Разработка конструкций циклонных камер с регулируемым рабочим процессом и их применение для переработки технологического сырья и топлива тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

КАЗАХСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ ИМЕНИ АКАДЕЛ1ИКА Ш. Ч.ЧОКИНА

7 С.]

I £ -и!,'

На правах рукописи

КОЖАХМЕТОВ ДЖАМБУЛ БРМУХАНОВИЧ

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ ЦИКЛОННЫХ КАМЕР С РЕГУЛИРУЕМЫМ РАБОЧИМ ПРОЦЕССОМ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО СЫРЬЯ II ТОПЛИВА

Специальность — 01.04.14. — теплофизика и молекулярная физика

АВТОР ЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических паук

Алмпты - 19% г.

Работа выполнена в Казахском научно-исследовательском институте энергетики имени академика Ш.Ч.Чокина. -

Ведущая организация: Всероссийский теплотехнический институт С ВЗЯ ).

Официальные оппоненты:

члея-корр»ЯАН РК,заслуженный деятель науки,доктор технических наук,профессор Ершин Ш.А, доктор технических наук,профессор Нуркеев С.С. доктор технических наук,профессор Квятковский А.Н,-

Защита состоится-?^ | 1996 г. в час. на

заседании специализированного совета Д»27.08.01 в Казахском научно-исследовательском институте энергетики им, академика ШЛЧокина по адресу: 480012, г. Алматы, ул. Байтурсынова,85.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казахского научно-исследовательского института энергетики»

Автореферат разослан __ 1996 г.

Ученый секретарь специализированного^

совета Д.27.08,01, к.т.н., с.н.с. /Гу-Д/ Сулейменов К.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОШ.

Актуальность проблем. В настоящее время сохраняется широкая перспектива использования циклонного способа огнетехнической переработки измельченных и пылевидных материалов в различных областях техники. Этому циклонный способ обязан повсеместным усилением тенденции к ухудшению качества всех: материальных ресурсов и, в частности, металлорудисто сырья. В производство вовлекается обедненные материалы, переработка которых ранее считалась экономически нецелесообразной и они зачастую относились к забалансовым сырьевым источникам. Такая тенденция проявляется как в цветной (бокситы, алуниты, нефелины, мецно-цинковые руды и др), так и в черной металлургии. Одновременно происходит накопление различных отходов, которые в большинстве своек характеризуются наличием в них ценных элемевтов и пригодны для дальнейшей переработки в качестве сырьевых источников.

■Переработка сырья ухудшенного качества связана со значительными техническими трудностями. 3 ряде случаев она может реализо-вываться применением существующих технологий и аппаратов, но при этом необходимо предварительное обогацение сырья или существенное повышение производственных мощностей. Зсе это влечет за собой увеличение числа или габаритов технологических агрегатов и, соответственно, капитальных и энергетических затрат.

Другой путь решения проблемы возможен за счет интенсификации технологических процессов, который однако для большинства ог-нетехнических аппаратов практически исчерпан. К тому же трудность переработки многих сырьевых источников, особенно отходов производств, усугубляется тем, что они находятся в измельченном или пылевидном состоянии, а это в свою очередь требует специальной подготовки материалов, например, брикетирования, аглошрирова -ния и т.д., т.е. происходит значительное удорожание конечного продукта.

В этом плане одним из поцходоз решения проблемы переработки мелкого и пылевидного материала, в том числе низкокачественного сырья и отходов, является создание и использование более высокофорсированных и экономичных технологий и аппаратов. Этим требованиям во многом отвечает циклонный способ переработки измельченных материалов, который благодаря своим общеизвестным преимуществам, обеспечивает на порядок более высокий уровень протекания тепломассобменных процессов по сравнению со многими ог-

нетехническими устройствами. Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в КазНШЭнергетики и других организациях ( МЭИ, ЦКТИ, ОПИ, ЭНИН, ДМЕГИ, ИМиО HAH Республики Казахстан и др. ),позволили создать работоспособные конструкции цилиндрических циклонных камер и определить основные закономерности протекающего в них процесса. Эти работы показали существенные преимущества вертикальных циклонных камер для осуществления плавильных и возгоночных процессов по сравнении со многими эксплуатируемыми аналогами.

Однако разработанные конструкции циклонных камер далеко не полностью реализовали свои возможности, особенно для переработки отходов и сырья ухудшенного качества в условиях повышенных требования экологического и производственного характера. Поэтому с учетом имеющегося багажа знаний в этой области перспективным направлением является совершенствование и оптимизация циклонных процессов и аппаратов применительно к конкретным технологиям.

Диссертационная работа основана на комплексе НИР, проводимых в Казахском научно-исследовательском институте энергетики, в направлении разработок способов регулирования движения газовых, дисперсных и жидких потоков и на их основе новых конструкций циклонных установок для переработки технологического сырья и сжигания топлива. Работа выподнялась в плане целевых програм Государственного комитета по науке и технике на 1976-85 гг. ( 0.01. II.01.08; 0.01.II.HI; 085.03.Об.HI ), а также по хозяйственным договорам с различными организациями и предприятиями металлургической и энергетической промышленности.

Цель и -задачи работы. Цель работы - разработка конструкций циклонных камер с регулируемым рабочим процессом и их применение для переработки технологического сырья и сжигания топлива.

Для достижения поставленной цели ставились следующие задачи:

- провести экспериментальные исследования аэродинамики и теплообмена струйных и спутных течений вдоль криволинейных стенок, а также взаимодействия дисперсной и жидкой среды в циклонных камерах, результаты которых использовать для разработки газодинамических способов регулирования протекающего в них рабочего процесса;

- провести экспериментальные исследования на моделях циклонных камер, в результате которых определить конструктивные спосо-.бы регулирования движением жидкой и дисперсной среды и повышения

эффективности циклонных процессов и разработать на этой основа оптимальные решения по конструкциям циклонных камер и их отдельных элементов;

- выполнить комплекс стендовых экспериментальных исследований по применению оптимизационных разработок для переработки технологического сырья и сжигания топлива;

- провести комплекс опытно-промышленных испытаний оптимизированных циклонных камер для переработки технологического сырья

и сжигания топлива;

- разработать руководящие технические материалы по расчету энерготехнологаческих циклонных установок для плавильно-возгоно-чных процессов.

Научная новизна. Научная новизна заключается в предложенной методике создания конструкций циклонных камер с регулируемым рабочим процессом,которая основана на разработке способов активного воздействия на протекающий в них рабочий процесс с целью повышения вффективности и надежности реализуемой технологии. В соответствие с этим разработаны и применены способы активного газодинамического воздействия струйных потоков и направленного движения и обработки расплавленных сред на протекание рабочего процесса, а также разработаны оптимальные способы подачи материала в циклонные камеры. При этом для условий, имеющих место в циклонных камерах, получены экспериментальные данные, определяющие влияние кривизны и спугности на основные характеристики струйных течений вдоль гладких и шероховатых стенок. Выполнен расчет движения струи вдоль криволинейной стенки, в котором учтено влияние кривизны и шероховатости поверхности. Выявлено влияние спугности течения на смешение струи со спутным потоком, что дало возможность использовать данные для организации целенаправленного движения струйных потоков внутри реакционного объема. Полученные данные применены для определения экспериментальных расчетных зависимостей эффективности газовой завесы от обоюдного влияния кривизны стенки и спутности течения применительно к условиям циклонных камер. При исследовании цилиндрических смесителей получены экспериментальные зависимости, позволяющие рассчитывать характеристики качества смешения струй с поперечным потоком в рамках режимных и конструктивных параметров циклонных камер. В модельных и стендовых огневых испытаниях показана возможность улучшения работы циклонных камер за счет организации направ-

ленного движения расплава. При этом определены условия моделирования жидкой среды песочной шероховатостью. Установлена эмпирическая зависимость между эквивалентной шероховатостью и сопротивлением камеры от нагрузки по жидкой фазе, что позволило переносить данные изотермических опытов на натурные условия. Определена техническая возможность управления динамикой-враденикиперемешивания расплава за счет воздействия направленного потока газовой среды. При этом конструкция накопителя расплава должна обеспечивать оптимальное соотноиение между профилем скорости вращения жидкой среды » допустимым по технологии каплеуносом. Разработаны способы и конкретные устройства для регулирования процесса смешения при движении аэроиихтовой смеси до ввода в реакционное пространство циклонной камеры и в пределах её объема. Па разработках конкретных технологий и на -турных устройств реализован подход по оптимизации циклонных установок, основанный на активном воздействии на рабочий процесс струйных течений, расплавленных сред и дисперсных потоков при применении воздушного и воздушно-кислородного дутья, а такяе путем изменения конструкций циклонных камер и отдельных её элементов. При этом созданы новые технологические и конструктив -ные решения, защищенные блоком авторских свидетельств на изобретения. Этот подход использован при создании новых топочных устройств, которые позволяют осуществлять ступенчатую термообработку и сжигание угля с сухим золоудалением. Получены опыт -ные данные устанавливающие целесообразность переноса процесса термической обработки и частичного сжигания угля за пределы топки котла для снижения выбросов оксидов азота и улавливания золы. 1

Разработана методика инженерного расчета энерготехноло -гической циклонной установки для плавильно-г возгоночных процессов, которая оформлена в виде руководящих технических материалов.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработаны элементы и конструкции циклонных камер, использующих активное воздействие на рабочий процесс струйных течений и газовых завес, направленного движения расплавленных и дисперсных сред. Разработаны новые устройства по стабилизаторам горения топлива; способы и устройства, реализующие технологию циклонной плавки на воздушном и воздушно-кислородном дутье при-

менитедьно к различным технологическим материалам. Разработаны выносные топочные устройства, позволяющие осуществлять ступенчатую термохимическую обработку и сжигание твердого тошшва с целью снижения уровня выхода оксидов азота и улавливания золы перед котлом. Разработаны циклонные предтопки для эффективного сжигания мазута на водогрейных котлах. Разработаны руководящие технические материалы по расчету энерготехнологических циклонных установок для'плавильно-возгоночных процессов.

