Формирование ванны расплава в реакторе
После разогрева футеровки осуществляется образование ванны шлакового расплава в рабочем пространстве реактора
 |
Рисунок 19 I Рекомендуемый график нагрева футеровки Для газификации угля в шлаке необходимо, чтобы объем шлаковой ванны имел определенную величину.
Высота шлаковой ванны над уровнем продувочных фурм должна обеспечивать достаточное время контакта газифицирующего агента (кислорода) с замешанными в шлаке частицами топлива. Из опыта известно, что при высоте шлаковой ванны около 1,0 м, интенсивностях подачи дутья 400- 650 нм3/м2*ч, содержании угольных частиц 0,5-5,0 % по массе, окислитель успевает полностью прореагировать с углеродом и на выходе из ванны газ содержит в основном СО и Н2 Ширина ванны (расстояние между противоположными фурмами) должна обеспечивать условия, при которых не происходит взаимодействия между противоположными фурмами. При указанных интенсивностях продувки, струя в расплаве распространяется горизонтально на расстояние около 0,5 м. С учетом расширения барботажного столба при его подъеме, распространение дутья происходит на расстояние около 1,0 м от места его ввода в расплав. То есть, ширина ванны расплава должна составлять около 2,0 м. Выпуск образующегося шлакового расплава осуществляется из области, расположенной ниже уровня продувочных фурм. Важно, чтобы в выпускаемом шлаке не содержались угольные частицы. Это возможно в том случае, если на уровне вывода шлака из реактора нет интенсивных нисходящих потоков шлака,
способных доставлять в эту область угольные частицы Известно [9], что при боковой продувке расплава он интенсивно перемешивается на глубину около 10 диаметров сопел продувочной фурмы. Диаметр сопла фурмы составляет 25-30 мм То есть глубина шлаковой ванны под фурмами должна быть не менее 300 мм Ниже уровня шлака находится ванна металла Глубина ванны металла должна обеспечивать возможность его вывода в сифон через переток, высота которого по конструктивным причинам не может быть менее 200 мм.
Таким образом, глубина расплава под фурмами составляет не менее 500 мм, а с учетом возможного накопления металла на подине при его периодическом выпуске из реактора при газификации угля, не менее 700 мм.Таким образом, для газификации угля в шлаковом расплаве в реакторе необходимо сформировать ванну расплава достаточно большого объема
Для газификатора с площадью активного сечения ванны на уровне фурм около 20 м2 (производительностью около 50 МВт) масса шлаковой ванны составляет около 100 тонн После разогрева футеровки ванна формируется путем заливки жидкого шлака или наплавляется из твердого материала, например, из гранулированного доменного шлака или собственного шлака процесса газификации.
На опытной установке шлаковая ванна формировалась из твердых материалов не более, чем на 20 %. Это было оправдано в условиях, когда на предприятии есть в наличии жидкий шлак в достаточном количестве.
Были опробованы следующие варианты запуска реактора площадью 20 м2
1. Заливка в реактор через заливочную воронку, установленную на шлаковом сифоне, 50-100 т доменного шлака с последующим набором шлака до рабочего уровня путем загрузки доменного гранулированного шлака и угля На продувочные фурмы подается природный газ и кислорода
2 Заливка непосредственно в реактор доменного шлака до рабочего уровня
3. Заливка в реактор доменного шлака (100-110 т) и чугуна (60-80 т).
Естественно, что наиболее быстрым способом запуска является третий.
Отработка технологии формирования ванны шлакового расплава из твердых материалов осуществлялась на пилотной установке в Южной Корее
При отработке технологии запуска пилотной установки перед пуском внутренние стены реактора были покрыты слоем огнеупорного бетона толщиной 25-30 мм
Скорость плавления частиц тверд'"1™ "тян-я иег0 низкой теплопроводности (для твердого шлак;
для жидкого -
сильно зависит от интенсивности перемешивания жидкости, в которой он плавится.
