1

1.1.9 Энерготехнологическое комбинирование

в высокотемпературной теплотехнологии

Анализ работы современных высокотемпературных теплотехнологических установок позволяет выделить основные недостатки:

Ø Низкая удельная и агрегатная производительность, обусловленные неблагоприятными условиями тепло- и массообмена;

Ø Противоречие между длительностью кампании и удельной производительностью, исключающее возможность существенной форсировки технологического процесса;

Ø Цикличность технологического процесса (осложняемое реверсированием факела, как, например, в мартеновской печи);

Ø Неудовлетворительная аэродинамическая характеристика (во многом определяет унос технологического материала из рабочей камеры);

Ø Узкоотраслевая направленность технологического процесса (в основном выпуск одного технологического продукта).

Новые решения в высокотемпературной теплотехнологии должны иметь своей целью устранение указанных недостатков и обеспечить:

¨ сочетание высокой производительности с большой длительностью рабочей кампании;

¨ комплексность использования всех технологических и энергетических ресурсов;

¨ непрерывность технологического процесса;

¨ максимальную эффективность энергоиспользования.

Одновременная реализация этих критериев возможна путем энерготехнологического комбинирования, представляющим собой новый принцип решения энергоиспользования в промышленной энергетике.

Энерготехнологическое комбинирование предусматривает резкую интенсификацию технологического процесса на основе интенсификации энергетических процессов. При этом наряду с выпуском технологического продукта может вырабатываться другая полезная продукция (например, пар энергетических параметров).

На практике могут быть реализованы следующие варианты энерготехнологического теплоиспользования:

Ø энерготехнологические агрегаты одноцелевого технологического назначения;

Ø энерготехнологические комплексные агрегаты на комплекс технологических продуктов;

Ø энерготехнологические комбинированные агрегаты многоцелевого назначения, вырабатывающие, кроме технологического продукта, пар энергетических параметров.

Теоретические предпосылки энерготехнологического комбинирования заключаются в следующем.

Многие процессы в высокотемпературной теплотехнологии относятся к гетерогенным процессам нагрева и плавления, сопровождающихся химическими преобразованиями.

Интенсивность массообмена гетерогенных процессов характеризуется количеством вещества, прореагировавшим в единице объеме в единицу времени:

, кг (1.75)

где - результативная константа скорости технологического процесса,

- разность концентраций реагирующих веществ,

- поверхность обрабатываемого материала в единице объема.

Результативная константа скорости технологического процесса зависит как от скорости химической реакции, так и от интенсивности диффузионных процессов. Так, например, интенсивность процесса восстановления железа из руды во многом определяется скоростью диффузии восстановителя СО вглубь частицы через слой восстановленного железа и в обратном направлении продуктов химической реакции (рисунок 1.31).

Рисунок 10.1 – Процесс восстановления железа из руды

Результативная константа скорости технологического процесса равна:

, (1.76)

где - константа скорости химической реакции, которая является функцией температуры ;

- средняя эффективная температура в рабочей камере;

- константа скорости диффузии.

Константа скорости диффузии определяется гидродинамическими условиями процесса и зависит от скорости движения реагирующих веществ относительно друг друга .

Поверхность обрабатываемого материала в единице объема рабочей камеры определяется по формуле:

, ((1.77)

где - относительная поверхность материала, ,

- плотность массы материала в объеме камеры, .

Относительная поверхность материала при одинаковой плотности является функцией размера обрабатываемых частиц: чем меньше диаметр частиц , тем больше и .

Интенсивность процесса теплообмена определяется по аналогичному выражению (формула 1.75):

, (1.78)

где - результирующий коэффициент теплообмена,

- разность температур газовой среды (средней эффективной температуры рабочей камеры) и обрабатываемого материала.

