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

40

с высоким содержанием окиси углерода. Обогащение дутья кисло­ родом увеличивает температуру в слое, снижает потери тепла с газами и тем самым способствует более полному протеканию газо­ генераторного процесса.

Практически в газогенераторах, работающих на холодном воз­ душном дутье, получают генераторный газ, содержащий до 33% СО и всего 3,5% С 0 2 [36, с. 136].

ГОРЕНИЕ УГЛЕРОДА В СЛОЕ ТОПЛИВА, РАЗБАВЛЕННОГО НЕПЛАВЯЩИМИСЯ ДОБАВКАМИ

Закономерности слоевого горения кускового топлива нельзя прямо перенести на процессы горения кокса в шахтной печи, так как тепло, расходуемое в газогенераторе на восстановление С 0 2 углеродом, в шахтной печи частично идет на нагрев и плавление шихты, что меняет динамику газообразования, в особенности в вос­ становительной зоне.

41

Уже при разбавлении слоя кокса неплавящейся нейтральной добавкой протяженность зон газообразования изменяется. Так, И. А. Южаниновым [37] было установлено, что при добавке шамота (соотношение кокс : шамот от 1:1 до 1 : 10 по объему, диаметр кусков от 4—7 до 40—50 мм) длина кислородной зоны LK прямо пропорциональна среднему диаметру кусков кокса и обратно про­ порциональна их содержанию в слое:

в смеси равном 0,1 : 1, протяженность кислородной зоны удлиняется в 10 раз и может достигать 50—90 диаметров среднего куска кокса.

При сжигании кокса в смеси с хромомагнезитом в кварцевом реак­ торе с подачей воздуха снизу длина кислородной зоны при среднем диаметре зерен 4 мм составляла 120 мм, что соответствовало 30 диа­

протекала реакция восстановления С 0 2 и содержание снижалось до 12,8%, а количество СО возрастало до 12%. На расстоянии 275 мм

в печи отсутствовала восстановительная зона, а отходящие газы не содержали СО и свободного кислорода.

При агломерации окисленных руд с добавкой небольших коли­ честв измельченного кокса восстановительная зона реагирования может получить небольшое развитие или отсутствовать совсем, а

42

ходит в 4—15 раз быстрее, чем восстановление'С02 углеродом. Горе­

шим влияние удельного расхода коксика на процесс газообразования в слое кварцевого песка, имитирующего шихту агломерации, при различных скоростях воздуха снижение содержания углерода в смеси вызывало увеличение соотношения С 0 2 : СО в отходящих газах. При этом уменьшалось содержание СО (рис. 18).

В большинстве опытов по сжиганию коксика в слое кварцевого песка наблюдалась явная зависимость степени усвоения кислорода воздуха от содержания углерода в шихте. Так, при условных ско­ ростях просасывания воздуха 0,24 и 0,53 м/сек уменьшение коли­ чества углерода в смеси с 8,8 до 3,5% для первого случая и с 17,6

43

до 4,0% для второго повышало содержание кислорода в отходящих газах соответственно с 0,1 до 2,4% 0 2 и с 1,6 до 4,0%. Авторы [44] отмечали, что указанная зависимость проявляется особенно отчет­ ливо, если весовую концентрацию углерода заменить на объемную.

Приведенные результаты исследований показывают, что при раз­ бавлении слоя кокса неплавящимися добавками характер газообра­ зования не меняется, но растягиваются его зоны. Поскольку разбав­ ление негорючим материалом снижает температурный уровень про­ цесса, уменьшается отношение длины восстановительной зоны к кис­ лородной. Отходящие газы содержат больше С 0 2 и соответственно меньше СО, так как нагрев инертной добавки уменьшает количество тепла, которое может расходоваться на восстановление СО угле­ родом.

ГО Р Е Н ИЕ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В СЛОЕ

СОДНОВРЕМЕННЫМ ПЛАВЛЕНИЕМ ШИХТЫ

Горение кускового топлива с одновременным плавлением шихты имеет свои особенности, которые оказывают существенное влияние на состав отходящих газов и другие параметры.

Вследствие отъема части тепла на плавление теплосодержание газообразных продуктов горения, поступающих в восстановительную зону, уменьшается и соответственно снижается полнота протекания реакции восстановления С 0 2 углеродом. При этом состав отходящих

с одновременным плавлением является зависимость состава отходя­ щих газов от удельного расхода кокса; состав газов может быть рас­ считан, исходя из теплового баланса.

Вторая особенность заключается в том, что на место сгоревшего кокса в зону горения поступают из вышележащих слоев новые пор­ ции твердого топлива. Если объем плавящихся материалов превышает объем сгоревшей порции кокса, то накопления кокса не происходит,

кокса. В результате кислородная зона растягивается в меньшей мере, чем при горении в слое с инертными добавками, а иногда сов­

ходящих газов на основе теплового баланса шахтной плавки окис­ ленных никелевых руд.

44

И. Д. Резник, И. И. Рабинович и Т. А. Харлакова [46] рассчи-. тали состав продуктов горения твердого углерода на основе анализа теплового баланса плавки в общем виде. Было принято, что коли­

1300° С, отходящих газов 400° С. Расчет произведен в трех вариантах с изменением коэффициента теплопотерь Ѳ от 0,2 до 0,4 и скорректи­ рован по тепловому балансу кислородной зоны. Тепло химических реакций не учтено, так как для разных видов плавки оно может быть различным; в расчете оно входит в коэффициент теплопотерь. Задан­ ных условий достаточно, чтобы, пользуясь известными значениями теплоемкостей шихты, углерода и газов, определить состав отходя­ щих газов и основные параметры плавки.

