Процессы и аппараты

   При модернизации сушилки вместо одной форсунки для подачи шликера установили три с индивидуальными насосами и увеличенными ресиверами к каждой форсунке, расположенными в непосредственной близости от сушилок. Отсасывающий вентилятор заменили дымососом Д-12. Кроме того, на МКСМ эти сушилки оборудовали бесциклонной очисткой дымовых газов. С этой целью циклоны демонтировали и стали подавать воду непосредственно в дымосос. При орошении дымовых газов водой в дымососе из них вымываются твердые частицы пылеуноса. Образующийся при этом шликер отбирают в специальный бассейн, расположенный в подбункерном помещении сушилки. Из этого бассейна шликер насосом возвращают в производство. Отработанные дымовые газы дымососом направляются в трубу из нержавеющей стали высотой 20 м. Комплекс указанных мероприятий увеличил производительность сушилки в 1,5 раза.

В этих сушилках предусмотрена сосредоточенная подача дымовых газов из топки по наружному  вертикальному газоходу в   башню   сушилки,   радиально направленная под ее перекрытие.

   Имеются модификации сушилок КБ МКСМ с  выносными топками, предназначенными в основном для сжигания мазута.

   Однако  при такой схеме ввода хорошего перемешивания газов с факелом  шликера не получается. Факел шликера  отжимается потоком дымовых газов к противоположной поверхности башни, что приводит к налипанию шликера на эту поверхность и его коржеванию.

   Этот  недостаток преодолен в сушилках конструкции Гипростройматериалов (рис. 8), в которых дымовые газы вводят в рабочую камеру сушилки сверху в центре ее перекрытия, что обеспечивает относительно равномерное их взаимодействие с факелом распыленного шликера. 

Рис.8. Распылительная сушилка системы Гипростройматериалов.

     Такие сушилки с сжиганием  мазута в выносных топках успешно  работают на Ангренском и других керамических заводах.

   Большим достижением в разработке конструкций  распылительных сушилок является сушилка КБ МКСМ производительностью до 40 т/ч порошка (рис. 9). Сушилок такой производительности за рубежом пока нет. Диаметр рабочей камеры 16, общая высота 23, высота цилиндрической части 10 м.

Сушилка оборудована  тремя встроенными вертикальными  цилиндрическими топками диаметром  по 2 м для сжигания мазута. Шликер подают одной форсункой с диаметром  сопла 24—34 мм, что исключает ее засорение. Для подачи шликера служат высокопроизводительные мембранные насосы. Дымовые газы очищают в сухих циклонах и эвакуируют в выхлопную трубу двусторонним дымососом № 20. Сушилка имеет встроенный фильтр для контроля очистки шликера, а на месте отбора порошка — встроенные вальцы, предотвращающие попадание коржей в порошок. Предусмотрена также подача через перекрытие сушилки горячего воздуха из зоны, остывания туннельной печи, что снижает расход топлива и предотвращает налипание порошка на перекрытие башни. Такие сушилки установлены на нескольких кирпичных заводах. В технологии сушки суспензий распылением условно выделяют три этапа: распыление суспензии, тепло-и массообмен между ее каплями и теплоносителем и выделение порошка из потока газов.

   Рис.9. Распылительная сушилка системы КБ МКСМ производительностью до 40 т/ч порошка: 1— воздуховод подачи горячего воздуха  из  зоны  остывания туннельной   печи;    2 — рабочая камера; 3 — трубопровод отбора отработанных   гaзов 4 — транспортер   отбора   порошка;    5 — циклоны,    установленные двумя параллельными;   6 — газоход   к   дымососу;    7 — топка; 8 — штанга с шликерной  форсункой

   Распылять шликер можно дисковыми распылителями, пневматическими (или паровыми) и  механическими форсунками. Последние получили монопольное распространение в распылительных сушилках керамических заводов. В них струя дробится на мелкие капли за счет внутренней энергии жидкости, вылетающей из сопла под давлением 1,2 и 2,7 МПа. Конструктивные схемы форсунок, применяемых в сушилках НИИСтройкераздики и КБ МКСМ, приведены на рис. 10

   Размеры факела, образующегося при дроблении  струи распыленного шликера, обусловливают  размеры рабочей камеры сушилки. Теоретический расчет геометрических размеров факела практически пока невозможен. Поэтому их определяют по эмпирическим уравнениям.

