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

Изучая разрыхленное пространство, образующееся перед фурмами под действием струи дутья, Д. А. Диомидовский [10] установил, что это пространство имело грушевидную форму, вы­

тянутую к центру и несколько приподнятую кверху (рис. 7). Гра­

ницей разрыхленного пространства, названного Д. А. Диомидовским «фурменным носком», является уплотненный слой ших­ ты, показывающий глубину проникновения дутья.

фурм доменной печи могут служить кинокадры, заснятые в Ин­ ституте металлургии им. А. А. Байкова АН СССР (рис. 8). На рис. 8 можно видеть, как темные куски кокса, появившиеся на ослепительно белом фоне сверху или сбоку фурмы, смещаются

потоком дутья книзу и постепенно светлеют в результате повыше­ ния температуры при горении. На последнем кадре один из кус­ ков (б) начинает подниматься вверх.

Кинокадры на рис. 9 более определенно свидетельствуют о том, что куски кокса, попавшие в струю дутья, сначала опу­ скаются, а затем начинают подниматься, исчезая из поля зре­ ния. Такая траектория движения кусков кокса (если только они не были крупны и тяжелы) обнаруживалась систематически на заснятых кадрах.

Наблюдения за движением кусков кокса у фурм доменной печи давали ограниченные возможности для изучения явления в целом. Поэтому американские исследователи в дальнейшем решили воспользоваться моделью для воспроизведения обнару­

женной циркуляции кокса.

Изучение циркуляции кокса на моделях

В настоящее время уже опубликованы результаты несколь­ ких работ, выполненных на моделях и посвященных изучению движения кусков кокса под воздействием струи дутья [10, 11, 18, 19, 20], поэтому нет необходимости подробно останавливаться на методике подобных экспериментов. Одним из наиболее плодо­ творно работающих в этом направлении является американский физик Вэгстафф.

В процессе лабораторных исследований движения материа­ лов у фурм Вэгстафф использовал холодные модели различной формы (без горения кокса), стараясь по возможности соблю­ дать требования подобия (рис. 10). Однако по ряду причин, на

Рис. 10. Эскиз плоской модели фур­

которые Вэгстафф указывает в своих работах, это технически не всегда удается выполнить, поэтому в его исследованиях ценна

прежде всего качественная сторона, способствующая формиро­ ванию новых представлений о горении кокса в доменной печи. Опыты на моделях Вэгстафф производил с частицами различной формы и крупности, используя дробленый кокс, деревянные

кубики и бруски, кусочки изоляционного кирпича, гравий, ча­ стички из прозрачного полистирена др. Вэгстафф установил, что

зона циркуляции, если на нее не влияют смежные зоны, имеет почти правильную сферическую форму, слегка вытянутую по линии оси фурмы. Зона циркуляции в основном располагается выше струи дутья, которая является как бы касательной к ниж­ ней части этой зоны. Частицы материалов, подхваченные струей дутья, двигаются от фурмы, затем поднимаются, так как струя

отклоняется вверх плотной стенкой неподвижной части шихты.

Поднявшиеся куски двигаются далее в направлении стенки, где расположена фурма, а затем опускаются вдоль этой стенки,

22

вновь попадая в струю дутья. Часть кусков задерживается на границе зоны циркуляции. Другая часть кусков вовлекается в движение из неподвижной части шихты. Таким образом, проис­

ходит непрерывный обмен частицами с окружающей полость циркуляции средой (рис. 11).

Рис. И. Схема зоны циркуляции кокса перед

фурмами:

о — вертикальный разрез; б — горизонтальный разрез

Детальное изучение циркуляции кокса, произведенное Вэгстаффом на модели [18], позволило уточнить характер этого яв­

ления. Позднее Гарднер, экспериментируя на аналогичной мо­ дели с жидкостью [21], дополнил результаты Вэгстаффа, пока­

зав, что плотность циркулирующих частиц существенно влияет на размер зоны циркуляции.

Опыты на моделях позволили установить полную аналогию движения частиц в модели и кокса в доменной печи. Как будет видно из дальнейшего изложения, наличие сферической цирку­ ляции в доменных печах подтверждается и составом газов в вертикальной плоскости воздушной струи.

23

Зависимость между размерами зоны циркуляции и количеством дутья

Размеры зоны циркуляции можно связать с величиной кине­ тической энергии струи дутья:

(П)

где D — диаметр зоны циркуляции, м;

т — масса дутья, поступающего через одну фурму в секун­ ду, кг ■ -*сек, /м

v—скорость струи дутья, м]сек.

7270

Данные для действующих доменных печей

ф- Завод в, фурма Ф 765мм

А-Завод 6, фурма Ф 727мм

а - Завод Б, фурма Ф 752 мм

-10-16

оДанные, полученные по пиниям одинакового содержания кислорода

впробах газа

£

у 762

и

5г

Данные для моделей.

Прямая срурма круглого сечения

5 508- о- Эллиптическая фурма

_ Фирма с отклонением• •/£» струи на 22°вниз

Фирма с отклонени- а ем струи на 22 °

вверх

<3

'Ч 25И

ских исследователей, достаточно убедительно показывает нали» чие зависимости между диаметром зоны циркуляции и кинетш

ческой энергией дутья. Все экспериментальные точки уклады»

* Здесь и далее кг обозначает вес. Прим. ред.

