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

Высокий пирометрический уровень, характерный для работы цик­ лонных камер, и крупнодисперсный состав сжигаемого топлива об­ условливают протекание процесса горения в диффузионной области. Поэтому количество углерода, выгорающего в пристенной зоне и на стенке, определяется количеством диффундирующего кислорода, т. е.

Полагая, что горение углерода, находящегося на стенке, проис­ ходит до соотношения С0/С02 = 1, т. е. ß = 0,Т5, подставляя в уравнение значения входящих в него величин (коэффициент диффузии кислорода

7)= 0,18- J ; 7 г= 1,293 у-; Сср = 0,115а, концентрация кис­

лорода усреднена) и переходя к часовым значениям, получим видимое весовое напряжение стенки циклона по углероду

С учетом доли сепарирующихся на стенку угольных частиц с со­ держанием углерода (Ср) з рабочем топливе (в долях единиц) можно оценить видимое весовое и удельное напряжения объема циклонной камеры

В некоторых исследованиях [13, 123] предлагается работу цик­ лонной камеры оценивать по форсировке ее поперечного сечения.

240

Значение входящего в приведенную зависимость критерия Нуссельта определяется по уравнению (3.107). Из выражения (3.145) не­ трудно установить, что форсировка сечения камеры практически не зависит от ее диаметра.

Рис. 111. Удельные тепловые напряжения объема и сечения циклонных топок в зави­

7, 8 — стендовая установка МВТУ — ЦКТИ; 9 — КазНИИЭнергетики; 10 — «Бабкок и Вилькокс, Киль»; 11 — «Бабкок и Вилькокс, Дуйсбург».

Удельные форсировки сечения и объема циклонных камер в за­ висимости от их диаметра представлены графиком (рис. 111), который построен для условий: Q"=5600 ккал/кг; Ср = 0,62; температура воз­

духа і в=400°; коэффициент избытка воздуха а = 1,1; гранулометри­ ческий состав угольной пыли Д88 = 50% ; ^ 2оо = 18,0% ; Ъс — определя­

лось численным интегрированием уравнения (3.140); 71= У71а*7,вых, где Т а — адибатная температура горения (2513°К), Твык— температура продуктов сгорания на выходе из циклона (1973°К). На этом же гра­ фике нанесены эксплуатационные характеристики ряда циклон­ ных топок [13], а также результаты, полученные на стендовых уста­ новках.

Качественное согласие экспериментальных данных с расчетными значениями для широкого диапазона размеров камер свидетельствует о том, что принятая схема рабочего процесса близка к реальной и оправдывается эксплуатационным опытом, полученным в различных циклонных устройствах.

В приведенном расчете, не ставилась задача проследить весь ход развития процесса и выявить его промежуточные характеристики. Не рассмотрены условия воспламенения топлива и, в частности, такие факторы, как рециркуляция газов в камере, изменение полей кон­ центрации и температур по высоте и сечению циклона.

Для выявления подробной и дифференцированной картины про­ цесса должны быть накоплены дополнительные данные, полученные

на модельных и натуральных устройствах. Лишь после этого удается провести аналитический расчет с минимально возможным количест­ вом допущений, используя для этой цели ЭВМ.

В то же время полученные зависимости могут быть использованы для регулирования процесса. Они позволяют оценить долю углерод­ ных частиц, перемещаемых вихрем к стенке, и количество кислорода, диффундирующего к периферийной области, в зависимости от режим­ ных и конструктивных факторов. Это дает возможность, исходя из тре­ бований технологического процесса, регулировать скорость подачи воздуха, тонкость помола топлива и сырья, подаваемых в циклон, и др. Оперируя параметрами, можно в известных пределах влиять на сте­ пень выгорания топлива и термическую переработку сырья в объеме камеры или на ее периферии и на стенке. По-видимому, оптимальная работа циклонной камеры должна отвечать такому режиму, когда ко­ личество диффундирующего кислорода к стенке согласуется с долей топлива, поступающего на нее.

Исходя из сформулированных условий горения топлива в камере, предпринимались попытки оценить теплопроизводительность в виде суммы тепла, выделенного в объеме Qv и на стенке Qs [166]. В ре­ зультате обработки имеющихся в литературе экспериментальных и эксплуатационных материалов работы различных по размерам, но гео­ метрически подобных циклонных топок предложена эмпирическая зависимость, позволяющая оценить теплопроизводительность циклон­ ной камеры и увязать ее с соотношением количества тепла, выделив­ шегося в объеме и на стенке камеры [166]:

циклонные камеры иной геометрии, отметим, что с увеличением диа­ метра, как и следовало ожидать, возрастает роль объема камеры в процессе горения, а в камерах промышленного масштаба D„ > 2,0 м теплопроизводительность на стенке Qs снижается до 45—25% от

объемной Qv.

