Глава 51.3 Воздухоподогреватели с промежуточным твердым теплоноси­телем

Воздухоподогреватели с промежуточным твердым теплоноси­телем. При рассмотрении схем сушки мы отмечали целесообраз­ность использования в отдельных случаях твердого промежуточ­ного теплоносителя. Область его применения — высокотемпера­турные процессы, в условиях которых даже высоколегированные стали недостаточно стойки.

Весьма широкое распространение твердые теплоносители по­лучили в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышлен­ности (в процессах пиролиза крекинга нефтей). Теплообменники с твердым промежуточным теплоносителем имеют большую пер­спективу применения и в сушильной технике. С помощью таких теплоносителей можно экономично нагреть до 600—1000° С воз­дух, водяной пар, пары органических жидкостей и другие веще­ства. Кроме того, в подобных теплообменниках можно нагревать воздух для сушильных установок или для топочного дутья, ис­пользуя тепло газов, содержащих токсичные и химически агрес­сивные вещества по выходе из технологических установок (на­пример, использование для сушки тепла газов из циклонной ка­меры, в которой происходит разложение СаР2'или обесфторивание фосфатов). Принцип работы теплообменников с промежуточным твердым теплоносителем основан на нагреве сыпучего термостой­кого материала, теплосодержание которого используется в после­дующей зоне, отделенной от зоны нагрева в непрерывных процес­сах, или в другой период цикла в периодических процессах.

Использование твердых промежуточных теплоносителей тор­мозилось отсутствием соответствующих конструктивных мате­риалов. Основными требованиями, предъявляемыми к таким мате­риалам, являются: жаростойкость (под действием высокой тем­пературы частицы не должны размягчаться и плавиться); термиче­ская и химическая стойкость (высокая стабильность структуры материала, а также отсутствие интенсивных химических реак­ций, например окисления кислородом, двуокисью и окисью угле­рода или водяным паром); стойкость к резким изменениям темпе­ратуры (отслаивание и растрескивание частиц должно быть мини­мальным); высокая ударопрочность; достаточное сопротивление истиранию; большая теплоемкость частиц (это позволяет умень­шить массу теплоносителя при одинаковой тепловой нагрузке аппа­рата) и низкая стоимость материала.

Оптимальный размер частиц определяется свойствами тепло­носителя, предполагаемой областью его использования, конструк­цией теплообменного аппарата и др. Обычно размеры" частиц теплоносителя находятся в пределах 8—12 мм. Для обеспечения максимальной механической прочности и достаточной стойкости
к резким изменениям температур желательна сферическая или близкая к ней форма частиц.

Вопрос о целесообразности применения того или иного вида теплоносителя следует решать на основании соответствующих технико-экономических расчетов. Например, теплоноситель, зерна которого разрушаются вдвое быстрее, не имеет преимуществ, даже если он вдвое дешевле. Образование пыли и тонких фракций при разрушении частиц теплоносителя приводит к росту гидравли­ческого сопротивления его слоя и создает дополнительные труд­ности из-за необходимости их удаления. Кроме того, пыль может быть источником загрязнения высушиваемого продукта.

При перегреве водяного пара или воздуха удовлетворительные результаты достигаются в случае использования частиц каолина, муллита и 85%-ной окиси алюминия. Опыты, проведенные в лабо­ратории сушки МЭИ, показали ряд преимуществ таких теплоноси­телей. Изыскания новых типов твердых теплоносителей целесо­образно продолжить. Это особенно важно в связи с внедрением различных новых аппаратов для нагрева и охлаждения тепло­носителя (с кипящими и падающими слоями и др.).

На рис. VII1-4 показана схема установки для нагревания воз­духа или паров воды до 1000° С с использованием твердого проме­жуточного теплоносителя.

Источником тепла служат топочные газы, полученные при сжигании мазута или газа в топке 2, работающей под избыточным давлением до 1000 мм вод. ст. Первичный воздух (для сжигания топлива) и вторичный воздух (для разбавления газов) подаются венти­лятором 1 высокого давления. Топоч­ные газы поступают в многосекци­онный теплообменник 3 с кипящим слоем и, нагревая до 1000—1500° С твердый теплоноситель (керамиче­ские, металлические или другие шарики), охлаждаются до 120—150° С и отводятся в атмосферу.

Природный газ можно сжигать непосредственно в нижней зоне теп­лообменника с кипящим слоем. Твер­дый теплоноситель самотеком через затвор поступает в камеру 4, где происходит нагревание воздуха или водяного пара, служащих сушиль­ными агентами. Охлажденный твер­дый теплоноситель через уплотня­ющий затвор поступает в вертикаль­ный виброподъемник 5, откуда воз­вращается в камеру 3.

Данные, необходимые для расчета процесса теплообмена и гидродинамических условий в аппаратах, предназначенных для нагревания и охлаждения твердого теплоносителя, определяются в зависимости от конструктивных особенностей аппаратов и при­ведены, например, в работе [84]. При проектировании установок с движущимся твердым теплоносителем весьма важно правильное решение вопросов, связанных с транспортировкой частиц. Здесь возникают дополнительные сложности, обусловленные высокой температурой частиц (сотни градусов), желательностью герметиза­ции аппаратуры. В качестве затворов используются вибротрубы, лопастные, тарельчатые и телескопические щелевые устройства [48]. Для подъема крупнозернистых материалов наиболее рацио­нально применять виброподъемники; высота подъема составляет 8—12 м.

Следует отметить, что все коммуникации и аппараты, запол­ненные частицами теплоносителя, в процессе эксплуатации под­вергаются абразивному износу. Очень быстро разрушаются трубы из обычной стали. Для снижения интенсивности разрушений иногда применяют специальные перегородки, замедляющие дви­жение зерен материала.