ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 2, с. 301-311
= ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ АППАРАТЫ И КОНСТРУКЦИИ
УДК 544.421.42:544.431:666.9.046
ПЫЛЕВОЙ РЕАКТОР ОБЖИГА ИЗВЕСТНЯКА © 2015 г. В. М. Батенин, В. И. Ковбасюк, Л. Г. Кретова, Ю. В. Медведев
Объединенный институт высоких температур РАН, Москва E-mail: platech@mail.ru Поступила в редакцию 22.07.2013 г.
Осуществлено экспериментальное моделирование процессов обжига пылевидных частиц карбонатов в изотермическом потоке продуктов сгорания в реакторе, поддерживающем необходимый уровень температуры за счет промежуточного ввода горючего газа на дожигание. С привлечением литературных источников выполнен анализ кинетики процессов разложения частиц карбонатов в продуктах сгорания, имеющий целью предсказание эффективности реакторов такого рода для практического использования и определения оптимальных режимов процесса. Особое внимание в настоящем исследовании уделено сопоставлению теоретических и опытных данных в пограничных режимах обжига, т.е. при параметрах, ниже которых обжиг в продуктах сгорания становится уже невозможен. Учитывая, что быстрый пылевой обжиг имеет одним из важных назначений получение активной извести, эффективно связывающей "кислые" газы в продуктах сгорания энергетических установок, выполнялся контроль очистки пылью газов в реакторе от SOx.
DOI: 10.7868/S0040364415020040
ВВЕДЕНИЕ
Обжиг известняка на известь лежит в основе современной строительной индустрии, но области применения извести гораздо шире — в качестве активного абсорбента в химических технологиях, для очистки выхлопа энергоустановок, в сельском хозяйстве при мелиорации земель, в пищевой промышленности (например, при производстве сахара) и многих других. Вместе с тем обжиг — исключительно энергоемкий процесс, а потому при больших масштабах производства оптимизация технологии обжига крайне актуальна. Однако, как и много веков назад, базовой, хотя и значительно усовершенствованной технологией является обжиг в шахтных печах с характерным временем пребывания материала в печи более суток. Эта технология очень требовательна к характеристикам сырья (размеру и твердости кусков обжигаемого материала), необходимым для обеспечения равномерного протока обогревающих продуктов сгорания. При форсировании обжига неизбежна значительная разница температуры между внутренними и внешними областями кусков, отчего продукт может быть одновременно и недожжен внутри, и пережжен снаружи, что ведет к потере качества. Интенсификация за счет повышения температуры обжига невозможна, так как при длительном воздействии высокой температуры идет спекание и кристаллизация образующегося СаО, снижающие активность извести. Вращающиеся обжиговые печи, как альтернатива шахтным, позволяют ускорить обжиг, используя "мелочь" и такое мягкое сырье, как мел. При том,
что тепловая эффективность таких печей ниже шахтных, они применяются для производства высоко востребованной "активной" извести. Но и этот обжиг — очень длительный процесс. На этом фоне понятен интерес к исследованию и оптимизации обжига, осуществляемого в потоках горячих газов с высоко диспергированным сырьем [1].
Основу для понимания физико-химических процессов разложения высокодиспергированных карбонатов дают, прежде всего, данные термогравиметрических (ТГА) исследований — определяются энергия активации и константы скоростей разложения в вакууме, инертных газах и в атмосфере, содержащей СО2 [2—5]. Как правило, используются кристаллические образцы в доли грамма. Однако за этим последовало прямое моделирование обжига частиц в потоках газов [6, 7], которое выявило сложность картины обжига — необходимость учета особенностей тепло- и мас-сообмена, массопереноса на частицах и в газе. Ключевой по значимости экспериментальной работой в этой области исследований, включающей теоретическое обобщение результатов в рамках предложенной расчетной модели, стала [8]. Для понимания кинетики термического разложения частиц принципиальным оказался вопрос о лимитирующей стадии в цепочке указанных выше процессов. В данном исследовании, охватившем диапазон частиц размерами от 1 до 90 мкм, пять порядков по скорости разложения, использованы два типа реакторов: с частицами, омываемыми потоком газа, размещенными на фильтре из кварцевого волокна, и с частицами, увлекаемыми по-
током, притом что концентрация СО2 в несущем газе пренебрежимо мала. В этих опытах лимитирующей стадией обжига является скорость химического разложения, тогда как, например, изменение теплопроводности газа (при смене вида греющего газа) не влияло на скорость разложения, как и массоперенос через образующийся пористый проницаемый слой обожженного СаО. Но, что существенно, в качестве реакционной поверхности частицы принимается ее наружная, геометрическая, поверхность вместе с поверхностью пор, которая может значительно превышать геометрическую. Удельная реакционная поверхность частиц была измерена по методу ВЕТ (Brunauer—Emmett—Teller) для отобранных по размеру частиц, используемых в экспериментах. В работе исследуется процент потери массы известняка при разложении до СаО и СО2 и предложено кинетическое уравнение изменения этой величины во времени. Уравнение удовлетворительно описывает как данные самого автора, так и результаты других экспериментов (в частности, [6, 7]). Кроме расчетной модели [8], где структурные изменения в частицах при обжиге не детализируются, разработаны модели убывающего ядра, например [9], представляющие частицу как слоистую сферу с еще не разложившимся ядром и внешними слоями, препятствующими тепло- и массооб-менным процессам обжига, и с явлениями спекания образующегося СаО, отчего изначально высокая удельная поверхность СаО как абсорбента уменьшается со временем и под влиянием высокой температуры. Проблема в том, насколько корректно рассчитывается в модели разложение частиц известняка.
