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

улавливающий пучок (8). Из форкамеры через летку диаметром 600 мм расплав вытекает в водяной гранулятор (9). Гранулированный расплав скребковым транспортером (10) перегружается в шлаковый бункер (11), из которого систематически вывозится автомашинами. Дымовые газы с содержащимися в них возгонками при температуре порядка 1300° из разделителя поступают далее в экранированную шахту кот-

= 40 атм, температура 450°). Затем газы проходят через трубчатый рекуператор (15), нагревая воздух, подаваемый в циклон, до 450—500°. За водяным экономайзером (16) размещен воздушный подогреватель (17), нагревающий воздух до 200—250°, направляемый в шаровую мельницу, размалывающую перерабатываемое сырье. Газы проходят через пылеулавливающую систему (на схеме не показана) и с по-

270

мощью дымососа (18) удаляются в дымовую трубу. Производитель­ ность этого агрегата при переработке гранулированных оловосодержа­ щих шлаков составляла 6,6—8,5 т/час [12].

ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ И РАСЧЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИКЛОННЫХ ПЛАВИЛЬНЫХ УСТАНОВОК

Результаты теоретических и экспериментальных исследований по циклонной переработке различного сырья, накопленные многими институтами (КазНИИЭ, МЭИ, ИМиО АН КазССР, ВНИИЦветмет и др.), позволяют сделать предварительные обобщения и разработать рекомендации для определения геометрических параметров циклон­ ной камеры, составления теплового баланса агрегата и выбора режи­ ма его работы при переработке некоторых материалов.

Ц и к л о н н а я к а м е р а и ее к о м п о н о в к а с о т с т о й н и ­ ком. Всесторонние исследования работы технологических циклон­ ных камер дают основание утверждать, что плавильные камеры долж­ ны располагаться вертикально и снабжаться плоской диафрагмой. Это способствует более равномерному распределению расплава по об­ разующей циклона и обеспечивает беспрепятственное его удаление.

Плавильные циклоны могут работать только на гарниссажной футеровке, так как срок службы обычных огнеупоров ограничивается сутками. Состав обмазки для гарниссажной футеровки должен выби­ раться в соответствии с химическим составом перерабатываемого сырья. Для нанесения обмазки внутренняя поверхность циклонной камеры покрывается шипами. Высота привариваемых шипов, их диа­ метр и расположение (шаг) выбираются в соответствии с рекоменда­ циями Всесоюзного теплотехнического института [13].

Особое внимание должно уделяться надежному охлаждению пла­ вильных циклонов. Последние, как правило, рекомендуется выпол­ нять трубчатыми, с плотной навивкой одноходовых ошипованных

змеевиков.

В некоторых случаях циклонные камеры можно выполнять из обечаек, с ошиповкой внутренних стенок.

Использование проточной системы охлаждения камер связано с большим расходом воды, так как по условиям возможного образо­ вания накипи температура воды, выходящей из циклона, не должна

превышать 50°.

Наиболее целесообразно включение циклонной камеры в общий циркуляционный контур котла, если плавильный агрегат компонует­ ся по энерготехнологической схеме с парогенератором. Такой вариант является оптимальным, так как при этом существенно повышается

271

экономичность процесса за счет утилизации тепла для выработки па­ ра, исключается также необходимость сооружения специальной си­ стемы охлаждения.

Одним из перспективных способов охлаждения циклонных агре­ гатов может служить испарительное охлаждение [14]. Использование его позволяет сократить расход воды в 20—30 раз, в результате чего экономически целесообразно для охлаждения применять химически очищенную воду, что увеличит срок службы и надежность камеры. Наконец, для пара, получаемого при испарительном охлаждении (Р= 3—5 атм), легче найти потребителя, чем для большого количества воды, подогретой всего лишь до 50°.

