Файл: Циклонная плавка. (Теоретические основы, технология и аппаратурное оформление).pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 255
Скачиваний: 0
что даже при ширине отстойника, равной шести диаметрам циклона,
и при расстоянии от диафрагмы до расплава ~“д =5,0 скорость движе-
ния расплава у стенки остается заметной и составляет около 30% от максимального значения. При этих условиях для полного устране ния эрозии расплавом стенок отстойника габариты его нужно увели чить до неприемлемых размеров.
V
Рис. 82. Сравнение эксперименталь ного профиля вращения скорости жидкости (1) с {расчетным (2).
Таким образом, лишь размещение водоохлаждаемого порога под вертикальными циклонными камерами с совместным выводом газов и расплава и кессонирование стен разделительной камеры могут устранить износ кладки вращающейся струей газов, выходящих из циклона.
РАЗДЕЛИТЕЛЬНАЯ КАМЕРА
Размещаемый под циклонной камерой водоохлаждаемый порог вместе с ограждающими его поверхностями образует разделительную камеру, которая играет немалую роль при осуществлении в циклон ном агрегате процесса пироселекции, конечным продуктом которого являются возгоны окислов металлов, а получаемый расплав представ ляет собой отвальный шлак. По нашему мнению, при осуществ лении этих процессов благодаря высокой температуре и соответ ствующей газовой среде, поддерживаемой в циклонной камере, про исходит не только сублимация окислов металлов или их сульфидных соединений, но и возгонка восстановленных металлов, образующихся
врезультате ряда физико-химических превращений. Таким образом,
вциклонной камере в газовую фазу переходят в виде паров возгоня емые металлы или их простейшие соединения в соотношениях, зави сящих от режима работы камеры. Наряду с этим в газах содержатся
180
выносимые из циклона мельчайшие частицы шихты с сильно разви той поверхностью, и на них в результате адгезионных явлений и сорб ции осаждаются возгоны.
На выходе из циклона из-за высокой скорости вращения газового потока происходит сепарация обогащенных расплавом частиц уноса, улавливаемых жидкой пленкой расплава, покрывающей порог и ограждающей поверхности разделительной камеры. При этом проис ходит обогащение расплава металлом, что способствует увеличению содержания металла в шлаках. Впервые это явление было замечено при циклонной плавке цинковых кеков [67]. После размещения цик лона над узкой подковообразной водоохлаждаемой камерой содержа ние цинка в шлаке увеличилось за счет улавливания на ее стенках окислов цинка, содержащихся в твердой фазе, выносимой из циклона. Увеличение габаритов разделительной камеры (с таким расчетом, что бы исключить возможность контакта струи газов с ее стенками) и рас стояния между диафрагмой циклона и порогом до трех калибров диаметра диафрагмы снизило потери цинка со шлаком с 30 до
9—15%.
Можно предполагать, что аналогичное явление происходит при осуществлении в циклонной установке и других возгоночных процес сов, например при переработке материалов, содержащих редкие ме таллы.
Влияние аэродинамики потока и конструктивных соотношений разделительной камеры на технологические показатели возгоночного процесса можно проиллюстрировать результатами переработки в цик лонной камере золы, содержащей редкие металлы. Здесь при увеличе-г
нии выходной диафрагмы с -=- = 0,35 до |
= 0,45 кратность обога- |
■Ь-'Ц |
і - ' ц |
щения возгонов снизилась с 5,7 до 4,4 и одновременно уменьшились потери металла со шлаком с 35—37% до 24—27% [68].
Как уже отмечалось, закрученная струя, вытекающая в ограни ченное пространство, отличается от аналогичной свободной струи. Прежде всего наличие стенок вызывает появление градиента давления по высоте струи. Он оказывает влияние на форму профиля скорости, направление вектора скорости и соотношение его составляющих. Про филь тангенциальной составляющей скорости потока, вытекающей
вразделительную камеру в зависимости от входной скорости воздуха
вциклон и диаметра диафрагмы, описывается зависимостью [68]
Ѵ9 =36,14V, |
2R |
(3.73) |
|
|
181
где Увх— скорость ввода воздуха в циклон;
da— диаметр выходной диафрагмы; |
|
R — текущий радиус. |
|
Закономерность падения осевой скорости |
|
( d„Y>.83 |
(3.74) |
Ѵа = 1,б6Ѵвх (-£-) , |
где X — отношение расстояния между выходной диафрагмой и поро
гом к диаметру диафрагмы x —h/d^.
Рис. 83. Зависимость потерь со шлаком (а) и кратности обога щения (б) от скорости газов у порога.
Сизменением расстояния от диафрагмы до порога скорость струи
уповерхности шлаковой пленки, покрывающей порог, претерпевает существенное изменение. Соответственно этому меняется и давление, оказываемое струей на поверхность порога, образуется профиль дав
ления, оконтуренный границами воздушного потока в данном сечении. Основная часть кинетической энергии струи теряется при ударе, после чего скорость ее резко падает. Это положение подтверждено экспери ментально на моделях и огневых стендах.
