ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2014, том 33, № 1, с. 14-19
ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ
УДК 536.422; 536.462; 546.47
ИЗВЛЕЧЕНИЕ МЕТАЛЛОВ С ПОМОЩЬЮ ПРОЦЕССА ФИЛЬТРАЦИОННОГО ГОРЕНИЯ
© 2014 г. Г. Е. Заславский, Д. Б. Лемперт*, Г. Б. Манелис
Институт проблем химической физики Российской академии наук, Черноголовка
*Е-таП: dlempert@yahoo.com Поступила в редакцию 19.08.2011; после доработки 28.08.2013
Для исследования возможности извлечения ряда металлов из шихты в процессе фильтрационного горения конденсированного топлива применена двухтемпературная математическая модель стационарного процесса в адиабатическом конечном реакторе.
Ключевые слова: фильтрационное горение, металлы, массоперенос.
БО1: 10.7868/80207401X14010142
Одним из интересных направлений процесса фильтрационного горения (ФГ) является ФГ конденсированного топлива в присутствии соединений металлов [1—3]. Промышленными приложениями таких процессов могут стать агломерация руд, переработка техногенных и бытовых отходов и т.д.
В работе [4] для изучения ФГ угля в противотоке воздуха в присутствии частиц металла предложена и исследована двухтемпературная математическая модель стационарного процесса в адиабатическом конечном реакторе с неподвижным фронтом горения. Были получены аналитические зависимости плотности пара металла на выходе из реактора и степени извлечения металла от управляющих параметров (скорости фильтрации газа, количества топлива и металла в шихте, среднего размера частиц шихты, расстояния между фронтом горения и торцом, откуда выходит газ). Данная модель была применена к конкретной системе, содержащей цинк.
В настоящей работе, которая является логическим продолжением предыдущей статьи [4], эта модель применена для исследования возможности извлечения ряда металлов (Сё, Аз, 8е, Щ, Т1, Те, Мо, Т1, Та, Аи, V) из шихты в процессе ФГ в противотоке воздуха. Рассматривается возможность их извлечения как в виде паров свободного металла, так и в виде оксидов или гидроксидов, поскольку для некоторых металлов их гидрокси-ды или оксиды более летучи, чем эти же металлы в элементарной форме. В тех случаях, когда данный металл может образовывать и летучие гидрок-сиды, рассматривается возможность дозирования в поток воздуха, подаваемого в реактор, дополнительно водяного пара, который, взаимодействуя в
прогретой зоне с металлом, мог бы давать легколетучие соединения. Необходимо также учесть возможность взаимодействия паров металлов или их оксидов с газообразными продуктами реакции горения (в основном с СО).
Поскольку цель рассматриваемой задачи — ответить на вопрос о количестве и степени извлечения паров свободного металла или его легколетучих соединений, выносящихся из реактора газовым потоком, необходимо рассматривать состав газовой фазы при температуре у торца реактора, откуда она выходит. Расчет температуры газовой фазы на торце проводился с помощью упомянутой двух-температурной модели, а анализ состава газовой фазы — с помощью пользовательской программы расчета химических равновесий "Терра" [5].
В работе [4] при построении упомянутой двух-температурной модели для простоты пренебрегали теплотой испарения металла по сравнению с тепловым эффектом горения угля. Ошибка в результате неучета теплоты испарения металла, очевидно, тем больше, чем больше количество последнего в шихте, поэтому возникает необходимость ввести ограничение сверху на диапазон значений массовой доли металла, который можно рассматривать, оставаясь в рамках настоящей модели. Такой верхний предел содержания металла был определен как то его количество, теплота испарения которого пренебрежительно мала (считая таковым отличие на порядок) по сравнению с тепловым эффектом реакции горения топлива при данной массовой доле угля. Массовая доля
металла, соответствующая такому его количеству, вычисляется по формуле
max т^
^Me = ^С()Г,
(1)
где wc0 — массовая доля угля в шихте и введено обозначение
Г =
_ MMeP m Q
M cpMe 10АЯ
m m
здесь pc — массовая плотность угля, pMe — массовая плотность металла, MMe — мольная масса металла, MC — мольная масса угля, Q — тепловой эффект реакции горения, АН — тепловой эффект испарения. Формула (1) позволяет вычислить мольную долю металла, соответствующую ограничению сверху на его содержание при данной массовой доле угля в шихте. Поскольку в теоретической модели прене-брегается вкладом теплоты испарения металла, то можно определить некое исходное содержание ме-
max
талла в шихте — wMe , при меньших значениях которого это предположение можно признать корректным. При этом в зависимости от содержания
max
угля в шихте возможны две ситуации: либо wMe оказывается внутри диапазона возможных начальных содержаний металла, и тогда рассмотрение
max
при содержаниях выше wMe будет некорректным,
либо w
Me
оказывается вне диапазона возможных
начальных содержаний металла, и тогда предположение не вносит каких-либо ограничений.
