Процессы горения топлива в доменной печи

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Федеральное агентство по образованию

Российский государственный профессионально-педагогический

Университет

Кафедра металлургии

Контрольная работа

по курсу «Металлургия»

Процессы горения топлива в доменной печи

Студент: Маслаков С.М.

Группа: ЗЛМ-401

Екатеринбург 2006

Значение работы горна доменной печи можно себе представить, уяснив главные функции, выполняемые этой частью рабочего пространства печи.

Прежде всего от горения кокса на горизонте фурм зависит скорость опускания материалов, загружаемых на колошнике доменной печи. Далее при горении топлива образуется восстановительный газ, обрабатывающий загруженные в печь окислы железа и других элементов.

В горне выделяется все или почти все тепло, необходимое для нормального протекания доменного процесса. Здесь же находится область наиболее высокой температуры, создающей условия для осуществления эндотермических реакций при восстановлении трудновосстановимых элементов, и, наконец, горн выполняет функции металлоприемника.

Образовавшаяся в результате горения углерода кокса окись углерода (СО) играет роль восстановителя окислов железа в верхних горизонтах доменной печи. Продукты горения, нагретые до высоких температур, поднимаются, фильтруясь между кусками материалов и отдавая тепло шихте.

Высокий слой раскаленного углерода в доменной печи вызывает неполное горение углерода в окись углерода, которое проходит последовательно четыре стадии:

а) горение в избытке воздуха по реакции

nС+m(O2+3,762 N2)=nС02+(m -- n)O2+m 3,762N2;

здесь в продуктах горения наряду со свободными кислородом и азотом находится двуокись углерода, объем которой равен объему кислорода, перешедшего в ее состав, а следовательно, и в газе на 79 объемов азота приходится 21 объем кислорода и двуокиси углерода.

б) завершением процесса горения будет полное использование кислорода дутья

С+О2+3,762N2=СО2+3,762N2.

в) горение в двуокись и окись углерода, когда весь кислород дутья поглощен, а содержание СО2 начинает уменьшаться от восстановления углеродом

п(СО2+3,762N2)+mС = (n -- m) СO2+2m СО+nЗ,762 N2.

На стадиях а и б, наоборот, выделяется значительное количество тепла (410 МДж на 12 кг С) от образования двуокиси углерода. Соответствующее повышение температуры продуктов горения достигает максимума на стадии б.

(СО2 + 3,762 N2)+С=2СО+3,762 N2.

Таким образом, доля окиси углерода в горновом газе составляет для сухого атмосферного дутья, % (объемн.): 2: (2+ 3,762) =34,7, а доля азота 65,3.

Как только молекулы кислорода непосредственно воздействуют на наружную поверхность куска кокса, происходит горение содержащегося в коксе углерода по уравнению С+О2=СО2, но при условии, что температура в месте соприкосновения достаточна для течения реакции. Молекулы двуокиси углерода вновь реагируют с молекулами углерода поверхности, образуя окись углерода; снаружи, благодаря диффузии, в пограничный слой проникают новые молекулы кислорода, которые окисляют окись углерода и соединяются с углеродом поверхности.

Итак, поскольку в слое газа либо присутствуют молекулы кислорода, либо они туда диффундируют, результатом процесса горения всегда будет двуокись углерода. Если же свободных молекул кислорода нет или мало, то наряду с двуокисью образуется окись углерода. Зону, где существуют свободный кислород и двуокись углерода, называют окислительной.

Скорость реакции горения определяется скоростью диффузии молекул кислорода в пограничный слой; количество же образующейся окиси углерода, кроме того, зависит от температуры и концентрации кислорода в газовой фазе. Скорость реакции, выражаемая количеством углекислоты, образовавшейся на поверхности кокса за бесконечно малое время dф = d(СО2)/dф, зависит от количества как диффундирующих молекул кислорода, так и молекул углерода, вступающих в реакцию на этой поверхности, если число соприкасающихся с поверхностью молекул кислорода больше числа реакционноспособных молекул углерода.

Выражение d(СО2)/dф изменяется, когда на наружной поверхности, кроме углерода, находятся другие элементы, которые, покрывая углерод, сами с кислородом не реагируют. Если, например, количество золы на поверхности кокса увеличивается, то изменяется структурное расположение молекул углерода, а затем и температура реакции; она будет тем ниже, чем в большем объеме происходит процесс горения, и наоборот. Если окислительные зоны малы, то поток расширяющихся газов через малое поперечное сечение окислительных зон в горне печи увеличивает потерю напора между фурмами и колошником и вызывает нарушение хода печи.

Для определения развития зон горения в стороны от оси фурм применялись водоохлаждаемые трубы (рис. 1), один конец которых, находящийся внутри фурменного колена, сопла и фурмы, прямолинейный, другой, входящий в горн доменной печи, криволинейный. Поворачивая трубу вокруг ее оси и передвигая от устья фурмы в глубь горна, можно отбирать пробы газа из пространства, удаленного от оси фурм на расстояние H. Трубы устанавливали в доменной печи перед загрузкой в нее задувочной шихты.

