книги из ГПНТБ / Вегман, Е. Ф. Теория и технология агломерации

горения углерода или интенсивностью теплопередачи под зоной горения, т. е. скоростью перемещения изотермы 700°С (температура воспламенения коксовой мелочи). При низких расходах коксовой мелочи, например, при спекании сернистых магнетитовых руд с 3—4% углерода в шихте, общая скорость процесса спекания определя­ ется теплопередачей. В этих условиях переход на обо­ гащенный кислородом воздух, не уменьшит общую про­ должительность спекания. При нормальном и повышен­ ном расходах коксовой мелочи общую скорость процес­ са агломерации определяет скорость горения углерода, зависящая в свою очередь от интенсивности питания зо­ ны горения кислородом и скорости самого химического акта окисления углерода. В этих условиях все меры, усиливающие подачу кислорода в зону горения (обога­ щение воздуха кислородом, агломерация под давлением и т. д.), ускоряют и процесс спекания в целом.

Существуют также специфические методы ускорения реакции горения углерода. Установлено, что коксовая мелочь, обработанная известковым молоком или тща­ тельно смешанная с известью (например, в четырехвал­ ковой дробилке при дроблении коксовой мелочи) горит несколько быстрее, чем обычно. В равных условиях горе­ ние ускоряется при подаче в слой ионизированного воз­ духа или ионизированной смеси воздуха с продуктами го­ рения газа (авторское свидетельство СССР, кл. 18а, 1/08, № 263610, 18 ноября 1968 г.). Скорость горения коксовой мелочи при агломерации увеличивается и при работе с пульсирующим вакуумом (авторское свидетельство

СССР, кл. 18а, 1/10, № 255953, 23/ѴІІІ 1967 г.), т. е. с мгновенным перекрытием сечения сборного газоотвода. Частота таких перекрытий должна быть достаточно боль­ шой (50—250 гц). Пульсация вакуума приводит к искус­ ственной турбулизации потоков воздуха и газов в спекае­ мом слое, что увеличивает скорость подхода кислорода из газового потока к поверхности горящей частицы топ­ лива, снижая внешнее диффузионное сопротивление по­ граничного слоя у поверхности.

Оптимальная крупность коксовой мелочи подбирается в каждом случае практики опытным путем с учетом ско­ рости горения, прочности готового продукта, крупности

194

емость аглошихты, замедляет спекание и сверх того по­ нижает прочность кусков агломерата, так как топливные частицы размером—0,5 мм при горении не в состоянии создать вокруг себя блоки агломерата и тем более сис­ тему блоков, образующую прочный кусок.

При спекании аглоруд крупностью— 8 мм оптималь­

ным является, по данным этих опытов, коксовая мелочь крупностью 1— 2 мм, способная создать блоки размером

до 18—20 мм, система которых образует прочные куски агломерата. По данным Г. М. Ефименко и сотр. [182], при спекании Коршуновского концентрата ( —1 мм, 30% фракции — 74 мк) наилучшие показатели по скорости спекания достигаются на коксовой мелочи (0,5—3 мм) Результаты многих других исследований свидетельству­ ют о нежелательности присутствия фракций —0,5 мм и + 3 мм в коксовой мелочи, направляемой в аглошихту. Отметим, что чрезмерно мелкие фракции коксовой мело­ чи в процессе агломерации под действием газового по­ тока передуваются из верхних горизонтов в нижние, что вредно сказывается на прочности агломерата. Коксовая пыль вообще обладает большой подвижностью в спека­ емом слое. По экспериментальным данным В. Я. Милле­ ра, при внезапной подаче к поверхности спекаемого слоя в ходе агломерации взвеси тонких фракций коксовой мелочи в воздухе температура в зоне горения немедленно резко возрастала. Это неопровержимо свидетельствует о проходе частиц коксовой мелочи вместе с воздухом через слой готового агломерата с попаданием в зону горения твердого топлива. Этот принцип был, хотя и с совершенно другими целями, использован и Е. Ф. Вегманом для пода­ чи в зону горения топлива вместе с воздухом мелких час­ тиц тугоплавких соединений (корунда, извести и др.). Хо­ лодные или слабонагретые частицы, попадая в расплав, служат центрами кристаллизации, способствуют умень­ шению количества стекла в агломерате при застывании расплава и при последующей термообработке продукта, что приводит к повышению его прочности (авторское свидетельство СССР, кл 18а, 1/10, № 184891, 19 декабря 1964 г.). Опыты подтвердили возможность упрочнения аглемерата таким способом. Всасывание в спекаемый слой запыленного воздуха из систем вентиляции агло­ фабрики является, с этой точки зрения, весьма желатель­ ным. Ввод тугоплавких добавок в шихту дал бы, конеч­ но, меньший эффект, так как после подогрева вместе с

шихтой они были бы в значительной степени растворены

вмассе расплава.

