» » Движение газов и материалов в свободном пространстве
02.06.2015

Подобное движение происходит в печах, имеющих большое свободное газовое пространство, предназначенное для сжигания топлива или сульфидов и для сбора и эвакуации газообразных продуктов процесса. К таковым относятся: рудоплавильные отражательные и электрические печи, печи для обжига и плавки во взвешенном состоянии, барабанные вращающиеся и нагревательные печи.
Газы входят и распространяются в газовом пространстве печей по законам так называемой свободной струи, безразмерная схема которой показана на рис. 3. Начальная скорость входа w0 определяется по формулам истечения газа (12 и др.). Однако осевая скорость свободной струи равняется w0 только на ограниченном по длине начальном участке. В дальнейшем осевая скорость начинает уменьшаться, и ее величину для круглой струи можно определить по формуле Абрамовича:
Движение газов и материалов в свободном пространстве

В печах, отапливаемых пылевидным, жидким или газообразным топливом, свободные струи образуются в результате истечения топливо-воздушных смесей из горелок в виде горящих факелов. При больших размерах печей динамическое влияние факелов на движение газов в рабочем пространстве ограничивается сравнительно небольшим участком в голове печей длиной 3—7 м.
Движение газов в свободном газовом пространстве наиболее доступно изучению на моделях и в заводских условиях, что позволило для многих металлургических печей выявить картину движения газов, определить сопротивление печей и установить оптимальные геометрические формы рабочего пространства.
Движение газов и материалов в свободном пространстве

В отражательных печах газы движутся в основном по законам турбулентного потока в прямолинейном целиком заполненном канале (рис. 4). Наблюдаются застойные зоны и отрывы газового потока от свода и ванны в голове и хвосте печи. Зона действия горелок ограничена участком 2—6 м, за пределами которого факелы сливаются в общий поток. Для улучшения условий движения газов и ликвидации застойных зон рекомендуется исправленный профиль, показанный в верхней части того же рисунка.
В многоподовой печи газовые потоки имеют сложный извилистый характер (рис. 5). Потоки газов, движущиеся снизу вверх, все время пополняются подсасываемым воздухом и газами, выделяющимися из шихты. Из-за частых и резких изменений направления и скорости движения газов в многоподовой печи наблюдается большое число застойных зон. Вращение вала и рукоятей не оказывает заметного влияния на движение газов и застойные зоны. Картина движения газов улучшается при увеличении числа и размеров отверстий в подах и принудительной подаче воздуха и топлива на отдельные поды.
Движение газов и материалов в свободном пространстве

В барабанных вращающихся печах в противоположность многоподовым картина движения газов весьма проста и представляет обычный турбулентный поток в круглом прямом канале (рис. 6). Максимальная скорость газов наблюдается в области, прилегающей к оси барабана, а минимальная — у стенок и поверхности шихты. Вращение печи заметно не влияет на движение газов в барабанных печах.
В печах с ограниченными размерами рабочего пространства, например в сварочной камере нагревательной методической печи длиной 4,2 м (рис. 7), наблюдается весьма ярко выраженное влияние факела форсунок на картину движения газов и распределение давления.
Для печей цветной металлургии с движением газов в свободном газовом пространстве гидравлическое сопротивление hn, кг/м2, может определяться по формуле
Движение газов и материалов в свободном пространстве

Материалы, находясь в мелко раздробленном состоянии, движутся в свободном пространстве печей под влиянием газовых потоков. Такое движение материала называется взвешенным состоянием; оно определяется соотношением скорости газового потока и скорости осаждения частиц материала в данной газовой среде. Если скорость газового потока равняется или превосходит скорость осаждения твердой частицы, то эта частица будет долго находиться во взвешенном состоянии и перемещаться совместно с газами. Скорость осаждения мелких частиц размером от 0,1 до 0,001 мм можно определить по формуле Стокса:
Движение газов и материалов в свободном пространстве

Для мелких материалов с удельным весом от 1000 до 5000 кг/м3 скорость осаждения составляет всего лишь от 0.15 до 3 м/сек, в то время как скорость газов в печах цветной металлургии колеблется в пределах от 3—4 до 8—12 м/сек. Таким образом, увеличение скорости движения газов, выгодное для процессов горения топлива и теплообмена конвекцией и позволяющее уменьшить затраты на сооружение печей, лимитируется для многих агрегатов цветной металлургии недопустимым усилением пылевыноса и заметным возрастанием гидравлического сопротивления печей.
В печах для обжига и плавки во взвешенном состоянии тонкоизмельченные и хорошо подсушенные материалы вдуваются в виде аэросмеси с первичным воздухом через специальные горелки, расположенные в нижней или верхней части рабочего пространства печей. В зависимости от места расположения и направления горелок материал в печном пространстве движется по различным траекториям. Если горелки расположены в нижней части печи и направлены кверху, то материал движется по дугообразной траектории, вначале поднимаясь кверху, а затем падая вниз. Если горелки расположены сверху и направлены вниз или тангенциально по окружности печи, то материал движется вниз по прямой или спиралевидной траекториям. Очевидно, что длина вертикального участка траектории, а следовательно, и рабочая высота печного пространства должны обеспечить определенное, минимально необходимое для частичек данного материала время пребывания в печи.
Движение газов и материалов в свободном пространстве

На основании времени пребывания т и скорости осаждения wпад, можно определить необходимую длину вертикальной траектории и рабочую высоту Н печного пространства по формуле
Движение газов и материалов в свободном пространстве

Минимальная длина рабочего пространства печей или пылеуловительных камер, на которой будут осаждаться взвешенные в газовом потоке частицы материалов, может определяться по формуле
Движение газов и материалов в свободном пространстве