Результаты работы использованы при оптимизации технологии циклонной переработки углистых германийсодерясащих аргиллитов, спецуглей и энергетической золы, а также при создании новых конструкций циклонных камер и вспомогательных узлов на Северодонецком химико-металлургическом заводе; разработке, проектировании и создании опытно-промышленной циклонной установки на воздушно-кислородном дутье для выплавки синтетических сталера^шшровочных шлаков на Челябмегкомбинате; разработке, проектировании и создании циклонной установки для плавки карналлита на Березниковском ти-тано-магниевом комбинате; разработке рекомендаций для плавки ге-рманийсодержащей золы Ангренского химметзавода и технологии циклонной переработки углистого германийсодержащего сырья Павловского месторождения; разработке технологии и технического задания для проектирования циклонной установки для сжигания германийсоде-ржадих углей Тарбагатайского месторождения на Читинской ТЭЦ-2; разработке, проектировании и создании циклонных предтопков на котлах средней мощности Акмолинской ТЭЦ-1 ( см. таблицу ).

Автор защищает:

_ - предложенный подход по разработке конструкций циклонных камер с регулируемым рабочим процессом;

- результаты исследований аэродинамики и теплообмена струйных и спутных течений вдоль криволинейных стенок и взаимодействия дисперсной и жидкой среды на моделях циклонных камер;

- результаты огневых стендовых испытаний конкретных технологий и устройств;

- результаты опытно-промышленных'и промышленных испытаний новых и усовершенствованных технологий и устройств;

- рекомендации для проектирования и создания циклонных установок для переработки технологического сырья и топлива;

- руководящие технические материалы по расчету энерготахнологп-чоских циклонных установок для плавильно-возгоночных процессов.

Личный вклад автора в решении проблемы определяется:

- обоснованием, формулированием, выбором методики исследования и разработкой научного подхода по созданию циклонных камер с регулируемым рабочим процессом;

- руководством и участием на всех этапах в разработке, создании и исследовании лабораторных, стендовых к опытно-промышген-ных моделей и образцов энерготехнологических циклонных установок; анализом и обобщением результатов работы;

- руководством к участием на всех этапах в разработке, создании и исследованиях топочных моделей и опытно-промьпаленных устройств, использующих газодинамический способ регулирования цик-лонно-вихревых процессов сккгания топлива;

- руководством и разработкой рекомендаций для проектирования циклонных установок для переработки конкретного энерготехнологического сырья и топлива;

- руководством и непосредственным участием в составлении всех разделов руководящих технических материалов по расчету энерготехнологических циклонных установок для плавильно-возгоноч-ных процессов.

Апробация основных положений работа. Основные результаты работы отражены в отчетах по программам Государственного комитета по науке и технике С ГХКТ ) и договорным работам с промкллен-^ ними предприятиями и тепловыми станциями, в докладах на научно-технических конференциях, советах и сешнарах разного уровня-, в научных статьях, руководящих технических материалах, в выставках работ, авторских свидетельствах на изобретения, рекомендациях для проектирования промышленных циклонных установок. Материалы по теме диссертации докладывались на: девятом и десятом все-сопзных совещаниях по энерготехнологическим циклонным процессам I Москва, 1976, 1973 гг. ); всесоюзном совещании по математическое моделировании я управлении высокотемпературными процессами в циклонных и вихреьых аппаратах ( Одесса, 1980 г. ); всесоюзной научно-технической конференции по теории и практике циклонных технологических процессов в металлургии и других отраслях, промышленности £ Днепропетровск, 1932 г. ){ выездной сессии Научного Совета по комплексной проблеме " Теплофизика " АНСССР ( Алма-Ата, 1962 г. ); всесоюзном научно- практическом семинаре по практике циклонных технологических процессов ( Днепропетровск, 1933 г. ); первом Всесоюзном симпозиуме по макроскопической ки-

нетики и химической газодинамике (Алма-Ата, 19с$4); пятой всесоюзной конференции по горенигаю органического топлива (Новосибирск, 19о6 г); научно-техническом семинаре (Гиредмет, 19о4); Юбилейной конференции (Алма-Ата, 19о4); научно-технических Советах на Северодонецком химико-металлургическом заводе, Челя -ниском металлургическом комбинате и Акмолинских ТУ'Д (Североцо-нецк, Челябинск, Акмола, 19о0-1993 гг).

Публикация материалов работы. По результатам выполненных исследований опубликовано Ь0 научных работ, по теме диссерта -ции получено 18 авторских свидетельств на изобретения. Результаты исследований отражены в 25 научных отчетах, выполненных по плану НИР КазНИИОнергетики.

Объем работы. Основной об-ьем диссертации изложен на 540 с, включая 135 рис.и У2 табл. Приложения занимают 67 стр.

Диссертация состоит из восьми глав, заключения, списка литературы из 122 наименований и приложений, которые содержат материалы по реализации результатов работы и примеры расчетов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первой главе (введении) приведен обзор состояния проблемы, показана актуальность работы, сформулированы цель и задачи работы. Показано, что в современных условиях ухудшения качест -ва сырья,накопления отходов, повышения требований экономического и экологического плана выдвигается необходимость использования технологий и аппаратов существенно более эффективных, чем традиционные. Таковыми являются технологии, использующие циклонный способ переработки и сжигания сырья и топлив. На основании обзора работ по циклонной тематике показана актуальность вопроса дальнейшего развития направления по усовершенствованию и созданию новых способов и аппаратов циклонного типа. Сформулированы итоговые критерии, на которые должны быть ориентированы исследования и разработки по созданию работоспособных инженерно-технических решений. Выделены основные направления, основанные на разработке способов активного воздействия на рабочий процесс в циклонных камерах для повышения их эффективности й надежности.

Во второй главе описываются экспериментальные установки лабораторного масштаба, предназначенные для исследования от -дельных сторон циклонного процесса в приближенных условиях, а

также огневая стендовая циклонная установка, имеющая для разных видов материалов в зависимости от требования конкретной технологии полупромышленный и опытно-промышленный масштаб.Приводятся схемы установок для исследования характеристик струй -ных течений на криволинейных поверхностях циклонных камер, взаимодействия струй с потоком в смесительных устройствах; экспериментальных моделей для исследования взаимодействия жидких и дисперсных сред с газовым потоком циклонных камер. Приводятся различные схемы новых и усовершенствованных конструкций огне -вых циклонных камер и методика измерений.

Б третьей главе представлены результаты исследования и разработок газодинамических способов воздействия на рабочий про -цесс в циклонной камере. Приведен обзор расчетных и эксперим -витальных работ по исследованию струйных течений, развивающихся на криволинейных поверхностях в спутном и без спутного потока в условиях близких к условиям циклонных камер в зависимости от конструктивных и режимных параметров на входном участке. Показано , что работы, связанные с исследованиями непосредственно в циклонных камерах, в большинстве своём не охватывают всего круга рассматриваемых вопросоз.В частности практически не изучено влияние кривизны на закономерности движения пристенных потоков и условий их смещения на входном участке. В тоже время значение этих закономерностей имеет большое значение при опти -мизации конструкций циклонных камер. Поэтому подробно рассмот -рены работы близкие к данной проблеме по движении струйных по -токов вдоль криволинейных поверхностей и в смесительных устройствах. Обзор этих исследований показал, что полученные результаты авторов носят противоречивый характер относительно влияния кривизны и спутности и не могут быть непосредственно использо -ваны для условий циклонных камер при решении практических за -дач. Аналогичная картина наблюдается и в работах по исследованию смесительных устройств, где область применения полученных данных ограничена диапазоном параметров, существенно не совпа -дающим с режимными и конструктивными параметрами смесителей на входном участке циклонной камеры. На основании проведенного обзора сформулированы конкретные задачи по исследованию и разработке газодинамических способов воздействия на рабочий процесс в циклонных камерах.

