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

Практика показывает, что весовое напряжение, т. е. часовой про­ плав на единицу объема плавильного пространства, составляет 0,3— 0,35 т/м3 на обычном воздушном дутье и 0,45—0,6 т/м3 — на техни­ ческом кислороде. В пересчете на суточный проплав 7,2—8,1 и 11— 13 т/м3-сутки соответственно. Эти данные подтверждаются теоретиче­ скими расчетами, выполненными А. Б. Резниковым и А. В. Тонконо­ гим [80]. По их данным, теоретическое весовое напряжение в час на единицу объема плавильного пространства печи колеблется от 0,28 до 0,35 т/м3 при воздушном дутье и 0,86 т/м3— при кислородном.

Таким образом, из общего рассмотрения принципа плавки выте­ кает, что переработка измельченного материала во взвешенном состоя­ нии как одна из разновидностей плавки сырья цветной металлургии представляет собой более прогрессивный метод по сравнению, напри­ мер, с отражательным и шахтным методами плавки.

Между тем метод взвешенной плавки и как его энергетический аналог — факельное сжигание топлива — имеют ряд недостатков.

Кним относятся:

—жесткие требования к подготовке шихты как по грануломет­ рическому составу, так и по влажности (0,3—0,5%);

—высокий -вынос частиц перерабатываемого материала;

—низкое удельное теплонапряжение на единицу объема пла­ вильного пространства.

При схеме прямоточного движения сульфидного материала и по­

даваемого вместе с ним воздуха (или кислорода) подавляющая масса частиц благодаря большой их «парусности» движется в том же на­ правлении и с теми же скоростями, что и несущий их поток.,Поэтому время пребывания частиц в плавильной камере определяется ско­ ростью самого газовоздушного потока, обычно проносящегося через плавильную зону за считанные секунды. Иначе говоря, «послушное» следование частиц материала за движением воздушного потока при малой относительной скорости их движения в потоке газов значитель­ но затрудняет диффузию реагирующего воздушного потока к поверх­ ности частиц, что отрицательно влияет на скорость процесса в целом.

В этом случае процессы массо- и теплообмена между газовой сре­ дой и взвешенными в ней частицами определяются зависимостью

Nu—2(1-|-0,08 Re2'3),

где Nu — критерий Нуссельта (тепловой и диффузионный); Re — критерий Рейнольдса.

Как Известно, при малрм размере частиц, исчисляемом десятка­ ми микрон, и небольшой их скорости относительно транспортирующе­ го потока критерий Нуссельта — практически величина постоянная,

20

равная примерно двум. Это обстоятельство лимитирует возможность интенсификации процессов, происходящих при прямоточном движе­ нии частиц вместе с несущим их потоком.

Время пребывания частиц в рабочем пространстве агрегата опре­ деляется скоростью воздушного потока, обычно проходящего через агрегат в течение 1—3 сек. Для увеличения времени пребывания реа­ гирующих частиц в рабочем пространстве аппарата предлагалось организовать £/-образную схему движения факела. Несостоятельность такого предположения убедительно показана Г. Ф. Кнорре [81].

Принимая плотность газов постоянной, и учитывая, что при лю­ бом их движении должно соблюдаться уравнение сплошности FW = = const, время пребывания частиц, движущихся со скоростью, пример­ но равной скорости в рабочем пространстве потока, можно предста­ вить как

Ö0

где W —f(l)— скорость потока в данном сечении; F=?(l)— площадь сечения;

Ѵт\ Іт— объем и длина рабочего пространства и агрегата соот­ ветственно ;

х — время пребывания частицы в рабочей зоне.

Из приведенной зависимости следует, что при заданном объеме рабочего пространства скорость потока будет увеличиваться во столь­ ко раз, во сколько увеличится длина полета частицы и, следовательно, время пребывания частиц останется неизменным по сравнению с пря­ моточным факелом при одинаковом расходе газов через агрегат. Имен­ но этим можно объяснить низкие удельные теплонапряжения (0,1— 0,3 млн. ккал/т3 ■час), свойственные способам плавки материалов во взвешенном состоянии.

