CC BY
76Шапорев П. В., аспирант, Питак И. В., канд. техн. наук, доц., Себко В. В., д-р техн. наук, проф. Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт»
ШАХТНАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ МЯГКОГО ОБЖИГА ИЗВЕСТНЯКА
В статье рассмотрены вопросы распределения топочных газов по сечению шахтной печи, характер движения материалов и газа, кинетика процесса. По результатам исследований предложена конструкция шахтной печи. Рассмотрен вопрос о применении газообразного топлива в шахтных из-вестково-обжигательных печах для производства высокообожженой извести с высокой активностью.
Ключевые слова: известь, кинетика процесса, обжиг, печь, конструкция, материал, топливо.
Введение
К извести, которая потребляется для технологических целей различными отраслями промышленности, и соответсвенно к ее качеству предъявляют разнообразные требования. Для обеспечения различных отраслей народного хозяйства известью требуемого качества перед производством всегда стояла задача разработки новых технологических режимов и конструкций печей, которые обеспечивали бы стабильное получение продукта с заданными свойствами. Основными агрегатами для многотоннажного производства извести являются шахтные изветско-во-обжигательные печи, в которых в качестве топлива используются доменный кокс или антрацит или сортовые угли. Как правило тощие виды топлива применяют в производствах, где наряду в технологическом цикле используется углекислый газ, который содержится в топочных газах с концентрацией 36-40% масс.
Ряд производств, обеспечивающих выпуск высокодисперсных наполнителей и ингредиентов по физико-химическим свойствам близки к наноматериалам первого рода, используют в технологическом процессе.
Известь с содержанием основного вещества СаО >96%, содержащем СаОакт >92% и суммарным содержанием примесей менее 1,5% [1]. Производство извести для таких технологических процессов требует не только определенной подготовки известняка или мела к обжигу, но в основном использования в качестве топлива природного газа, продукты сжигания которого исключают загрязнение извести.
К вышеуказанному ряду производств относятся производства химически осажденного мела, высокодисперстных оксида и гидроксида кальция, гидрохлорида кальция, кальциевых наполнителей для парфюмированой и медицинской промышленности и др. Использование альтернативных источников энергии с целью производства чистого продукта для проведения
процесса обжига известняка, как например, СВЧ-энергии, электрообогрева [2], солнечной энергии, проблематично, поскольку неотработанны реакторные установки для реализации процесса, а также достигнутый уровень исследований не позволяет надеяться организацию в ближайшем будущем многотоннажного производства извести.
Поэтому применение газообразного топлива в шахтных известково-обжигательных печах для производства высокообожженой извести с высокой активностью остается необходимым приемом.
Конструктивное оформление обжиговых шахтных печей с использованием газообразного топлива и особенности процесса
Как показал анализ данных по эксплуатации 6 печей на территории Украины на предприятиях основное распространение получили газовые шахтные печи цилиндрического и щелевого типа с прямым профилем футеровки производительностью от 100 до 250 т/сутки, диаметром шахты от 3,2 до 5,4 м и высотой 6-8 диаметров печи. Чаще всего на них используются системы отопления с центральной и двумя рядами переферийных инжекционных горелок без высова. Таким печам характерен высокий удельный расход топлива, составляющий 40004700 кДж/кг, в продукте повышенное остаточное содержание СО2 - до 12% и относительно низкая реакционная способность продукта по времени гашения - 25 минут. При этом содержание СаОакт в продукте не превышает 60-65%. В виду этого, производство извести с содержанием основного вещества >96%, остаточным СО2 <2% и содержанием СаОакт >90% в таких печах затруднено. Очевидно, что печи, работающие на газообразном топливе, расходуют тепла на 15-25% больше, чем лучшие печи на твердом топливе. Перерасход тепла вызывается неполнотой сгорания в фильтрационном слое из-за неравномерного распределения топливного
газа по поперечному сечению печи, неблагоприятных условий для перемешивания газа с воздухом в слое пускового материала, в связи с чем затрудняется горение газа, возможен недожег топлива. Кроме того по этой же причине в слое материала возможно возникновение зон с аномально высокой и относительно низкими температурами, что приводит к спеканию продукта реакции или недожегу исходного сырья (известняка, мела). Известные разработки по усовершенствованию конструктивного оформления шахтных печей с целью ликвидации вышеотме-ченных недостатков, например, усовершенствование процесса сжигания природного газа с принудительным отклонением факела ил отвод части подогретого воздуха из внутренней части печи перед зоной подогрева, а также оснащение печи балочными многосопловыми горелками не дают кардинального улучшения при протекании фильтрационного горения топлива.
