экономичность процесса за счет утилизации тепла для выработки па ра, исключается также необходимость сооружения специальной си стемы охлаждения.
Одним из перспективных способов охлаждения циклонных агре гатов может служить испарительное охлаждение [14]. Использование его позволяет сократить расход воды в 20—30 раз, в результате чего экономически целесообразно для охлаждения применять химически очищенную воду, что увеличит срок службы и надежность камеры. Наконец, для пара, получаемого при испарительном охлаждении (Р= 3—5 атм), легче найти потребителя, чем для большого количества воды, подогретой всего лишь до 50°.
При переработке некоторых материалов не все необходимые фи зико-химические превращения завершаются в объеме циклона. В за висимости от требований технологического процесса циклонная каме ра может компоноваться с копильником, где происходит завершение химических реакций, накопление расплава и разделение его на шлак и штейн, как это, например, может иметь место при переработке суль фидных медных концентратов. Непосредственное размещение цикло на над ванной расплава и пропуск над ней дымовых газов, как это показано ранее, вызывает вращение расплава, что сопровождается быстрым износом стен копильника и исключает возможность нор мального разделения шлака и штейна, происходящего под влиянием гравитационных сил.
Для устранения вращения расплава, вызываемого закрученной струей газов, выходящих из циклона, циклон следует размещать над форкамерой, стенки и подина (порог) которой кессонированы.
Устройство порога, принимающего на себя удар газовой струи и поглощающего значительную часть его кинетической энергии, иск лючает вращение расплава, находящегося в отстойнике, улучшает условия его разделения на шлак и штейн и в значительной мере уст раняет разъедание футеровки копильника.
При необходимости доработки расплава, например обезмеживания шлаков или отгонки летучих металлов и их соединений (цинк, свинец, редкие металлы), циклонная камера компонуется с электро термической печью. В этом случае под циклоном располагается кессонированная камера разделения (рис. 122,а), откуда расплав стекает в электропечь, а газы направляются в газоход, соединенный с утили зирующими тепло поверхностями нагрева: котлом-утилизатором и воздушным подогревателем.
Такое компоновочное решение позволяет на выходе из циклон ной камеры разделить газовую и жидкую фазы с целью исключения обратных реакций, которые могут протекать между ними в условиях высоких температур.
В установках, предназначенных для переработки полиметалли ческих концентратов с конденсацией цинка, электротермическая часть должна быть полностью изолирована по газовой стороне от циклон ной камеры, так как в электропечи поддерживается восстановитель ная атмосфера, а газы, выходящие из циклона, содержат некоторое количество кислорода и окислов серы. Это достигается заглублением
Рис. 122. Схема компоновки циклонной камеры с копильником: а — с камерой разделения и электротермической печью; б — с гранулирующей установкой.
водоохлаждаемои перегородки в расплав и размещением за электро печью конденсационной установки, как это осуществляется на опыных КИВЦЭТных установках ВНИИЦветмета.
Наконец, при переработке сырья, расплав которого не содержит ценных составляющих и может рассматриваться как отвальный про дукт, циклонная камера может компоноваться непосредственно с гра нулирующей установкой (рис. 122,6), в которой используется один из известных способов грануляции (водяной, воздушный и т. д.).
Циклонные камеры с верхним выводом газов при сравнимой скорости дутья характеризуются более высокой сепарационной спо собностью, чем камеры с совместным выводом газов и расплава. Они могут быть рекомендованы для пироселекционных процессов, напри мер, для возгонки редких металлов.
Подача топлива в циклонную камеру
Для проведения окислительного процесса, например плавки сульфидных медных концентратов, и расчета ожидаемого расхода воздуха суммарный коэффициент избытка воздуха следует прини мать сс = 1,05—1,1. При этом учитывается сжигание не только угле родистого топлива, но и горючих, содержащихся в шихте.
При осуществлении возгоночного процесса, протекающего в вос становительной газовой среде, расход воздуха определяется по за данному составу газов, отнесенному к выходу из циклонной камеры. В последнем случае необходимо учитывать также потери тепла с ме ханическим недожогом 04 = 3—5 %.
Формирование восстановительной среды, необходимой для про ведения восстановительного процесса, достаточно эффективно можно осуществлять за счет использования измельченного угля, добавляе мого в шихту в качестве твердого восстановителя.
