4.1. Влияние на структуру суспензии расхода дутья, высоты ванны, фракционного состава и общего содержания частиц в ванне

Об эффективности замешивания частиц в объем ванны при различных гидроди-намических режимах судили по содержанию частиц в поверхностном слое и на уровне барботажных фурм. В данной серии опытов исследовали влияние изменения ин-тенсивности струйной боковой продувки, высоты ванны над фурмами и крупности частиц на содержание частиц в поверхностном слое и на уровне фурм (вне барботажных столбов) при различных насыщениях суспензии.

В данной серии опытов использовали фурмы диаметром 4,4 мм. Продувку 20%- ного водог лицеринового раствора вели при расходах дутья 1 на фурму: 26.25 л/мин. 37,5 л/мин и 48,75 л/мин. Применяли модельные частицы фракции 0,0-0,5 мм, 0,5-1,25 мм и 2,0-2,5 мм. Высота ванны над фурмами составляла 20,40 и 80 мм.

Во всех опытах, моделировавших базовый режим (глава 3) работы печи Ромелт, содержание частиц в поверхностном слое было существенно выше (в разы), чем на уровне барботажных фурм, 'по наблюдалось и на опытных плавках [15].

Результаты экспериментов с использованием частиц фракции 0,50-1,25 мм (отбор проб в центральной части ванны (поз. 1, рис. 15)) представлены на рис. 16.

8 се

s

4° в4

18 15

12 • 9 • 6 • 3 -

О • —

О 2 4 6 8 10

Общее содержание частиц в ванне (Солщ,), % масс.

21 18 15 12 9 6 3 О

Поверхностный ело? 20 мм нал фурмами мм над фурмами 80 мм над фурмами Уровень фурм 20 мм над фурмами —ft—40 мм над фурмами -в- 80 мм над фурмами

х ж X а

а

>4

X

3

X

X S

с;

S

в z я

г н

а х

4> X X «в X о.

Рисунок 16. Влияние количества частиц в ванне (СоСш.) на их содержание в поверхностном слое и на уровне фурм (поз. 1, фракция 0,50-1*25 мм) при изменении уровня жидкости над фурмами и при расходе дутья на 1 фурму: а) 26,25 л/мин; б) 37,5 л/мин; в) 48,75 л/мин

U Из рис. 16 видно, что при относительно малых количествах (Со5ш = 1-3%от массы ванны) частиц в ванне (что характерно для опьпных плавок на нечн Ромелт) при расходах дутья 26,25 л/мин и 37,5 л/мин содержание частиц на уровне фурм при изменении высоты ванны практически не изменялось.

При расходе на фурму 48.75 л.'мнн самая низкая эффективность замешивания частиц в объем ванны наблюдалась при наименьшей высоте ванны. При этой интенсивности продувки и высотах ванны 40 и 80 мм содержания частиц в поверхностном слое (при Cor,, =1-3%) практически совпадали и были близки к содержаниям частиц на уровне фурм, т.е. достигалось практически равномерное распределение частиц в объеме ванны. При наибольшей высоте ванны (80 мм) такое распределение частиц сохранялась вплоть до С0^,.=5%.

При любом уровне ванны над фурмами при увеличении расхода дутья содержание частиц в поверхностном слое уменьшалось, а на уровне фурм слабо увеличивалось. В качестве примера можно рассмотреть датгные, полученные при С,л„=1%, и представленные на рис. 17. Из рисунка следует, что при матом содержании частиц в ванне для всех применявшихся фракций частиц, повышение расхода дутья приводит к улучшению замешивания частиц в объем ванны.

Таким образом, дтя процесса Ромелт можно рекомендовать одновременное увеличение расхода дутья на фурму (на модели это было продемонстрировано при увеличении расхода в 1,3 раза в сравнении с режимом, соответствующем «базовому» на печи Ромелт) и увеличение высоты ванны (на модели - вдвое). Расчет параметров гидродинамического режима печи, опирающийся на выводы данного и последующих разделов работы, приведен в главе 6.