Решение поставленных задач осуществлялось на лабораторных

установках, схемы которых позволяли итерировать условия близкие к условиям в пристенных областях циклонных камер и смесительных устройств на входных участках,

Б целях упрощения исследования пристенных течений в циклонных камерах проводились на установке с криволинейными поверхностями с открытым рабочим участком. Правомочность такого приема объясняется незначительным влиянием ядра основного циклонного потока на пристенную часть течения, что подтверждено непосредственными измерениями и сопоставлением их с имеющимися опытными данными. Все измерения проводились в автомодельном режиме, который для вогнутых поверхностей, как показали опыты, наступает раньше, чем на плоской стенке из-за турбулиэирувдего влияния кривизны на- пристенную часть струи(рисЛ), Предварительные измерения выявили ряд общих и отличных от плоской стенки закономерностей. В частности, безразмерный профиль скорости не зависит от кривизны-и совпадает для обоих случаев. К отличаям относится более высокий уровень максимальных скоростей для одних и тех же условий истечения, изменение толщины вытеснения, рост статического давления по длине стенки. Установлено, что кривизна стенки влияет на закономерности внеакей и внутренней части струи и это влияние носит противоположный характер, а именно, стабилизирующее влияние на внеинюю часть и дестабилизирующее на'внутреннюю, что наглядно проявляется на закономерности расширения динамических границ струи(рис.2) и подтверждается измерениями иульсацион-ных составляющих. Аналогичные результаты получены и на шероховатых стенках. В целом из этих опытов следует, что струйный характер движения сохраняется при всех значениях шероховатости и кривизны, имеющих место в циклонных камерах, что было использовано при реализации конкретных технических решений.

Особый интерес представляет исследование спутных струйных течений, т.к. они ближе всего отражают реальную картину движения потоков в циклонных камерах. Интервал спутности "/я" [ отношение скорости потока к начальной скорости сщэуи ) в опытах соответствовал условиям, которые могут иметь место при реализации конкретных технологий. В опытах установлены предельные границы по величине спутности, при которых струйный профиль сохраняется на всем исследуемом протяжении (т.* 0,9 ) или быстро вырождается в профиль однородного потока 2,8 ). Интенсивность перемешивания струи и потока проверялась измерением осредненных и пульсаци-оноых характеристик скорости, так и дополнительно тепловым подкрашиванием струи. При этом выявлено, например, что кривизна сте-

нки делает закономерность падения максимальной скорости струи более пологой по сравнению с плоской стенкой. Спутность же при наличии кривизны проявляется в меньшей степени, что связано со стабилизирующим действием обоих параметров на внешнюю часть профиля ( рис.3 ). При одновременном влиянии спутности и кривизны определены условия завесного охлаждения стенки, при которых достигается как наилучшая защита поверхности от температурного воздействия, так и, наоборот, условия быстрого смешения двух потоков, Эффективность завесного охлаждения, характеризующая процесс смешении, определялась по изменению толщины теплового пограничного слоя. В такой обработке данные измерений для различной кривизны при«едены на рисунке 4. Одновременное влияние спутности и кривизны обобщается эмпирической зависимостью для эффективности, в которую входит толщина теплового слоя, спутность и относительная продольная координата. 3 такой обработке зависимость эффективности охлаждения проявляется в том, что при спутности больае единицы,она падает с уменьшением радиуса кривизны, а при спутности меньше единицы влияние кривизны практически не сказывается ( рис. 5 ).

Опытные данные и эмпирические зависимости использованы при разработке циклонных г.редтопков с газодинамической завесой. Расчет устройств проводится путем'определения эффективности завесы по параметрически заданным значениям температуры стенки, газового потока и струи. Затем это значение эффективности корректируется по эмпирическим зависимостям, из которых далее определяются геометрические параметры прэдтопка. Такой же подход использован также для оценки качества смешения газовых потоков в верхней части циклонной технологической камеры.

Стабильность работы циклонных камер и выходные параметры получаемых продуктов во многой зависят от качества смешения различных газообразных компонентов на входном участке камер. Обычно для этой цели применяются цилиндрические смесители с отверстиями, через которые отдельными поперечными струями подается одна из газообразных составляющих в сносящий основной поток во-, здуха или продуктов сгорания. Различие технологий, реализующихся в циклонных камерах, определяет широкий диапазон соотношения расходов струй С Çc) и основного потока ( Ç>n), которое находится в интернале от 0,07 до 0,8. Известные же данные получены для сме-

сителей камер сгорания газовых и парогазовых турбин и ряда газовых горелок, у которых диапазон находится в интервале от I до 10 и от 0,05 до 0,25. Поэтому рекомендации по смесителям этих устройств не могут быть однозначно использованы для расчета смесителей циклонных камер. Кроме того, они существенно отличаются и по одному из основных параметров смешения £ «

о г

.¿¿¿л -отношения плотности потока импульса струи и потока.

"В результате исследования, проведенного на модельной установке, определен ряд отличий по сравнению с условиями смешения потоков при истечении струи в свободный поток. В частности опытный коэффициент в известной формуле для истечении струй существенно отличается по абсолютному значению (0,83 вместо О,62).Выявлена более слабая зависимость глубины проникновения струи от диаметра отверстий для стесненного и свободного потока. Полученные данные обобщены в виде эмпирической формулы для определения глубины проникновения струи в зависимости от геометрических параметров смесителя и соотношения импульсов в широком диапазоне значений (от 1 до 100). Кроме того установлены оптимальные геометрические и динамические соотношения для различных интервалов отношения расходов реагентов. Обработка опытных данных позволила определить зависимость качества смешения от обобщенного комплекса « где 1?ес к Иеп -критерии Рейнольдса для ст-

руи и потока. В обобщенный комплекс входят основные определяющие параметры-относительный импульс, относительный размер смесителя и диаметра отверстий. В качестве примера эта зависимость приведена на рисунке 8. Как видно при такой обработке экспериментальные данные лскагся на одну кривую и наилучшее смешение наблюдается при —^>¡3.

Результаты исследования смесителей использованы на опыт -но-промышленных и промышленных циклонных установках, на которых они как правило играли определявшую роль в организации технологического процесса. В частности ото относится к практике регу -лирования качества смешения при организации низкотемпературно -го процесса обезвоживающей плавки карналлита на ьерезниковском титано-магниевом комбинате. Благодаря качественному смешению реагентов технически простым способом удалось получить достаточ -но равномерный температурный профиль потока на входе в циклон -ную камеру, что позволило вести плавку с выдачей плавленного, обезвоженного карналлита с допустимым по технологии содержанием балластного магния в окисленной форме. Это же смесительное уст-

ройство, как один из важных определяющих узлов, было применено на промышленных циклонных установках Северодонецкого и Челябинского металлургических заводов.

Четвертая глава посвящена исследовании и разработке конструктивных способов воздействия на рабочий процесс в циклонной камере. Один из таких способов основан на зависимости эффективности работы циклонных камер от условий взаимодействия газовых потоков с пленкой расплава. Поэтому в работе была поставлена задача по исследованию возможности целенаправленного движения жидкой фазы и её взаимодействия с газовым потоком с целью оптими -зирования конструкции циклонной камеры. Для исследования была выбрана циклонная камера с кольцевым каналом, которая наряду с положительными сторонами обладала высоким аэродинамическим сопротивлением и недостаточной надежностью. Эта конструкция оптимизировалась путем замены щелевого выхода из кольцевого канала на круглый, отказа от центральной вставки и ввода дополнительных экранных поверхностей в объем, что позволяло искусственно организовывать целенаправленное движение газов и расплава. Исследования на изотермической модели позволили выявить влияние размера выхода из кольцевого канала и экранных поверхностей на аэродинамическую структуру потока при движении жидкой пленки. Приближенное моделирование жидкой среды проводилось песочной шеро -ховагьстью путем введения'эквивалентной относительной шероховатости К_5 . Связь между ней и нагрузкой по жидкой фазе К ж обобщена ви виде К5 =0,025 Кж . Измерения составляющих скорости газового потока показали, что конструктивные, изменения влияют на их перераспределение, причем на кромках выходного отверстия появляются максимумы скорости. Модельные испытания позволили оп -ределить эмпирическую зависимость сопротивления камеры от соотношения площадей выхода и входа вих|',вого канала Евих/ Рвх и

нагрузки по жидкой фазе.

Формула справедлива в диапазонах:

Кц.0,35 - 0,34; =0,86 + 7,7 и (0,5*3).Ю5

- Сопротивление входного патрубка, определяемое в огневых

опытах. Графически эта зависимость представлена на рис. 9 в

координатах гвь'~ \ , из которого видно, что оптималь-

г/х

ное значение аэродинамического сопротивления достигается примерно при соотношении _ ~

Р*. ~ после чего оно резко повышается.

При этом соотношении выбирались параметры кооксиально выполненных экранных поверхностей, которые устанавливались на крыике и на выходе из кольцевого канала камеры. Нак показали эксперименты экраны оказывают влияние на деформацию аэродинамической структуры потока,способствующей дополнительному разбрызгиванию расплава и, соответственно, увеличению времени пребывания и технологической обработки материала. Образование центрального стока расплава вместо кольцевого дает возможность повысить надежность работы камеры. Технологические качества разработанной конструкции проверены в опытах при переработки германийсодержащих аргиллитов, которые окончательно выявили оптимальный вариант циклона с двумя двусветными экранными змеевиками для осуществления пла-вильно-возгоночного процесса. Такая конструкция камеры позволила снизить сопротивление на 30-40^, практически сохранив и даже улучшив технологические показатели ( кратность обогащения возгонов 23, потери со шлаком против 22 и в аналоге ). При этом повысилась надежность удаления шлака из вихревого расширения верхней части камеры. Огневые испытания подтвердили результаты холодного моделирования и возможность переноса данных изотермических опытов на натурные образцы.

