11.2. Влияние зоны горения на работу печи и факторы, определяющие размеры зоны горения

Количество углерода, сгорающего в горне, и продуктов сгорания, обра­зующихся в единицу времени, строго пропорционально количеству вдувае­мого кислорода. В каких бы пределах ни изменялось количество дутья, весь кислород будет израсходован с образованием оксида углерода. Поэтому усло­вия горения изменяют не общее количество продуктов сгорания в расчете на единицу сжигаемого углерода или единицу вдуваемого кислорода, а размеры зоны горения, в которой образуются горновые газы. Размеры и форма зоны го­рения определяются размерами окислительной зоны - глубиной, высотой и ши­риной. Распространение окислительной зоны в направлении оси печи характе­ризует ее глубину, вверх и вниз от оси фурмы - высоту, а в горизонтальной плос­кости, проходящей через ось фурмы, - ширину. От размеров зоны горения су­щественно зависит работа доменной печи. При ее уменьшении нарушается рав­номерность схода шихты, распределения газов и скорости движения материа­лов по сечению печи. Сокращение глубины зоны горения, как правило, приво­дит к загромождению осевой зоны горна. Вместе с тем, чрезмерное увеличение зоны горения также нежелательно, поскольку вызывает повторное интенсивное окисление железа и других элементов, входящих в состав чугуна.

Основными факторами, определяющими размеры и форму зон горения, являются: 1) качество и свойства кокса; 2) количество дутья; 3) скорость исте­чения дутья из фурм; 4) температура дутья; 5) давление дутья; 6) влажность дутья; 7) количество вдуваемых углеводородсодержащих добавок; 8) содер­жание кислорода в дутье. Рассмотрим влияние этих факторов на размеры окис­лительной зоны.

Влияние качества и свойств кокса. В связи с тем, что процесс горения совершается на поверхности, количество углерода, сгорающего в единице объе­ма окислительной зоны, зависит от величины поверхности кусков и пор, дос­тупных проникновению газов. Чем крупнее куски кокса, дошедшего до уров­ня фурм, и чем меньше в них пор, тем меньше реакционная поверхность и горение будет протекать менее интенсивно. Поэтому работа печей на крупно­кусковом и плотном коксе сопровождается увеличением зоны горения. При­менение мелкого и пористого кокса будет способствовать уменьшению зоны горения. На размеры зоны горения влияют горючесть и реакционная способ­ность кокса (по международному стандарту показатель CRI). Эти свойства определяются пористостью, химической активностью углерода и горячей проч­ностью кокса (CSR). Чем выше горючесть и реакционная способность и чем ниже горячая прочность кокса, тем меньше размер зоны горения, и наоборот. Выше уже отмечалось, что увеличение реакционной способности кокса отри­цательно сказывается не только на размерах зоны горения, но и на других фак­торах, определяющих условия работы печи.

В лияние количества дутья.

С увеличением количества дутья возрастает скорость его истечения из фурмы, а так как кинетическая энергия струи пропорциональна квадрату скорости, то дутье и окис­лители проникают на большую глу­бину, увеличивая протяженность зоны горения. Уменьшение количе­ства дутья вызывает сокращение зоны горения. Указанное влияние на глубину зоны горения отражено нарис. 11.4.

Влияние скорости истече­ния дутья из фурм. Скорость ис­течения дутья из фурм при посто­янном его количестве зависит от диаметра фурм и их числа. Поскольку число фурм на печи постоянное, то из­менить скорость истечения дутья при постоянном его количестве можно лишь изменением диаметра фурм.

При уменьшении диаметра фурм (при постоянном количестве дутья) ско­рость истечения, а следовательно, и кинетическая энергия струи дутья возрас­тают, вызывая увеличение глубины зоны горения и сокращение ее высоты и ширины. Таким образом, если повышение скорости истечения достигается уве­личением количества дутья, то зона горения увеличивается. Если же скорость истечения дутья повысилась вследствие уменьшения диаметра фурм при не­изменном количестве дутья, зона горения увеличивается вглубь и сокращает­ся в поперечных размерах. При увеличении диаметра фурм и неизменном ко­личестве дутья сокращается протяженность зоны горения, но зато увеличива­ются ее высота и ширина. Изменение как диаметра фурм, так и высова их в глубь горна, является технологическим фактором воздействия на ход печи и используется для достижения оптимального соотношения количеств газа, про­ходящих у стен и в осевой зоне печи.

Влияние температуры дутья. В зависимости от условий работы печи температура дутья может по-разному влиять на размеры зоны горения. При от­носительно низком нагреве дутья (900 °С) или при похолодании горна повыше­ние температуры дутья вызывает увеличение скорости сгорания углерода, что отражается на объеме, в котором совершается процесс горения, а не на количе­стве сжигаемого углерода в единицу времени (оно строго соответствует количе­ству поступающего кислорода). Поэтому повышение температуры дутья всегда вызывает сокращение зоны горения. При температуре дутья 1000 °С и выше и при нормальном нагреве горна повышение температуры дутья не вызывает уменьшения зоны горения. Наоборот, вследствие увеличения объема дутья (при нагревании дутья на 1° С объем его увеличивается на 1/273) растет скорость истечения и кинетическая энергия струи дутья, и размеры зоны горения в этих условиях могут увеличиваться.