По данным авторов [82—84], последнее замечание относится к энергетическим агрегатам, работающим по принципу факельного сжигания топлива. По их мнению, низкое удельное теплонапряжение топочного объема в какой-то степени ограничивает габариты котель­ ных установок, в особенности при сжигании высокозольных углей. .

ЦИКЛОННЫЙ СНОСОВ ПЛАВКИ И ЕГО ОСОБЕННОСТИ

Общность макрокинетики горения диспергированного твердого топлива и огневой переработки измельченного сырья металлургиче­ ской, химической промышленности и промышленности стройматериа­ лов отмечалась неоднократно. Процессы могут быть лредставле-

21

ны практически одной и той же математической моделью, отли­ чающейся для каждого конкретного случая только условиями од­ нозначности, поэтому пути их интенсификации могут оставаться идентичными.

При сравнительно высоких температурах, развивающихся в то­ почных устройствах, сама химическая реакция горения, зависящая экспоненционально от температуры, могла бы протекать со значитель­ но большей скоростью, чем в реальных условиях. Это объясняется тем, что процессы смесеобразования, которые практически не зависят от температуры, в прямоточных потоках развиты слабо, что и создает большой разрыв между потенциальными и действительными скоростя­ ми тепловыделения. Для существенной интенсификации процесса сжи­ гания измельченного топлива возникла необходимость в корне пере­ смотреть аэродинамическую структуру факела, его форму и выбрать такой характер движения горящего факела, который бы отличался высокой смесеобразовательной способностью.

Как оказалось, таким условиям отвечает сильно закрученный по­ ток, который вследствие закономерностей движения, характеризуемых зоной повышенного давления на периферии и пониженного в централь­ ной части, создает благоприятные условия для образования вторичных циркуляционных вихрей, способствующих значительной турбулизации потока и улучшению смесеобразования. Твердые частицы, введенные в поток, вовлекаются им во вращение и под влиянием центробежных сил перемещаются относительно газовой среды со значительной тан­ генциальной скоростью, что в свою очередь предопределяет интенси­ фикацию процессов тепло- и массопереноса. Таким образом, чисто аэродинамическими средствами в сочетании с соответствующей гео­ метрией топочной камеры удалось создать достаточно компактные, высоко напряженные топочные устройства, получившие название цик­ лонных топок и превосходящие на порядок и более теплонапряжен­ ность факельных топок [84].

Такие устройства обладают настолько высокой смесеобразователь­ ной способностью, что обеспечивают в малых объемах приемлемую полноту выгорания топлива при минимальных, близких к теоретиче­ ским, избытках воздуха. Это дает возможность развивать в рабочем пространстве топки высокий уровень температур, обеспечивающий плавление минеральной части топлива. Образующийся при этом жид­ кий шлак центробежной силой отбрасывается на стенки циклонной топки и, стекая по ней, служит не только стабилизатором горения топ­ лива, но и жидкой пленкой, на которой улавливаются частицы твердой взвеси и выгорают крупные частицы угля, вследствие чего в пределах циклонных камер улавливается 90% и более золы, содержащейся в сжигаемом топливе.

22

Перечисленные особенности циклонных топок почти полностью согласуются с требованиями интенсификации пирометаллургической переработки диспергированного сырья. Это дало основание использо­ вать принцип циклонного способа сжигания топлива для термической переработки мелких руд и концентратов [85] с учетом следующих со­ ображений :

1. Если загружаемые в циклонную камеру концентрат (шихта) и топливо рассматривать как единое целое, то процессы сжигания и тепловой обработки такой смеси в плавильном циклоне окажутся качественно идентичными о процессами, протекающими в энергетиче­ ской циклонной топке при сжигании в ней забалластированных золой углей, т. е. условия плавления негорючей части шихты будут анало­ гичными плавлению минеральной части топлива в энергетическом циклоне. Сказанное позволяет рассматривать циклонную камеру как своеобразный металлургический плавильный агрегат, в котором совме­ щаются процессы'сжигания топлива, окисления сульфидов и плавле­ ния пустой породы.

