ЧАСТЬ III ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ШЛАКОУГОЛЬНОЙ СУСПЕНЗИИ
Технология газификации угля в шлаковом расплаве требует всестороннего изучения и научного осмысления. Для оптимизации процессов предстоит решить ряд проблем, носящих фундаментальный характер Особое место принадлежит теоретическому и экспериментальному исследованию особенностей гидродинамики шлаковой ванны, поскольку все основные физико-химические и тепломассообменные процессы в ней определяются гидродинамическим режимом.
К таким процессам относятся: замешивание частиц угля и добавок в объем ванны, вовлечение частиц угля в струи боковых кислородовоздушных фурм, горение и газификация угля в струях, циркуляция шлака в струях и их теплообмен с остальной ванной; плавление и растворение материалов, процессы окисления и восстановления; брызго- и волнообразование, соответствующий тепломассообмен ванны с зоной дожигания, коалесценция и рафинирование капель восстановленного металла и дрОсобое значение имеет исследование эффективности замешивания частиц угля в объем ванны. В шлаковой ванне реактора уголь находится в дисперсном виде, образуя шлакоугольную суспензию Частицы ококсованного угольного остатка (для краткости, в дальнейшем, - угля) имеют плотность примерно в три раза меньшую, чем шлак При отсутствии перемешивания в системе, эти частицы должны были бы плавать сплошным слоем на поверхности ванны Применяемая в процессе боковая струйная продувка расплава кислородсодержащим дутьем через систему фурм порождает достаточно интенсивную вертикальную циркуляцию шлака, что приводит к замешиванию определенной части угля вглубь ванны. Распределение частиц угля по высоте ванны неоднородно [1] Наибольшее содержание угля отмечается в достаточно тонком поверхностном слое. Ниже этого слоя содержание угля в шлаке заметно снижается При этом крупные частицы угля сосредоточиваются преимущественно в верхних горизонтах ванны, а мелкие присутствуют во всем объеме барботируемого шлака Очевидно, что изменение таких технологических параметров, как высота ванны над уровнем фурм, интенсивность и геометрия продувки, фракционный состав угля, может существенно изменить характер распределения частиц угля в ванне
На основании имеющегося опыта можно сделать вывод, что для технологии очень важно, чтобы уголь эффективно замешивался в объем ванны.
При этом более полно используется объем ванны как реакционной среды, более эффективно происходит горение частиц угля в факелах фурм. Наоборот накопление угля в поверхностном слое ванны может приводить к агрегированию частиц (ококсованный угольный остаток практически не смачивается шлаком) и вызванному этим снижению величины реакционной поверхности угля. Плавающий на поверхности ванны уголь может непродуктивно расходоваться на взаимодействие с продуктами дожигания газов - С02 и Н20. При критически большом содержании угля на поверхности ванны может наступить блокировка этим слоем теплопередачи к ванне от зоны дожигания, что, в конечном счете, приводит к ее охлаждению [1]. Возможный при этом пробой ванны сопровождается выходом из расплава непрореагировавшего кислорода.Для нормальной работы реактора необходимо, чтобы количество угля в шлаке не снижалось ниже определенного уровня.
При нормальном ходе технологического процесса кислород дутья полностью расходуется на сжигание угля преимущественно в нижней части барботажных столбов, т.е. эта область является источником наибольшего тепловыделения при поднятии в шлаке струи реагирующего газа. Выше нее, в части барботажного столба, где происходит конверсия С02, газ и шлак охлаждаются. При этом, по оценочным расчетам, при нормальном для технологии количестве угля в ванне, уже к моменту поступления газа в верхнюю часть барботажного столба (находящуюся в насыщенном углем поверхностном слое шлаковой ванны), газовая фаза уже практически инертна по отношению к углю, т. к. содержит в основном СО, Н2, N2
При нарушениях технологии содержание угля в ванне может значительно уменьшаться. Очевидно, что при этом толщина зоны в барбо- тажном столбе с преобладанием в газовой фазе СО уменьшится. При значениях содержаний угля в шлаке меньше некоторых критических (при данном расходе кислорода дутья) можно ожидать появления в газах, выходящих из барботажного столба, С02 или даже 02. Таких ситуаций следует избегать, так как в этом случае значительно увеличивается объем окислительных зон в шлаковой ванне, что приводит к снижению скорости восстановления железа при использовании в процессе газификации угля окисленных шихтовых материалов в качестве добавок
Таким образом, количество и характер распределения угля в объеме ванны играют определяющую роль в успешной реализации процесса.
Отдельные отборы шлакоугольной суспензии на опытных установках показали, что стабильное горение и газификация угля в барботажных столбах, тепломассообмен между шлаковой ванной и зоной дожигания, а также интенсивное перемешивание ванны обеспечивались при содержании угля в ванне 1-3% от массы всего шлака [1].
Однако четкого диапазона содержаний угля в ванне, при которых процесс идет удовлетворительно, определено не было. Соответственно, неизвестно, есть ли в этих границах оптимальные режимы. Нет детального понимания, что происходит со шлакоугольной суспензией при наступлении режима блокировки углем поверхности ванныОчевидна необходимость получения систематизированных данных по структуре шлакоугольных суспензий процесса и влиянию на нее технологических и конструктивных параметров. Реальным путем решения этой задачи является физическое моделирование с последующей проверкой выявленных закономерностей и практических рекомендаций на действующих установках.
Исследование структуры шлакоугольной суспензии осуществляли на холодной модели.