Глава 12. Исследование гидродинамики шлакоугольной суспензии на физической модели

В данной главе приведены результаты физического моделирова­ния формирования структуры шлакоугольной суспензии при боковой струйной продувке ванны реактора при газификации угля в шлаковом расплаве.

В качестве характеристики изменений в структуре суспензии ис­пользовали изменения в эффективности замешивания модельных ча­стиц в объем ванны и в барботажные столбы, о чем судили по содер­жанию частиц вверху и внизу барботируемого слоя, а также внутри барботажных столбов. В работе определили влияние на структуру су­спензии следующих параметров:

- расхода дутья;

- высоты ванны над фурмами;

- диаметра фурм;

- фракционного состава частиц;

- общего количества частиц в ванне;

- вязкости жидкости.

Применявшиеся в опытах параметры базового варианта гидродина­мического режима и его вариаций были рассчитаны в главе 11.

Были изучены закономерности формирования на поверхности ван­ны сплошного слоя из твердых частиц (режима блокировки углем по­верхности ванны).

На основании проведенных исследований были сформулирова­ны практические рекомендации по совершенствованию конструкции реактора-газификатора и гидродинамического режима процесса, по ра­циональному фракционному составу угля, его содержанию в шлаковой ванне и вязкости шлака.

12.1. Влияние на структуру суспензии расхода дутья, высоты ванны, фракционного состава и общего содержания частиц в ванне

В данной серии опытов исследовали влияние изменения интенсив­ности струйной боковой продувки, высоты ванны над фурмами и круп­ности частиц на их содержание в поверхностном слое и на уровне фурм (вне барботажных столбов) при различных насыщениях суспензии.

В данной серии опытов использовали фурмы диаметром 4,4 мм. Продувку 20%-ного водоглицеринового раствора вели при расходах дутья на одну фурму: 26,25 л/мин, 37,5 л/мин и 48,75 л/мин. Применя­ли модельные частицы фракции 0,0-0,5 мм, 0,5-1,25 мм и 2,0-2,5 мм.

Во всех опытах, моделировавших базовый режим (глава 11) работы реактора, содержание частиц в поверхностном слое было существен­но выше (в разы), чем на уровне барботажных фурм, что наблюдалось и на опытных плавках [1] .

Результаты экспериментов с использованием частиц фракции 0,50- 1,25 мм (отбор проб в центральной части ванны (поз. 1, рис. 11.4)) представлены на рис. 12.1.

Из гас. 12.1 видно, что при относительно малых количествах от массы ванны) частиц в ванне при расходах дутья zo,zo л/мин и 37,5 л/мин содержание частиц на уровне фурм при из­менении высоты ванны практически не изменялось. В то же время, в поверхностном слое самое низкое содержание частиц было при макси­мальном уровне жидкости над фурмами (80 мм), а наибольшее (до 2-х раз выше) - при минимальном уровне (20 мм).

При расходе дутья на фурму 48,75 л/мин самая низкая эффектив­ность замешивания частиц в объем ванны также наблюдалась при наименьшей высоте ванны. При этой интенсивности продувки и вы­сотах ванны 40 и 80 мм содержания частиц в поверхностном слое (при практически совпадали и были близки к содержаниям ча­

стиц на уровне фурм, т.е. достигалось практически равномерное рас­пределение частиц в объеме ванны. При наибольшей высоте ванны (80 мм) такое распределение частиц сохранялась вплоть до Собщ=5%.

При любом уровне ванны над фурмами при увеличении расхода ду­тья содержание частиц в поверхностном слое уменьшалось, а на уров­не фурм слабо увеличивалось.R качестве примера можно рассмотреть данные полученные прии представленные на рис.

рисунка следует, что при малом содержании частиц в ванне для всех применявшихся фракций частиц, повышении расхода дутья приводит к улучшению замешивания частиц в объем ванны.

Таким образом, для процесса газификации можно рекомендовать одновременное увеличение расхода дутья на фурму (на модели это было продемонстрировано при увеличении расхода в 1,3 раза в срав­нении с режимом, соответствующим «базовому») и увеличение высо­ты ванны (на модели - вдвое). Вывод о нецелесообразности работы реактора с пониженной высотой ванны подтверждают результаты, полученные ранее в главе 6 (ч. II). Расчет рекомендуемых параметров гидродинамического режима в реакторе, опирающийся на выводы дан­ного и последующих разделов работы, приведен в главе 13.

Содержание частиц средней фракции (0,5-1,25) мм на уровне фурм при относительно низком содержании частиц в ванне (до 5%) было примерно в 2 раза выше, чем при использовании частиц мелкой фрак­ции (гидродинамическим режимом ванны.

При небольших содержаниях частиц в ванне значительная их часть сосредоточивается в торцах модели.