Обобщение исследований по переработке сульфидных медных концентратов, проведенных практически в инвариантных условиях на четырех различных по масштабу, но геометрически подобных ка­ мерах (0ц=0,45; 0,65; 1,0 и 1,5 м), позволило выявить зависимость производительности от ее определяющего геометрического размера — диаметра (рис. 112):

242

где G — производительность по шихте, т/час;

А— коэффициент, зависящий от осуществляемого процесса при переработке сульфидных медных концентратов на подогре­ том воздухе А = 3,75; для возгоночных процессов А = 2,7— —3,0.

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА В ПЛАВИЛЬНОМ ЦИКЛОНЕ

Использование жидкого топлива представляет существенный ин­ терес для ряда технологических процессов, в частности, таких, кото­ рые требуют применения топлива с минимальным количеством бал­ ласта.

243

■ Например, при осуществлении пироселекции редких металлов в циклонных камерах, когда величина пылеуноса предопределяет один из основных показателей технологического процесса — кратность обо­ гащения металлом получаемых возгонов — использование жидкого или газообразного топлива следует считать обязательным, если в твер­ дом топливе отсутствуют ценные элементы.

Проведенные исследования по сжиганию жидкого топлива в цик­ лонных камерах [129, 168, 173] дают возможность сопоставить полу­ ченные экспериментальные материалы с некоторыми результатами теоретических решений. Кроме того, эти работы позволяют выявить условия, имеющие решающее значение для правильной организации технологических процессов, связанных с возгонкой летучих металлов (свинца, цинка и редких металлов).

Как уже отмечалось, в циклонной камере осуществляются как окислительные, так и восстановительные процессы, эффективность ко­ торых, естественно, определяется надлежащим составом газовой фазы и распределением температур.

Анализируя результаты исследований по горению жидкого топли­ ва, вводимого аксиально в циклонную топку [168], нетрудно прийти к выводу о непригодности такого способа подачи топлива для техно­ логических циклонов. В этом случае на периферии циклона газовое поле асимметрично. Даже у выходного сопла в газах содержится боль­ шое количество избыточного кислорода, что указывает на плохое сме­ сеобразование в верхней части камеры. Это подтверждается также низкими значениями тепловыделения в этой части циклона. При та­ кой структуре процесса горения в технологической циклонной камере создаются неблагоприятные условия для термической обработки сырья, так как факел выносится из циклона. Кроме того, для нейтра­ лизации участков с окислительной средой при осуществлении восста­ новительных процессов в шихту необходимо добавлять значительно'ё' количество твердого восстановителя, что усложняет схему установки

иувеличивает пылевынос.

Висследованиях, предпринятых на стендовой установке, рабо­ тающей на соляровом масле, ставилась задача изучить влияние места ввода топлива, формы и площади воздушного сопла, расположения форсунок, диаметра выходной диафрагмы, скорости входа вторичного воздуха и количества первичного воздуха на процесс горения топлива

[169, 170].

В результате выявлено, что условия сгорания жидкого топлива в циклонной камере определяются главным образом движением и рас­ пределением топлива вблизи ввода воздуха. Существенное значение -приобретает взаимодействие топлива с входящим в циклон основным воздушным потоком. Например, при сосредоточенном вводе тоцлива

244

(одна форсунка с небольшим углом распыла) и расположении форсун­ ки у верхнего среза воздушного сопла большая часть топлива транс­ портируется периферийным потоком в верхнюю часть камеры, где происходит его газификация. Отсюда центральным вихрем продукты газификации выносятся к выходному соплу и, смешиваясь здесь с газами периферийного потока, содержащими свободный кислород, до-

Ось циклона fas ціжломі

Рис. 113. Распределение концентраций: избытка воздуха а (а) и полноты тепловыделения ср (б) в диаметральных сечениях циклонной камеры.

горают. Такая структура процесса (горение жидкого топлива на выхо­ де из диафрагмы) неприемлема из-за низкой полноты тепловыделения в верхней части камеры (рис. 113).

Наиболее равномерное питание верхней части циклонной камеры горючей смесью достигается рассредоточением ввода топлива по высо­ те воздушного сопла. В этом случае обеспечивается хорошее смесеобра­ зование и высокая полнота тепловыделения. При таком вводе топлива поля температур заметно сглаживаются, а на периферии циклонной камеры создается максимальный по сравнению с другими вариантами уровень температур, что обусловливает возможность надлежащей теп­ ловой обработки материала уже в верхней части циклонной камеры

(рис. 114).

Соответствующей корректировкой расхода вторичного воздуха со­ держание окиси углерода в плавильном пространстве может быть до­ ведено до величины, отвечающей требованиям технологии. Такой ввод

245

топлива использован в плавильных циклонах, работающих в режиме пироселекции, когда должны протекать восстановительные реакции.

Для процессов, нуждающихся в окислительном обжиге материа­ ла с последующим его расплавлением (например, переработка суль­ фидных медных концентратов), оптимальным следует считать рассре­ доточенный ввод жидкого топлива, подаваемого через две форсунки,

Рис. 114. Распределение концентраций: избытка воздуха и (а), полноты тепловыделения ср (б) и температур (в) в диаметральных сечениях цик­ лонной камеры.