Входе агломерации часть коксовой мелочи не дого­ рает и сохраняется в агломерате. В обычных условиях годный агломерат содержит 0,3—0,4% С. При производ­ стве металлизованного агломерата в продукте содержит­ ся до 5—6% коксовой мелочи. При этом каждая части­ ца коксовой мелочи в металлизованном агломерате ок­ ружена оболочкой железа, что предохраняет коксовую мелочь от выпыливания в доменной печи.

Итересен вопрос о возможности использования дру­ гих, помимо коксовой мелочи, видов твердого топлива для спекания руд и концентратов. Дело в том, что пов­ семестно ощущается нехватка коксовой мелочи, которая,

кроме того является довольно дорогим видом топлива. Наиболее изучен вопрос о замене части коксовой мелочи

ваглошихте антрацитовым штыбом. Антрацит обладает,

всравнении с коксовой мелочью, гораздо меньшей по­ ристостью, вследствие чего при равном весовом расходе его объем в шихте меньше, а газопроницаемость спекае­ мого слоя ниже. В сочетании с низкой реакционной спо­ собностью и горючестью антрацита этот фактор приводит к снижению вертикальной скорости спекания особенно в тех случаях, когда спекается концентрат. Так, если при спекании мелочи бурого железняка и сидерита на Бакальской аглофабрике [183] при замене до 50% коксовой

мелочи антрацитовым штыбом вертикальная скорость спекания практически не менялась (это подтвердилось и на ряде фабрик Украины); то при спекании шихте вы­ сокой долей концентратов такая замена снижала верти­ кальную скорость спекания [184]. При равном весовом расходе топлива шихта содержит меньше частиц антра­ цита, которые, в сравнении с коксовой мелочью, находят­ ся на большем расстоянии друг от друга и должны, сле­ довательно, обслужить микрообъемы шихты больших размеров. Это ухудшает качество агломерата, несмотря на замедление спекания [183, 184].

Так, например, на Бакальской аглофабрике [183] увеличение доли антрацитового штыба в смеси с коксо­ вой мелочью от 0 до 100% уменьшало выход годного аг­ ломерата с 53,5% до 41,0%. В Румынии, на зоводе Ре­ зита [185] замена половины коксика антрацитом вызва­ ла для получения агломерата одинакового качества, уве­ личения общего расхода твердого топлива с 5,6 до 6,4%.

196

что снижало и вертикальную скорость спекания. Так как использование антрацитового штыба экономически целе­ сообразно и необходимо, можно рекомендовать одновре­ менно с вводом антрацита в шихту улучшать газопрони­ цаемость спекаемого слоя, несколько понижать среднюю крупность топлива, увеличивать общий расход твердого топлива или расход газа на дополнительный обогрев спекаемого слоя. Следует учитывать, что замена 20—25% коксовой мелочи антрацитом почти не сказывается на качестве агломерата и производительности уста­ новок.

Положительные результаты получены при замене части коксовой мелочи коксами, полученными в кипящем и фонтанирующем слоях из каменных углей с низкой коксуемостью (марок СС, Г) [184, 186]. Специфическая особенность таких коксов — их повышенная реакционная способность. Вертикальная скорость спекания превыша­ ет в этом случае обычную на 10—30%. Увеличивается и производительность установки.

Качество агломерата при этом несколько ухудшается, но этого можно избежать увеличением расхода твердого топлива, исключением фракции — 0,5 мм из его состава, некоторым повышением крупности топлива.

Весьма эффективной оказалась замена 30—35% кок­ совой мелочи торфяным коксом (авторское свидетель­ ство СССР, кл. 18 а, 1/10, № 158897, 18 апреля 1962 г.). При относительно небольшом ухудшении качества агло­ мерата производительность установки возросла на 4 -6% .

Изучение возможностей замены коксовой мелочи неф­ тяным коксом и кузнечным коксом показало, что эти ви­ ды топлива снижают производительность аглоустановок на 10%.