С учетом требования равенства суммы всех массовых долей единице равенство (1) можно пе-
1 max 11 1 \
реписать как 1 - wIn = wMe (1 + —), где wIn — массовая доля инертного компонента в шихте. Очевид-
max
но, что наибольшее возможное значение wMe соответствует ситуации, когда в системе отсутствует инертный компонент. Тогда оно равно
w,
Г
Me -
Г + 1
Массовая доля угля при этом равна
wr)( =■
1
Г + 1
(2)
(3)
Зависимости степени испарения от управляющих параметров (массовой доли угля, начальной скорости продува газа, размера частиц и расстояния между фронта горения) будут рассчитываться
max
именно для содержания металла, равного wMe . При этом два управляющих параметра будут варьироваться, а два — фиксироваться.
В качестве системы, для которой проводятся расчеты, выбрана следующая: степень выгорания угля равна единице; давление газовой фазы равно 100 кПа; начальную температуру шихты считаем
комнатной (298 К); пористость принята равной 0.45. Средний размер частиц шихты в расчетах степени испарения варьировался от 10 до 80 мм, начальная скорость фильтрации газа — от 0.1 до 5 м/с, массовая доля угля — от 45 до 80%, расстояние между торцом и фронтом горения — от 0.05 до 0.4 м. При фиксировании управляющих параметров выбирались следующие значения: средний размер частиц шихты — 50 мм, начальная скорость фильтрации газа — 3 м/с, массовая доля угля — 50%. Все расчеты проведены по умолчанию для этой системы, если иное не указано особо.
Если рассчитанная по формуле (1) величина
max
массовой доли металла wMe при, например, 80%-ном содержании угля дает величину больше 20% от суммарной массы смеси, это означает, что при данном содержании угля любое количество
max
металла уже будет ниже величины wMe . Далее, при анализе возможностей извлечения различных металлов из шихты, будет указана расчетная величина наибольшего возможного значения
wMT и массовая доля угля при этом, рассчитанные по формулам (2) и (3).
Ниже приведены результаты расчетов для конкретных металлов из выбранного ряда и обсуждены возможности максимального их извлечения с использованием процесса ФГ.
Таллий
Термодинамический анализ показывает, что таллий не реагирует с СО, но взаимодействует с СО2 с образованием оксида Т12О. Оксид Т12О испаряется с частичным разложением до Т1 и О2. Элементарный таллий и оксид таллия Т12О имеют при одинаковых температурах приблизительно одинаковую упругость пара, поэтому, в каком виде извлекать таллий, безразлично. С водяным паром таллий реагирует с образованием гидроксида Т1ОН, который, однако, имеет меньшую упругость пара, чем элементарный таллий и оксид таллия Т12О. Таким образом, расчеты показывают, что таллий в газовой фазе представлен сравнимыми количествами простого вещества и оксида Т12О. Рисунки 1—3 иллюстрируют расчетные данные по зависимости степени извлечения таллия от управляющих параметров (скорости продува газовой фазы, массовой доли угля, размера частиц шихты и расстояния между фронтом горения и торцом). На графике, приведенном на рис. 3, имеют физический смысл только те области, которые отвечают условию хь > г, где хь — расстояние между фронтом горения и торцом, а г—средний размер частиц шихты. Диапазон массовых долей таллия, соответствующий его предельному количеству, — от 10 (при 45% угля) до 17% (при 80%).
max
Рис. 1. Степень испарения таллия как функция начальной скорости течения газа (в м/с) и расстояния между фронтом горения и торцом (в м).
Рис. 2. Степень испарения таллия как функция массовой доли угля и расстояния между фронтом горения и торцом (в м).
Рис. 3. Степень испарения таллия как функция раз- Рис. 4. Степень испарения таллия как функция мас-
мера частиц (в м) и расстояния между фронтом горе- совой доли металла и расстояния между фронтом го-
ния и торцом (в м). рения и торцом (в м).
На рис. 4 приведен график зависимости степени извлечения таллия от массовой доли металла (варьировалась от 0 до 10%) и расстояния между фронтом горения и торцом. Как следует из графи-
ка, полное извлечение (степень извлечения равна единице) при небольших значениях массовой доли металла (менее 5%) достигается даже при значительном расстоянии между фронтом горения и
торцом (более 0.3 м), однако при содержании таллия более 5% полное извлечение достигается при значительно меньших расстояниях (0.1—0.15 м).
Для наглядности на рис. 5 приведен график зависимости степени извлечения таллия от расстояния между фронтом горения и торцом, представляющий собой сечение предыдущего графика при значении массовой доли металла, равном 3%. График можно разделить на три участка: область вблизи торца, где степень испарения равна единице, область достаточно резкого спада степени извлечения с увеличением расстояния и область, где степень извлечения практически перестает зависеть от расстояния и асимптотически стремится к постоянной величине. Последняя область обязана своим существованием предположению об адиабатичности реактора, и в более точной модели, учитывающей теплообмен с окружающей средой, степень извлечения металла в этой области должна монотонно убывать с увеличением расстояния вплоть до практически нулевого значения. Таким образом,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.