CC BY
20
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
МЕТАЛЛУРГИЯ
УДК 669.162.211.4
Томаш АА.
ПОТЕРИ НАПОРА ГАЗОВОГО ПОТОКА В ШАХТНЫХ РЕАКТОРАХ
Широкое распространение в химической промышленности и металлургии нашли шахтные реакторы, рабочее пространство которых заполнено зернистым материалом или газопроницаемой насадкой, через которую движется газовый поток. В частности, такими агрегатами являются доменные печи и шахтные установки прямого восстановления железа.
Для определения потерь напора газового потока в шахтных реакторах обычно используется уравнение Эргона [ 1,2]
(1-е ) Н Тро р Ио
АР-у-:- , ( 1 )
¿¿йТорФ . где ДР - перепад статического давления газа в реакторе, Па ; - коэффициент сопротивления газовому потоку;
е - порозность зернистого слоя в реакторе, м3/м3; ,
Н - высота столба зернистого материала, м ;
(1 - диаметр частиц, м ;
Т - температура газа в реакторе, К ;
То- нормальная температура, Т0=273 К ;
р - среднее давление газа в реакторе, Па;
р0-нормальное давление, ро « 10 Па ; ■р. - плотность газа в нормальных условиях, кг/м3;
11о- скорость газового потока в нормальных условиях, отнесенная к полному сечению реактора, м/с;
Ф- фактор формы частиц.
Уравнение ( 1 ) применимо при турбулентном режиме движения газового потока, когда значение постоянно и не зависит от скорости и свойств газа. При этом учитывается влияние
давления и температуры газа на его плотность и объем. Существенные допущения: неизменность газопроницаемости зернистых материалов, постоянство температуры и состава газа по высоте реактора, - ограничивают использование уравнения Эргона в реальных условиях. Определение перепада давления газа в идеальном слое также затруднено, так как заранее не известно среднее давление в реакторе. Кроме того, если АР соизмерим со средним давлением, наблюдается нелинейность изменения статического давления газа с высотой. В связи с этим уравнение (1) точнее применимо для участка слоя бесконечно малой высоты <1Н (рис. 1)
(1-е) Трор и02
--с1Н. (2)
2 ¿(¿То рФ
Интегрирование (2) приводит к зависимости давления, газа от высоты идеального реактора при турбулентном потоке газов
р=4р1^Н(\-е)ри1(Т/Т0)р01(йеъФ), (3)
7
Рис. 1 «Изменение статического давления газа в шахтном реакторе.
где рг - давление газа на колошнике, Па.
В нижней части шахтного реактора, где давление газа выше, потери напора меньше чем в верхних горизонтах (рис. 1). Важным следствием уравнения (3) является уменьшение АР при увеличении давления газа над поверхностью зернистого материала При сохранении постоянства перепада давления за счет увеличения давления на колошнике имеется возможности достигать большего расхода газа, увеличивая производительность реактора
При ламинарном режиме движения газа коэффициент сопротивления определяется знЫ чением критерия Рейнольдса = 150/Re |
Ugd0
Re -, <4)1
v(l-e) J
!
где v - кинематическая вязкость газа, м2/с . |
ъ:. ;
Уравнение Эргона для участка слоя dH в этом случае принимает вид ;
1501] (i-sf щ Тро ,:
Ф=--dH, ч (5|
. d2 Ф2 (? Т0 р |
где tj - динамическая вязкость газа, rj = vp, Па с. |
Не оказывая влияния на динамическую вязкость газа, увеличение давления приводит к уменьшению скорости газового потока Изменение статического давления газа по всей высоте шахтного реактора при ламинарном режиме движения описывается уравнением
р=4р2к+ЪООт1Н{\-£)2ио(Т / Г0)р0 /(^ФV) (б|
В более общем случае, при переходном режиме газового потока, когда коэффициент сопротивления определяется двумя слагаемыми
150/Re+175 (7)
8
изменение давления в слое большой высоты описывается преобразованным уравнением Эрго-на, учитывающим влияние давления на свойства газа
В реальном шахтном реакторе с высотой меняются практически все величины, входящие в уравнения (3, 8). В результате теплообменных процессов меняется температура газа Т. При протекании химических реакций меняется состав и количество газов, что сказывается на значениях р и 11р. Разрушение зернистых материалов и насадок меняет газодинамические характеристики слоя й, е, Ф. При турбулентном режиме движения газа постоянным можно считать коэффициент сопротивления ХР. Если известны закономерности изменения перечисленных величин по высоте реактора, в наиболее общем случае давление газа на любом горизонте реактора может быть определено по уравнению
ф^/Ц^Цш (9)
Р=
При восстановлении оксидов железа газами в доменной печи и шахтных установках прямого получения железа объем газов не меняется. Изменение скорости газового потока происходит из-за разной площади S горизонтальных сечений конусной шахты
Uo=Qo/S=Qo/WK+H/tga)3], (10)
где Qo - расход газа, приведенный к нормальным условиям, м3/с;
RK - радиус колошника, м; а - угол наклона стенок шахты, град.
