Конденсация цинковых паров в шахтных электропечах
|
Для шахтных электропечей был применен вакуумный барботажный конденсатор Витона и Наджарьяна. Конденсатор (рис. 52) состоит из кожуха, изготовленного из 16-мм стальных рифленых листов и футерованного 50-мм карборундовым кирпичом. Стальной кожух для охлаждения орошается водой, при этом теплопроводность стен составляет 30—40 ккал/(м2*ч*град). В конденсаторе поддерживают температуру цинка на уровне 500—525 °С. Конденсатор постоянно заполнен цинком, и чем его больше, тем больше поверхность соприкосновения между газом, охлаждающим металлом и охлаждающей стенкой.  При просасывании парогазовой смеси через конденсатор пары, сжижаясь, увеличивают количество металла в нем. Накапливаемый металл выпускают раз в 2 ч. Размеры конденсатора меняются с размером печи и для печей диаметром 1725 мм длина конденсатора 6700 мм, а для печи диаметром 2400 мм — 9450 мм. Диаметр этих конденсаторов в свету 813 мм, для охлаждения орошали кожух водой. При этом максимальная производительность, лимитировавшаяся теплоотъемом, достигала 12 т цинка в сутки в меньшем и 22 т цинка в большем конденсаторе. Степень конденсации цинка в жидкий металл достигает 92—94 %, что является, безусловно, хорошим показателем. Покидающие конденсатор газы, содержащие более 80% CO; 1,59% СО2: 1,5% О2, 15% N2, счищаются в скруббере и вакуумным насосом подаются на компремирующую установку и далее различным потребителям. Низкая теплопроводность стенки и недостаточная циркуляция цинка в конденсаторе лимитировали теплопередачу и ограничивали производительность дистилляционной печи. Печь диаметром 2400 мм потребляла 3000 ква при конденсаторе с поверхностью теплообмена около 23 м2. При увеличении мощности печи на ней можно было получить 30 т цинка в сутки, но конденсатор не обеспечивал такой производительности. Это определило поиски более совершенной конструкции конденсатора. В небольших горизонтальных ретортах количество возгоняемого и конденсируемого цинка было невелико и проблема отвода тепла конденсации решалась весьма просто. Тепло рассеивалось с относительно большей поверхности конденсатора. Расход угля примерно втрое превышал теоретическую потребность, и этот огромный избыток углерода в шихте, находящейся в реторте при температуре 1200—1300 °С, обеспечивал необходимое отношение CO к CO2 и удовлетворительные условия конденсации. Периодичность процесса приводила, однако, к тому, что в первой его стадии, пока устанавливался необходимый тепловой режим конденсатора, и в последней — когда в шихте оставалось мало цинка, выход жидкого металла был меньше и среднее извлечение было ниже, чем за средний период. С появлением вертикальных реторт непрерывного действия условия конденсации улучшились, так как в реторту поступал постоянный по величине и температуре поток паров и газов. Количество кокса в шихте лимитировалось только экономическими соображениями и в составе брикетов его было столько же. сколько в шихте горизонтальных реторт. Поэтому и состав парогазовой смеси был вполне удовлетворительным для исследующей конденсации. Так как производительность вертикальных реторт не превышала 8—9 т цинка в сутки, то для отвода тепла при конденсации устанавливали в конденсаторе дополнительные карборундовые перегородки, служащие дополнительными поверхностями охлаждения. Освоение шахтных электропечей определило ряд новых требований к конденсаторам. Производительность этих печей была много выше, чем вертикальных реторт, и отвести в атмосферу выделяющееся при конденсации цинка тепло через стены конденсатора, выложенного из нетеплопроводного материала, не представлялось возможным. Кроме того, если для горизонтальных и вертикальных реторт можно было составлять шихту с достаточно высоким расходом кокса v при тесном его контакте с рудной частью шихты, в шахтной электропечи количество вводимого в шихту кокса регламентировалось не только экономическими соображениями (расход угля, использование объема реторты), но и техническими условиями, отвечающими оптимальной электропроводности шихты. При этом количество кокса в шихте было меньше, чем при предшествующих процессах, и контакт его с агломератом хуже. Это, естественно, приводило к повышению содержания СО2, и ухудшение состава газовой смеси можно было компенсировать только повышением ее температуры. Если температура газов, покидающих вертикальную реторту, составляет 900 °С, то для электрообогреваемой шахтной печи она равна 1000 °С. Для обеспечения этой температуры парогазовую смесь отводят из средней трети высоты шахты — из области, находящейся в сфере обогрева током, ниже верхних электродов печи. Таким образом, в конденсаторе необходимо отводить тепло не только от большего количества конденсируемого цинка, но и от более горячих газов. А чтобы не удлинить период охлаждения газов и максимально исключить процесс обратного окисления цинковых паров, необходимо проводить охлаждение достаточно быстро — закалить парогазовую смесь. Естественно, что в экстенсивно охлаждаемом камерном конденсаторе эти задачи выполнить невозможно. Витон и Наджарьян предложили барботажный