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

(одна форсунка с небольшим углом распыла) и расположении форсун­ ки у верхнего среза воздушного сопла большая часть топлива транс­ портируется периферийным потоком в верхнюю часть камеры, где происходит его газификация. Отсюда центральным вихрем продукты газификации выносятся к выходному соплу и, смешиваясь здесь с газами периферийного потока, содержащими свободный кислород, до-

Ось циклона fas ціжломі

Рис. 113. Распределение концентраций: избытка воздуха а (а) и полноты тепловыделения ср (б) в диаметральных сечениях циклонной камеры.

горают. Такая структура процесса (горение жидкого топлива на выхо­ де из диафрагмы) неприемлема из-за низкой полноты тепловыделения в верхней части камеры (рис. 113).

Наиболее равномерное питание верхней части циклонной камеры горючей смесью достигается рассредоточением ввода топлива по высо­ те воздушного сопла. В этом случае обеспечивается хорошее смесеобра­ зование и высокая полнота тепловыделения. При таком вводе топлива поля температур заметно сглаживаются, а на периферии циклонной камеры создается максимальный по сравнению с другими вариантами уровень температур, что обусловливает возможность надлежащей теп­ ловой обработки материала уже в верхней части циклонной камеры

(рис. 114).

Соответствующей корректировкой расхода вторичного воздуха со­ держание окиси углерода в плавильном пространстве может быть до­ ведено до величины, отвечающей требованиям технологии. Такой ввод

245

топлива использован в плавильных циклонах, работающих в режиме пироселекции, когда должны протекать восстановительные реакции.

Для процессов, нуждающихся в окислительном обжиге материа­ ла с последующим его расплавлением (например, переработка суль­ фидных медных концентратов), оптимальным следует считать рассре­ доточенный ввод жидкого топлива, подаваемого через две форсунки,

Рис. 114. Распределение концентраций: избытка воздуха и (а), полноты тепловыделения ср (б) и температур (в) в диаметральных сечениях цик­ лонной камеры.

расположенные у верхней и нижней кромок воздушного сопла. При этом в верхнюю форсунку подается меньшее количество топлива, чем

246

через нижнюю. В таком случае на периферии верхней части циклон­ ной камеры возникают зоны с повышенным содержанием кислорода, необходимого для осуществления десульфуризации, а на периферии нижней части циклона — слабовосстановительная атмосфера, исклю­ чающая образование окисленной меди, которая теряется со шлаком. Такой ввод топлива обеспечивает также благоприятные для термиче­ ской обработки материала поля температур в объеме и пристенной об­ ласти циклонной камеры и приемлемую полноту тепловыделения

(рис. 115).

Аналитическое исследование условий выгорания жидкого топли­ ва, проведенное на ЭВМ для различных вариантов циклонных камер, способов ввода топлива и начальных условий (размеры капель, ско­ рость, координаты места ввода), позволило выявить некоторые харак­ терные особенности процесса.

Так, например, установлено, что при аксиальном вводе жидкого топлива с увеличением диаметра циклона характер процесса прибли­ жается к факельному, и основное количество топлива направляется к выходу по центральной части циклона, практически минуя циркуля­ ционные зоны, имеющие место в этих устройствах. Таким образом, данные аналитического решения согласуются с рассмотренными выше экспериментами [168].

При тангенциальном вводе топлива увеличение диаметра цикло­ на не оказывает заметного влияния на распределение топлива в при­ стенной части камеры. Угрубляя распыл топлива, увеличивая скорость впрыскивания или приближая ввод его к стенке, в камерах большо­ го размера можно получить такой же уровень температур и распреде­ ление концентраций, что и в камерах малого диаметра.

В целом результаты расчетов качественно подтверждаются реаль­ ной картиной процесса, наблюдавшегося в стендовых и промышленных циклонных камерах.

Исследование полей скорости и давления в неизотермических условиях позволило установить различие в структуре потоков и оце­ нить количественные поправки, которые необходимо вносить при пе­ реходе от холодных продувок к реально работающим циклонам. Под­ твержден вывод Л. Л. Калишевского [100] о том, что относительная тангенциальная скорость в реальных условиях превышает таковую для холодной камеры в соответствии с соотношением

где ег и £*— коэффициенты сохранения скорости при горении и в изотермических условиях;

247

С ечение (ѵ С ечениет С ечен иеі

Рис. 115. Распределение концентраций: избытка воздуха а (а), полноты тепловыделения ф (б) и температур (б) в диаметральных сечениях цик­ лонной камеры.

Тг и Tx— температура потока при горении и в условиях холодных продувок, °К.

Качественная аэродинамическая картина потока в обоих случаях практически одинакова. Позднее было выявлено [171, 173], что наи­ более сильно на выгорание жидкого топлива влияет равномерность его распределения в воздушном потоке и предварительное испарение топлива до его поступления в циклон.

Эти факторы изучались при размещении топливных форсунок в воздухопроводе, подводящем воздух в циклон. Распыл топлива одной форсункой или группой центробежных форсунок против потока воздуха во всех случаях сопровождается снижением химического не­ дожога и характеризуется более равномерным распределением полей концентраций, чем при подаче топлива вдоль потока.

Другой эффективный способ повышения полноты тепловыделе­ ния •— рассредоточенное распределение топлива по сечению воздуш­ ного потока, входящего в камеру. В этом случае сжигание жидкого топлива происходит аналогично турбулентному горению практически гомогенного факела. Таким образом, наиболее рациональным вводом жидкого топлива в циклонную камеру является ввод тангенциальный: изменяя место и направление подачи топлива по отношению к вто­ ричному воздуху, регулируя расход топлива по форсункам можно по­ лучить нужные для технологического процесса поля температур и концентраций.

