книги из ГПНТБ / Цылев Л.М. Процесс горения кокса в доменной печи

Л. М. ЦЫЛЕВ, М. Я. ОСТРОУХОВ, Л. 3. ХОДАК

ПРОЦЕСС ГОРЕНИЯ КОКСА В ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО

ЛИТЕРАТУРЫ ПО ЧЕРНОЙ И ЦВЕТНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

Москва 1960

ВВЕДЕНИЕ

Исследованию процесса горения угля и кокса посвящены многочисленные работы как в СССР, так и за границей. Особое внимание уделялось в последнее десятилетие выявлению кине­ тических закономерностей процесса горения твердого углеродис­ того топлива. Значительный вклад в изучение вопроса был вне­ сен советскими учеными [1]. В результате этих исследований по­ казано, что физические факторы в процессе горения углерода

имеют большее значение, чем химические. Было установлено, что процесс горения топлива подчиняется различным кинетическим закономерностям в зависимости от ряда условий: скорости дви­

жения газов, температуры дутья, размера частиц углерода и др.

В последнее время сделаны попытки использовать выявлен-1 ные химической кинетикой закономерности для объяснения яв­ лений, происходящих при горении кокса у фурм доменных печей.

Обширные исследования процессов горения кокса выполне­ ны также непосредственно в доменных печах. Были исследова­ ны состав газов, шлаков и металла в окислительной зоне, изме­

рены температуры и статическое давление газов в горне. Изу­

чалось влияние различных факторов режима доменной плавки на размеры окислительной зоны. По данным американских и немецких исследователей, размеры зоны горения в доменных пе­ чах не зависят от количества дутья [2, 3, 4]. В результате иссле­ дований, проведенных в Советском Союзе, среди доменных тех­

ников стало считаться неоспоримым, что увеличение количества дутья удлиняет окислительную зону. Некоторые авторы считают, что повышение температуры дутья, наоборот, сокращает зону горения [5]. Такие представления подтверждаются лабораторны­ ми исследованиями горения кусков углеродистого топлива в слое. Считалось, что и в доменной печи имеет место слоевое го­ рение. В то же время развивались взгляды, что длина зоны го­

рения определяется в основном величиной кинетической энер­ гии дутья. В ряде работ такое влияние было установлено экспе­ риментальным путем [5, 6]. Исходя из этой позиции, ряд совет­ ских металлургов высказывал мысль, что повышение темпера­ туры дутья в связи с происходящим при этом увеличением ки­ нетической энергии потока должно вести к удлинению окисли­ тельной зоны [7, 8]. Влияние давления дутья на величину и очер­

тания зоны горения оценивалось разноречиво. С одной стороны,

3

ГЛАВА 1

ЗНАЧЕНИЕ ЗОНЫ ГОРЕНИЯ В ДОМЕННОЙ ПЛАВКЕ

Окислительные процессы в доменной печи сосредоточены в

узком пространстве у воздушных фурм. Поступающий через фур­

мы в горн доменной печи нагретый воздух окисляет кокс, при этом углерод кокса газифицируется с образованием в продук­ тах горения окиси углерода и водорода и выделением азота. При горении кокса в струе воздушного дутья выделяется громадное

количество тепла и в окислительной зоне развиваются высокие температуры (1600—2000°).

Образовавшаяся в результате горения кокса окись углерода играет большую роль в доменной плавке—она восстанавливает окислы железа в верхних горизонтах доменной печи. Продукты

горения, нагретые до высоких температур, поднимаются, филь­ труясь между кусками материалов и отдавая тепло шихте.

Кокс, поступающий в зоны горения, нагревается на своем

пути от колошника до горна до 1400—1500°, это позволяет осу­ ществлять горение при высоких температурах.

Процесс горения у фурм ведет к непрерывному расходова­

нию кокса и является главной причиной опускания шихты, за­

груженной в доменную печь на колошнике. Сход шихты в до­ менной печи в направлении фурменных очагов горения облег­ чается, если площадь окислительной зоны достаточно велика. Величину этой площади вычисляют по протяженности окисли­ тельной зоны вдоль оси фурмы, а протяженность окислительной

зоны можно установить непосредственно с помощью вводимой через фурму внуть печи газозаборной трубки. Получаемая вели­ чина является, конечно, приблизительной, так как остается не­ известным распространение зоны горения в поперечном направ­ лении, а мнение 6 том, что увеличение зоны горения в попереч­

том случае, когда соседние фурменные очаги горения смыкают­

ся, образуя сплошное окислительное кольцо .* Поэтому важно

правильно определить число воздушных фурм.