Результирующий коэффициент теплообмена характеризует сложный теплообмен, имеющий место в рабочей камере ВТТУ:

, (1.79)

где - коэффициент теплоотдачи, определяемый относительной скоростью реагирующих веществ ;

- коэффициент, характеризующий интенсивность лучистого теплообмена и зависящий от разности температур в рабочей камере и обрабатываемого материала.

Таким образом, интенсивность гетерогенного процесса тепло- и массообмена определяется:

- относительной поверхностью материала,

- плотностью массы в единице объема,

- относительной скоростью реагирующих веществ,

- средней эффективной температурой газов в рабочей камере.

Анализ уравнений тепло- массообмена гетерогенного процесса показывает, что интенсификация технологического процесса во многом связана с уменьшением размеров обрабатываемого материала. Поэтому в энерготехнологическом процессе целесообразно обрабатывать измельченный (дисперсный) материал.

К применению в энерготехнологическом процессе дисперсного сырья имеются объективные предпосылки, так как во многих технологических установках, используемых на предприятиях черной и цветной металлургии, сырьем являются мелкозернистые концентраты, продукты флотационного обогащения рудных материалов (коксовые батареи, агломерационные установки и т.д.).

Для обработки дисперсных материалов возможны следующие варианты организации теплотехнологических процессов (рисунок 1.32):

А – плотный фильтрационный слой,

Б – кипящий слой,

В – прямоточная газовзвесь,

Г – циклонный (криволинейный) поток.

Особенностью первых трех вариантов является прямоточное движение газов в рабочей камере, причем в вариантах «А» и «Б» аэродинамические принципы организации технологического процесса одинаковы и отличаются лишь размерами обрабатываемых материалов и скоростями движения газового потока.

Обработка материала в плотном фильтрационном слое (вариант «А» – шахтная печь) осуществляется следующим образом.

Технологический материал и топливо в виде крупных кусков размещаются на колосниковой решетке, образуя плотный слой. Размеры ячеек колосниковой решетки меньше размера обрабатываемых кусков. Снизу в рабочую камеру подается воздух (окислитель), который, проходя через плотный слой (противоточное движение), реагирует с топливом и обрабатываемым материалом.

В плотном фильтрационном слое осуществляется обжиг и плавление кускового материала, для которого характерна малая относительная поверхность и большая плотность массы в единице объема . При противоточном движении происходит охлаждение продуктов горения топлива и технологических газов (газообразных продуктов переработки технологического материала), поэтому средняя эффективная температура газов для агрегата в целом невысока (например, в доменной печи). Одновременно для плотного слоя характерны высокие относительные скорости движения реагентов , которые зависят от размеров частиц и возрастают с увеличением последних.

1 – исходный материал, 2 – технологический продукт,

3 – топливо, 4 – воздух (окислитель), 5 – отходящие газы

Рисунок 1.32 – Технологические схемы переработки дисперсного сырья

Так как переработке в плотном слое подвергается полидисперсный материал, содержащий куски разных размеров, то наиболее мелкие фракции (наиболее легкие) уносятся отходящими газами. Величина уноса для плотного слоя составляет 10-15 % от массы обрабатываемого материала.

К недостаткам плотного фильтрационного слоя относится:

Ø высокое гидравлическое сопротивление слоя;

Ø большие расходов электроэнергии на дутье;

Ø большие размеры рабочей камеры из-за большой длительности переработки крупнокускового материала.

Вариант кипящего слоя применяется для нагрева и обжига дробленного и дисперсного материала. Для данной схемы организации технологического процесса недопустимо расплавление обрабатываемых материалов, так как в противном случае будет иметь место агрегация (укрупнение) частиц, которые будут выпадать из кипящего слоя под действием силы тяжести. Это означает, что для кипящего слоя имеется ограничение по средне эффективной температуре газовой фазы .

Обработка дисперсного материала в кипящем слое осуществляется в газовом объеме рабочей камеры. Кипящий слой материала организуется следующим образом.

