ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОБЖИГА В ПЕЧАХ КИПЯЩЕГО СЛОЯ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ СУЛЬФИДНЫХ ЦИНКОВЫХ КОНЦЕНТРАТОВ. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук Научный руководитель доктор технических наук, профессор
 Скачать 6.68 Mb.
|
Технологические приемы обжига цинковых концентратовИсходя из физико-химических свойств сульфидных цинковых концентратов и основных химических реакций, проходящих при обжиге концентратов, сложилась следующая технологическая схема обжига на цинковых заводах. Поступающие на завод цинковые концентраты выгружаются в складе концентратов, в отделении подготовки шихты подсушиваются, дозируются в определенной пропорции в шихту. Для измельчения образовавшихся при транспортировке, выгрузке и хранении концентратов комков шихта пропускается через измельчители (дисковые дробилки), которые ограничивают верхний предел размера частиц шихты. Шихта подается в бункера печи кипящего слоя и системой питателей загружается в обжиговую печь. Способ загрузки шихты в печь определяет во многом технологические показатели процесса обжига, влияет на химический состав продуктов обжига. Существует несколько способов подачи шихты в печь кипящего слоя. Наиболее распространенным способом подачи шихты в печь является способ подачи шихты в загрузочную камеру (форкамеру) печи, которая примыкает непосредственно к печи и является частью рабочего пространства печи. В загрузочной камере происходит удаление влаги из шихты и её нагрев до температуры воспламенения. Это предполагает, что в загрузочной камере поддерживаются отличные от основной печи технологические параметры обжига. Кроме подачи шихты в печь через загрузочную камеру применяется способ подачи шихты в печь с помощью высокоскоростных забрасывателей, которые рассеивают частицы шихты над кипящим слоем по площади, превышающей площадь подачи шихты через загрузочную камеру печи. Это позволяет поддерживать технологические параметры обжига по всей площади печи. Данный способ подачи шихты в печь широко применяется фирмой «Outotec» производящей агрегаты для обжига и сернокислотного производства. В некоторых случаях используют подачу шихты в виде пульпы с содержанием твердого материала до 80 % (печи Дорр-Оливер). Распульпованые концентраты хранятся в чанах и подаются в верхнюю часть слоя с помощью насосов [57 – 59]. Каждый из этих основных способов подачи шихты в печь имеет свои преимущества и недостатки. Желательно совместить простоту и надежность подачи шихты с помощью форкамеры с возможностью распределения частиц шихты по большей поверхности кипящего слоя. Предлагаемые решения проблемы подачи шихты в печь КС, совмещающие принцип форкамеры и забрасывателя [60] не нашли широкого применения. Как правило, форкамеры используют предприятия с поставкой концентрата по железной дороге или морским транспортом, то есть используется концентрат с неоднородными физическими свойствами (влажность, гранулометрический состав). При работе на концентратах с однородными физическими свойствами (поставка автомобильным транспортом с близкорасположенного ГОКа) предпочтительно использование забрасывателей. Интересен опыт Усть- Каменогорского цинкового завода (Казахстан), расположивший забрасыватель шихты за загрузочной трубой форкамеры, что позволяет изменять способ подачи шихты в печь. В печи кипящего слоя материал, непрерывно загружаемый в печь, поступает в ванну кипящего слоя, состоящую практически из конечного твердого продукта обжига («огарка»). Движение частиц материала в вертикальном направлении обеспечивается потоками газов, которые подаются через подину печи, а горизонтальное перемещение частиц и выгрузка из печи происходит путем вытеснения огарка вновь поступающим материалом. Интенсивное перемешивание газа и твердых частиц в кипящем слое приводит к ускоренному и более полному протеканию химических реакций. Анализ изменения температуры в кипящем слое от загрузки до выгрузки огарка, температуры газов в надслоевом пространстве показывает, что при прекращении подачи концентрата в печь происходит резкое падение температуры в кипящем слое и надслоевом пространстве. Это говорит о высокой скорости окисления сульфидных материалов в печах кипящего слоя, высокой теплопроводности кипящего слоя, низкой инерционности печи. Для поддержания устойчивого технологического процесса обжига сульфидных цинковых концентратов в печи кипящего слоя необходимо выполнение следующих условий. Физические свойства частиц