Содержание частиц средней фракции (0,5-1,25) мм на у ровне фурм при относи-тельно низком содержании частиц в ванне (до 5%) было примерно в 2 раза выше, чем при использовании частиц мелкой фракции (<0,50 мм) и незначительно превышало содержание частиц крупной фракции (2,0-2.5 мм) (рис. 176). При этом при всех вариантах параметров гидродинамического режима наибольшая насыщенность суспензии в поверхностном слое была при использовании частиц крупной фракции, а самая низкая (меньше в 3,5-4.3 раза) - в суспензии с частицами самой мелкой фракции.

0,00-0,50 0,50-U5 2.00-2.50 фракция частиц, мм

расход дутья на одну фурму, л/мин 5,25 37,50

-48.75

U

Рисунок 17. Влияние размера частиц на их содержание в поверхностном слое (а) и на уровне фурм (б) = I %, высота ванны над фурмами 40 мм, пот. 1) при различных расходах дутья

Таким образом, при низких насыщениях суспензии (чго было характерно для опытных плавок на печи Ромелт) лучше замешиваются в объем ванны часнт- цы мелкой и средней фракций. Переходя на процесс Ромелт. и учитывая принятый з работе масштаб геометрического подобия частиц 1:20. можно рекомендовать для более эффективного замешивания угля, чтобы максимальный размер угольных частиц в шлаковой ванне не превышал 25 мм. Разумеется, 25 мм крайняя граница диапазона возможных размеров угольных частиц. Как тзестно иi математической статистики, размеры случайно размолотых частиц, как 'травило. имеют нормальное, или нормально-логарифмическое распределение. Соответственно, можно ожидать, что основное количество частиц будет иметь размеры сутес!венно меньшие.

Как отмечалось в главе 3, в процессе Ромелт размеры находящихся в шлаке частиц утля обычно меньше 14 мм, основное количество частиц имеет размеры 1.6-7.0 мм. Таким образом, размеры угольных частиц в печи Ромелт находятся в диапазоне, рекомендуемом с точки зрения обеспечения наиболее эффективного замешивания утля. Поэтому для угля применявшихся на опытных плавках сортов, специальных мер но формированию фракционного состава не требуется.

13 экспериментах на модели было обнаружено, чю. как и в процессе Ромелт, при высоком содержании частиц в поверхностном слое (С,с(.) частицы суспензии образуют достаточно плотный «сплошной» слой в верхней части ванны. Формирование сплошного слоя сопровождается качественным снижением интенсивности движения жидкости в поверхностном слое ванны.

В областях центральной части ванны, соответствующих поз. 1 (рис. 15). сплошной слой формируется при С;к.„> 9% (масс.). Это критическое насыщение поверхностного слоя появляется при общем содержании частиц в ванне

~ f-'fr-л'Ч

С<»щ --'5%; конкретное значение 1-,л,ч определяется гидродинамическим режимом ванны.

При небольших содержаниях частиц в ванне значительная их часть сосредоточивается в торнах модели. При иаличии «сплошного» слоя в верхней части ванны струи дутья пробивают ею. слабо перемешивая суспензию. Режим с появлением сплошного слоя угля в верхней части ванны недопустим. Во-первых, слон угля на поверхности ванны подавляет брызгообразование и блокирует передачу гепла из зоны дожит а- ния к шлаковой ванне. Во-вюрых. возможен проскок сквоть ванну части непро- реагнровавшего дутья, ухудшение теплообмена между барботажкыми столбами и шлаковой ванной. Подробное обсуждение условий наступления данного состояния ванны дано н разделе 4.5.

Как и при небольших насыщениях суспензии, в режиме блокировки поверхности сплошным слоем частиц увеличение расхода ,чугья при любой высоте ванны приводило к тому, что содержание частиц в поверхностном слое уменьшалось, а на уровне фурм увеличивалось. 11рнмер такого изменения суспензии дан на рис. 18.

