книги из ГПНТБ / Цылев Л.М. Процесс горения кокса в доменной печи

Здесь скорость суммарного процесса целиком определяется скоростью диффузии газообразного вещества к поверхности.

Если константа скорости реакции меньше константы скорос­

ти диффузии, т. е. К -СР, уравнение (4) принимает вид

Здесь скорость суммарного процесса целиком определяется истинной кинетикой химической реакции на поверхности и не за­ висит от условий диффузии.

В первом случае предельную область, где концентрация реа­ гирующего вещества у поверхности будет гораздо меньше, чем в объеме, т. е. С' С С, принято называть диффузионной; она ха­ рактеризуется тем, что диффузионное «сопротивление» больше химического.

Во втором случае предельную область, где наблюдаемая ско­ рость реакции совпадает с истинной скоростью реакции на по­ верхности, принято называть кинетической; она характеризует­ ся тем, что диффузионное «сопротивление» гораздо меньше хи­ мического.

В диффузионной области скорость реакции очень мало зави­ сит от температуры. Переход процесса в диффузионную область совершается при условиях, благоприятствующих большой ско­

рости реакции и малой скорости диффузии, т. е. при высоких температурах, высоких давлениях и малых скоростях газового

потока. Процесс переходит в кинетическую область при низких

температурах, низких давлениях и больших скоростях газового потока. При низких температурах, когда диффузионное «сопро­ тивление» очень мало, реакция протекает во всем объеме части­ цы твердого вещества, на всей наличной поверхности.

Между диффузионной й кинетической областями раополага ется промежуточная область, в которой протекание процесса описывается уравнением.

Р(С-С')-НС'). (2)

Зависимость константы реакции и коэффициента диффузии от температуры дается на схематической диаграмме (рис. 2).

Константа скорости реакции является экспоненциальной функ­

цией температуры

__ в_

где Т — абсолютная температура; 7? — газовая постоянная;

Z —постоянная величина, характерная для данной реакции;

Е —энергия активации, т. е. минимум энергии, которой дол­ жны обладать молекулы, для того чтобы они были спо­ собны прореагировать.

Константа скорости реакции с повышением температуры воз­ растает быстрее, чем константы скорости диффузии.

11

Процесс горения углерода в зависимости от размера кусков,

температуры и скорости потока может происходить в разных областях: кинетической, промежуточной и диффузионной.

Кинетическая область в зависимости от глубины проникно­ вения реакции может быть разделена в свою очередь на две области [9]: чисто кинетическую и внешнюю кинетическую.

В чисто кинетической области суммарная скорость реакции примерло пропорциональна весу (объему) частиц, а не внешней поверхности частиц. При увеличении размера частиц до неко­ торых пределов выход реакции с единицы веса куска для дан­ ной температуры должен оставаться практически одинаковым.

Рис. 2. Изменение характера кинетики горения в зависимости от температуры

При дальнейшем увеличении размера частиц выход уменьшит­ ся и, начиная с некоторого размера частиц, будет примерно об­ ратно пропорционален размеру частиц, т. е. пропорционален их внешней поверхности. Область, где глубина проникновения реакции невелика по сравнению с объемом частиц углерода и выход реакции практически пропорционален внешней поверх­

ности, может быть названа внешней кинетической областью.

В диффузионной области реакция протекает только на внеш­ ней поверхности частицы.

Увеличение скорости реакции, находящейся в кинетической

области, возможно посредством повышения температуры, но не­ возможно за счет увеличения скорости дутья. В диффузионной

области, наоборот, увеличения скорости можно достигнуть уве личением скорости дутья, но не повышением температуры.

По данным Н. А. Каржавиной, для реакции

СО2 + С = 2СО

при 1300° увеличение размера частиц электродного угля от 0,15

до 0,75 мм не изменяет выхода реакции на постоянную навеску угля. Выход начинает медленно падать, когда размер частиц

12

увеличивается до 2,0—2,5 мм. Дальнейшее увеличение размера частиц, делает выход реакции обратно пропорциональным раз­ меру частиц [9]. При размерах частиц 0,8—1,0 мм, температуре

1300° и скорости фильтрации ~ 1,5 м!сек. реакция восстановле­ ния углекислоты протекает в чисто кинетической области.

