Теплообмен ванны с охлаждаемыми элементами, расположенными ниже уровня шлака

Процессы плавления/затвердевания шлака на водоохлаждаемых стенах реактора как в зоне дожигания, так и в зоне барботируемого шлака играют ключевую роль для формирования на этих стенах слоя твердого шлакового гарнисажа, выполняющего важную защитную функцию и снижающего тепловые потери.

Рисунок 9 1 Схема тетообмена 1 - водоохлаждаемый элемент, 2 - шлаковый гарнисаж, 3 -расплав шлака td - температура шлака, tt - температура плавления шлака, ts - температура по­верхности охлаждаемого элемента, tw - температура охлаждающей воды

На рис. 9.1 приведена условная схема теплообмена при контакте между шлаковым расплавом и охлаждаемыми элементами, находя­щимися ниже уровня его поверхности.

Для охлаждения этих элементов используется вода, так как при этом, по сравнению с испарительным охлаждением, упрощается кон­троль за тепловым состоянием каждого элемента. Это имеет важное значение, так как попадание охлаждающего агента под слой расплава в некоторых случаях может привести к возникновению опасных си­туаций.

Теплообмен между расплавом и охлаждаемым ограждением доста­точно широко распространен в металлургии. Его исследованию по­священо значительное количество публикаций, анализ теплообмена в наиболее близких к газификации угля в шлаковом расплаве условиях приведен в [19].

В стационарном состоянии теплообмен может быть описан сле­дующим соотношением:

где - тепловой поток на охлаждаемыйэлемент,коэффи­

циент теплоотдачи от"злаковой ванны- коэффициент теплопро­водности гарнисажа,- коэффициент теплопроводности материала охлаждаемого элемента,- толщина гарнисажа,- толщина стенки кессона до охлаждающей среды.

Наибольшее влияние на величину теплового потока оказывает температура шлакового расплава, температура кристаллизации шлака и коэффициент теплоотдачи от шлакового расплава.

Как было показано в разделе, посвященном изучению свойств шлаковых расплавов температура затвердевания шлака может изме­няться в широких пределах. При температуре шлака, достаточной для обеспечения необходимой производительности процесса, желательно чтобы температура кристаллизации шлака была максимальной. При этом обеспечивается снижение тепловых потоков на кессоны и, со­ответственно, снижение тепловых потерь Формирование шлаковой ванны с оптимальными физическими свойствами является наиболее эффективным способом для этого. Величина коэффициента тепло­отдачи зависит от свойств шлака, его вязкости и скорости движения шлакового расплава относительно кессонов. При реализации процес­са в промышленных масштабах возможности влияния на эти параме­

тры ограничены. Тем не менее режим продувки должен обеспечивать наибольшее удаление барботажного столба, в котором скорость дви­жения шлака максимальна, от стен реактора.

На самом деле картина теплообмена значительно сложнее, чем это показано на рис 9.1. В реальных условиях теплофизические свойства шлака, материала кессонов зависят от температуры, кристаллизация шлакового расплава происходит в интервале температур.

Для учета этих факторов, а также для анализа теплообмена в не­стационарных режимах была разработана модель теплообмена между шлаковым расплавом и кессонами, расположенными в реакторе ниже уровня поверхности расплава.

Процесс теплообмена описывается уравнением:

Для решения уравнения (9.1) использовали разностную схему, об­ладающую свойствами консервативности и абсолютной устойчиво- постоянных коэффициентах и погрешностью аппроксимации Схема позволяет рассчитывать и нелинейные задачи с доста­точно большим шагом по времени.

Гпяничные условия имеют вид:

- температура на холодной поверхности кессона равна тем­пературе охлаждающей воды,

■ температура на внешней границе гарнисажа равна темпера­туре ликвидус шлака,

- тепловой поток на внешней границе гарнисажа, на границе водоохлаждаемый элемент - гарнисаж соблюдается ра­венство тепловых потоков.

В расчетах использовали теплофизические свойства материалов, зависимость которых от температуры аппроксимировали, как прави­ло, полиномом второй степени. Также использовались определенные в главе 2 свойства шлаков.

Значение коэффициента теплоотдачи от жидкого шлака водоо­хлаждаемому элементу экспериментально определили путем одно­временного измерения температуры шлакового расплава и теплового потока на охлаждаемый элемент. При основности шлака около 1,0 и интенсивности продувки около 500 нм3/м2 в час коэффициент тепло­отдачи составил 281,7

На рис 9.2 показана полученная зависимость теплового потока че­рез охлаждаемые элементы от температуры шлака. Точками показаны экспериментальные данные.

Рисунок 9 2 Зависимость теплового потока (Q) через охлаждаемые элементы от температуры ишака (Т)

Анализ динамики теплообмена показал, что максимальные тепло­вые потоки на охлаждаемые элементы имеют место при контакте не покрытых гарнисажем кессонов с расплавом шлака как это проис­

ходит при его заливке в реактор в начале работы. Величина тепловых потоков при этом в 1,7-1,8 раз выше, чем в установившемся режиме при наличии гарнисажа. Поэтому перед началом работы установки целесообразно защитить водоохлаждаемые элементы путем нанесе­ния на огневую поверхность слоя огнеупорной массы.

Длительность переходных процессов в гарнисаже и кессоне при изменении температуры расплава составляет 5-10 минут, поэтому по величине теплового потока на кессоны можно оперативно контроли­ровать температуру в реакторе.

9.2.