4.3. Тепломассообмен в зоне дожигания (роль динамического гарнисажа)

Балансовые расчеты показывают, что для обеспечения съема ~1,5 т/ч чугуна с 1 м2 пода печи при расходе кислорода -1000 нм3/т чугуна и угля ~1 т/т чугуна необходимы тепловые потоки из зоны дожигания на уровне 3,0-3,5 МВт/м2. Достижение таких высоких значений тепловых потоков из зоны дожигания возможно при развитии большой тепловоспринимающей поверхности ванны.

Передача тепла из зоны дожигания осуществляется как излучением и конвекцией от высокотемпературного факела к поверхности шлаковой ванны, так и по специфическим механизмам, присущим процессу РОМЕЛТ.

При продувке шлаковой ванны кислородосодержащим дутьем в режиме барботажа поверхность расплава имеет площадь примерно на порядок большую, чем в спокойном (не перемешиваемом) состоянии. Барботажные столбы выносят в зону дожигания большое количество брызг шлака, которые нагреваются и вновь возвращаются в расплав. Количество брызг шлака вылетающих из шлаковой ванны составляет 12001400 кг/с. За время пролета в зоне дожигания они нагреваются на 50-70°С. Возвращаясь обратно в ванну, брызги шлака переносят около 100 МДж/с, что может обеспечить тепловой поток из зоны дожигания в ванну порядка 4,0 МВт/м2.

Часть брызг попадает на стены печи, где образуется твердый гарнисаж, защищающий стены от воздействия высокотемпературного факела дожигания.

Рис. 55. Гарнисаж на водоохлаждаемой стенке печи

шлакового гарнисажа. При непрерывном наплеске шлаковых капель на стены печи на них образуется пленка шлака, стекающего по поверхности. Таким образом, теплопередача от зоны дожигания шлаковому расплаву определяется взаимодействием высокотемпературного газа зоны дожигания с сильно возмущенной поверхностью шлаковой ванны, каплями и пленкой шлака, стекающей по поверхности стен печи.

При работе на опытной установке было обнаружено, что тепловые потери через охлаждаемые элементы, расположенные выше уровня расплава, и способность шлаковой ванны воспринимать тепло от дожигания определяются не только величиной

тепловыделения в этой зоне (степенью дожигания газов), но и интенсивностью про!

дувки расплава, состоянием шлаковой ванны: ее высотой, вязкостью и температурой шлака.

Так при снижении уровня расплава в печи значительно возрастали теплопотери через водоохлаждаемые элементы зоны дожигания. Это же наблюдали и при снижении температуры плавления и вязкости шлака при высоком содержании в нем оксидов марганца при плавке марганцовистого сырья.

Физическая картина процессов, происходящих на поверхности охлаждаемой стенки в зоне дожигания может быть представлена следующим образом (рис. 56). На стенку печи непрерывно наплескивается шлаковый расплав с температурой, равной температуре шлака в ванне. Попадая на охлаждаемую стенку, часть шлака может затвердевать, образуя твердый шлаковый гарнисаж, а остальная-будет стекать по стене в виде пленки. Толщина твердого гарнисажа имеет некоторую стационарную величину, определяемую величиной теплового потока на стену из зоны дожигания и температурой плавления шлака, из которого образован гарнисаж.

При этом возможны такие условия, когда твердый гарнисаж не образуется, т.е. температура на огневой поверхности кессона будет больше температуры плавления шлака. В этом случае огневую поверхность кессона будет защищать только пленка стекающего шлака, которая с одной стороны, охлаждается за счет теплообмена с гар- нисажем или стеной печи, с другой - нагревается за счет излучения от факела дожигания и конвективного теплообмена с нагретым газом.

Теппогой поток

шлаковая ванна

Рис. 56 Схема шлакового орошения боковых стен взоне дожигания

Эта пленка должна непрерывно возобновляться.