Использование труб с различной длиной их криволинейной части позволило построить вертикальное и горизонтальное сечения зоны горения (рис. 2), в которых кислородная область (имеется свободный кислород) ограничена содержанием 1% О2, а углекислотная 2% СО2.

Рис. 1. Водоохлаждаемая труба для исследования объемного развития окислительной зоны

Рис. 2. Вертикальное (а) и горизонтальное (б) сечения зоны горения перед фурмой доменной печи

Зона горения в большей степени развита в вертикальном, чем в горизонтальном, направлении. С точки зрения улучшения работы печи желательно иметь обратное соотношение, поскольку расширение горизонтального сечения зоны горения способствует более равномерному сходу шихты и распределению газового потока.

Исследование зон горения на основе объемного изучения фурменных очагов 1--9 показывает (рис. 3), что последние не смыкаются в горне печи и не образуют сплошного периферийного активного кольца для схода материалов; это обстоятельство связано с расстоянием между фурмами по окружности горна.

Рис. 3. Схематическое изображение зон горения в доменной печи (высов фурм 150 мм); АВ -- направление движения трубы

Увеличение числа фурм способствует смыканию фурменных очагов и созданию сплошного кольца в периферийной части с перекрытием углекислотных областей соседних фурм.

На размеры окислительной зоны влияет ряд факторов. Прежде всего это относится к количеству дутья (при неизменной скорости его истечения из фурм).

Изучение окислительных зон на одной фурме доменной печи завода «Запорожсталь», но в разное время, при изменяющемся от 1200 до 3400 м3/мин расходе дутья показало, что по мере уменьшения количества дутья граница исчезновения СО2 приближалась к фурме, а при 1200 м3/мин находилась на расстоянии менее 800 мм от ее торца.

При большом количестве дутья содержание СО2 увеличивается медленно, а на значительном расстоянии от торца фурмы остается почти неизменным. Кривая изменения содержания СО2 имеет размытый максимум; при сокращении расхода дутья приближающийся к фурме максимум содержания СО2 более отчетливый. Эта закономерность объясняется характером процесса горения, развивающимся на поверхности горючего. Чем больше дутья поступает через фурму, тем больше кокса требуется для полного расходования кислорода. Так как горение происходит на поверхности горючего, то для увеличенного количества кислорода требуется больше кусков кокса, занимающих соответственно большее пространство перед фурмами.

Влияние только скорости дутья на размеры окислительной зоны можно проследить по данным рис. 4. При увеличении диаметра фурм до 250 мм расход и температура дутья поддерживались почти на прежнем уровне. В случае уменьшения скорости истечения дутья от 111 до 75 м/с окислительная зона сократилась с 1500 до 1200 мм, а кислородная с 1300 до 850 мм, соответственно изменилось и удаление фокуса горения.

Таким образом, увеличение количества дутья при неизменной скорости, так же как и увеличение скорости дутья при постоянном его количестве, вызывает увеличение размеров зоны горения и отдаление всех характерных точек зоны от торца фурмы. Одновременное же увеличение количества и скорости дутья действует в одном направлении, вызывая еще больший сдвиг характерных точек зоны к центру горна. Это обстоятельство связано с кинетической энергией дутья mv2/2, учитывающей как массу, так и скорость газового потока. Чем больше кинетическая энергия дутья, тем протяженнее окислительная зона.

За пределами окислительной зоны температура газа постепенно падает в направлении к центру горна. Интенсивность снижения температуры зависит от развития реакции прямого восстановления в зоне восстановления и от количества газов, проникающих из окислительной зоны в центральный район горна; чем больше газа проходит к центру печи, тем меньше изменяется температура по радиусу горна и тем выше температура в центре. При недостаточном или слабом движении газового потока в радиальном направлении температура в средней области горна низкая, а падение ее резкое.

Изменение температуры от окислительной зоны к центру печи тесно связано таким образом с содержанием окиси углерода за пределами этой зоны. В полном соответствии с изменением состава и температуры газа по радиусу горна должно находиться и статическое давление газового потока. Статическое давление достигает максимального значения на периферии горна и уменьшается в направлении к центру, причем, чем сильнее это снижение, тем меньше газа попадает к центру печи. Факторы, создающие сопротивление движению газового потока, обусловливают повышенные потери давления и снижение потока газа, проникающего к центру печи.

Падение давления газового потока пропорционально длине пути, проходимого газом. Чем больше диаметр горна, тем длиннее путь должен преодолеть газ, чтобы от фурм попасть в центр печи. В связи с этим в большую печь необходимо подавать дутье с большей энергией, поддерживающей требуемую по условиям процесса температуру в центре горна, которая должна быть не ниже температуры, обеспечивающей достаточную жидкоподвижность чугуна и шлака и хорошую дренажную способность горна. Иначе неизбежно образуется неплавкая, вязкая масса -- конгломерат тягучего шлака, перемешанного с чугуном и кусками кокса. Принято, что температура в центре горна должна быть не ниже 1350--1400°С для передельного и несколько выше для более кремнистых чугунов.