Шлаковый расплав на подине в процессе наплавлення ванны практически не перемешивается нижними фурмами-горелками.
Для улучшения подвода тепла к ванне шлака на подине и для улучшения его перемешивания дополнительно к нижним фурмам были установлены горелки внешнего смешения несколько ниже продувочных фурм Пламя этих горелок направлено по существу вниз с возможностью отклонения его от вертикали в обе стороны В процессе наплавлення шлака эти горелки устанавливались так, чтобы их пламя было наплавлено под углом к подине. Причем горелки с противоположных сторон были направлены в разные стороны При наплавлений шлака пламя этих горелок создавало эффект вращения шлаковой ванны, что обеспечивало более интенсивное плавление шлака.
При формировании шлаковой ванны использовался гранулированный доменный шлак с размером частиц менее 5 мм Для снижения температуры плавления расплава к доменному шлаку добавляли до 20 % стеклобоя.
Для предотвращения падения потока твердого материала в одну точку на подине был применен рассекатель потока шихты, представлявший собой решетку, установленную в отверстии для загрузки шихтовых материалов. Ударяясь о прутья решетки, твердые частицы разбрасывались по всей поверхности подины, значительная часть твердого материала попадала на стены. Такой разброс обеспечивал большую тепловоспринимающую поверхность твердого материала и большую скорость его плавления
По визуальным наблюдениям, часть твердых частиц налипала на стены реактора. Первоначально это были преимущественно частицы стекла, имеющие низкую температуру размягчения Вслед за ними на поверхность стен стали налипать и частицы гранулированного шлака. На стенах формировался слой из частично расплавившихся и затем застывших на охлаждаемой поверхности частиц шлака и стекла По мере его роста температура стен внутри рабочего пространства росла, что улучшало теплопередачу от факела ванне Слой постоянно под- плавлялся и стекал, таким образом, площадь тепловоспринимающей поверхности росла
При подъеме уровня расплава в реакторе эффективность теплопередачи от горелок и фурм расплаву снижалась.
Наплавление замедлялось. Для перехода шлаком уровня фурм проведены следующие
технологические операции. Горелки погасили и вынули из рабочего пространства. Отверстия, в которых были установлены горелки, закрыли медными пробками со стопором. Снизили расход кислорода на нижние фурмы так, чтобы на них осуществлялась только конверсия природного газа до СО и Н2. Подали кислород на верхние фурмы для сжигания образующихся при конверсии природного газа горючих компонентов.
В результате этого зона основного тепловыделения переместилась вверх реактора. В верхней части на стенах к этому периоду формирования шлаковой ванны сформировался гарнисаж из шихтовых материалов значительной толщины. За счет сжигания СО и Н2 в этой области произошло интенсивное оплавление гарнисажа и уровень шлака в реакторе поднялся выше уровня фурм.
После этого, когда нижние фурмы стали интенсивно перемешивать шлак, скорость наплавлення существенно выросла и необходимая для работы шлаковая ванны была быстро сформирована.
Общее время наплавлення ванны шлака составило около 9 часов
Следует отметить, что удельная, на единицу реакционного объема, поверхность охлаждаемых элементов этой пилотной установки примерно в 2,5 раза больше, чем для реактора промышленного масштаба Соответственно и осуществить эффективную передачу тепла от факела ванне сложнее. Тем не менее описанные технологические приемы позволили обеспечить пуск реактора при отсутствии жидких металла и шлака
Был проведен теоретический анализ теплообмена в рабочем пространстве реактора промышленного масштаба при наплавлений шлаковой ванны из твердых материалов.
Внутреннее пространство реактора представляет собой взаимно излучающие поверхности шлаковой ванны, охлаждаемых стен и свода (рис. 19.2).
Рисунок 19 2 Схема рабочего пространства реактора
Для конкретных размеров опытной установки были рассчитаны взаимные поверхности и угловые коэффициенты излучения.
