2.4.2.2. Установки с кипящим слоем

При продувке слоя дисперсных материалов восходящим потоком газов, когда статическое давление слоя уравновешивается гидродинамическим давлением газового потока, наступает явление псевдоожижения слоя. Скорость газов, при которой происходит нарушение стабильности слоя, называется критической.

При скоростях газового потока, превышающих критическую, материал в слое начинает интенсивно перемешиваться, делая его похожим на кипящую жидкость, и образуется кипящий слой (КС).

Дальнейшее увеличение скорости потока приводит к выбросам частиц материала из кипящего слоя в виде фонтанов, высота которых определяется скоростью газов в надслоевом пространстве, размером частиц и их плотностью. Когда скорость достигает определенного значения, кипение слоя нарушается и материал начинает уноситься из него газовым потоком.

Аппараты с кипящим слоем имеют следующие преимущества: 1) интенсивное перемешивание материала приводит к практически полному выравниванию температуры во всем объеме слоя; 2) высокие значения коэффициента теплоотдачи от газа к слою (и наоборот) позволяют осуществлять процессы с большой тепловой нагрузкой; 3) подвижность слоя, позволяющая осуществить непрерывный процесс при переработке твердой фазы; 4) сравнительно простое устройство.

Наряду с преимуществами процесс псевдоожижения имеет и недостатки: невозможно организовать противоток фаз в пределах одного слоя вследствие интенсивного его перемешивания, неравномерность времени пребывания в аппарате твердых частиц и газовой фазы, необходимость устройства системы пылеулавливания, ограничение скоростей газа интервалом допустимых скоростей псевдоожижения. Значительные трудности встречаются при обработке в кипящем слое слипающихся или механически непрочных продуктов.

Аппарат с кипящим слоем представляет собой камеру с газораспределительной решеткой, устройствами для загрузки и выгрузки сыпучих материалов и другими приспособлениями. Как правило, камеры круглые, но делают и сильно вытянутые прямоугольные аппараты. Различают цилиндрические, конические и цилиндроконические установки. Применение аппаратов, расширяющихся кверху, позволяет во многих случаях существенно снизить унос твердых продуктов из слоя, так как скорость газа в верхней части аппарата резко снижается. Площадь поперечного сечения камеры определяют, исходя из расчетной скорости газа (сжижающего агента) и его расхода. Высоту псевдоожиженного слоя находят, исходя из времени пребывания частиц в слое или времени прохождения газа через слой, а иногда из условий размещения в слое теплообменных элементов.

Минимальная высота, обеспечивающая устойчивую работу аппарата, составляет 200 – 300 мм; максимальная высота ограничивается сопротивлением слоя. На практике применяют псевдоожиженные слои высотой 3 – 4 м и более. Над слоем должно быть свободное сепарационное пространство, высота которого для промышленных аппаратов больше или равна (1 – 2) D.

В зависимости от технологического назначения процесса различают одно- и многосекционные аппараты. Непрерывные процессы сушки и охлаждения дисперсных материалов осуществляют, как правило, в односекционных аппаратах (рис. 84, а). При необходимости выполнить последовательную обработку материала в разных условиях (различные температуры, состав газовой фазы и т.д.) применяют многосекционные аппараты, в которых горизонтальные перегородки делят кипящий слой на секции (рис. 84, б). Когда хотят обеспечить противоток между твердой и газообразной фазами, применяют многосекционные аппараты с перетеканием сыпучего продукта с одной секции на другую в вертикальном направлении (рис. 102, в).

Качество материала для изготовления камеры обусловлено параметрами процесса и свойствами продукта. Как правило, аппараты с псевдоожиженным слоем изготовляют из углеродистой и кислотостойкой стали, но для высокотемпературных процессов применяют камеры, футерованные огнеупорами. Наиболее ответственные элементы аппарата с псевдоожиженным слоем – газораспределительные устройства, так как от их конструкции в значительной степени зависят характер и размеры образующихся пузырей и застойных зон, т.е. качество псевдоожижения. Распределительные устройства должны обеспечивать равномерное распределение газа по сечению аппарата, иметь небольшое гидравлическое сопротивление, быть простыми, надежными в работе. На практике все эти требования не всегда можно совместить.

Рис. 102. Аппараты с псевдоожиженным слоем

Рис. 103. Основные типы газораспределительных устройств

Характер распределения в значительной степени зависит от числа точек ввода газа на единицу поверхности решетки, скорости и направления потоков газа в местах ввода в слой и сопротивления решетки. Конструкции газораспределителей в промышленных аппаратах весьма разнообразны: 1) неподвижные решетчатые устройства, к которым относятся перфорированные решетки с круглыми, направленными перпендикулярно (рис. 103, а), или щелевидными косыми отверстиями (рис. 103, б), пористые решетки (рис. 103, в), составленные из керамических или металлокерамических плит, колпачковые (рис. 103, г) и колосниковые (рис. 103, д) решетки, набранные из ряда полос или параллельных труб; 2) безрешетчатые устройства, к которым относятся диффузоры (рис. 103, е) или распределители в виде барботеров; 3) распределительные устройства с подвижными элементами – вращающейся решеткой (рис. 103, ж), гребковыми устройствами (рис. 103, з) или вибрирующие решетки.

