книги из ГПНТБ / Клушин Д.Н. Применение кислорода в цветной металлургии

диссоциации S03 , а следовательно, создавать условия, способствую­ щие образованию сульфатов.

Из данных рис. 8 видно, что с повышением температуры давление диссоциации сульфатов увеличивается, а парциальное давление в газах понижается. Следовательно, с повышением температуры (выше 500—600° С) условия для образования сульфатов ухуд­ шаются.

Процесс окисления сульфидов металлов кислородом, проводи­ мый при сравнительно высоких температурах, сопровождается обра­

Константы равновесия этой суммарной реакции определяются уравнением

Реакция окисления твердого сульфида начинается с взаимодей­ ствия кислорода, адсорбированного на его поверхности, с молеку­ лами сульфида металла с образованием твердого продукта реакции —

на границе твердых фаз: сульфид—окисел металла. Скорость этого процесса при данной температуре и плотности сульфида опреде­ ляется условиями диффузии газов (кислорода и сернистого газа) через слой твердых продуктов обжига и парциальным давлением кислорода в газе. Наличие в воздухе, подаваемом на окисление сульфидов, балластного для процесса газа азота в значительной степени сдерживает реакцию окисления. Применение в процессе окисления сульфидов металлов воздуха, обогащенного кислородом, и технологического кислорода может в значительной степени интен­ сифицировать этот процесс.

О влиянии концентрации кислорода в газовой смеси на степень окисления сульфидов можно судить по приведенным ниже данным:

30

Экспериментальные данные, полученные при окислении сульфидов, находящихся в твердом состоянии и в расплаве (конвертирование), показывают, что применение в этих процессах воздуха, обогащенного кислородом, повышает их скорость. Использование обогащенного кислородом дутья при обжиге сульфидных руд и концентратов, конвертировании и в некоторых других процессах приводит к изме­ нению теплового режима. В этом случае необходимо принимать меры для предотвращения отрицательного влияния избыточного тепла на процесс, что в настоящее время является технически ре­ шаемой задачей.

СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА

Всовременной металлургии углеродистые горючие продукты — кокс, мазут, уголь, природный газ и др. находят широкое приме­ нение. Отражательные и трубчатые печи всех видов и размеров в на­ стоящее время отапливают природным газом, мазутом или пылеугольным топливом. В шахтных печах для плавки окисленных материалов для создания необходимой восстановительной среды и обеспечения нужных температурных условий процесса применяется кокс. Потребление топлива в современной металлургии огромно,

поэтому разработка наиболее рациональных способов его сжигания

вкаждом процессе — одна из актуальных задач металлургии. Мощным фактором интенсификации металлургических процессов

является кислород. Применение в металлургических процессах воз­ духа, обогащенного кислородом, как видно из приведенной ниже формулы, позволяет повысить теоретическую температуру горения

наиболее распространенных видов топлива в атмосфере воздуха, воздуха, обогащенного кислородом, и чистого кислорода [ 1 6 ] .

Анализ кривых рис. 10 показывает, что температура горения топ­ лива резко увеличивается с ростом концентрации кислорода в дутье в начальный период, в последующем прирост температуры замед­ ляется. Поэтому в металлургических процессах экономически целе-

31

сообразно применять воздух, обогащенный кислородом, в таких сравнительно невысоких пределах, в которых получается наиболь­ ший эффект. Для каждого процесса этот оптимальный предел может быть установлен опытным путем. Так, по данным исследований [17], наиболее эффективная концентрация кислорода в дутье мартенов­ ских печей, работающих на подогретом воздухе, составляет 25—27%, а для печей, работающих без подогрева, 40—45%. Оптимальный процент обогащения дутья кислородом следует устанавливать с уче­

обогащенного кислородом, или кислорода приводит к резкому изме­ нению вида пламени, его размеров и конфигурации. Факел стано­ вится ярким на выходе мазута из форсунки.

