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

ГЛАЗА 4

КЛАССИФИКАЦИЯ

ИОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАВИЛЬНЫХ ЦИКЛОННЫХ УСТАНОВОК

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЦИКЛОННЫХ КАМЕР

дним из важнейших факторов, отличающих работу технологи­ ческой циклонной камеры, работающей на воздушном дутье, от обычной циклонной топки является повышенная концентрация твер­ дой взвеси, приходящаяся на единицу транспортирующего ее газового потока, которая в 3—5 раз больше, чем в энергетическом циклоне. При переходе на дутье, обогащенное кислородом, а тем более на тех­ нический кислород, соотношение между твердой и газовой фазами воз­ растает до концентрации 4—5 кг/м3 несущего потока. Соответственно этому на единицу поверхности циклона приходится повышенное ко­

личество расплавленной, правда более легкоплавкой массы.

В первых же опытах выяснилось, что при горизонтальном распо­ ложении циклонной камеры расплав из нее удаляется плохо: летка быстро закупоривается, а в нижней части циклона накапливается рас­ плавленная масса, деформирующая аэродинамический профиль каме­ ры, что сопровождается значительным увеличением выноса непроплавленных частиц и даже полным расстройством установки. Вследст­ вие этого процесс горения и плавления перемещается за пределы цик­ лонной камеры, что в конечном счете превращает циклон в обычную горелку, где происходит лишь предварительная подготовка топливо­

260

воздушной смеси для ее сжигания. Поэтому, за редким исключением, технологические циклонные камеры располагаются вертикально, что способствует равномерному распределению расплава и сепарации час­ тиц перерабатываемого материала на стенках агрегата и существенно облегчает удаление получаемых продуктов плавки.

В соответствии со свойствами и составом перерабатываемого сырья, несмотря на многообразие технологических процессов, для ко-

Рис. 116. Схема подачи сырья в циклонную камеру.

торых использование циклонного метода представляется весьма пер­ спективным, циклонные камеры можно классифицировать по следую­ щим основным признакам: по подаче сырья; способу отопления и подачи топлива; удалению продуктов плавки.

Подача сырья может осуществляться:

— в центральную часть верхней крышки циклонной камеры пря­ мой струей под действием гравитационных сил или с помощью воз­ душного потока (рис. 116), через конус-рассекатель, направляющий частицы к стенкам циклона, через закручивающие устройства с пода­ чей аэросмеси по улиточному вводу или закручивающим лопаткам;

261

—в пристенную область циклона по течкам, расположенным в верхней крышке, с подачей сырья самотеком или воздухом в теневую

часть камеры или вблизи устья сопл в поступающий топливовоздуш­ ный поток;

—тангенциально по образующей циклона непосредственно в топ­ ливовоздушный поток через специальные сопла, расположенные хор­ дально.

Рис. 117. Схема подачи топлива в циклон.

В зависимости от дисперсности, агрегатного состояния перераба­ тываемого сырья и требований технологического процесса возможна комбинация вариантов подачи сырья в циклон, которая, как правило, подбирается в период наладки и освоения агрегата.

Для отопления циклонных камер используется твердое, жидкое или газообразное топливо. Расход топлива предопределяется составом перерабатываемого сырья, а также физико-химическими превраще­ ниями, которые необходимы для осуществления процесса.

Подача топлива в циклон может быть организована следующим образом (рис. 117):

—жидкое или газообразное топливо подается в воздушный по­ ток, поступающий в циклон вблизи устья воздушных сопл (рис. 117, а);

—жидкое топливо или газ подаются в воздухопроводы, подводя­ щие воздух в циклон с таким расчетом, чтобы произошло предвари­ тельное смешение (испарение) топлива с воздухом до их поступления

врабочее пространство циклона (рис. 117,6);

—твердое топливо (угольная пыль) подается через сопла, распо­

ложенные параллельно вводу воздуха (рис. 117, в);

— топливо поступает в циклон в виде предварительно воспламе­ ненной смеси с помощью форкамер или стабилизирующих устройств, размещенных перед циклоном (рис. 117, г);

262

— часть топлива может добавляться в шихту в качестве восста­ новителя и вместе с ней загружаться в циклон.

При осуществлении автогенной плавки, например при переработ­ ке сульфидных концентратов на высокоподогретом дутье, обогащен­ ном кислородом, или техническом кислороде шихта подается непо­ средственно в воздушный поток специальным эжектором или за счет эжекционной способности воздушного потока.

выходную диафрагму, расплав удаляется через летку, газы выходят через диафрагму, газы выходят вверх через горловину, расплав уда­ ляется вниз через летку, газы направляются вверх и затем по полой центральной вставке опускаются вниз, расплав вытекает через летку, расположенную в днище.