Изменение температуры и плотности газа с высотой упрощенно можно представить в виде линейной зависимости. В доменной и шахтных восстановительных печах в направлении от колошника к нижней части рабочего пространства температура увеличивается, Т = Т^+г^Н, где Тк - температура газа на колошнике, ат - градиент изменения температуры газа, аг= (Т* - Т„)/Н, Тн - температура газа в нижней части реактора. Обычно в шахте можно выделить две зоны теплообмена [ 3]: в верхней на высоте 2 - 2,5 м температура увеличивается на 300-500К (а* = 120.,.250 К/м), в нижней на участке 10 - 18 м - на 100г 150 К ( аг = 8 - 10 К/м). Изменение температуры в каждой зоне с небольшой погрешностью можно Представить в виде линейной зависимости. Плотность газа по мере опускания в шахте печи уменьшается из-за снижения содержания продуктов восстановления СОг и Н20 и увеличения количества Н2 и СО, р = рк - ар Н, где рк - плотность колошникового газа, ар - градиент изменения плотности газа, ар = (pj - р„)/Н, рн - плотность газа в нижней части реактора. Данные об изменении крупности частиц и порозности зернистого материала на различных горизонтах рабочего пространства печи обычно недостаточны для учета при определении ДР. Поэтому целесообразно использовать усредненные по всей высоте реактора газодинамические характеристики слоя. Тогда распределение статического давления газа по высоте столба шихты в шахтной печи описывается уравнением
(«,+*/*«)' л <и)
Интегрирование (11) приводит к окончательной формуле для расчета статического давления газа на различных горизонтах шахтной печи
~(К+Н/(8а)гК2к ] + 3(ртр&а~арТ&а +
+ 2атарК^2а)[Кк(Кк + tga)г -
-ВЦЯ, +НН§а)] + 2[Ткрк -(атРк-арТк)К^а~ г -атарК2(82а][(Як +Я/^«)3 .
Рк+ 6я2е3с1ФТ0К3к(11к+Н^а)3
Для условий доменной печи среднего объема 1513 м3: выход колошникового газа 63,3 м3/с (3800 м3/мин ), радиус колошника 3,3 м, угол наклона стен 85,3 порозность шихты 0,44 М, среднегармонический диаметр частиц 12 мм, избыточное давление на колошнике
160 кПа,- перепад давления на участке середина шахты - колошник высотой 8,7 м составит 36 кПа. При характерной для доменной печи радиальной неравномерности шихты АР в 1,57 раз меньше, чем при равномерном ее распределении [4]. С учетом этого верхний перепад давления составит 23 кПа, что полностью соответствует фактическим показателям доменной плавки.
Перечень ссылок
1. Доменное производство: справочник в 2 т.-ТЛ. Подготовка руд и доменный процесс .- М.: Металлургия, 1989,- 496 с.
2. Тарасов В.П. Газодинамика доменного процессам.: Металлургия, 1990. - 216 с.
3. Китаев Б.И., Ярошенко Ю.Г., Лазарев В. Л. Теплообмен в доменной печи. - М.: Металлургия, 1966.-355 с.
4. Тарасов В.П., Томаш А.А. Метод определения эквивалентных газодинамических характеристик шихты в горизонтальном сечении рабочего пространства при построении одномерной модели движения газа в шахте доменной печи// Вестник ГОТУ: Сб.. научн. трудов. Вып. 1. -Мариуполь, 1995.-С. 7-12.
10