Исследование взаимодействия газового потока с жидкой ванной, имеющей глубину накопления сродн существенно больяую, чем толщина пленки расплава на вертикальных стенках циклона, проведено на модельной установке, конструкция которой определена конкретной задачей по технологической обработке расплава в металлургическом агрегате. При этом выявлены условия управления динамикой вращения «перемешивания расплава, при которых ооеспечивается оптимальное соотношение между профилем скорости вращения жидкости и ка-плеуносом. Эти результаты использованы при разработке устройств, реализующих технологию ооработки жидких сред газовыми потокам:!.

В этой же главе рассмотрены вопросы выбора и разработки приемлемого спосооа подачи аэрошихтовой смеси в циклонную камеру. Конструктивное оформление последнего зависит от условий технологии осуществляемого в ней процесса. Для циклонных камер на кислородном дутье для переработки и сжигания сульфидных и углеродсоде-ржадкх материалов важным является обеспечение достаточной надежности шихтоподающего устройства и исключение абразивного износа стенок камеры. Известные устройства, используюаие эжектора,подвержены возгоранию шихты в токе кислорода в подающих патрубках.

Кроме того, они характеризуются высокими скоростями аэрошихтовой смеси, что вызывает истирание ограждающих стенок. При подаче шихты через аксиальные закручивающие устройства с низкими скоростями эти нежелательные явления устраняются, однако при этом снижается интенсивность процессов смешения, что сопровождается ухудшением технологических показателей. Поэтому было разработано устройство, которое сохраняло положительную сторону обычных тангенциальных эжекторов- высокую скорость ввода аэро -шихтовой смеси, но вместе с тем устраняло возможность воспламе -нения материала в подводящем патрубке и обеспечивало более равномерное смешение ¡шхты и кислорода до выхода в реакционный объем камеры, а также поддерживало достаточную крутку потока без снижения технологических показателей. Б этом устройстве реализована идея регулирования процесса смешения при движении аэрошихтовой смеси до ввода в реакционное пространство и в пределах его объема. Она была проверена в модельных исследованиях на из-термической установке, где была определена оптимальная конструкция устройства. Оптимизация производилась по минимуму абразив -ного износа контрольной пластины и сохранению прежнего уровня вращательных скоростей. Работоспособность устройства подтверждена в огневых стендовых опытах, в которых проводилось сжигание экибастузского угля на воздушно-кислородном дутье.

В технологических процессах переработки и сжигания горючих материалов на воздушном и воздупно-кислородном дутье, когда опасность преждевременного воспламенения и сгорания подводящих патрубков отсутствует, конструкция загрузочных устройств может быть упрощена. Известные шихтоподаицие устройства с аксиально-закручивающей или, тангенциальной подачей сложны по конструкции и не дают достаточно эффективного смесеобразования или соправож-даются абразивным износом ограждающих поверхностей. К тому же при тангенциальной подаче для нормальной работы эжектирующего устройства необходимо повышенное давление и расход несущей среды, что снижает надежность работы и эффективность сжигания топлива в верхней части циклона. С этих позиций для данного случал оптимизационные разработки устройства производились исходя из условия обеспечения минимального расхода транспортирующей среды (около Ъ%) и полного исключения абразивного износа ограждающих поверхностей. В модельных изотермических и стендовых опытах были апробированы конструкции устройства с наклонной подачей аэро-

шихты в основной поток газов на входном участке камеры, Оптимальный вариант имел угол подачи шихты 20+30°. При этом расход первичной (несущей среды) составлял около от общего расхода воздуха, ¿тот вариант использован на опытно-промышленных цик -лонных камерах для переработки углистого сырья и синтетических сталерафинкроночных шлаков.

В пятой главе изложены результаты стендовых и опытно-про -мьшенных испытаний циклонной плавки тугоплавких материалов на воздушно-кислородном дутье. Использование кислорода, наряду с существенной интенсификацией горения топлива и протекания химических реакция, вносит рад проблем, присущих высокотемператур -ним процесса).!. Это прежде всего обеспечение надежности работы циклонных установок, связанной с выбором оптимального конструктивного варианта камеры, разработкой.: системы охлаждения внутренних поверхностей, способов подачи материалов и удаления продуктов главки, а также определением оптимальной степени обогащения дутья кислородом и т.д.Отмеченные проблемы, реаались при проведении комплекса работ по циклонной плавки синтетических сталерафинировочных шлаков, сжиганию экибастузского угля с жидким акакоудалением с получением ферросилиция, плавлению вольф-рамсодержзддах отходов производств.

Исследования по циклонной плавке синтетических., шлаков предусматривали проведение опытных плавок различных глинеземсодер-жащих отходов производств для определения возможности их применения в качестве технологического сырья. В процессе опытов проводился выбор и оптимизация конструкций и элементов циклонных камер. В предварительных опытах установлено, что надежное плавление инертных тугоплавких материалов можно осуществить только с использованием дутья, обогащенного кислородом. При этом циклонные камеры дают возможность-использовать для выплавки синтетических сталерафинировочпых шлаков дешевые алюмишйсодержащие отходы металлургических производств. Существующие же технологии для этих целей могут применять только дефицитные смеси глинозема и извести.

3 опытах lia воздушно-кислородном дутье с применением раз -личных отходов производств, состоящих из алюмокальцезых материалов, в том числе доменных ыланов, определен оптимальный интервал степени обогащения кислородом смеси, равный 30-315. При этом достигался относительно высокий по сравнению с воздушным дутьем удельный расход шихты (12,5т/м3 против 2,5+5,0?/мчч).

В опытах установлено, что такое существенное повышение удельной производительности на кислородном дутье обеспечивает надежное уд- . аление расплава и улучшает условии защиты стенок от перегрева. Подача кислорода упрадает требования к качеству распыла топлива без снижения температурного уровня потока. Однако одновременно возникает проблема, связанная, например, с качеством смещения кислорода, воздуха и топлива; надежности охлаждения стенок в условиях высоких температур газовой среды, превыдающей 2000 и; способов подачи материала и удаления продуктов плавки. При повышенной неравномерности смещения потоков возможно образование зон с избытком кислорода вблизи водоохлажцаемых поверхностей. От этого возникает опасность прямого контакта металла с кислородом, что может повлечь за собой пережог стенок. Аварийная ситуация может возникнуть и при высокой тепловой форсировки и низкой производительности, когда на части поверхности могут возникнуть места без надежного гарниссажного покрытия. Ка воздушном дутье такая картина не наблюдается и циклонная камера может работать без подачи шихты в течение длительного вргкени. Поэтому при применении кислорода необходимо для каждого конкретного сырья определять оптимальный тепловой режим, который обеспечит надежное покрытие стенок-гарниссажем. Качество смешения кислорода с воздухом необходимо также для обеспечения технологических показателей, в частности, для полноты выгорания серы при плавке синтетических шлаков или реак-'. ции окисления вольфрама при переработке вольфрамсодержащих материалов. Отмеченные факторы при использовании воздушно-кислородного дутья обусловили выбор конструктивного варианта циклонной камеры. Опыты показали, что из-за высокой производительности и тепло-напряженности камеры на кислородном дутье её конструкция должна бить как можно более простой. ^ учетом этого приемлемой конструкцией оказалась цилиндроконическая камера, которая была реализована в опытно-промышленном варианте. В ней использованы вариант подачи шихты через наклонные устройства и цилиндрический смеситель кислорода, воздуха и топлива, благодаря которым в верхней части циклона достигаются требуемые по технологии условия. Подача кислорода и, соответственно, высокий уровень температур предопределили необходимость усовершенствования способа охлаждения стенок циклонной камеры. Как показали разработки и дальнейшие испытания наиболее пригодным вариантом являются стенки из медных блоков. На опытно- прометанных испытаниях в качестве топлива прикенпл-

ся природный газ. При этом возникла проблема повышенного уров -ня шума при воспламенении газа во входном патрубке. Поэтому проводились также усовершенствования конструкции входного патруб -ка и горелочного устройства для снижения уровня шума до допустимого значения.

Плавильная способность циклонных камер на воздушно-ккелород-ном дутье при переработке горючего материала проверялась в опы -тах по энерготехнологическому сжиганию экибастузского угля с целью извлечения из него ферросилиция. Степень обогащения дутья кислородом доводилась до о0%. Температура газовой среды при этом составляла вше 20С0°С, а температура шлака около 1600°С. При проведении этой работы была разработана новая система подачи материала, которая обеспечивала как его надежную траспортировку в присутствии кислорода, так и возможность проведения требуемого по технологии режима с созданием в реакционном объеме областей с требуемым составом среды и уровнем температуры.

На основании стендовых исследований и оптимизационных разработок составлены рекомендации, выполнен проект и изготовлена опытно-промышленная установка для выплавки синтетического стале-рафинировочного шлака на Челябинском металлургическом комбинате. Она рассчитана на производительность 5 т/ч состоит из циклонной камеры цилиндроконической формы; разделительной камеры; электропечи, выполняющей роль миксера-накопителя расплава жидкого шлака; вспомогательных узлов подачи топлива, материала, воздуха и • кислорода, узлов утилизации тепла и улавливания пыли к тягодутье-вых машин. В результате серий пуско-наладочных и опктно-прокьгл-ленннх испытаний отработаны основные узлы установки, показана её работоспособность и возможность выплавки жидкого синтетического шлака, состав которого полностью соответствовал требованиям стандартной технологической инструкции предприятия. Шихта состояла

из отходов производств (65/о известковой пыли и 35% глиноземсо -держащего продукта). Полученным шлаком обработаны различные марки стали (3,20,45). Степень обессеривания ( десульфурации) стали была в интервале от 47 до 67%, Зти значения были аналогич -ными тем, которые имело производство при использовании обычного шлака, получаемого в шлакоплавильных печах из дефицитного сырья.