ными продуктами Qj, отходящими газами Q2 и потерями во внешнюю

грев и плавление шихты при условиях, принятых в расчете, равна

тепло уносится отходящими газами. При увеличении потерь тепла Ѳ до 0,4, максимальная доля тепла на нагрев и плавление шихты сни­

в виду, что расчеты произведены с рядом упрощений и результаты

Согласно рис. 19, а (см. пунктирные стрелки), степень восста­

мого на нагрев и плавление шихты, а равна 0,35, а удельный проплав

плав шихты уменьшится до 20 т/м2, а доля тепла на плавление сни­ зится до 0,17.

45

Из приведенных примеров видно, что при слоевом сжигании кокса с плавлением шихты в шахтной печи происходит саморегулирова­ ние процесса горения: при избытке кокса, вызываемом произвольным повышением его удельного расхода, полнота сгорания до С 0 2 сни­ жается, в результате чего количество тепла, образующегося в печи в единицу времени, изменяется в меньшей степени, чем удельный рас­ ход кокса.

Рис. 19. Расчет зависимости состава отходящих газов и параметров плавки от доли тепла, расходуемой на нагрев и плавление шихты:

сжигания углерода и наибольший удельный проплав шихты дости­ гаются при минимально возможном при данном тепловом балансе удельном расходе топлива. Состав отходящих газов целиком зависит от доли тепла на нагрев и плавление.

В приведенном выше примере, когда доля тепла, расходуемого на плавление, максимальна, углерод полностью сгорает до С 0 2 и

46

удельный проплав шихты достигает максимума, восстановительная зона будет полностью отсутствовать, а кислородная будет предельно

буется для плавления шлака и горение в слое станет нестационар­ ным. В результате сначала понизится температура отходящих газов и недостаток тепла приведет к неполному загоранию очередных пор­ ций углерода; количество углерода, сгорающего в единицу времени, уменьшится, а в отходящих газах появится неиспользованный кис­ лород. Неполное использование кислорода дутья увеличивает не­ достаток тепла и часть шлака не сможет расплавиться и начнет на­ капливаться в слое, что уменьшит удельный проплав. Кислородная зона горения начнет подниматься навстречу свежим слоям кокса и постепенно как бы выйдет на поверхность; печь в этот момент пол­ ностью замерзнет.

Следует отметить чрезвычайно большое влияние степени исполь­ зования кислорода на удельный проплав и другие показатели плавки. Например, при 2% свободного кислорода в отходящих газах степень использования кислорода составляет 90%, а при 4% 0 2 в газах — порядка 80%.

По мере уменьшения степени использования кислорода дутья резко снижается приход тепла от сгорания кокса и соответственно

4% О 2 в газах согласно расчету удельный проплав шихты сни­ жается на 27%. Уменьшение полноты использования кислорода

полном использовании кислорода максимальная температура равна 1640° С, то при степени использования кислорода 80% она снижается до 1380° С Из расчета следует, что потеря дутья, превышающая 25%, при принятых условиях не обеспечит температуры, необходи­ мой для плавления шихты.

Расчет зависимости параметров плавки от условий сжигания кокса при применении дутья, обогащенного кислородом, был проведен при том же расходе кислорода, что и на воздушном дутье (в противном случае приход тепла нельзя было бы сопоставить). Результаты рас­ четов, выполненных по той же схеме, что на воздушном дутье, при коэффициенте теплопотерь Ѳ = 0,4 приведены на рис. 19, б.

Анализируя приведенные данные расчета, можно сделать вывод, что при полном сжигании углерода до С 0 2 повышение концентрации кислорода в дутье приводит к соответствующему возрастанию со­ держания С 0 2 в отходящих газах. Увеличение доли тепла на нагрев и плавление шихты, снижение удельного расхода кокса и повышение проплава сравнительно невелики, что объясняется неизменным при­ ходом тепла при заданных условиях расчета, уменьшаются только потери с отходящими газами, объем которых снижается по мере обо­ гащения дутья кислородом.

47

Из приведенных расчетов следует, что если обогащать дутье кислородом, а удельный расход кокса сохранять неизменным, то в отходящих газах будет возрастать содержание СО, а соотношение

центрации кислорода доля тепла на нагрев и плавление шихты уве­ личится всего с 0,30 до 0,33, а проплав — с 35 до 37 т/(мг-сутки).

Значительно эффективнее обогащать дутье кислородом при од­ новременном снижении расхода топлива. В этом же примере, если

при обогащении дутья кислородом повышается температура в кисло­ родной зоне, что позволяет осуществлять процесс с более низким удельным расходом кокса.

Естественно, если обогащение дутья сопровождается увеличе­ нием количества подаваемого кислорода хотя бы в пределах сохра­ нения постоянного количества дутья, то возрастание производитель­ ности печи будет более заметным. Но и в этом случае рассмотренные закономерности сохранятся.

Приведенные расчетные зависимости подтверждаются данными

шлака зависел от удельного расхода кокса и имел максимум в интер­ вале расходов от 28 до 34%. При расходе кокса 50% от массы шлака в отходящих газах содержание СО превышало С 0 2 , а кислород дутья использовался практически нацело. При снижении удельного

высоким; в газах появился свободный кислород. На кривых газо­ образования можно выделить следующие три точки. При расходе кокса 14—15% от массы шлака имело место максимальное соотно­

48

При расходе кокса 28—30% отмечалось максимальное содержа­