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

2rWnx

(3.101)

a-

Здесь r = -----относительный радиус; Лц

Лд а = -р—— относительное положение максимума скорости.

Представленные на рисунке 97 зависимости показывают, что для крупных частиц расхождения расчетных значений (Ѵг и Ѵѵ ), вычис-

ленных по уравнениям (3.100) и (3.101), ничтожны и существенны лишь для мелких выгорающих частиц, особенно в камерах большого размера.

Большое воздействие закон распределения W,f оказывает на ве­ личину относительной скорости U (рис. 98).

210

Отмеченные изменения, естественно, сказываются на суммарных характеристиках процесса — времени сепарации х с и выгорания час­ тиц ср. Эти характеристики в случае квазипотенциального вращения* обусловливающего меньшие значения Ѵт, оказываются большими; Однако изменение относительных скоростей, вызывающее некоторое снижение интенсивности процесса горения, делает отмеченное возрас­ тание хс и ф несущественным. Действительно, для камеры Du =0, 8 m расхождения в значениях х с для частиц 6= 25 мкм составляют около 20%, а для выгорания — 23%. Для основной массы частиц (бГз=50 мкм) параметры практически совпадают. Эта закономерность

Рис. 100. Максимальные температуры, развиваемые частицами топлива, при различном законе изменения вращательной составляющей скорости газового потока: а — по зависимости (3.100); б — (3.101). 1 — Лц= 0,8; 2 — 1,5; 3 — 2,5; 4 — 4,0 м.

наблюдается и для камер других размеров: время сепарации час­ тиц 6^ 100 мкм практически совпадает при обоих законах изменения W-f и заметно различается лишь для выгорающих частиц 6=^50 мкм

(рис. 99).

Совместное воздействие хс и U определяет изменение температу­ ры, развиваемой частицами (рис. 100).

Таким образом, изменение вращательной составляющей скорости газовой среды в пределах рассмотренных закономерностей не меняет качественной картины процесса и мало сказывается на количествен­ ных значениях суммарных расчетных характеристик.

211

В л и я н и е м е с т а в в о д а м а т е р и а л а . Существует несколь­ ко способов подачи в циклонный аппарат твердого топлива и перера­ батываемого сырья. Обычно мелко дробленный уголь (бтах ~ 6,0 мм) подается в циклонные топки с помощью турбулентных горелок, распо­ ложенных на торцевой крышке, угольная пыль грубого помола (Дд0 = ==40-^50% и Д 20о = 15-^20%) — через тангенциальные сопла, разме­

щаемые под воздушными соплами.

Сырье также может подаваться аксиально, через течки, располо­ женные на крышке циклона [117, 118], через прямоточные горелки с конусом-рассекателем, тангенциально вместе с воздушным пото­ ком или через отдельные сопла, размещаемые под тангенциальным вводом воздуха, что определяет последующее движение частиц в цик­ лонной камере (рис. 101).

Рис. 101. Схема ввода частиц материалов в циклонную камеру.

При тангенциальной подаче частица поступает в циклон с некото­ рой начальной тангенциальной скоростью, примерно равной скорости

212

транспортирующего ее воздуха, во втором случае через осевую горел­ ку, сообщающую ей некоторую радиальную скорость, и, наконец, — через течку в верхней образующей камеры (при ее горизонтальном по­ ложении) или в верхней крышке (для вертикальных циклонов). В этом случае частица поступает в циклон на некоторый начальный радиус го, а в начальный момент имеет нулевую скорость (F0 = 0).

Анализ влияния изменения места ввода частиц на их движение проводился для двух случаев: когда частица поступает в камеру окружности D0 = O,75 £>ц и Z)0 = 0,5 [83]. Приближение места ввода

частиц к периферии сопровождается некоторым увеличением времени их сепарации (рис. 102). Такой неожиданный, на первый взгляд, вывод объясняется принятым допущением, что движение газовой среды под­ чиняется закону PF9 = const/r, т. е. с приближением к стенке скорость несущего потока уменьшается. Поэтому со смещением ввода частиц ближе к стенке они поступают в зону пониженных скоростей и мед­ леннее вовлекаются во вращение. Влияние этого фактора усиливается с увеличением размера частиц.