При непрочном коксе и вязких шлаках печь особенно сильно реагирует на колебания температуры в центре горна. В этом случае приходится уделять особое внимание прогреву центральной части столба материалов в горне.

500 1500 500 1500

Расстояние от глаза фурм, мм

Рис. 4. Изменение состава газа в горне доменной печи металлургического завода им. Дзержинского при диаметре фурмы 200 (а) и 250 мм (б)

Характер изменения температуры и давления газов по радиусу горна печей описан ниже. Давление газов в горне по радиусу печи изменяется почти линейно; у оси горна статическое давление примерно на 20% ниже его давления на выходе из фурм. Менее равномерное распределение газового потока в горне приводит к образованию в центре печи малодоступного для горячих газов и потому плохо прогретого «мертвого» столба материалов, так называемого «тотермана». При этом в срединных участках печи газы испытывают при движении большое сопротивление, замедляющее процесс восстановления окислов в застывшей массе, создающее условия для похолодания всего горна, загромождения его непроницаемыми для жидкой фазы материалами и прекращения нормальной работы печи. При достаточно высокой кинетической энергии струи дутья у фурм образуются полости с вихревым движением газов. Вследствие этого куски кокса начинают двигаться по внешней поверхности зоны разрыхления (зоны циркуляции) (рис. 5).

Рис. 5. Схема циркуляции кокса перед фурмой доменной печи

Применение скоростной и стереоскопической киносъемок позволило установить характер движения кусков кокса, циркулирующих в потоке дутья и продуктов горения, когда опускающиеся сверху куски кокса подхватываются и вначале оттесняются потоком в глубь горна, затем поднимаются вверх или отходят в стороны и возвращаются обратно к фурме. При этом происходит частичный обмен кусков из окаймляющей эту зону малоподвижной части шихты.

При исследовании работы горна выявлено, что часть кусков кокса поступает в зону горения снизу вследствие выталкивания их гидростатическими силами образующегося слоя чугуна и шлака.

Содержание кислорода в газе сначала резко понижается, затем несколько возрастает и в конце окислительной зоны снова резко уменьшается. Содержание двуокиси углерода в газе изменяется соответственно изменению содержания кислорода -- возрастает с понижением содержания кислорода и наоборот. На кривой содержания двуокиси углерода образуются два максимума -- в начале и конце окислительной зоны; окись углерода появляется лишь в конце окислительной зоны при вторичном понижении содержания углекислоты. Такой характер изменения состава газа по радиусу горна объясняется образованием зоны циркуляции. Кокс сосредоточивается вблизи торца фурмы и на противоположном конце зоны циркуляции, у ее границы с уплотненной областью, поэтому наиболее интенсивно кислород расходуется, а двуокись углерода образуется вблизи торца фурмы и в конце циркуляционной зоны.

В самой зоне циркуляции концентрация взвешенных в газовой среде кусков кокса мала, что сопровождается повышенным содержанием кислорода и пониженным -- двуокиси углерода. Разложение углекислоты с образованием окиси углерода происходит в основном за пределами зоны циркуляции -- в уплотненной среде, граничащей с этой зоной.

Большое влияние на распространение зоны горения перед фурмами оказывают нагрев дутья, содержание в дутье кислорода, влаги, природного газа. Повышение температуры дутья способствует ускорению реакций горения, а следовательно, и сокращению объема окислительной зоны.

Аналогично нагреву дутья действует повышение концентрации кислорода в воздухе. Обогащение дутья кислородом уменьшает содержание азота в единице дутья, в результате чего уменьшается объем газов в процессе горения углерода кокса, повышается температура и сокращается зона горения. Увлажненное дутье обогащается кислородом, однако температура горения вследствие затрат тепла на разложение влаги понижается. Поэтому зона горения расширяется в глубь горна с одновременным снижением температуры на всем протяжении этой зоны.

Вдувание природного газа через воздушные фурмы также сопровождается снижением температуры в зоне горения. Поэтому размеры зоны горения увеличиваются. На распространение зоны горения влияют размер кусков, пористость и реакционная способность кокса.

Мелкий кокс уменьшает величину зоны горения и затрудняет равномерное омывание столба шихты нагретыми газами. Достаточное увеличение зоны горения может быть достигнуто соответствующим увеличением количества дутья. Наличие кокса в виде кусков одинаковой величины приводит к равномерному их сгоранию и благотворно влияет на ход печи.

Увеличению размеров зоны горения благоприятствует уменьшение пористости кусков кокса, поскольку сокращается поверхность взаимодействия кислорода и двуокиси углерода с твердым углеродом каждого куска кокса. С увеличением реакционной способности кокса (скорости сгорания углерода в токе углекислоты) объем зоны горения сокращается.

Размеры зоны горения зависят также от температуры кокса, поступающего в горн из верхних зон доменной печи. Более нагретый кокс сокращает размеры зоны горения.

Е.Ф. Вегман, Б.Н. Жеребин, А.Н. Похвиснев, Ю.С. Юсфин. Металлургия чугуна. Издательство «Металлургия», М.: 1978