Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор известных способов и устройств уборки и переработки доменных шлаков 20
1.1 Анализ технологий централизованной грануляции 22
1.2 Существующие технологии припечной грануляции 28
1.2.1 Системы диспергации расплавов 34
1.2.2 Теоретические основы диспергации 37
1.2.3 Охлаждение частиц расплавов 40
1.2.4 Теоретические основы эрлифта 41
1.3 Технология припечной грануляции «ВНИИМТ - Гипромез» . 45
1.4 Цель и задачи работы 47
2 Диспергирование шлакового расплава 50
2.1 Взрывобезопасный способ и устройство получения качественных гранул в технологии мокрой грануляции 50
2.2 Струйная диспергация шлакового расплава 53
2.3 Механическая диспергация шлакового расплава 59
2.4 Выводы 64
3 Теплофизические и газодинамическая задачи процесса грануляции 67
3.1 Охлаждение частиц расплава в паровоздушной и жидкой средах 68
3.2 Траектория полёта частиц в паровоздушной среде 81
3.3 Теплоотдача между водяными струями и пластиной при её нагревании струёй расплава металла 84
3.3.1 Одиночная струя 87
3.3.2 Группа струй 90
3.4 Выводы 91
4 Теория и практика применения эрлифта в системах припечной грануляции шлаков 93
4.1 Двухфазный изотермический и неизотермический эрлифт 93
4.2 Трёхфазный неизотермический эрлифт 100
4.3 Методика инженерного расчёта трёхфазного неизотермического эрлифта 103
4.4 Выводы 107
5 Новые энергоэффективные и экологичные процессы грануляции 108
5.1 Технология сухой грануляции шлакового расплава 108
5.2 Полусухая грануляция с использованием части физического тепла шлака для уменьшения его влажности 113
5.3 Технология приготовления нейтрализующей суспензии из порошкообразного известняка 117
5.4 Выводы 125
6 Внедрение разработанных грануляционных систем 128
6.1 Новизна технических и технологических решений 128
6.2 Технологические схемы внедрённых грануляционных систем . 129
6.3 Технико-экономические показатели работы промышленных припечных грануляционных систем 138
6.4 Выводы 140
Заключение 141
Список использованных литературных источников
- Существующие технологии припечной грануляции
- Струйная диспергация шлакового расплава
- Теплоотдача между водяными струями и пластиной при её нагревании струёй расплава металла
- Методика инженерного расчёта трёхфазного неизотермического эрлифта
Введение к работе
Ключевые слова: грануляционная система, технология грануляции, мокрая грануляция, полусухая грануляция, сухая грануляция, взрывобезопас-ность, экологичность, энергоэффективность, диспергация, охлаждение, эр-лифтное транспортирование, обезвоживание, сушка, гранулированный шлак, физическое тепло, влажность, размер частиц, теория, эксперимент, практика, внедрение.
Основные определения
Грануляция - процесс получения твердых гранул из расплава путем первоначального дробления (диспергирования) расплава шлака на отдельные жидкие или частично жидкие капли и последующего их охлаждения, при котором осуществляется превращение жидких или частично жидких капель в твердые частицы - гранулы. Устройство, в котором осуществляются эти процессы, называется гранулятором. В технике различают три вида грануляции: мокрую, полусухую и сухую.
Мокрая грануляция - это процесс получения твердых гранул при избыточном количестве влаги. Типично мокрым процессом является бассейновый способ, когда шлак из ковша сливается в большую емкость с водой. Другими видами мокрой грануляции являются желобной и гидрожелобной. В первом из них процесс дробления и охлаждения происходит при совместном движении шлака и воды по длинному желобу. При гидрожелобном способе дробление шлака осуществляется острыми струями воды в желобе, из которого смесь поступает в емкость с водой. Получаемый этим способом граншлак, как правило, имеет избыточную влажность. Полусухая грануляция - это такой процесс получения гранул, когда их состояние по влажности можно считать условно сухим. Практика работы с гранулированным доменным шлаком показывает, что состояние «условно сухой» соответствует влажности 6 %; при этой влажности шлак еще не смерзается, в то же время остается ограниченно подвижным, что исключает утечку его через неплотности вагонов при транспортировке.
Сухая грануляция - технология, при которой процессы кристаллизации и охлаждения шлака осуществляются без использования жидкости (влаги).
Грануляционной системой будем называть цепь располагаемых друг за другом аппаратов, в которых последовательно реализуются процессы диспергирования, охлаждения, транспортировки, обезвоживания, сушки и складирования гранулированного шлака, а также производится нейтрализация вредных выбросов парообразных и газообразных продуктов грануляции.