Наплескивание шлака на стенку печи происходит в результате волнообразования и брызгообразования в ванне. Условно примем, что наплескивание шлака на стены печи осуществляется каплями, процесс стационарный, размеры капель незначительны. На стенку непрерывно и равномерно по площади стены попадают капли шлакового расплава с определенным расходом. Стекающая пленка является своеобразным "динамическим гарнисажем", выполняющим роль теплового изолятора для защиты стен от теплового воздействия высокотемпературных газов. При достаточно интенсивном наплескивании шлака на стены и большом тепловом потоке от факела дожигания, возможна передача тепла с пленкой из зоны дожигания в шлаковую ванну.

В данном разделе определяется, при каких условиях реализуется такая возможность, дается оценка количества тепла, которое может быть передано в шлаковую ванну по этому механизму, а также дается оценка эффективности работы "динамического гарнисажа". Непосредственное экспериментальное исследование на действующей печи осуществить достаточно сложно. Поэтому использовали метод математического моделирования. Решение поставленной задачи предполагает совместное решение задач течения пленки по поверхности стенки и теплообмена в системе «гарнисаж-шлаковая пленка-зона дожигания».

Решение задачи течения пленки.

Введем обозначения: у - координата по толщине плёнки от гарнисажа (м),

U — U(у) - составляющая скорости по толщине пленки (м/с), /?- угол отклонения стенки от вертикали (град.), g - ускорение силы тяжести (м/с2), g»=g-cos(j3),

р- плотность шлака (кг/м ), у = vc - кинематическая вязкость шлака (м2/с), р. - vp - динамическая вязкость шлака (Па-с),

I = lrv,(x) - толщина пленки (м) на уровне х (м) над шлаковой поверхностью вдоль наклонной поверхности ,

G - плотность орошения шлаком стены (кг/(с*м2)), Gs = G/p - (м/с),

Н - высота, на которую наплескивается шлак (м), Х=Н-х.

Напишем уравнение количества движения для слоя пленки dX имеет вид [69]: d г

dX-~-\U2{y)-p-dy = dXpgHl~dX-fQ (4.12)

ал 0

т.е.

2.

1. U(0) = 0 - скорость на поверхности гарниссажа. dV

P vо * ¦

= 0 - касательное напряжения трения на поверхности пленки.

dy

3- /0 - р ¦ v0 • " касательное напряжение трения пленки о поверхность гар

ниссажа.

Ищем: I = 1т(х) - толщину пленки на уровне х и U = U(x) - среднюю (по толщине пленки) скорость шлака на уровне х. Полагаем:

тт У (, Ул

Откуда, получаем:

л-p-v^f itWrt-rriiW.

Далее, из материального баланса в пленке:

p-U-l = Gs-р-X

следует:

Уравнение (4,12) сводится к: X

6-с? dX

I

\ I J

(4.13) или: 1 =

V & 1 5 v0 У I dxJ- G • 1 X dl

Полагая, что величина небольшая, а —г ¦ —г~ ~ const,

vn / ал

получаем:

(4.14)

где: 8 и

D =

2-G-L

go =

3-vQ '

1 + D

j L'min ^ L < L„ Далее: 3 • v„

(4.15) Значение Lmax может быть получено из решения уравнения:

3 СуУ0-Я & ' Приведенные выше формулы описывают течение пленки шлака по стенам печи с учетом средних сил инерции.

Пример. При плотности орошения G = 10 кг/(м -с), плотности шлака р = 2650 кг/м3, вязкости шлака ро = 0.58 Па-с, Н = 1 м, р = 0°, полагая 4 < L < 6.5 мм, получаем

0.046 < D < 0.075, 9.11 < go < 9.37 м/с2, 6.4 < 1^(0) < 6.5 мм, 58 < U < 59 см/с. Без учета сил инерции [69, 70] (т.е. когда L — 0) получаем : 1М(0) - 6.3 мм, XJ — 60 см/с.

Решение задачи теплообмена.