При переработке некоторых материалов не все необходимые фи­ зико-химические превращения завершаются в объеме циклона. В за­ висимости от требований технологического процесса циклонная каме­ ра может компоноваться с копильником, где происходит завершение химических реакций, накопление расплава и разделение его на шлак и штейн, как это, например, может иметь место при переработке суль­ фидных медных концентратов. Непосредственное размещение цикло­ на над ванной расплава и пропуск над ней дымовых газов, как это показано ранее, вызывает вращение расплава, что сопровождается быстрым износом стен копильника и исключает возможность нор­ мального разделения шлака и штейна, происходящего под влиянием гравитационных сил.

Для устранения вращения расплава, вызываемого закрученной струей газов, выходящих из циклона, циклон следует размещать над форкамерой, стенки и подина (порог) которой кессонированы.

Устройство порога, принимающего на себя удар газовой струи и поглощающего значительную часть его кинетической энергии, иск­ лючает вращение расплава, находящегося в отстойнике, улучшает условия его разделения на шлак и штейн и в значительной мере уст­ раняет разъедание футеровки копильника.

При необходимости доработки расплава, например обезмеживания шлаков или отгонки летучих металлов и их соединений (цинк, свинец, редкие металлы), циклонная камера компонуется с электро­ термической печью. В этом случае под циклоном располагается кессонированная камера разделения (рис. 122,а), откуда расплав стекает в электропечь, а газы направляются в газоход, соединенный с утили­ зирующими тепло поверхностями нагрева: котлом-утилизатором и воздушным подогревателем.

Такое компоновочное решение позволяет на выходе из циклон­ ной камеры разделить газовую и жидкую фазы с целью исключения обратных реакций, которые могут протекать между ними в условиях высоких температур.

272

В установках, предназначенных для переработки полиметалли­ ческих концентратов с конденсацией цинка, электротермическая часть должна быть полностью изолирована по газовой стороне от циклон­ ной камеры, так как в электропечи поддерживается восстановитель­ ная атмосфера, а газы, выходящие из циклона, содержат некоторое количество кислорода и окислов серы. Это достигается заглублением

Рис. 122. Схема компоновки циклонной камеры с копильником: а — с камерой разделения и электротермической печью; б — с гранулирующей установкой.

водоохлаждаемои перегородки в расплав и размещением за электро­ печью конденсационной установки, как это осуществляется на опыных КИВЦЭТных установках ВНИИЦветмета.

Наконец, при переработке сырья, расплав которого не содержит ценных составляющих и может рассматриваться как отвальный про­ дукт, циклонная камера может компоноваться непосредственно с гра­ нулирующей установкой (рис. 122,6), в которой используется один из известных способов грануляции (водяной, воздушный и т. д.).

Циклонные камеры с верхним выводом газов при сравнимой скорости дутья характеризуются более высокой сепарационной спо­ собностью, чем камеры с совместным выводом газов и расплава. Они могут быть рекомендованы для пироселекционных процессов, напри­ мер, для возгонки редких металлов.

Подача топлива в циклонную камеру

Для проведения окислительного процесса, например плавки сульфидных медных концентратов, и расчета ожидаемого расхода воздуха суммарный коэффициент избытка воздуха следует прини­ мать сс = 1,05—1,1. При этом учитывается сжигание не только угле­ родистого топлива, но и горючих, содержащихся в шихте.

При осуществлении возгоночного процесса, протекающего в вос­ становительной газовой среде, расход воздуха определяется по за­ данному составу газов, отнесенному к выходу из циклонной камеры. В последнем случае необходимо учитывать также потери тепла с ме­ ханическим недожогом 04 = 3—5 %.

Формирование восстановительной среды, необходимой для про­ ведения восстановительного процесса, достаточно эффективно можно осуществлять за счет использования измельченного угля, добавляе­ мого в шихту в качестве твердого восстановителя.

Вихревая структура газового потока обеспечивает сепарацию угольных частиц в пристенную область и благодаря реакциям гази­ фикации образует здесь восстановительную среду. Одновременно соз­ даются благоприятные условия для протекания восстановительных реакций и в стенке расплава, так как при высоких температурах (£>1000°) твердый углерод более эффективный восстановитель, чем газообразные продукты СО и Нг.