Актуальность
В России ежегодно производится около 50 млн. т металлургических шлаков. Сегодня металлургические шлаки относятся к важным вторичным сырьевым ресурсам. Жидкие шлаки обладают огромным теплоэнергетическим потенциалом, который, к сожалению, мало используется по ряду объективных причин, в том числе и по причине сложности реализации разработанных способов на практике. Переработка жидких шлаков осуществляется практически в полном объёме. Основная часть шлаков перерабатывается в гранулированный шлак и используется в строительной индустрии.
Припечная грануляция доменного шлака - наиболее прогрессивная технология шлакопереработки, т.к. позволяет отказаться от применения шлако-возных ковшей и энергоэффективным и экологичным образом превратить весь доменный шлак в качественный продукт для промышленности строительных материалов.
В середине 60-х годов прошлого столетия во ВНИИМТ была разработана и внедрена первая в СССР грануляционная система, перерабатывающая доменный шлак непосредственно у доменной печи небольшого объема (395 м ). В этой конструкции был удачно решен ряд вопросов, сдерживавших промышленное применение технологии припечной грануляции, а именно: локализация вредных паро- и газообразных выбросов, эрлифтный способ транспортировки гранулированного продукта, использование части физического тепла шлака для уменьшения его влажности. Однако для уверенного переноса этой технологии на вновь проектируемые доменные печи большого объема (2000 ... 5000 м ) необходимо было создать теоретическую базу процесса грануляции, позволяющую принимать научно обоснованные технические решения при конструировании грануляционных систем припечной переработки больших масс шлака.
Цель работы
Исследование и разработка научно обоснованных ресурсосберегающих, взрывобезопасных и экологичных технологий и технических решений мокрых, полусухих и сухих способов припечной грануляции для печей со значительным выходом шлака в черной и цветной металлургии.
Научная новизна
1 Исследованы теоретическими и экспериментальными методами явления диспергации шлакового расплава, охлаждения частиц шлака воздухом и водой, удаления граншлака эрлифтом и обезвреживания парогазовых выбро 13
сов. Полученные результаты обеспечили развитие теории процессов формирования гранулированного шлака для мокрых, полусухих и сухих способов его получения.
2 Установлены закономерности, определяющие среднемассовый размер гранул шлака при использовании для дробления шлаковых струй энергии воды и воздуха, механической энергии. Полученные зависимости учитывают параметры распыливающих сред: для мокрых и полусухих способов - расходы и скорости воды и воздуха, углы атаки потоков, теплофизические параметры - температуры, плотность, вязкость и поверхностное натяжение шлаков; для сухих способов - наряду с теплофизическими характеристиками шлакового расплава, число оборотов механического (барабанного) дисперга тора и скорость удара WyR, м/с. Обобщенные данные, представленные в виде формул, обеспечивают возможность расчета элементов устройств, обеспечивающих эффективную работу диспергаторов.
3 Математически описаны процессы охлаждения высокотемпературной частицы сферической формы в условиях сложного теплообмена при учете явлений теплопроводности (внутренняя задача), конвективного и лучистого теплообмена (внешняя задача) между частицей и охлаждающей паровоздушной средой, а также при охлаждении частицы в водном бассейне. Математические модели этих процессов использованы для расчета времени затвердевания частицы после распыления струи шлакового расплава. Модели также явились теоретической базой для экспериментального определения коэффициентов теплоотдачи - необходимых параметров для анализа температурных полей при формировании из частицы расплава шлака твердой гранулы.
4 Предложена методика расчета траектории полета частицы шлакового расплава, основанная на решении задачи движения частицы в газовой среде с учетом размера частицы, сопротивления среды, начальной скорости частицы и угла наклона вектора этой скорости к горизонту. Методика позволяет опре 14
делять время полета частицы, соответствующее необходимому времени охлаждения частицы в полете, и, тем самым, выбирать условия организации движения диспергированной струи шлакового расплава, которые гарантируют, с одной стороны, образование твердой корочки на охлаждаемой частице и, с другой - возможность определения размеров надводной части грануляционной системы.
5 Определены в критериальной форме зависимости между интенсивностью теплообмена при высоких плотностях тепловых потоков (более 10,0 МВт/м ), достигаемых в результате струйного охлаждения водой металлической пластины, нагреваемой расплавом металла, и другими теплофизи-ческими характеристиками: теплопроводностью, вязкостью и температуропроводностью охлаждающей среды, скоростью среды на срезе сопла, диаметра сопла и расстояния от среза сопла до охлаждаемой поверхности.