24

ваются в узкой полосе, за исключением точек для низкого рас­ хода дутья, когда глубина его проникновения была незначитель­ ной и с трудом поддавалась точному измерению. На диаграмме нанесены также данные для доменных печей. Для определения глубины проникновения дутья в этих печах пользовались грани­ цей, соответствующей содержанию в газах 1 % О2.

Диаметр зоны циркуляции считался на 12% больше, чем это получалось при измерении зондом, так как полная величина диаметра не могла быть определена при вводе трубы в печь по линии оси фурмы. Расход дутья на фурму вычислялся по балансу углерода для каждой печи. Определенный таким образом расход дутья только приблизительно отражает действительное количе­ ство дутья, поступающего в каждую фурму, так как известно, что дутье недостаточно равномерно распределяется по фурмам. По-видимому, это обстоятельство послужило основной причиной

рассеяния точек на диаграмме.

Другой причиной рассеяния точек, как отмечают сами авто­ ры [11], могло явиться недостаточно точное соответствие между величиной зоны циркуляции и величиной зоны распрост­ ранения кислорода, определенной по 1 % О2. Тем не менее, дан­ ные для доменных печей также указывают на зависимость меж­ ду длиной зоны горения и величиной кинетической энергии.

Для оценки влияния кинетической энергии дутья на протя­

женность окислительной зоны воспользуемся также данными со­

ветских исследователей (табл. 3). Величина кинетической энер­

гии дутья вычислялась на основании средних величин количест­

ва, давления и температуры дутья. Количество и скорость про­ ходившего через фурму дутья определялись в соответствии с дей­ ствительным живым сечением фурмы (за вычетом площади, за­

нятой газозаборной трубкой). Поправок на влажность не уда­ лось внести в связи с отсутствием сведений о содержании влаги в дутье. Длина окислительной зоны определялась по точке на кривой углекислоты, отвечающей содержанию 2% СО2, длина кислородной зоны — по точке на кривой кислорода, отвечающей

содержанию 2% О2.

Несмотря на некоторую неточность данных, послуживших для

построения графика (рис. 13), тенденция в расположении точек достаточно определенна и свидетельствует о том, что при увели­ чении кинетической энергии дутья длина окислительной зоны (по 2% СО2 и 2% О2) возрастает. Точки 2 и 7 несколько выпа­ дают из общей полосы — данные для этих точек, использованные для вычисления кинетической энергии, являются ориентировоч­ ными. Следует иметь в виду, что в печи Ашинского завода (точ­ ка /) в качестве горючего использовался древесный уголь — ма­ териал значительно более легкий, чем кокс. Этим объясняется большая протяженность окислительной зоны, почти равная дли­

25.

Таблица 3

Данные для определения кинетической энергии дутья и длина окислительной зоны по результатам некоторых исследований

диаметр зоны циркуляции с количеством движения дутья

(12)

\Ф /

где А— площадь поперечного1 сечения фурмы, ж2; Р—плотность воздуха, выходящего из фурмы, кг • сек2/ж4

(при давлении 1 ата);

v—скорость воздуха, м!сек (при давлении 1 ата)-, Ф — давление в системе, ата.

1 Протяженность зоны горения в доменной печи Ашинского завода все же заметно меньше, чем в доменных печах ММК и КМК. Объясняется это, по-видимому, тем, что древесный уголь не только более легкое, но и более пористое горючее, обладающее значительно большей поверхностью, чем кокс.

Прим. ред.

26

Предполагается, что диаметр зоны циркуляции определяется соотношением между количеством движения струи дутья и про­ тиводействующей силой, которая принята равной произведению

давления в системе на величину поверхности циркуляционного потока

где L — толщина модели.

Рис. 14. Зависимость зоны циркуля­ ции от количества дутья (расчет на

Соотношение между D и —— в логарифмическом масшта­

бе представлено на диаграмме рис. 14.

Характер расположения точек для опытов на модели выяв­ ляет искомую закономерность с достаточной ясностью.

Данные, использованные для построения кривых по резуль­

татам исследований на доменной печи, были получены непосред-

27

ственным зондированием границы зоны циркуляции посредством охлаждаемой трубки. Экспериментальные точки легли на диа­

грамме с большим разбросом для доменной печи Б. Удовлетво­ рительного объяснения этому разбросу не найдено. Исследова­ тели связывают его с ненормальным поступлением кокса в зону циркуляции; зонд проникал внутрь горна глубже обычного

(1500 мм и более).

циафрагма для измерения расхода воздуха; 14 — щит с ртутными манометрами

Оба метода, примененные для установления зависимости между диаметром зоны циркуляции и количеством дутья, не позволяют учесть размеров частиц, совершающих циркуляци­ онное движение.

Опыты Д. А. Диомидовского показали, что пренебрегать раз­ мерами частиц топлива нельзя. В мелкой и поэтому более лег­ кой шихте зона разрыхленного состояния («фурменный носок»)

получается больше, чем в крупной и, следовательно, более тяже­

лой шихте [10].

Влияние размеров кусков кокса на величину зоны циркуля­ ции (£>) изучалось авторами на частицах кокса размером 5, 10

и 15 мм1 при различных режимах, отличающихся диаметром фурм, количеством и давлением дутья.

Опыты проводились на модели (рис. 15), подобной по устрой­ ству ранее описанной (рис. 10). Расход воздуха замерялся с по-

1 Размер кусков кокса получен как средний из соответствующих фракций^ 4—6, 9—11 и 14—16 мм. Прим. ред.

28