расположенные у верхней и нижней кромок воздушного сопла. При этом в верхнюю форсунку подается меньшее количество топлива, чем

246

через нижнюю. В таком случае на периферии верхней части циклон­ ной камеры возникают зоны с повышенным содержанием кислорода, необходимого для осуществления десульфуризации, а на периферии нижней части циклона — слабовосстановительная атмосфера, исклю­ чающая образование окисленной меди, которая теряется со шлаком. Такой ввод топлива обеспечивает также благоприятные для термиче­ ской обработки материала поля температур в объеме и пристенной об­ ласти циклонной камеры и приемлемую полноту тепловыделения

(рис. 115).

Аналитическое исследование условий выгорания жидкого топли­ ва, проведенное на ЭВМ для различных вариантов циклонных камер, способов ввода топлива и начальных условий (размеры капель, ско­ рость, координаты места ввода), позволило выявить некоторые харак­ терные особенности процесса.

Так, например, установлено, что при аксиальном вводе жидкого топлива с увеличением диаметра циклона характер процесса прибли­ жается к факельному, и основное количество топлива направляется к выходу по центральной части циклона, практически минуя циркуля­ ционные зоны, имеющие место в этих устройствах. Таким образом, данные аналитического решения согласуются с рассмотренными выше экспериментами [168].

При тангенциальном вводе топлива увеличение диаметра цикло­ на не оказывает заметного влияния на распределение топлива в при­ стенной части камеры. Угрубляя распыл топлива, увеличивая скорость впрыскивания или приближая ввод его к стенке, в камерах большо­ го размера можно получить такой же уровень температур и распреде­ ление концентраций, что и в камерах малого диаметра.

В целом результаты расчетов качественно подтверждаются реаль­ ной картиной процесса, наблюдавшегося в стендовых и промышленных циклонных камерах.

Исследование полей скорости и давления в неизотермических условиях позволило установить различие в структуре потоков и оце­ нить количественные поправки, которые необходимо вносить при пе­ реходе от холодных продувок к реально работающим циклонам. Под­ твержден вывод Л. Л. Калишевского [100] о том, что относительная тангенциальная скорость в реальных условиях превышает таковую для холодной камеры в соответствии с соотношением

где ег и £*— коэффициенты сохранения скорости при горении и в изотермических условиях;

247

С ечение (ѵ С ечениет С ечен иеі

Рис. 115. Распределение концентраций: избытка воздуха а (а), полноты тепловыделения ф (б) и температур (б) в диаметральных сечениях цик­ лонной камеры.

Тг и Tx— температура потока при горении и в условиях холодных продувок, °К.

Качественная аэродинамическая картина потока в обоих случаях практически одинакова. Позднее было выявлено [171, 173], что наи­ более сильно на выгорание жидкого топлива влияет равномерность его распределения в воздушном потоке и предварительное испарение топлива до его поступления в циклон.

Эти факторы изучались при размещении топливных форсунок в воздухопроводе, подводящем воздух в циклон. Распыл топлива одной форсункой или группой центробежных форсунок против потока воздуха во всех случаях сопровождается снижением химического не­ дожога и характеризуется более равномерным распределением полей концентраций, чем при подаче топлива вдоль потока.

Другой эффективный способ повышения полноты тепловыделе­ ния •— рассредоточенное распределение топлива по сечению воздуш­ ного потока, входящего в камеру. В этом случае сжигание жидкого топлива происходит аналогично турбулентному горению практически гомогенного факела. Таким образом, наиболее рациональным вводом жидкого топлива в циклонную камеру является ввод тангенциальный: изменяя место и направление подачи топлива по отношению к вто­ ричному воздуху, регулируя расход топлива по форсункам можно по­ лучить нужные для технологического процесса поля температур и концентраций.

Аксиальный ввод жидкого топлива для технологических цикло­ нов неприемлем, так как капли топлива испаряются и сгорают в объе­ ме, не достигая стенок циклона, в результате чего в периферийной об­ ласти наблюдается низший уровень температур.

Для технологической циклонной камеры принципиально пригод­ ны (и фактически используются) любые виды топлива — твердое, жид­ кое и газообразное. В ряде случаев оказывается, однако, желательным применение твердого топлива. Это может быть продиктовано усло­ виями топливоснабжения предприятия, экономическими соображе­ ниями, а для некоторых процессов — и требованиями технологии. Так, при переработке окисленного полиметаллического сырья цветной ме­ таллургии для осуществления плавки с возгонкой летучих компонен­ тов добавка твердого восстановителя (с целью создания локальной восстановительной зоны при общей слабо окислительной атмосфере) является необходимым элементом технологии. Не вызывает сомнения, что в таком случае использование твердого наиболее целесообразно, поскольку оно обеспечивает одновременное выполнение энергетиче­ ской задачи (генерации тепла) и организацию заданного технологи­

ческого режима.

Возможность эффективного использования твердого пылеугольно­

249