Таким образом, представление о движении газовой струи [69], согласно которому струя, отражаясь от порога, ударяется в свод и раз рушает его, не находит подтверждения. Угол полного раскрытия струи, образуемый осью циклона и внешней ее границей, где вектор скорости равен нулю, для изотермического и неизотермического пото ков в зависимости от расхода воздуха находится в пределах 22—34°.
Минимальная ширина порога при известном угле раскрытия фа кела может быть определена как
Dn = d n+ 2 h tg a , |
(3.75) |
где h — расстояние от порога до выходной диафрагмы; а — угол раскрытия струи.
182
Средняя осевая скорость струи при ударе о порог |
|
|||
V |
ср |
2,16 Ь\ |
Гг. |
(3.76) |
у |
(ds +2fttga)? |
Го ’ |
|
где Тт— температура газов в камере разделения.
Подставив необходимое значение осевой скорости газов у поверх ности порога, из последнего уравнения можно найти необходимое рас стояние от диафрагмы до порога, а по полученной величине h по фор муле (3.75) определить минимально необходимую ширину порога.
Влияние изменения скорости газов на выходе из циклона, раз меров диафрагмы и расстояния от диафрагмы до порога на основные
•технологические показатели процесса пироселекции, кратность обога щения возгонов и потери металла со шлаками изучались при перера ботке зол, содержащих редкие металлы [68].
Из рисунка 83 отчетливо видно, что при малой скорости газов у порога (последний значительно удален от диафрагмы) потери метал ла со шлаками минимальны. Однако при этом низка и кратность обога щения, так как на пороге из-за малой скорости газов сепарируется незначительное количество механического уноса. Уменьшение диа метра диафрагмы сопровождается возрастанием кратности обогаще ния [68]. Это обусловлено улучшением сепарации частиц из газового потока, вследствие чего уменьшается пылевынос и соответственно воз растает кратность обогащения.
Таким образом, приведенные соотношения позволяют определить размеры разделительной камеры в зависимости от производительности циклонной установки и оценить влияние геометрических соотношений разделительной камеры на характеристики потока, а следовательно, и на технологические показатели процесса пироселекции.
ДВИЖЕНИЕ, ГОРЕНИЕ И ОКИСЛЕНИЕ ЧАСТИЦ УГЛЕРОДА И СУЛЬФИДОВ
Состояние вопроса
Сложность рабочего процесса, протекающего в циклонной камере, пока еще не позволила разработать всеобъемлющую теорию, на базе которой можно было бы создать надежную методику инженерного рас чета такого аппарата.
Уместно отметить, что подобная методика отсутствует не только применительно к плавильным агрегатам рассматриваемого типа, но также и к давно существующим и широко используемым в цветной металлургии отражательным и шахтным печам. Тепловые расчеты
183
печных и топочных устройств базируются на эмпирических'^зави симостях, возможность экстраполяции которых существенно ограни ченна.
Плодотворным в разработке методики расчета огневых устройств оказался метод обобщения экспериментальных материалов с помощью теории подобия. Этим способом удалось обработать значительное чис ло отечественных и зарубежных опытов и получить полуэмпирические зависимости, которые используются в настоящее время для расчета выгорания твердого и жидкого топлива в прямоточном факеле. Такой прием дает возможность приблизиться к реальной обстановке изучае мого процесса, отличающегося сугубо зональным характером, который пока не может быть описан аналитической зависимостью.
Для расчета топок котельных агрегатов в качестве исходных при нимаются экспериментальные зависимости, отражающие удельные тепловыделения, приходящиеся на единицу объема или сечения топки
(дѵ, Гкал/м3 -час или qf, Гкал/м2-час).
В циклонной камере в условиях быстро вращающегося потока, включающего в себя газовую и твердую фазы, происходит прогрев, горение, окисление и плавление частиц, масса которых в большинстве случаев подвергается непрерывному изменению.
Несущая газовая среда также претерпевает различные физико-хи мические изменения (меняются ее аэродинамическая структура, тем пература, плотность, химический состав и др.).
Поведение частиц измельченных материалов, подвергающихся тепловой обработке и соответствующим физико-химическим измене ниям при их движении в аппаратах циклонного (вихревого) типа, при влекали к себе внимание исследователей с того момента, как эти устройства стали применяться в огнетехнике. Главное внимание было, естественно, уделено частицам топлива, поскольку горение его яв ляется основой, на которой базируются все огнетехнические и пирометаллургические процессы.
Первая попытка аналитического решения задачи движения час тиц переменной массы во вращающемся потоке принадлежит М. Леддинегу [76], использовавшему уравнение расчета движения частиц в центробежных пылеуловителях. Принятые здесь допущения, как показано в [77], приводят к существенному расхождению результатов расчета с реальной картиной процесса. К числу допущений, например, относится использование закона Стокса для расчета коэффициента аэродинамического сопротивления движущихся в газовом потоке час тиц. Область применения этого закона, как известно, ограничена ма лыми значениями критерия Рейнольдса. Для циклонного потока, характеризуемого сильной турбулентностью, использование закона Стокса недопустимо.