Радиация пламени на обогащенном дутье очень повышена на на­ чальном участке факела, затем интенсивность ее резко падает. Отме­ ченное исследователями уменьшение радиации по длине факела происходит потому, что при вводе кислорода в него температура горения топлива в месте ввода на определенном участке резко уве­ личивается. В результате значительно возрастают потери тепла излучением в окружающую среду, что в свою очередь приводит к рез­ кому снижению температуры факела на последующих участках. Исследованиями установлено, например, что в мартеновской печи

32

за счет излучения сталеплавильной ванне передается до 90% всего

сунки мазутной струи перемещает область максимальных темпера­ тур выше центральной оси печи, к ее своду.

Наиболее эффективной оказалась подача кислорода под мазут­ ную струю. Такой способ обеспечивает лучшее удаление зоны макси­ мальной температуры факела с высокой степенью радиации от огне­ упорной кладки свода и максимально приближает ее к ванне. Боль­ шое влияние на интенсивность передачи тепла от факела к ванне имеет скорость подачи кислорода в факел [22].

Наилучшие результаты были получены при подаче кислорода в факел с высокими скоростями, достигающими скорости звука. Такие скорости кислорода обеспечивают жесткость, стабильность и высокий коэффициент турбулентности факела.

В СССР широкие стендовые испытания и промышленные иссле­ дования по применению кислорода для интенсификации процесса сжигания топлива были начаты в 1946 г. В ЦНИИЧМ в лаборатор­

служили основой создания в последующем современных способов сжигания топлива в факеле.

Процесс горения углеродистого топлива сопровождается проте­

Как показали исследования, горение кускового топлива в усло­ виях высоких температур металлургических процессов сопрово­

при избытке, так и недостатке кислорода в дутье. Если горение топ­ лива осуществляется в условиях избытка кислорода (окислительная атмосфера процесса), то конечный состав продуктов горения опре­ деляется условиями равновесия реакции (11.17). Константа равно­ весия этой реакции описывается уравнением:

Скорость реакции (П. 17) зависит от вида топлива, состояния его поверхности, зольности и других факторов и определяется экспери­ ментально в каждом отдельном случае. Исследованиями установ­ лено, что повышение концентрации кислорода в дутье увеличивает скорость горения углерода, температуру и парциальное давление окиси углерода в газах. Если горение топлива осуществляется при избытке углерода (восстановительная атмосфера), то конечный со­ став продуктов горения определяется условиями равновесия реак­ ции (11.18). Константа равновесия этой реакции описывается урав­ нением

(11.24)

Рсо2

34

Скорость этой реакции в области средних концентраций СО в газо­ вой фазе определяется следующим уравнением [27]:

центрации С 0 2 .

На рис. 11, 12 представлены экспериментальные данные, полу­ ченные при восстановлении окиси цинка [28] и свинца [29] для раз­ личных исходных давлений окиси углерода. Как видно из данных рис. 11, повышение концентрации окиси углерода способствует увеличению степени восстановления окиси цинка, причем тем больше, чем выше температура и время опыта. Учитывая, что обо­ гащение кислородом дутья в процессе восстановительной плавки повышает парциальное давление СО в газах и их температуру, сле­ дует считать доказанным, что воздушно-кислородное дутье способ­ ствует интенсификации как восстановительных, так и плавильных процессов.

Г О Р Е Н ИЕ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В СЛОЕ

Закономерности горения твердого топлива в слое детально изу­ чены советскими учеными [30]. На рис. 13 приведено распределение концентраций компонентов продуктов горения и температуры по вы­ соте слоя электродного угля на воздушном дутье по данным X. И. Колодцева [31 ] (размер зерен 2,6—3,7 мм, скорость дутья 0,49 місек). По мере расходования кислорода, поступающего с дутьем, проис­ ходит одновременное образование СО и С 0 2 . При снижении содер­ жания кислорода до 2% концентрация С 0 2 достигает максимального значения, далее концентрация С 0 2 начинает интенсивно умень­ шаться, а содержание СО продолжает увеличиваться, строго соот­ ветствуя снижению содержания С 0 2 .

36

Таким образом, при горении твердого топлива в слое можно вы­ делить две фазы процесса сгорания, пространственно отделенные друг от друга: кислородную зону, определяемую главным образом потреблением кислорода, и восстановительную зону, в которой идет реакция восстановления С 0 2 по уравнению (11.18).