6 Изучены особенности теплофизических процессов между твердыми частицами (гранулами), охлаждающей водой и образующимся водяным паром в условиях, отражающих механическую и тепловую работу эрлифта. Установленные зависимости дополнили теорию эрлифта, распространив ее на трехфазные эрлифтные системы (твердые частицы, жидкость и газообразная среда), для которых свойственны неизотермические процессы.
7 Систематизированы укрупненные показатели работы и основные режимные параметры известных систем припечной грануляции шлака, сравнение которых позволяет в зависимости от конкретных условий выбирать ту или иную технологию получения гранулированного шлака.
Таким образом, основным научным итогом диссертационной работы является создание методологических основ для решения актуальной научно-технической проблемы, связанной с разработкой и внедрением методов комплексного исследования теплофизических процессов в системах грануляции высокотемпературных жидких шлаков, обеспечивающих оптимизацию элементов их конструкций и режимов работы, улучшение экологической обстановки и качества гранулированного шлака.
Практическая ценность
1 Разработаны инженерные методики расчета процессов диспергации расплава, пневмогидравлической транспортировки и обезвоживания получаемого граншлака.
2 Определены и обоснованы рациональные параметры установок мокрой, полусухой и сухой припечной грануляции металлургических шлаков, конструкций и режимов работы их отдельных элементов, обеспечивающих принятие научно обоснованных решений при создании технологий получения качественной продукции.
3 Разработаны принципы конструирования новых установок припечной грануляции шлаков в широком диапазоне расходов шлака, их свойств, а также особенностей компоновки печных агрегатов в технологиях производства черных и цветных металлов.
4 Предложены рекомендации по обеспечению взрывобезопасности грануляционных систем, основанные на устранении причин взрывов при грануляции шлакометаллических расплавов мокрыми и полусухими способами.
5 Разработаны новые способы управления в технологиях мокрой и полусухой грануляции, позволяющие целенаправленно влиять на качество гранулированного шлака и его влажность.
6 Предложен новый способ приготовления известняковой суспензии для нейтрализации парогазовых выбросов.
Таким образом, основным итогом диссертационной работы в практическом плане является создание научной базы для проектирования, сооружения и эксплуатации энергоэффективных, взрывобезопасных и экологичных систем припечной грануляции металлургических шлаков черной и цветной металлургии.
Реализация результатов работы
Результаты выполненных расчетно-теоретических, экспериментально-лабораторных и промышленных исследований позволили внедрить в практику проектирования и производства новые конструкции, режимы работы, приемы управления процессами в установках мокрого, полусухого и сухого способов припечных грануляционных систем ВНИИМТ.
Различные модификации грануляционных систем конструкции ВНИИМТ, реализующих мокрый способ припечной переработки доменных шлаков, внедрены на трех крупнейших печах бывшего СССР и печи Индии:
- завод «Криворожсталь», доменная печь № 9 объемом 5000 м3,1975 г.;
- Новолипецкий металлургический комбинат, доменная печь № 6 объемом 3200 м3, 1978 г.;
- Череповецкий металлургический комбинат, доменная печь № 5 объемом 5580 м3,1986 г.;
- металлургический завод в г. Бхилаи, доменная печь объемом 2000 м , 1988 г.
Опыт заводов черной металлургии перенесен на предприятия цветной металлургий, для которых проблема переработки отвальных шлаков имеет первостепенное значение. Припечная грануляция таких шлаков реализована в плавильном цехе № 1 Надеждинского металлургического завода ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» установкой двух линий: первая линия -в 1998 г., вторая - в 2005 г. Результаты работы используются в учебном процессе ГОУ ВПО «УГТУ - УПИ» в курсах «Новые технологии в металлургии» и «Элементы безотходных технологий».
Суммарный годовой экономический эффект по пяти объектам внедрения в ценах 2004 года составил 5,2 млн. долларов США.
Личный вклад автора
Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований, их планировании и организации; в проведении экспериментов, подтверждающих разрабатываемые гипотезы и определяющих дальнейшее направление исследований; разработке теоретических положений и обобщении экспериментальных данных; подготовке технологических заданий и участии в разработке технических решений при проектировании промышленных припечных грануляционных систем; участии в пуско-наладочных работах при внедрении припечных грануляционных систем.