Вихревая структура газового потока обеспечивает сепарацию угольных частиц в пристенную область и благодаря реакциям гази фикации образует здесь восстановительную среду. Одновременно соз даются благоприятные условия для протекания восстановительных реакций и в стенке расплава, так как при высоких температурах (£>1000°) твердый углерод более эффективный восстановитель, чем газообразные продукты СО и Нг.
Таким образом, в циклонной камере, согласно терминологии Н. А. Семененко и В. С. Семенова [15], удается создать «химический перекос», характеризуемый относительно высоким содержанием оки си углерода в пристенной области при незначительном или полном отсутствии химического недожога на выходе. Содержание продуктов неполного сгорания в дымовых газах определяется составом перера батываемого сырья.
В случае отопления циклона угольной пылью ее следует пода вать тангенциально через специальные сопла, расположенные за соп лами ввода вторичного воздуха.
Транспортировку угольной пыли желательно осуществлять по догретым воздухом. Скорость входа аэросмеси в камеру должна составлять 20—25 м/сек.
Жидкое топливо, сжигаемое в камере, следует подавать в воз душные сопла (перед циклоном) на некотором расстоянии от их устья. Это обеспечивает предварительное испарение части топлива и хоро шее его смешение с воздухом, что позволяет добиться устойчивого воспламенения факела уже на выходе в циклон и развития высокой температуры в верхней части камеры. Указанное обстоятельство чрезвычайно важно, поскольку в плавильных циклонах шихта, за гружаемая в рабочее пространство камеры, является балластом при горении факела и может существенно снизить интенсивность тепло вого процесса. Такая подача топлива в значительной степени исклю чает балластирующее влияние шихты и обеспечивает высокую пол ноту тепловыделения в верхней части циклона. Это обусловливает высокий пирометрический уровень начальной стадии процесса и
практически исключает образование настылей у устья воздушных сопл.
При сжигании газ подается в воздухопровод с таким расчетом, чтобы Е циклон поступала предварительно подготовленная гомоген ная смесь. Расчет устройств, обеспечивающих подачу газа в воздуш ный поток и надлежащее их смещение, может быть произведен по работе [16]. Скорость подачи газо-воздушной смеси в циклон прини мается такой же, как и горячего воздуха, т. е. около 100 м/сек.
Следует подчеркнуть, что использование газового топлива улуч шает показатели пироселекционного процесса, так как получаемые возгоны не балластируются минеральной составляющей топлива, а подаваемый в циклон газ участвует также в транспортировке твер дой взвеси, что предопределяет повышение сепарационного эффекта.
Определение основных размеров плавильного циклона
Производительность циклонной камеры определяется по зависи мости Ѳ= АД2^5 т/час, (4.1)
где А — постоянная, равная при плавке сульфидных медных кон центратов 3,5—3,7, для возгоночных процессов — 2,7—3,0.
Зависимость хорошо согласуется с результатами работы циклон ных камер различных диаметров в широком диапазоне производи тельности (от 10 до 250 т/сутки). Она позволяет по заданной произво дительности агрегата определить диаметр циклонной камеры, кото рый является основным конструктивным параметром этого устройст ва. Другие геометрические соотношения циклона должны выбираться в зависимости от его диаметра.
Как показал опыт работы плавильных циклонов, диаметр вы ходной диафрагмы должен находиться в пределах (2Д= (0,35—0,65)ПЦ.
Меньшее значение этой величины соответствует большему диаметру циклона. Высота циклонной камеры выбирается по соотношению 7f4= (l,3—1,7)Пц. Увеличение относительной высоты циклона против
приведенных значений ухудшает крутку потока, снижает сепараци-
Яг онную способность аппарата: так при =г- ^ 6 вращающийся поток
вырождается в обычное течение газов внутри цилиндрической трубы. Циклонные камеры диаметром более 1,0 ж должны снабжаться ДЕумя диаметрально расположенными в одной плоскости тангенци альными воздушными вводами. В камерах размером D > 1,0 м уве личивают количество вводов воздуха с таким расчетом, чтобы рас стояния между вводами по периметру циклона составляли не менее
1,5 м. Это ограничение обусловлено наложением друг на друга отно сительно холодных потоков, возникающих при многостороннем вводе воздуха и топлива в камеру, что ухудшает воспламенение топлива, в особенности угольной пыли.
