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

Все физические константы среды принимаются по средней темпе­

мер. Прямая проведена для суммарных данных по формуле (3.107).

входа потока в камеру, а вязкость — к средней температуре потока. От­ носительная шероховатость поверхности реальной камеры, покрытой

Пересчетный коэффициент (Кт), позволяющий распространить по-

221

лученные закономерности на неизотермический поток, учитывающий изменения в камере абсолютных величин скорости, вызванный горе­ нием, может быть, согласно [35], принято равным

где Та, ГВЬІХ и Гвх — соответственно теоретическая температура го­ рения, температура газов на выходе из циклона, температура воздуха при входе, °К.

Анализ полученной зависимости показывает, что интенсивность конвективного теплообмена в циклонном устройстве в 15—20 раз вы­ ше, чем в начальном участке прямой трубы. При одинаковых массо­ вых расходах газовой среды теплоотдача от вращающегося вихря в 25—30 раз интенсивнее, чем при продольном обтекании прямой трубы. По расчетам, доля конвективной составляющей достигает около 30% от суммарного теплового потока на стенки камеры. Естественно, пре­ небрежение такой величиной может привести к значительным погреш­ ностям.

Что же касается составляющей лучистого теплообмена, то она может быть определена согласно рекомендациям [123, 126, 128].

МАССОПЕРЕНОС В ЦИКЛОННОЙ КАМЕРЕ

Как было показано, из вращающегося потока в циклоне под воз­ действием центробежных сил крупные частицы топлива и шихты се­ парируются на стенку, покрытую пленкой расплава, где в основном и происходит их выгорание. Последнее определяется процессом массо­ переноса окислителя от вихря к стенке.

Аналогия переноса количества движения, тепла и вещества осно­ вана на близком сходстве дифференциальных уравнений движения,, температурного поля и поля концентрации одного из компонентов сме­ си, являющегося примесью к основной среде.

222

тироваться за счет изменения схемы подвода воздуха и конфигурации воздушных сопл.

Интенсивность массообмена изучалась также при выгорании ци­ линдрической стенки, выполненной из электродного угля и омывае­ мой циклонным потоком газа [139—142]. Эксперименты показали, что повышение скорости ввода воздуха неизменно сопровождается увеличением выгорания угольного канала. Это указывает на опреде­ ляющее влияние факторов переноса, что свойственно процессам, про­ текающим в диффузионной области.

Обобщение результатов опытов отчетливо показало, что с увели­

тенсивность процессов переноса снижается, так как эти процессы характеризуются заметной неравномерностью по длине рабочего про­ странства камеры: наибольшая интенсивность обмена наблюдается в г о л о е н о й и выходной частях циклона. По-видимому, такой режим

работы способствует раннему зажиганию топлива на начальном уча­ стке камеры и эффективному его догоранию вблизи выходной диаф­ рагмы, что является отличительной особенностью циклонных уст­ ройств, в которых наблюдаются интенсивные циркуляционные токи.

Эти выводы находятся в полном согласии с аэродинамической

L

схемой движения газа в камере, когда с увеличением отношения -~— Ь'д

уменьшается гидравлическое сопротивление циклона, что указывает на снижение крутки потока.

чениями 1,4—1,7, применяя меньшее значение для камер Пц> 1 ,5 м.

Аналогичный вывод, полученный по условиям сепарационной способ­ ности циклона, можно найти и в работах МЭИ [142].

ОБРАЗОВАНИЕ И ДВИЖЕНИЕ ПЛЕНКИ РАСПЛАВА НА СТЕНКАХ ЦИКЛОНА

В циклонных плавильных камерах так же, как и в энергетиче­ ских циклонных топках, пленка расплава, стекающая по стенкам камеры, выполняет весьма важные функции. Она влияет на тепловой режим, развиваемый в рабочем пространстве камеры, так как умень­ шает теплоотвод через стенки камеры, способствует улавливанию пла­ вящихся частиц материала или минеральной составляющей топлива в пределах рабочего объема циклона, обеспечивает аэродинамическую устойчивость частиц угля и сырья, прилипших к ней благодаря се­ парации твердой взвеси из вращающегося потока. Согласно нашему представлению о схеме рабочего процесса, протекающего в циклон­

224

ных аппаратах, и проведенному выше анализу математической модели процесса, на пленке расплава происходит интенсивное выгорание крупных частиц топлива и шихты [80, 88, 89], омываемых быстро вращающимся потоком газов. Аналогично характеризуют роль плен­ ки расплава в циклонной камере американские исследователи [143]. Б некоторых работах предполагается, что образование жидкой плен­ ки на ограничивающих поверхностях камеры обусловлено лишь по­ паданием на стенку расплавленной золы. Что же касается углерода, то он выгорает, не прилипая к расплаву [13]. Однако закономерности сепарации частиц угля (если отвлечься от выгорания мелких фрак­ ций б< 5 0 мкм) и золы практически идентичны. На этом основании нельзя считать, что на стенку циклона попадают только расплавлен­ ные частицы золы, а уголь сгорает лишь в пристенной области и объ­ еме камеры.

В случае термической переработки сырья, лишенного горючих алементов, задача решается значительно проще, так как здесь не воз­ никает сомнений о возможности прилипания частиц к расплаву. Что же касается уравнений математической модели процесса, то из них исключается уравнение горения, а уравнение движения твердой фазы решается для частиц неизменной массы [71, 92, 93]. Упрощается также уравнение теплообмена в связи с тем, что из него исключается член, учитывающий тепловыделение горящей частицы.

Решение упрощенной системы уравнений осуществлено во многих работах [16, 144, 145]. В результате получено, что для циклонных камер .D4> 2 ,0 м все частицы б< 150 мкм попадают на стенку; обла­ дая температурой >1570°К [16]. Такой уровень температур для боль­ шинства материалов, используемых в цветной металлургии, и зол энергетических углей соответствует жидкоплавкому состоянию. Вслед­ ствие этого можно полагать, что основная масса частиц сепарируется на стенку в расплавленном состоянии. Что же касается коксовых фракций, то в случае смачивания их расплавом они будут втягивать­ ся в него или выталкиваться при отсутствии смачивания.

Работа сцепления жидкости с твердым теплом, т. е. работа адге­ зии описывается для системы твердое тело — жидкость — газ уравне­

где О] — поверхностное натяжение на границе с газом;

Ѳ— краевой угол смачивания жидкостью твердого тела.

Всоответствии с этим предполагается, что жидкость смачивает

тела при Ѳ<90°. Краевые углы смачивания жидкими сульфидами минералов пустой породы имеют невысокие значения [147]. Поэтому частицы технологического сырья должны прилипать к расплаву, на­