Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Интенсификация технологических процессов, осуществляемых в кипящем слое, обеспечивает, как отмечалось, высокую удельную производительность печей и аппаратов, что является отличительной особенностью этого метода.
Если исходить только из гидродинамического режима обжига в кипящем слое, то формула расчета удельной производительности печи примет вид:
Специфика обжига в кипящем слое состоит, однако, в том, что требуемый гидродинамический режим процесса обеспечивается реакционным технологическим газом.
Ранее было указано, что wкр < wраб < wун, т. е. рабочая скорость газа должна быть выше минимальной критической скорости псевдоожижения и ниже скорости выноса из печи всего твердого материала. Таким образом, wраб, входящее в формулу (8), обеспечивает лишь соблюдение оптимального гидродинамического режима. Вместе с тем оптимальный технологический режим обжига определяется максимальной полнотой реакций, протекающих в процессе взаимодействия твердой и газообразной фаз в кипящем слое.
Следовательно, при выборе рабочей скорости восходящего газового потока wраб обязательным является соответствие между этой скоростью и скоростью реакционного взаимодействия газовой и твердой фаз в кипящем слое, которая зависит от температуры процесса, размера зерен, химического и минералогического состава реагирующих веществ.
При увеличении диаметра зерен критическая и рабочая скорости соответственно возрастают, тогда как скорость реагирования в кипящем слое вследствие уменьшения удельной поверхности твердой фазы понижается, что ограничивает рост производительности печи.
Оптимальный размер зерен, отвечающий максимальной производительности, при прочих равных параметрах процесса может быть найден графическим путем.
На рис. 3 показано решение этой задачи. На оси ординат отложены эквивалентные удельной производительности печи объемные скорости газового потока, которые для кривой гидродинамической характеристики дают величину рабочей скорости псевдоожижения wрвб, а для кривой кинетической характеристики — скорость технологического процесса, т. е. скорость превращения единицы объема твердого вещества и газа при оптимальном режиме процесса; на оси абсцисс отложены размеры зерен.
В точке М кривые, характеризующие эти зависимости, пересекаются; абсцисса точки М соответствует размеру зерен, обеспечивающему максимальную производительность печи.
Следовательно, удельная производительность печи с увеличением размеров зерен будет сначала расти, ограничиваясь гидродинамической характеристикой, т. е. условиями подачи газа к поверхности зерен, по кривой ОМ и, дойдя до максимума в точке М, при дальнейшем увеличении размеров зерен начнет снижаться, ограничиваясь нижней частью кривой кинетической характеристики, т. е. скоростью реагирования или превращения зерен.
Приведенные на рис. 3 закономерности позволяют правильно выбирать конкретные меры для повышения производительности печи. Например, повышение температуры или увеличение высоты слоя не может повысить производительность печи в левой от точки М области, но может увеличить ее в правой от этой точки области.
Повышение концентрации реакционноспособного газа может поднять производительность в печи в обеих областях: в левой благодаря увеличению притока реакционноспособного газа при равной скорости газового потока и в правой благодаря увеличению скорости реакции.
Проведенные автором исследования и расчеты процесса обжига гранулированного цинкового концентрата в кипящем слое, выполненные по описанной выше методике, показали, что максимальная удельная производительность печи может достигнуть 60 т/м2 за 24 часа при температуре обжига 800° с гранулами диаметром около 6 мм.
Приведенные соображения объясняют известные факты повышения производительности печи при увеличении размеров зерен, установленные опытом и казавшиеся парадоксальными.
Исследованиями Гинцветмета установлено, что грануляция медного концентрата до размера гранул 0,5—2 мм позволяет повысить производительность при обжиге в кипящем слое в 4—5 раз по сравнению с обжигом концентрата, состоящего из зерен мельче 0,5 мм; грануляция цинкового концентрата до размеров гранул 1—7 мм позволяет увеличить производительность при обжиге в 8 раз.
Установление максимальных размеров зерен, обеспечивающих оптимальный режим обжига в кипящем слое, имеет большое практическое значение для обжига руды, так как переизмельчение последней снижает удельную производительность обжиговой печи, увеличивает вынос пыли и удорожает стоимость подготовки руды.
Особенно важное значение приобретает осуществление эндотермических процессов в кипящем слое при максимально допустимом размере зерен в случае сжигания топлива в кипящем слое и неизбежного при этом увеличения объема газов.
В знаменателе формулы (8) удельный расход газа q определяется на основе материального расчета процесса и заданного коэффициента избытка расхода газа против теоретически потребного его количества. Из формулы вытекает, что удельную производительность можно повысить также снижением удельного расхода газа. Это может быть достигнуто повышением концентрации активного компонента в газе, например применением обогашенного кислородом воздуха, уменьшением объема газов, потребного для нагрева зерен, в случае эндотермических процессов, предварительным удалением влаги и т. п.
Таким образом, удельная производительность печи может быть увеличена: а) повышением рабочей скорости псевдоожижения, которая в свою очередь растет с увеличением размеров зерен (до определенной величины); б) повышением температуры процесса, которую можно регулировать принудительным отводом избытка тепла; в) повышением концентрации реагирующих веществ; г) увеличением высоты слоя (после достижения предельной скорости процесса) и д) снижением удельного расхода газа.
Высокая удельная производительность печей с кипящим слоем позволяет снижать капитальные затраты на строительство, сокращать время для их сооружения и повышать производительность труда.