Однако наибольший интерес представляет разработка способов агломерации на угле с высоким содержанием летучих. Идея спекания на угле не нова. Она была выска­ зана еще в 1905 г. Можно подобрать крупность и расход угля и полукокса таким образом, чтобы при дополнитель­ ном обогреве спекаемого слоя получить агломерат нор­ мального качества. Трудность состоит в том, что такое топливо должно содержать от 10 до 40% летучих ве­ ществ, которые выделяются из угля еще в зоне подогре­

197

тракте их движения, образуют плотный налет на стенках вакуум-камер, газоотводов, пылевых затворов, пылеуло­ вителей и, что самое главное, на стенках статора и ло­ патках ротора эксгаустера.

Так как смолы сталкиваются на дне статора и лопат­ ки эксгаустера в нижнем положении ударяют по жидко­ сти, неизбежно возникновение вибрации, которая быстро принимает угрожающий характер и вынуждает остано­ вить машину. Интересен в этом отношении опыт ра­ бот шести лент Камыш-бурунской аглофабрики на газо­ вых углях (35—41% летучих, 6,0—6,5% С в шихте). Ка­ чество агломерата, спеченного из керченских эфелей на газовом угле, было лучше обычного. Удалось удалить до 42% мышьяка, отсасываемого в составе арсина (AsH3) из спекаемого слоя [187]. Однако уже через несколько часов мультициклоны были забиты смолой, и потери ва­ куума на группах мультициклонов возросли до 400— 500 мм. вод. ст. Одновременно вакуум под лентами упал до 300 мм вод. ст.

Этим объясняется почему, несмотря на крайнюю де­ фицитность коксовой мелочи, нигде в мире при агломе­ рации не используются угли.

По существующим нормам коксовая мелочь и ан­ трацит не должны содержать более 5% летучих, что обес­ печивает нормальную работу эксгаустера, газоотводов и пылеуловителей. Использование угля при агломерации станет возможным лишь при установке системы очистки отходящих газов от смолы. Гораздо интереснее возмож­ ные варианты дожигания смол под лентой в котлах-ути­ лизаторах при производстве металлизованного агломе­ рата, когда расход угля особенно велик, а также вари­ анты сжигания смол внутри спекаемого слоя.

Возвращаясь к особенностям процесса горения час­ тиц твердого топлива при агломерации, рассмотрим структуру зоны горения (рис. 100). Важнейшая особен­ ность режима горения топлива при агломерации, в срав­ нении, например, с режимом его горения в топках печей и котлов, состоит в разобщенности частиц углерода. В простейшем случае спекания 95% гематитовой руды при

коксовой мелочи при 50% пористости 1,3 г/см3, в одном килограмме шихты содержится лишь 9000 частиц кокси-

198

ка на 45000 рудных частиц (масса каждой из них соответ­ ственно равна 0,021 и 0,0055 г.). Таким образом, зона горения характеризуется «мозаичной» структурой и сла­ гается из микрообъемов, в которых горит углерод и из свободных от углерода объемов. Вблизи горящих частиц топлива господствуют наивысшие температуры и восста­ новительная атмосфера. В то же время через соседние объемы просасывается воздух, температуры здесь гораз-

Рис. 100. Схематичный вертикальный разрез зоны горения. Потоки воздуха (/, 2, 3, 4) не касаются горящих частиц коксовой мелочи (к. м.). Схема не учитывает плавления вещества шихты в зоне высоких температур

до ниже и существует резко окислительная атмосфера. В микрообъемах с горящими частицами топлива ощуща­ ется острая нехватка кислорода, которая усиливается еще при формировании блока, когда частица топлива обволакивается расплавом. Кроме того, во многих слу­ чаях топливо оказывается закатанным внутрь рудных глинистых комков. В головной части ленты кислородное голодание еще усиливается из-за низкой газопроницае­ мости шихты. В то же время процесс агломерации в це­ лом характеризуется средним избытком воздуха а > 1 .

Из этого следует, что часть воздуха (струйки 1, 2, 3,4 на рис. 100) проходит зону горения, не касаясь частиц топлива, и присоединяется к продуктам горения, которые обычно содержат 3—4% 0 2. При увеличении расхода коксовой мелочи до повышенного или очень высокого степень использования кислорода воздуха в зоне горения непрерывно возрастает, а содержание кислорода в отхо­ дящих газах уменьшается. Продукты горения топлива

199

при спекании вюститного или металлизованного агломе­ ратов совершенно не содержат кислорода.