Аксиальный ввод жидкого топлива для технологических цикло­ нов неприемлем, так как капли топлива испаряются и сгорают в объе­ ме, не достигая стенок циклона, в результате чего в периферийной об­ ласти наблюдается низший уровень температур.

Для технологической циклонной камеры принципиально пригод­ ны (и фактически используются) любые виды топлива — твердое, жид­ кое и газообразное. В ряде случаев оказывается, однако, желательным применение твердого топлива. Это может быть продиктовано усло­ виями топливоснабжения предприятия, экономическими соображе­ ниями, а для некоторых процессов — и требованиями технологии. Так, при переработке окисленного полиметаллического сырья цветной ме­ таллургии для осуществления плавки с возгонкой летучих компонен­ тов добавка твердого восстановителя (с целью создания локальной восстановительной зоны при общей слабо окислительной атмосфере) является необходимым элементом технологии. Не вызывает сомнения, что в таком случае использование твердого наиболее целесообразно, поскольку оно обеспечивает одновременное выполнение энергетиче­ ской задачи (генерации тепла) и организацию заданного технологи­

ческого режима.

Возможность эффективного использования твердого пылеугольно­

249

го топлива в циклонных технологических аппаратах подтверждена в ряде работ как при восстановительных, так и окислительных процес­ сах [63, 68, 91]. С учетом особенностей горения твердого топлива, в частности с более затяжными подготовительными стадиями, а также отмеченной выше спецификой смесеобразования в циклонной камере его сжигание не может быть организовано аналогично сжиганию газа или мазута, т. е. до начала технологического процесса. Следовательно, при организации процесса необходимо учитывать весь комплекс явле­ ний, связанных с совмещением горения твердого топлива и переработки дисперсного технологического материала. Здесь, очевидно, существен­ ную роль играют и вопросы балластирования потока топлива негорю­ чими элементами шихты и изменение состава газовой фазы за счет химического взаимодействия с ней различных элементов перерабаты­ ваемого материала. Многообразие технологических процессов и соот­ ветственно условий их протекания практически исключает возмож­ ность каких-либо общих решений: горение твердого топлива должно рассматриваться с учетом условий, определяемых конкретным процес­ сом и аппаратом.

Как было показано, процесс горения дисперсного твердого топли­ ва в циклонной камере осуществляется фактически в две взаимосвя­ занные и взаимообусловленные стадии: горение топлива в объеме и горение в пристенной области и на пленке расплава. Роль каждой из стадий в общем процессе горения меняется в зависимости от ряда фак­ торов (гранулометрического состава и качества топлива, геометриче­ ских и режимных параметров камеры), однако наличие обеих — не­ пременное условие процесса.

Подтверждением могут служить многочисленные эксперименталь­ ные данные, полученные в стендовых и промышленных циклонных топках [13, 64, 82, 143]. Наличие пристеночного горения твердого топ­ лива обнаружено и в исследованиях на технологических циклонных камерах. Так, в стендовых опытах по циклонной плавке измельченных сульфидных материалов [40, 63, 64] отмечено, что через какое-то время после разогрева циклона жидким топливом прекращался рост температуры стенки и тепловой режим циклонной камеры стабилизи­ ровался. Однако сразу же после подачи материала (шихты), содержа­ щего горючие составляющие (сульфиды), температура стенки заметно возрастала. Это объясняется тем, что при разогреве циклона тонко распыленное жидкое топливо быстро испаряется, вследствие чего влияние центробежных сил на него оказывается ничтожным и частицы сгорают в объеме, не достигая стенки. С подачей же шихты в резуль­ тате ее сепарации центробежной силой на стенку циклона начинается горение сульфидов на стенке, что и приводит к возрастанию темпера­ туры в периферийной области.

250

Наиболее отчетливо роль пристеночного горения выявлена при ис­ следовании восстановительных технологических процессов. На основе представленной схемы горения было предложено осуществлять пла­ вильные возгоночные процессы путем присадки в шихту грубо размо­ лотого твердого восстановителя или отопления камеры твердым топли­ вом угрубленного помола. Предполагалось, что повышенная сепарация углерода на стенку создаст восстановительную среду в пристенной зо­ не циклона, а также обеспечит возможность восстановления соедине­ ний (например, окислов цинка) твердым углеродом в пленке расплава, покрывающего стенку. Последующие опыты по переработке различных материалов с использованием такой технологии полностью подтверди­ ли ожидания [67] : процесс восстановления металлов происходил весь­ ма интенсивно, что характеризовалось высоким извлечением металлов в возгоны и при хорошо отрегулированном процессе не сопровожда­ лось повышением недожога топлива.

Аналогичный метод ведения восстановительных плавок приме­ нялся в работах МЭИ, в которых он был существенно развит и получил название «химического перекоса» [91, 174, 175]. Опытами установле­ но значительное повышение содержания восстановительных компонен­ тов (СО и Нг), а также концентрации твердого углерода в газовой среде пристенной зоны. Отмечалась хорошая регулируемость восстанови­ тельной среды и отсутствие химического недожога топлива на выходе из камеры.

Таким образом, при сжигании твердого топлива в технологической циклоной камере необходимо учитывать, что, во-первых, в камере про­ ходит совмещенный процесс горения углеродистого топлива и реаги­ рования технологического материала, течение которого определяется конкретными свойствами перерабатываемого сырья; во-вторых, опре­ деленная часть коксовых частиц сгорает на стенке (в пристенной зоне) камеры и может оказывать влияние на течение технологического про­

В сб.: «Вопросы аэродинамики и теплоотдачи в котельно-топочных процессах». М.,

1958.

6. Л я X о в с к и й Д. Н. Некоторые результаты предварительных опытов по

исследованию циклонной топки. «Котлотурбостроение», 1951, № 6.

251