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

вихрителя. По-видимому, в связи с этим предложенный критерий не использовался авторами [131] при обобщении результатов.

Во всех случаях изучения конвективного теплообмена отмечал­ ся существенный рост теплоотдачи по сравнению с продольным тече­ нием воздуха в трубе [132, 135].

Экспериментальные зависимости, полученные при различных условиях течения потока в трубе, отчетливо показывают, что завихряющие устройства заметно интенсифицируют теплообмен и тем боль­ ше, чем выше закрутка потока и изменение критерия Re. В то же вре­ мя эти исследования не раскрывают закономерностей теплообмена вращающихся потоков и не позволяют оценить влияние геометриче­ ских и режимных параметров циклонного аппарата на величину теп­ лоотдачи.

Для аналитического решения такой задачи необходимо совмест­ ное решение уравнений движения газа, неразрывности и распростране­ ния тепла, что возможно лишь для простейших случаев движения жидкости, к которым ни в какой мере не может быть отнесен закручен­ ный поток и, тем более, поток в циклоне.

Для большинства реальных задач практически для всех случаев теплообмена в турбулентном потоке единственно возможным подходом к теоретическому решению в настоящее время является гидродинами­ ческая аналогия теплообмена [136]. При решении же гидродинамиче­ ской задачи для вращающейся струи приходится принимать ряд упро­ щающих предпосылок и вводить эмпирические коэффициенты, что снижает точность решений и сужает диапазон возможных обобщений.

Теория дает выражение связи факторов тепло- и масообмена с коэффициентом гидродинамического сопротивления. В то же время,, как отмечалось, абсолютная величина коэффициента сопротивления циклонной камеры весьма условна и зависит от выбора его параметров.

При всей своей сложности теоретическому решению задачи до­ ступно получение качественных закономерностей тепло- и масообмена, которые, безусловно, требуют экспериментальной проверки с введе­ нием поправок в виде эмпирических коэффициентов.

Наиболее оправдано экспериментальное решение поставленной задачи, результаты которого обобщаются методом теории подобия с по­ лучением критериальных зависимостей, характеризующих гидродина­ мическую обстановку в циклонной камере и влияние на нее геометри­ ческих критериев. Такие исследования для большого диапазона рабо­ чих параметров позволили выявить обобщенную критериальную зави­ симость конвективного теплообмена в циклонных камерах (рис. 107), описываемую уравнением

(3.107)

220

Все физические константы среды принимаются по средней темпе­

мер. Прямая проведена для суммарных данных по формуле (3.107).

входа потока в камеру, а вязкость — к средней температуре потока. От­ носительная шероховатость поверхности реальной камеры, покрытой

Пересчетный коэффициент (Кт), позволяющий распространить по-

221

лученные закономерности на неизотермический поток, учитывающий изменения в камере абсолютных величин скорости, вызванный горе­ нием, может быть, согласно [35], принято равным

где Та, ГВЬІХ и Гвх — соответственно теоретическая температура го­ рения, температура газов на выходе из циклона, температура воздуха при входе, °К.

Анализ полученной зависимости показывает, что интенсивность конвективного теплообмена в циклонном устройстве в 15—20 раз вы­ ше, чем в начальном участке прямой трубы. При одинаковых массо­ вых расходах газовой среды теплоотдача от вращающегося вихря в 25—30 раз интенсивнее, чем при продольном обтекании прямой трубы. По расчетам, доля конвективной составляющей достигает около 30% от суммарного теплового потока на стенки камеры. Естественно, пре­ небрежение такой величиной может привести к значительным погреш­ ностям.

Что же касается составляющей лучистого теплообмена, то она может быть определена согласно рекомендациям [123, 126, 128].

МАССОПЕРЕНОС В ЦИКЛОННОЙ КАМЕРЕ

Как было показано, из вращающегося потока в циклоне под воз­ действием центробежных сил крупные частицы топлива и шихты се­ парируются на стенку, покрытую пленкой расплава, где в основном и происходит их выгорание. Последнее определяется процессом массо­ переноса окислителя от вихря к стенке.

Аналогия переноса количества движения, тепла и вещества осно­ вана на близком сходстве дифференциальных уравнений движения,, температурного поля и поля концентрации одного из компонентов сме­ си, являющегося примесью к основной среде.

222

тироваться за счет изменения схемы подвода воздуха и конфигурации воздушных сопл.

Интенсивность массообмена изучалась также при выгорании ци­ линдрической стенки, выполненной из электродного угля и омывае­ мой циклонным потоком газа [139—142]. Эксперименты показали, что повышение скорости ввода воздуха неизменно сопровождается увеличением выгорания угольного канала. Это указывает на опреде­ ляющее влияние факторов переноса, что свойственно процессам, про­ текающим в диффузионной области.