В зависимости от технологических особенностей процесса циклон­ ные камеры могут компоноваться с различными дополнительными элементами, в которых осуществляется предварительная или после­ дующая обработка сырья, например, с электроотстойником для дора­ ботки и разделения расплава, грануляционной камерой для гранули­ рования расплава, пылевой камерой для дополнительного улавлива­ ния уноса и предварительного охлаждения газов теплоиспользующи­ ми поверхностями. Аналогичные компоновочные решения исполь­ зуются для циклонных камер, работающих на кислородном дутье.

По аэродинамическим характеристикам циклонные камеры раз­ деляются на два основных класса: на циклонные камеры с совмест­ ным и раздельным выводом газов и расплава. Этой классификацией практически охватываются почти все известные конструктивные ре­ шения по технологическим циклонам. Другие конструкции отличают­

263

ся от описанных лишь некоторыми модификациями, например ци­ линдроконический циклон, циклон с кольцевым стабилизирующим каналом.

Экспериментальные плавильные установки

Изучение циклонного метода переработки различного сырья цвет­ ной металлургии проводилось на стендовой установке производитель­ ностью до 10 г шихты в сутки по сульфидным медным концентра-

Рис. 119. Схема циклонной установки АН КазССР для переработ­

керы шихты с питателем; 23 — воздуходувка; 24 — ввод вторич­ ного воздуха.

там [1], созданной в АН КазССР. В первом варианте испытывались циклонные камеры горизонтального типа (угол к горизонту 8, 12°). Однако такое расположение камер оказалось неприемлемым из-за трудностей, возникающих с эвакуацией образующегося в циклоне рас­ плава.

В связи с этим на стендовой установке была размещена верти­ кальная циклонная камера (І) с плоской диафрагмой (2) взамен кони­ ческого выходного сопла, которое используется в циклонных топках

(рис. 119).

264

Размеры циклонной камеры: Пц = 430 мм, L = 780 мм и йд=

--180 мм. Отапливалась установка (в целях упрощения ее обслужива­ ния) жидким топливом (соляр), которое с помощью топливного насоса подавалось к центробежной форсунке.

Циклонная камера первоначально была неохлаждаемой, футеро­ ванной хромомагнезитовым кирпичом. Она выдерживала всего лишь несколько плавок продолжительностью 6—8 час. Помимо тяжелых термических условий значительный износ огнеупоров обусловлен хи­ мическим и механическим воздействием на них агрессивного распла­ ва. Наиболее чувствительной оказалась выходная диафрагма, поэтому циклонная камера была полностью кессонирована. Изнутри камера оребрена и покрыта хромомагнезитовой обмазкой, замещающейся в процессе работы гарниссажем, который достаточно надежно работает длительное время. Крышка циклонной камеры коническая. В центре ее предусмотрено отверстие для ввода аксиальной форсунки, на рас­ стоянии До= 0,5 R расположена течка для подачи шихты в циклон. В зависимости от перерабатываемого материала положение места вво­ да шихты может несколько изменяться, в частности, для тонкоизмельченных материалов с малой плотностью — приближаться к стенке

(Д0> 0,5 Д ). Следует учитывать, однако, что приближение места ввода к стенке не всегда сопровождается ускорением сепарации материала на стенку. Это зависит от специфики структуры потока в циклонной

камере. Пристенной зоне свойственны пониженные скорости газового потока, вследствие чего частица приобретает низкие скорости, и сепа­ рация ее на стенку происходит медленнее. В качестве шихтового пи­ тателя используется шнек с малым шагом и большим количеством витков, что обеспечивает необходимую плотность, исключающую фильтрацию газов из циклона в бункер, и достаточно равномерную за­ грузку шихты в циклон. Регулирование количества подаваемой ших­ ты в широком диапазоне производительности (от 200 до 500 кг/час) осуществлялось плавным изменением числа оборотов двигателя по­ стоянного тока [22], соединенного со шнеком. Для бесперебойной ра­ боты камеры эти два качества — герметичность и равномерность по­ дачи сырья — определяющие.

Для предотвращения настылеобразования вследствие попадания наиболее мелких фракций в зону ввода воздуха в течку подается не­ которое количество воздуха для увеличения начальной скорости час­ тиц и перемещения их через эту зону. Подача воздуха в течку регули­ руется в зависимости от вида и гранулометрического состава перераба­ тываемой шихты: при увеличении крупности материала количество воздуха, подаваемого в течку, уменьшается, так как в противном случае может увеличиться вынос из циклонной камеры.