Оптимальные скорости ввода воздуха в циклон 120—130 м/сек. Однако сечение воздушных сопл выбирается с некоторым запасом так, чтобы при нормальной производительности камеры и полностью открытых регулировочных задвижках скорость ввода воздуха в цик лон находилась в пределах 80—90 м/сек. Конфигурация воздушных
сопл |
выбирается с таким |
расчетом, чтобы их |
ширина |
соответст |
вовала отношению а = (0,08—ОД) Т>ц. |
|
|
|
Высота сопл определяется по зависимости |
|
|
|
|
V (t в.ч+273) |
|
(4.2) |
|
|
3600-273- W вх. а' |
|
|
|
|
|
гдеК и £ вх— количество (лД/час) и температура |
(°С) вторичного воз |
|
духа, подаваемого в циклон; |
|
|
|
WBS — выбранная скорость воздуха, м/час. |
|
|
Аэродинамическое сопротивление циклонной камеры определя |
ется по уравнению (3.40) или |
|
|
|
АР=б,9рТК2вх |
V j ^ +О.Оз) м м Н20, |
(4.3) |
где |
р — плотность воздуха на входе в циклон; |
|
|
F BX и F вых — суммарное сечение воздушных сопл и площадь вы |
|
ходной диафрагмы соответственно. |
|
Определение основных габаритов форкамеры
При размещении циклонной камеры над копильником, снабжен ным порогом, последний вместе с ограждающими его стенками об разует форкамеру. При пироселекции в циклоне под воздействием высокой температуры и соответствующей газовой среды происходит, очевидно, не только сублимация летучих окислов, но и возгонка вос становленных металлов. Таким образом, в газовой струе, выходящей из циклона, находятся пары металлов и их окислов, а также мель чайшие твердые частицы шихты, на которых благодаря явлениям адгезии и сорбции конденсируются возгоны металлов. Соприкоснове ние такой струи с порогом и стенками, покрытыми расплавом, сопро вождается дополнительной сепарацией содержащихся в ней взвешен ных частиц и протеканием обратных реакций. При этом расплав
обогащается металлом, что предопределяет увеличение его потерь со шлаком и снижает технологические показатели процесса возгонки.
Исследования закономерностей распространения закрученных струй [17] и опытные стендовые плавки позволили установить влия ние конструктивных параметров форкамеры на технологические по казатели циклонного процесса [18]. С увеличением расстояния диа фрагмы циклона от порога снижается осевая составляющая средней скорости V г, сила удара газовой струи о порог, а вместе с этим уменьшается и величина потери металла со шлаком. Для различных перерабатываемых материалов допустима разная средняя скорость удара струи о порог V .. Удаление порога от диафрагмы рассчитыва ется по заданной величине V2 из уравнения
(4.4)
где Т г— температура газов на выходе из циклона; а.— угол раскрытия газовой струи на выходе из циклона, для
плоской диафрагмы он равен 15—17°.
При расчете необходимо учитывать, что с удалением порога уменьшается дополнительное улавливание уноса из циклона и не сколько снижается кратность обогащения возгонов. Поэтому можно рекомендовать оптимальную величину удаления порога от диафраг мы в пределах /г = (4ч-5)гід.
Минимальная ширина порога должна составлять величину
Размеры отстойной части копильника определяются по необхо димому времени отстаивания и производительности камеры.
Порог и стены форкамеры должны покрываться трубчатым или камерным кессонами. Кессон порога следит укладывать с уклоном (3—5°) в сторону, противоположную стоку расплава, что способству
ет образованию на пороге увеличенной корки, |
застывшего шлака |
и уменьшению теплопотерь с охлаждающей водой. |
Для расчета теплопотерь через эти поверхности значения удель |
ных тепловых потоков следует принимать для |
шлака (40—50) - |
• 103 ккал/м2 ■час, для штейна — (30—40) • 103 ккал/м2 ■час.
Схема теплового расчета циклонного плавильного агрегата
Для расчета ожидаемого расхода топлива и соответственно воз духа должен предварительно составляться тепловой баланс по урав нению [19]