Рекомендации по совершенствованию гидродинамического режима шлаковой ванны
При приближенном физическом моделировании были воспроизведены основные эффекты, присущие гидродинамическому режиму шлакоугольной суспензии в процессе газификации угля в шлаковом расплаве.
Прежде всего, это касается неравномерности распределения твердых частиц по высоте барботируемой ванны (содержание частиц в поверхностном слое ванны модели, как и в реальном реакторе, было в несколько раз больше, чем на уровне фурм). При повышении количества частиц в ванне модели в суспензии происходила структурная перестройка, выражавшаяся в формировании сплошного слоя частиц на поверхности ванны, что наблюдали при эксплуатации опытного реактора. Модель позволила качественно исследовать изменения структуры суспензии в достаточно широком спектре режимов, что практически невозможно на действующей промышленной установке. Полученные на модели систематизированные данные позволяют сформулировать практические рекомендации по совершенствованию технологических и конструктивных параметров процесса. Это позволит более полно использовать объем ванны как реакционной среды для более эффективного горения частиц угля в факелах фурм, увеличить количество твердого восстановителя в шлаке без опасности перехода в технологически неприемлемый режим блокировки углем поверхности ванны, эффективно использовать оксиды железа как газифицирующего уголь агента. В конечном счете, предлагаемые ниже технологические рекомендации позволят поднять производительность установки и расширить пределы ее устойчивой безопасной работы.
Для расчета рекомендуемых параметров гидродинамического режима выбрали условия продувки на физической модели, при которых эффективность замешивания твердых частиц в объем ванны была наи лучшей
Установлено, что при продувке на модели суспензий через фурмы с диаметром 4,4 мм, наилучшее замешивание частиц в объем ванны достигалось при согласованном изменении следующих параметров гидродинамического режима:
- увеличенном расходе дутья - 48,75 л/мин на фурму (в 1,3 раза в сравнении с базовым вариантом;
- увеличенной высоте ванны (80 мм против 40 мм в базовом варианте),
- использовании частиц мелкой и средней фракций (что при масштабе геометрического подобия 1 *20 перекрывает весь диапазон размеров частиц угля, наблюдавшихся в шлаке).
С использованием этих данных с помощью разработанной совокупности критериев подобия произвели полный расчет соответствующих параметров рекомендуемого гидродинамического режима реактора.
При рекомендуемой высоте шлаковой ванны над барботажны- ми фурмами в реакторе 0,08-20=1,6 м, полученной в соответствии с масштабом геометрического подобия, рассчитаем необходимый расход дутья (Qn) на фурму. Из формулы (10 6) получим Qn = 993 нм3/ч на фурму.
Разумеется, такое увеличение расхода дутья при неизменном числе барботажных фурм приведет к существенному увеличению (в 1,6 раза в сравнении с базовым вариантом) общего расхода дутья на продувку ванны При неизменном содержании кислорода в дутье это обеспечит более высокую производительность реактора
Продувка шлакового расплава с увеличенным расходом дутья должна осуществляться через фурму, диаметр сопла которой, рассчитанный по формуле (10.9), составляет d= 28 мм Это меньше, чем диаметр сопел фурм, применявшихся в базовом варианте работы реактора - 30 мм
Начальная скорость дутья составит 316 м/с Такая величина скорости неприемлема, поскольку конструктивно и технологически целесообразно использовать дутье в форме несжимаемого газа. Несжимаемость газа во вводимом дутье обеспечивается при скорости его истечения менее 0,8*а, те при U < 0,8 331=265 м/с.
Таким образом, рассчитанные параметры продувки необходимо скорректировать, снижая полноту подобия Если исходить из неизменности требования равенства на модели и в реакторе значений критерия Фруда (что обеспечивает подобие в расходе жидкости, «прокачиваемой» через барботажные столбы), то рассчитанные выше значения высоты шлаковой ванны (1,6 м) и расхода дутья на фурму (993 нм3/ч) не могут быть скорректированы Остается величина диаметра сопла фурмы, которую ранее определяли из условия равенства на модели и в образце значений критерия Глинкова Gn (для обеспечения подобия фурменных зон). Отказавшись от соблюдения полного подобия по критерию Глинкова, и приняв максимальное приемлемое значение скорости истечения газа t/fl = 265 м/с, получим d = 30 мм , т.е.
диаметр сопел фурм в предлагаемом режиме продувки реактора должен оставаться равным 30 мм, как это применялось на опытной установке.Уменьшение диаметра фурм при неизменном расходе дутья (те увеличение скорости истечения газа) положительно сказывалось на эффективности замешивания твердых частиц в объем ванны Этот же эффект может быть достигнут увеличением расхода дутья на фурму при неизменном диаметре фурм, как это было сделано выше при расчете параметров рекомендуемого режима продувки
Расчет критерия Глинкова для продувки реактора при d = 0,03 м и t/n = 265 м/с дает величину Gn=3,3, что в 1,4 раза меньше, чем это было на модели, т.е сделанное в расчетах отступление от требования Gn-idem сравнительно невелико
Вязкость шлака и фракционный состав частиц угля в шлаке остаются такими же, как они были в базовом варианте работы реактора Рекомендуемые изменения гидродинамического режима соответствуют работе реактора с повышенной производительностью, поскольку предполагают более интенсивную подачу в ванну барботажного дутья Проведенный анализ данных по физическому моделированию гидродинамики шлакоугольной суспензии позволил сформулировать следующие технологические рекомендации по повышению производительности процесса-
1 Уровень спокойного шлака над барботажными фурмами целесообразно увеличить с 0,7-0,8 до 1,4-1,6 м,
2. Расход дутья на фурму следует увеличить с 600-650 нм3/ч до 950- 1000 нм3/ч,
3. Диаметр сопел барботажных фурм следует оставить неизменным - 30 мм, при этом скорость дутья на выходе из фурмы увеличится с 205 до 265 м/с;
4. Размеры угольных частиц в ванне должны быть менее 20 мм;
5 Содержание угля в ванне должно быть 5-9% от массы ванны;
6. Вязкость шлака целесообразно поддерживать на уровне 0,2- 0,4 Пас.
Выработанные на основе результатов проведенных исследований практические рекомендации по совершенствованию гидродинамического режима процесса, увеличению производительности, по рациональным фракционному составу угля, содержанию угля в шлаковой ванне и вязкости шлака, могут быть использованы при совершенствовании технологии газификации угля в шлаковом расплаве