2. Целые классы сырья цветной металлургии (медные и полиме­ таллические сульфидные руды и концентраты) сами по себе являются

•своеобразным, сильно забалластированным топливом, которое при цик­ лонном способе может сгорать во много раз интенсивнее, чем в совре­ менных плавильных печах, и благодаря экзотермическим эффектам способно заменить частично или полностью топливо, расходуемое на плавление шихты.

3.Циклонный принцип позволит резко повысить интенсивность сжигания топлива за счет форсирования процессов тепло- и массообмена, следовательно, ускорить подвод тепла к частицам шихты, что обусловит увеличение удельной производительности плавильного про­ странства агрегата.

4.Если в энергетических топках тепло, затраченное на расплавле­ ние золы, относится к потерям, то при сжигании в технологической

циклонной камере топлива, специально «забалластированного» метал­ лургическим сырьем, тепло, уносимое расплавом, становится полез­ ным, так как затрачивается непосредственно на нужды технологиче­ ского процесса, и предельное содержание перерабатываемого «балла­ ста» ограничивается лишь условиями технологического режима, необ­ ходимыми для осуществления процесса.

5. Высокий температурный уровень, развиваемый в циклонной камере, в комбинации с быстрым удалением из нее продуктов плавки должен способствовать возгонке редких и рассеянных элементов, со­ держащихся в шихте, что согласуется с одним из основных требова­ ний современного металлургического производства — комплексным извлечением ценных составляющих из исходного сырья.

23

6. По сравнению с существующими металлургическими агрегата ми и процессами плавки во взвешенном состоянии циклонные плавиль­ ные камеры отличаются низким пылевыносом.

Интересуются этим способом и за рубежом [87—91].

Сущность циклонной плавки состоит в том, что в циклонную ка­ меру 2 (рис. 3), представляющую собой цилиндр с выходным отвер-

Во.зд/’х У1

r<yjö/fsa

утилизацию

телл а

Рис. 3. Схема циклонной плавильной установки.

стием в виде плоской диафрагмы 4, или обращенного сопла, танген­ циально через соответствующие сопла 3 с большой скоростью (100 м/сек и более) подают воздух. В камере образуется вихрь-циклон, на периферии которого возникает зона повышенного давления, а в центре, как и во всяком циклоне, — пониженное и даже отрица­ тельное. Такая структура потока обеспечивает интенсивный возврат газов к корню факела, что, в свою очередь, способствует быстрому разогреву и воспламенению подаваемого в циклон топлива и материа­ ла. Топливо подают в камеру через соответствующее горелочное устройство 1. В верхнюю часть камеры аксиально или танген­ циально через специальные сопла вместе с воздухом вводят шихту 5„ Частицы топлива и шихты подхватываются вихрем, вовлекаются

24

во вращение и под действием центробежных сил перемещаются

кпериферии.

Вциклонной камере происходит сложный комплекс явлений, что исключает возможность аналитического расчета тепловой работы это­ го аппарата. Здесь в условиях криволинейного движения горящих

частиц с непрерывно меняющейся массой осуществляется тепло- и массообмен между частицами и вращающейся газовой средой, кото­ рая претерпевает различные физико-химические изменения (меняется ее аэродинамическая структура, температура, плотность и состав). Уместно напомнить, что даже для обычных центробежных циклоновпылеуловителей, работающих практически в изотермических усло­

критерия Рейнольдса не решается. Поэтому мы прибегли к по­ мощи ЭВМ.

Анализ полученных решений позволил схему рабочего процесса, происходящего в циклонной камере, сформулировать следующим об­ разом [92].

Поступающее в циклонную камеру топливо, как и технологиче­ ское сырье, вовлекается во вращение газовоздушным вихрем. Вслед­ ствие полидисперсности материала происходит сегрегация частиц по размерам: крупные под действием центробежных сил сепарируются на стенку, мелкие, не успев достигнуть стенки, сгорают (топливо) или плавятся (материал) в объеме. Здесь же, в объеме, сгорают летучие, выделившиеся из топлива. Значительная часть коксового остатка сго­ рает на стенке циклонной камеры, покрывающейся в процессе работы жидкой пленкой шлака или расплава. Образующаяся пленка играет решающую роль в стабилизации процесса горения топлива, обуслов­ ливая аэродинамическую устойчивость прилипающих к ней частиц. Создается возможность омывания частиц газовоздушным потоком с большой скоростью, что приводит к быстрому их выгоранию или плавлению, а, следовательно, обеспечивает высокие удельные тепловые форсировки камер, в десятки раз превышающих нагрузки обычных факельных топок или камер-шахт печей взвешенной плавки. Посту­ пающие в периферийную область частицы кокса способствуют проте­ канию восстановительных процессов.