Результаты, выносимые на защиту
На защиту выносятся следующие основные положения диссертационной работы:
- комплексное описание взаимосвязанных процессов тепловой обработки высокотемпературной струи жидкого шлака, включающее диспергацию, охлаждение частиц шлака в воздухе и воде, удаление шлака эрлифтом, обезвоживание шлака и обезвреживание парогазовых выбросов;
- методика и результаты экспериментального изучения дробления шлакового расплава водогазоструйными и механическими диспергаторами, позволившие установить новые способы воздействия на качество и влажность гранулированного продукта;
- теоретические положения и методика расчета трехфазного эрлифта, учитывающие наличие твердой фазы в перемещаемой среде и неизотермич-ность процесса;
- математическая модель процессов охлаждения отдельных частиц шлака в жидкой и парогазовой средах и результаты экспериментальных исследований этого процесса в неподвижной и движущейся жидкой среде, обработанные в соответствии с требованиями теории подобия;
- результаты анализа причин и механизмов взрывов при мокрой грануляции шлакометаллических расплавов, а также рекомендации, обеспечивающие взрывобезопасную работу грануляционных систем;
- энергоэффективные и экологичные модификации припечных систем, реализующих взрывобезопасный мокрый способ грануляции металлосодер-жащих шлаков доменных печей большого объема, дополненный нейтрализацией парогазовых выбросов суспензией из тонкоизмельченного известняка;
- новые технологические схемы грануляционных систем для процессов полусухой и сухой переработки жидких шлаков, способные обеспечить более эффективное использование материальных и энергетических ресурсов при сниженном техногенном давлении на окружающую среду.
Достоверность результатов
Достоверность результатов подтверждается точностью и тарировкой всех средств измерений, использованием современных компьютеров и программных средств для обработки данных и проведения численных расчетов, удовлетворительным согласованием расчетных и экспериментальных данных, сопоставлением некоторых результатов с данными других исследований, соответствием полученных результатов современным физическим представлениям, а также широким использованием результатов во внедрённых промышленных объектах.
Апробация работы
Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 22 статьях, в 47 авторских свидетельствах СССР на изобретения, трёх патентах Российской Федерации, трёх зарубежных патентах; доложены и обсуждены на одной региональной конференции (VIII научно-техническая конференция ученых и специалистов Урала «Проблемы теплотехники металлургических процессов и агрегатов», Свердловск, 1982 г.) и трёх международных конференциях: международный симпозиум ЮНЕП «Окружающая среда и зо-лошлаковые отходы», Донецк, 1983 г.; 8 международная конференция доменщиков «ВИТКОВИЦЕ 1989», г. Острава, Чехословакия, 1989 г.; международная конференция «Теплотехника и энергетика в металлургии», Украина, Днепропетровск, 2002 г.
Материалы диссертации опубликованы в журнале «Сталь» и в тематических сборниках научных трудов, выпущенных издательством «Металлургия».
Существующие технологии припечной грануляции
В известных припечных грануляционных системах используются в основном те же способы мокрой грануляции, что и в центральных, а именно: а) жидкий шлак от доменной печи по желобу поступает непосредственно в бассейн с водой; б) жидкий шлак гранулируется водой в желобе, а пульпа сливается в бассейн; в) грануляция осуществляется в желобе, а пульпа сливается непосредст венно в железнодорожный вагон.
Преимущества этих припечных технологических схем в исключении из процесса перевозки жидкого шлака в шлаковозных ковшах; недостатки - высокая влажность граншлака и нерешенные вопросы с взрывобезопасностью и экологией.
В 1994 году в НПО «Тулачермет» у доменной печи № 3 /17, 18/ была введена в эксплуатацию малогабаритная установка придоменной грануляции шлака, построенная по проекту ОАО «Гипромез», схема которой представлена на рисунке 1.3. Достоинствами этой установки являются возможность размещения на небольшой площадке и использование части тепла шлака на его подсушку благодаря быстрому извлечению его из воды полками барабана, где происходит охлаждение частиц шлака. К недостаткам можно отнести некоторые ограничения по производительности или интенсивности приёма шлака, которая ограничивается 3 ... 5 т/мин, в то время как, интенсивность выпуска шлака от доменных печей большого объёма достигает 10 ... 15 т/мин и взрывоопасность при попадании больших масс чугуна в шлак и применении в установке в качестве диспергатора шлака обычного гидромонитора.
Припечная грануляция шлака с локализацией парогазовых выбросов была впервые осуществлена в СССР в середине шестидесятых годов прошлого столетия на грануляционных системах доменных печей № 7 и 8 завода «Криворожсталь» /19/ и доменной печи небольшого объёма (395 м3) Салдин-ского метзавода /20/. Грануляционные системы завода «Криворожсталь» были сооружены по проектам института «Гипростром» (г. Киев), а на Салдин-ском метзаводе - по конструкторской документации, разработанной во ВНИИМТ.