Согласно для термической обработки поли-дисперстных пород с регулируемой температурой теплоносителя печь должна характеризоваться следующими особенностями: сжигание топлива должно осуществляться вне слоя материала с получением продуктов горения заданной температуры; для обеспечения равномерного распределения теплоносителя и снижения аэродинамического сопротивления движение газов в зоне обжига должно происходить в перпендикулярном направлении по отношению к опускающемуся материалу. Однако достоверные данные по эксплуатации таких печей отсутствуют.
Во всех типах печей независимо от конструктивного оформления различают три основных зоны: зону подогрева, зону обжига и зону охлаждения. Неравномерное распределение скоростей газового потока по сечению шахты оказывают влияние рабочие фракции известняка и характер движения материала в цилиндрической части печи. Наилучшим вариантом характера режима движения материала является вариант,
когда средние вертикальные скорости V крупных кусков (0,06 - 0,08 м); меньших кусков
(0,03-0,04 м) в объеме V и мелких кусков в
'Ра ■ Со ■ Го
300-а-\-М2 где й - удельный расход тепла кДж/кг; ро -плотность известняка - 2553 кг/м3; С0 - содержание СаСО3, %масс; Г - радиус куска известняка, м; а - коэффициент теплообмена в интерва-
кристаллической области ^ равны. В работах
проведено численное моделирование течения сыпучего материала в реакторе шахтного типа и было с достаточной достоверностью установлено, что выше, указанный вариант может достигаться при среденм размере мелких кусков -0,03 м, среднем размере крупных кусков - 0,07 м и соответственно массовом содержании фракций 25 - 30 и 70 - 75%. Следует отметить, что такое соотношение фракционного состава известняков достигается перед подачей их в печь при их обогащении с использованием фотоэлектронного сепаратора [3].
Однако общепринятым является утверждение, что в шахтную печь необходимо подавать размеры кусков известняка при соотношении Ир /ё > 45 — 50. При этом считается, что размер ё не влияет на распределение газового потока. Последнее свидетельствует о том, что известняк должен подаваться в печь строго определенной фракцией примерно ё = 0,07 — 0,08 м при внутреннем диаметре
печи О = 3,7 — 5,5 мм.
Тем не менее даже при таком фракционном составе при движении материала в цилиндрической части шахтной печи при центральной выгрузке наблюдается отличие приосевой и пристенной скоростей в зоне обжига на 5-8% с преобладание приосевой. Эта неравномерность может быть сглажена с использованием нескольких отверстий для выгрузки извести вблизи стен. Таким образом вопрос о фракционном составе известняка, подаваемого в печь и условиях равномерного движения материала с различным фракционным составом вдоль шахты печи теоретически и практически решен в известной литературе.
Кинетика обжига известняка при условии движения плотного слоя материала и фильтрации через этот слой топочных газов достаточно исследована во многих работах. Для практических случаев, когда кусковой слой материала нагревается горячими газами время полного разложения известняка, то есть условное время пребывания в зоне обжига печи, может быть оценено по уравнению:
(1 — Е ■ Тв У\Л0
| — 1 ■ Е-а-ДГ2■ г 2 4 2 °
(1)
ле температур от 950-1300 оС - 62,85-838 кДж/(м2-ч-К); ДТ2 - разность температур между
газовой средой и веществом; Ла - коэффициент теплопроводности кДж/(м-с-К),
(1 + ЕТ)
где Е - коэффициент ~ 0,4210-3;
\=А0 (1 + ЕТ).
В общем случае время пребывания материала в печи от момента загрузки и до момента выгрузки определяется суммой времен пребывания в каждой из зон шахтной печи:
(2)
+ТП +^ох = *
где ^ - время пребывания в зоне подогрева; Тп - ф.2; Тох - время пребывания в зоне охлаждения.
Согласно расчет ^ и Т1б производится
аналогичным образом, для Т1 выбираем интервал температур среды от 1300 до 250 - 300 оС, Тох - выбирается интервал температур для материала от 1000 до 100 оС и учитывается плотность продукта при степени разложения известняка 98% (рСа0 = 1700 кг/м3 ). В зоне подогрева лимитирующей стадией является подвод тепла от газа к кусковому материалу и при этом а можно принять равным ~ 400^450 кДж/(м2чК) и т оценивается 0,8^1 часа. Общее время пребывания материала в печи (зоне подогрева и зоне обжига) оценивается 1,4^1,5 часа, средняя скорость перемещения материала в цилиндрической части печи оценивается как 0,004 м/с, что позволяет считать фильтрующийся слой условно неподвижным.
Таким образом можно считать, что наиболее ответственной частью всех печей является распределение скоростей газового потока по сечению шахты печи и глубина радиального проникновения газового потока в слой материала. Эти характеристики оказывают влияние на качество известняка и равномерность обжига известняка.
Исследование распределения тепловых газов по сечению печи и кинетики разложения известняка в печах являются целью данной работы.
