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

2rWnx

(3.101)

a-

Здесь r = -----относительный радиус; Лц

Лд а = -р—— относительное положение максимума скорости.

Представленные на рисунке 97 зависимости показывают, что для крупных частиц расхождения расчетных значений (Ѵг и Ѵѵ ), вычис-

ленных по уравнениям (3.100) и (3.101), ничтожны и существенны лишь для мелких выгорающих частиц, особенно в камерах большого размера.

Большое воздействие закон распределения W,f оказывает на ве­ личину относительной скорости U (рис. 98).

210

Отмеченные изменения, естественно, сказываются на суммарных характеристиках процесса — времени сепарации х с и выгорания час­ тиц ср. Эти характеристики в случае квазипотенциального вращения* обусловливающего меньшие значения Ѵт, оказываются большими; Однако изменение относительных скоростей, вызывающее некоторое снижение интенсивности процесса горения, делает отмеченное возрас­ тание хс и ф несущественным. Действительно, для камеры Du =0, 8 m расхождения в значениях х с для частиц 6= 25 мкм составляют около 20%, а для выгорания — 23%. Для основной массы частиц (бГз=50 мкм) параметры практически совпадают. Эта закономерность

Рис. 100. Максимальные температуры, развиваемые частицами топлива, при различном законе изменения вращательной составляющей скорости газового потока: а — по зависимости (3.100); б — (3.101). 1 — Лц= 0,8; 2 — 1,5; 3 — 2,5; 4 — 4,0 м.

наблюдается и для камер других размеров: время сепарации час­ тиц 6^ 100 мкм практически совпадает при обоих законах изменения W-f и заметно различается лишь для выгорающих частиц 6=^50 мкм

(рис. 99).

Совместное воздействие хс и U определяет изменение температу­ ры, развиваемой частицами (рис. 100).

Таким образом, изменение вращательной составляющей скорости газовой среды в пределах рассмотренных закономерностей не меняет качественной картины процесса и мало сказывается на количествен­ ных значениях суммарных расчетных характеристик.

211

В л и я н и е м е с т а в в о д а м а т е р и а л а . Существует несколь­ ко способов подачи в циклонный аппарат твердого топлива и перера­ батываемого сырья. Обычно мелко дробленный уголь (бтах ~ 6,0 мм) подается в циклонные топки с помощью турбулентных горелок, распо­ ложенных на торцевой крышке, угольная пыль грубого помола (Дд0 = ==40-^50% и Д 20о = 15-^20%) — через тангенциальные сопла, разме­

щаемые под воздушными соплами.

Сырье также может подаваться аксиально, через течки, располо­ женные на крышке циклона [117, 118], через прямоточные горелки с конусом-рассекателем, тангенциально вместе с воздушным пото­ ком или через отдельные сопла, размещаемые под тангенциальным вводом воздуха, что определяет последующее движение частиц в цик­ лонной камере (рис. 101).

Рис. 101. Схема ввода частиц материалов в циклонную камеру.

При тангенциальной подаче частица поступает в циклон с некото­ рой начальной тангенциальной скоростью, примерно равной скорости

212

транспортирующего ее воздуха, во втором случае через осевую горел­ ку, сообщающую ей некоторую радиальную скорость, и, наконец, — через течку в верхней образующей камеры (при ее горизонтальном по­ ложении) или в верхней крышке (для вертикальных циклонов). В этом случае частица поступает в циклон на некоторый начальный радиус го, а в начальный момент имеет нулевую скорость (F0 = 0).

Анализ влияния изменения места ввода частиц на их движение проводился для двух случаев: когда частица поступает в камеру окружности D0 = O,75 £>ц и Z)0 = 0,5 [83]. Приближение места ввода

частиц к периферии сопровождается некоторым увеличением времени их сепарации (рис. 102). Такой неожиданный, на первый взгляд, вывод объясняется принятым допущением, что движение газовой среды под­ чиняется закону PF9 = const/r, т. е. с приближением к стенке скорость несущего потока уменьшается. Поэтому со смещением ввода частиц ближе к стенке они поступают в зону пониженных скоростей и мед­ леннее вовлекаются во вращение. Влияние этого фактора усиливается с увеличением размера частиц.