Это утверждение спорно. Существует и другая точка зрения: нужно стремиться к образованию сравнительно небольшого числа мощных фурмен-

5

Ровный ход доменной печи зависит от равномерности схода шихты. Поэтому необходимо увеличение площади окислитель­ ной зоны. Этим объясняется тот интерес, который проявляют металлурги многих стран к вопросу о влиянии различных фак­ торов режима плавки на формирование и размеры окислитель­ ной зоны. К таким факторам относятся: скорость потока дутья,

температура, давление, кинетическая энергия и влажность дутья,

крупность кусков кокса, газопроницаемость шихты, тепловое со­

стояние печи и др. Чтобы найти методы воздействия на .протя­

женность и объем окислительной зоны, необходимо изучить за­

кономерности процесса горения (химические процессы) и дви­ жения углеродных частиц в слое топлива (аэродинамические

явления). В настоящей работе предусматривалось изучение обе­

их сторон процесса горения.

Аэродинамика процесса изучалась как на модели, так и в зоне горения доменной печи при помощи скоростной киносъем­

ки через гляделки фурм.

Физико-химическую сущность процесса горения изучали по­ средством отбора проб газа, измерения температуры и стати­ ческого давления газа в окислительной зоне. Кроме того, были подвергнуты исследованию пробы шлака и металла, извлеченные из зоны горения.

Исследования проводили на доменных печах различного по­ лезного объема на Кузнецком металлургическом комбинате и на заводах Ново-Липецком, Ново-Тульском, им. Дзержинского

и «Свободный сокол».

Печи снабжены фурмами диаметром 180 мм, только печь

Ново-Тульского завода имела 12 фурм диаметром 120 мм. Три

Липецкого, Ново-Тульского и «Свободный сокол» — литейный чу­ гун. Сырыми материалами для печи КМК служили офлюсован­

ный (СаО : SiO2 = 1,0—1,1) агломерат из концентратов желез­ ных руд Шорского горного округа, сырые магнитные железняки Таштогольского месторождения и кокс из кузнецких углей. Печи Ново-Липецкого завода и завода «Свободный сокол» работали

на смеси бурых железняков Киреевского и Сырского месторож­

дений, криворожских кусковых гематитов классов 22—24 и на

коксе с донецких и орской коксоустановок. На Ново-Тульском за­

воде работали на смеси бурых железняков Центрального района,

криворожских гематитов, агломерата из руд Курского месторож­ дения (КМА) и на коксе из донецких углей. В шихту печи завода им. Дзержинского входили офлюсованный агломерат (70%) и криворожские руды (30%); кокс — из донецких углей.

ных очагов вместо большого числа малых. Это достигается подачей большого

количества воздуха через каждую фурму при относительно небольшом их количестве. Прим. ред.

fi

На всех печах дутье увлажнялось до 20—30 г/нм3. Все печи, за исключением Ново-Тульского завода, работали с повы­ шенным давлением газа на колошнике.

В табл. 1 приводятся некоторые производственные показате­ ли работы печей заводов № 1, 2 и 3 Центрального района.

Таблица 1

Показатели работы доменных печей Центрального района

* Приведенные в таблице средние за период величины давления дутья на 0,13—0,18 ати меньше фактических из-за перевода печи на нормальное давление во время выпусков чугуна.

Работа печей этих заводов характеризовалась недостаточной

ровностью хода из-за непостоянства гранулометрического и хи­

мического состава сырых материалов.

ГЛАВА 2

ПРОЦЕСС ГОРЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ ЧАСТИЦ ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ

Основные явления при горении углерода в слое

Продуктами горения углерода могут быть углекислота и окись углерода. Последовательность образования этих окислов в процессе горения углерода не может считаться в настоящее время вполне установленной. Наиболее вероятной схемой горе­ ния углерода может быть признана схема, развитая А. С. Предводителевым с сотрудниками [1]. Знание последовательности об­

разования указанных окислов углерода важно для анализа ки­ нетических условий процесса горения. Не входя в детальное об­ суждение совершающихся в процессе горения элементарных хи­ мических реакций, которые могут быть весьма сложными, мы ограничимся анализом результирующих (макрокинетических) реакций, происходящих при взаимодействии углерода с кисло­ родом дутья:

СОг—определяет возможность протекания при соответствую­ щих условиях сопутствующих вторичных процессов: соединения окиси углерода с кислородом по реакции

Реакции (а), (б) и (г) являются гетерогенными, а реакция

(в) гомогенной.

Характер протекающих в зоне горения реакций обусловли­ вает разделение ее на две области: кислородную и восстанови­ тельную. В кислородной области идут реакции окисления (а), (б) и (в), а в восстановительной происходит восстановление уг­

лекислоты по реакции (г).

8