При наличии «сплошного» слоя в верхней части ванны струи ду­тья пробивают его, слабо замешивая частицы в жидкость. Режим с появлением сплошного слоя угля в верхней части ванны недопустим. Во-первых, слой угля на поверхности ванны подавляет брызгообра- зование и блокирует передачу тепла из зоны дожигания к шлаковой ванне, что недопустимо при использовании окисленных железосодер­жащих материалов в качестве добавок. Во-вторых, возможен проскок сквозь ванну части непрореагировавшего дутья, ухудшение теплооб­мена между барботажными столбами и шлаковой ванной.

Как и при небольших насыщениях суспензии, в режиме блокиров­ки поверхности сплошным слоем частиц увеличение расхода дутья при любой высоте ванны приводило к тому, что содержание частиц в поверхностном слое уменьшалось, а на уровне фурм увеличивалось. Пример такого изменения суспензии дан на рис. 12.3.

При больших насыщениях суспензии наилучшее замешивание частиц средней фракции достигалось при уровне жидкости 40 мм (рис.

Из рис. 12.5 видно, что с увеличением расхода дутья (при высо­те ванны 40 мм) режим блокировки поверхности для всех фракций наступает при все больших насыщениях суспензии. Из этого ри­сунка также следует важный вывод: при наибольшем расходе дутья (48,75 л/мин) в суспензиях из частиц мелкой или средней фракции независимо от их количества в ванне режим блокировки поверхно­сти сплошным слоем частиц не достигается. Это же справедливо для условий продувки высокой ванны (80 мм над фурмами) (рис. 12.1 в).

Рисунок 12 3 Влияние расхода дутья на содержание частиц в поверхностном слое (а) и на уровне фурм (б) (фракция 0,50-1,25 мм, поз 1, С =9 % (масс )) при различной высоте ванны

Рисунок 12.5. Влияние фракционного состава частиц (уровень 40 мм над фурмами) на их содержание в поверхностном слое (поз. 1), при расходе дутья: а) 26,25 л/мин; б) 37,5 л/мин; в) 48,75 л/мин

Рисунок 12.6. Влияние количества частиц (фракция 0,50-1,25 мм) в ванне на их со­держание в поверхностном слое (поз.1), при расходе дутья на одну фурму: а) 37,5л/мин; б) 48,75 л/мин

Этот вывод очень важен для технологии, поскольку означает, что ВОЗМОЖНО безопасное ведение плавки при КОЛИигштирvrTTcr п ванне, в 2-3 раза превышающем его обычный уровеньПере­ход к работе с более насыщенными шлакоугольными суспензиями (5-6 и даже 9% (масс.)) может обеспечить существенное повыше­ние производительности без перевода ванны в режим пробоя.

Из анализа рис. 12.6-12.7 (суспензия из частиц средней фракции) следует, что по сравнению с рассмотренными выше характерными областями ванны, отмеченными на рис. 11.4 как поз. 1, в поз. 2 (на пересечении оси фурм с осью ванны) при всех расходах дутья насы­щенность суспензии ниже (на обоих уровнях отбора). Очевидно, это связано с динамическим действием двух противоположных струй, ограничивающих данную область.

Рисунок 12.7. Влияние количества частиц (фракция 0,50-1,25 мм) в ванне на их со­держание на уровне фурм, при расходе дутья на одну фурму: а) 37,5 л/мин; б) 48,75 л/мин

Насыщенность поверхностного слоя в поз. 4 (пристенная область между соседними фурмами), наоборот, выше, чем в центральной ча­сти ванны (поз. 1). Визуальные наблюдения показали, что в пристен­ных областях между фурмами постепенное формирование сплошного слоя на поверхности ванны при насыщении ванны твердой примесью, сопровождается осветлением жидкости на уровне фурм, уже начиная со значений(рис. 12.7).

Увеличение интенсивности продувки не приводит к заметным из­менениям структуры суспензии на уровне фурм во всех рассматри­ваемых зонах, хотя в поверхностном слое насыщенность суспензии уменьшается (рис. 12.6). При этом несколько возрастает насыщен­ность суспензии на уровне фурм в торцевой зоне модели

Визуальные наблюдения и анализ проб суспензии показали, что при всех исследованных режимах, в торцевых зонах модели (поз. 3 и 5, рис. 11.4) всегда существовал сплошной слабо перемеши­ваемый слой из частиц, занимавший все пространство от поверх­ности ванны вплоть до уровня фурм.

При повышении содержания твердых частиц в ванне сплошной слой распространялся из торцевых зон модели на пристенные меж- фурменные зоны (поз. 4) и далее на поверхность ванны в областях поз. 1. При всех режимах сплошной слой не образовывался в централь­ной части ванны на осевой линии противоположных фурм (поз. 2).

При больших количествах частиц в ванне (при Со6щ> 4-5%) в тор­цевых зонах модели (поз. 3 и 5) сплошной слой представлял собой практически не перемешиваемую застойную зону.

Увеличение расхода дутья приводило к уменьшению содержания частиц в поверхностном слое торцевых зон. Насыщенность суспен­зии в поверхностном слое торцевых зон слабо зависела от крупности используемых частиц.

12.1.