На рисунке 103 для примера приведены зависимости изменения радиальной составляющей скорости в циклонной камере (Пц = 0,8) для тех же двух значений начального положения частиц. С приближением места ввода частиц к стенке скорость их падает почти вдвое, что при­ водит к увеличению времени нахождения их в объеме. Перемещение ввода частиц ближе к стенке оказывает незначительное влияние на их выгорание, что обусловлено уменьшением интенсивности горения вследствие снижения относительных скоростей. Все частицы размером более 50 ткм выгорают в объеме циклона незначительно.

Рассматриваемый параметр существенно влияет на траекторию движения частиц (рис. 104). Это обстоятельство, по-видимому, следует учитывать при выборе места ввода материала с точки зрения обеспе­ чения работы циклона без настылеобразования. Что же касается управления временем сепарации и выгорания частиц в объеме цикло­ на за счет изменения места их ввода в камеру, то эти возможности оказываются весьма ограниченными.

В л и я н и е н а ч а л ь н о й с к о р о с т и ч а с т и ц ы . В техноло­ гических циклонных камерах в некоторых случаях, например- в каме­ рах, работающих на кислородном дутье, или при возгонке редких ме­ таллов, применяется тангенциальная подача материала, когда части­ цы, попадающие в циклонную камеру, уже обладают некоторой на­ чальной скоростью.

Для мелких частиц (б< 5 0 мкм) влияние начальной скорости не­ существенно, поскольку они разгоняются очень быстро, и для всех значений исследованных величин начальной скорости Ѵо= 0— 100 м/сек эти кривые сливаются (рис. 105). Для крупных же частиц,

213

требующих значительного времени для «разгона», увеличение началь­ ной скорости приводит к резкому снижению времени сепарации.

На выгорание частиц изменение начальной скорости практически не влияет, поскольку оно сказывается главным образом на времени пребывания в объеме крупных фракций, практически не выгорающих даже при V9г, =0. Изменение скорости поступления частиц в циклон­ ную камеру также не оказывает заметного влияния на траекторию их движения. Можно считать, что для выгорающих частиц место сепара­ ции их на стенку не зависит от исходной скорости.

Проведенный таким образом анализ процесса, происходящего в циклонной камере, дает наглядную картину движения и выгорания (окисления) частиц при изменении отдельных параметров, что позво­ ляет прогнозировать результаты, которые окажут на процесс внесение тех или иных изменений в исходные данные.

Результаты машинного решения системы уравнений, описываю­ щих поведение твердых частиц (топлива и сульфида железа) в объеме циклонной камеры, указывают на то, что для наиболее крупных час­ тиц все необходимые физико-химические превращения происходят на

214

стенке камеры, средние реагируют и плавятся частично в объеме, час­ тично на стенке; для мелких частиц все необходимые стадии процес­

са завершаются в объеме.

В л и я н и е р а с п р е д е л е н и я п о л е й к о н ц е н т р а ц и и . В общем случае изменение концентрации кислорода в камере горения математически описывается уравнением диффузии

М— стехиометрический коэффициент, учитывающий весо­ вой расход кислорода на единицу веса сгорающих или

окислившихся частиц.

Распределение концентрации в рабочем пространстве циклонной камеры представляет собой трехмерную задачу, усложняющуюся раз­ витыми вторичными течениями, вызванными обратными циркуля­ ционными токами.

В связи с этим в настоящее время задача не может быть решена аналитически и для выяснения закономерностей дуффизии окислите­ ля к частицам, находящимся в объеме камеры и на ее стенках, при­ ходится прибегать к экспериментам, которые дают возможность вы­ явить распределение полей концентраций, зависящих, как правило, от конструктивных и режимных параметров.