265

Основная масса воздуха подается в циклонную камеру танген­ циально. Ввод выполнен таким образом, что можно регулировать пе­ рераспределение воздуха по высоте циклона. Верхняя воздушная шли­ ца располагается ниже края крышки на (0,05—0,07)L для создания

вголовной части циклона «пазухи», способствующей лучшему воспла­ менению и горению. Топливные форсунки, как правило, размещаются

ввоздушных шлицах. Когда в перерабатываемой шихте содержится значительное количество горючих составляющих и в циклоне должен протекать окислительный процесс, форсунки можно располагать ак­ сиально. В этом случае применяются только механические форсунки. Циклонные камеры приспособлены также для отопления их угольной пылью, подаваемой тангенциально через сопла, расположенные па­ раллельно воздушным шлицам со скоростью 15—25 місек. В отстой­ ную камеру вместе с расплавом поступают продукты сгорания, под­ держивая необходимую температуру ванны (1250—1300°). Далее газы по газоходу направляются в воздушный подогреватель, обеспечиваю­ щий подогрев воздуха до 500—550°. Затем они поступают в воздуш­ ные холодильники и рукавные фильтры. Температура газов, посту­ пающих в рукавные фильтры, поддерживается на нужном уровне с помощью клапана разбавления газов. Воздух подается воздуходувкой, создающей напор 4000 мм НгО, газы отсасываются дымососом, обеспе­ чивающим разрежение около 700 мм НгО. В случае переработки мед­ ных шихт продукты плавки некоторое время, необходимое для их разделения на шлак и штейн, выдерживались в отстойной камере пло­ щадью 2,5 м2и выпускались через шлаковое окно и летку.

На этом стенде отрабатывалась плавка различных материалов [2, 6], а также конструкция циклонной камеры и вспомогательных элементов установки, что позволило подобрать оптимальные и геомет­ рические соотношения циклона в зависимости от перерабатываемого сырья. Например, с целью увеличения времени пребывания частиц цинковых кеков для лучшей отгонки цинка была предпринята попыт­ ка увеличить длину циклонной камеры до LjD —2- вместо L/D = 1,7. Однако было отмечено резкое ухудшение работы циклонной камеры, сопровождавшееся сильным ее шлакованием. Одновременно снизи­ лась возгонка цинка. Причиной послужило значительное падение крутки потока, которое наблюдается с возрастанием относительной

длины циклона.

По исходным данным, разработанным Институтом энергетики и ИМиО АН КазССР, Казгипроцветмет выполнил проект циклонной установки для опытного завода ВНИИЦветмета.

Установка состояла из следующих основных узлов:

а) водоохлаждаемой циклонной камеры диаметром в свету 650 лш, высотой 1100 мм, с соотношением диаметра диафрагмы к диа­

266

метру циклона 0,4 и с тангенциальной подачей в циклон пылеугольно­ го и жидкого топлива;

б) отстойной камеры площадью 3,5 м2, футерованной хромомагне­ зитовым кирпичом;

в) трубчатого рекуператора с поверхностью нагрева 76 м2, обеспе­ чивающего подогрев воздуха до 500°, снабженного дробевой очисткой;

г) газовых охладителей и рукавных фильтров.

Таким образом, схема циклонной установки ВНИИЦветмета в основном повторяет стенд, но отличается большими масштабами и со­ ответственно производительностью (1000 кг/час и более).

Сооружение установки на опытном заводе позволило перераба­ тывать крупные партии различных материалов, исчисляемых сотня­ ми тонн и, самое важное, сводить материальный баланс, основанный на длительной работе агрегата. Перерабатывались различные материа­ лы: цинковые кеки, балхашские медные шихты, джезказганские мед­ ные и медно-свинцовые и иртышские медно-цинковые концентраты и др. [7—9]. В результате работ, проведенных по усовершенствованию установки, отстойная камера была заменена электропечью. Это исклю­ чило необходимость обогрева газами ванны с расплавом и представило возможность производить в электропечи обеднение шлаков. Электро­ обогрев отстойника осуществлялся графитовыми электродами диамет­ ром 250 мм от однофазного трансформатора типа ЭПМ мощностью 175 ква, напряжением 100 в. При такой схеме газы, выходящие из циклона, направляются в теплоиспользующие и пылеулавливающие установки. На установке проводились плавки балхашских медных шихт на воздушном дутье, дутье, обогащенном до 30% кислородом, и на техническом кислороде [7, 8]. При этом изменялась конструкция циклонной камеры (главным образом уменьшались основные разме­ ры). Плавка на техническом кислороде протекала автогенно, шихта эжектировалась кислородом, поступающим тангенциально в цик­ лон. В случае переработки полиметаллических концентратов с полу­ чением металлического цинка камера разделения отделяется от элек­ тропечи водоохлаждаемой перегородкой, погруженной в расплав. Это дает возможность поддерживать в газовом пространстве электропечи высокую концентрацию окиси углерода, исключающую окисление па­ ров цинка и способствующую выделению металлического цинка в кон­ денсационной установке, компонуемой с электропечью.

