Математическая модель формирования шлакоугольной суспензии в реакторе

Для разработки рациональных и безопасных режимов газифика­ции угля в шлаковом расплаве необходима информация о поведении угольных частиц, поступающих в ванну. Такая информация нужна в первую очередь для обеспечения оптимального содержания и фрак­ционного состава угольных частиц в шлаке для эффективной газифи­кации угля в барботажных столбах.

При недостаточном содержании угольных частиц в объеме барбо- тируемого кислородсодержащим дутьем шлакового расплава будет увеличиваться содержание оксидов железа в шлаке, т.е. повысится его окислительный потенциал, и создадутся условия для окисления угле­рода из металла. Это может привести к вскипанию ванны металла, на­ходящейся на подине реактора. На практике в этом случае происходит неконтролируемый подъем уровня шлака в реакторе, что приводит к нарушению хода процесса.

При чрезмерном увеличении содержания угля в шлаке существенно ухудшается теплопередача от зоны дожигания к шлаковому расплаву.

Это обусловлено значительным уменьшением эффективной тепловос­принимающей поверхности шлаковой ванны из-за подавленного брыз- го- и волнообразования и из-за экранирования шлакового расплава плавающим на поверхности шлаковой ванны углем и ухудшения пере­мешивания. Кроме того, наличие на поверхности шлака слоя угля ухуд­шает условия его контакта с подаваемым в ванну окислителем.

Прямой приборный контроль содержания угольных частиц в шла­ковом расплаве в настоящее время не разработан. В реальных усло­виях содержание угля в шлаке оценивается по косвенным признакам: составу газов и концентрации оксидов железа в шлаке. Периодически возможно и прямое измерение путем отбора проб шлака из рабочего пространства, однако, оно требует относительно длительного време­ни и малопригодно для управления процессом.

Эти методы контроля не обеспечивают возможности прогноза изме­нения содержания угля в шлаке при использовании углей с разным фрак­ционным составом и/или изменении скорости загрузки угля в реактор.

Для прогноза структуры шлакоугольной суспензии была разрабо­тана математическая кинетическая модель расходования угольных частиц. Для оценки стационарного содержания и фракционного со­става угольных частиц в шлаке при изменении входных характери­стик используемого угля.

Попадая в шлак, угольные частицы за счет резкого нагрева быстро теряют влагу, происходит выход летучих компонентов. Относитель­но крупные угольные частицы при этом испытывают «шоковые» на­пряжения, приводящие к их растрескиванию. Углерод ококсованного угольного остатка участвует в восстановлении железа и других эле­ментов из шлака, а также окисляется кислородом дутья.

Из поверхностного слоя шлаковой ванны угольные частицы могут вовлекаться турбулентными потоками в циркуляционные контуры, создаваемые в шлаковой ванне действием барботажных столбов. В зависимости от крупности частиц угля, они могут быть замешаны в шлак на определенную глубину.

Барботируемая шлаковая ванна может быть подразделена на обла­сти, где преобладают окислительные условия (факелы барботажных фурм и барботажные столбы) и остальное реакционное пространство, где протекают восстановительные процессы. Каждой частице данной фракции исходного угля можно приписать характерные времена пре­бывания в окислительных и восстановительной областях шлаковой ванны, что определяет общее время существования частицы. В зави­симости от характера распределения угля между этими зонами может существенно меняться эффективность технологии.

Расходование угольных частиц в шлаковом расплаве определяется многими факторами: сортом угля, температурой, свойствами шлака, интенсивностью его продувки, содержанием в дутье кислорода и дру­гими факторами. При дальнейшем рассмотрении поведения угольных частиц мы не будем учитывать эти факторы, считая, что процесс ве­дется в условиях близких к оптимальным. Температура шлака изме­няется незначительно, свойства шлака постоянны, дутьевой режим и расход шихтовых материалов близки к необходимым по балансу.