Обобщение результатов опытов отчетливо показало, что с увели­

тенсивность процессов переноса снижается, так как эти процессы характеризуются заметной неравномерностью по длине рабочего про­ странства камеры: наибольшая интенсивность обмена наблюдается в г о л о е н о й и выходной частях циклона. По-видимому, такой режим

работы способствует раннему зажиганию топлива на начальном уча­ стке камеры и эффективному его догоранию вблизи выходной диаф­ рагмы, что является отличительной особенностью циклонных уст­ ройств, в которых наблюдаются интенсивные циркуляционные токи.

Эти выводы находятся в полном согласии с аэродинамической

L

схемой движения газа в камере, когда с увеличением отношения -~— Ь'д

уменьшается гидравлическое сопротивление циклона, что указывает на снижение крутки потока.

чениями 1,4—1,7, применяя меньшее значение для камер Пц> 1 ,5 м.

Аналогичный вывод, полученный по условиям сепарационной способ­ ности циклона, можно найти и в работах МЭИ [142].

ОБРАЗОВАНИЕ И ДВИЖЕНИЕ ПЛЕНКИ РАСПЛАВА НА СТЕНКАХ ЦИКЛОНА

В циклонных плавильных камерах так же, как и в энергетиче­ ских циклонных топках, пленка расплава, стекающая по стенкам камеры, выполняет весьма важные функции. Она влияет на тепловой режим, развиваемый в рабочем пространстве камеры, так как умень­ шает теплоотвод через стенки камеры, способствует улавливанию пла­ вящихся частиц материала или минеральной составляющей топлива в пределах рабочего объема циклона, обеспечивает аэродинамическую устойчивость частиц угля и сырья, прилипших к ней благодаря се­ парации твердой взвеси из вращающегося потока. Согласно нашему представлению о схеме рабочего процесса, протекающего в циклон­

224

ных аппаратах, и проведенному выше анализу математической модели процесса, на пленке расплава происходит интенсивное выгорание крупных частиц топлива и шихты [80, 88, 89], омываемых быстро вращающимся потоком газов. Аналогично характеризуют роль плен­ ки расплава в циклонной камере американские исследователи [143]. Б некоторых работах предполагается, что образование жидкой плен­ ки на ограничивающих поверхностях камеры обусловлено лишь по­ паданием на стенку расплавленной золы. Что же касается углерода, то он выгорает, не прилипая к расплаву [13]. Однако закономерности сепарации частиц угля (если отвлечься от выгорания мелких фрак­ ций б< 5 0 мкм) и золы практически идентичны. На этом основании нельзя считать, что на стенку циклона попадают только расплавлен­ ные частицы золы, а уголь сгорает лишь в пристенной области и объ­ еме камеры.

В случае термической переработки сырья, лишенного горючих алементов, задача решается значительно проще, так как здесь не воз­ никает сомнений о возможности прилипания частиц к расплаву. Что же касается уравнений математической модели процесса, то из них исключается уравнение горения, а уравнение движения твердой фазы решается для частиц неизменной массы [71, 92, 93]. Упрощается также уравнение теплообмена в связи с тем, что из него исключается член, учитывающий тепловыделение горящей частицы.

Решение упрощенной системы уравнений осуществлено во многих работах [16, 144, 145]. В результате получено, что для циклонных камер .D4> 2 ,0 м все частицы б< 150 мкм попадают на стенку; обла­ дая температурой >1570°К [16]. Такой уровень температур для боль­ шинства материалов, используемых в цветной металлургии, и зол энергетических углей соответствует жидкоплавкому состоянию. Вслед­ ствие этого можно полагать, что основная масса частиц сепарируется на стенку в расплавленном состоянии. Что же касается коксовых фракций, то в случае смачивания их расплавом они будут втягивать­ ся в него или выталкиваться при отсутствии смачивания.

Работа сцепления жидкости с твердым теплом, т. е. работа адге­ зии описывается для системы твердое тело — жидкость — газ уравне­

где О] — поверхностное натяжение на границе с газом;

Ѳ— краевой угол смачивания жидкостью твердого тела.

Всоответствии с этим предполагается, что жидкость смачивает

тела при Ѳ<90°. Краевые углы смачивания жидкими сульфидами минералов пустой породы имеют невысокие значения [147]. Поэтому частицы технологического сырья должны прилипать к расплаву, на­

ходящемуся на стенке циклона. О смачивании жидким шлаком угле­ рода пока единого мнения нет.

Врезультате расчета [146], выполненного с некоторыми допуще­ ниями, показано, что в шлак вязкостью 100 пуаз, покрывающий стен­ ку циклонной камеры, частица углерода погружается всего лишь на половину всего диаметра и выталкивается из него за счет выделения окиси углерода, а также из-за отсутствия взаимодействия между шлаком и поверхностью углерода.

Вплавильных или энергетических циклонных камерах на стенку

отбрасываются частицы не беззольного углерода, а натурального уг­ ля, содержащего некоторое количество золы, которая, как указано выше, должна находиться в расплавленном или размягченном состоя­ нии, содействуя прилипанию частиц к расплаву.