Циклонная полупромышленная установка производительностью по сульфидной медной шихте 100 т/сутки. [10], сооруженная на Бал­ хашском горно-металлургическом комбинате, представлена на рисун­

ке 120.

Циклонная камера (3), собранная из трех кессонированных обе­ чаек, охлаждаемых водой, изнутри оребрена стальными пластинами

267

(40X8 ли), армирующими хромитовую обмазку. Выходная диафраг­ ма отлита из меди как одно целое с кольцом, примыкающим к своду отстойной камеры. Каркасом служат змеевики, навитые из медных труб (42X4 л и ), через которые подавалась вода.

Для стабилизации воспламенения и горения в верхней части цик­ лонной камеры воздух подводился тангенциально на 100 мм ниже

Рис. 120. Общий вид установки для циклонной плавки. 1 — цик­ лонная камера; 2 — тарельчатый питатель; 3, 4 — лотковый и ленточный питатели шихты; 5 — ленточный транспортер; 6 — от­ стойная камера; 7 — пылевая камера; 8 — рекуператор.

крышки. Воздух вводился с двух сторон через четыре шлицы, распре­ деленные по высоте. Впоследствии выяснилось, что оптимальные усло­ вия ввода воздуха — через две верхние шлицы с каждой стороны. Плавное регулирование скорости входящего воздуха осуществлялось клиновыми шиберами. Для подачи шихты в циклонную камеру перво­ начально использовался плотный шнек. Однако из-за частого попа­ дания в шихту металлических предметов (болты, гайки и др.) его при­ шлось заменить специально изготовленным герметизированным та­ рельчатым питателем с двусторонней выдачей материала. Кроме того, шнековые питатели оказались непригодными для работы на шихте влажностью более 3,0 %.

Установка снабжена трубчатым воздухонагревателем, выполнен­ ным по противоточной схеме [11], с поперечным омыванием труб га­ зами и продольным движением воздуха по трубам (51X4 мм, сталь

268

марки 15 ХМ). Очищался рекуператор дробью. Дробь подавалась на 20—30 мин через каждые 2-—3 час, что позволяло поддерживать по­ верхность нагрева чистой, а температуру подогрева воздуха на уровне расчетных значений 480—500°. Температура газов перед рекуперато­ ром — 650—670°, за ним — 360—380°. Наблюдения, проведенные за из­ носом труб, показали, что наибольшему износу подвергаются трубы, расположенные в двух верхних рядах, срок их службы составляет око­ ло 1000 час. Уменьшение износа было достигнуто за счет подачи в верхние ряды труб части холодного воздуха для уменьшения пласти­ ческой деформации их стенок.

Отстойная камера циклонной печи шириной 2,0 м, длиной 5,3 и 2,0 м первоначально была выложена изнутри хромомагнезитовым ша­ мотным и диатомовым кирпичом. Вследствие недопустимо быстрого износа футеровки расплавом стены отстойника на уровне расплава бы­ ли кессонированы, что обеспечивало длительную работу установки. В течение 3500 час циклонная камера проработала без ремонта не­ смотря на ее охлаждение промышленной, весьма минерализованной водой.

Работа двух опытно-промышленных циклонных камер диаметром 1.5 м, высотой 2,25 м, выполненных из шести вертикальных водо­ охлаждаемых кессонов, испытывалась также на плавке балхашских медных шихт. Циклоны размещали на своде отражательной печи за­ вода. При этом полагалось, что установка таких циклонов обеспечит предусмотренное производственной программой увеличение произво­ дительности медеплавильного цеха на 300—350 т/сутки шихты. Однакс из-за большого износа динасового свода и боковых стен в районе размещения циклонов испытания были кратковременными. Для по­ догрева воздуха, подаваемого в циклоны, за отражательной печью мон­ тировались два воздушных подогревателя (Н= 550 м2) с дробевой очисткой, обеспечивающих подогрев воздуха до 400°. При устойчивой работе циклонов, отапливаемых угольной пылью, производительность по шихте каждого из них составляла 9—10 т/час. Совокупность про­ веденных практически в инвариантных условиях исследований на описанных выше циклонных камерах (диаметром 0,43; 0,65; 1,0 и 1.5 лг) позволили экспериментально выявить зависимость производи­ тельности циклона от его размеров.

На промышленной установке (рис. 121) размещена циклонная ка­ мера (.0= 1200, Я =1900 мм), отапливаемая природным газом, кото­ рый вместе с воздушным потоком подается в нее тангенциально с двух сторон через шлицы размером 120X180 мм. Получаемый расплав вместе с газами и содержащимися в них возгонками вытекает в фор- кзмеру-разделитель (7), свод и стены которой защищены водоохлаж­ даемыми 'змеевиками. На выходе из форкамеры установлен шлако­

269