Теплообмен в шахтной печи

Из описания работы шахтной печи следует, что теплообмен в ней происходит между газообразными продуктами горения топлива и кусковым материалом. При этом в общем случае участвуют все виды теплопередачи. Горячие газы двигаются через пустоты в шихте, передавая тепло конвекцией, а при температуре более 300° С и излучением. Малая толщина слоя газа уменьшает интенсивность передачи тепла излучением, поэтому конвекция играет существенную роль не только при низких температурах, но и при тем­пературах до 1000° С. Интенсивность передачи тепла зависит от скорости движения газа и величины поверхности контакта газа с кусками шихты. Тепло с поверхности шихты должно передаваться внутрь шихты теплопровод­ностью. Количество передаваемого тепла при этом прямо зависит от коэффициента теплопроводности и обратно пропорционально от радиуса куска. Очевидно, что при этом механизме теплопередачи роль стенок печи сводится к нулю, что позволяет их делать водоохлаждае­мыми.

Весьма существенно равномерное распределение газа в слое кускового материала. Этого можно добиться, лишь применяя куски одинакового размера. При наличии кусков разного размера малые куски попадают между большими, значительно увеличивая плотность засып­ки и уменьшая объем пустот для прохода газа. Это выдвигает существенное требование к подготовке шихты и ее сортировке по крупности. При наличии шихты разной крупности рекомендуется перерабатывать ее, засыпая отдельными слоями крупные и мелкие куски. Чем мель­че размер шихты, тем больше сопротивление движению газов. Поэтому размер перерабатываемой шихты реко­мендуется брать более 50 мм.

При расчете теплопередачи в шахтной печи значи­тельные трудности возникают при определении действительной поверхности теплообмена между горячими газа­ми и нагреваемым материалом. Невозможно также оценить вклад каждого из видов теплопередачи. Все это привело к необходимости пользоваться суммарным коэффициентом внешней теплоотдачи, отнесенным к единице объема слоя ?v Ф. Ф. Фурнас и Б. И. Китаев предлагают для расчета суммарного коэффициента теплопередачи Вт/(м3-К), использовать зависимость

формула

Связь между поверхностным и объемным коэффици­ентами теплоотдачи можно найти, если известна удель­ная поверхность шихты, по зависимости ? = ?v/Fм где Fм — поверхность нагрева кусков в 1 м3 слоя, м23; Fм=7,5(1 — f)/d, где f — порозность материала, т. е. до­ля объема пустот в общем объеме.

Суммарный коэффициент теплопередачи as, учиты­вающий и внутреннее тепловое сопротивление кусков шихты, можно найти по формуле

формула

где ? — теплопроводность кус­ков шихты, Вт/(м·К). Среднюю температуру кус­ков шихты, по предложению Б. И. Китаева, принято рас­считывать, рассматривая печь как противоточный теплооб­менный аппарат: потоки газа и материала характеризуют­ся водяными числами Wг и Wм. «Водяным числом» назы­вается произведение расхода газа или материала в единицу времени на его теплоемкость, Вт/К. Распределение темпера­туры кусков шихты и газов по высоте печи зависит от соотношения Wг и Wм.Изменение температу­ры по высоте шахтной печи

При Wг > Wм распределение температур материала и газа имеет вид, показанный на рис. 128. В этом случае вся основная тепловая работа газов завершается в вер­хней части печи на высоте H1. Остальная часть высоты слоя H2 (если она имеется) практически не участвует в теплообмене, так как куски материала на высоте H1 нагреваются почти до начальной температуры газов tг, по­ступающих в печь. В этом случае средние температуры материала и газа могут быть найдены по формулам:

формула

Изменение температу­ ры по высоте шахтной печиПри Wг < Wм изменение температуры материала и газов по высоте печи показано на рис. 129. В этом случае теплообмен происходит в нижней части печи на высоте Н1. В верхней части печи на высоте Н2 теплообмена не происходит (Н2 — холостая высота печи). Поскольку во­дяное число шихты превышает водяное число газов, продукты плавки выходят внизу с температурой, меньшей начальной температуры газов (tм<tг). В этом случае уходящие газы на колошнике имеют низкую температу­ру (холодный колошник). Средняя температура материала и температура газа в любом сечении участка высо­ты печи H1 определяются по уравнениям:

формула

Водяное число шихты в зависимости от интервала температур нагрева может значительно изменяться из-за Типичные изменения тем­ пературы по высоте шахтной печи при изменениипротекающих физико-химических процессов при нагреве. К ним относятся такие процессы, как испарение влаги шихты, диссоциация неустойчивых соединений, окисление и восстановление материала, плавление и др.

Это приводит к тому, что на отдельных участках высо­ты печи могут иметь место случаи, когда Wг > Wм и Wг < Wм. Часто наблюдаются случаи, когда в верхней части печи Wг > Wм, а в нижней Wг < Wм. Распределе­ние температур шихты и газа по высоте печи имеет вид, показанный на рис. 130. В этом случае холостая (резерв­ная) зона печи H2 лежит между рабочими зонами H1 и H3.