3 результате испытаний на опытно- промышленном уровне подтверждена правильность изложенного подхода по оптимизации циклонных- установок, основанного на активном воздействии на рабочий

процесс направленного движения газодисперсных потоков, а также. изменения конструкций и элементов циклонных камер. Все разработки установки для выплавки синтетического сталерафиниро -вочного шлака выполнены на Ъснопе авторских свидетельств на изобретения.

В шестой главе рассмотренно решение практических задач по оптимизации конструкций и технологии циклонной плавки германий-со,держащих материалов в стендовыхиопытно-промышленных условиях. В основном эти задачи решались при исследовании и реализации циклонной плавки и сжигания германийсоцержащвй ангренской золы, углистых аргиллитов и угля, которые представляют наибольший практический интерес для производства германия.

В стендовых опытах при плавке ангренской золы испытывалось несколько конструкций циклонных камер, на которых алробирова -лись указанные выше способы воздействия на протекающий процесс. При этом проводилось усовершенствование элементов и конструк -ций циклонных камер, а также выбор оптимальных режимов, обесле-' чивающих приемлемые соотношения мевду удельной нагрузкой по шихте, пылевыносу и технологическим показателям плавки. В опытах показано, что наилучшие показатели имеют циклонная коническая ,камера и камера с вихревым экраннированным каналом. :0ни обеспечивают более высокий температурный уровень обработки частиц шихты и эффективную доработку шлака в пристенном слое. В оптимальных режимах при плавке золы кратность обогащения возг.онов германием достигала 35, а потери не превышали что объясняется обеспечением условий для увеличения времени пребывания частиц за счет удлинения траектории их движения в объеме. Запыленность газов непосредственно за циклонной камерой составля -ла 5тСЗ г/нм3. В опытах определены оптимальные варианты подачи шихты, воздуха и топлива. Наряду с высокими технологическими показателями конструктивное оформление этих камер обеспечивало . наименьшее аэродинамическое сопротивление. Коэффициент сопротивления камер конической и с вихревым экранированным каналом составлял соответственно 3,2 и 2,9 против 7,9 для камеры с цент -ральнойовставкой, при этом^статическое давление на входе - 10+ 14 кн/м'" против 1с5+19 кн/ы*",

В связи с существенным влиянием уровня температур в верхней части циклона на технологические показатели проводились оптимизационные проработки узла предварительного воспламенения и стабилизации горения топлива. При этом в результате лаборатор-

них и стендовых исследований была разработана ноаая конструк -ция циклонного стабилизатора горения. Благодаря наличия в нем вихревого движения потока, повысилась устойчивость воспламенения и полнота; сгорания топлива. Температура газов на выходе из циклонного стабилизатора горения достигала 1550-1бС0°С,, что на 200-300°С выше значений, которые имели место в применяемых ранее стабилизаторах с прямоугольными карманами. В опытах показана возможность использования нового стабилизатора для улучшения технологических показателей при переработке углеродсодержащего материала (аргиллитов и углей), а также как узла предварительной термообработки вводимого в камеру материала в условиях низких значений коэффициентов избытка воздуха (0,65-0,75). 3 последнем случае расход топлива снижается примерно в 1,5-2 раза по сравнению с ранее полученными данными при переработке аргилли -тов в циклонной камере с прямоугольным стабилизатором горения. Технологические показатели при этом остаются высокими. Потери металла со шлаком на 2-3$ меньше, чем на промышленной установке, а кратность обогащения возгонов находилась в интервале от 17 до 20.

Стендовые оптимизационные проработки были проведены и реализованы на промышленной циклонной устанозке Северодонецкого химметзавода. В результате опытно-промышленных испытаний прежде всего был;- найден оптимальный вариант загрузки шихты в циклон- ■ ную камеру через наклонные шихтоподающие устройства. Они позволили устранить абразивный износ стенок камеры и интенсифицировать процесс возгонки германия (извлечение германия увеличивалось на 1,1%). В опытно-промышленных условиях подтверждена также возможность интенсификации технологического процесса в цик -лонной камере с вихревым экранированным каналом. При этом отрабатывалась система стабилизации горения топлива в стабилизаторах горения, состыкованных с основной камерой, и механизм дожигания образующихся газов, позволивших держать содержание углерода в возгонах на уровне технологического стандарта, не выше 0,2$.

Эффективность воздействия струйных потоков на рабочий про. цесс была алпробирована в стендовых условиях при переработке сернистых тарбагатайских углей с пониженным. содержанием германия. Цель стендовых опытов, помимо .основной по отработке техно логии и выбрру конструкции камеры,1 заключалась в определении

.возможности снижения выхода окислов серы путем ввода кальций-содержащих материалов непосредственно в огневое пространство циклонной камеры. Для сопоставления в одном случае уголь под-шихтовывался известняком, в другом известняк через улиточный подвод вводился струйным потоком в определеннуг) зону циклонной камеры. Как показали опыты при подшихтовке известняка в приемлемом диапазоне (около 555) выход оксидов серы снижается в среднем на 20%. При струйном вводе известняка в объем циклонной камеры уровень оксидов серы в отходящих газах снизился в 1,5*2 раза. Такая разница мезду двумя способами воздействия известняка на процесс объясняна. тем, что при подшихтовке большая часть извести отбрасывается за счет центробежного эффекта к стенке , где взаимодействует со шлакообразующими соединениями и практически теряется, не вступая в химическую реакцию с серой. В другом способе при струйном распиливании извести создаются благоприятные условия для взаимодействия извести с серой в газовой фазе, а только потом она отбрасывается на стенку и взаимодействует со шлаком. При таком способе организации процесса получены также и наилучшие технологические показатели: кратность обогащения возгонов около 40, потери германия со шлаком -2*4$ (лри-переработке аргиллитов соответственно- 22 и Ь%), что объясняется связыванием части оксидов кальция серой и уменьшением потерь ' германия в виде германалов кальция со шлаком. В связи с тем, что эффективность этого способа очевидна, он был заложен в рекомендациях для проектирования и создания циклонной установки на Читинской ТЗЦ-2 для сжигания тарбагатайских германийсодержацих углей.

В седьмой главе представлены результаты исследования по сжиганию топлива в циклонной камере с газовой завесой. Дано обоснование задачи исследования, связанного с возможностью расширения области применения циклонных камер в топочной технике. Циклонные камеры с обычной аэродинамической структурой используется для переработки и сжигания энерготехнологического сырья и топлива с жидким шлакоудалением. В топочной технике это наклады -вает определенные ограничения на область применения циклонных камер, т.к. в большинстве случаев эффективность сжигания достигается только при сухом золоудалении. Вышеприведенные разработки по струйному воздействию на циклонный процесс позволили решить эту проблему путем создания циклонных предтопков с газодинамической завесой. Такая конструкция камеры позволяет осуществ-

лять термообработку и сжигание угля с сухим золоудалением. При этом в объеме камеры создаются различные по температуре и составу газовой среды зоны, в которых твердые частицы топлива проходят стадии нагрева, химического реагирования и частичного охлаждения до твердого состояния, после чего покидают реакционный объем.

Такая схема сжигания угля проверялась в стендовых опытах на циклонной установке, в которых определялась конструкция циклонного предтопка и режимные параметры для осуществления процесса. В предварительных опытах использовался экибастузский уголь зольностью 41%. 3 них была определена работоспособность циклонного предтопка в широком интервале изменения расхода угля ( от 150 до 700 кг/ч) и коэффициента расхода воздуха ( от 0,44 до 1,4). Распределение температур в поперечных сечениях предтоп -на (Рис.8 -IÓ) и по его длине показывает, что процесс термооб -работки и горение угля протекает практически в большей части объема камеры, а профиль температур за счет аэродинамической специфики имеет ярко выраженный пик в центральной части с рез -ким падением к переферии. Такая закономерность с одной стороны обеспечивает устойчивость термообработки и горения угля при недостатке воздуха, с другой-выход материала в твердом виде.

«Данные по распределению температур и мехнедожогу после выхода смеси из циклонного предтопка (Рис.11-12) были получены в опытах на факельном стенде при сжигании борлинского угля с примерно такой же зольностью, как экибастузский (43$). 11а выходе профиль температур имеет ярковыраженный максимум (более 1200°С), который постепенно сглаживается, а уровень температур падает. Максимум температур находится на расстоянии 0,5-2-х калибров от среза выхода циклонного предтопка, смещаясь в этом интервале в зависимости от выбранного режима. Высокий уровень температур в сечениях 0,5+2 калибра свидетельствует о частичном сжигании угля в объеме предтопка,повышении полноты сгорания углерода топлива и, соответственно, снижении недожога по сравнению с тем, когда используются обычные горелки.