Таким образом, в циклонной камере, согласно терминологии Н. А. Семененко и В. С. Семенова [15], удается создать «химический перекос», характеризуемый относительно высоким содержанием оки­ си углерода в пристенной области при незначительном или полном отсутствии химического недожога на выходе. Содержание продуктов неполного сгорания в дымовых газах определяется составом перера­ батываемого сырья.

В случае отопления циклона угольной пылью ее следует пода­ вать тангенциально через специальные сопла, расположенные за соп­ лами ввода вторичного воздуха.

Транспортировку угольной пыли желательно осуществлять по­ догретым воздухом. Скорость входа аэросмеси в камеру должна составлять 20—25 м/сек.

Жидкое топливо, сжигаемое в камере, следует подавать в воз­ душные сопла (перед циклоном) на некотором расстоянии от их устья. Это обеспечивает предварительное испарение части топлива и хоро­ шее его смешение с воздухом, что позволяет добиться устойчивого воспламенения факела уже на выходе в циклон и развития высокой температуры в верхней части камеры. Указанное обстоятельство чрезвычайно важно, поскольку в плавильных циклонах шихта, за­ гружаемая в рабочее пространство камеры, является балластом при горении факела и может существенно снизить интенсивность тепло­ вого процесса. Такая подача топлива в значительной степени исклю­ чает балластирующее влияние шихты и обеспечивает высокую пол­ ноту тепловыделения в верхней части циклона. Это обусловливает высокий пирометрический уровень начальной стадии процесса и

274

1,5 м. Это ограничение обусловлено наложением друг на друга отно­ сительно холодных потоков, возникающих при многостороннем вводе воздуха и топлива в камеру, что ухудшает воспламенение топлива, в особенности угольной пыли.

Оптимальные скорости ввода воздуха в циклон 120—130 м/сек. Однако сечение воздушных сопл выбирается с некоторым запасом так, чтобы при нормальной производительности камеры и полностью открытых регулировочных задвижках скорость ввода воздуха в цик­ лон находилась в пределах 80—90 м/сек. Конфигурация воздушных

Определение основных габаритов форкамеры

При размещении циклонной камеры над копильником, снабжен­ ным порогом, последний вместе с ограждающими его стенками об­ разует форкамеру. При пироселекции в циклоне под воздействием высокой температуры и соответствующей газовой среды происходит, очевидно, не только сублимация летучих окислов, но и возгонка вос­ становленных металлов. Таким образом, в газовой струе, выходящей из циклона, находятся пары металлов и их окислов, а также мель­ чайшие твердые частицы шихты, на которых благодаря явлениям адгезии и сорбции конденсируются возгоны металлов. Соприкоснове­ ние такой струи с порогом и стенками, покрытыми расплавом, сопро­ вождается дополнительной сепарацией содержащихся в ней взвешен­ ных частиц и протеканием обратных реакций. При этом расплав

276

обогащается металлом, что предопределяет увеличение его потерь со шлаком и снижает технологические показатели процесса возгонки.

Исследования закономерностей распространения закрученных струй [17] и опытные стендовые плавки позволили установить влия­ ние конструктивных параметров форкамеры на технологические по­ казатели циклонного процесса [18]. С увеличением расстояния диа­ фрагмы циклона от порога снижается осевая составляющая средней скорости V г, сила удара газовой струи о порог, а вместе с этим уменьшается и величина потери металла со шлаком. Для различных перерабатываемых материалов допустима разная средняя скорость удара струи о порог V .. Удаление порога от диафрагмы рассчитыва­ ется по заданной величине V2 из уравнения

(4.4)

где Т г— температура газов на выходе из циклона; а.— угол раскрытия газовой струи на выходе из циклона, для

плоской диафрагмы он равен 15—17°.

При расчете необходимо учитывать, что с удалением порога уменьшается дополнительное улавливание уноса из циклона и не­ сколько снижается кратность обогащения возгонов. Поэтому можно рекомендовать оптимальную величину удаления порога от диафраг­ мы в пределах /г = (4ч-5)гід.

Минимальная ширина порога должна составлять величину

Размеры отстойной части копильника определяются по необхо­ димому времени отстаивания и производительности камеры.