Пленка расплава, стекающая по стенке камеры, в результате се­ парации на нее твердых и размягченных частиц представляет собой структурированную жидкость при любой температуре, развиваемой

врабочем пространстве циклона. Характерной для такого состояния жидкости является возможность деформации массы под влиянием собственного веса. Законы течения и деформации структурированной жидкости близки к закономерностям, характеризующим истинную жидкость, подчиняющуюся закону Ньютона. Влияние твердой фазы

врасплаве может быть учтено введением поправки, учитывающей изменение вязкости расплава в истинно-жидком состоянии от объем­ ной доли содержащихся в нем твердых частиц, как это сделано в ра­ боте [148].

Как известно, ньютоновская, или истинная жидкостьхаракте­

ризуется постоянной вязкостью при изменении скорости течения

dW

где — — градиент скорости;

S — деформирующее напряжение; Т] — вязкость.

В гетерогенных системах, где частицы твердой фазы отделены друг от друга жидкой пленкой соответствующей толщины, взаимо­ действие твердых частиц, по существу, исключено, и вязкость опреде­ ляется по уравнению (3.111).

Заметное влияние твердых частиц обнаруживается лишь при определенной концентрации твердой фазы, отвечающей критической [145]. Для технологических камер, как показывают ориентировоч­ ные расчеты, объемная концентрация твердых частиц, находящихся

226

на поверхности расплава, не превышает 2—3% и пренебрежимо мала по сравнению с критической. Поэтому для анализа условий образо­ вания и течения на стенках плавильного циклона пленки расплава принимаем, что последний подчиняется тем же закономерностям, что и ньютоновская вязкая жидкость.

Обстоятельно исследовалась сепарация жидкого шлака на стен­ ки циклонных камер [123,145, 152].

Первая попытка проанализировать условия образования и тече­ ния жидкой пленки шлака в энергетических камерах проведена в ра­ боте [150]. Здесь использовано известное решение Нуссельта для случая конденсации водяного пара на вертикальной охлаждаемой пластине. В результате для средней скорости движения пленки шла­ ка, омываемой вращающимся газовым вихрем, предложена зависи­ мость

вязкости шлака в зависимости от температуры, заметно снижает сте­ пень достоверности полученного выражения.

Условиям течения жидкой шлаковой пленки в циклоне посвя­ щен ряд работ [123, 148, 151, 152, 153], где комплексно рассмотрены закономерности течения пленки, теплового режима камеры и взаи­ модействия газового вихря, основанные на тепловом балансе, пере­ дачи тепла от горящего в объеме факела к шлаку и передачи тепла теплопроводностью через слой гарниссажа.

Как отмечалось, в циклонных камерах часть топлива и шихты сгорает и окисляется на пленке расплава, поэтому температура ло­ кальных участков расплава может оказаться выше, чем температура газовой среды в объеме камеры. Исходя из этого мы [154] попыта­ лись решить задачу движения шлаковой пленки без определения температуры шлака на поверхности расплава, обращенной к горяще­ му факелу, а с помощью теплового потока, проходящего через гарниссажную футеровку. Последний легко может быть определен экспе­ риментально или из теплового баланса.

227

Гарниссажное покрытие, как и в работах [123, 152], может быть представлено тремя слоями: первый, прилегающий к водоохлаждае­ мой поверхности — неподвижная шлаковая корка; второй — пленка пластического состояния расплава; третий — пленка подвижного рас­ плава, обращенного к рабочему пространству и отвечающего пара­ метрам Ньютоновской жидкости (рис 108).

Температура t0, возникающая на гра­ нице между жидким и пластическим сло­ ем, соответствует критической и является величиной постоянной для расплава опре­ деленного состава, характеризующей пере­ ход расплава из пластического состояния в жидкое. Величина to определяется эк­ спериментально как точка пересечения кривых зависимости вязкости от темпера­ туры при нагревании и охлаждении рас­ плава [155]. Из-за малой величины отно­ шения толщины стекающей пленки (хо) к

образующей циклонной камеры принимается симметричным относи­ тельно оси камеры.

Тепло через пленку передается теплопроводностью, а распреде­

В условиях установившегося режима обе граничные температу­ ры (to и tnjl ) можно считать постоянными. Температура поверхности пленки (tnJl ) определяется тепловым потоком, проходящим через нее, независимо от того, происходит ли на ней горение топлива и сульфи­ дов или она обогревается лишь за счет теплоотдачи факела.

Уравнение движения расплава по вертикальной стенке

Начальные условия:

228.

x = 0; W —0;

Изменение вязкости шлака в зависимости от температуры при­ мем согласно [123, 151], но используем иную форму записи:

Подставляя (3.117) в (3.118), после двукратного интегрирования при начальных условиях находим выражение для скорости стекаю­ щего слоя расплава в сечении я:

(3.119)

Средняя скорость движения пленки .■

*о I

W = . ^ \ m x ) d x = j Щ 0 ^ г = - ^ - [ 2 ^ - ( 2 + 2 Р + Р 2)] =

0 о

О

(3.120)

229