материала (размер и плотность) должны быть соотнесены со скоростями газовых потоков в печи. Непрерывная подача в печь материалов с однородным химическим составом. Температура обжига должна выбираться из способности применяемых концентратов к оплавлению поверхности частиц и спеканию материала в печи. Избыточное количество выделяющего при экзотермических реакциях тепла должно отводиться из печи. Образование устойчивого аэродинамического режима кипящего слоя в печи происходит при определенном соотношении скорости газового потока и параметров частиц слоя. Расчет теплового баланса работы печи кипящего слоя и исследования по составу материала кипящего слоя [106] показывают, что при обжиге сульфидных цинковых концентратов кипящий слой состоит на 3 – 5 % из частиц концентрата и на 95 – 97 % из частиц огарка. Огарком называют продукт обжига, разгружаемый через сливной порог печи или же через устройство донной выгрузки. Это полидисперсный продукт с основным размером частиц, который соответствует скоростям газовых потоков в слое. В нем присутствуют частицы как достаточно крупные по размеру, так и пылевидные частицы. Расчет скоростей газовых потоков производится при проектировании печей КС или модернизации уже существующих печей с учетом изменения свойств обжигаемого материала. Выбор температуры, при которой ведется процесс обжига, во многом зависит от химического состава концентратов, их способности образовывать легкоплавкие эвтектики. Образование жидкой фазы на поверхности частиц кипящего слоя приводит к спеканию частиц и укрупнению продуктов обжига, что выявлено в ходе высокотемпературного обжига цинковых концентратов [61]. Влияние химического состава и минералогии концентратов на выбор температуры обжига описаны в работах [62 – 64], где на основе статистической обработки данных по химическому составу шихты и изменению крупности огарка выведены статистические коэффициенты, позволяющие рассчитать размер частиц огарка. Процесс укрупнения огарка приводит к изменению его физических свойств (размер частиц, плотность), что приводит к нарушению аэродинамики кипящего слоя и последующей остановке печи. По данным авторов [89] образование агломерационных спеков происходит за счет цементирующей фазы силикатов цинка с примесью железа (гарнисаж на стенках печи) или за счет цементирующей фазы сульфатов цинка и свинца (укрупнение огарка). Это позволяет сделать вывод о необходимости ограничить содержание примесей в составе шихты. Процесс укрупнения огарка может происходить и при использовании концентратов с относительно неизменными физическими свойствами и однородным химическим составом. Исследования, проведенные авторами [105] по выявлению причин агломерации огарка в лабораторной печи показали, что основными причинами укрупнения частиц являются высокая температура и низкое содержание кислорода в дутье. При этом частицы слоя непрерывно разнонаправлено перемешиваются друг с другом, идет интенсивная теплопередача, что обусловлено малой порозностью слоя (малое расстояние между частицами слоя, заполненное газовой фазой). Гранулометрический состав огарка включает в себя как частицы пылевидной фракции (менее 0,2 мм), так и размером до нескольких миллиметров. Качество обжига определяется по остаточному содержанию сульфидов, которое составляет в среднем от 0,2 до 0,4 %. Содержание сульфатов в огарке составляет от 0,8 до 1,3 %, что связано с содержанием в перерабатываемых концентратах свинца и кальция, сульфаты которых не разлагаются при температурах обжига. Продукты обжига, вынесенные газовыми потоками из слоя и улавливаемые установками очистки газов, называются соответственно названию установки очистки газов. Это пыль котла-утилизатора, пыль циклонов, пыль электрофильтров. Данные продукты в основном окисляются в газовом потоке, что называется обжигом во взвешенном состоянии. Здесь частицу концентрата окружает газовая фаза, влияние частиц друг на друга очень мало, имеет место однонаправленное движение частиц. Размер частиц таких продуктов обжига не превышает 0,2 мм. Содержание сульфидов в пыли в основном зависит от времени нахождения частицы в рабочем пространстве печи, что определяется скоростями газовых потоков и размерами рабочего пространства печи. Именно это приводит к практике строительства печей с расширяющейся шахтой печи и соотношением «объем печи / площадь подины» до 25 : 1. В случае высокого содержания сульфидов в пылевидных продуктах обжига внедряют обогащение воздушного дутья кислородом или возвратом пыли