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

Количество выносимой пыли колеблется в пределах 2—5% от ве­ са концентрата. Газы, содержащие в среднем 13—15% сернистого ангидрида, направляются на сернокислотное производство.

Другой вариант плавки сульфидных концентратов во взвешенном состоянии с применением технического кислорода используется на за­ воде «Коппер-Клиф» в Канаде [79] (рис. 2). Лабораторные опыты по

Рис. 1. Установка для плавки медных концентратов во взвешенном состоянии (Харьявалта). 1 — элеватор; 2 — траспортер; 3, 4 — питатели; 5 — горелка; 6 — шихта; 7 — отражательная печь; 8 — ковш; 9 — шла­ ковые летки; 10 — горловина; 1 1 — воздуховод; 12 — трубопровод для горячего воздуха; 13 — камера пы­ ли; 14 — заслонка; 15 — рекуператор; 16 — воздухо­

дувка.

плавке концентратов во взвешенном состоянии с применением кисло­ рода на этом заводе были начаты еще в 1945 г., в 1947 г. построена по­ лузаводская установка, в 1952 г. лущена первая промышленная печь производительностью 500 т/сутки, а в 1953 г. — вторая промышленная печь производительностью 900 т концентрата или около 1300 т твер­ дой шихты в сутки; при этом кислорода расходовалось около

300 т/сутки.

При плавке во взвешенном состоянии медного концентрата, со­ держащего 29,8% меди, 1,7% никеля, 30% железа, 33,3% серы, на промышленных печах были получены следующие показатели:

удельный проплав — 10—12 т/м2 ■сутки.; содержание меди + никеля в штейне — 45 %;

содержание меди + никеля в шлаке (после обеднения) — 0,48% > содержание SO2 в газе — 75% ;

извлечение меди + никеля — 97 % 5 расход пирротина от веса концентрата — 19%.

Известно [79], что плавка сульфидных концентратов указанным методом создает очень трудные условия для работы огнеупорной клад-

18

ки печи. Наиболее интенсивно разъедается сводовый кирпич около газоотвода, арка газоотвода и стены печи на уровне шлака и выше. Особенно быстро разъедаются стеновые и сводовые кирпичи при тем­ пературе выше 1340°. Поэтому охлаждаются свод и стены. Непре­ рывно контролируется температура газов в газоотводе (держится на уровне 1260°, температура шлака 1240°, штейна 1180°). Приведенные

Рис. 2. Продольный разрез печи для плавки концентрата во взвешенном состоянии (Коппер-Клиф). 1 — аварийный клапан для отвода газа; 2 — теплоизоляция (кирпич); 3 — шамотный кирпич; 4, 5 — форстерирован-

данные показывают, что поведение огнеупоров существенно ограничи­ вает форсированную плавку материалов при сравнительно высокой температуре. — .

При переработке измельченных сульфидных материалов во взве­ шенном состоянии одним из существенных показателей является весо­ вое напряжение проплавляемого материала на единицу объема пла­ вильного пространства печи.

19

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