Технологическая схема грануляционной системы, внедрённой на Сал-динском метзаводе, показана на рисунке 1.4. Жидкий шлак по желобу 1 поступает в гранулятор, содержащий две камеры грануляционной воды 2 и 3 с сопловыми блоками. Под действием двух групп струй шлак гранулируется в желобе и по паропульпопроводу 4 поступает в напорный бункер 5 эрлифта 6. Верхняя часть бункера 5 соединяется с вытяжной трубой 7, через которую парогазовые продукты грануляции выбрасываются в атмосферу. Поднятая эрлифтом пульпа поступает в бункер-отстойник 8 для обезвоживания гравитационным методом. Вода из бункера-отстойника поступает в бак 9 дополнительного осветления, а затем на всас насоса 10. Обезвоженный граншлак передаётся в бункер-силос 11, а затем загружается в железнодорожный вагон 12. Для снабжения эрлифта воздухом имеется воздуходувка 13. Особенностью грануляционной системы Салдинского метзавода является то, что здесь впервые в мировой практике для эвакуации граншлака из бассейна применена пневмогидравлическая система - эрлифт. В ходе пуско-наладочных работ этой системы были затруднения в осуществлении выгрузки граншлака из бункера-отстойника 8.
Жидкий шлак из печи поступает в закрытый гранулятор желобного типа. Гранулированный шлак в смеси с водой попадает по желобу в бункер и с помощью пульпонасоса перекачивается в камеры осаждения и обезвоживания, а образующийся при этом пар через трубу отводится в атмосферу. Грануляции подвергается верхний и нижний шлак; в последнем содержится около 4 % чугуна, который из готовой продукции частично извлекается методом магнитной сепарации.
Основной недостаток грануляционных систем доменных печей № 7 и 8 завода «Криворожсталь» заключается в периодических взрывах большой разрушительной силы.
Одним из самых простых способов грануляции шлаков является слив расплава шлака в грануляционный бак без предварительной диспергации /21, 22/. При этом способе раздробленная струя расплава, попадая в воду, подвергается термическому распаду и охлаждению в процессе погружения в воду. Для полного затвердевания крупных кусков или струи необходима достаточно большая глубина. При недостаточной глубине для полного затвердевания расплава происходят взрывы. В реальных условиях колебания интенсивности выпуска шлака от 5 до 15 т/мин, обеспечить гарантийную глубину погружения не представляется возможным. Кроме того, при высокой температуре жидкого шлака, особенно доменного, образуется легковесный шлак с высокой влагоудерживающей способностью.
Грануляция жидкого шлака путём предварительного диспергирования струями воды с охлаждением частиц в бассейне значительно уменьшает вероятность взрывов и образования легковесного шлака. Несмотря на безусловные достоинства способа диспергирования жидкого шлака острыми струями воды, он обладает также рядом существенных недостатков: - большой удельный расход воды; - необходимость установки дорогостоящих абразивостойких насосов для перекачки оборотной воды с соответствующей арматурой и трубопроводами; - высокая влажность граншлака, связанная с некоторым его переизмельчением; - знач ительные выделения сернистых соединений в пар за счёт интенсивного массообмена.
Для обоснованного выбора конструкции диспергатора с целью получения граншлака с заданными параметрами и свойствами необходимо провести исследования диспергации жидкого шлака и получить расчётные зависимости.
Стремление разработчиков к избавлению от перекачки воды в больших объёмах, получению более сухого граншлака привело к использованию в качестве энергоносителя газовой среды или воздуха. Грануляция воздухом позволяет устранить оборотную систему водоснабжения, однако обеспечить полное охлаждение частиц жидкого шлака в воздушной (или паровоздушной) среде невозможно, поэтому частицы шлака после диспергации, как правило, доохлаждаются водой в бассейне.
Для обеспечения компактности грануляционной системы и обоснованного выбора технологических параметров воздушных диспергаторов необходимо создать инженерные методы расчёта: - траектории полёта частиц в сопротивляющейся среде; - времени охлаждения частиц в паровоздушной среде; - времени охлаждения частиц в воде.
Струйная диспергация шлакового расплава
Для реализации процесса полусухой грануляции во ВНИИМТ была разработана технология /73/, включающая диспергацию расплава шлака либо механическим устройством, либо газожидкостным монитором, последующее быстрое охлаждение раздробленных частиц в воде и, наконец, выгрузку полученного граншлака коробчатым конвейером с подсушкой гранул за счет их собственного (физического) тепла.