Результаты представлены в табл. 19.1 и 19.2. Для зоны дожигания реактора приняты следующие параметры: 1 - поверхность шлаковой ванны S, = 20,8 м2, 2 - поверхность шлаковой пленки на стенах - S2 = 47,4 м2,3 - поверхность стен свободных от шлаковой пленки - S3 = 48 м2,
4 - свод - S4=32 м2.
Методика расчета угловых коэффициентов излучения изложена в [10].
Таблица 191 Взаимная поверхность излучения
| н | 1 - ванна | 2 - пленка | 3 - стенка | 4 - свод | I |
| 1 - ванна | н„=0 | Н 12=9,3 | Н,=5,3 | Н,4=6,2 | 20,8 |
| 2 - пленка | Н21=9,3 | Н22=22,3 | Н23=5,7 | Н24=10,1 | 47,4 |
| Н31=5,3 | Н31=5,7 | Н3=21,3 | Н34=15,7 | 48 | |
| 4 - свод | Н41=6,2 | н41=10.1 | Н43=15,7 | Н44=0 | 32 |
| I | 20,8 | 47,4 | 48 | 32 |
Таблица 19 2 Угловые коэффициенты излучения
| 1 - ванна | 2 - плёнка | 3 - стенка | 4 - свод | S 1 | |
| 1 - ванна | Фп=0 | Ф,2=0,447 | ф13=0,253 | J3 р 0-4 О о | 1 |
| 2 - плёнка | Ф21=0,196 | ф22=0,470 | ф23=0,121 | Ф24=0,213 | 1 J |
| 3 - стенка | Ф3 =0,110 | Ф32=0,120 | Ф,з=0,443 | Ф34=0,327 | 1 J |
| 4 - свод | Ф4 =0,195 | Ф42=0,314 | Ф43=0,491 | Ф44=° | 1 J |
Для режима наплавки шлака зональным методом были определены результирующие и эффективные потоки излучения на поверхность наплавляемой шлаковой ванны, на стены и свод Тепловыделение в этот период обеспечивается за счёт сжигания природного газа.
Было оценено время и объём природного газа, необходимые на наплавле- ние и образование в печи шлаковой ванны массой около 100 т.Расчетное время, необходимое для наплавлення шлаковой ванны, составило около 75 часов, а количество необходимого для этого природного газа - около 260 тыс. нм3. Большая длительность наплавлення
шлаковой ванны связана с тем, что значительная часть внутреннего пространства реактора выполнена из водоохлаждаемых элементов, на поверхности которых температура в процессе наплавлення ванны составляет около 400 °С. Поэтому результирующий тепловой поток на шлаковую ванну не превышает 50 кВт/м2.
Такая большая длительность старта процесса и высокий расход природного газа неприемлемы как с экономической, так и с технологической точки зрения
Наиболее простым решением этой проблемы является повышение температуры на внутренней поверхности стен, которое может быть достигнуто за счет предварительного торкретирования водоохлаждаемых стен огнеупорной массой.
Расчет показывает, что при предварительном нанесении на стены огнеупорного бетона толщиной около 25 мм, температура поверхности составит уже 1280 °С. Результирующий тепловой поток на шлаковую ванну составит около 250 кВт/м2. При этом необходимое для наплавлення шлаковой ванны время уменьшается до 15 часов, а количество природного газа необходимого для наплавлення составит около 50 тыс. нм3.
Таким образом, принципиальное значение при наплавлений шлаковой ванны имеет температура на внутренней поверхности охлаждаемых стен реактора.
Увеличение этой температуры в период наплавлення с 400 до 1280 °С приводит к увеличению теплового потока от факела к ванне расплава в камере в 5 раз и значительному снижению времени наплавлення ванны.
Результаты проведенного теоретического анализа наплавлення шлаковой ванны на основе данных, полученных на пилотной установке, подтверждают возможность наплавлення шлаковой ванны из твердых материалов в реакторе с охлаждаемыми стенами за приемлемое время.