Глава 4. Роль шлаковой ванны и свойства шлаков

Шлаковая ванна является реакционной средой, в которой проте­кают основные химические и физические превращения при газифи­кации утая. Она представляет собой оксидный расплав, содержащий частицы твердого топлива, газовые пузыри и капли металла.

В шлаке осуществляется взаимодействие горючих компонентов угля с окислителем, протекают процессы плавления и растворения золы угля и вводимых для корректировки состава шлака добавок, осуществляется восстановление ряда элементов, в том числе оксидов железа, меди, цинка, никеля, частично фосфора, калия, натрия и дру­гих, для восстановления которых достаточен восстановительный по­тенциал в ванне. В ней, в значительной степени, окисляется сера. Об­разуются капли металла, происходит их науглероживание, коагуляция и рафинирование. За счет нагрева брызг и наплесков шлака на стены осуществляется перенос тепла из зоны дожигания в шлаковую ванну. Происходит перенос тепла в ванну из зон тепловыделения (фурмен­ных зон). Из шлакового расплава формируется гарнисаж на охлаждае­мых элементах реактора.

Таким образом, шлаковая ванна выполняет функцию реакционной среды, в которой тепломассообменые процессы должны протекать с максимальной скоростью. Свойства шлакового расплава должны обеспечивать возможность его нагрева до высокой температуры для достижения достаточной скорости реакций, а также способствовать уменьшению теплопотерь через водоохлаждаемые элементы реакто­ра и эффективному разделению металла и шлака.

Должны создаваться благоприятные условия для минимизации выноса пыли. Кроме того, свойства расплава должны быть приемле­мыми для производства из него полезной продукции. Состав шлака должен соответствовать или быть приближенным к составу необходи­мому для производства из него той или иной продукции.

Шлак, образующийся при газификации угля, формируется из ми­неральных компонентов золы угля и добавок за исключением тех их составляющих, которые в процессе газификации полностью или ча­стично восстанавливаются и покидают ванну в виде металлического сплава, либо в виде паров.

Наиболее близкими по составу к этим шлакам являются шлаки, образующиеся при производстве чугуна в доменной печи.

Так как свойства шлака исключительно важны для осуществления процесса, были изучены физические свойства шлаков в твердом и жидком состоянии в широком диапазоне изменений температуры и химического состава

Как правило, в золе угля содержание Si02 существенно превышает содержание СаО. Однако существуют месторождения угля, в золе ко­торых содержится значительное количество оксида кальция Поэтому при изучении свойств шлака его основность (CaO)/(Si02) меняли в достаточно широких пределах

Для исследования зависимости вязкости шлака от его основно­сти при различных температурах были отобраны образцы во время проведения плавок на опытной установке Часть шлаков с высокой основностью была приготовлена путем сплавления реальных шлаков с флюсом Основность шлаков варьировали в интервале 0,55-2,3 Хи­мический состав исследованных шлаков приведен в таблице 4.1 Вязкость шлаков определяли на электровибрационном вискозиме­тре [1] Температуру ликвидус шлаков определяли по первому высо­котемпературному излому на кривой зависимости логарифма вязко­сти от обратной температуры. Для кислых шлаков (CaO/SiO2шлаков процесса путем измерения комплексного электрического сопротивления шлака переменному току.

Зависимости TL и Ts шлаков от основности представлены на рис. 4.2. Термины «ликвидус» и «солидус» носят условных характер и означают окончание и начало расплавления.

Рисунок 4.2. Зависимость температур ликвидус и солидус шпака от его основно­сти. 1 - температура солидус; 2 - температура ликвидус.

3 - область рабочих температур

Как видно из представленных данных, минимальную вязкость и наименьшее значение TL имеют шлаки с основностью 0,4-1,2. За пределами этого интервала наблюдается увеличение вязкости и TL, однако, при снижении основности оно более плавное, чем при ро­сте.