В соответствии с приходом тепла от сгорания угля в кислород­

тепла, температура в восстановительной зоне постепенно снижается,

кусков топлива и в среднем равна трем диаметрам кусков. При этом больше половины кислорода расходуется в первом ряде кусков. Протяженность восстановительной зоны приблизительно в 4 раза больше кислородной зоны, а суммарная область реагирования рас­ пространяется по высоте на 15—20 диаметров кусков топлива.

Увеличение скорости дутья приводило к интенсификации горе­ ния кокса и снижению потерь тепла, соответственно повышалась температура в слое и уменьшалось максимальное содержание С 0 2 . Однако состав отходящих газов и соотношение С 0 2 : СО оставались неизменными. Соотношение С 0 2 : СО в конце кислородной зоны при любом способе форсирования процесса не превышало единицы, а к концу восстановительной зоны достигало 1 : 10 и более. Следо­ вательно, конечный состав продуктов сгорания определяется не ско­ ростным режимом дутья, а тепловым режимом на протяжении всей области активного реагирования, т. е. зависит от температуры в кис­ лородной и восстановительной зонах.

37

дутье, можно было выделить две зоны — кислородную и восстано­ вительную; переход между ними находился при концентрации 4 — 1% 0 2 и соответствовал максимальному содержанию С 0 2 . Длина кислородной зоны мало зависела от скорости дутья, а основное коли­ чество кислорода расходовалось на уча­ стке слоя, соответствовавшем 1—2 сред­

ним диаметрам кусков.

Содержание кислорода в дутье ока­ зывало существенное влияние на темпе­ ратуру и длину зон реагирования, на состав газов. Как видно из табл. 4,

сповышением концентрации кислорода

вдутье с 10,5 до 41,5% максимальная

шало единицу.

Если при воздушном дутье длина кислородной зоны равнялась приблизительно трем диаметрам кусков кокса, то при обогащении дутья до 41,5% кислородом она приближалась к одному диаметру и, наоборот, при снижении концентрации кислорода до 10,5% — возрастала до 5—6 диаметров (рис. 14).

Повышение температуры в кислородной зоне и использование

38

а отходящие газы содержали 7% С 0 2 и 4% СО, падение температуры в восстановительной зоне составляло всего 40—50° С. При 41,5% 0 2 в дутье высокая температура в кислородной зоне, превышавшая 1800° С, обеспечивала протекание реакции восстановления на 98% и отходящие газы содержали 0,5% С 0 2 и свыше 65% СО, при этом перепад температуры на протяжении 40 мм превышал 400° С При высоких концентрациях кислорода в дутье сокращалась также вос­ становительная зона, достигая длины 7—8 диаметров кусков.

Таким образом, основным фактором, определяющим динамику газообразования в слое, является температурный режим, обуслов­ ленный тепловым эффектом реакций, протекающих в кислородной зоне. С повышением концентрации кислорода в дутье, а следова­ тельно, и температуры в кислородной зоне, процесс восстановления

Наглядно динамика газообразования при сжигании в слое кус­ ков кокса диаметром 15—-25 мм приведена на рис. 15 по опытным данным Л. В. Бардиной, Ю. И. Борисова, Л. 3. Ходака и А. М- Чер­ нышева [35]. В этих опытах расход дутья был постоянным и обеспе­ чивал скорость 0,25 місек, считая на свободное сечение рабочего пространства.

кислородной зоны и ускоряло процесс горения. Максимальное со­

от 1250 при воздушном дутье до 1800° С в опытах с дутьем, содержа­

а при 60% 0 2 в дутье газы содержали 3,8% С 0 2 и соотношение умень­ шалось до 0,056 : 1, т. е. в 10 раз. Таким образом, обогащение дутья кислородом приводило к более полному протеканию реакции восста­ новления СО а углеродом в слое.

Нагрев дутья влияет на процесс слоевого горения менее эффек­ тивно, чем обогащение дутья кислородом (рис. 16). Так, подогрев воздушного дутья с 25 до 650° С повышал максимальное содержание СО г на 2%, максимальную температуру — на 200° С, а соотношение

39