Быстрый (менее секунды) обжиг частиц в потоке продуктов сгорания исследовался в работах, проводимых по программам снижения вредных выбросов камер сгорания при вводе СаСО3. Так как СО2 в окружении частицы препятствует ее разложению, влияние парциального давления здесь учитывалось по [10, 11] зависимостью скорости реакции от разности равновесного давления СО2 на поверхности частицы и парциального давления в окружающем газе.
Результаты отмеченных и ряда более поздних исследований явились базовыми для работ по численному моделированию устройств, использующих обжиг известняка в потоках продуктов сгорания [12, 13]. Моделирование гетерогенных течений осуществляется с использованием коммерческих кодов, допускающих включение в расчет отмеченных выше кинетических механизмов на частицах. Одной из целей этих исследований была оптимизация аппаратов, где одновременно с обжигом должно осуществляться сжигание угля в качестве источника тепла для проведения эндотермической реакции разложения СаСО3.
При всем разнообразии экспериментальных методов и расчетных параметрических исследований остается открытым вопрос о достаточности данных и ясности физической картины декарбонизации частиц СаСО3, в особенности полученных путем традиционного дробления сырья, для разработки технологии и прогнозирования промышленного обжига на продуктах сгорания органического топлива. На этом этапе моделирование пылевого обжига призвано выявить проблемы и показать возможности реализации потенциально перспективных и экономичных процессов, в частности с использованием метода распределенного ввода компонентов горения [14, 15]. Оставим в стороне задачу обжига с целью получения предельно высоких значений удельной реакционной поверхности частиц СаО (на уровне до 100 м2/г) как активного химического агента, решаемую за счет обжига в нейтральных газах и/или за счет электронагрева, для весьма специфичных задач [8]. Обжиг на продуктах сгорания для получения СаО высокого качества — активной извести — может быть обеспечен путем выбора эффективной температуры, дающей возможно высокую полноту декарбонизации известняка, но без пережога. Иными словами, требуется поддержание постоянной оптимальной температуры, что представляется возможным в изотермическом пылевом реакторе на газовом топливе или на продуктах газификации других топлив [14, 15]. Таким образом, первой задачей данной работы является создание стенда для моделирования эффективных процессов обжига, рекомендуемых для практического применения. Далее на основе компиляции методов и подходов упомянутых выше исследований необходимо уточнить физические модели, описывающие процессы разложения частиц СаСО3, формализовать аппарат анализа и прогнозирования и апробировать его применительно к экспериментальному устройству. Это должен быть изотермический пылевой реактор. При этом особое внимание в исследовании должно быть уделено сопоставлению теоретических и опытных данных в пограничных режимах обжига, т.е. при параметрах, ниже которых обжиг в продуктах сгорания становится невозможен.
Учитывая, что быстрый пылевой обжиг имеет одним из важных назначений получение активной извести, эффективно связывающей "кислые" газы в продуктах сгорания энергетических установок, весьма полезным и информативным представляется контроль очистки пылью газов в реакторе от 80х.
УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
Материал для исследования. Для исследования обжига СаСО3 отбиралась стандартная заводская
продукция этого минерала разной крупности помола без специального разбора по фракциям, в некоторых случаях (более однородный мелкий помол) — предназначенная в качестве добавки при производстве жесткого ПВХ высокой белизны. Во всех случаях содержание примесей к основному материалу не превышало 5%. На приведенной электронной фотографии (рис. 1) представлены два типичных образца, демонстрирующие форму и размеры частиц, со шкалой масштаба. Они обнаруживают значительную изрезанность поверхности каждой из частиц сколами и другими дефектами неправильной формы. Но что более существенно для частиц, наблюдаемых под микроскопом, так это значительный их разброс по размерам и форме, притом мелкие частицы при одинаковой общей массе дают существенно больший вклад
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.