Методика проведения эксперимента
Исследования процессов были проведены на холодной и горячей аэродинамической модели, выполненной в виде сектора промышленной печи. Шахта горячей модели имела прямоугольную форму с размерами в плане 0,5*1,2 м и высотой 7,5 м, с зонами: подогрева (40% полезной высоты шахты от Н-засыпки), обжига (40% от Н-засыпки), охлаждения (20% от Н-засыпки). Ниже границы между предполагаемыми зонами подогрева и обжига, а также на половине зоны
обжига установлено по три фурмы для подачи топочных газов. В области установки фурм имеется уменьшение внутреннего размера модели за счет высова корпуса фурм на 10-15%. Вне внутренней части печи (модели) фурмы соединены с футерованными боровами из легковеского наливного огнеупора, в которых установлены горелки типа ГПН-3 конструкция института теплопроект.
В опытах исследовался природный газ с теплотой сгорания
Ор = 35,6 МДж/м3, р = 0,73 кг/м3 . Учитывая возможность использования рециркули-рующего воздуха из зоны охлаждения температура воздуха подаваемого в горелки принята 150-200 оС, коэффициент расхода воздуха а = 1,1, давление в топке 50-100 Па. Длина пламени горелки 0,5-0,6 м, соответственно факел заканчивается на выходе из фурмы. Фурмы ниже зоны подогрева установлены по воображаемой окружности через 120о, а в зоне обжига фурмы по отношению к предыдущей смещены на 60о, то есть они также друг от друга установлены через 120о, но смещены относительно предыдущих на 60о. воздух нагнетался в горелки и боровы соответственно вентиляторами в боровы подавался холодный воздух, измерение расхода осуществлялось с помощью диафрагм и микроманометров. Отвод газа из печи также осуществляли с помощью вентиляторов через систему циклонов, а затем в дымовую трубу.
Для замера температур по высоте печи и на выходе из фурм установлены термопары в защитных чехлах. Воздух для охлаждения извести вводился в нижнюю часть конического бункера, который имел угол раскрытия конуса 30о и на выходе валковый выгружатель. Пробы газа, отбираемые по высоте печи и на выходе, анализировались на аппарате ВТИ-2, химический недожег определяли по методике. В него загружался известняк (СаСОз - 98,5%, МеО - 0,2%) поли-дисперстног осостава с содержанием фракции 0,027 м - 30% и фракции 0,065 м - 70%, общий расход природного газа составлял 38,7 нм3/ч. Холодная аэродинамическая модель была выполнена из прозрачного стекла и соответствовала 1/10 предполагаемой промышленной печи диаметром 3,5 м. область распространения газового потока в слое материала определялась путем фиксирования окрашенных участков кусковой засыпки. В качестве индикатора цветной реакции использовалось взаимодействие паров йода, содержащихся в подаваемом воздухе имитирующим газ, с крахмалом, нанесенным на поверхность кусков известняка слоем ~ 1 мм (0,001 м). воздух из модели отводился посредством вентилятора, в модели осуществлялся пере-
крестный ток материала и газа с последующим противоточным отводом газа через верх модели.
Штуцера для подачи газа в холодной модели примерно соответствовали расположению фурм в горячей модели. Опыты проводились как с использованием полидисперсного состава известняка так и с отдельными фракциями.
В штуцера подавался воздух насыщенный парами йода с расходом в 10-15 раз меньше по отношению суммарного расхода образующихся топочных газов на выходе из фурм.