Распределение концентрации по сечению камеры изучалось экспериментально при сжигании жидкого [112—121] и твердого топ­ лива [122—125]. Исследования, проведенные в циклонных камерах различных конструкций, показали, что изменением способа подачи жидкого топлива в циклон в довольно широких пределах можно регу­ лировать структуру полей газовых концентраций. Например, при ак­ сиальном размещении форсунки [121] центральная зона камеры переобогащается продуктами газификации, а в периферийной части ка­ меры содержится большое количество кислорода, так как капли жид­ кого топлива быстро испаряются, и, не достигнув стенки, сгорают или газифицируются. Такое расположение топливной форсунки целесооб­ разно использовать при осуществлении окислительных процессов, когда в перерабатываемом сырье содержатся горючие составляющие, такие, как. сульфидные медные концентраты.

Для некоторых технологических процессов возникает необходи­ мость организации в пристенной области, куда в основном поступают частицы перерабатываемого сырья, восстановительной атмосферы. Эти

215

условия могут быть удовлетворены при тангенциальном размещении форсунок и соответствующем их размещении относительно входноговоздушного сопла [119, 120].

Не меньшее разнообразие распределения полей концентраций можно наблюдать при сжигании твердого топлива в вертикальных ка­ мерах [122], горизонтальных [125] и циклонных предтопках ВТИ

[123, 124].

В то время как в горизонтальном циклоне наблюдается неравно­ мерность газовых полей в придонной зоне, в предтопках ВТИ несим­ метричность горения угольной пыли по окружности камеры характер­ на почти по всей ее высоте. Относительно равномерное поле концент­ рации достигнуто в вертикальной циклонной камере [122].

Из сказанного следует, что распределение концентрации газовых полей зависит не только от конструктивных, но и режимных факторов, к каковым в первую очередь следует отнести скорость ввода воздуха, фракционный состав топлива, коэффициент избытка воздуха, темпе­ ратуру подогрева воздуха и т. д.

Учитывая сложность и недостаточную изученность распределе­ ния концентрации в циклонной камере, отапливаемой твердым топли­ вом, мы рассматривали в расчетах два крайних, наиболее простых ва­ рианта распределения окислителя в ее объеме: постоянное значение концентрации окислителя, равное среднему арифметическому из на­ чальной (С0 = 0,23) и конечной Сі = 0 концентрации на стенке; линей­ ный закон изменения концентрации между теми же крайними значе­ ниями Со и С1

С = С0 Гі—Г

Гі — Го’

где г0, Гі и г — соответственно начальный, конечный и текущий ра­ диусы.

Рассмотрен также случай работы камеры на дутье, обогащенном кислородом до 40% (Со= 0,4).

Как и следовало ожидать, повышение содержания кислорода со­ провождается значительной интенсификацией процесса горения, что влечет за собой рост температуры частиц, тем больше, чем мельче час­ тица (рис. 106).

Как видно из рисунка, особенно резко возрастает температура частиц размером 6^ 25 мкм; на б> 5 0 мкм это влияние практически уже не сказывается.

Уменьшение концентрации окислителя по направлению к стенке приводит к экстремальному виду кривых: более резкому нарастанию

216

температуры на начальном участке и последующему ее уменьшению с приближением к стенке, что можно объяснить изменением характера горения частицы вдоль траектории. При подходе к стенке оно замед­ ляется уменьшением концентрации окислителя, что, естественно, ска­ зывается и на температуре горячей частицы.

Рис. 106. Температура частиц при различной концентрации окислителя в циклонной камере, а — для постоянной концентрации, б — для ли­ нейного закона изменения концентрации. Сплошные линии — воздуш­ ное дутье (С0=23% O-j), пунктирные — дутье, обогащенное кислородом

(Со= 40% О*).

Необходимо особо подчеркнуть, что полученные данные характе­ ризуют тепловой режим частицы, находящейся в объеме до ее попа­ дания на стенку камеры, т. е. рассмотрена внешняя задача — обтека­ ние газом находящихся в нем частиц.