Размеры и геометрия факела зависят от реологических свойств суспензии. По практическим данным, нормальным условиям обогащения, транспортирования и  распыления

шликера соответствует его вязкость 0,05— 0,1 Па-с при коэффициенте загустевания не более 2.

   Интенсивность теплообмена в распылительных сушилках характеризуется тепловым потоком q_t, Вт, от теплоносителя к каплям шликера и частицам порошка, который определяют по уравнению: 

   q_t=a_y∆ t_cpV_к,

   где a_y— объемный коэффициент теплообмена, Вт/(м³°С); V_k — объем сушильной камеры; ∆t_cp—средний логарифмический температурный напор. 

   Рис. 10. Форсунки (и их составные  части)    конструкции    НИИ-Стройкерамики (а)   и КБ МКСМ (б)

   Формулы для определения a_у сложны и недостаточно надежны. Поэтому в расчете сушилок формулой не пользуются.   Она   дает  лишь представление об общих закономерностях теплообмена. Выделение порошка из газового потока под действием гравитационных сил возможно лишь при скоростях газового потока, существенно меньших скорости витания частиц. Соответственно этому при выборе размеров рабочей камеры сушилки скорость газов в ее сечении назначают в пределах 0,2—0,3 м/с.

Распылительные  сушилки НИИСтройкерамики оборудованы инжекционными газовыми горелками, работающими с малыми избытками воздуха и развивающими соответственно высокую температуру горения топлива. В этих сушилках горелки вмонтированы в корпус башни и образующиеся высокотемпературные продукты горения непосредственно реагируют с распыленным факелом шликера, в силу чего температура в башне не превышает 350°С. Именно поэтому в этих сушилках допустимо и оправданно применение инжекционных горелок. В сушилках КБ МКСМ газ сжигают в цилиндрических вертикальных топках. В них предельная температура в топочном пространстве лимитируется стойкостью футеровки и не должна превышать 1200°С. Поэтому топки этих сушилок оборудуют двухпроводными горелками с принудительной подачей воздуха, при которой возможно вести процесс горения с повышенными избытками воздуха (а = 2) и тем самым регулировать температуру горения в нужных пределах.

   Отходящие газы в сушилках до их выброса в  атмосферу проходят газоочистительные (пылеулавливающие) устройства. Первоначально для этой цели предназначались циклоны сухой очистки. Их устанавливали группами из четырех циклонов ЦНч15 НИИОГаза. Однако циклоны типа ЦН являются аппаратами грубой и средней очистки и непригодны для улавливания тонкодисперсной пыли. Степень очистки в них составляет 70—75%. В последующем стали переходить на мокрую очистку отходящих газов в циклонах-промывателях типа СИОТ.

   Оригинальная  и предельно простая система  мокрой очистки отходящих из распылительных сушилок газов осуществлена на МКСМ. Там воду подают непосредственно в дымосос на его ротор. Вращение ротора дымососа обеспечивает интенсивное распыление воды и ее взаимодействие с отходящими газами. В результате этого пылевидные частицы из отходящих газов вымываются и образуют вместе с водой шликер, который отводят из нижней части кожуха дымососа в расходный бассейн с пропеллерной мешалкой, а оттуда — в распылительную сушилку. Из дымососа очищенные отходящие газы удаляются в атмосферу через металлическую трубу высотой 20 м, выполненную из нержавеющей стали. Однако одноступенчатое мокрое пылеулавливание также не обеспечивает необходимой степени очистки газов (в данном случае она составляет 80%). Поэтому для снижения запыленности отходящих газов из распылительных сушилок до допустимой нормы (3 мг/м³ в приземном слое) НИИПИОТСтром рекомендует двухступенчатую очистку газов: сухую очистку в циклонах типа ЦН, а затем мокрую очистку в аппаратах ПВМ СА (пылеуловители вентиляционные мокрые сливные) конструкции ЦНИИПром-зданий или аппараты ГДП (гидродинамический пылеуловитель)  конструкции НИИПИОТСтрома. Двухступенчатые системы в указанном сочетании обеспечивают степень очистки до 99,8%.

   Очищенные отработанные газы из сушилок НИИСтройкерамики эвакуируются в атмосферу центробежными вентиляторами среднего давления, а из сушилок КБ МКСМ — дымососами.

   4. Описание процессов  протекающих при  тепловой обработки  в распылительной  сушилки. 

