Принцип создания кипящего слоя

Псевдоожиженным, или кипящим слоем, называют особое состояние дисперсного материала, характеризующееся перемещением твердых частиц относительно друг друга за счет энергии газа или жидкости, пропускаемых через слой материала. Причем скорость восходящего газа должна быть достаточно высокой, чтобы нарушить неподвижность и создать интенсивное турбулентное движение, напоминающее кипение жидкости. При этом

Внутри кипящего слоя можно сжигать твердое, жидкое и газообразное топливо или подавать для обжига теплоноситель извне. Поверхность контакта зерен обжигаемого материала и теплоносителя достигает в кипящем слое максимальной величины, вследствие чего коэффициент теплопередачи отличается весьма высокими показателями – около 209 Вт/м²-^сС).

Увеличение поверхности контакта способствует ускорению тепло- и массообмена, а непрерывное перемешивание частиц материала обеспечивает выравнивание температуры в слое, что позволяет проводить процесс быстро и в небольших рабочих объемах. Процессы в кипящем слое легко регулируются и поддаются автоматизации. Как показала практика, в кипящем слое можно обрабатывать зерна твердых материалов размером от долей миллиметра до 10 мм при различной влажности, так как влага, попадающая в кипящий слой,  почти мгновенно испаряется. Обжигаемый зернистый материал находится в печи в виде псевдоожижиенного слоя, из которого выходит («сливается») готовый продукт. Из слоя удаляется столько же готового материала, сколько в него поступает сырца. Поэтому производительность тепловых агрегатов с кипящем слоем практически обусловливается количеством тепла, которое может быть выделено в процессе обжига или подведено в слой в еденицу времени.

Наряду с большими достоинствами метод кипящего слоя обладает и рядом недостатков. Так, интенсивное Движение частиц в слое и взаимное их перемещение не позволяют предсказать положения частицы в какой-либо промежуток времени. Это означает, что часть поступающих в камеру свежих частиц может скорее выйти из слоя, чем это требуется, и перегревается, что для ряда технологических процессов неприемлемо. Другой недостаток метода вытекает из условий взаимного соударения частиц и ударов их о стенки камеры, что приводит к истиранию материала и накоплению пыли, а также преждевременному износу аппарата.

Чтобы объяснить механизм создания кипящего слоя рассмотрим график псевдоожижения в координатах: скорость потока – сопротивление слоя материала.

        P

∆P

0 W^’_кр W_кр^’’ =W_в W

Рис. 2. Изменение сопротивления слоя сыпучих материалов от скорости сушильного агента

I Область фильтрации (участок ОА)

При прохождении воздушного потока дымовых газов через слой дисперсного материала последний оказывает сопротивление, но при такой скорости потока дымовых газов силы динамического давления этого потока на слой материала меньше силы тяжести самого слоя, поэтому поток дымовых газов проникает через дисперсный слой материала не изменяя его состояния, то есть дымовые газы фильтруются через слой, а сам слой находится в покое.

При повышении скорости потока силы динамического давления возрастают, наступает момент, когда силы динамического давления уравновешивают силы тяжести слоя (точка А). Слой приобретает новые свойства и переходит во взвешенное состояние. Частицы материала начинают раздвигаться, а слой увеличивается по толщине.

Скорость потока дымовых газов, при которой слой переходит во взвешенное состояние, называется критической скоростью начала псевдодвижения или первой критической скоростью. При этой скорости потока сопротивление слоя достигает максимального значения. Участок повышения скорости и увеличения сопротивления слоя (АО) называется областью фильтрующего слоя.

II. Область псевдоожижения (АВ)

При дальнейшем увеличении скорости в слое материала начинается свободное кипение, частицы начинают совершать движение без выноса частиц из слоя.

Еще большее увеличение скорости приводит к интенсификации кипения (точка В). Важно иметь в виду, что во всем диапазоне скоростей, когда процесс протекает в режиме псевдоожижения, скорость газового потока достаточна, чтобы оторвать частицы друг от друга, но не достаточна, чтобы удержать их. в потоке и вынести за пределы слоя. Состояние псевдоожижения и разбухание слоя будут продолжаться до тех пор, пока скорость дымовых газов не достигнет значения второй критической скорости, или скорости витания частиц.

Сопротивление слоя на этом участке постоянно, что объясняется изменением контактирования частиц в слое и возможностью их перемещения с возрастанием толщины слоя.

III Область транспортирования

По достижении скорости витания кинетическая энергия газового потока способна удержать в нем частицы и вынести их за пределы слоя, т.е. наступает взвешенное состояние, при котором частицы материала образуют с газовыми гетерогенную систему – аэровзвесь. Материал захватывается потоком и транспортируется в систему очистки дымовых газов и осаждения тонкодисперсного материала (направление в циклоны).