конденсатор. Принцип действия такого конденсатора был изложен выше. Тепло, выделяемое при конденсации цинка (555 ккал/т Zn), поглощается расплавленным цинком и выделяется через орошаемые водой стенки. Первоначально в эксплуатации было 5 шахтных электропечей диаметром 1725 мм и одна диаметром 2400 мм. Каждая малая печь имела конденсатор длиной 6710 мм и большая 9450 мм. Конденсаторы были круглого сечения диаметром в свету 813 мм с кожухом из рифленой стали толщиной 16 MM и карборундовой футеровкой толщиной 51 мм. Теплопроводность стен составляла 30— 40 ккал/(м2*ч*град). Кожух снаружи охлаждался водой, и при хороших условиях, как указывалось выше, в малых конденсаторах получали 12 т, а в больших 22 т цинка в сутки при температуре его в конденсаторе 500—525 °С. Попытки повысить производительность печи сопровождались повышением температуры в конденсаторах и увеличением количества дроссов. Было очевидно, что низкая теплопроводность стен и недостаточная циркуляция цинка в конденсаторе лимитировали теплопередачу и ограничивали производительность дистилляционной печи. Шахтная печь диаметром 2400 мм потребляла 3000 ква при конденсаторе с поверхностью теплообмена около 23,2 м2. При увеличении мощности печи на ней можно было получить 30 т цинка в сутки, однако конденсатор не обеспечивал такой производительности. Были предприняты попытки удлинить конденсатор, чтобы увеличить охлаждаемую поверхность при сохранении наиболее эффективного угла его наклона более 20° (опыт показал, что при угле наклона 15° и менее образуются настыли и снижается теплообмен). Однако длинный конденсатор оказался непрочным и с плохим теплообменом. Под конденсатором была установлена вторая труба — холодильник такого же диаметра и под таким же углом, что и основная. В первое время после пуска холодильник работал весьма эффективно, однако через несколько дней он зарастал настылью и через 10 дней переставал работать. Через 15 суток после пуска конденсатор полностью прекращал работу. В дальнейшем исследовали двойной конденсатор с двумя уравнительными трубами. Этот конденсатор успешно работал несколько кампаний на одной из малых печей, однако оказалось невозможным удержать одинаковый газовый режим в обоих трубах, в результате чего в одной из труб образовывались настыли и она зарастала. Ремонты конденсатора оказались очень сложными и заметно поднять производительность не позволили.  Была испытана еще одна весьма эффективная конструкция конденсаторов (рис. 53). В конденсаторе устанавливали две перегородки, погруженные в жидкий цинк. Одна находилась вблизи ввода газов, другая — посередине конденсатора. Эти перегородки имели два больших отверстия — в верхней части и у днища. Перегородки выполняли две функции: обеспечивали спокойную поверхность расплавленного цинка и способствовали выравниванию температуры в конденсаторе вследствие создания циркуляции цинка в конденсаторе вверх — вдоль свода и вниз — вдоль его подины. Парогазовая смесь, пробулькивающая вверх, создает «аэролифт», вызывающий направленную вниз циркуляцию металла вдоль дна. Отверстие в верхней перегородке было закрыто и она превратилась в плотину. Вдоль конденсатора расположен овальной формы открытый холодильник, имеющий стальной кожух и карборундовую футеровку. Два патрубка диаметром 200 мм соединяют холодильник с конденсатором. Первый патрубок соединяет холодильник с конденсатором в точке около плотины, а второй — в нижнем конце, под местом входа газов в конденсатор. Циркуляция, создаваемая «аэролифтом», обеспечивает охлаждение металла в холодильнике, в который погружены змеевики. Циркуляция зависит от количества паров и газов и при производительности около 2,5 т цинка в час составляет 0,9 т металла в минуту. Температура в конденсаторе поддерживается в пределах 485—510 °С и коэффициент конденсации достигает 97—98% от теоретически возможного. Благодаря интенсивной циркуляции перепад температур в системе конденсатор — холодильник не превышает 15 град. Описанная система охлаждения конденсаторов позволила строить их более короткими и прочными, с большим углом наклона и с меньшими возможностями для зарастания настылями. Стык шахтной печи с конденсатором показан на рис. 54. По мере освоения этих конденсаторов и интенсификации работы холодильников мощность шахтных электропечей систематически повышалась. Одновременно возрастала их производительность:  Простои для ремонтов были снижены до 2% рабочего времени и расход энергии составил 2608,6 квт*ч на 1 т цинка. Последний испытанный конденсатор имел емкость 40 т цинка, циркуляция равнялась 15 т цинка в минуту и конденсировалось 70 т цинка в сутки при коэффициенте конденсации 98% к теоретически возможному. Интенсивная циркуляция способствовала получению весьма однородного по составу цинка, пригодного для покрытий. Поглощение цинковых паров и газов относительно холодной цинковой ванной, температура которой достаточно постоянна благодаря интенсивной циркуляции и регулируемому принудительному охлаждению, способствует очень быстрому охлаждению газов и исключает заметное протекание реакции обратного окисления цинка двуокисью углерода.  |