Наиболее равномерное распределение обеспечивают решетки из пористых плит, однако они требуют тщательной подборки пористых элементов с постоянным значением гидравлического сопротивления. Кроме того, поры быстро забиваются, если газ недостаточно очищен. Колпачки и двойные решетки препятствуют просыпанию материала при прекращении дутья, что имеет большое значение при существенных колебаниях нагрузки по газу и в тех случаях, когда попадание твердой фазы под решетку недопустимо. Распределители, состоящие из нескольких диффузоров, хороши тем, что в них практически отсутствуют застойные зоны в нижней части, однако подача газа всего в нескольких точках часто бывает причиной фонтанирования. Во многих случаях эффективны распределительные устройства с подвижными элементами. Например, вращающиеся перфорированные решетки практически исключают образование застойных зон вследствие того, что отверстия в решетке перемещаются. Гребковая мешалка над решеткой также исключает застойные зоны и улучшает качество псевдоожижения. Весьма перспективно применение вибрирующих решеток. Как показали последние исследования, вибрация в некоторых случаях существенно улучшает качество псевдоожижения.

В настоящее время в промышленном масштабе освоены холодильники для охлаждения глинозема в кипящем слое, печи КС для кальцинации гидроксида глинозема и в опытно-промышленном масштабе – для спекания нефелиновых шихт. Расход тепла в установках КС по. сравнению с трубчатыми печами снижает на 30 – 40 %.

Установка КС (рис. 104) предназначена для кальцинации предварительно подсушенного гидроксида алюминия. Аппарат представляет собой односекционную печь с циклоном, обеспечивающим рециркуляцию материала. Благодаря большой внутренней циркуляции твердых частиц циркулирующий кипящий слой характеризуется тем же постоянством температуры, что и в классической схеме, но допускает большие скорости газа. Время пребывания частиц в зоне высоких температура (1100 – 1200 ⁰С) составляет 30 – 60 мин, что достаточно для получения глинозема с заданными характеристиками. Скорость газа в рабочем объеме печи свыше 3 м/с, средняя концентрация твердого в газах 100 – 200 кг/м³. На подобных установках в ФРГ получают свыше 50 % глинозема.

Установка для кальцинации конструкции ВАМИ состоит из двух частей (рис. 105): цилиндрической камеры для сушки, дегидратации и подогрева материала до 900 ⁰С и двухсекционного, расширяющегося кверху аппарата прямоугольного сечения для кальцинации и охлаждения глинозема. Конструкция установки обеспечивает полный противоток твердого материала и газов, а, следовательно, максимально возможный тепловой к.п.д., и в пределах каждой секции – их перекрестное движение.

Рис. 104. Печь кальцинации с циркулирующим кипящим слоем: 1 – камера кальцинации; 2 – циклон рециркуляции; 3 – затвор кипящего слоя; 4 – воздухораспределительная подина

Сушка гидроксида происходит в двух подовых секциях, а его дегидратация и подогрев – в бесподовой секции с диффузором, в котором скорость газов поддерживают на уровне 10 – 20 м/с. Протекание процесса дегидратации в бесподовой секции приводит к снижению температуры газов с 1000 до 500 – 600 ⁰С, что делает возможным применение жароупорной стали для изготовления газораспределительных устройств сушильной части установки.

Горизонтальная часть установки состоит из двух секций. В верхней секции происходит прокалка глинозема при температуре около 1200 ⁰С и охлаждение его до 500 – 600 ⁰С. Зона прокалки занимает примерно 25 % площади, а первая ступень охлаждения – остальные 75 %.

Рис. 86. Печь кальцинации в кипящем слое. Зоны: I – подсушки; II – дегитратации; III – кальцинации; IV – предварительного охлаждения; V – охлаждения. 1 – кожух; 2 – футеровка; 3 – диффузор; 4 – воздухораспределительная подина; 5 – фурмы для надслоевого сжигания топлива; 6 – фурмы для сжигания топлива в слое; 7 – воздухораспределительная камера

В качестве топлива используют природный газ. Примерно 40 % топлива подают в специальные ниши подины, изготовленной из жароупорного бетона, и сжигают в слое псевдоожиженного материала; остальные 60 % топлива сгорает в надслоевом пространстве.

Окончательное охлаждение глинозема происходит в нижней секции горизонтальной части установки. Конструктивно холодильник второй стадии аналогичен холодильнику кипящего слоя, освоенному отечественными глиноземными заводами.

Перемещение материала из одной секции в другую осуществляется через перетоки лабиринтного типа, состоящие из переточных труб и перегородок.

Холодильник с кипящим слоем (рис. 106) представляет собой многосекционный аппарат с перекрестным током материала и воздуха, имеет прямоугольную форму и разделен вертикальными перегородками на девять зон, между которыми установлены гидравлические затворы, препятствующие движению глинозема в обратном направлении.

Рис. 106. Холодильник кипящего слоя: 1 – кожух; 2 – футеровка; 3 – шамотоотделитель; 4 – перегородки; 5 – водяные теплообменники; 6 – воздухораспределительная камера

Прокаленный глинозем поступает в шамотоотделитель и затем в первую секцию холодильника. В восьми секциях материал охлаждается воздухом до 400 ⁰С, а в девятой, разделенной на три камеры, последовательно охлаждается до 250, 150 и 100 ⁰С водой, циркулирующей в трубчатых теплообменниках. Горячий воздух очищают от пыли в циклонах и подают на сжигание топлива. Циклонная пыль поступает в одну из средних секций холодильника.

Конструкция холодильника с кипящим слоем, отечественной разработки, позволяет выполнять последовательную очистку глинозема от огнеупорного боя и крошки; подогревать воздух, поступающий в трубчатую печь для сжигания топлива, до 600 ⁰С; охлаждать глинозем до 80 – 100 ⁰С; снижать удельный расход топлива и повышать производительность трубчатых печей на 12 – 15 %.