184
Кроме того, не учитывался инерционный член и полагалось, что
dVr |
п |
d, |
■=0, т. е. движение частицы в радиальном направлении принима |
лось равномерным. Такое допущение также противоречит действитель ности, ибо частица, вдуваемая тангенциально в циклонную камеру вместе с подводимым воздухом, движется в радиальном направлении ускоренно, имея лишь в начальный момент радиальную скорость
Ѵг =0.
Рассматривая условия выгорания частицы углерода, прилипшей к шлаковой пленке, М. Леддинег указывает, что время выгорания со измеримо с временем движения шлаковой пленки в циклоне. Выдви нув, таким образом, идею горения углерода на шлаковой пленке, он не пытается даже объяснить причин существенной интенсификации горе ния топлива в циклонных камерах.
Другая схема рабочего процесса в вихревых камерах [78] основа на на так называемых равновесных радиусах, и хотя она разрабатыва лась для сжигания жидкого топлива, отмечается возможность рас пространения полученных результатов на твердое топливо. Автор предполагает, что вводимая в камеру капля топлива находится в со стоянии равновесного вращательного движения вплоть до ее полного выгорания. По его мнению, таким условиям способствует характер распределения давления по сечению камеры, и в расчете необходимо учитывать не только величину тангенциальной и радиальной скоростей потока на равновесном радиусе, где уравновешиваются силы, воздейст вующие на частицу, и силы, направленные к центру, но и фактор ста бильности, заставляющий частицу колебаться около ее среднего поло жения, отвечающего равновесной окружности. По мере выгорания масса частицы уменьшается и соответственно изменяется равновесный радиус, т. е. частица перемещается к центру, в область пониженных давлений. Фракции, для которых радиус равновесной окружности больше, чем радиус циклона, достигают стенки камеры. Последняя должна рассчитываться таким образом, чтобы ее диаметр, определяе мый радиусом периферийного вихря, согласовывался с максимальным размером, который может выгореть в объеме камеры.
Таким образом, рассмотренные выше схемы процесса представ ляют собой две крайние точки зрения: горение основной доли топлива на шлаковой пленке и полное выгорание его в объеме.
В обеих работах, по существу, не анализируются причины, обу словливающие интенсификацию процесса сжигания топлива в цик лонной камере.
Попытку качественного объяснения высоких тепловых напряже ний в циклонных устройствах можно найти в работах [13, 79]. В них особенности сжигания топлива в циклонных камерах объясняются
185
специфической структурой потока, которая характеризуется возник новением в рабочем пространстве камеры вихревых циркуляционных зон, ускоряющих все стадии топочного процесса. Немалая роль в орга низации циркуляционной структуры отводится встроенному пережи му — коническому выходному соплу, размещаемому на торцевой стен ке камеры. Вблизи него возникают значительные вторичные течения, способствующие резкому ускорению наиболее затяжных стадий то почного процесса — смесеобразованию и горению коксового остатка, что и обусловливает интенсификацию сжигания топлива, а следова тельно, и тепловых процессов в этих устройствах.
Что касается минеральных частиц, содержащихся в топливе, то они, согласно [13, 79], подчиняются иной закономерности и за исклю чением мельчайших фракций, которые могут увлекаться вихревым стоком, направленным к центру камеры, неизбежно сепарируются на стенку циклона в виде расплавленного шлака. Такое «селективное» влияние воздушного потока на частицы горящего кокса и плавящейся золы в реальных условиях, очевидно, существовать не может.
Если принять изложенную схему процесса, то, как это показано [80], даже приближенная количественная оценка теплонапряжения циклона с указанием позиций окажется невозможной.
Нельзя также обосновать уменьшение удельного объемного теплонапряжения в циклонных камерах, работающих с сухим золоудале нием, которое отмечается в работе [13]. Наконец, касаясь роли встроенного пережима в развилин горения в циклоне, нельзя не отме тить, что в вертикальных камерах с плоской выходной диафрагмой не наблюдается заметного ухудшения процесса горения по сравнению с циклонными топками, снабженными коническими выходными соп лами [64].
Общеизвестно, что при переходе от слоевого сжигания топлива к факельному положительный эффект от многократного увеличения реагирующей поверхности за счет измельчения топлива практически не удалось реализовать, поскольку при камерном сжигании резко ухудшаются условия массообмена между газовым потоком и витающи ми в нем частицами.
Принимая, что процесс протекает в диффузионной области, ско
рость горения может быть определена по зависимости |
[73] |
U = 0,375 NuÄ-~щ—> |
(3.77) |
где NuÄ— диффузионный критерий Нуссельта;
D— коэффициент диффузии;
7 г— удельный вес газовой среды;
186