходной диафрагмой не наблюдается заметного ухудшения процесса горения по сравнению с циклонными топками, снабженными коническими выходными соп­ лами [64].

Общеизвестно, что при переходе от слоевого сжигания топлива к факельному положительный эффект от многократного увеличения реагирующей поверхности за счет измельчения топлива практически не удалось реализовать, поскольку при камерном сжигании резко ухудшаются условия массообмена между газовым потоком и витающи­ ми в нем частицами.

Принимая, что процесс протекает в диффузионной области, ско­

где NuÄ— диффузионный критерий Нуссельта;

D— коэффициент диффузии;

7 г— удельный вес газовой среды;

186

где В — часовой расход топлива; <3'р — низшая теплотворность рабочего топлива;

V — объем рабочего пространства.

Принимая, что весь объем заполнен полностью выгорающим фа­

где Ьф,Р— длина и сечение факела; Wcp— средняя скорость пламени;

— полное время пребывания (горения) факела.

Используя правило Менделеева — Вельтера, запишем среднюю скорость газов в рабочем пространстве агрегата в виде зависимости

1,^ .Д .а .Г ф Хр

где а — коэффициент избытка воздуха.

Значение тф может быть принято равным времени горения час­ тиц наибольшего размера, содержащихся в рассевке. В обычной пыле­ угольной топке, работающей при а =1,2, 7 ф .с р =1673°К ДЛЯ б щ а х =

= 0,2 мм, при NuÄ =2,0, Т ф = 1,75 сек [73]. Из выражения (3.81) полу­

чим qv = 250-ІО3 ккал/м*-час.

Полученная величина весьма близка к значениям, рекомендуе­ мым нормативным методом для расчета камерных топок, что под­ тверждает правомочность такой оценки.

187

іф'Тф. ср не зависит от температуры, и, следовательно, температур­ ный режим факельного процесса, если последний протекает в диф­ фузионной области, почти не оказывает влияния на его интенсивность. Таким образом, для форсирования факельного процесса, протекающего в диффузионной области, исключая возможность повышения концент­ рации кислорода в газовой среде, остается один путь — интенсифика­ ция масообмена, т. е. увеличение критерия NuÄ.

Расчеты [80] показали, что даже при относительной скорости частицы (6= 0,2 мм) Ѵч =150 м/сек, практически не реализумой в пря­ моточном факеле, удельное теплонапряжение объема камерной топки может достичь лишь значения g F= 722 • 103 ккал/м3 • час.

Между тем опыт работы многочисленных циклонных топок по­ казывает, что в этих устройствах qv={ 4—5) • 10Gккал/м3 • час. При­ веденные данные свидетельствуют о том, что такие форсировки не мо­ гут быть объяснены с позиций авторов работ [13, 79].

Задача горения дисперсного топлива в циклонных камерах с по­ следующим распространением результатов на горение топлива в комп­ лексе с окислением сульфидов в технологических циклонных камерах решалась нами. На основе комплексного анализа процесса составлена и исследована на ЭВМ математическая модель большого числа вариан­ тов, что позволило выявить основные закономерности, характеризую­ щие горение частиц твердого топлива и окисления сульфидного мате­ риала в циклонной камере, а также установить влияние ряда конструк­ тивных и режимных параметров на поведение твердой фазы в этих устройствах [80, 82—86]. Результаты решения позволили сформулиро­ вать схему рабочего процесса, в основу которой положено, что в цик­ лонной камере процесс представляется двустадийным, происходящим в объеме и на стенке циклонной камеры в тесной взаимосвязи и взаим­ ной обусловленности стадий [87—90].

Как будет показано ниже, экспериментально-лабораторные, стен­ довые и опытно-промышленные исследования подтвердили обосно­ ванность таких представлений и достоверность предложенной схемы рабочего процесса.

Большие теоретические и экспериментальные исследования зако­ номерностей поведения дисперсных материалов в циклонных аппара­ тах проведены в МЭИ [91—94]. В них основное внимание уделялось поведению технологического сырья, однако в силу специфики условий рассматриваемых процессов и с целью упрощения решения из за­ дачи фактически было исключено влияние твердого углеродистого топлива.

188

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА В ПЛАВИЛЬНОЙ ЦИКЛОННОЙ КАМЕРЕ

Наиболее плодотворно применение циклонного принципа сказы­ вается на тех процессах, которые лимитируются физическими факто­ рами — массо- и теплообменом.

К ним, очевидно, принадлежат все высокотемпературные процес­ сы, осуществляемые при переработке диспергированного сырья, про­ цессы, протекающие в диффузионной области, а также безреакционные тепловые процессы (плавка, возгонка, термическое разложение). В ряде случаев в циклонной камере целесообразно осуществлять даже те процессы, интенсивность которых определяется кинетикой, так как в камере может быть развита высокая температура.

При использовании циклонного принципа для технологических целей приходится совмещать горение углеродистого топлива и терми­ ческую обработку дисперсного технологического материала. Послед­ ний в зависимости от химического состава может иметь весьма разно­ образные свойства, предопределяющие различный характер реакций, проходящих при движении частиц в объеме камеры и в период их на­ хождения на пленке расплава. Так, в технологическом циклоне могут иметь место окислительные или восстановительные процессы, изме­ няться агрегатное состояние (плавление, возгонка), масса частиц и т. д. Некоторые химические превращения сопровождаются эндотермичес­ кими и экзотермическими эффектами, по-разному влияющими на ха­ рактер теплового взаимодействия в камере, что, несомненно, влечет за собой соответствующее изменение количества сжигаемого топлива и условия его горения.

Рассмотрим подробнее особенности, свойственные окислительному процессу, протекающему при переработке сульфидных медных кон­ центратов.

Одно из преимуществ циклонной плавки сульфидных медных кон­ центратов в том, что она обеспечивает высокую степень десульфуриза­ ции, вплоть до получения белого матта, а при некоторых условиях — даже черновой меди.

Значительная доля тепла, необходимого для процесса, выделяется за счет окисления сульфидов шихты, а углеродистое топливо подается лишь для покрытия дефицита тепла. В зависимости от заданного со­ держания меди в штейнах степень десульфуризации в циклонных ка­ мерах регулируется в желаемых пределах и соответственно изменяется расход воздуха и топлива. Таким образом, общее количество сжигае­ мого в камере топлива следует рассматривать как сумму, состоящую из традиционного углеродистого топлива и специфического технологи­ ческого (горючая часть шихты — сульфиды). Общее количество возду­

189