в рабочее пространство печи на дополнительный обжиг [65 – 68]. Пылевидные продукты обжига характеризуются высоким содержанием сульфатов (3 – 5 % в циклонной пыли, до 12 % в пыли электрофильтров). Образование сульфатов происходит при снижении температуры обжиговых газов, которые содержат пылевидные продукты обжига, азот воздуха, сернистый ангидрид (до 15 %) и кислород (3 – 6 %). Выбор температуры обжига зачастую определяется из опыта переработки в печах кипящего слоя ранее поставляемых концентратов. Изменение технологии обогащения полиметаллических руд, изменение минералогии месторождения, поступление на завод новых концентратов требует предварительных лабораторных исследований для выдачи рекомендаций по технологическим режимам обжига. Образование при определенной температуре обжига жидкой фазы на поверхности частиц кипящего слоя с последующим спеканием и укрупнением огарка дает верхнее граничное значение температуры. Заслуживает внимание установка по определению предельных температур обжига в печи кипящего слоя. Принцип работы установки – изменение электрического сопротивления слоя при появлении жидкой фазы [69]. Количество воздушного дутья выбирается по требуемому количеству окислителя для полного протекания химических реакций с загружаемыми концентратами. Необходимо также учитывать гранулометрический состав огарка в печи для созданий условий для устойчивой работы кипящего слоя. Наличие множества факторов влияющих на процесс обжига требует совершенствования теоретических положений процессов происходящих на обжиге, лабораторных исследований на экспериментальных установках. В литературных источниках процесс обжига в кипящем слое рассматривается как сочетание происходящих физических и химических процессов [70 – 75]. Поступающие на обжиг ранее не перерабатывавшиеся на ЧЦЗ сульфидные цинковые концентраты в сочетании с изменением химического состава и физических свойств цинковых концентратов с уральских месторождений привели к нарушениям технологического процесса обжига. Это проявилось в ухудшении качества продуктов обжига, что создавало трудности на гидрометаллургическом переделе в производстве цинка. В работе печей кипящего слоя отмечалось изменение гранулометрического состава огарка, что приводило к нарушению кипящего слоя и аварийным остановкам печи. Основной причиной остановок печей являлось образование агломерационных спеков различной прочности в рабочем пространстве печи, расположенных в зоне выхода из форкамеры и в зоне выгрузки огарка из печи. Данная работа посвящена исследованию и выявлению основных причин нарушения кипящего слоя при обжиге цинковых концентратов. Необходимо исследовать механизм образования агломерационных спеков в печах кипящего слоя в зависимости от химического и гранулометрического состава цинковых концентратов, определить влияние примесей на прочность образующихся спеков. Для улучшения качества продуктов обжига определить кинетические особенности окисления различных концентратов в зависимости от гранулометрического состава. Полученные данные использовать для повышения эффективности обжига цинковых концентратов в условиях действующего производства с целью изменения технологических параметров обжига и модернизации аппаратурного оформления процесса. При этом поставлены следующие задачи. Исследовать аэродинамику кипящего слоя в зависимости от физических свойств огарка (плотность, размер частиц) для определения причин образования малоподвижных зон в печи кипящего слоя. Изучить механизм образования агломерационных спеков в печах кипящего слоя и исследовать влияние химического состава концентратов (содержание в концентратах примесей и водорастворимых соединений) на способность к образованию спеков. Определить скорость окислительных реакций сульфидных цинковых концентратов при различных температурах обжига для условий обжига в промышленных печах кипящего слоя. Проанализировать и обобщить на базе теоретических положений термодинамики и кинетики полученные экспериментальные данные по влиянию физических факторов и химического состава концентратов на скорость окислительных реакций при обжиге в кипящем слое. На основании полученных результатов внести изменения в технологические параметры процесса обжига и разработать технические решения по изменению конструкций печей кипящего слоя. ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОДИНАМИКИ КИПЯЩЕГО СЛОЯ СОСТОЯЩЕГО ИЗ ЦИНКСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВОбразование кипящего слоя в агрегате происходит при пропускании через слой сыпучего материала потока газов. Под действием потоков газа твердые частицы интенсивно перемешиваются по всему объёму материала, при этом поведение частиц становиться похожим на вязкую жидкость [76]. Добиться равномерно кипящего слоя материала в печи позволяет соотношение размера и удельной массы частиц материала к скоростям газовых потоков. В зависимости от скорости газового потока частицы материала находятся в различных состояниях. При малых скоростях потока частицы остаются неподвижными, объём материала не изменяется. Происходит фильтрация газа через слой материала (так называемый фильтрующий слой). При повышении скорости газового потока возрастает сопротивление слоя из-за увеличения трения газа о поверхность частицы и при равенстве веса слоя материала давлению газов начинается увеличение слоя в объёме. Скорость газа для частиц с определенной удельной массой, формой частицы и её размером, при которой частица находится в равновесии между силой тяжести и гидравлическим сопротивлением частицы в потоке газа, называется критической. При этом слой материала увеличивается в объёме, становится легкоподвижным и ведет себя как жидкость. При дальнейшем повышении скорости газового потока выше критической, газ начинает проходить через частицы слоя не только по каналам между частицами, но и образуя пузырьки газа. Появление в слое пузырьков вызывает резкое увеличение конвекции материала слоя, и весь слой приобретает вид кипящей жидкости (отсюда и название – псевдоожиженный или кипящий слой). Дальнейшее увеличение скорости газовых потоков приводит к пробоям слоя, при котором образуются сквозные фонтаны из газа. При этом резко снижается перемещение частиц в слое, образуются плохо кипящие зоны. Слой материала близок к разрушению и при дальнейшем увеличении скорости газа весь слой переходит во взвешенное состояние [76] . В печах кипящего слоя при обжиге цинковых концентратов используют промежуточное состояние кипящего слоя – между фильтрующим слоем и взвешенным состоянием материала. При этом достигается полнота протекания химических реакций при высокой степени теплопередачи в слое, сохраняется устойчивая работа оборудования. Расчет скорости газовых потоков для конкретного материала позволяет определить технологу количество подаваемого дутья для создания устойчивого аэродинамического режима кипящего слоя. В работах [77 – 79] даны теоретические обоснования работы кипящего слоя, рассмотрены различные модели поведения кипящего слоя. В данных работах рассматриваются общие вопросы поведения сыпучих материалов при прохождении через них газовых потоков. Многообразие аппаратов и технологических процессов с применением кипящего слоя требует более детального исследования поведения кипящего слоя при обжиге цинковых концентратов. В работе [11] предлагается определять скорость газовых потоков по формуле ω = Re μ g/dср ρг, где Re – критерий Рейнольдса, μ – динамическая вязкость газа при температуре процесса, g – ускорение свободного падения, dср– средний диаметр частиц слоя, ρг– плотность газа при температуре процесса. Данная формула не дает полного представления о характере кипящего слоя, не учитывается порозность слоя (объём газов в общем объёме слоя). Для расчета критических скоростей газовых потоков используются также критериальные уравнения [78], но данные уравнения используют значения порозности слоя ε = 0,4. Данное значение не соответствует значениям порозности для продуктов обжига сульфидных цинковых концентратов. По утверждению авторов [80] предложено более 70 формул для расчета критической скорости газовых потоков в кипящем слое. Наличие такого большого количества формул свидетельствует о сложности взаимовлияющих физических свойств материалов образующих кипящий слой. Для исследования аэродинамики кипящего слоя образованного из частиц сульфидных цинковых концентратов и частиц продуктов обжига концентратов (огарков) в лаборатории Инженерного центра ЧЦЗ сконструирована и изготовлена модель печи кипящего слоя. Также была предложена следующая методика расчета скоростей газовых потоков для формирования устойчивого кипящего слоя. Для обеспечения устойчивой работы кипящего слоя в процессе обжига цинковых концентратов скорость газовых потоков должна находиться между двумя критическими скоростями, а именно скоростью начала «кипения» частиц – скорость начала псевдоожижения (ωо) и скоростью выноса частицы из слоя зернистого материала – скорость свободного витания (ωсв). Отношение