Для реакции углерода с кислородом кинетическая область

670 и 870°. По данным О. А. Цухановой и Л. Н. Хитрина, при протекании реакции между электродным углем и кислородом по первому порядку диффузионная область ограничивается со­

Вторичные реакции

Образование окиси углерода в кислородной зоне в результа­ те реакции

2С + О2 = 2СО

и

С+ СО2 = 2СО

игорение окиси углерода по реакции

2СО + О2 = 2СО2

накладывает существенный отпечаток на процесс горения угле­ рода.

Ход горения для опытов с углеродным каналом виден из диа­ граммы рис. 3 [1]. С повышением температуры в зоне горения наряду с ростом содержания СО2 повышается также содержа­

ние СО, а затем при температурах выше 900° оно начинает па­ дать. Объясняется это тем, что образовавшаяся окись углерода догорает за счет кислорода. Образование пленки окиси углерода на поверхности кусков топлива затрудняет доступ к ней кисло­

рода из газового потока. Таким образом, реакция догорания окиси углерода тормозит процесс горения углерода.

В результате вторичных химических реакций удельная ско­ рость горения существенно изменяется при изменении режима горения. Влияние температуры на удельную скорость горения для круглых частиц углерода диаметром 15 мм показано на рис. 4. При температурах 800—1000° наблюдается резкое умень­ шение удельной скорости горения (/($), которое вызвано реак­

цией догорания окиси углерода на поверхности частицы. При высоких температурах, когда процесс восстановления СО2 по­ лучает широкое развитие, скорость горения значительно увели-

13

чивается. В этом случае скорость горения не зависит от состава

первично образующихся окислов и горение идет так, как будто первичным продуктом является окись углерода.

Влияние крупности частиц на процесс горения

Ход процесса горения в доменной печи в значительной степе­ ни зависит от крупности частиц топлива. Ход процесса для относительно большой частицы (диаметром 15 мм} может быть иллюстрирован диаграммой, заимствованной из труда Л. Н. Хит-

рина [15] (рис. 5). Диаграмма изменения состава газовой фазы

Рис. 5. Возможная зависимость состава «поверхностных» продуктов горения угле­ рода от температуры при большой скоро­ сти обтекания крупной частицы

(по Л. Н. Хитрину)

внутри и вне горящего сферического углеродного тела в покоя­ щейся среде при различных температурах составлена на осно­ вании расчетов. Расчеты произведены в предположении об ис­ ключительном выходе окиси углерода. Горение образовавшейся окиси углерода вызывает диффузионное торможение в газовой фазе. При этом концентрации газов у поверхности горящей частицы сильно меняются (см. рис. 5). После воспламенения

окиси углерода в значительном интервале температур в поверх­

ностных продуктах содержится главным образом углекислота.

При предельно высоких температурах поверхностные продукты состоят исключительно из окиси углерода.

В случае максимально высокой температуры (рис. 6), когда реакция восстановления СО2 протекает интенсивно-, кислород не достигает поверхности углерода и полностью расходуется на го­ рение окиси углерода. Окисление углерода в этом случае проис­ ходит за счет процесса восстановления углекислоты.

Изменение физических условий протекания процесса горения при увеличении частиц углерода оказывает значительное влия

15

ние на размеры кислородной зоны. По данным X. И. Колодие­ ва [16], величина кислородной зоны возрастает пропорциональ­ но увеличению размеров частиц (табл. 2)

Таблица 2

Зависимость величины кислородной зоны от размеров частиц

Рис. 6. Распределение концентрации реа­ гирующих газов внутри и вне горящего сферического углерода тела диаметром

15 мм (по Л. Н. Хитрину):

— отношение константы скорости реакции взаимодействия окиси углерода с кислородом к

диус частицы

Такие же выводы вытекают из работы П. А. Щукина и

Л. В. Петушиной [17]. При горении кокса крупностью 12—25, 25—40 и 40—60 мм в слое кислород полностью расходуется на расстоянии 60, 120 и 270 мм соответственно.