Порог и стены форкамеры должны покрываться трубчатым или камерным кессонами. Кессон порога следит укладывать с уклоном (3—5°) в сторону, противоположную стоку расплава, что способству­

• 103 ккал/м2 ■час, для штейна — (30—40) • 103 ккал/м2 ■час.

Схема теплового расчета циклонного плавильного агрегата

Для расчета ожидаемого расхода топлива и соответственно воз­ духа должен предварительно составляться тепловой баланс по урав­ нению [19]

277

Тепловой баланс удобнее сводить по отношению к единице веса перерабатываемого сырья.

Тепло, уносимое с дымовыми газами Q2, различно в зависимости

от рассмотренных выше вариантов конструктивного оформления цик­ лонного агрегата.

Когда компонуется циклонная камера с отстойником, темпера­ тура газов, уходящих из циклона, должна выбираться с таким расче­ том, чтобы на выходе из отстойника (с учетом потерь через его ограж­ дающие поверхности) примерно на 100° превышала температуру вы­ пускаемого расплава.

При использовании электротермической печи температура газов на выходе из циклона должна рассчитываться таким образом, чтобы она покрывала потери тепла в камере разделения и была на 100° выше температуры расплава, поступающего в электротермическую часть агрегата.

В случае отсутствия копильника температура газов в устье диа­ фрагмы или горловины (для циклона с верхним выводом газов) должна превышать на 100—150° температуру расплава, вытекающего из циклона.

Поддерживаемая температура расплава, выпускаемого из агре­ гата, обычно определяется его жидкотекучестью. Как показал опыт работы промышленных установок, для надежного удаления расплава его вязкость цСр должна быть не выше 100 пз.

Вусловиях металлургического производства шихта составляется

сучетом получения шлака (расплава) оптимального состава по его физико-химическим свойствам, а также вязкостным характеристи­ кам. Таким образом, эти величины определяются составом перера­ батываемой шихты. Решение задачи о скорости течения шлаковой пленки по стенке циклонной камеры и возможной температуре ее поверхности позволяет найти величину средней температуры распла-

278

ва, вытекающего из циклона, и соответственно вязкость вытекаемого расплава [3—126]

где

to — температура Ликвидуса (перехода расплава в истинно жид­ кое состояние);

цо — вязкость расплава при температуре t0 (определяемая экспе­ риментально) ;

|Аср — вязкость расплава на выходе из циклона;

I — характеристика величины температурного интервала, в ко­ тором происходит расплавление шлака от пластического до истинно жидкого состояния: для «коротких» шлаков

Z= 0,04, для «длинных» — 0,01-7-0,02 [13].

Температура выпускаемого расплава выбирается в каждом от­ дельном случае в зависимости от его химического состава и вязкост­ ных характеристик, по выбранной температуре определяется значение Qe — тепло, уносимое с расплавом.

Величина химического недожога Qo при проведении окислитель­ ных процессов принимается равной нулю.

При возгоночных процессах химический недожог определяется по заданному составу газов, отнесенных к выходу из циклонной каме­ ры. Обычно содержание окиси углерода принимается 2—4% и по этой величине рассчитывают Q3.

Как указывалось, циклонный метод плавки характеризуется не­ значительным пылевыносом. Поэтому механический недожог Qi не­ велик (2—4%). Несколько большая величина может приниматься для возгоночных процессов.

При расчете тепла Qi, уносимого с возгонами, к количеству воз­ гонов, которые получаются за счет сублимации и возгонки летучих металлов и соединений, находящихся в шихте, необходимо добавлять 4 —6 % механического выноса. Температуру выносимого материала (частиц и возгонов) следует принимать примерно на 1 0 0 ° ниже тем­

пературы газов, выходящих из циклона.

Тепло эндо- и экзотермических реакций Qs и Qg, а также тепло на испарение влаги рассчитываются по общепринятым методикам и нормам.

Для расчета потерь тепла через водоохлаждаемые, не изолиро­ ванные кирпичом кессоны копильника и камеры разделения наибо­ лее оптимальный удельный тепловой поток 40—50 тыс. ккал/м2 ■час.

Наибольшие трудности возникают при расчетах величин тепло-

279