' Если исходить из сформулированной схемы рабочего процесса и рассматривать его как горение части топлива на цилиндрической поверхности, омываемой вихревым потоком газов, то присущие цик­ лонным топкам высокие удельные тепловые напряжения, как это бу­ дет показано ниже, с известным приближением могут быть об­ основаны.

Таким образом, принцип циклонной плавки позволяет удачно со­

25

четать фактор развитой поверхности в период нахождения частиц в объеме циклонной камеры с фактором высокой скорости движения частиц относительно газовой среды во время их перемещения к стенке камеры. Что касается частиц, находящихся на пленке расплава, то они омываются вращающимся газовым потоком, способствующим быстро­ му их выгоранию или плавлению.

Кроме того, при подаче в циклон сильно подогретого дутья, а так­ же при работе этого устройства с малым избытком воздуха (а^1,1), уровень развиваемых в нем температур на 200—300° выше, чем в дру­ гих плавильных агрегатах, например, в отражательной или шахтной печах. Это способствует ускорению и более полному протеканию про­ цессов испарения и сублимации соединений металлов, характеризую­ щихся низким давлением паров. Расплавленные продукты, образую­ щиеся в циклонной камере, поступают в отстойную камеру 6 (см. рис. 3), где продолжается взаимодействие между ними и проис­ ходит разделение на штейн и шлак. В случае переработки сульфидных медных концентратов расплавленные продукты выпускаются через шлаковое окно 7 и шпуровое отверстие 8. При переработке полиметал­ лических концентратов циклонная камера компонуется с электро­ печью, где можно проводить доработку расплава.

В циклонной камере удается вести плавку сульфидных медных концентратов на различные по содержанию меди штейны, вплоть до прямого получения черновой меди. Степень обжига легко регулируется изменением количества воздуха, подаваемого в циклон, и соответст­ вующей подачей в него углеродистого топлива. Естественно, что высо­ кая степень десульфуризации позволяет резко сократить расход топ­ лива на плавку за счет экзотермических реакций окисления суль­ фидов, а при надлежащем подогреве воздуха и обогащении его кисло­ родом — проводить процесс автогенно, без затраты углеродистого топ­ лива. Такой процесс сопровождается уменьшением количества газов и высокой концентрацией в них сернистого ангидрида.

Кроме того, в циклонной камере можно совмещать процессы об­ жига, плавки и восстановления и перерабатывать различные материа­ лы в зависимости от потребностей технологии в окислительной или восстановительной среде. В соответствии с этим установки для пере­ работки различных материалов, а также конструкции циклонной ка­ меры могут иметь некоторое отличие по геометрическим и режимным параметрам.

Подача топлива в пристенную область камеры позволяет созда­ вать в периферийной зоне восстановительную газовую фазу с коэф­ фициентом избытка воздуха на выходе из диафрагмы, равным а ~ 1,0, незначительное количество свободного кислорода и практически пол­ ное отсутствие окиси углерода. Это обеспечивает высокую полноту

26

тепловыделения и температуру в камере даже при наличии локаль­ ных зон с восстановительной газовой средой. Такая особенность агрега­ та выгодно отличается от используемых в настоящее время отража­ тельных или шахтных печей, так как дает возможность наряду с плав­ кой эффективно осуществлять возгонку летучих металлов и комплекс­ но извлекать ценные составляющие исходного сырья.

металлургии меди и сопутствующих ей редких и рассеянных элементов. Москва — Свердловск, 1961.

4. Е г о р о в Ф. Р., Б ы X о в с к и й Ю. А. Отражательные печи Балхашского

завода и пути повышения их экономичности. «Цветные металлы», 1947, № 6.