16

Особенности горения кокса в диффузионной области

Для условий доменной печи характерны высокие температу­

ры в зоне горения. Из ранее приведенных данных О. А. Цухано-

вой и Л. Н. Хитрина (см. стр. 13) можно заключить, что в усло­ виях доменной печи реакция соединения кислорода с углеродом совершается в диффузионной области. В отношении реакции

восстановления СО2 этого нельзя сказать с такой определен­ ностью. Опытные данные для крупных (>20 мм) кусков кокса отсутствуют. По исследованию Н. А. Каржавиной, для углерод­

ных частиц диаметром 10 мм при Re^ 100 кинетическая область

области значительно расширяется, для Re-^500, например, она составляет 1400°. При дальнейшем увеличении кусков кокса и повышении числа Рейнольдса можно ожидать дальнейшего рас­ ширения границы кинетической области. Если это так, то в ус­ ловиях доменной печи восстановление СО2 углеродом происхо­ дит не в диффузионной, а в промежуточной диффузионно-кине­ тической области. В этом случае можно оказать воздействие на ход реакции восстановления СО2 изменением как температуры,

так и скорости потока.

В дальнейшем мы покажем, что в доменной печи течение ре­ акций

2С + О2 = 2СО

и

С4- О2 = СО2

вкислородной зоне и реакции

С+ СО2 — 2СО

ввосстановительной зоне совершается в различных физических

условиях: в кислородной зоне горение углерода кокса проис­ ходит не в слое, а в потоке дутья; в восстановительной зоне ре­

акция восстановления углекислоты совершается в разрыхлен­ ном слое кокса, примыкающем к плотной массе кокса, заполня­ ющего центральную часть горна.

2 Л. М. Цылев и др.

ГЛАВА 3

МЕХАНИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ЗОНЕ ГОРЕНИЯ У ФУРМ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

Движение кусков кокса в зоне горения

Поведение кусков топлива в зоне горения в аэродинамиче­ ском отношении изучалось в СССР Г. П. Иванцовым, К. П. Лав­

ровским, 3. Ф. Чухановым [9], Д. А. Диомидовским [10], в США — Эллиотом, Бьюкененом и Вэгстаффом [11], в Англии — Бэрн-

сом [12].

Фильтрация дутья снизу через слой свободно лежащих сфе-

рифеских частиц углерода не выводит частицы из неподвижного

состояния, если сопротивление слоя меньше веса частиц. При определенной скорости дутья, когда гидравлическое сопротивле­

ние слоя станет больше веса частиц, слой топлива разрыхляется.

Визуальные наблюдения и киносъемка показали, что сначала наблюдается шевеление отдельных частиц и некоторое набуха­ ние слоя [9]. При дальнейшем увеличении скорости дутья ше­ веление частиц становится все более сильным, отдельные части­ цы начинают подпрыгивать над слоем. При некоторой скорости дутья весь слой приобретает подвижность («кипящий» слой). В дальнейшем движение частиц приобретает характер организо­ ванной циркуляции — в центре слоя частицы поднимаются, а у

стенок камеры опускаются. При повышении скорости дутья по-

розность слоя увеличивается, затем возникают пульсирующие локальные (фонтанные) выбросы частиц и неравномерная порозность слоя по высоте.

Наблюдения через фурменный глазок доменной печи указы­ вали, что кокс перед фурмами находится в движении. Сильноеразрыхление кокса перед фурмами доменной печи подтверждает Ленингс, который установил, что сопротивление массы кокса перед фурмами до 1 м глубины было совершенно незначительно,, газозаборная трубка вводилась в печь легко, от руки [3]. Об этом же говорит Д. В. Ефремов [22], который исследовал окислитель' ные зоны на различных фурмах печи, пользуясь легкой перенос­ ной газозаборной трубкой, которая вводилась в печь вручную.

18