   Сущность  процесса сушки материалов в распыленном состоянии заключается в том, что диспергированная в виде капель жидкая или жидкообразная масса при своем распространении в некотором замкнутом объеме обезвоживается за счет разности парциальных давлений паров жидкости на поверхности капель и в окружающей среде. В зависимости от технологических требований к материалу в распылительной сушилке можно получать либо порошок, либо пластичную массу.

   Перед другими способами сушки жидких и жидкообразных материалов сушка  распылением имеет следующие  преимущества: создание значительной поверхности взаимодействия дисперсионной  фазы   с   дисперсионной  средой; кратковременность процесса; получение гранулированного порошкообразного материала; механизация и автоматизация процесса сушки. Кроме того, сушка распылением позволяет: получать особо чистые материалы (нет контакта между влажными частицами и ограждениями   аппарата);   создавать  высокопроизводительные агрегаты; использовать высокотемпературный теплоноситель;  организовывать   процесс  сушки  в  вакууме  или в среде инертных газов; совмещать в одном агрегате процесс сушки с последующими технологическими процессами (дегидратацией, обжигом, плавлением и т. п.); надежно герметизировать аппарат.

В качестве недостатков процесса сушки распылением  обычно отмечают сравнительно низкую напряженность сушильного объема   по   испаренной   влаге  (5— 15 кг/м³-ч); необходимость использования специальных устройств для выделения высушенного продукта из потока отработанных газов; низкий объемный вес получаемого продукта; сравнительно высокие расходы тепла и электроэнергии. Такие недостатки распылительной сушки, как низкая напряженность сушильного объема по испаренной влаге и сравнительно высокие расходы тепла и электроэнергии, органически ей не присущи. Их можно устранить путем оптимизации процесса распылительной сушки, а для этого необходимо знать закономерность ее протекания.

   Процесс распылительной сушки принято подразделять на три этапа: распыление массы; тепло- и массообмен между каплями (частицами) массы и окружающей средой; выделение высушенного продукта из потока газов. Такое деление процесса несколько условно, так как нельзя наметить четкой границы между этими этапами вследствие наложения их друг на друга.

   В наиболее общем случае под распылением  подразумевают процесс дробления  струи жидкости на большое число капель и распределение этих капель в пространстве. Дробление струи жидкости на капли — процесс весьма сложный, обусловленный рядом внешних и внутренних причин. В качестве основной внешней причины считают воздействие на поверхность струи аэродинамической силы, стремящейся деформировать и разорвать струю. Внутренними причинами являются различного рода начальные возмущения, связанные с конструкцией распылителя, качеством его изготовления, турбулентностью движения жидкости в распылителе и т. д. В режиме распыления жидкая струя дробится на большое количество различных по диаметру капель. Для характеристики такой полидисперсной системы капель используют дифференциальные и интегральные кривые распределения. Анализ различных процессов в полидисперсной системе значительно упрощается при замене такой системы эквивалентной монодисперсной. В расчетах процессов тепло- и массообмена используют объемно-поверхностный диаметр. В этом случае в эквивалентной системе сохраняется постоянным отношение объема капель к их поверхности.

   Весьма  сложна динамика движения распыленной струи. Имеются попытки описания ее движения путем решения дифференциального уравнения равновесия сил, действующих на отдельные капли жидкости. Однако полет изолированной капли жидкости не может отразить динамику движения распыленной струи в целом. А. С. Лышевский считает, что по внешнему виду распыленная струя жидкости представляет собой типичный случай развития свободной струи. По мере движения вследствие подсоса окружающей среды объемная концентрация жидкости в распыленной струе сильно уменьшается. На достаточном удалении от устья струи отношение количества подсосанного извне воздуха к объему жидкости может быть больше 1000. При этом скорости частиц распыленной жидкости и скорости воздуха, перемешанного с каплями, будут примерно равны друг другу. За счет молекулярной и турбулентной диффузии наблюдается также вынос частиц жидкости из струи в окружающую среду. Для определения размеров распылительных сушилок необходимо знать габариты факела распыленной струи. Длина факела и его предельный радиус в настоящее время не могут быть рассчитаны теоретически. Для их определения используют экспериментальные методы.

   В распылительных сушилках дробление  жидкости осуществляется за счет кинетической энергии жидкости (механическое распыление) или кинетической энергии газа (пневматическое распыление). К механическим распылителям относят струйные и центробежные форсунки, вращающиеся барабаны или диски и ультразвуковые распылители, к пневматическим — различного рода газовые и паровые форсунки.