Количество тепла QM(x) (Вт/м), поглощенного пленкой и переданного в шлаковую ванну на уровне - х (м) за 1 с на 1 м по периметру ванны, равно:

где:

Qs (Вт/м ) - плотность теплового потока, падающего на пленку из зоны дожигания, 2

Q 0 (Вт/м ) - средняя по высоте от JC до Н плотность теплового потока от пленки на охлаждаемую стену:

I н

Л Х X

где: Q0(x) (Вт/м2) - плотность теплового потока на охлаждаемую стену от пленки на уровне х.

Считаем, что плотность теплового потока, падающего на пленку из зоны дожигания постоянна по высоте стен.

Изменение теплосодержания шлака в пленке на уровне х равно количеству тепла, полученного из зоны дожигания и поглощенного пленкой на высоте от Н до х за

вычетом тепла, переданного от пленки гарнисажу:

1

(а - Й) ¦• (Я- X) = С - \(Т(у) -Тшк)- и (у) dy,

о

или

— С '

Qs-6o=J^lT(y)-U(y)dy-TUIK-CG,i (4.16)

go У

где: Т(у) = Тпл +

Я '

Т = TYyJ - температура по толщине пленки (К),

- температура ликвидус шлака (К), Тшк - температура шлака, наплескиваемого на степку (К), С - теплоемкость шлака (Дж/(м3*К)), X - теплопроводность шлака (Вт/(м*К)).

Пусть Ts (К) - температура на поверхности плёнки, количество тепла, поглощенного пленкой, равно:

С G

&-&=—^¦(5-?;+3-Гш-8-ГШ1.)> или

"Л

G, - во = С ¦ Gs .(ГС» -Тшк) + -fj-J- (4.17)

Считаем, что температура на поверхности пленки постоянна. Полагаем I & const, откуда Q0 и Q0. Получаем тепловой поток на гарниссаж от пленки:

Q о = 5 С • G s ¦ I <4-20>

1 + 8 X

Аналогично, определяем температуру на поверхности пленки:

О, + С-G- (Тшк -TJ) , = ^ + д—5 (4.21)

Т + п 'с ¦ GS

I 8 ' /

Коэффициент теплоотдачи:

+C-G-

J ПЛ ' J лл

Т. - 71. v

5 Т -Т \

. шк пл I

* 8 Т -Т > (4-22) Отметим, что для пленочных течений с линейным профилем скоростей коэффициент теплоотдачи равен:

а = „ +C-G.

^ - ^л ' V 3 Т~ Г ) '

& пл х s пл '

Учет зависимости вязкости шлака от температуры

Полагаем, что вязкость шлака изменяется в зависимости от температуры [71, 72]:

1 1 г, У

= — + ва

у(у) ут 0 I

(4.23)

J или

КГ) =

а + Ъ-Т

где В0 = b-(Ts - TnJ, vM ( м2/с ) - вязкость шлака при температуре близкой к темпера

туре ликвидус.

Обозначим: (4.24)

±=±+3>

v0 vM 4 2*( /) 3*(J„

Скорость течения шлаковой пленки:

f

,

U(y) = go-r

(4.25)

у Л у Ч/ 2 \h

v V ,

\ ПЛ где: g*

2-G-L (у,

?о =

(4.26)

1 + D '

о

Л.

vft 1

1

1313 • 50

(4.27)

+ —+

Л2 < 24-уяй 168

Средняя скорость течения шлаковой пленки: 3-

(4.28) Толщина пленки:

f3 -X-G-vn So

(4.29) Расход шлака в пленке (кг/(м*с)) - масса шлака в пленке на уровне х (м), протекающего за 1 с на 1 м по периметру стены:

Pg о-/3 3-

(4.30) Количество тепла, поглощенного пленкой и переносимого в шлаковую ванну:

c-p.g0 f 1 З-Ъ+З-Ъ-в-Ъ B0 1-TS +3- Tm -10-7^ 8

10

УК

w

(4.31) или: Q0-f

(4.32)

(&-&) = C-Gr U^-T^ + R- Где: R =

(4.33)

25 + 7-yvM

40 + 10 • 50 * клл Величина R лежит в пределах от 0.625 до 0.7.

Считаем, что температура на поверхности пленки постоянна.

