Теплообмен ванны с охлаждаемыми элементами, расположенными выше уровня шлака
Теплообмен с охлаждаемыми стенами, расположенными над шлаковым расплавом существенно отличается от рассмотренного выше и изучен значительно меньше. Некоторые результаты модельных исследований этого процесса приведены в [20].
Физическая картина процессов, происходящих на поверхности охлаждаемой стенки выше уровня шлака может быть представлена следующим образом (рис. 9.3). На стенку непрерывно наплескивается шлаковый расплав с температурой, равной температуре шлака в ванне. Попадая на охлаждаемую стенку, часть шлака может затвердевать, образуя твердый шлаковый гарнисаж, а остальная будет стекать по стене в виде пленки. Толщина твердого гарнисажа имеет некоторую стационарную величину, определяемую величиной теплового потока на стену из зоны дожигания и свойствами шлака, из которого образован гарнисаж.
Рисунок 9 3 Схема процессов на охлаждаемом элементе выше уровня шлака
При этом возможны такие условия, когда твердый гарнисаж не образуется, т.е. температура на огневой поверхности кессона будет больше температуры плавления шлака. В этом случае огневую поверхность кессона будет защищать только пленка стекающего шлака, которая с одной стороны, охлаждается за счет теплообмена с гарни- сажем или стеной, с другой - нагревается за счет излучения от факела дожигания и конвективного теплообмена с нагретым газом.
При газификации угля в шлаковом расплаве теплообмен с охлаждаемыми элементами расположенными выше уровня расплава имеет важное значение при достаточно высокой степени дожигания газов в реакторе. Такие технологические режимы реализуются при использовании твердого топлива низкого качества (низкой калорийности), при частичном использовании в качестве окислителя углерода в ванне оксидов железа (и других металлов) и воды.
Наплеск шлака на стену происходит в результате волнообразования и брызгообразования в ванне.
Условно примем, что наплеск шлака на стены осуществляется каплями, процесс стационарный, размеры капель незначительны. На стенку непрерывно и равномерно по площади стены попадают капли шлакового расплава с определенным расходом. Стекающая пленка является своеобразным «динамическим гарнисажем», выполняющим роль теплового изолятора для защиты стен от теплового воздействия высокотемпературных газов. При достаточно интенсивном наплеске шлака на стены и большом тепловом потоке от факела дожигания возможна передача тепла с пленкой из зоны дожигания в шлаковую ванну.На рис. 9.4 показан внешний вид водоохлаждаемых стен реактора, покрытых слоем шлакового гарнисажа.
Рисунок 9.4 Гарнисаж на воооохлажоаемых стенах реактора
При работе на опытной установке было обнаружено, что тепловые потери через охлаждаемые элементы, расположенные выше уровня расплава, и способность шлаковой ванны воспринимать тепло от дожигания определяются не только величиной тепловыделения в этой зоне (степенью дожигания газов), но и интенсивностью продувки расплава, состоянием шлаковой ванны: ее высотой, вязкостью и температурой шлака.
Так при снижении уровня расплава значительно возрастали теплопоте- ри через водоохлаждаемые элементы зоны дожигания. Это же наблюдали и при снижении температуры плавления и вязкости шлака при высоком содержании в нем оксидов марганца при плавке марганцовистого сырья В данном разделе приведена математическая1 модель и результаты моделирования теплообмена на стенах реактора, расположенных выше уровня шлака [21].
Решение поставленной задачи предполагает совместное решение задач течения пленки по поверхности стенки и теплообмена в системе «гарнисаж-шлаковая пленка-зона дожигания». Решение приведено для участка стены шириной и высотой 1 м.
‘Математический аппарат разработан к.т.н.
Георгиевским С. А.[1]Кружилин Г.Н 7 Журнал технической физики, 1937 г., т.7, в.20-21, с. 2011-2017
 |
 |
 |
от пленки на уровне х Величина в стационарном состоянии равна тепловым потерям через стены.
Считаем, что плотность теплового потока, падающего на пленку из зоны дожигания постоянна по высоте стен.
Изменение теплосодержания шлака в пленке на уровне х равно количеству тепла, полученного из зоны дожигания и поглощенного пленкой на высоте от Н до х за вычетом тепла, переданного от пленки гарнисажу-
 |
[1] Воскресенский К Д ,// Изв АН СССР, ОТН, 1948 г, № 7, с 1023-1028
 |
Результаты моделирования.
Коэффициент теплоотдачи:
 |
Некоторые результаты расчетов представлены на рис. 9.5-9.8 и в табл. 9.1, 9.2.
На рис. 9.5 и 9.6 представлены расчетные значения тепловых потерь через стены и количество тепла, поглощенного шлаковой пленкой и переданного в шлаковую ванну в зависимости от интенсивности орошения шлаком стен и тепловым потоком на стены из зоны дожигания.