Дисперсный материал размещается на колосниковой решетке. Снизу подается воздух. При повышении скорости движения воздуха возрастает динамическое давление на частицу. Если динамическое давление воздуха меньше массы каждой из обрабатываемых частиц, то последние будут лежать на колосниковой решетке неподвижно, образуя плотный фильтрационный слой. При более высоких скоростях динамическое давление воздуха становится равным массе частицы, и она как бы «взвешивается» в газовом потоке. Неподвижный слой вспучивается, что ведет к увеличению высоты обрабатываемого материала.

При дальнейшем увеличении скорости воздуха динамическое давление становится больше массы частицы, она увлекается газовым потоком и выносится за пределы слоя в газовый объем рабочей камеры. В газовом объеме, в котором находится значительно меньшее количество материала, проходное сечение для газа больше и скорость последнего уменьшается с одновременным уменьшением динамического воздействия на частицу. В связи с этим частицы под действием силы тяжести снова возвращаются в слой (выпадают из газового потока). Таким образом, слой материала начинает «кипеть».

Аэродинамические характеристики плотного и кипящего слоя представлены на рисунок 1.33.

По мере увеличения скорости движения воздуха возрастает гидравлическое сопротивление неподвижного слоя ΔР (высота слоя остается неизменной). Вспучивание плотного слоя начинается при скорости и с этого момента высота слоя начинает возрастать. Одновременно продолжает расти гидравлическое сопротивление слоя.

Рисунок 1.33 – Аэродинамические характеристики кипящего слоя

При скорости газового потока плотный слой переходит в кипящий (сначала кипит в отдельных точках слоя, так называемый фонтанирующий режим работы). Толщина слоя увеличивается с одновременным уменьшением гидравлического сопротивления (увеличивается проходное сечение для газа, так как уменьшается количество материала в единице объема).

Дальнейшее увеличение скорости газового потока ведет к увеличению высоты слоя (частицы выносятся на большую высоту под действием увеличивающейся силы динамического давления). При этом гидравлическое сопротивление слоя стабилизируется. При скорости и более частицы подхватываются газовым потоком и выносятся за пределы рабочей камеры (высота слоя возрастает до бесконечности, а сопротивление слоя резко уменьшается). Скорость, при которой начинается вынос материала, называется скоростью витания . Она характеризует собой предельную величину относительной скорости частицы в газовом потоке. Скорость витания тем больше, чем больше размер обрабатываемых частиц.

Для кипящего слоя предельная скорость движения газового потока должна быть меньше скорости витания, так как в противном случае весь материал полностью выносится из рабочей камеры. Унос дисперсного материала в реальных условиях равен 30-40 %. Массовая концентрация материала в объеме камеры для кипящего слоя = 700-850 кг/м³.

В варианте прямоточной газовзвеси осуществляется обжиг и плавление высокодисперсных материалов. Размер обрабатываемых материалов в данном варианте минимален. По температурному уровню вариант не ограничен, что определяет более высокую средне эффективную температуру технологического процесса . В связи с малой величиной большая часть материала выносится за пределы рабочей камеры (85-90 %). Вариант характеризуется малой плотностью материала в объеме = 30-50 кг/м³.

В отличие от первых трех вариантов (рисунок 1.32) в варианте «Г» реализуется криволинейное движение газового потока. Наиболее ярко криволинейное движение реализуется в циклонной камере.

Газовый поток, обтекая стенки цилиндра (циклона), закручивается и обеспечивает полное смешение топлива и окислителя. В результате этого интенсифицируется процесс горения (приближается к кинетическому способ) и топливо сгорает на небольшом расстоянии от точки его вода. Горение топлива в ограниченном объеме ведет к росту температуры горения и к увеличению средне эффективной температуры газового потока. Концентрированное тепловыделение при вводе материала в эту высокотемпературную зону позволяет, во-первых, осуществлять процессы с плавлением материала и, во-вторых, уменьшить геометрические размеры рабочего пространства ВТТУ.