Рассмотренные закономерности теплообмена находят подтверждение в ряде практически осуществляемых процессов в шахтной печи. Так, при медной пиритной плавке на штейн водяное число газов по всей высоте печи выше водяного числа шихты, причем кажущаяся теп­лоемкость шихты в нижней части печи еще снижается вследствие экзотермической реакции окисления железа с одновременным ошлакованием закиси железа:

2FeS + 3O2 + SiO2 = (FeO)2•SiO2 + 2SO2 + 1042•103 кДж.

Все это определяет распределение температуры по высоте печи аналогично указанному на рис. 128. Подо­грев дутья в данном случае не дает эффекта, так как приводит лишь к повышению температуры отходящих газов на колошнике.

Увеличение содержания кислорода в дутье приводит к уменьшению количества газов в печи, а следователь­но, и водяного числа газов. При этом температура отхо­дящих газов на колошнике понижается.

При пониженном расходе водуха на дутье в печи может происходить увеличение кажущейся теплоемкости шихты за счет реакции восстановления двуокиси угле­рода:

С + CO2 = 2CO — 172,6•103 кДж.

Это приводит к понижению температуры газов на ко­лошнике. Распределение температуры при этом будет такое, какое показано на рис. 129. Во всех случаях уве­личение расхода топлива и соответственно дутья приво­дит к увеличению температуры отходящих газов на ко­лошнике.

Тепловые расчеты позволяют определить производи­тельность печи, выбрать ее размеры. Вместе с тем при расчете часто встречаются большие трудности из-за от­сутствия данных, об эффективной теплоемкости шихты, ее сопротивлении для проходящих через слой шихты продуктов горения и других необходимых параметрах. Это привело к необходимости статистической оценки ра­боты действующих печей.

Важнейшим показателем работы печи является удельная производительность, характеризующаяся ко­личеством шихты (без кокса), проплавляемой за сутки на 1 м2 площади сечения печей в области фурм. Удель­ная производительность разная для печей различного назначения. Так, при восстановительной плавке на сви­нец она составляет 60—70 т/м2 в сутки, при полупиритной плавке медной руды — от 60—80 до 110 т/м2 в сут­ки, при плавке на штейн с получением элементарной се­ры— 40—50 т/м2 в сутки. По принятой средней удельной
производительности может быть найдена необходимая площадь сечения печи для проплава заданного количества шихты. Приняв ширину печи в ранее указанных пределах, можно найти требуемую длину печи или оп­ределить необходимое число печей определенной длины. Высота печи может быть принята на основе опыта ана­логичной плавки.

Расход топлива находится из теплового баланса плавки. По расчету горения топлива и физико-химичес­ких процессов в печи находится необходимое количество воздушного дутья, состав и количество отходящих газов. Опытные данные показывают, что наибольшее количест­во кокса расходуется при восстановительной свинцовой плавке (12—15%) и восстановительно-сульфидирующей плавке окисленных никелевых руд (20—25%); меньший расход при медно-серном процессе (8—10%); при полупиритной плавке медных и медно-никелевых руд (6—10%), при пиритной медной плавке (2—3%). Ниже приводятся тепловые балансы сульфидирую­щей плавки окисленной никелевой руды и пиритной плавки медной руды:

тепловой баланс сульфидирующей плавки

Повышение теплового к. п. д. шахтных печей возможно за счет сокращения потерь с отходящими газами, на долю которых приходится около 1/3 расходуемого тепла. Наиболее эффективным средством снижения этих по­терь является применение дутья, обогащенного кислородом. Выше указывалось, что это дает возможность не только снизить расход кокса, но и увеличить удельную производительность печей. Полезной является утилиза­ция тепла охлаждающей воды и горячего шлака. Снижение выхода шлака при плавке более богатой шихты с чи­стыми флюсами также позволяет уменьшить расход кокса.

Воздух подают через фурмы. Допустимая скорость воздуха в фурмах до 25 м/с, в подводящем воздуховоде 10—18 м/с. Общая площадь сечения фурм, отнесенная к площади сечения печи в области фурм, носит название фурменного отношения. Фурменное отношение при пиритной плавке достигает 0,1. При восстановительной плавке расход воздуха меньше и фурменное отношение равно 0,03. Необходимое избыточное давление дутья рассчитать трудно из-за недостаточной характеристики сопротивления слоя шихты. Практически при восстановительной плавке используют избыточное давление 16—24 кПа, при сульфидирующей плавке окисленных никеле­вых руд 8—11 кПа, при полупиритной плавке кусковой руды 15—18 кПа, при пиритной плавке 28 кПа. При от­воде газообразных продуктов плавки скорость их в га­зоходе принимается 3—7 м/с.