На рисунке 103 для примера приведены зависимости изменения радиальной составляющей скорости в циклонной камере (Пц = 0,8) для тех же двух значений начального положения частиц. С приближением места ввода частиц к стенке скорость их падает почти вдвое, что при­ водит к увеличению времени нахождения их в объеме. Перемещение ввода частиц ближе к стенке оказывает незначительное влияние на их выгорание, что обусловлено уменьшением интенсивности горения вследствие снижения относительных скоростей. Все частицы размером более 50 ткм выгорают в объеме циклона незначительно.

Рассматриваемый параметр существенно влияет на траекторию движения частиц (рис. 104). Это обстоятельство, по-видимому, следует учитывать при выборе места ввода материала с точки зрения обеспе­ чения работы циклона без настылеобразования. Что же касается управления временем сепарации и выгорания частиц в объеме цикло­ на за счет изменения места их ввода в камеру, то эти возможности оказываются весьма ограниченными.

В л и я н и е н а ч а л ь н о й с к о р о с т и ч а с т и ц ы . В техноло­ гических циклонных камерах в некоторых случаях, например- в каме­ рах, работающих на кислородном дутье, или при возгонке редких ме­ таллов, применяется тангенциальная подача материала, когда части­ цы, попадающие в циклонную камеру, уже обладают некоторой на­ чальной скоростью.

Для мелких частиц (б< 5 0 мкм) влияние начальной скорости не­ существенно, поскольку они разгоняются очень быстро, и для всех значений исследованных величин начальной скорости Ѵо= 0— 100 м/сек эти кривые сливаются (рис. 105). Для крупных же частиц,

213

требующих значительного времени для «разгона», увеличение началь­ ной скорости приводит к резкому снижению времени сепарации.

На выгорание частиц изменение начальной скорости практически не влияет, поскольку оно сказывается главным образом на времени пребывания в объеме крупных фракций, практически не выгорающих даже при V9г, =0. Изменение скорости поступления частиц в циклон­ ную камеру также не оказывает заметного влияния на траекторию их движения. Можно считать, что для выгорающих частиц место сепара­ ции их на стенку не зависит от исходной скорости.

Проведенный таким образом анализ процесса, происходящего в циклонной камере, дает наглядную картину движения и выгорания (окисления) частиц при изменении отдельных параметров, что позво­ ляет прогнозировать результаты, которые окажут на процесс внесение тех или иных изменений в исходные данные.

Результаты машинного решения системы уравнений, описываю­ щих поведение твердых частиц (топлива и сульфида железа) в объеме циклонной камеры, указывают на то, что для наиболее крупных час­ тиц все необходимые физико-химические превращения происходят на

214

стенке камеры, средние реагируют и плавятся частично в объеме, час­ тично на стенке; для мелких частиц все необходимые стадии процес­

са завершаются в объеме.

В л и я н и е р а с п р е д е л е н и я п о л е й к о н ц е н т р а ц и и . В общем случае изменение концентрации кислорода в камере горения математически описывается уравнением диффузии

М— стехиометрический коэффициент, учитывающий весо­ вой расход кислорода на единицу веса сгорающих или

окислившихся частиц.

Распределение концентрации в рабочем пространстве циклонной камеры представляет собой трехмерную задачу, усложняющуюся раз­ витыми вторичными течениями, вызванными обратными циркуля­ ционными токами.

В связи с этим в настоящее время задача не может быть решена аналитически и для выяснения закономерностей дуффизии окислите­ ля к частицам, находящимся в объеме камеры и на ее стенках, при­ ходится прибегать к экспериментам, которые дают возможность вы­ явить распределение полей концентраций, зависящих, как правило, от конструктивных и режимных параметров.

Распределение концентрации по сечению камеры изучалось экспериментально при сжигании жидкого [112—121] и твердого топ­ лива [122—125]. Исследования, проведенные в циклонных камерах различных конструкций, показали, что изменением способа подачи жидкого топлива в циклон в довольно широких пределах можно регу­ лировать структуру полей газовых концентраций. Например, при ак­ сиальном размещении форсунки [121] центральная зона камеры переобогащается продуктами газификации, а в периферийной части ка­ меры содержится большое количество кислорода, так как капли жид­ кого топлива быстро испаряются, и, не достигнув стенки, сгорают или газифицируются. Такое расположение топливной форсунки целесооб­ разно использовать при осуществлении окислительных процессов, когда в перерабатываемом сырье содержатся горючие составляющие, такие, как. сульфидные медные концентраты.

Для некоторых технологических процессов возникает необходи­ мость организации в пристенной области, куда в основном поступают частицы перерабатываемого сырья, восстановительной атмосферы. Эти

215