Поскольку в технической литературе отсутствуют какие-либо рекомендации по конструированию механических и газожидкостных диспергаторов высокотемпературных металлургических расплавов, то возникла необходимость в проведении специального исследования.
С этой целью на опытном заводе ВНИИМТ был сооружен полупромышленный стенд, состоящий из следующих основных узлов: электропечи для получения расплава требуемого состава, ковша с кантовальным устройством, опытной модели диспергатора, наклонного коробчатого конвейера, частично погруженного в воду и бункера готового продукта. При изучении процессов струйной диспергации использовались энергоносители: вода, водовоздушная смесь и воздух. Диспергации подвергался разогретый до температуры 1560 ... 1600 С шлак доменных печей НТМК. Результаты исследования опубликованы в работе /74/.
Опытные диспергаторы (см. рисунок 2.2) содержали два монитора с направлением диспергирующих струй вниз под углом 30 к вертикальной оси струи расплава. Коллекторы водяного диспергатора были выполнены из труб диаметром 150 мм, располагаемых на расстоянии 500 мм друг от друга. На каждом коллекторе имелось 11 сопел диаметром 10 с шагом 40 мм. Расстояние от носка желоба до точки пересечения водяных струй 560 мм. Водовоз-душные коллекторы имели конструкцию типа труба в трубе, и так как воздушная труба находится внутри водяной, то воздушные струи обеспечивают разгон воды. Число воздушных сопел на каждом коллекторе 7 штук; они расположены в ряд с шагом 30 мм. Диаметр воздушного сопла 8 мм, водяное сопло выполнено щелевым с размером 20 х 200 мм. В режиме газовой диспергации работали только воздушные сопла. Показатели опытного процесса струйного диспергирования шлака и последующего охлаждения частиц в коробчатом конвейере приводятся в таблице 2.1.
В результате опытов установлено, что исследованные конструкции дис-пергаторов в сравнении с гидрожелобным гранулятором имеют следующие преимущества: а) достигается компактность гранустановки из-за сокращения объема разброса частиц; б) уменьшается образование некондиционного продукта в виде легкове са и шлаковаты; в) благодаря быстрому погружению частиц в воду процесс парообразо вания происходит уже под слоем воды, т.е. имеет место промывка пузырьков газа при их движении в охлаждающей воде, вследствие чего снижается вы брос сероводорода в атмосферу.
На рисунке 2.3 приводятся опытные данные по процессу струйного диспергирования, обработанные в безразмерных координатах D/d = f(K), где К - параметр, учитывающий сумму количеств движения диспергирующих струй, угол атаки струй а, длину соплового блока Lc и коэффициент поверхностного натяжения шлака ош G -W +G -W К= ж УУж + yyrsina (2.1) А: "ш 3.D- диаметр потока расплава, определяемый по формуле )= J шо5 . (2.2) где Нш - высота падения расплава шлака от носка желоба до места дисперга-ции. Опытные данные, приводимые на рисунке 2.3, с погрешностью ±10% апроскимируются уравнением прямой
Зависимость безразмерного комплекса D/d от безразмерного параметра К (около точек указаны номера опытов из таблицы 2.1) Для проверки применимости зависимости (2.3) проведем расчет процесса дробления шлака для условий придоменной грануляции у печи № 5 объемом 5500 м3 Череповецкого меткомбината: расчет по (2.3) дает среднемассо-вый размер 0,63 мм, а промышленная установка - 0,65 мм /75/, т.е. расхождение величин составляет 3 %.
Таким образом, эмпирическая зависимость (2.3) вполне адекватно отражает работу промышленной установки, имеющей отличную от опытной технологию грануляции, и, следовательно, может быть рекомендована к применению при выборе конструктивных и режимных параметров диспергаторов, использующих газожидкостные энергоносители. Исследованная конструкция струйного диспергатора защищена а. с. на изобретение /76/.
Механическая диспергация шлакового расплава
При участии автора разработано несколько модификаций малогабаритных установок грануляции шлака у действующих доменных печей с применением механического диспергирования расплава /77 ... 79/. Отличительной особенностью установок является то, что в них реализуется технология охлаждения частиц до затвердевания при полете в паровоздушной среде приемного бункера, вследствие чего исключается процесс вторичного дробления частиц, имеющий место при мокрой грануляции. Для разработки конструкции предлагаемых вариантов грануляционных систем требуется создание теоретических основ расчета составляющих процесса грануляции с целью обоснованного выбора параметров механического диспергатора и размеров приемного бункера.