Результаты опытов показали целесообразность переноса процесса термической обработки топлива и частичного сжигания за пре -делы топки котла. При этом повышается эффективность сгорания топлива, а также, как показали предварительные данные, появляется возможность снижения уровня выхода оксидов азота. Поэтому испытания предтопков были перенесены в опытно-промышленные ус -

ловия на Целиноградскую ТЭЦ-1. Они были испытаны для сжигания смеси лылей борлинского угля и карагандинского промпродукта, на котле ЕКЗ-50, а также мазута на котле ПГБМ-ЮО. На пылеугольном котле была подтверждена возможность работы предтопка, как устройства для предварительной термообработки топлива и улучшения смешения его с воздухом. На мазутном котле испытания доведены до внедрения предтопков на двух котлах, где было достигнуто увеличение тепловой нагрузки до 100 Гкал, а также уменьшен удель -ный расход мазута на I Гкал примерно на Ь%.

Результаты исследования показали, что циклонные предтопки с газодинамической завесой могут быть использованы с достаточ -ной эффективностью для сжигания угля в широком интервале режимных параметров, а также применены для предварительного смешения и термообработки пыли перед подачей в топку котла. Эти качества дают основание на то, что они могут быть использованы как уст -ройства для предварительной термохимической обработки в различных схемах многоступенчатого сжигания топлива с целью снижения экологически вредных выбросов и повышения эффективности горения-топлива. Эта схема была разработана и проверена в стендовых условиях с использованием кузнецкого угля. Для этого были проведены серии опытов, в которых осуществлялся поиск оптимального конструктивного варианта технологической схемы установки и режимов ведения процесса. В результате получена работоспособная конструкция циклонного предтопка применительно к кузнецкому углю, а также узлы технологической схемы всей устаноки. Опытным путем устанввлена возможность термообработки и горения кузнецкого угля в циклонном предтопке с газодинамической завесой, обеспечи -вающей сухое золоудаление. Реализация двухступенчатой схемы сжигания угля с циклонным предтопкоы позволила получить концентрацию оксидов азота в уходящих газах-300*360 ыг/м3, оксидов серы-200 ыг/м3. При этом недожог топлива составлял -2*4%, & коэффи -циент расхода воздуха в предтопке не превышал значение 0,5. Результаты работы в виде рекомендаций и технического задания переданы заказчику работы - ПОЭиЭ Адтайэнерго.

Выполненные исследования и разработки циклонных предтопков для скигани-я топлива подтвердили правильность изложенного подхода по усовершенствованию и оптимизации циклонных камер. Они позволяют сформулировать общий подход по разработке новых техни -ческих решений проблемы термообработки и сжигания топлива в выносных устройств«.

В восьмой главе изложены основные положения руководящих технических материалов (РГМ) по расчету эиерготехнологических . циклонных установок для плавильно-возгоночных процессов. Они составлены в результате обобщения большого, объема научных данных КазПИИЭнергетики и других организаций расчетного и экспернмен -тального плана по циклонной тематике и пригодны для инженерного расчета всей технологической линии циклонной установки. FTM имеет отраслевой характер, согласованы и утверждены на уровне за -. местителей министров энергетики и цветной металлургии бывшего СССР.

РГМ состоит из разделов: общие положения; характеристика энерготехнологической линии циклонной установки; порядок расчета; пример расчета циклонной установки для возгоночных процессов.

В общих положениях изложены соображения по границам применимости РГМ. Показаны особенности составленной методики и при -ведены какие исходные данные необходимы для расчета циклонной установки.

В следующей разделе представлена подробная характеристика всех узлов энерготехнологической линии циклонной установки, включая циклонную камеру со лспоыагательными узлами, систему воздушных и газоходных линий с теплоиспользующими устройствами, тя-годутьевое оборудование, систему очистки газов от пылевыноса 'и др.. Все рекомендуемые для включения в технологическую линию типы устройств, элементы, конструктивные и режимные параметры прошли длительную аппробацию в стендовых и опытно-промышленных условиях на реальных объектах.

В разделе "Порядок расчета" приведены какие исходные дан -нив должны быть заложены в основу расчета. Представлены обоснование и порядок предварительного расчета циклонной камеры для переработки конкретного сырья. Даны сведения по расчету конструктивных и режимных параметров установки с использованием полученных результатов данной работы и других авторов.

В завершения PIM приводится конкретный пример расчета циклонной установки применительно к условиям переработки углистых аргиллитов на опытно-промышленной установке.

Руководящие технические материалы прошли аппробацию по элементам и в целом при разработке исходных данных для проектирования и изготовления стендовых,и опытно-промышленных циклонных установок для переработки и сжигания различного сырья и топли -ва, в том числе для предприятий реднометаллической промышленности, Челябинского металлургического и Березниковского титано-маг-ниевого комбината. Читинской ТЗЦ-2 и др.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В результате проведения данной работы выполнен комплекс • исследований, имеющих важное народнохозяйственное значение, направленный на разработку конструкций циклонных камер с регулируемым рабочим процессом. При этом проводилась оптимизация режимных и конструктивных параметров плавильно-возгоночных циклонных установок на воздушном и воздушно-кислородном дутье с целью повышения эффективности переработки сырья с ухудшенными качественными характеристиками, в частности, повышенной тугоплавкостью и низким содержанием ценных элементов. Основными итоговыми критериями, на которые были направлены как сами исследования закономерностей процесса, так «оптимизационные разработки, являлись технологические показатели, надежность в эксплуатации, удельная производительность, оптимальное аэродинамическое сопротивление циклонной камеры, минимальный пылевынос, состав отходящих газов, отвечающих требованиям технологии. Эти критерии

в своей совокупности характеризуют работоспособность циклонных камер и их оптимальное исполнение. В свою очередь, они зависят от факторов, которые непосредственно влияют на отдельные стороны циклонного процесса и определяют в конечном итоге режимные к конструктивные параметры установки. Выявление таких факторов и разработка способов активного воздействия и(.ги на протекание технологического процесса определило цель и задачи данной работы.

2. При решении поставленных задач разработаны и применены способы активного газодинамического воздействия струйных потоков и направленного движения расплава на протекающий рабочий процесс, а также оптимальные способы подачи материала в реакционный объем циклонной камеры. Реализация газодинамических способов воздействия осуществлялась путем установки смесительных устройств на входном участке циклонной камеры,конструктивных решений а топочных узлах, путем регулирования параметров движения струйных потоков вдоль стенок камеры. Воздействие на расплав осуществлялось как в самой циклонной камере организацией направленного движения пленки и изменения времени её пребывания в камере за счет конструктивных решений,, так и увеличением времени тепловой обработки расплава путем создания узлов накопления расплава в камере или отдельном устройстве,например,электропечи. Выбор оптимального способа ввода дисперсного материала осуществлялся путем разработки новых вихтоподающих устройств и ориентирования загрузочных патрубков в выбранное место циклонной камеры в зависимости от степени обогащения дутья кислородом и тре-

бований процесса по технологическим показателям, надежности и достижения минимального пылевыноса.

3. Экспериментальные исследования и разработки проводились и аппробировалксь на лабораторных моделях и огневой стендовой установке с использованием различного сырья и последующей реализацией результатов при проектировании и создании опытно-промышленных циклонных установок.

4.Основными результатами работы конструктивного плана являются разработки

-смесительных устройств перед циклонной камерой; -узлов сжигания топлива при переработке углеродеодержаще -го сырья;

-газодинамического способа воздействия и защиты на криво -линейных поверхностях циклонных камер;

-новых способов и конструкций загрузочных устройств; -конструкций циклонных камер для оптимальной возгонки соединений и плавления исходного материала;

-конструкции выносных предтопков для термообработки и сжигания топлива.

Практически все разработки защищены авторскими свидетельствами на изобретения (18 изобретений).

5. Полученный объем экспериментальных и расчетных данных в сочетании с имеющимся большим объемом результатов ранее проведенных исследований в институте и других организациях обобщен в виде руководящих технических материалов по расчету энерготехнологических циклонных установок для осуществления плавильно-возгоночных процессов. Руководство представляет собой инженерный расчет всей технологической линии циклонной установки и включает в себя методические указания по выбору конструктивных и режимных параметров установки и состоит из термодинамической оценки возможности осуществления требуемых реакций процесса , поверочного расчета, расчетных и экспериментальных формул, справочных/ материалов и т.д. Разработанное руководство позволяет вести целенаправленное исследование и сокращает сроки проведе -ния работ. В отдельных случаях РТМ дает возможность исключить этап лабораторных и стендовых огневых испытаний и позволяет : переходить сразу к этапу предпроектных разработок с выдачей данных для проектирования и изготовления опытно-промышленного образца. Методика расчета, изложенная в руководстве, использована в разработке предпроектных данных для проектирования опытно-

промышленных циклонных установок по переработке синтетических сталерафинировочных шлаков и германийсодержащих материалов для осуществления возгоночных процессов. Отдельно её положения применены для расчета циклонного предтопка для термообработки и сжигания топлива и узлов других технологических, уста -новок, в частности, для переработки карналлита и сульфидного сырья. Сравнение результатов расчетов с данными испытаний опытно-промышленных образцов показали надежность предложенной методики и приведенных эмпирических данных.

6. Результаты проведенного комплекса работ использованы при проектировании и изготовлении опытно-лромшиенных циклонных установок и отдельных узлов на Челябинском металлургическом, Березниковскои титано-ыагниевоы к Иртышском полиметаллическом комбинатах, а также при усовершенствовании циклонной плавки на Северодонецкоы химико-металлургическом заводе, а результате которого получен существенный экономический эффект (см. приложе -ние).