При больших насыщениях суспензии наилучшее замешивание частиц средней фракции досчиталось при уровне жидкости 40 мм (рис. 19,1. Можно ожидать, что при больших количествах частиц в ванне зависимость содержания частиц от высоты ванны над фурмами имеет жегремум.

Из рис. 20 видно, чю с увеличением расхода дутья (при высоте занны 40 мм) режим блокировки поверхности для всех фракций наступает при все больших насыщениях суспензии. LB IIOIO рисунка 1акже следует важный вывод: при наибольшем расходе дутья (48,75 л.'мин) в суспензиях из частиц мелкой или средней фракции независимо от их количества в ванне режим блокировки поверхности сплошным слоем частиц не достигается. Этот же вывод справедлив для условий продувки высокой ванны (КО мм над фурмами) (рис. 16в).

Этот вывод очень важен для технологии, поскольку означает, что возможно безопасное ведение плавки при количестве угля в ванне, в 2-3 раза превышающем его обычный уровень (С^.,^1-3%). Переход к работе с более насыщенными шла- коугольными суспензиями (5-6 и даже 9% (масс.)) может обеспечить существенное повышение производительности печи (соответствующие оценки приведены в главе 6).

35

расход лутья, л/мин

высота ванны, мм -¦-40

Рисунок 18. слияние расхода дутья на содержание частиц в поверхностном слое (а) и на уровне фурм (б) (фракция 0,50-1.25 мм, поз. 1. С,,^ =9 % (масс.) 20 18 16 14 12 10

О 20 40 60 80 100

высота ванны над фурмами, мм

расход дутья на одну фурму, л/мин —¦—26.25 -•- 37.50 48.75

Рисунок 19. Влияние высоты ванны над фурмами на содержание частиц в поверхностном слое (а) и на уровне фурм (б) (Соош. "9 %, фракция 0.50-1.25 мм. noi. 1) при различных расходах дутья - начало блокировки поверхностного слоя - 9%, масс.

Рисунок 20. Влияние фракционного состава частиц (уровень 40 мм над фурмами) на их содержание в поверхностном слое (поз. 1), при расходе дутья: а) 26,25 л'мин; б) 37,5 л/мин; в) 48,75 л/мин

0 2 4 6 8

иошее содержание частиц в ванне (L), % масс.

10

5 с z

'25

0 2 4 6 Ё >10 Б — — 0 2 4 8 10 фракция частиц, мм « -¦-0.00-0.500

-¦-0.50-1.255

00-2,500

Об отличиях в распределении частиц в грех характерных зонах ванны (отмеченных на рис. 15 как иоз. 1, 2 и 4) можно судить но данным, предектленным на рис. 21-22.

Из анализа рис 21-22 (суспензия из частиц средней фракции) следует, что по сравнению с рассмотренными выше харак1ерными областями ванны, отмеченными на рис. 15 как поз. 1. в поз. 2 (на пересечении оси фурм с осыо ванны) при всех расходах дутья насыщенность суспензии ниже (на обоих уровнях отбора). Очевидно, это связано с динамическим действием двух противоположных струй, ограничивающих данную область.

Насыщенноеib поверхностною слоя в поз. 4 (пристенная область между со-седними фурмами), наоборот, выше, чем в центральной части ватты (поз. 1). Визуальные наблюдения показали, чю в пристенных областях между фурмами постепенное формирование сплошного слоя на поверхности ванны при насыщении ванны твердой примесью, сопровождается осветлением жидкости на уровне фурм, уже начиная со значений Сгл-М - 3% (рис.

Увеличение интенсивности продувки не приводит к заметным изменениям структуры суспензии на уровне фурм во всех рассматриваемых зонах, хотя в поверхностном слое насыщенность суспензии уменьшается (рис. 21). При тгом несколько возрастает насыщенность суспензии на уровне фурм в юрцевой зоне модели.