О + С G (Т - Т )

S S \ шкПД /

Qt

(4.34)

1 + R • -1—

я Далее, определяем температуру на поверхности пленки:

О +C G -(Т -Т )

s s \ ШК ПЛ у

т = т +

(4.34)

3 пл

— + R-C-G, I Поскольку В0 и I зависят от по формулам (4.22) и (4.28), последнее уравнение необходимо решить относительно Ts, и полученное значение подставить в формулы (4.22)-(4.34). Практически, по итеративной процедуре легко найти такое значение Ts, которое наилучшим образом удовлетворяет равенству (4.34). Коэффициент теплоотдачи:

а

\

т -т

а =

(4.35)

+ CG-\ -R+ m ""

г -т

s пл

Tt-Tm,

Результаты моделирования. Некоторые результаты расчетов представлены на рис. 56-58 и в табл. 16, 17.

На рис. 56 представлены расчетные значения тепловых потерь через стены печи и количество тепла, поглощенного шлаковой пленкой и переданного в шлаковую ванну в зависимости от интенсивности орошения шлаком стен и тепловым потоком на стены из зоны дожигания. Расчеты проведены на 1 м поверхности стены печи в зоне дожигания. Из представленных данных видно, что при увеличении интенсивности орошения стен шлаком растет теплопередача в ванну стекающей по стенам печи пленкой шлака и уменьшаются тепловые потери через стены. То есть, увеличение брызгообразования приводит к повышению эффективности передачи тепла из зоны дожигания шлаковой ванне и улучшает защиту стен от воздействия высокотемпературного факела. Из этого рисунка также видно, что увеличение теплового потока из зоны дожигания на стены печи от 200 до 400 кВт/м2, что примерно соответствует степеням дожигания газов от 0,3 до 0,7, существенно сказывается на количестве тепла передаваемого пленкой шлаковой ванне и слабо влияет на величину тепловых потерь через стены при интенсивности орошения стен печи шлаком более 10 кг/(м2-с ).

На рис. 57 показано влияние интенсивности орошения и температуры шлака на величину тепловых потерь через стены печи и количество тепла, поглощенного шлаковой пленкой и переданного в шлаковую ванну. Видно, что при снижении температуры шлаковых капель и, соответственно, температуры шлака в ванне, эффективность действия шлаковой пленки как передатчика тепла из зоны дожигания ванне увеличивается.

Скорость стекания пленки зависит от вязкости шлака, которая при переработке железорудного сырья определяется в основном его основностью. Поэтому целесообразно определить влияние основности шлака на величину тепловых потерь через стены печи и количество тепла, поглощенного шлаковой пленкой и переданного в шлаковую ванну. Пример расчета приведен на рис. 58. При увеличении основности шлака от 0,6 до 1,0 существенно возрастают тепловые потери через стены и уменьшается передача тепла шлаковой ванне через пленку. Это связано с тем, что при изменении основности шлака в указанных пределах уменьшается его вязкость. При этом возрастает скорость стекания пленки по стене печи, уменьшается ее толщина и время нахождения шлака на поверхности гарнисажа. Поэтому ухудшаются условия ее нагрева. При этом, так как тепловой поток из зоны дожигания на стены не изменяется, увели-чиваются потери тепла через стены.

Пленка шлакового расплава, стекающая по водоохлаждаемым стенам в зоне дожигания выполняет роль теплоизолятора. Лишь при незначительных до 5 кг/(м2 с) интенсивностях орошения стен брызгами шлака тепловой поток из зоны дожигания почти полностью передается стенам, достигая на практике 0,30 МВт/м . При плотно-стях орошения от 5 до 25 кг/(м2 с) значительная часть тепла поглощается пленкой и тепловой поток на кессоны составляет от 0,05 до 0,25 МВт/м2. Плотность орошения в пределах 5-25 кг/(м -с) соответствует кратности циркуляции барботируемого шлака 8 - 40 [73].