Из производственного опыта в металлургии известно, что слож­но перегреть шлак в пламенной печи выше температуры TL, более чем на 200-250 °С. Это еще более сложно осуществить в реакторе с охлаждаемыми стенами. С другой стороны, для выпуска шлакового расплава без дополнительного его подогрева в сифонном устройстве, необходимо, чтобы вязкость составляла не более 10 Пз. Исходя из

этого, а также из полученной зависимости TL и вязкости от основно­сти, на рис 4 2 выделена область, характеризующая рабочие темпе­ратуры шлаковой ванны в зоне барботируемого шлака. Очевидно, что для обеспечения высокой температуры и, следовательно, производи­тельности процесса, целесообразно поддерживать основность шлака ниже 0,8 или выше 1,2

Низкоосновные шлаки обладают большей технологичностью, так как позволяют вести процесс в более широком температурном интервале Кроме того, такие шлаки пригодны для производства из них широкой гаммы строительных материалов, наиболее массовым из которых является гранулированный шлак Поэтому газификацию угля с преимущественным содержанием Si02 целесообразно вести при низкой основности шлака (CaO/Si02 = 0,6 - 0,8). Это позволяет существенно снизить расход флюса и снизить потери тепла со шла­ком При газификации угля с высоким содержанием СаО основность шлака можно поддерживать на уровне 1,5-1,7 Такие шлаки могут служить сырьем для производства цементного клинкера

Важной характеристикой шлакового расплава является его электри­ческая проводимость (у) Исследование электропроводности шлаков проводили в печи сопротивления в атмосфере аргона с использованием вольфрамовых электродов, покрытых огнеупорной массой [1]

На рис 4.3 приведены полученные зависимости электрической проводимости шлака от его основности и температуры.

Рисунок 4 3 Зависимость эчектрической проводимости шлака от его основности и температуры

Зависимость электрической проводимости шлаков от их основно­сти и температуры может быть использована при разработке методов контроля процессов, протекающих в печи, по величине ЭДС, генери­руемой в шлаковом расплаве [2].

Для расчетов тепловых процессов в гарнисаже, образующемся на стенах печи, необходимы данные по теплофизическим свойствам твердого шлака. Эти данные также необходимы с точки зрения произ­водства и использования изделий из шлака.

Были исследованы теплофизические свойства реальных шлаков процесса в интервале основности 0,55 -1,37 (CaO/Si02). Химический состав шлаков приведен в таблице 4.2.

Коэффициент температуропроводности а определяли импульсным лазерным методом (методом лазерной вспышки). Погрешность изме­рения коэффициента температуропроводности составляла 10 - 12%. Удельную теплоемкость Ср определяли на высокотемпературном ка­лориметре методом смешения. Погрешность определения удельной те­плоемкости составляла не более 5 %. Коэффициент теплопроводности X рассчитывали на основе экспериментально определенных значений коэффициента температуропроводности, теплоемкости и плотности.

Результаты определения теплофизических свойств твердых шла­ков представлены в табл. 4.3.

Видно, что при увеличении основности уменьшаются температу­ропроводность и теплопроводность шлаков. Определенного влияния основности на теплоемкость не выявлено. Из этих данных следует, что при работе на кислых шлаках гарнисаж будет иметь большую толщину. Это может положительно влиять на устойчивость процесса, благодаря большей прочности гарнисажа при колебаниях температуры.

При прочих равных условиях тепловой поток через гарнисаж прямо пропорционален разнице между температурой расплава в печи и темпе­ратурой ликвидус шлака, из которого формируется гарнисаж. С этой точ­ки зрения наибольшие тепловые потери через кессоны будут при работе на наиболее легкоплавких шлаках, т.е.

Опыт эксплуатации установки и проведенные исследования физи­ческих свойств оксидных расплавов позволили сформулировать тре­бования к шлаковому режиму процесса.

Вязкость шлакового расплава должна составлять 1-10 Пз. При бо­лее низкой вязкости шлака режим пробоя ванны реализуется уже при относительно низкой интенсивности продувки. В этом режиме резко ухудшается перемешивание ванны, подавляются процессы брызго- и волнообразования, ухудшается теплопередача к ванне от зоны дожига­ния, снижается степень использования кислорода для газификации.

При вязкости шлака более 10 Пз при рабочих температурах процесса появляются трудности с его выпуском из реактора, может происходить механический унос угольных частиц с выпускаемым шлаком.

Целесообразно поддерживать основность шлака вне интервала 0,8-1,2, работая на менее легкоплавких шлаках с вязкостью 1-10 Пз.