Расчеты выполнены для температуры шлака 1500 и 1600 °С. Из представленных данных видно, что при увеличении интенсивности орошения стен шлаком растет теплопередача в ванну стекающей по стенам пленкой шлака и уменьшаются тепловые потери через стены. То есть, увеличение брызгообразования приводит к повышению эффективности передачи тепла из зоны дожигания шлаковой ванне и улучшает защиту стен от воздействия высокотемпературного факела. Из этого рисунка также видно, что увеличение теплового потока из зоны дожигания на стены от 200 до 400 кВт/м2, что примерно соответствует степеням дожигания газов от 0,3 до 0,7, существенно сказывается на количестве тепла передаваемого пленкой шлаковой ванне и слабо влияет на величину тепловых потерь через стены при интенсивности орошения стен шлаком более 10 кг/(м2-с ).
 |
Таблица 9.1 Пример расчета течения и теплообмена пленки
На рис. 9.7 показано влияние интенсивности орошения и температуры шлака на величину тепловых потерь через стены и количество тепла, поглощенного шлаковой пленкой и переданного в шлаковую ванну. Видно, что при снижении температуры шлаковых капель и, соответственно, температуры шлака в ванне, эффективность действия шлаковой пленки как передатчика тепла из зоны дожигания ванне увеличивается.
 |
Скорость стекания пленки зависит от вязкости шлака, которая определяется, в значительной степени, его основностью Поэтому целесообразно определить влияние основности шлака на величину тепловых потерь через стены и количество тепла, поглощенного шлаковой пленкой и переданного в шлаковую ванну.
Пример расчета приведен на рис. 9 8 При увеличении основности шлака от 0,6 до 1,0 существенно возрастают тепловые потери через стены и уменьшается передача тепла шлаковой ванне через пленку. Это связано с тем, что при изменении основности шлака в указанных пределах уменьшается его вязкость. При этом возрастает скорость стекания пленки по стене, уменьшается ее толщина и время нахождения шлака на поверхности гарнисажа. Поэтому ухудшаются условия ее нагрева. При этом, так как тепловой поток из зоны дожигания на стены не изменяется, увеличиваются потери тепла через стены.Пленка шлакового расплава, стекающая по водоохлаждаемым стенам в зоне дожигания выполняет роль теплоизолятора. Лишь при незначительных до 5 кг/(м2-с) интенсивностях орошения стен брызгами шлака тепловой поток из зоны дожигания почти полностью передается стенам, достигая на практике 0,30 МВт/м2. При плотностях орошения от 5 до 25 кг/(м2 с) значительная часть тепла поглощается пленкой и тепловой поток на кессоны составляет от 0,05 до 0,25 МВт/м2 Плотность орошения в пределах 5 - 25 кг/(м2-с) соответствует кратности циркуляции барботируемого шлака 8-40 [24].
Приведенные в таблице 9.2 данные о влиянии уїла наклона стены показывают, что с его увеличением уменьшается скорость течения пленки и увеличивается теплопередача в ванну, однако, с увеличением угла наклона увеличивается и площадь охлаждаемых элементов Поэтому увеличение угла наклона возможно только в достаточно узких пределах
Таблица 9 2 Зависимость тепловых потоков на гарнисаж и в ванну от угла наклона стенки
| Угол наклона стенки | ° | 0 I 18 | 36 ( | 54 | 72 | |
| Толщина пленки | мм | 6,5 1 6,6 | 7,0 | | 7,8 | 9,7 | |
| Среднерасходная скорость пленки | см/с | 58 | 57 | 54 | 48 | 39 |
| Температура на поверхности пленки | С | 1609 | 1609 | 1610 | 1612 | 1614 |
| Тепловой поток на гарнисаж | кВт/м2 | 149 | 147 | 139 | 126 | 102 |
| Тепловой поток в ванну | кВт/м2 | 151 | 153 | 161 | 174 | 198 |
| Тепловой поток из зоны дожигания 300 кВт/м2, шлаковое орошение 10 кг/(м2 с), остальные данные в табл. 9 1. | ||||||
Поглощенное шлаковой пленкой тепло передается шлаковой ванне В реальных условиях капли шлака вылетают из ванны не на 1 м,
как это было принято в описанной выше модели, а на значительно большую высоту. Визуальные наблюдения показали, что и на высоте 3-х метров от поверхности ванны на стенах печи существует сплошной поток стекающего шлака. Учитывая это, была сделана оценка количества тепла, которое может быть передано из зоны дожигания по этому механизму Оценка показала, что около 30% от всего количества тепла, передаваемого шлаковой ванне из зоны дожигания, может передаваться стекающей по стенам пленкой шлака
Таким образом, непрерывно стекающая по поверхности стен пленка шлака, с одной стороны, защищает водоохлаждаемые стены от воздействия высокотемпературного факела зоны дожигания, с другой - эффективно передает тепло шлаковой ванне.
