Доменное производство

Горение кокса в горне доменной печи

Основная часть тепла поступает в доменную печь в зоне фурм при взаимодействии углерода кокса с кислородом нагретого воз­душного дутья. В результате процесса горения формируется так называемый горновой газ. Поднимаясь по высоте печи, доменный газ выполняет большую тепловую и химическую работу. От усло­вий горения кокса у фурм зависит движение встречных потоков газа и опускающихся материалов, процессы их нагрева, восста­новления и плавления, следовательно, весь ход доменной плавки.

Взаимодействие кокса с кислородом дутья у фурм происходит по типу так называемого горения в слое при избытке углерода хотя не имеется неподвижного сплошного слоя кокса, а происходит циркуляция его кусков возле фурм. Схема циркуляции кокса у фурм доменной печи приведена на рис. 40, а. В обозначенной зоне происходит уменьшение размеров кусков горящего кокса до полного их превращения в газообразные продукты и золу, посту­пающую в состав горнового шлака. На освобождающееся место опускаются вышележащие материалы, и поэтому над зоной цирку­ляции образуется так называемая воронка более быстрого схода шихтовых материалов, в которую устремляются более тяжелые руда или агломерат. Количество материалов, опускающихся в во­ронке, непосредственно связано с размерами зоны горения и цир­куляции, и управляя процессами горения кокса, можно регули­ровать движение и обработку используемых в печи исходных материалов.

Схема циркуляции кокса у фурм доменной печи (а) и изменение состава газов при интенсивном подводе дутья (б)

Движение кокса в циркуляционной зоне обусловлено в первую очередь оттеснением его кусков дутьем, имеющим большую кинети­ческую энергию.

Закономерности изменения состава газа по пути движения дутья являются характерными для процесса горения в слое и вы­ражаются в последовательном переходе от продуктов полного горения СО2 к продуктам реакции газификации углерода СО.

Основными условиями горения кокса у фурм в доменной печи являются следующие:

  1. кокс поступает в зону горения нагретым до температуры 1300° С (в среднем);
  2. воздушное дутье, поступающее через фурмы, имеет контро­лируемый нагрев до 1000—1200° С, избыточное давление до 304 кн/м2 (3 ат) и выше и большие линейные скорости потока — до 140—200 м/сек (при нормальных условиях);
  3. газ имеет возможность продвижения по направлению подачи дутья из фурм и вверх по направлению его отвода из печи.

В этих условиях у фурм образуется зона горения сложной конфигурации. Она состоит из очагов горения у каждой фурмы, в большей или меньшей степени смыкающихся в общую зону, ко­торая в горизонтальном сечении представляет собой кольцо. В вертикальном сечении по мере потери кинетической энергии дутья движение газа к оси печи ослабевает и зона горения распространяется несколько кверху.

Типичные данные по изменению состава газовой фазы по направлению от фурмы к оси печи показаны на рис. 40, б.

В случае воздушного дутья кислород расходуется на расстоя­нии до 1100—1500 мм от фурмы, превращаясь почти исключи­тельно в двуокись углерода по реакции полного горения:

С + О2 = СO2; ∇H° = — 393,77 кдж/моль (—94,05 ккал/моль).

При этом максимальное содержание С02 в образующихся газах значительно ниже содержания кислорода в воздухе (21%). Это свидетельствует о частичном расходовании кислорода на окислительные реакции с жидким чугуном, проходящим через зону фурм.

Достигнув максимума, содержание СО2 в газах начинает быстро уменьшаться за счет расходования на взаимодействие с углеродом и образования СО по реакции

С + СO2 = 2СО; ∇Н° = 172,58 кдж/моль (41,22 ккал/моль).

Действие дутья обычно исчерпывается на расстоянии 1300— 2000 мм от фурмы. Содержание СО в газовой фазе при этом до­стигает 32—34% и более. Далее, по направлению к оси печи содержание СО возрастает вследствие восстановления окислов шлака углеродом.

Максимум содержания СОа в горновом газе соответствует ма­ксимальному тепловыделению при горении кокса, так как реакция полного горения является главным источником тепла. В связи с этим в фокусе горения при максимуме на кривой СO2 достигается наивысшая температура газов в горне 1900° С, а в некоторых слу­чаях и еще несколько выше. При дальнейшем продвижении к Оси печи в результате эндотермических реакций температура пони­жается до 1200—1300° С.