Влияние давления дутья. Увеличение давления дутья на размеры зоны горения проявляется по-разному в зависимости от того, что явилось причиной изменения давления. Если, например, давление дутья возросло вследствие уве­личения количества дутья, то протяженность зоны горения увеличивается в соответстии с увеличением кинетической энергии струи. Если же увеличение давления дутья произошло вследствие повышения давления газа на колошни­ке, скорость его истечения из фурм и кинетическая энергия струи уменьшатся, что приведет к сокращению зоны горения. Повышение давления дутья, свя­занное с ухудшением газопрсницаемости шихты, может привести к измене­нию глубины зоны горения в зависимости от того, где расположен источник ухудшения газопроницаемости: если он у периферии - зона удлиняется, если у оси - сокращается. При уменьшении давления дутья в результате уменьше­ния количества и скорости дутья зона сокращается и вытягивается вверх у торца фурмы.

Влияние влажности дутья. Реакция взаимодействия водяного пара, со­держащегося в дутье, с углеродом кокса сопровождается поглощением тепла. В результате температура в окислительной зоне понижается, и зона горения рас­ширяется. Следовательно, увеличение влажности дутья, если оно не сопровож­дается соответствующим повышением нагрева дутья для компенсации затрат тепла на диссоциацию влаги, всегда приводит к увеличению зоны горения, и наоборот. Чтобы компенсировать расход тепла на диссоциацию водяного пара нагревом дутья, необходимо повышать температуру дутья из расчета 9 °С на каждый 1 г пара на 1 м³ дутья. При соблюдении этого условия изменение влаж­ности дутья почти не влияет на размеры зоны горения, если судить по исчезно­вению СО₂.

Учитывая, что реакция углерода с водяным паром протекает медленнее, чем с диоксидом углерода, повышение влажности дутья увеличивает размеры зоны горения, если о ее величине судить по исчезновению из газовой фазы Н₂О.

Влияние количества вдуваемых углеводородсодержащих добавок. В качестве таких добавок используют природный газ, пылеугольное топливо, реже попутный газ, мазут. Влияние этих добавок на размеры зоны горения аналогично увлажнению дутья, но проявляется более резко. Природный газ частично сгорает в фурме и в самом начале окислительной зоны, образуя СО, СО₂ и Н₂О. Количество образовавшегося водяного пара в окислительной зоне при вдувании природного газа значительно больше, чем при обычном увлаж­нении дутья, поэтому и диссоциация водяного пара заканчивается на большем удалении от торца фурмы. Кроме этого, увеличение количества горнового газа также требует соответствующего дополнительного количества тепла на нагрев.

Например, при сжигании единицы углерода метана (основная составляющая природного газа) до СО при атмосферном дутье в горне образуется 4,88 объе­ма продуктов сгорания, тогда как при сжигании единицы углерода кокса до СО количество продуктов сгорания составляет всего 2,88 объемных единиц. Вдувание природного газа и других углеводородсодержащих добавок увели­чивает размеры зоны горения и в том случае, когда тепловые затраты на нагрев увеличенного количества горнового газа компенсируются соответствующим повышением температуры дутья.

Влияние содержания кислорода в дутье. Как уже было показано выше, при обогащении дутья кислородом на единицу вдуваемого в горн кислорода приходится меньше азота и соответственно уменьшается количество горно­вых газов при сжигании единицы горючего. Следовательно, выделяющееся при сгорании углерода кокса тепло нагревает образующиеся газы до более высокой температуры, т. е. возрастает температура сгорания и уменьшается зона горения. В то же время с ростом температуры газов увеличивается их объем, что должно увеличивать зону горения. В зависимости от того, какой фактор превалирует при повышении содержания кислорода в дутье, размеры зоны горения могут либо увеличиваться, либо уменьшаться, либо остаться не­изменными. Важную роль при этом играет режим сгорания углерода топлива.

Из других факторов, влияющих на размеры зоны горения, большое зна­чение имеет распределение материалов на колошнике при загрузке в печь. Все факторы учитываются и используются для создания оптимальных размеров зоны горения и для регулирования процессов в рабочем пространстве домен­ной печи. Однако следует помнить, что основой создания оптимальных зон горения, как и других параметров доменной плавки, является неуклонное по­вышение качества подготовки и совершенствование технологии производства исходных шихтовых материалов.

К числу приемов (способов), которыми пользуются для воздействия на ход доменной печи, относятся: 1) изменение рудной нагрузки; 2) загрузка в печь холостых подач; 3) изменение температуры и влажности дутья; 4) изме­нение количества дутья и применение искусственных осадок шихты; 5) изме­нение высова, диаметра и угла наклона фурм; 6) изменение режима загрузки материалов; 7) изменение количества и состава шлака.