Изменение фракционного состава угля в шлаке происходит за счет растрескивания крупных частиц угля при их «шоковом» нагреве, при соударениях испытывающих пиролиз угольных частиц со стенка­ми реактора и друг с другом, из-за расходования углерода коксового остатка при его реагировании со шлаком и в барботажных столбах.

Расходование угля может быть приближенно описано как взаимо­действие угольных частиц со средой по некоторой обобщенной гете­рогенной реакции, эффективные константы скорости которой различ

итооры и оораоотку проо шлакоугольнои суспензии из поверх­ностного слоя шлаковой ванны проводили на трех опытных кампани­ях. Одновременно отбирали и анализировали пробы загружаемого в расплав шлака угля. Исходный и замешанный в шлак уголь рассеива­ли на восемь фракций. Условия работы установки на этих кампаниях были близки друг к другу.

Как видно из формулы (5.4), для расчета значений Kt необходимо экспериментально получить значения соотношений С/С® в каждом опыте.

Фракционные составы исходного и замешанного в шлаке углей (см. табл. 5.4), отличаются наиболее значительно по содержанию крупных фракций (+7 мм). Одной из причин этого может служить разрушение частиц угля при их «шоковом» нагреве после загрузки в шлаковый расплав.

Приведем пример обработки данных. Определен следующий сред­ний для приведенных в таблице 5.4 данных фракционный состав ис­ходного угля и угля, находящегося в поверхностном слое шлака:

Эти данные подставляли в (5.4) и получали характерное для дан­ного момента плавки значение К.

Рисунок 5 4 Характерное время пребывания угольной частицы в различных фракциях угля

Характерные времена пребывания угольных частиц в соответ­ствующих фракциях / представлены на рис. 5.4 (здесь и далее на графиках проекциям точек на ось абсцисс соответствуют средние по фракции диаметры частиц; расчетные точки соединены отрезками для наглядности).

Рисунок 5 5 Время существования в шлаке частиц исходного угля различных фракций

Стационарные содержания в поверхностном слое шлака угольных частиц соответствующих фракций определяются фракционным со­ставом угля и скоростью его загрузки в реактор:

Полученные результаты представлены на рис 5 6 Удельная ско­рость расходования угля на восстановление железа из шлака, рассчи-

тайная по кинетическим данным [4], полученным в наиболее близких к реализуемым в опытах условиям (метод вращающегося стержня, низкожелезистый шлак)), составляетчто не­

сколько меньше полученных минимальных значении к. итсюда сле­дует, что все фракции угля в той или иной мере участвуют в процес­сах горения и газификации в барботажных столбах.

Рисунок 5 6 Удельная скорость расходования в шлаке частиц угля различных фракций

Из рис. 5.6 видно, что с переходом к более мелким фракциям ско­рость реагирования немонотонно замедляется.

В объеме барботируемой шлаковой ванны вне барботажных стол­бов малоинерционные мелкие угольные частицы, реагирующие со шлаком (восстанавливая оксиды железа и другие элементы), должны преимущественно находиться в газовых пузырьках. Непосредствен­ное взаимодействие этих частиц со шлаком затруднено, и скорость их расходования должна быть меньше, чем у частиц крупных фракций. Кроме того, в нижних горизонтах барботируемой шлаковой ванны, где преобладают мелкие фракции угля, коалесценция мелких пузырь­ков, в основном содержащих угольные частицы, затруднена. Если размер такого пузырька, содержащего одну или несколько частиц, меньше характерного для системы внутреннего масштаба турбулент­ности, он практически полностью увлекается жидкостью. При этом уменьшается вероятность взаимодействия таких пузырьков с круп­ными газовыми пузырями, в частности, с кислородовоздушным ду­тьем барботажных столбов. Внутренний масштаб турбулентности в

различных зонах барботируемой шлаковой ванны составляет 1-3 мм. Таким образом, мелкие угольные частицы должны преимуществен­но участвовать в процессе восстановления элементов из шлака. Ско­рость этих реакций существенно меньше скорости их взаимодействия сКрупные же частицы угля должны участвовать как в вос­

становлении элементов из шлака, так и во взаимодействии с газовой фазой барботажных столбов. Высокие кажущиеся значения скорости расходования угля крупных фракций обусловлены и их измельчением при растрескивании.