Поглощенное шлаковой пленкой тепло передается шлаковой ванне. В реальных условиях капли шлака вылетают из ванны не на 1 м, как это было принято в описанной выше модели, а на значительно большую высоту. Визуальные наблюдения показали, что и на высоте 3-х метров от поверхности ванны на стенах печи существует сплошной поток стекающего шлака. Учитывая это, была сделана оценка количества тепла, которое может быть передано из зоны дожигания по этому механизму. Оценка показала, что около 30% от всего количества тепла, передаваемого шлаковой ванне из зоны дожигания, может передаваться стекающей по стенам пленкой шлака.

Таким образом, непрерывно стекающая по поверхности стен пленка шлака, с одной стороны, защищает водоохлаждаемые стены от воздействия высокотемпературного факела зоны дожигания, с другой - эффективно передает тепло шлаковой ванне.

Рассмотренная выше картина теплопередачи из зоны дожигания наблюдается при нормальном ходе процесса, когда в верхней части барботируемого шлака присутствует относительно небольшое количество угля. Таблица 16

Пример расчета течения пленки и теплообмена Исходные данные Тепловой поток из зоны дожигания на стены печи, кВт/м^ 300 Интенсивность шлакового орошения стен, кг/(м^*с) 10 Температура ликвидус шлака, °С 1295 Температура капель шлака, °С 1500 Теплоемкость шлака, Дж/(кг*К) 1257 Теплопроводность шлака, Вт/(м*К) 3,1 Плотность шлака, KT/MJ 2650 Вязкость шлака при температуре ликвидус, Па-с 4,8 Зависимость вязкости шлака от температуры, Па-с (I=l/(-24.65 + 0.02*Т) Угол наклон стенки, град. 0 Расчетные данные Скорость течения шлаковой пленки на уровне ванны, м/с 0,58 Тепловой поток на охлаждаемую стенку, кВт/м^ 149 Тепловой поток, переносимый шлаковой пленкой в ванну, кВт/ма 151 Коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 К) 475 Температура на поверхности пленки, °С 1609 Коэффициенты:

ЦО = 0,58, R = 0,691, В0= 6,03, (v^A)2=U 4w

Таблица 17

Зависимости тепловых потерь через стену и теплового потока, переносимого шлаковой пленкой в ванну

от угла наклона стенки

Угол наклона стенки, град. 0 18 36 54 72 Толщина пленки, мм 6,5 6,6 7,0 7,8 9,7 Средняя скорость течения пленки, см/с 58 57 54 48 39 Температура на поверхности пленки, °С 1609 1609 1610 1612 1614 Тепловые потери через стену, кВт/м2 149 147 139 126 102 Тепловой поток, переносимый шлаковой пленкой в ванну, кВт/м2 151 153 161 174 198 2 2 Тепловой поток из зоны дожигания 300 кВт/м , шлаковое орошение 10 кг/(м с), остальные данные в табл. 11.

Рис. 56 Зависимость количества тепла, поглощенного пленкой и переданного в шлаковую ванну и теплопотерь через стены от плотности орошения и теплового потока из зоны дожигания при Тшк = 1500°С. Тепловой поток из зоны дожигания: 1 - Qs= 200 кВт/м2,2 - 300 кВт/м2, 3 - & = 400 кВт/м1.

00 ¦ti 5 15 25 35 45

Рис. 57 Зависимость количества тепла, поглощенного пленкой и переданного шлаковой ванне и теплопотерь через стены

от плотности орошения и температуры шлака при Qs - 300 кВт/м2. Температура шлаковых капель: 1 - Тшк= 1450 °С, 2 - Тшк= 1500 °С, 3 - Тшк= 1550 °С.

00

UI 140 130 120 110 100 90 80 70 60

Основность

Qo, Qnn ( кВт/м2 ) теппопотери в ванну 0,8

0,7

0,9

1

0,6 ОО

Рис. 58 Зависимость количества тепла, поглощённого плёнкой и переданного в шлаковую ванну, и теплопотерь через стены печи от основности шлака при (7=30 кг/(мг-с), Qs = 200 кВт/м2, Тшк= 1500 °С.