Визуальные наблюдения и анализ проб суспензии показали, что при всех исследованных режимах, в торцевых зонах модели (поз. 3 и 5. рис. 15) всегда существовал сплошной слабо перемешиваемый слой и< часшц. занимавший все пространство от поверхности ванны вплоть до уровня фурм.

При повышении содержания твердых частиц в ванне сплошной слой распространяется из торцевых зон модели на пристенные межфурменные зоны (поз. 4) и далее на поверхность ванны в областях поз. 1. При всех режимах сплошной слой не образовывался в центральной части ванны на осевой линии противоположных фурм (поз. 2) При высоких количествах частиц в ванне (при Cof4„> 4-5%) в торцевых зонах модели (поз. 3 и 5) сплошной слой представляет собой практически не перемешиваемую иаойную зону.

Установили, что увеличение расхода дутья приводило к уменьшению содер-жания частиц в поверхностном слое торцевых зон. Насыщенность суспензии в по-верхностном слое торцевых зон слабо зависит от фракции используемых частиц.

Рисунок 21. Влияние количества частиц (фракция 0,50-1,25 мм) в ванне на их содержание в поверхностном слое (поз. 1), при расходе дутья: а| 37,5 л/мин на 1 фурму; б) 48,75 л/мин на I фурму ^ ч^ а —¦ ¦ — " т. я J " 3 2.5 2 1.5 1

0,5 0

3 2.5 2 1,5 1

0.5 О

у

у

NT

о4 ?

с.

X

О с.

I

я К о.

•о

10

0 2 4 6 8 10

Общее содержание частиц в ванне (С™,,), % масс. ¦ поз. 1 И not 2 —"—пот 4

Рисунок 22. Влияние количества частиц (фракция 0,50-1,25 мм) в ванне на их содержание на уровне фурм, при расходе дучья: а) 37,5 л'мин на 1 фурму; б) 48,75 л/мин на 1 фурму

Таким образом, представленные в разделе данные позволяют сделать следующие выводы: - при малых количествах модельных частиц в ванне (что характерно и для процесса Ромелт), они эффективнее замешнвакмся в объем ванны при увеличении уровня жидкости над фурмами По мере увеличения количества частиц в ванне, наи-лучшее -замешивание достигается при среднем уровне жидкости (40 мм). Можно ожидать, что зависимость эффективности замешивания частиц в объем ванны от высоты жидкости над фурмами имеет экстремум;

средняя (0,5-1.25) мм и мелкая (0-0,5 мм) фракции замешиваются в объем ванны наиболее эффективно; соответственно на печи Ромелт максимальный размер у:ольных частиц в ванне должен быть менее 25 мм;

при высоком содержании частиц в поверхностном слое (более 9% (масс.)) в центральных областях ванны (поз. 1), частицы суспензии образуют сплошной сда- боперемешиваемый слой з верхней части ванны. Критическое насыщение поверхностного слоя появляется при общем содержании частиц в ванне .>5%.

Конкретное значение определяется гидродинамическим режимом ванны:

сплошной слой всем да существует в торцевых зонах модели. Из этих зон при насыщении суспензии этот слой распространяется на пристенные зоны между фурмами, откуда перехолит в центральную часть ванны (поч. 1). При всех режимах сплошной слой не образуется в центральной части ванны на осевой линии противоположных фурм (поз. 2):

с у величением расхода дутья замешивание частиц в объем ванны становится более эффективным, блокировка поверхности сплошным слоем частиц наступает позднее: при использовании частиц мелкой и средней фракций, при максимальных расходе дутья на фурму (48.75 л/мин) и высоте ванны (80 мм) сплошной слой не образуется в центральной част ванны даже при самых высоких (Cf,i,ri = 9% (масс.)) насы:ценностях суспензии;

для достижения более высокой производительности печи, улучшения устойчивости и безопасности процесса на печи Ромелт целесообразно согласованно увеличить высоту ванны, расход дутья на фурму (и, соответственно, на всю печь), а также содержание ут ля в ванне (количественные рекомендации разработаны в главе 6).