этой скорости (так называемой рабочей скорости ωр) к скорости начала псевдоожижения ωк называют числом псевдоожижения и обозначают символом Кω. Кω= ωр/ωо, (2.1) Число псевдоожижения характеризует интенсивность перемешивания частиц и состояние псевдоожиженного слоя. Опытным путем найдено, что во многих случаях интенсивное перемешивание достигается уже при Кω= 2. Частицы в зернистом слое при обжиге цинковой шихты являются полидисперсными. Для таких зернистых слоев процесс псевдоожижения, как правило, является неоднородным: часть газа движется через слой не сплошным потоком, а в виде пузырей, которые разрушаются, достигнув поверхности слоя, что вызывает колебания высоты слоя. При сравнительно небольших значениях Кωнеоднородность полидисперсного слоя не оказывает отрицательного воздействия на его характеристики, а движущиеся пузыри в определенной степени интенсифицируют перемешивание частиц слоя и протекающие процессы окисления. Следует отметить, что рабочая скорость ωрполидисперсного слоя для мелких частиц может превышать скорость их витания и такие частицы будут уноситься из слоя. Таким образом, обжигаемый сульфидный цинковый концентрат как полидисперсная система, в реальной печи кипящего слоя может находиться в двух состояниях. Это частицы, находящиеся в кипящем слое печи и частицы, покинувшие кипящий слой, которые находятся в надслоевом пространстве печи. Как правило, частицы покинувшие слой, оседают в газоходном тракте печи и называются циклонной пылью, пылью котла-утилизатора и т.д. Данные частицы имеют отличия по химическому составу от частиц кипящего слоя и, самое главное, отличаются размерами. Правильно подобранные скорости газового потока в зависимости от параметров кипящего слоя позволяют получить устойчивый кипящий слой, полноту прохождения химических реакций, равномерное распределение тепла по объёму кипящего слоя. Критическая скорость движения газа через зернистые слои зависит, как уже говорилось выше, от ряда параметров зернистого слоя. Аналогично движению жидкости или газа в трубопроводах для перепада давления при движении газа в зернистом слое можно записать уравнение: Δp 2 (2.2) c dэ 2 o, Па где Н – высота кипящего слоя, ρс– плотность газа, dэ– эквивалентный диаметр частиц, λ – коэффициент сопротивления потоку. Зернистый слой помимо размеров, составляющих его частиц, характеризуют долей свободного объема или порозностью εо. Порозность определяется объемом свободного пространства между частицами в единице объема, занятого слоем. Для неподвижного слоя твердых частиц порозность, т.е. относительная доля объема, не занятого твердой фазой: εо= Vнас V Vнас , (2.3) В том случае, когда плотностью среды между частицами можно пренебречь по сравнению с плотностью самих частиц: εо= 1- н т , (2.4) Здесь V– объем частиц, Vн– объем слоя (насыпной объём), м3; m и н- плотность составляющих слой частиц и плотность слоя (так называемая насыпная плотность), кг/м3. В общем случае порозность зависит от формы частиц, их гранулометрического состава и характеристик зернистого слоя (высота слоя, время нахождения слоя на подине, принудительного уплотнения слоя, полидисперсность). При достижении и превышении потоком газа некоторой критической скорости порозность слоя возрастает за счет разбухания слоя. Другой характеристикой спокойного зернистого слоя является удельная поверхность (м2/м3), которая представляет собой поверхность элементов, или частиц материала, находящихся в единице объема, занятого слоем. Для вычисления удельной поверхности применяется следующий подход. Пусть в 1 м3 слоя зернистого материала имеется n частиц. Объем самих частиц (твердой фазы) равен (1 – εо) и их поверхность составляет . Средний объем одной частицы Vn= 1 o п d3 6 , а поверхность одной частицы Fn= d 2 ; п Ф где d – диаметр эквивалентного шара, имеющего тот же объем, что и частица; Ф – фактор формы, для шарообразных частиц Ф = 1. Тогда отношение поверхности частицы к ее объему 6 1 oФd , откуда 6(1 o ) , (2.5) Фd где d – диаметр эквивалентного шара, имеющего тот же объем, что и частица; Ф – фактор формы (для сферических частиц фактор формы Ф ≈ 1). Следующей характеристикой зернистого слоя является эквивалентный диаметр каналов в зернистом слое. Если принять длину каналов, по которым проходит воздух через зернистый слой, обтекая частицы (зерна слоя), равной высоте слоя (толщине слоя), то разделив свободный объем слоя на высоту слоя получим сечение всех каналов, т.