Теплоотдача между водяными струями и пластиной при её нагревании струёй расплава металла
Уже отмечалось ранее, что одним из перспективных способов интенсификации теплоотвода от элементов грануляционных систем, контактирующих с высокотемпературным расплавом, является применение водяных струй. Однако известные исследования этого вида теплообмена охватывают диапазон сравнительно невысоких тепловых нагрузок.
Целью исследования было изучение закономерностей теплообмена между водяными струями и пластиной, омываемой струёй расплава металла, при плотностях теплового потока до 15 МВт/м /99, 100/.
Изучение теплообмена между одиночной струёй и пластиной, нагреваемой струёй расплава, производилось на стенде, изображенном на рисунке 3.8. Опыты проведены с целью получения обобщающих зависимостей для процесса теплообмена, обеспечивающего надёжное охлаждение рабочих элементов механического диспергатора.
Исследуемыми элементами являлись медные диски диаметром 44 мм с толщиной 15 и 20 мм. По радиусам дисков вблизи нагреваемой и охлаждаемой поверхностей устанавливались три термопары; показания термопар фиксировались светолучевым осциллографом на фотобумаге; диски обогревались кислородно-пропановой горелкой (0,8 ... 3,6 МВт/м2) и расплавом жид-кого чугуна (4,3 ... 15 МВт/м ). Скорость истечения воды из сопла изменялась в пределах от 1,5 до 21,0 м/с; расстояние от среза сопла до диска от 10 до 250 мм; температура охлаждающей воды от 9 до 75 С. В опытах использовались сопла диаметром 2,9; 5,6; 9,0 и 12 мм. Исследовался теплообмен между диском и свободной или затопленной струей.
Интенсивность теплообмена при струйном охлаждении зависит от скорости истечения воды из сопла, температуры воды, площади сечения струи и расстояния от среза сопла до поверхности охлаждаемого элемента, т.е. имеет функциональную зависимость Nu=f(Re,Pr,h/d,A), (3.17) где d - диаметр сопла; h - расстояние от среза сопла до охлаждаемой поверхности; A = d ID - параметр, характеризующий отношение площадей сопла и охлаждаемого элемента (здесь D - диаметр охлаждаемого элемента); Рг - критерий Прандтля, параметр, характеризующий теплофизические свойства охлаждающей воды (Pr = v/a). В числах Nu и Re определяющим размером следует считать диаметр сопла.
Коэффициент теплоотдачи, входящий в число Nu, рассчитывался по средней плотности теплового потока, проходящего через исследуемый образец. Расчет чисел Nu и Re производился по известным формулам a-d Nu = , 4Р УСР где w - скорость истечения воды из сопла; УСР К? коэффициент кинематической вязкости и коэффициент теплопроводности воды при температуре на входе в установку.
В результате обработки опытных данных при использовании свободной струи получено уравнение Nu = 2,0% Re012-Pr 3-А0 6. (3.18)
Уравнение (3.18) аппроксимирует опытные данные с погрешностью до ±15 % при изменении определяющих параметров в пределах: Re = (7 ... 135) 103; Рг = 2,4 ... 11,0; А = 0,004 ... 0,042; q = 0,5 ... 12 МВт/м2. Максимальное значение среднего по поверхности коэффициента теплоотдачи достигало значения 140 кВтАУ -С); влияния h/d на процесс теплообмена при свободной струе в исследованных пределах от 1 до 25 не выявлено.
В опытах с затопленной струей было установлено две области, в которых по-разному влияют на среднюю теплоотдачу число Re и относительное расстояние h/d. В первой области, где h/d изменяется в пределах от 1 до 12 уравнение теплообмена имеет вид m = 3,39Re 62-Pr -A0 36 -exp(-0,054h/d), (3.19) а во второй области, где hid изменяется от 12 до 25, закономерность теплообмена описывается уравнением № = 5,7Re05-Рг0 33- А0 36 -ехр{-0,034h/d). (3.20)
Из (3.20) видно, что во второй области ослабевает влияние на теплоотдачу числа Re и величины h/d, т.е. происходит ослабление струйного эффекта. Это обстоятельство необходимо учитывать при конструировании систем охлаждения, в которых применяются затопленные струи воды; для получения наибольших значений коэффициента теплоотдачи срезы сопел следует располагать как можно ближе к теплообменной поверхности.