Помимо вязкости и другие физические свойства шлаковых расплавов существенно зависят от температуры. Для определения степени влияния этих зависимостей на результаты расчетов провели моделирование течения пленки и теплообмена в ней с учетом следующего[25] Учли, что теплопроводность шлака линейно изменяется в зависимости от температуры
 |
В таблице 9 3 приведены результаты расчетов с учетом и без учета температурных зависимостей свойств шлака
Таблица 9 3 Пример расчета течения и теплообмена плёнки с учетом и без учёта зависимости свойств шлака от температуры
 |
Учет температурной зависимости дает более низкие значения тепловых потоков через охлаждаемые элементы, разница составляет всего около 6-8 %
Балансовые расчеты показывают, что при степени дожигания газов в печи около 0,7 фактические тепловые потоки из зоны дожигания ванне составляют 3,0-3,5 МВт/м2 При этом тепловой поток на стены - около 0,4 МВт/м2. То есть, тепловой поток на ванну примерно в 10 раз больше, чем на стену. При одном и том же источнике тепла, которым является факел в зоне дожигания, достижение таких высоких значений тепловых потоков к ванне возможно только при развитии большой тепловоспринимающей поверхности.
Передача тепла из'зоны дожигания осуществляется как излучением и конвекцией от высокотемпературного факела к поверхности шлаковой ванны, так и по специфическим механизмам, присущим процессу.
При продувке шлаковой ванны кислородосодержащим дутьем в режиме барботажа поверхность расплава имеет площадь примерно на порядок больше, чем в спокойном (не перемешиваемом) состоянии. Барботажные столбы выносят в зону дожигания большое количество брызг шлака, которые нагреваются и вновь возвращаются в расплав. Количество брызг шлака вылетающих из шлаковой ванны было оценено по видеосъемкам области дожигания через загрузочное отверстие реактора. Оценка показала, что количество брызг шлака в зоне дожигания составляет 1200-1400 кг/с За время пролета в зоне дожигания крупные капли нагреваются на 50-70°С Мелкие капли являются термическими тонкими телами Для них выполняется условие Ві-М . Энергия. -1978 -246 с
6 Шафорост Д А , Мадоян А А // Теплоэнергетика - 1999 -№4 с 66-69
7 Themehs N., Tarassoff P., Szekeley J. // Trans Met Soc AIME -1969 -v 245 -p 2425
8. Гугля В Г,ПодолинС А., Усачев А Б //Известия ВУЗов. Черная металлургия, - 2001. -№7 - с. 8-13
9 Явойский В И , Дорофеев Г А , Повх И. Л. Теория продувки сталеплавильной ванны. - М Металлургия, 1974 - 496 с.
10.0 Кубашевский, С Б. Олкок Металлургическая термохимия -М ' Металлургия, 1982 -392 с
II Engh Т., Lmdskog N // Scand J Metal. - 1975. - v 4. - N2. - p 49-58
12 Казачков E А Расчеты по теории металлургических процессов - М. Металлургия, 1988 - 288 с
13 Теплотехнический справочник Под ред Юренева В.И. и Лебедева И Д. - М.- Энергия Т.1,1975 749 с.; Т.2, 1976 896 с
14. Таблицы физических величин Справочник. / Под ред И.К Кикоина. - М.: Атомиздат, 1976 1006 с
15 Чудновский А.Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов -М Физматгиз, 1962 456 с.
16 Теплофизические свойства топлив и шихтовых материалов черной металлургии / Бабошин В М., Кричевцов Е.А , Абзалов В.М и др -М Металлургия, 1982, 152 с.
17 Sampaio R.S., Fruehan R.J , Bahn Ozturk Rate of Coal Devolatil- lzation in Iron and Steelmaking Processes Part I - Experimental Results. - Transactions of the ISS August, 1992, Vol. 19, p 49-57.
18. Sampaio R.S., Fruehan R.J., Bahn Ozturk. Rate of Coal Devolatil- lzation in Iron and Steelmaking Processes. Part II - Effect of Coal Devola- tilization on Energy Efficiency in Bath Smelting - Transactions of the ISS. August, 1992, Vol. 19, p 59-66
19. Балтян В.FI, Усачев А.Б. Теплообмен в камере шлакового расплава энергетического профиля Тез докл. Всеросс. Научно- технической конференции, 23-25 июня, 1994 г, Новочеркасск, 1994, с. 11-12
20. Иванов В В , Демихов В.Н , Балтян В Н. и др // Цветная металлургия, 1995 , № 7-8, с 10-13
21 Георгиевский С.А , Усачев А.Б , Баласанов А В. и др. // Известия ВУЗов. Черная металлургия, 1998, № 5, с 14-20
22. Нигматулин Б.И., Горюнова М 3., Васильев Ю.В // Теплофизика высоких температур 1981 г, т 19, № 5, с 991-1001
23 Баттерворс Д , Хьюитт Г., Теплоотдача в двухфазном потоке., М., Энергия, 1977 г., 240 с.
24. Глинков М.А. Тепловая работа сталеплавильных ванн , М, Металлургия, 1970 г., 408 с
25 Георгиевский С.А., Усачев А.Б., Баласанов А В. и др. // Известия ВУЗов Черная металлургия, 2000, №9, с. 10-15.
26. Патент РФ № 2198938
27 Патент РФ № 2198936