е. SH o /Н= S o ; где S – площадь поперечного сечения аппарата, заполненного зернистым слоем; Н – высота слоя; S o сечения всех каналов в слое. – площадь Смоченный периметр свободного сечения слоя может быть вычислен делением общей поверхности каналов на их среднюю длину, т.е. S∙H∙a/H= Sa. Эквивалентный диаметр определяется делением учетверенного свободного сечения слоя на смоченный периметр d 4So эSa 4o. a Подставив значение формулу для dэполучим: a 6(1 o ) dФ из формулы (2.5) в предыдущую dэ= 2od 3(1 o) , (2.6) Подставляя в уравнение (2.2) для падения давления в потоке газа, проходящего через кипящий слой из формулы (2.6) dэполучим: 2 Δp= 3(1 o) 2od o o c 2 , (2.7) В формуле (2.7) ωо=ωк·εо- критическая скорость воздуха в расчете на полное сечение зернистого слоя (сечение печи). Коэффициент сопротивления λ определяется на основании обработки опытных данных, и в результате обобщения полученных данных выведены формулы для расчета коэффициента сопротивления для различных значений гидродинамического критерия подобия Рейнольдса Re в зернистом слое. Из справочной литературы [78]: - для всех режимов движения 133 2,34 . Re При значениях Re< 1 постоянной 2,34 можно пренебречь 133 , (2.8) Re Критерий Рейнольдса потока воздуха в свободном сечении зернистого слоя при критической скорости ωкравен Re= к dэ c c , (2.9) Здесь c - динамическая вязкость воздуха, Па·с Подставляя в (2.9) значения dэиз (2.6) получим: Re= к с с 2оd 3(1 o) , (2.10) В расчете на полное сечение зернистого слоя Re= o c 2od o c 2d . oc 3(1 o) c3 1 o Критерий Рейнольдса можно также записать в виде . Re=Reo 2 3(1 o) Reo= odc c носит название модифицированного критерия Рейнольдса. Модифицированный критерий Рейнольдса обычно используют в критериальных уравнениях, описывающих движение жидких или газовых потоков. Подставляя в уравнение (2.7) значение из (2.8) получим: 133 31 H 2 p Re 2,34 0 23 d 0 c 0 , (2.11) 2 Далее подставляя в формулу (2.11) значение Re и объединяя цифровые множители, будем иметь: 2 p 150 H 1 0 1,75 H10 2 , (2.12) 2 3 c0 d 0 c0 0 d Величина Δp при критической скорости газа определяется давлением зернистого слоя на подину и в случае, когда через зернистый слой проходит воздух, равняется p gT 1 0 H , (2.13) Здесь ρт – плотность зернистого материала, g – ускорение свободного падения. Приравнивая значения Δp из формул (2.12) и (2.13) получим: gТ 150 1 0 d23 C0 1,75 1 2 d3 C 0 , (2.14) Обозначим множитель a 1,75 1 C 3 d 0 Обозначим множитель b 150 1 0 C 3 d 2 0 Обозначим c gT Перепишем уравнение (2.14) в виде: a 2 b c 0 0 0 Решением квадратного уравнения, как известно, является 0 2a .  Решением данного квадратного уравнения будут два числовых значения, но одно значение будет являться отрицательным, что для наших условий неприемлемо. В результате получим уравнение для расчета критической скорости воздуха в расчете на полное сечение зернистого слоя:  150 1oc 3 d 2 cgd т o 3,5 1 c 3 d o , (2.15) По мнению автора, данная формула включает только те параметры материала, которые легко определить на элементарном лабораторном оборудовании. Это позволяет использовать формулу (2.15) для инженерных расчетов на производстве. При увеличении скорости движения газа в порах зернистого слоя огарка наступает момент, когда все частицы огарка начинают уноситься из кипящего слоя и кипящий слой разрушается. Такая скорость называется скоростью свободного витания частиц (ωсв). Определить скорость витания можно различными методами, например, методом уравнивания силы тяжести частицы и силы сопротивления обтеканию частицы газом. При обтекании какого-либо тела (шара) сопротивление обтеканию составит 2 R=КS·C , (2.16) 2 g где R - сила сопротивления, кг; S - сечение тела (шара), м2; ω - скорость газа, м/с; g - ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/с2; К - коэффициент сопротивления среды; C - плотность среды, кг/м3. Коэффициент сопротивления среды К= 24 для Re0<2 , где Re0= dC Re 0 C При достижении в зернистом слое скорости газа близкой к свслой разрушается и 0 стремится к 1, а скорость газа в слое приближается к скорости газа, отнесенной к сечению зернистого слоя. При R= d 3 6 , т.