2.4. Процесс горения топлива. 1

2.4.1. Функции твердого топлива в доменной печи 1

2.4.2. Особенность горения топлива в доменной печи 2

2.4.3. Теоретическая температура горения. 5

2.4.4. Изменение количества и состава газа по высоте доменной печи 8

2.5. Движение материалов и газов 10

2.5.1. Понятие сыпучего тела 10

2.5.2. Закономерности движения материалов 13

2.5.3. Закономерности движения газов 17

2.5.4. Условия ровного схода шихты 19

2.6. Тепловые процессы доменной плавки 22

2.6.1. Закономерности противоточного теплообмена 23

2.6.2. Особенности теплообмена в доменной печи 26

2.6.3. Температурное поле доменной печи 29

4. Процесс горения топлива.

   1. Функции твердого топлива в доменной печи

При горении твердого топлива в доменной печи

• выделяется тепло, необходимое для нормального протекания доменного процесса. В результате горения топлива в горне печи образуется область высоких температур, и создаются условия для осуществления эндотермических процессов восстановления трудновосстановимых окислов. Кроме того, продукты сгорания, нагретые до высоких температур, поднимаются, фильтруясь между кусками материалов и отдавая тепло материалам.

• образовавшийся в результате горения монооксид углерода играет роль восстановителя оксидов железа в вышележащих слоях шихтовых материалов.

• в процессе горения топлива освобождается пространство, в которое опускаются вышележащие материалы. От горения топлива на горизонте фурм зависит скорость опускания материалов, загружаемых на колошнике.

В соответствии с этими функциями роль твердого топлива в доменном процессе определяется как восстановитель, теплоноситель и разрыхлитель.

2. Особенность горения топлива в доменной печи

Процесс горения в доменных печах имеет важную особенность. Горение протекает при большом избытке топлива (углерода) и недостатке кислорода.

В

Рис. 2.4-1. Горение протекает последовательно в две стадии.

связи с этим процесс горения топлива (кокса) у фурм доменной печи можно представить схемой рис.2.4-1.

У самого среза фурмы, из которой дутье поступает в рабочее пространство доменной печи, имеется избыток кислорода. Поэтому горение идет по реакции полного горения:

(2.4‑1)

По мере удаления от фурмы содержание кислорода в газе уменьшается в связи с затратами его на горение, а содержание возрастает. На некотором расстоянии от фурм состав газа существенно не меняется. Содержание кислорода издесь колеблется в небольших пределах, а при дальнейшем удалении от торца фурмы вновь продолжается увеличение концентрации диоксида углерода и снижение содержания кислорода. На расстоянии примерно 0,9-1,5 м от фурмы содержаниев газе достигает максимума, а кислород из газовой фазы исчезает.

С этого момента начинается процесс взаимодействия с углеродом кокса по реакции:

(2.4‑2)

Эта реакция сопровождается поглощением значительного количества тепла (165,797 МДж/кг ). В связи с ее протеканием содержание в газе снижается, а содержаниеувеличивается. На расстоянии 1,2-1,8 м от обреза фурмы содержаниестановится равным нулю и горение прекращается.

Таким образом, горение в доменной печи можно представить как суммарный процесс протекания предыдущих реакций

(2.4‑3)

Характер горения топлива в доменной печи определяет следующие его особенности:

1. Конечным продуктом горения в доменных печах всегда является окись углерода. Это позволяет определить состав продуктов горения, выходящих из зоны горения.

Продукты горения, выходящие из зоны горения называются горновым газом.

При вдувании 1 м³сухого атмосферного дутья в печь поступает −0,79 м³азота и 0,21 м³кислорода.

Кислород, взаимодействуя с углеродом, образует 0,42 м³СО.

Всего образуется 1,21 м³горнового газа.

Состав горнового газа: 0,42/1,21 (35)% СО и остальное (65)% − N₂.

2. Горение протекает в ограниченном пространстве, называемом зоной горения, окислительной зоной, очагом горения, фурменным очагом.

Исследования формы зон горения начались в 40-х годах 19 века. С тех пор выполнено много замеров, что позволило построить вертикальное и горизонтальное сечения фурменного очага. Зона горения в большей степени развита в вертикальном направлении, чем в горизонтальном.

Зона (или очаг) горения состоит из двух частей. В первой (окислительной) части в газе при вдувании в печь сухого воздуха содержатся: ; во второй (восстановительной) части содержатся такие газы, как. За пределами зоны горения в газе содержатся только.

3. Количество выгоревшего кокса пропорционально количеству подаваемого в печь дутья:

(2.4‑4)

Во вдуваемом воздухе на каждый моль кислорода приходится 79%/21% (3,762) моля азота.

При сгорании 1м³ кислорода в реакцию вступает 2∙16/22,4 кг кислорода и соответственно выгорает 2∙12/22,4 (1,07 кг углерода).

Таким образом, чем больше дутья вдувается в доменную печь в единицу времени, тем больше в ней можно сжечь топлива и, как видно из уравнения, определяющего производительность печи, Р=К/к получить больше чугуна.

Повышение расхода дутья в единицу времени является основным требованием увеличения производительности печи. (Изменение расхода дутья является средством целенаправленного изменения производительности печи).

Дальнейшее изменение состава горнового газа (за пределами фурменного очага) связано с протекающими процессами прямого восстановления. Продуктом прямого восстановления является моноокид углерода. Поэтому по направлению к оси содержание СО в газе возрастает.

В окислительных зонах происходит окисление железа, марганца и кремния в капельках чугуна, проходящих через нее. Получающиеся окислы переходят в шлак. Но как только опускающиеся чугун и шлак выйдут из этих зон, благодаря высоким температурам окисленные элементы очень быстро восстанавливаются вновь.

Вдуваемый в печь воздух всегда содержит какое-то количество паров воды. Пары воды в той части зоны горения, где СО₂взаимодействует с углеродом, также взаимодействует с углеродом кокса:

(2.4‑5)

При этом образуется водород, входящий в состав горнового газа.

При вдувании в доменную печь природного газа, основной составляющей которого является метан, природный газ сгорает. Горение происходит на участке, где образуется СО₂:

(2.4‑6)

Однако далее по оси, в той части зоны горения, в которой СО₂и пары воды взаимодействуют с углеродом кокса, продукты горения природного газа превращаются в СО и Н₂. В конечном итоге процесс взаимодействия природного газа с дутьем протекает с незначительным тепловым эффектом (913 кДж/кг С, вносимого с природным газом, для сравнения при сгорании 1 кг С кокса выделяется 9830 кДж).