Научная статья на тему 'Шахтная печь для мягкого обжига известняка'

Шахтная печь для мягкого обжига известняка Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
890
73
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ИЗВЕСТЬ / КИНЕТИКА ПРОЦЕССА / ОБЖИГ / ПЕЧЬ / КОНСТРУКЦИЯ / МАТЕРИАЛ / ТОПЛИВО

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Шапорев П. В., Питак И. В., Себко В. В.

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 известково–обжигательных печах для производства высокообожженой извести с высокой активностью.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Шахтная печь для мягкого обжига известняка»

Шапорев 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

[email protected]

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.