Конструктивная часть

Печи кипящего слоя в зависимости от характера процессов, протекающих

в них, могут быть одно- или многокамерными, работать без подвода тепла (при экзотермических процессах) или с различными способами подвода тепла (при эндотермических процессах). В многокамерных печах камеры могут располагаться смежно (однозонные печи) или в вертикальном положении одна над другой (многозонные печи); отдельные камеры могут сообщаться между собой при помощи наружных или внутренних переточных устройств.

Печь кипящего слоя состоит из ряда отдельных элементов; рабочей камеры, загрузочных, выгрузочных и тягодутьевых устройств, системы приборов для контроля и автоматического регулирования процесса, а при эндотермических процессах – устройств для сжигания топлива. Рабочая камера печи представляет собой футерованную шахту, перекрытую сводом. В зависимости от способа подвода тепла к шахте печи пристраивается выносная топка или устройство для сжигания топлива непосредственно в кипящем слое обрабатываемого материала. Наиболее существенной частью печи являются газораспределительные решетки, устройство для сжигания топлива и переточные устройства.

Печь кипящего слоя для обжига керамзитового песка показана на листе 1, Обжиг материала производится следующим образом: материал, загружаемый винтовым питателем 3, через течку 1 поступает в зону подогрева 2, из которого подогретым до 750 °С по внешнему переточному устройству 5 поступает в зону обжига 6. Обожженный песок через второй внешний переток 7 поступает в холодильник 8, работающий также по принципу кипящего слоя. Охлажденный до 100 °С песок по течке 9 поступает на конвейер 10. Зона подогрева оборудована подовыми керамическими решетками 11, причем вторая зона от зоны обжига отделена глухой перегородкой 12. В подовую решетку зоны обжига вмонтированы газовые горелки. Воздух турбовоздуходувной машиной нагнетается под решетку холодильника и нагретым за счет теплоты охлажденного песка по воздухосборникам 13 поступает в зону обжига к трубам 14 горелок, обеспечивая горение газа.

Перемешивание слоя в радиальном направлении в печах кипящего слоя выражено слабо. Поэтому равномерный ввод топлива через горелки имеет решающее значение для нормальной работы печи. Продукты горения из зоны обжига поступают в горячий футерованный циклон 15, где они очищаются от уносов и, огибая глухую перегородку, поступают с температурой 950 °С через решетку во вторую зону подогрева. Охладившись до 750° С через трубопровод 16 отходящих газов направляются в циклон 4, обеспыленные газы вентилятором 18 выбрасываются в атмосферу. Пылевидная фракция осажденного пес из циклона по винтовому конвейеру 17 поступает на ленточный конвейер.

Расчетная часть

Для расчета принята схеме установки, изображенная на рис. 2, которая состоит из двухзонной печи кипящего слоя, футерованного циклона й холодильника кипящего слоя. В холодильнике происходит частичное охлаждение материала, окончательное охлаждение производится при пневмотранспортировании. Холодильник выполняет также роль гидрозатвора, позволяющего с верхнего уровня слоя, свободно выгружать материал. Отходящие газы из зоны обжига печи после осаждения из них пылевидных фракций готового продукта подаются в зону термоподготовки. Перед поступлением в футерованный циклон отходящие газы из зоны обжига смешиваются с холодным воздухом. Это позволяет снизить температуру газов, подаваемых в зону термоподготовки, до технологически требуемой величины, а также облегчить работу футерованного циклона в тепловом отношении. Осажденная пыль из отходящих газов после зоны термоподготовки возвращается в зону обжига печи.

Рис. 3. Аппаратуная схема установки кипящего слоя для обжига глинистого сырья

1 – циклон зоны термоподготовки; 2 – зона термоподготовки; 3 – зона обжига; 4 – футерованный циклон; 5 – холодильник гидрозатвор.

Исходные данные

Объем производства 50 тыс. м³/год. Насыпная плотность песка – 538 кг/м; коэффициент использования оборудования – 0,91. Температура в зоне термоподготовки 346 °С; температура в зоне обжига – 1105 °С; температура в холодильнике – 534 °С; температура воздуха‑16 °С; влажность сырца‑10%; потери при прокаливании -12%; в том числе:

СО₂ от диссоциации СаСО₃ – 1,66%; СО₂ от диссоциации MgCO₃ -3,45%; дегидратации – 2,88%.

Зерновой состав%

Сырца:

более 5 мм 4

2,5–5 мм...... 16

1,2–2,5 мм… 20

0,6–1.2 мм… 26

0,3–0,6 мм… 22

0,15–0, Змм…7

менее 0,15 мм 5

Песка: более 5 мм 2

2,5–5 мм...... 18

1,2–2,5 мм…24 0,6–1.2 мм… 28 0,3–0,6 мм… 23 0,15–0, Змм…2 менее 0,15 мм 3

Материальный баланс

При составлении материального баланса необходимо учитывать следующие условия:

- удаление остаточной влаги происходит в зоне термоподготовки;

- унос пыли из зоны термоподготовки составляет 7…8%

Унос мелких фракций керамзитового песка из зоны обжига составляет 18–20%

– коэффициент осаждения пыли из отходящих газов в циклонах
термоподготовки и обжига равен 0,8.