Методика инженерного расчёта трёхфазного неизотермического эрлифта
Приготовление серопоглощающей суспензии для нейтрализации вредных парогазовых продуктов грануляции осуществляется перемешивающими устройствами (в основном это механические мешалки различных типов), имеющими низкий эксплуатационный ресурс и проблемы с экологией.
При известняковой очистке газов от сернистого ангидрида, как верно подчёркивается в работах /115, 116/, важное значение для качества очистки (газов) имеет скорость перемешивания суспензии, которое обычно осуществляют механической мешалкой с интенсивностью 0,4 - 0,8 с"1 или барботированием с расходом до 0,7 м /мин на 1 м поверхности жидкости.
Во ВНИИМТ разработана новая технология приготовления нейтрализующей суспензии с использованием тонкоизмельченного порошкообразного реагента, не имеющая вышеотмеченных недостатков /117/. Новая технология использует принцип заглубленной инжекции тонкоизмельченного порошка в промывочную жидкость с помощью сжатого воздуха; при этом воздух одновременно выполняет и функцию перемешивателя. Однако, поставленная цель - наиболее полный захват твердых частиц жидкостью, достигается только тогда, когда пылегазовая струя вводится в жидкость в окружении дополнительного жидкостного потока, обладающего достаточно большим количеством движения. При соударении разноимпульсньк струй достигается тонкое диспергирование пузырьков газа и значительное рассеивание их по объему жидкости, в результате чего имеет место наиболее полный захват частиц известняка жидкостью.
Схема экспериментальной установки приводится на рисунке 5.4.
Установка состоит из следующих основных узлов: емкости 1 объемом 100 литров, выполненной из оргстекла; форсунки 2, обеспечивающей ввод в рабочую емкость разноимпульсных струй (газопорошковой и водяной); дозатора 3 порошкообразного известняка (объем дозатора 2 литра); запорно-регулирующей арматуры 4, 6 и контрольно-измерительной аппаратуры 5, 7.
Расходы воздуха в дозатор порошка и пневмолинию измерялись ротаметрами типа РМ. Расход воды в форсунку контролировался по показаниям манометра типа МО, установленного непосредственно перед форсункой (зависимость расхода воды от давления определялась для каждой форсунки по результатам тарировки).
Известно, что эффективность серопоглощения зависит от тонины помола твёрдого серопоглощающего компонента, поэтому в опытах использовался пылевидный известняк со среднемассовым размером частиц 30 мкм, причем, максимальный размер не превосходил 90 мкм, плотность частиц составляла 2700 кг/м3.
Продувка опытных форсунок производилась как при включенном, так и при выключенном дозаторе 3 известняка. Визуально наблюдаемая картина распространения в воде двухфазной (водо-воздушной) или трехфазной (водо-порошково-воздушной) струй фиксировалась на фотопленку.
В результате анализа опытных данных было установлено, что динамика газо-водяной струи, истекающей в покоящуюся воду зависит от модифицированного числа Архимеда, рассчитываемого по формуле /118... 120/ АГм= U Реи t {52) ё-Лф-Рж где Uсм, рсм - соответственно среднемассовая скорость (м/с) и плотность (кг/м ) потока водо-воздушной смеси, истекающей из форсунки; рж - плотность (кг/м ) жидкости, в которую происходит истечение.
На рисунке 5.5 приводятся конструкции двух исследованных форсунок; видно, что форсунки отличаются только водяным сопловым блоком: форсунка № 1 имеет три цилиндрических сопла диаметром 1,6 мм, расположенных по окружности с равным шагом и наклоненных к оси форсунки под углом 9; форсунка № 2 - одно кольцевое сопло с шириной щели 0,8 мм. Вследствие того, что площади водяных сопел не одинаковы, при равных расходах воды скорость ее истечения из сравниваемых форсунок также была существенно различной. Тем не менее оказалось, что обе форсунки дают примерно одинаковую гидродинамическую картину при близких значениях Агм, что, по-видимому, свидетельствует о правильности выбора этого параметра для характеристики течения.
Фотографии вдуваемых в рабочую емкость водо-воздушных струй при фиксированном расходе воздуха и различных расходах воды на форсунку показаны на рисунке 5.6. Если подача воды в форсунку не производится (рисунок 5.6 А), то воздух барботирует через слой жидкости вблизи стенки ёмкости в виде отдельных больших пузырей. Ввод через форсунку струи воды приводит к качественному изменению картины движения газа в жидкости (см. рисунок 5.6 Б ... 5.6 Г): появляется начальный участок совместного течения воздушной смеси; резко уменьшаются размеры пузырьков воздуха, которые начинают рассредоточиваться по всей площади поперечного сечения рабочей емкости.