ТЕПЛООБМЕН В ЦИКЛОННОЙ КАМЕРЕ

При оценке теплообмена в рабочем пространстве большинства пламенных печей, к которым относятся и отражательные медеплавиль­ ные печи, учитывается лишь радиационная составляющая теплового потока, так как скорость газов, движущихся в печи, мала и конвектив­ ный теплообмен не превышает 9—5% от общего теплового потока, т. е.

217

находится в пределах точности расчета этих устройств. Аналогично рассчитывается теплообмен в камерных топках парогенераторов.

В рабочем пространстве циклонных камер конвективный тепло­ обмен существенно интенсифицирован благодаря высокой скорости движения вращающегося газового потока и значительной его турбулизации. Поэтому в расчетах теплоотдачи между газовой средой и ограж­ дающими ее поверхностями циклонной камеры необходимо учитывать конвективную составляющую. Уравнение суммарной плотности тепло­ вого потока, падающего на стенки плавильного циклона, можно пред­ ставить в виде

Каждая из величин, входящих в уравнение, находится в сложной зависимости от конструктивных и режимных параметров камеры.

Проанализируем подробнее условия радиационного и конвектив­ ного теплообмена в аппаратах циклонного типа и факторы, влияющие на них. Особое внимание обратим на конвективный теплообмен — ему принадлежит значительная роль на всех стадиях термической обработ­ ки диспергированного сырья: сушки, нагрева и плавления перераба­ тываемых частиц, газификации топливных частиц, нагрева пленки рас­ плава. Экспериментальной оценке конвективного теплообмена непо­ средственно в циклонной камере посвящено немного работ. Первая из них проводилась в циклонной камере с воздушным охлаждением воз­ духом, подогретым до 500°, продуваемым через кольцевой канал [126]. Для лучшего теплоотвода и увеличения поверхности охлаждения шипы выступали не только в огневое пространство камеры, но и проходили через стенку на всю ширину кольцевого зазора, обдуваемого воздуш­ ным потоком. Среднее значение теплового потока и составляющей кон­ вективного коэффициента теплоотдачи к стенке в опытах определялось по нагреву воздуха. Локальные значения теплоотдачи измерялись дву­ мя торцевыми калориметрами, установленными заподлицо со стенкой.

При отнесении величины критерия Re к условиям скорости входа

218

Расхождение результатов, полученных в опытах для всей стенки и для размещенных на ней калориметров в работе [126], объясняются различной степенью шероховатости их поверхности. Однако, на наш взгляд, нельзя отождествлять среднюю теплоотдачу ко всей стенке с локальным теплообменом к калориметрам, расположенным на ней, особенно, если учесть, что они могли быть установлены на плохо омы­ ваемых участках стенки.

Авторы [127] для теплообмена в вихревой камере предлагают за­ висимость

где T r и Тст — температура газов и стенки соответственно. Температуру газов они предлагают принимать ниже температуры

факела из-за «слоистой» структуры потока, что противоречит опытам [128, 129] и затрудняет пользование формулой, поскольку в ней не оговариваются величины рекомендуемых поправок.

Известный интерес для нашей задачи представляют исследования конвективного теплообмена в камерах сгорания газовых турбин, снаб­ женных завихрителями [127, 130]. Здесь интенсивность теплообмена по сравнению с продольным течением газа в гладком канале увеличи­ вается в несколько раз.

Некоторые исследователи [131, 132] интенсификацию конвектив­ ной теплоотдачи во вращающемся потоке относят главным образом за счет центробежных сил, вызывающих увеличение весовой скорости вблизи вогнутой стенки, и за счет уменьшения на ней толщины погра­ ничного слоя. Поэтому в уравнение движения газовой среды добав­ ляют массовую центробежную силу и получают дополнительный кри­ терий, учитывающий характер вихревого потока

а для газов ßAt = const, тогда критерий К ц зависит только от отноше­

ния т. е. определяется лишь конструктивными особенностями за-

219