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

Движение потока газов и материалов в зоне горения подчи­ няется определенным аэродинамическим закономерностям. Од­ ним из наиболее простых явлений, рассматриваемых в аэроди­ намике, является истечение свободной и затопленной струи из насадки в пространство, заполненное средой тех же физических

Рис. 33. Изменение состава газа в вертикальной плоскости потока дутья в доменной печи Ново-Липецкого завода (среднее за период с 9 по 30 ав­ густа 1955 г.; рассматривать совместно с рис. 32). Цифры на кривых—• содержание компонентов газа, °/о

свойств, что и вещество струи £39]. Изучение этого явления по­

казало, что в начальном участке потока сохраняется конус по­

стоянных скоростей, концентраций и температур (рис. 35). Вер­ шина конуса располагается на расстоянии, равном 5—7 диамет­ рам насадка. За пределами конуса наблюдается смешение ве-

'ществ струн и среды. Движение струи дутья в доменной печи

после истечения из фурмы является более сложным, чем явление истечения свободной струи. Движение свободной струи происхо­ дит вдоль оси насадка, тогда -как у фурм доменной печи -совер­ шается циркуляционное движение газов и кокса. После удара о плотную стену неподвижного кокса поток поворачивает вверх вместе со взвешенными в печи кусками кокса. Непрерывное па­ дение кусков кокса сверху также деформирует струю дутья на

расстоянии 200—500 мм от устья фурмы. Легкие куски кокса уносятся потоком и совершают циркуляционное движение, тя­

желые куски пробивают струю и располагаются ниже оси фурм.

Взвешенные в движущемся потоке куски кокса горят за счет кислорода дутья, при этом изменяется состав струи — она обо­ гащается углекислотой. Несмотря на .непрерывное воздействие

Рис. 36. Схема циркуляции газов и кокса и из­ менение состава газа в зоне горения (при отборе проб газа выше оси фурм)

механических (циркуляция кокса) и химических (окисление угле­ рода кокса) процессов, в ядре начального участка потока дол­

жен дольше, чем в других сечениях, сохраняться свободный кис­ лород. Кислород этот обнаруживается газозаборной трубкой в

| центральной части потока при повороте его вверх (рис. 36).

В отличие от горения кокса в слое, процесс горения в зоне циркуляции происходит в потоке дутья, в котором куски кокса находятся во взвешенном состоянии. Процесс горения заверша­ ется в промежуточном слое у границы зоны циркуляции в усло­ виях, близких к горению в слое топлива. Более уплотненное в этом месте состояние кокса при наличии высоких температур

способствует быстрому исчезновению остатков кислорода и та­ кому же быстрому восстановлению СО2 с образованием окиси

53

углерода и восстановлению Н2О с образованием водорода. Та­ ким образом, только заключительная стадия горения— восста­ новление СО2 до окиси углерода— происходит в слое кокса.

Температуры в окислительной зоне

Измерений температуры в горне доменных печей произведено сравнительно немного, что объясняется значительными экспери­ ментальными трудностями: весьма высокими температурами, сильной окислительной атмосферой и наличием жидких продук­ тов плавки в зоне горения. В этих условиях обычные термопары

(например платина-платинородиевые) мало пригодны: трудно найти защитные чехлы для термопар, которые бы хорошо проти­ востояли совместному влиянию высоких температур, разъеда­ ющему действию чугуна и шлака и механическим ударам кусков

кокса.

Один из первых исследователей температурного состояния горна — Рейнлендер {4] для измерения температур пользовался ардометром, железной штангой (0,1% С), термоэлементом, от­ сасывающим и оптическим пирометром. Д. С. Хорунов и

А. П. Афанасьев [34], а также В. А. Сорокин [41] пользовались

платина-платинородиевыми термопарами. Сотрудники акад. М. А. Павлова применяли графит-вольфрамовые термопары [27,

32, 37, 38]. Все указанные способы измерения температур имеют известные недостатки, отражающиеся на точности измерений. Применявшийся, например, Рейнлендером, оптический пирометр

для измерения температур в отдаленных от устья фурмы точках

посредством визирования через водоохлаждаемую трубку не

мог давать правильных показаний в связи с наличием в атмосфе­ ре горна значительного количества паров металлов и возгонов окислов, искажающих показания оптического пирометра. Пла­ тина-платинородиевые термопары, которыми пользовались Д. С. Хорунов и А. П. Афанасьев, В. А. Сорокин и др., пригодны для измерения температур в пределах 1500—1550°; при наруше­ нии герметичности защитного чехла эти термопары легко наугле­ роживаются, и показания их становятся неправильными. В окислительной зоне защитный чехол быстро прогорает, к спаю

приваривается чугун, вследствие чего показания термопары ис­ кажаются.

Недостатком графит-вольфрамовых термопар является интен­ сивное горение графита в кислородной части зоны горения, иска­ жающее результаты измерений, а также и то, что свойства гра­ фита не являются вполне постоянными, поэтому э. д. с. пары

графит-вольфрам изменяется. В результате градуировочные кри­ вые, полученные для партии термопар, изготовленных даже из одного графитового электрода, дают довольно значительный раз­ брос точек. Правильные показания при пользовании графит-воль- фрамовыми термопарами можно получить, имея градуировочные кривые для каждой термопары в отдельности.