е. когда сила сопротивления обтеканию частицы уравновешивает силу тяжести частицы, увеличение скорости газа до значения скорости витания приведет за счет сил трения к уносу частицы. Перепишем уравнение (2.16), подставив в него S= d 2 4 и значение К получим d 3 24 2 C св d 2 , (2.17) 6 Re 4 2g 0 Из этого уравнения скорость свободного витания составит Тdg 2 , (2.18) св 18 c В работе [80] приводится критериальное уравнение для примерного определения скорости витания частиц зернистого слоя ReO,вит  Ar , (2.19) Ar = критерий гидродинамического подобия Архимеда ; Ar = d3 Cg 2 C ReO,вит св Сd C Преобразуя формулу, получим св c Ar сd  , (2.20) Сопоставляя расчеты скорости свободного витания по предложенной нами формуле (2.18) с расчетами по критериальному уравнению, приведенному в работе [80] (формула 2.20), можно увидеть, что данные достаточно близки. Более подробно расчет скоростей газовых потоков описан в работе [81]. Для проверки полученных математических формул расчета скоростей газа для создания кипящего слоя в лаборатории Технологического бюро Инженерного центра ЧЦЗ была сконструирована модель печи кипящего слоя. Схема модели печи кипящего слоя представлена на рисунке 2.1.  Рисунок 2.1 – Схема лабораторной печи кипящего слоя для комнатных температур Принцип работы данной модели основан на продувании определенного количества воздуха через перфорированную подину печи и слой сыпучего материала. Грубая регулировка расхода сжатого воздуха осуществляется с помощью игольчатого крана 4, точная регулировка краном ротаметра 5. Сопротивление потоку сжатого воздуха (аналог упругости кипящего слоя) замерялось манометром низкого давления 7. Для визуального наблюдения за аэродинамическим режимом кипящего слоя, стенки шахты печи выполнены из закаленного стекла с нанесенной градуировкой, что позволяет определять изменение объёма слоя и интенсивность массопереноса частиц. Подина печи 2 изготовлена из винипласта, диаметр отверстий был выбран 1,0 мм. Количество отверстий соответствовало различному соотношению суммарной площади отверстий к площади сечения подины («живое» сечение подины). Воздушная коробка печи 1 изготовлена из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, соединение воздушной коробки, подины и шахты печи были надежно уплотнены. Расчет скоростей газовых потоков проводился по соотношению расхода воздуха и площади отверстий (скорость воздуха на выходе из отверстий подины) и площади подины (скорость воздуха на выходе из кипящего слоя). В процессе опытов варьировалось количество огарка (высота слоя), фракционный состав огарка, «живое» сечение подины (0,3; 0,6; 0,8 %). Диаметр подины модели, величина «живого» сечения выбирались по соотношению с размерами действующих печей КС ЧЦЗ. При величине площади подины печи 32,75 м2 (диаметр 6,4 м), печи КС оборудованы тремя различными конструкциями подины печи. Подина печи КС-1 имеет «живое» сечение ≈ 0,8 %, подина печи КС-4 имеет «живое» сечение ≈ 0,6%, подина печей КС-2, 3, 5 имеет «живое» сечение ≈ 0,3%. Конструкция подины печей КС-2, 3, 5 аналогичны конструкции подины печей компании «Outotec». Количество и диаметр отверстий в модели печи кипящего слоя были выбраны из равенства скоростей воздушного потока на выходе из сопел печей КС обжигового цеха. Предварительно была проведена тарировка модели печи для различного вида подин. Определялось сопротивление подины (давление воздуха в воздушной коробке) в зависимости от количества подаваемого воздуха (скорости воздушных потоков) для подин с различным «живым» сечением. Скорость газовых потоков необходимая для создания устойчивого кипящего слоя определялась по количеству подаваемого воздуха в единицу времени с расчетом на полное сечение зернистого слоя. За устойчивый кипящий слой принималось равномерное перемещение частиц по всему объёму слоя. Результаты опытов по определению скорости газовых потоков на модели печи кипящего слоя представлены в таблице 2.1. Таблица 2.1 – Данные по определению скоростей газовых потоков кипящего слоя
При расчете скоростей газовых потоков по формуле (2.15) основными параметрами, влияющими на величину скорости, будет являться значение порозности слоя εои плотность частиц ρт. В работах других авторов принято считать данные величины постоянными независимо от гранулометрического состава частиц. В процессе определения данных величин для сульфидных цинковых концентратов и продуктов их обжига выявлено их различие для частиц различного гранулометрического состава. Величины удельной и насыпной плотности исследуемых частиц, измеренные пикнометрическим методом, а также расчетные скорости газовых потоков, представлены в таблице 2.2. Таблица 2.2 – Физические данные частиц материала для расчета скорости газового потока в кипящем слое
Сопоставление опытных и расчетных величин скоростей газовых потоков представлено на рисунке 2.2. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||