При циклонной организации технологического процесса из-за центробежного эффекта высокодисперсные частицы отбрасываются к стенке и концентрируются в пристенной области, что увеличивает плотность материала в единице объема (по сравнению с прямоточной газовзвесью) до = 500-600 кг/м³. Совмещение процесса горения топлива и тепловой обработки высокодисперсных частиц ведет к расплавлению материала, который, попадая на стенку циклонной камеры, образует стекающую пленку расплава, что увеличивает время пребывания материала в рабочем пространстве ВТТУ.

Одновременно концентрация частиц в пристенной области (сепарация) позволяет уменьшить унос материала из камеры до 5-10 % (в промышленности циклоны используются для улавливания пыли из отходящих газов). Это позволяет форсировать технологический процесс и увеличить скорость дутья до 60-120 м/сек вместо 5-7 м/сек в кипящем слое (лимитируется пылеуносом).

Сравнение вариантов переработки дисперсных материалов приведено в таблице 1.2.

По первому показателю с точки зрения интенсификации технологического процесса преимущества имеют варианты «В» и «Г». Однако температурный уровень процесса в первую очередь определяется технологическими требованиями и для ряда процессов (например, производство цемента во вращательных печах) не требуется высокая средне эффективная температура газового потока.

С точки зрения размеров обрабатываемого материала (показатель 2) несомненные преимущества имеют варианты «В» и «Г». Малые размеры обрабатываемых частиц в варианте прямоточной газовзвеси и в циклонном процессе определяет большую относительную поверхность обрабатываемого материала (показатель 3) и значительно меньшее время на его обработку.

Время пребывания материала в рабочей камере должно быть достаточным для осуществления химических преобразований и его тепловой обработки. С этих позиций наибольшие преимущества имеет вариант циклонного процесса, в котором расплавленный материал продолжает подвергаться переработке в пленке на стенке, т.е. значительно дольше, чем в варианте с прямоточной газовзвесью при одинаковых размерах обрабатываемых частиц. Время пребывания материала в плотном слое определяется по необходимому времени термохимической обработки исходного сырья и может быть достаточно большим (например, в доменной печи).

Таблица 1.2 – Сравнение вариантов переработки материалов

в гетерогенных системах (рисунок 1.32)

№№ п/п	Показатели	Варианты
№№ п/п	Показатели	А	Б	В	Г
1	Средне эффективная температура	темпера-тура плавления	темпера-тура размягчен.	Не ограничена
2	Исходный материал	Кусковый	Дробле-ный, пылевид-ный	Пылевид-ный	Пылевид-ный
3	Относительная поверхность, м²/кг	Минималь-ная	Средняя	Максималь- ная	Максималь-ная
4	Время пребывания в рабочей камере	Минуты	Секунды	Доли секунды	Доли сек. в объеме, десятки сек. в пленке
5	Относительная скорость частиц, м/сек	1-2	0,2-,05	Близка к нулю	50-100
6	Пылеунос, %	10-15	До 50-60	85-90	5-10
7	Массовая плотность в единице объема, кг/м³	до 4000	700-850	30-50	500-600

По величине относительной скорости движения реагентов преимуществом обладает вариант «Г». Это объясняется тем, что высокодисперсные частицы, увлекаемые закрученным потоком, движутся вдоль цилиндрической стенки и одновременно поперек этого потока (отбрасываются к стенке за счет центробежных сил). Так как профиль скоростей газового потока в циклонной камере носит переменный характер (рис. 1.34), то частицы пересекают линии тока с различными скоростями и, как следствие, возрастает относительная скорость движения частиц >.

1 – обрабатываемая частица, 2 – эпюра скоростей

Рисунок 1.34 – Эпюра скоростей газового потока в циклонной камеры

Таким образом, сравнение вариантов теплотехнологической переработки дисперсного сырья показывает, что циклонный процесс обладает максимальными возможностями интенсификации технологического процесса и может быть использован для реализации энерготехнологического комбинирования [8].