54

Критикуя 'работу Рейнлендера, И. 3. Козлович указывает, что колебания температур в одной точке в течение 5 мин., дости­ гавшие 300—350°, можно объяснить только недостатками приме­ нявшегося Рейнлендером прибора [38]. Такие колебания темпера­ тур, конечно, невозможны, если исходить из слоевого горения

кокса в доменной печи, но являются неизбежными при циркуля­ ции кокса, когда в сферу горения ссыпается кокс в различном количестве (в единицу времени) и различной степени нагрева.

Отмечаемые И. 3. Козловичем незначительные колебания температур (порядка 20—30° в ту или иную сторону, иногда до

50°) могут быть объяснены довольно значительной инерцией графит-вольфрамовой термопары, имевшей диаметр 23,5 мм

(для увеличения прочности).

Существенным недостатком при измерениях температуры прафит-вольфрамовой термопарой является то, что для ввода их в печь необходимо пользоваться водоохлаждаемыми трубка­ ми диаметром 63,5—76,0 мм, которые занимают значительную часть площади сечения воздушной фурмы.

Во избежание нарушения циркуляции кокса в окислитель­ ной зоне нами применялись тонкие водоохлаждаемые трубки. Применение таких трубок потребовало для измерения темпера­

тур в горне тонких и прочных термопар. С этой целью были из­ готовлены силит-вольфрамовые термопары. Пара силит-воль- фрам развивает большую э. д. с., равную 500 tnv при 2000°.

Недостатком силит-вольфрамовой термопары является окис­ ление вольфрамовой проволоки при нагреве выше 900°, вследст­

вие чего нарушается контакт вольфрама с силитом.

Однако до образования на вольфраме пленки окислов уда­ валось получить устойчивые показания, позволявшие произвести замер температуры в одной точке.

Градуирование силит-вольфрамовой термопары производи­ лось посредством контрольной термопары в интервале от 600 до 1580°. На основании разовых показаний 34 силит-вольфрамовых термопар была построена градуировочная кривая (рис. 37). За­ висимость э. д. с. от температуры получилась линейной ’, в свя­ зи с чем для высоких температур данные были найдены экстра­ поляцией.

В связи с некоторым различием в физических свойствах ма­ териала, из которого были изготовлены силитовые стержни, по­ казания термопар иногда заметно отличались. Поэтому была произведена градуировка каждой из термопар, употреблявших­ ся при измерении температур в горне доменной печи, и опреде­ ление температур производилось не до общей градуировочной кривой (см. рис. 37), а по градуировочным кривым отдельных термопар.

1 Линейная зависимость была найдена также С. М. Волосовым и 3. И. Пеновой для силит-вольфрамовой термопары с длиной стержня 300 мм в интервале температур 1200—1800° [42]. Прим. авт.

55

Полученная кривая температур находится в хорошем соот­

ветствии с кривыми изменения состава газа. Максимальной температуре в -конце окислительной зоны соответствует макси­

мальное содержание углекислоты в газе.

До настоящего времени широко распространено представле­ ние о фокусе горения, как о точке или ограниченном пространстве

внутри зоны, горения, где наблюдаются наивысшие температу­ ры. Скоростные киносъемки через фурменные гляделки, произве­ денные на доменной печи объемом 335 м3 (длина зоны горения

Рис. 42. Температура газов в горне доменной печи завода «Запорожсталь»

составляла 600—700 мм), показали, что куски кокса движутся на фоне ослепительно раскаленного экрана, представляющего собой сплошную стену кокса. Поскольку движение кусков кокса совершается в периферийной области зоны циркуляции (внут­

ренняя полость свободна от кусков кокса), то оказывается невоз-.

можным определить место, где именно находится фокус горения. В связи с этим расположение места максимальных температур

.58

следует, по-видимому, относить не к фокусу, а к сфере горения вблизи малоподвижного слоя кокса, окружающего зону горе­ ния

Статическое давление газов

Значительное число измерений статического давления газов

вдоль радиуса горна было произведено сотрудниками акад.

М. А. Павлова [24, 38]. Целью подобных измерений было уста­

новление противодавления горна, которое наряду с составом га­ за и температурой характеризует его проницаемость, в особен­ ности в центральной части. В большинстве случаев было уста­ новлено плавное падение давления газов по мере удаления от

При измерении статического давления в окислительной зоне

мы ставили задачу получить дополнительные данные для харак­ теристики циркуляции кокса у воздушных фурм. Представляло также интерес проверить наблюдавшийся Д. В. Ефремовым [22]

факт повышения статического давления газов в окислительной зоне (рис. 44).

Характерной особенностью кривых статического давления в

окислительной зоне доменной печи Ново-Липецкого завода яв­

произведенное авторами всего на одной доменной печи, еще не дает основа­ ний для определенных выводов об изменении температуры в окислительной зоне и расположении области с максимальной температурой газа. Измерения, произведенные В. А. Хромовым на доменной печи Ново-Тагильского завода в 1956 г., дали результаты, подобные полученным ранее сотрудниками акад. М. А. Павлова (см. «Кислород», 1958, № 4). Прим. ред.

59