Особенности горения кокса в вагранках

Главной горючей составляющей кокса является твердый угле­род, температура воспламенения которого 850...950°С.

Поступающий из фурм кислород воздуха вступает во взаимо­действие с углеродом кокса по реакции полного горения (рис. 10.5). Эта экзотермическая реакция С + 0₂ = С0₂ + Q\ про­исходит не мгновенно, а во времени, приводя к постепенному уменьшению концентрации кислорода в потоке газов по мере их движения вверх. На высоте h = 200...600 мм над уровнем фурм эта реакция завершается вследствие израсходования кислорода га­зовой фазы. Зона, в которой указанная реакция протекает, называ­ется кислородной. Высота ее зависит от качества кокса. При рабо­те на мелком пористом коксе поверхность контакта углерода и кислорода большая. Поэтому реакция между ними происходит бы­стро и завершается на небольшой высоте. Использование плотно­го крупного кокса приводит к увеличению высоты кислородной зоны. В дальнейшем будет по­казано, что высота кислород­ной зоны зависит и от ряда других факторов.

Рис. 10.5 Схема горения кокса в холостой колоше (Q₁,Q₂ – тепловые эффекты реакции)

В верхней части кислород­ной зоны и выше ее получает развитие реакция редукции (8.4), по которой С0₂ частич­но восстанавливается кусками кокса. Это приводит к сниже­нию температуры газов, так как реакция редукции (см. на схеме рис. 10.5) сопровождает­ся поглощением теплоты. Как было отмечено в подразд. 8.1,

движущей силой данной реакции является энтропийный фактор, поэтому она может происходить лишь при температуре выше 900 °С. Зона, в которой происходит эта реакция, называется редукцион­ной и имеет высоту h = 300...600 мм. Высота редукционной зоны зависит от плотности и размеров кусков кокса.

В связи с тем, что сходящая вниз шихта испытывает торможе­ние за счет трения о стенки вагранки, плотность ее у стенок мень­ше, чем у оси. Вследствие этого дутье по сечению вагранки рас­пределяется также неравномерно — у стенок скорость потока га­зов выше, в осевой зоне — ниже. Поэтому в действительности граница между кислородной и редукционной зонами не плоская, а криволинейная, и в первом приближении может быть представ­лена конусом ABC.

Изменение температуры и химического состава газовой фазы по высоте вагранки

Для облегчения понимания сути процесса при рассмотрении данного вопроса сделаны некоторые допущения, в частности при­нято следующее:

• дутье распределено равномерно по сечению вагранки, поэто­му температура газов в каждом горизонтальном слое одинакова;

• граница между кислородной и редукционной зонами плоская;

• шихта характеризуется некоторой средней температурой плав­ления, равной 1250 °С.

В правой части рис. 10.6 показано изменение температуры га­зов t_T в вагранке холодного дутья с горном-копильником.

На уровне фурм температура газов (холодного воздуха дутья) в среднем за год близка к нулю. Быстрое повышение температуры газов в начале кислородной зоны замедляется по мере уменьше­ния концентрации кислорода в газовой фазе. В конце кислородной зоны температура газов достигает максимума (около 1650 °С), да­лее она начинает снижаться. Вначале падение температуры проис­ходит быстро, а затем, на более высоком уровне шахты — мед­ленно. Это объясняется тем, что на первом участке падение тем­пературы газов является результатом как передачи теплоты ших­те, так и эндотермической реакции редукции. При температурах ниже 1000 °С реакция редукции практически прекращается, и даль­нейшее снижение температуры газов связано только с теплообме­ном. На уровне загрузочного окна температура газов в зависимос­ти от высоты шахты вагранки обычно составляет 400...600°С.

Металл, загружаемый в вагранку, проходит через четыре зоны: / — зона нагрева шихты, II — зона плавления, III — зона пере­грева и IV— зона горн-копильник.

Высота зоны /должна быть достаточной для того чтобы темпе­ратура шихты повысилась от нуля на уровне загрузочного окна до условной средней температуры плавления (/плср)> принятой рав­ной 1250°С.

В этом случае в зоне II происходит плавление шихты при по­стоянной температуре (вертикальный участок температурной кри­вой).

Из схемы видно, что температура газов в зоне плавления близ­ка к максимальной (/_Г(_тах))- Это обеспечивает высокую скорость процесса плавления и производительность печи.

Зона перегрева III включает в себя небольшую часть редукци­онной зоны, а также ту часть кислородной зоны, где температура газов выше температуры металла (выше точки А — пересечения температурных кривых газов t_r и металла /_мет). Ниже этой точки капли металла проходят через захолаживающую зону у фурм, и температура их уменьшается.

В зоне IV также происходит снижение температуры металла вследствие потерь тепла через стенки и дно горна.

Характер нижней ветви температурной кривой газов объясня­ется тем, что в горне печи движения газов и горения кокса не происходит.

Ю Ю

. , .^Уровень загрузочного окна

100 90 20

Состав газов,

пл.ср ■

'r(max)^;

г 1650°С

Рис. 10.6. Изменение состава газовой фазы и температуры по высоте вагранки (точка А — пересечение кривых t_w и t_r; точка Б — точка, соответствующая режиму максимального перегрева)

I 1 шщщтщ

ел

Газ и куски кокса, расположенные в горне, нагреваются кап­лями и струями стекающего металла, поэтому их температура не может быть выше температуры металла.

Изменение состава газов по высоте вагранки показано на диаг­рамме, расположенной слева от температурных кривых.

На уровне фурм газовая фаза представляет собой холодный воздух и состоит из кислорода и азота (21 и 79 об. % соответствен­но). По мере продвижения газов вверх концентрация кислорода уменьшается, на смену ему появляется С0₂. В верхней части кис­лородной зоны уже начинается реакция редукции, приводящая к образованию СО. При нормальной работе газы на выходе из ваг­ранки будут содержать 15 % С0₂, 10 % СО и 75 % N₂.

Уменьшение содержания азота с 79 об.% в воздухе до 75 об. % в отходящих газах объясняется тем, что образование СО приводит к увеличению количества молей газа в смеси. На смену 1 моль кис­лорода воздуха в ваграночном газе образуются 2 моль СО, а коли­чество молей азота при этом не изменяется. Поэтому мольная и объемная доли азота в газе на выходе из вагранки по сравнению с воздухом уменьшаются.

В горне-копильнике на небольшом расстоянии от фурм, куда поступает вдуваемый воздух, в газовой фазе кроме азота находят­ся кислород и С0₂. Чем ниже рассматриваемое сечение от уровня фурм, тем меньше кислорода свежего дутья в него проникает. В связи с этим С0₂ начинает восстанавливаться до СО. У самой лещади вагранки кислород отсутствует, количество С0₂ незна­чительно и кроме азота в газовой среде в основном содержится СО.