Файл: Циклонная плавка. (Теоретические основы, технология и аппаратурное оформление).pdf

где В — часовой расход топлива; <3'р — низшая теплотворность рабочего топлива;

V — объем рабочего пространства.

Принимая, что весь объем заполнен полностью выгорающим фа­

где Ьф,Р— длина и сечение факела; Wcp— средняя скорость пламени;

— полное время пребывания (горения) факела.

Используя правило Менделеева — Вельтера, запишем среднюю скорость газов в рабочем пространстве агрегата в виде зависимости

1,^ .Д .а .Г ф Хр

где а — коэффициент избытка воздуха.

Значение тф может быть принято равным времени горения час­ тиц наибольшего размера, содержащихся в рассевке. В обычной пыле­ угольной топке, работающей при а =1,2, 7 ф .с р =1673°К ДЛЯ б щ а х =

= 0,2 мм, при NuÄ =2,0, Т ф = 1,75 сек [73]. Из выражения (3.81) полу­

чим qv = 250-ІО3 ккал/м*-час.

Полученная величина весьма близка к значениям, рекомендуе­ мым нормативным методом для расчета камерных топок, что под­ тверждает правомочность такой оценки.

187

іф'Тф. ср не зависит от температуры, и, следовательно, температур­ ный режим факельного процесса, если последний протекает в диф­ фузионной области, почти не оказывает влияния на его интенсивность. Таким образом, для форсирования факельного процесса, протекающего в диффузионной области, исключая возможность повышения концент­ рации кислорода в газовой среде, остается один путь — интенсифика­ ция масообмена, т. е. увеличение критерия NuÄ.

Расчеты [80] показали, что даже при относительной скорости частицы (6= 0,2 мм) Ѵч =150 м/сек, практически не реализумой в пря­ моточном факеле, удельное теплонапряжение объема камерной топки может достичь лишь значения g F= 722 • 103 ккал/м3 • час.

Между тем опыт работы многочисленных циклонных топок по­ казывает, что в этих устройствах qv={ 4—5) • 10Gккал/м3 • час. При­ веденные данные свидетельствуют о том, что такие форсировки не мо­ гут быть объяснены с позиций авторов работ [13, 79].

Задача горения дисперсного топлива в циклонных камерах с по­ следующим распространением результатов на горение топлива в комп­ лексе с окислением сульфидов в технологических циклонных камерах решалась нами. На основе комплексного анализа процесса составлена и исследована на ЭВМ математическая модель большого числа вариан­ тов, что позволило выявить основные закономерности, характеризую­ щие горение частиц твердого топлива и окисления сульфидного мате­ риала в циклонной камере, а также установить влияние ряда конструк­ тивных и режимных параметров на поведение твердой фазы в этих устройствах [80, 82—86]. Результаты решения позволили сформулиро­ вать схему рабочего процесса, в основу которой положено, что в цик­ лонной камере процесс представляется двустадийным, происходящим в объеме и на стенке циклонной камеры в тесной взаимосвязи и взаим­ ной обусловленности стадий [87—90].

Как будет показано ниже, экспериментально-лабораторные, стен­ довые и опытно-промышленные исследования подтвердили обосно­ ванность таких представлений и достоверность предложенной схемы рабочего процесса.

Большие теоретические и экспериментальные исследования зако­ номерностей поведения дисперсных материалов в циклонных аппара­ тах проведены в МЭИ [91—94]. В них основное внимание уделялось поведению технологического сырья, однако в силу специфики условий рассматриваемых процессов и с целью упрощения решения из за­ дачи фактически было исключено влияние твердого углеродистого топлива.

188

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА В ПЛАВИЛЬНОЙ ЦИКЛОННОЙ КАМЕРЕ

Наиболее плодотворно применение циклонного принципа сказы­ вается на тех процессах, которые лимитируются физическими факто­ рами — массо- и теплообменом.

К ним, очевидно, принадлежат все высокотемпературные процес­ сы, осуществляемые при переработке диспергированного сырья, про­ цессы, протекающие в диффузионной области, а также безреакционные тепловые процессы (плавка, возгонка, термическое разложение). В ряде случаев в циклонной камере целесообразно осуществлять даже те процессы, интенсивность которых определяется кинетикой, так как в камере может быть развита высокая температура.