В области горения кокса у фурм образуется газовая фаза, отличающаяся по своим свойствам от газов во всем остальном объеме доменной печи. Она имеет повышенный кислородный по­тенциал и определяет границы окислительной зоны в горне до­менной печи.

Размеры окислительной зоны, приблизительно совпадающей с зоной циркуляции, играют важную роль в регулировании дви­жения материалов в доменной печи. Они зависят от ряда факторов и колеблются в довольно широких пределах. Основными из этих факторов являются:

  1. свойства кокса, размеры его кусков, по­ристость и реакционная способность;
  2. количество, давление и состав дутья;
  3. нагрев дутья и вдувание дополнительного топлива через фурмы.

Чем крупнее и плотнее куски кокса, тем меньше их реакционная поверхность, больше время сгорания, что способствует увеличе­нию размеров окислительной зоны.

Однако практически размеры окислительной зоны обычно ре­гулируются режимом и составом окислительного дутья.

Увеличение минутного количества дутья при неизменном коли­честве и качестве горючего, температуре, давлении и составе дутья приводит к увеличению объема и протяженности окислительной зоны. Увеличение скорости истечения дутья из фурм при постоян­ном его количестве в минуту связано с уменьшением диаметра фурм и способствует увеличению протяженности зоны.

С повышением давления газа в рабочем пространстве вследствие частичного перекрытия его потока на газоочистке (при работе с повышенным давлением газа на колошнике) уменьшается кине­тическая энергия дутья, увеличивается масса дутья в единице объема, что приводит к сокращению размеров окислительной зоны. Однако, если одновременно увеличивать количество подаваемого через фурмы дутья и скорость его истечения, размеры зоны горения не уменьшатся.

Повышение температуры нагрева дутья приводит к увеличению объема одной и той же его массы и возрастанию линейных скоро­стей. Но более сильное воздействие оказывает ускорение реакций полного горения и газификации. Суммарный эффект выражается в уменьшении размеров и протяженности окислительной зоны.

Воздействие в том же направлении оказывает обогащение воз­душного дутья кислородом. Повышение концентрации кислорода в дутье сокращает концентрацию азота и его количество на еди­ницу объема дутья. Уменьшается общий объем дутья и продуктов горения, повышается температура горения и несколько сокра­щается объем и протяженность окислительной зоны.

К числу факторов, влияющих в противоположном направлении относится увлажнение дутья. В связи с дополнительными затра­тами тепла на разложение водяного пара понижается температура, особенно в фокусе горения и за ним, и окислительная зона распро­страняется в глубь горна. В настоящее время широко применяется вдувание природного газа через фурмы, дающее значительный эф­фект экономии кокса и повышения восстановительной способности газа вследствие возрастания содержаний водорода. При этом в связи с уменьшением нагрева горна и увеличением количества образующегося газа объем и протяженность окислительной зоны также несколько возрастают.

Таким образом увеличение подачи дутья, его увлажнение, вдувание топливных добавок увеличивают размеры и протяжен­ность зоны, в то время как повышение давления газа на колошнике, обогащение дутья кислородом и его более высокий нагрев дей­ствуют в обратном направлении. В практике производства часто сочетают факторы, увеличивающие и уменьшающие размеры окис­лительной зоны, что позволяет сохранять эти размеры приблизительно постоянными.

Так, при увлажнении дутья на 1 кг пара в 1 м3 воздуха одно­временно увеличивают температуру дутья на 5,4 град для ком­пенсации затрат тепла на разложение пара и восстановительные процессы, в которых участвует 40% получаемого при этом Н2.

Применение дутья, обогащенного кислородом, из-за некоторого сокращения размеров окислительной зоны и резкого повышения температур в горне, может вести к нежелательному перераспреде­лению температур по всей высоте печи, однако в сочетании с по­дачей природного газа через фурмы дает весьма положительный эффект. Размеры окислительной зоны и тепловое состояние горна восстанавливаются и появляется возможность регулирования этих важнейших условий доменной плавки соотношением вдуваемого топлива и обогащенного дутья.

Такой способ работы является в настоящее время одним из основных средств совершенствования доменной плавки и ведет к значительному повышению технико-экономических показателей работы доменных печей.