Кроне того, полученные данные использованы при создании циклонных предтопков на Целиноградской ТЭЦ-1 для сжигания уг -ля и мазута. На котлах ЕГВМ-ЮО существенно повышена эффектов -ность сжигания мазута. Теплопроизводительность котла доведена до 100 Гкал/час, удельный расход мазута на выработку одной ги-гакалории снижен на

7. Полученные данные, а также разработанный подход для решения практических задач, могут иметь широкую перспективу для дальнейшего применения эффективного циклонного принципа для переработки измельченных и пылевидных материалов в связи с общей тенденцией обеднения металлорудного сырья и накопления отходов производств, содержащих ценные соединения и металлы с такой концентрацией, которая не позволяет с экономической точки зрения использовать большинство традиционных современных устройств для их извлечения. Другой сферой приложения является то, что результаты работы и в целом подход оптимизационных разработок мохно использовать в создании аппаратов в топочной технике для термообработки и газификации различных топлив с целью повыше -ния эффективности их сжигания и удушения экологических пара -метров выводимых газообразных продуктов, а также применения в технологических целях.

Основные публикации по теме диссертации:

1. Зубарева Л.И., Кожахмегов Д.Б. Исследование аэродинамической структуры пристенной струи над криволинейной поверхностью

В кн.: Девятов Всесоюзное совещание по технологическим компгц дексным проблемам. Тезисы докл. МэИ, М., 1976, с.77.

2. Кожахметов Д.Б., Зубарева Л.И. Экспериментальное исследование аэродинамики турбулентных струй, распространяющихся вдоль криволинейных вогнутых поверхностей В кн.: Проблемы теплоэнергетики и прикладной теплофизики, вып. 12. Алма-Ата "Наука", 1977, с. Ь0-ъ4.

3. Зубарева Л.И., Кожахметов Д.Б. Экспериментальное исследование струи со спутным потоком вдоль криволинейной поверхности. В кн.: Девятое Всесоюзное совещание по энерготехнологическим циклонным процессам. Тезисы докладов ЮИ., 1976.

4. Кожахметов Д.5., Зубарева Л.И. Экспериментальное исследование струи со спутным потоком вдоль криволинейной поверхности. В кн.: Модельное исследование топочных устройств М., 1979, с. 153-161. ■

5. Зубарева Л.И., Кожахметов Д.Б. Экспериментальное исследование пульсациснных характеристик плоской струи со спуткым потоком вдоль криволинейной поверхности циклонной камеры. В кн.: Всесоюзное совещание по математическому моделированию и управлению высокотемпературными процессами в циклонных и вихревых аппаратах. Тезисы докладов-Одесса: ОШ, 19а0, с 15.

6. Кожахметов Д.Б., Зубарева Л.И. К выбору характеристик газовых смесителей энерготехнологических цикленных установок

В кн.: Всесоюзное совещание по математическому моделированию и управлению высокотемпературными процессами в циклонных и вихревых аппаратах. Тезисы докладов-Одесса: ОПИ, 1&Ю, с. 15.

7. Зубарева Л.И., Кожахметов Д.Б. и др. Исследование смесителей технологических циклонных камер. В кн: Высокотемпературные энерготехнологические процессы и аппараты, М,, 19ь0, с. 53-60.

а. Кожахметов Д.Б., Кузнецов Л.К., Воинов С.Г. и др. Циклонная плавка сталерафинировочных синтетических шлаков В кн.: Высокотемпературные энерготехнологические процессы и аппараты, И., 19ь0, с. 47-53.

9. Кожахметов Д.Б., Зуб 1 лева!.И. Экспериментальное исследование влияния пероховатости стенки на осредненнке и пульса-ционныя характеристики струи, распространяющейся вдоль криволинейных поверхностей, В кн.: Аэродинамика и теплообмен топочных горелочкых устройств. Сб. трудов-ЭНЙН им. Кржижановского, М., 19о1.

10. Кузнецов Л.Н., Воинов С.Г., Кожахметов Д.Б., Наворон-ков К.П. Циклонный способ выплавки синтетического шлака. Металлург, # 9, 1931, с. 24-25.

11. Галочкин Н.И., Кожахиетов Д.В., Исследование рабочего процесса циклонной камеры, предназначенной для возгоночных процессов. В кн: Сжигание энергетического топлива и топочные процессы. М.э 1931, с, 92-100.

12. Кожахиетов Д.Б., Галочкин Н.И. и др. Исследование струйных течений потоков газовых, жидких и дисперсных сред в объеме и вблизи криволинейных поверхностей циклонных камер. Доклад на выездной сессии Научного совета по комплексной проблеме "Теплофизика" АНСССР Алма-Ата, 19э2.

13. Кузнецов Л.К., Воинов G.F., Кожахиетов Д.Б, Циклонная плавка сталерафинировочных синтетических шлаков. В кк.: Всесоюзная научно-техническая конференция. Теория и практика циклонных технологических процессов в металлургии и других отраслях промышленности. Тезисы докладов. Днепропетровск, I9d2, с. 5657.

14. Кузнецов Л.К., Голикоэ Е.С., Воинов С.Г., Кожахметов Д.Б. Циклонная плавка синтетических шланов. Сталь, № 7, 1932, с.30.

15. Кожахиетов Д.Б. К вопросу оптимизации и перспектив, применения энерготехнологических циклонных камер В кн.: Пыле -угольные топочные и горелочные устройства (стендовые испытания). М., 1963, сс Ы)-93.

16. Кожахметов Д.В. К техническому расчету энерготехноло -гических циклонных установок. В кн.: Пылеугольные топочные и горелочные устройства С стендовые испытания) М., 1933, с. 93 -106.

17. Вдовенко il.H., Галочкин Н.Й., Кожахметов Д.Б. и др. Изучение сжигания угля с восстановлением минеральной части на огневой модели. В кн.: Первый Всесоюзный симпозиум по макрос ~ копической кинетики и химической газодинамике. Тезисы докла -дов. Т.1, ч.1, Алма-Ата-Черноголовка 19У4.

lb. Вдовенко Ы.И., Кожахметов Д.Б, Чурсина Н,Я. и др. Малоотходный способ сжигания угля. В кн.: Всесоюзное совещание "Малоотходные технологии в энергетике как средство защиты окружающей среды и повышения эффективности топливоиспользования". Тезисы докладов М., 1934, с. 1II—112.

19. Зубарева Л.И., Кожахметов Д.Б., Галочкин H.H., Орумба-ев Р.К. Особенности работы входного участка энерготехнологиче-сних циклонных камер. В кн.: Теплотехнические исследования работы котлов на низкосортных углях. М., 1985, с. 67-73.

20. Вдовенко М.И., Галочкин Н.И., Кожахметов Д.Б. и др. Изучение процесса сжигания экибастузского угля -в циклонной камере с восстановлением минеральной части. В кн.: Теплотехнические исследования работы котлов на низкосортных углях. М., 1985, с. 59-67.

21. Галимжанова Н.Р., Кожахметов Д.Б., Экспериментальное исследование взаимодействия газового потока с жидкостью в ванне- накопителе. В кн.: Гидродинамические сопротивление и теплообмен в энергоустановках. М., 1986, с. 159-164.

22. Кожахметов Д.Б., Галочкин Н.И. и др. Экспериментальное исследование пламенной термообработки твердого топлива. В кн.: Топочный процесс при сжигании низкосортных топлив. Ы., 1983, с. 68-75.

23. Руководящие технические.материалы по расчету энерготехнологических циклонных установок для плавильно-возгоночных процессов. М., 1988.

24. Кожахметов Д.Б. К'вопросам-интенсификации и регулирования циклонных процессов и аппаратов. Энергетика и топливные ресурсы Казахстана, i 4, 1993, с. 51-68, Алматы.

25. Кожахметов Д.Б, Термообработка топлива в выносных устройствах с циклонными предтопками. Энергетика и топливоэнерге-тические ресурсы Казахстана. Алматы, № 2,1994,с. 47-52,

26. Кожахметов Д.Б. Итоги исследований и разработка циклонного энерготехнологического агрегата для переработки неорганического сырья. Энергетика и топливоэнергетические ресурсы Казахстана. Алматы, № 3, 1994, часть 2, с. 47-52.

27. A.c. 377603. Способ газодинамической защиты элементов футеровки металлургических агрегатов. Еалфанбаев Э.А., Вьменс-кий В.В., Кожахметов Д.Б. и др.,' 1973.

28. A.c. 790806, Способ и устройство для переработки сульфидных медно-цинковых концентратов в циклонной камере. Панарин D.A., Кожахметов Д.Б. и др., 1980.

29. A.c. 841357. Агрегат для выплавки синтетического шлака. Кузнецов Л.К., Голиков Е.С., Кожахметов Д.Б. и др., 1981.

30. A.c. 865927. Способ выплавки синтетического шлака. Кузнецов Л.К., Воинов С.Г., Жаворонков К.П., Зинуров ИД). Кожахметов Д.Б. и др., 1981.

31. A.c. 875867. Энерготехнологическая циклонная камера. Галочкин H.H., Ковальчук Г.Н., Кожахметов Д.Б. и др. 1981.

32. A.c. 967160. Энерготехнологическая циклонная камера. Кочетков О.П., Кожахметов Д.Б,, и др., 1982.

33. A.c. 1055225. Устройство для выплавки сульфидных материалов. Соколов А.И., Кожахметов Д.Б. и др., 1983.

34. A.c. 1056697, Циклонный агрегат. Кожахметов Д.Б., Зубарева Л.И., Скворцов'Ю.И. и др., 1983.

35. A.c. I06I346. Способ переработки германийсодержащего сырья в циклонных камерах. Кожахметов Д.Б., Скворцов D.H. и др., 1983.