При использовании циклонного принципа для технологических целей приходится совмещать горение углеродистого топлива и терми­ ческую обработку дисперсного технологического материала. Послед­ ний в зависимости от химического состава может иметь весьма разно­ образные свойства, предопределяющие различный характер реакций, проходящих при движении частиц в объеме камеры и в период их на­ хождения на пленке расплава. Так, в технологическом циклоне могут иметь место окислительные или восстановительные процессы, изме­ няться агрегатное состояние (плавление, возгонка), масса частиц и т. д. Некоторые химические превращения сопровождаются эндотермичес­ кими и экзотермическими эффектами, по-разному влияющими на ха­ рактер теплового взаимодействия в камере, что, несомненно, влечет за собой соответствующее изменение количества сжигаемого топлива и условия его горения.

Рассмотрим подробнее особенности, свойственные окислительному процессу, протекающему при переработке сульфидных медных кон­ центратов.

Одно из преимуществ циклонной плавки сульфидных медных кон­ центратов в том, что она обеспечивает высокую степень десульфуриза­ ции, вплоть до получения белого матта, а при некоторых условиях — даже черновой меди.

Значительная доля тепла, необходимого для процесса, выделяется за счет окисления сульфидов шихты, а углеродистое топливо подается лишь для покрытия дефицита тепла. В зависимости от заданного со­ держания меди в штейнах степень десульфуризации в циклонных ка­ мерах регулируется в желаемых пределах и соответственно изменяется расход воздуха и топлива. Таким образом, общее количество сжигае­ мого в камере топлива следует рассматривать как сумму, состоящую из традиционного углеродистого топлива и специфического технологи­ ческого (горючая часть шихты — сульфиды). Общее количество возду­

189

ха, вводимого в камеру, суммируется с учетом горения топлива и окис­ ления (горения) сульфидов. В связи с этим на первый взгляд рацио­ нально рассматривать процесс в целом как горение некоего искусст­ венно забалластированного топлива. Но опыт циклонной плавки мед­ ных сульфидных концентратов показывает, что в технологической ка­ мере происходит как бы постадийный процесс — сначала практически

С учетом этого необходимое количество воздуха подается в цик­ лон из расчета полного сгорания топлива с обычным для этих устройств коэффициентом избытка а —1,05 и выгорания технологиче­ ского топлива по заданной степени десульфуризации. Поэтому, если рассматривать этот процесс как горение единого «забалластированно­ го» топлива, то суммарное количество воздуха, подаваемого в камеру, будет характеризоваться значениями се—;1. Действительно, при плав­ ке сульфидных медных концентратов общий коэффициент избытка воздуха, отнесенный ко всему горючему, содержащемуся в топливо

ишихте, поддерживается на уровне »0,85 [95]. В камере происходит типичный окислительный процесс, характеризующийся отсутствием каких-либо продуктов неполного горения и постоянным содержанием свободного кислорода в газах (02 = 0,9—1,9%), выходящих из циклона.. Это значит, что в плавильном циклоне происходит полное окисление углеродистого топлива (пылеугольного или жидкого), и лишь избыточ­ ный воздух затрачивается на окисление шихты.

Причины такого течения процесса кроются в различии кинетики окисления сульфидов и топлива, что необходимо учитывать в расчет­ ной схеме. Окисление сульфидов (железа и меди) определяется в основ­ ном диффузионными факторами [96, 97]. Это дает основание полагать, что причина преимущественного горения углерода перед сульфидами кроется в различной интенсивности диффузионного переноса окисли­ теля к поверхности этих соединений. Действительно, как показали расчеты [98], диффузия кислорода в SO2 происходит хуже, чем в СО

иСО2. Коэффициент диффузии О2 в области температур 1000—1800°К

оказывается на 15—20% меньше. Однако решающее значение, по на­ шему мнению, принадлежит температурному фактору. Частицы суль­ фида при горении развивают существенно более низкую температуру,

чем углерод, что при зависимости D ~ 2 n>6—1-7 становится ощутимой величиной. Обусловлено это более низким тепловым эффектом реакции горения сульфидов, чем углерода, а также быстрым предварительным разогревом угольных частиц за счет горения вокруг них выделяющих­ ся летучих веществ. По-видимому, горение углеродистого топлива не­ обходимо рассматривать независимо от переработки шихты, как про­ цесс первичный, предшествующий окислению сульфидов. В этом слу­

190