Расчетные значения скорости расходования угля в шлаковой ванне, для каждой плавки, с учетом содержания в исходном угле влаги, лету­чих и золы, оказываются достаточно близкими к значениям реальной скорости загрузки (невязка - 10 - 15%).

Как уже отмечено выше, каждой частице данной фракции исхо­дного угля соответствует характерное впемя пребывания в окисли­тельныхи восстановительнойобластях шлаковой ван­

ны, что определяет общее время существования частицы f в данной фракции.

где п приняли равным 0,5 (значения п, в пределах точности адаптиро­ванной модели горения угольных частиц, составили 0,25 - 1,0)

При этих предположениях получаем следующий баланс расходо­вания массы угольной частицы в шлаковой ванне:

^pc(D?-i>iJ=fxcf(vfFe0)t?ca,l+vqit?+усцс) (5 п)

Результаты расчетов кажущихся времен пребывания угольных ча­стиц средних и мелких фракций в окислительных и восстановитель­ных условиях приведены в таблице 5.5.

Данные табл. 5.5 подтверждают, что мелкие частицы угля преиму­щественно участвуют в восстановлении железа и других элементов из шлака, а более крупные - как в восстановлении, так и в процессах горения и газификации в барботажных столбах.

Что касается частиц угля двух самых крупных фракций, то, как показывают эксперименты, они практически не обнаруживаются в нижних горизонтах барботируемой шлаковой ванны, где локализо­ваны зоны преимущественного горения угля. Расходование в шлаке массы частицы крупной фракции происходит в основном при ее реа­гировании со шлаком, газификации в барботажных столбах, а также из-за «потери массы», обусловленной растрескиванием части частиц данной фракции (приход этой массы в более мелкие фракции опосре­дованно учитывается через эмпирические константы К). Неизвестная величина «потери массы» делает неопределенной для крупных фрак­ций угля задачу нахождения соотношения t^cm / Г°\

Таблица 5.5. Характерные времена пребывания угольных частиц средних и мелких фракций в зонах барботируемой шлаковой ванны с преобладающими окислительными/восстановительными условиями

Полученные данные о величинах времен пребывания уголь­ных частиц средних и мелких фракций в окислительных условиях позволяют сделать качественные выводы об интен­сивности обмена угольными частицами между барботажными стол­бами и остальной шлаковой ванной.

В предельном случае угольная частица, будучи вовлеченной в газо­вый объем в барботажном стогт^ "вижется в нем к поверхности ванны до конца подъема. Тогда врембудет суммой времен ее проходов в нижних частях барботажных столбов, где преобладают окислительные условия. При средних характеристиках: расходе дутья на одну фурму -625 нм3/ч, высоте части барботажного столба с преобладающими окислительными условиями(средний путь подъема частицы

~ 0,6 мУ площади сечения барботажного столбаи газосодержа-

нииспелнее воемя подъема угольных частицв газовых пузырях составляетТогда среднее число захватов (попаданий)

Рисунок 5 7 Зависимость числа захватов в зоны барботажных столбов с окисли­тельными условиями (Z) частиц угля средних и мелких фракций за время их суще­ствования в ишаке

частицы в окислительйые зоны барботажных столбов за время ее суще­ствования в і -ой фракции (Z) определяется как:

Как видно из приведенного рисунка, угольная частица диаметром 5 мм для полной газификации проходит окислительные области бар­ботажных столбов около 100 раз.

То есть при газификации в шлаковом расплаве реализуется тот же принцип, что и в технологии циркулирующего кипящего слоя, где угольная частица многократно проходит через окислительную об­ласть до полного расходования, содержащегося в ней углерода.