36. A.c. 1098268. Энерготехнологический циклонный агрегат. Кожахметов Д.Б., Галочкин H.H., Орумбаев Р.К., 1984.

37. A.c. II76683. Циклонная энерготехнологическая камера. Соколов А.И., КЬжахметов Д.Б., Скворцов Ю.И., 1985.

38. A.c. I2I8692. Способ окончательного обезвоживания карналлита и устройство для его осуществления. Кожахметов Д.Б,, Кочетков О.П., Панарин Ю.А. и др., 1985.

39. 1327545. Устройство для окончательного обезвоживания карналлита. Кожахметов Д.Б., Галочкин Н.И., Панарин Ю.А. и др., 1987.

40. A.c. 1363869. Агрегат для пирометаллургической переработки германи {¡содержащего углистого сырья. Кожахметов Д.Б., Каут Г.Г., Скворцов Ю.И. и др., 1987.

41. A.c. I4I5792. Агрегат для переработки низкореакционного углеродсодержащего сырья. Кожахметов Д.Б., Скворцов D.H., Бараней В.Н. и др., 1988.

42. A.c. 1644593. Энерготехнологический циклонный агрегат. Кожахметов Д.Б. и др., 1990,

43. A.c. 1807734. Способ переработки углистого германий-содержащего сырья и устройство для его осуществления. Кожахметов Д.Б., 1991. ( Решение о выдаче патента Российской ряции от 23.03.92. ).

44. Кожахметов Д.Б. Циклонная топочная камера. Рет^ние. о выдаче предпатента Республики Казахстан по заппк» 940004.1 от 03.06.94.

Практическое приложение

-Г

*» ! 1 i

i

i

Название способов и разработок

Ыесто реализации 1ехзадание1 Условия

проект, t отчет Г I

_!

-!

(

-1-т

стендовые ¡опыт.пром. |

Показатели,параметры

I t

!

!

I Струйное управление пристенным потоком

CX1Q' КазНИИЭ СХМЗ Повышено извлечение германия на 1,1%,

экономна реагентов на 2-5%. ЦГЭЦ-1 КазНИИЭ ЦГЭЦ-I Экономия мазута на 5-10?(к/а ПТВМ-100)

Струйные смесители

СХМЗ СХМЗ Улучшено качество возгонов до нор-

мативного уровня- 0,2% углерода. 1 ЧМК КазНИИЭ ЧШ Повышена надежность воспламенениями

точность рег.-ия теы.-ры на входе.

БГМК КазНИИЭ БТМК Повышена надежность воспламенения и 1

точность рег.-ия тем.-ри на входе, содержание примеси оксида магния в конечном продукте доведено до норм, по технологии значения -

ЧТЭЦ-2 КазНИИЭ Кратность -до 405?, потери- 2-4%.

3 Конструктивный способ управления: движением расплава

подачей материала

СХМЗ

БГМК СХМЗ

КазНИИЭ

КазНИИЭ

СХМЗ

ЕГМК СХЮ

Надежность удаления шлака, кратность обогащения возгонов-23, потери германия со шлаком - 3-5%.

Упрощение конструкции.

Повышена надежность, расход первичного воздуха - 5%.

I Г 2 '! 3 Г 4 ! 5 ! ' 6

4 Воздействие кислородом чмк КазНИИЭ ЧМК Получен жидкий синтетический шлак,

уд. производ.- 12,5т/м^ч, норматив-

ное удаление серы из стали- 45-655?.

5. Оптимизация технологического процесса: плавка аргиллитов СХМЗ

совместная переработка спецуглей и аргиллитов СХМЗ

сжигание энергетического

угля ИПЫаш Ук-

раины

ЧГЭЦ-2.

СХМЗ СХМЗ

Извлечение германия в возгоны-до 90%, кратность-18, потери-10%.

Увеличение объема пр.-ва,снижение себестоимости,экон.эффект в ценах до 1991г.- свыше Iмлн.руб. 1

КазНШ'Э КазНИИЭ

Ферросилиций *С- 20,

Кратность обогащения возгонов -20-?04" потери германия со шлаком -2-4%.

6 Методические разработки ГИРедМет Мин.Метал-

СХМЗ лургии СССР,

ЧМК МинЭнерго

." ЧТЭЦ-2 СССР

Руководящие технические материалы ( РТМ ).

ОА

0,2

0-1

3 ^

1 у —1 Л

11 1 I х[6о

10

/4

18

Рис.1. Смещение области перехода в зависимости от кривизны поверхности Шо = 7м/с ). 1-Я» 250мм; 2- 470; 3- плоская стенка / 16 /.

6 5

3 2 I

Рис.2. Изменение динамических границ струи (во * Юмм, «в-40ц/с,Кд-'0 ). 1-Я =»250мм; 2- 350; 3- 470; 4- 1500; 5- 990; б- данные Брэдшоу / 38 /

и* ив

ЩО

№

0,20

0 О

9 1 1 1

о- 1 *-г 0-3 А-1 *-5 4-е 0-7 > »— 1 5 С > ^ Б

X К

ю . . го

30

АО

50

60

70

$0

Рис.3. Падение максимальной скорости при различной спут-ности и кривизне поверхности. 1-Я2 = 0,9; 2- 0,45; 3- 0,3; 4- 0,25; (£ -470мм ). 5-ГП *0,2 (Я -оо). 6-ГП =0,3 (Я »со). 7,8 -т-0 (1 »470 >. 9 -ГП =0 (И «Оо ) / 64 /.

Рис.4. Рост толщины пограничного слоя вдоль гладкой поверхности различной кривизны при спутности 1,4. I -И/Во* 50; 2 - 70; 3 - 94; 4 - 198; 5 - / 39 / для И ш 510мм,Во* Змм, 171 » 1,4 и плоская стенка.

%

0.8 0.6

ОЛ

о,г

Ч 0,8

ол

и 20 ЬО 60 80 х/6д V

Ц

0,4

Рис.5. Влияние радиуса кривизны поверхности и спутности потока на эффективность защиты, а» 1,4; 6)171 • 1,0; в)Ш - 0,3; I -/ 39 /; 2 Л =50; 3 - 70; 4 - 94; 5-193.

5У N

с ч ----с 0 д "— -\

а

20 40 60 80 ¡00 Х/60

0,6

0.4 0,2

Рис.6. Зависимость качества смешения от безразмерного комплекса для различных диаметров отверстий. 1-й. - 0,1; 2 - 0,04; 3 - 0,06.

2Ь

16

в б'

и 16

а.

•я-1

о-з

• -4

0,5 Г,0 1,5 2.0 2,5 3.5

Л (Г

\ V

-о //у.

Рис.7. Зависимость коэффициента сопротивления камеры при различных значениях .

а) I =■ 0,86; 2 - 2,76; 3 - 4,9;

4 - 7,7.

б)Иевх - 2:Ю5.

8

Рис.8. Распределение температуры на выходе из циклонного предтопка.

Рис.9. Распределение температур в поперечном сечении факела в предтопке.

Рис.10. Изменение температуры факела по оси предтопка.

Рис.11. Распределение температур по длине факела.

V) го

1 1

д Опыт 15 В- И о - 16 х-/7

% ч ^ ¡¡Ц гг ^ 1

-чг*

8 /г х/Ац

Рис.12. Изменение механического недожога по длине топочной камеры: I - область недожога по данным / 120,121 /.

[

Резюме

01.04.14 -жылуфиэикаоы жэна ыолвкулярлыц физика мамандыгы

бойынша техника гылдадарыныц докторы атагын алуга арналган Ко*ахметов Жамбыл Вхрму^анулыныц диссертациясы

К^змет npoqecci реттелшетт циклондыч /н^йынды*/ оша!?гьщ куры-лымын жане оны текнологиялык; шикхзат жэне отынды вцдеуге колдану.

Циклондык; оша^тагы кхшрзйт^лгэн турлэр:нде ауа арычыныц цозгалымы жэне жыл.уалмасу заадыльптгарын зерттву нэтижалерх кер-сеттлген.

Кызмет процессi рэттэл1нет1н циклондык/куйындмц/ оша^ардыц Курыльыдары усьиылган жзне олар тэжрибвл1к жэнэ енд1шст1к ^ондыргылар тургндэ. к;олданылгян.

Диссертааияньщ нэтижелер1 енд1тпст1к шклондык; дондыргыларды жобалау тарт1б1нде кец колданылатын'Ч^тектгк тахникалы^ материал-дар" ретхндэ шыгарылран.

He flume

Dissertation for doitor of acienoo Ъу KejaohmetOY Jaabyl B. for epeoi.a3.ity 01,04.14 - heatphlsio and maleeulerjr phleio.

Design of oonatraotlen of oyolonefurnaae with controlling working process and thenslng for processing taohnologlcal» muterlals and fuel,

Shore axe of results researching of alrodlnacgro and beat transfer jet atreans Ъу using of models. She constructions of о70lone сЬаюЬаг with controlling working prooeaa are designed. She results of this work axe used as leading teohnioal naterlals for designing and aperatlng industrial oyolone Installations.