Вторая особенность горения частиц топлива при аг­ ломерации заключается в том, что, помимо кислорода воздуха, активным окислителем топлива часто является кислород шихты. В общем случае кислород шихты цен­ нее, чем кислород воздуха, так как он выделяется в об­ ластях с наивысшими температурами, где нехватка кис­ лорода ощущается особенно остро и где он, без сомне­ ния, используется полнее кислорода воздуха. Продукты горения при агломерации, кроме О2, содержат кислород также в составе СО и СО2. Если бы неофлюсованная

шихта была нейтральной и не участвовала в окислении

горения больше объема воздуха на 0,5 СО. Увеличение объема продуктов горения связано здесь с реакцией 2С+02 = 2С0, в которой один объем кислорода дает уд­

военный объем окиси углерода. В действительности, при спекании гематитовых руд с нормальным расходом топ­ лива сумма (СО2+0,5СО+Ог) в отходящих газах со­ ставляет 22—23%, так как к газу присоединяется часть кислорода шихты.

При агломерации офлюсованных гематитовых шихт, когда в газ переходит большое количество углекислоты флюсов, величина указанной суммы поднимается до 23—27%. Особенно охотно отдает в газовую фазу при на­ греве часть кислорода пиролюзит (Мп02), при аглюмерации которого (СО2+ 0,5 С О + 02) достигает даже 28,5%. Кислород руды играет весьма важную роль в общем ба­ лансе кислорода у поверхности горящей частицы топли­ ва. Напомним, что при диссоциации только 1 кг гемати­ та до магнетита выделяется в газовую фазу и использу­ ется углеродом, а также для догорания СО в СО2, около

23,3 л кислорода, что составляет 20% всей потребности углерода в кислороде. При низких расходах топлива в случае спекания магнетитовых руд и концентратов часть кислорода воздуха расходуется на окисление магнетита до гематита. Соответственно величина суммы (СО2+0,5 С 0 + 0 2)в этом случае снижается до 18, 5—20,0%.

Состав отходящих агломерационных газов принято характеризовать отношением С 02:С0, равным в среднем 4—5, и показателем Ж. Мишара [С 0 /(С 0 + С 0 2) ], ве-

200

личина которого для неофлюсованных шихт равна 0,22 [188]. При изменении условий спекания меняется и со­ став отходящих газов. Из данных табл. 22 видно, что офлюсование шихты резко повышает отношение С02:С0 и снижает показатель Ж. Мишара, так как к газу присо­ единяется (С 02) флюсаНапример, при 5% С в неофлюсо­ ванной шихте эти показатели были равны 3,57 и 0,219, при офлюсовании соответственно 4,75 и 0,174.

Т а б л и ц а 22

С увеличением расхода топлива на спекание усилива­ ется кислородное голодание в зоне горения твердого топлива, постепенно уменьшается количество свободного кислорода в отходящих газах, уменьшается отношение С 02 : СО, растет отношение Ж. Мишара (см. табл. 22). Табл. 23 демонстрирует влияние вакуума на состав газо­ вой фазы.

Т а б л и ц а 23

201

Для расчетов зональных тепловых балансов, а так­ же для конструирования схем автоматического регули­ рования хода процесса спекания большой интерес пред­ ставляет характер изменения состава газов по мере про­ текания процесса агломерации. Эта зависимость доста­ точно сложна, так как по ходу спекания меняются вакуум, коэффициент избытка воздуха, температура в зо­ не горения и многие другие факторы.

Так как чаще всего к концу спекания вакуум снижа­ ется, увеличивая время пребывания газов в зоне высо­ ких температур, и постепенно растет коэффициент из­ бытка воздуха (растет слой готового агломерата, улуч­ шается газопроницаемость спекаемого слоя в целом), в большинстве случаев отношение СО2: СО по ходу спе­

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА. ТЕМПЕРАТУРА В ЗОНЕ ГОРЕНИЯ

Чрезвычайно низкий расход топлива при агломера­ ции руд и концентратов обусловлен высокой интенсив­ ностью теплообмена между газом, с одной стороны,

202

Рис. 101. Кривые распределения температур по высоте спекаемого слоя:

шихты пламенем газовой горелки (в верхней зоне загорелась коксовая мелочь под зоной горения — зона подогрева шихты); б — через 1—2 мин после оконча­ ния зажигания (горелка выключена и отведена в сторону; в чашу засасывается воздух; над зоной горения уже образовался слой готового агломерата); в — че­ рез 8—10 мин после начала спекания (зона горения прошла уже больше поло­ вины пути до колосниковой решетки, толщина слоя готового агломерата с каж­ дой минутой увеличивается); г —перед окончанием процесса (зона горения в

крайнем нижнем положении)

203

\