Интенсификация процесса горения и высокий уровень средне эффективной температуры в циклонной камере требует решения вопросов повышения стойкости огнеупорной кладки. Это связано с тем, что приближается к температуре размягчения огнеупорного материала , а образование стекающей по стенке технологического расплава может привести к образованию легкоплавких соединений в результате химического реагирования расплава и огнеупора.

Стойкость огнеупорной кладки может быть увеличена при использовании принудительного охлаждения наиболее теплонапряженных элементов рабочей камеры (кессонирования). На мартеновских и доменных печах из-за больших размеров агрегатов кессонируются лишь отдельные элементы, так как кессонирование всего агрегата ведет к резкому увеличению потерь тепла с охлаждением, снижению средне эффективной температуры рабочей камеры и увеличению расхода энергетических ресурсов.

В циклонном агрегате процесс горения завершается в верхней части камере в малом объеме (концентрированное тепловыделение). Это определяет малые габариты циклонного агрегата и появляется возможность организации принудительного охлаждения всей камеры. При наличии стекающей пленки расплава и принудительном охлаждении стенок камеры вопрос о стойкости огнеупоров решается автоматически, так как в циклоне образуется гарниссажная футеровка.

Принцип образования гарниссажной футеровки заключается в следующем (рисунок 1.35).

1 – охлаждающие трубы, 2 – огнеупорная обмазка, 3 – пластический гарниссаж,

4 – пленка расплава, 5 – расплавленные частицы материала

Рисунок 1.35 – Схема гарниссажной футеровки циклонной камеры

На охлаждаемую поверхность стенок циклонной камеры наносится тонкий слой огнеупорной обмазки, температура которой много ниже температуры расплавления материала. Попадающий на стенку расплав из-за охлаждения стенки застывает в виде пластичного гарниссажа. Температура пластичного гарниссажа возрастает в направлении газового объема вплоть до температуры расплавления материала. Толщина пластического слоя гарниссажа зависит от соотношения интенсивностей подвода и отвода тепла.

По пластическому гарниссажу стекает пленка расплава. Наличие стекающей пленки расплава создает условия для самовосстановления гарниссажной футеровки. При повреждении отдельных участков гарниссажа футеровка автоматически восстанавливается попадающим на участок расплавом (с образованием пластического гарниссажа).

Необходимым условием существования гарниссажной футеровки является наличие большой плотности тепловыделения . Одновременно должен осуществляться интенсивный отвод тепла системой охлаждения. При переводе системы охлаждения на испарительное охлаждение в циклонной камере вырабатывается пар, что повышает результативный к.п.д. ВТТУ (технологический к.п.д. равен 30-35 %, системы испарительного охлаждения 15-20 %).

7

Подключение системы испарительного охлаждения (СИО) циклонной камеры (ЦК) к парогенератору на отходящих газах превращает циклонный агрегат в циклонный энерготехнологический агрегат (ЦЭТА), вырабатывающий наряду с технологической продукцией пар энергетических параметров (рисунок 1.36).

1 – технологическое сырье, 2 – технологический продукт, 3 – воздух,

4 – топливо, 5 – уходящие газы, 6 – технологический унос,

7 – перегретый пар, 8 – питательная вода

Рисунок 1.36 – Схема циклонного энерготехнологического агрегата

Плотность тепловыделения в ЦЭТА может достигать =2-5 МВт (в обычных ВТТУ 0,1-,03 МВт). Коэффициент полезного действия ЦЭТА приближается к к.п.д. энергетического парогенератора (86-94 %).

Экономическая целесообразность энерготехнологических агрегатов наступает при энергетической мощности по пару в 25-50 МВт при давлении 100-140 бар.

В настоящее время ЦЭТА успешно используются для гидротермической переработки фосфоритов, получения соединений редких металлов, для производства шлаковаты (теплоизолирующий материал) и обезвреживания различных отходов химического производства, содержащих органические соединения.

наверх