Результаты экспериментальных исследований
Визуальные наблюдения на холодной модели показали, что при засыпке однородными размерами известняка (0,06-0,07 м) при подаче воздуха в одну или три штуцера наиболее яркая и «густая» окраски наблюдается у стен и на расстоянии от стен ~ 75-80 мм, затем при продвижении по радиусу модели к центру окраска «блекнет». Такая же картина наблюдалась и при загрузке в модель известняка фракцией 0,030,04 м, однако окраска блекла уже на расстоянии 45-55 мм от стенок моделей, а в центре сечения практически цветне изменялся. Другой особенностью, которая наблюдалась, было то, что окраска распространялась вдоль оси холодной модели как вверх, так и вниз от точки ввода газа. Если условно оценить толщину окраски за единицу, то примерно от точки ввода газа вверх окрашено 0,7-0,8, а вниз 0,2-0,3. В целом оценивая вышеприведенные результаты можно считать, что они свидетельствуют преимущественно о кольцевом токе подаваемых газов в модели вдоль стенок и взаимодействии зон противотока и прямотока соответственно вверх и вниз модели. Увеличение расхода газа через штуцера в 1,5 раза сместило глубину окраски на 5-7 мм в радиальном направлении, что свидетельствует о вообщем-то неэффективности этого мероприятия. Относительно равномерное распределение окраски по поперечному сечению слоя было достигнуто, когда штуцера подачи воздуха были выдвинуты вглубь слоя на 0,04 м, а слой известняка представлял собой полидисперстную систему состоящую из кусков размером 0,04 м и 0,07 м при соотношении 20 и 80% соответственно. Куски меньшего размера произвольно распределялись по объему модели при загрузке смеси, тем не менее наблюдалось относительно равномерное их распределение по объему исследуемого слоя, степень сегрегации составляла примерно 5-7%. В этом случае максимальное радиальное проникновение По струи воздуха
н
примерно пропорционально ~ 0,06 — , где ё -размер 0,06 м. При этом также наблюдалось
возникновение зон противотока ~0,6-0,7 и прямотока 0,3-0,4. Такой эффект (условно равномерное распределение окраски) по-видимому наблюдается из-за изменения структуры потока материала за счет высова штуцеров. Определение глубины проникновения топочных газов с температурой 1250 оС в радиальном направлении проводилось также на горячей модели путем одновременного отбора проб газа, отходящего из печи и из слоя кускового материала по диаметру шахты на уровнях, где расположены фурмы и на уровнях выше фурм (на расстояниях 1,2 м) и ниже фурм (на расстояниях 1, 2 м). Средний размер кусков загруженного в печь известняка в разных опытах был равен ё = 0,037 и 0,076 м. Каждый последующий отбор проб газа проводили через 9-10 минут (540-600 сек). Расчет статистических характеристик и коэффициентов уравнений проникновения топочных газов в радиальном направлении был проведен на ЭВМ. Получено уравнение для расчета проникновения топочных газов в радиальном направлении.
П = С V ■ d0 4 ■ H0 3 (3)
где С = 4,0; V - объем топочных газов нм3;
Т г
ё - диаметр кусков материала большого размера, м; Н - высота засыпки, м.
Величина среднего отклонения значений проникновения, рассчитанных по уравнению составляет ±12%.
Наблюдения за поведением материала непосредственно у фурм свидетельствует об отсутствии очагов высокой температуры (рисунок 1).
При этом зона поддержания указанного распределения температур по высоте составляла примерно 3-3,2 м. Ниже этой зоны температуры слоя составляла 860-900 оС, при этой температуре дальнейший обжиг прекращался. Тем не менее установлено, что по сравнению с типовыми шахтными печами в зоне поддержания температур 1050-1070 оС наблюдается адиабатическая выдержка при температурах больше 1000 оС в слое 1,2-1,5 м, то есть по высоте слоя ниже и выше точек ввода топочных газов. о Ш0п-
£ 1000-.¿у
£ 900 =
0,1
1,2
0, 3 0,6 0,9
Расстояние от стенки печи м
Рис. 1. Температурное поле в слое материала в районе фурм
Это свидетельствует о том, что существует (как и в холодной модели) прямоток топочных газов ниже зоны ввода и противоток выше этой зоны, что удлиняет зону обжига и позволяет увеличить степень обжига на 3-4%, а производительность печи на 10%.
Проведенные результаты экспериментов свидетельствуют о том, что диссоциация кускового известняка на начальном этапе процесса определяется фактором температуры, а при степени обжига куска свыше а = 80-85 лимитирующими процессом является внутренний массо-перенос в поверхностной оболочке извести. Конструкция печи, которая обеспечивает прямо-точно-противоточный принцип теплообмена позволяет осуществлять адиабатическую выдержку в зоне обжига при температурах 10501070 оС, что обеспечивает возможность получать известь с содержанием основного вещества 96-97% и содержанием СаОакт » 90%. Достигнутое при исследованиях увеличение производительности на 20-25%, сопровождалось снижением удельного расхода топлива на 10%. Фракционный состав известняка загружаемый в печь позволяет считать, что возможна утилизация отходов классификации карбонатного сырья
фракции 20-40 мм.
Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о целесообразности разработки и широкого внедрения новой конструкции печи в различных отраслях промышленности.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Карзун Е.Г. Исследование процесса смачивания извести водой перед подачей ее в гид-ратор в производстве высокодисперсного гид-роксида кальция или пушонки [Текст] / Е.Г. Карзун, Д.В. Боглаенко, В.П. Шапорев, П.В. Шапорев // Восточно-Европейский журнал передовых технологий - 2007. - № 1/3 25. С. 4146.
2. Шахин И.Х. Анализ способов производства извести и обжига карбонатного сырья [Текст]: / ИХ. Шахин, В.П. Шапорев, О.А. Лопухина // Вестник НТУ «ХПИ». 2003. - №3. - С. 76-90.
3. Шапорев П.В. О возможности обогащения известняков класса 40-150 мм с использованием фотоэлектронного сепаратора [Текст] / П.В. Шапорев, В.Ф. Райко, В.В. Себко // Вестник НТУ «ХПИ». - 2010. - № 16. - С. 139-153.