5. Р а ф а л о в и ч И. М., З а б е р е ж н ы й И. И., П о б е д о н о с ц е в Ю. К. Усовершенствование конструкции пылеугольных горелок на отражательных печах

7.В г а n d t D. I. О. Pulsating burner to speed production of copper. — «Steel», 1960, 146, № 4.

8.Ш и ш к и н Б. И. Подвесные своды отражательных печей. «Цветные метал­ лы», 1939, № 12.

9.З у б а р е в В. И. Изменение конструкции свода алтейка на отражательной печи Красноуральокого завода. «Цветные металлы», 1945, № 2.

плавления и удельный проплав сульфидных и окисленных материалов в отража­

27

уральском медеплавильном комбинате. Материалы совещания по основным направ­ лениям развития металлургии меди н сопутствующих ей редких и рассеянных эле­ ментов. М., 1961.

22.Г а з а р я н Л. М. Эволюция в практике отражательной плавки и в конст­ рукции печи. «Цветные металлы», 1945, № 3.

23.С м и р н о в В. И. Отражательная плавка. Изд. третье. М., 1952.

24.А в е т и с я н X. К. Металлургия черновой меди. М., 1954.

В кн.: «Применение кислорода на металлургических предприятиях Урала». Сверд­

для отражательной медной плавки. «Изв. вузов, Цветная металлургия», 1961, № 5. 32. Г а р е н с к и х А. Д., Б у л а т о в В. Д., Ф е д ч е н к о Ю. П., Р а ф а л о-

в и ч И. М., 3 а б е р е ж н ы й И. И. Подогрев воздуха для промышленных отража­ тельных медеплавильных печей. «Цветные металлы», 1956, Хе 4.

33.Электроплавка в цветной металлургии. Под ред. Г. Егера. М., 1958.

34.Электроплавка в металлургии цветных металлов. Рефераты. «Бюлл.

А. И. Металлургия меди, никеля и кобальта. Ч. II. М., 1966.

37.H a g e n Н. — «Tidskrift for kjemi bergvesen og metallurgi», 1941, Xe 1.

38.H e r n e r y d S. D. — «Erzmetall», 1955, 5, 405.

39.Л а к e p и и к M. M. На предприятиях цветной металлургии Швеции. М.,

1957.

40. С и м а к о в К. М. Производство меди на заводе «Роншер» в Швеции. «Бюлл. ЦИИНЦМ», 1960, Хе 3.

41.А п о n S. — «African Mining Eng. J,», 1957, 68, Feb.

42.B r a n d f o r d G. — «Mining Mag.», 1950, 83, Sept.

43.Canadian Mining and Metallurgy Bulletin, 1956, 29, Xe 529.

44.С м и р н о в В. И. Соображения о выборе способа плавки медных концент­

ратов. «Бюлл. ЦИИНЦМ», 1960, Хе 11.

45. Г а з а р я н Л. М. Электроплавка на штейн в металлургии меди. «Цветные

металлы», 1955, Хе 1.

46. Г р а н о в с к и й К. П., Д и е в В. И. и др. Электроплавка на штейн а металлургии меди. «Цветные металлы», 1955, Хе 1.

28

р о в Л. Г. Электроплавка джезказганских медных концентратов. «Бюлл. ЦИИНЦМ»,

по основным направлениям развития металлургии меди и сопутствующих ей ред­ ких и рассеянных элементов. М., 1961.

54. Ц е ф т А. Л., О н а е в И. А., Щ у р о в с к п й В . Г., К у р о ч к и н А. Ф. и др. Электроплавка медных концентратов Джезказгана. «Металлургическая и хи­ мическая промышленность Казахстана», 1962, № 6.

55. Ц е ф т А. Л., О н а е в И. А. и др. Ликвационная электроплавка медных концентратов Джезказгана на высококальциевистые шлаки. Тр. Института метал­ лургии и обогащения АН КазССР, т. VIII, 1963.

•и др. Опыты содовой электроплавки свинцовых концентратов в промышленных ус­

69.Ч и ж и к о в Д. М. Металлургия тяжелых цветных металлов. М., 1948.

70.А в е т и с я н X. К. Металлургия черновой меди. М., 1954.

71. К у б а ш е в с к и й О., Э в а н с Э. Термохимия в металлургии. М., 1954.

29