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

Рис. 51. Развитие зон горения в горне доменной печи при различном числе оборотов воздуходувной

машины. Цифрами обозначены линии равных содержаний углекислоты

окислительной зоны от количества дутья, поступающего через фурму.

Длина окислительной зоны для фурмы диаметром 150 мм со­ ставляла (по точке, где содержалось в газе 2% СО2) 1250 мм,

а для фурмы диаметром 100 мм^—800 мм [27]. Имея в виду, что количество и давление дутья в обоих случаях были одинаковы­ ми, 'исследователи приняли, что расход дутья через фурму про­ порционален сечению фурмы. При таком условии через фурму диаметром 150 мм должно было проходить в 2,25 'раза больше

Дутья, чем через фур-му диаметром 100 мм [38], что и определило различие >в размерах зон горения.

и завода «Запорожсталь» [52] позволили И. 3. Козловичу дать диаграммы изменения состава газа при различных количествах дутья (рис. 52). Из этих диаграмм наглядно видно влияние ко­

личества дутья на длину зоны горения. В своем объяснении этого влияния И. 3. Козлович не поддерживает приведенную выше точку зрения М. А. Павлова, а ограничивается указанием на действие механических факторов напора газов: при большом количестве дутья основной поток газов направляется первона­ чально к оси горна, а затем начинает сдвигаться в вертикаль­

ном направлении, тогда как при малом количестве дутья основ­ ной поток газов из-за слабого их напора устремляется преиму­

щественно в вертикальном направлении [38].

Мнение это правильно. Действительно, кинетическая энер гия струи дутья, вычисленная нами, например, для случаев ра­ боты доменной печи ММК с фурмами диаметром 150 и 100 мм. составляет соответственно 5170 и 1540 к,гм!сек (см. табл. 3) и это обстоятельство по причинам, изложенным выше в гл. 3,

71

на длину окислительной зоны. Увеличение количества воздуха

обусловливает удлинение зоны горения, а именно: при подаче в печь 644, 1033 и 1425 лг3 дутья в минуту линия с 1% О2 находи­

лась от устья фурмы на расстоянии соответственно 570, 650 и

Из данных этого исследования, между прочим, вытекает сле­ дующий интересный вывод, с увеличением количества дутья ширина восстановительной зоны (между линиями с 1% О2 и 1 % СО2) постепенно уменьшается, составляя при указанных ко­ личествах воздуха соответственно 420, 390 и 350 мм. Авторы работы иллюстрируют этот вывод диаграммой, приведенной на рис. 53.

Рост длины кислородной зоны и сокращение восстанови­ тельной зоны с увеличением количества дутья объясняются различными причинами. Кислородная зона возрастает по чисто механическим причинам вследствие увеличения кинетической энергии дутья. С другой стороны, увеличение количества дутья

Из данных немецких исследователей следует, что увеличе­ ние количества дутья является более существенным фактором уменьшения восстановительной зоны, чем повышение темпера-

72

туры, которое также увеличивает скорость реакции СО2 + С = = 2СО.

Таким образом, чисто кинетические факторы, такие как тем

пература и скорость фильтрующего потока, физическая струк­ тура топлива и др., могут воздействовать только на восстано­ вительную зону, изменяя ее размеры. Однако размеры этой зо

ны (200—300 мм) являются в современных доменных печах, ра ботающих с большим количеством дутья, очень небольшими по

сравнению с кислородной зоной. Поэтому действие указанных факторов на величину всей зоны горения оказывается мало за­ метным.

Статистическая обработка большого числа эксперименталь ных данных по доменным печам КМК показала, что с увеличе­ нием количества дутья длина зоны горения возрастает [8].

До сих пор мы говорили о действии количества дутья на

протяженность окислительной зоны в направлении к центру печи. Эта важная характеристика зоны горения может быть легко получена посредством ввода в печь через фурменный при­ бор газозаборной трубки. Не менее важны для характеристи­ ки зоны горения ее протяженность в поперечном и вертикаль­ ном направлениях. Известно лишь небольшое число работ, в которых изучалось распространение зоны в этих направлениях. К таким работам прежде всего относится исследование Айхен-

берга и Айлендера [49]. При увеличении числа оборотов возду­ ходувной машины с 40 до 70 в минуту ширина зоны горения заметно увеличилась (см. рис. 51). Таким образом, увеличение количества дутья при постоянстве других условий режима плавки вызывает расширение окислительной зоны во всех на правлениях.

Давление дутья

М.А. Павлов указывает, что напряжение газов в горне дей ствуег в том же направлении, что и нагрев дутья, т. е. сокра­ щает объем горения, но сказывается несколько иначе: увеличе­ ние давления газов (или их скорости и кинетической энергии)

не столько сокращает объем, занимаемый окислительной зо ной, сколько меняет форму этого пространства [5]. Одновремен­ но М. А. Павлов указывает, что при недостаточном напряже­

нии газы устремляются вверх по путям наименьшего сопротив­ ления, избегая более длинного пути по направлению к оси

горна.

Давление дутья оказывает косвенное влияние на величину

зоны горения. Увеличение величины давления дутья (при посто­ янном его весовом количестве) вызывает уменьшение скорости

истечения воздушной струи из фурмы и соответственно пони жение кинетической энергии. Поэтому при 'неизменном количе стве дутья увеличение его давления должно вызвать уменьше­ ние длины зоны циркуляции кокса.

73

Распространенный среди некоторых доменных техников

взгляд, что при повышении давления дутья (при применении более узких фурм) длина зоны увеличивается, основан на недо­ разумении. Такой взгляд мог возникнуть в связи с тем, что при замене широких фурм более узкими при сохранении постоянным количества дутья давление его повышалось вследствие увеличе ния сопротивления движению струи дутья на фурмах. Между тем, при значительном сокращении сечения фурм скорость дутья (несмотря на повышение давления) возрастала, благода­ ря чему кинетическая энергия струи дутья увеличивалась. Та­ ким образом, увеличение зоны горения неправильно приписы­

валось повышению давления дутья. Анализируя действие дав­ ления на величину окислительной зоны, М. А. Павлов, однако,

правильно объяснил удаление фокуса горения от стен горна к оси печи увеличением живой силы дутья, значение которой быст ро возрастает с повышением скорости дутья.

Указанный взгляд возник также в связи с тем, что увеличе­ ние количества дутья, как правило, сопровождается повышени­ ем его давления вследствие возрастания гидравлического сопро­ тивления столба шихты, вызванного увеличением скорости га­ зов. Иллюстрируя влияние давления дутья на длину зоны го­ рения, М. А. Павлов приводит данные исследования 3. И. Не­ красова на печи завода им1. Дзержинского. Исследование ве­ лось при подаче дутья без изменения диаметра фурмы под дав­ лением 1,2; 0,85; 0,6 и 0,1 ати. Длина зоны, как и следовало

ожидать, уменьшалась, но не потому, что снижалось давление дутья, а потому, что одновременно с уменьшением давления со­ кращалось количество дутья, в результате чего уменьшалась кинетическая энергия воздушной струи.

Увеличение длины окислительной зоны при повышении дав­ ления констатируют немецкие исследователи [53], из работы

которых воспроизводится диаграмма рис. 53. Для увеличения

проникновения дутья в глубь горна на шести фурмах (из 10)

диаметром 210 мм были выдвинуты на 680 мм сопла из сихромеля, через которые в печь дополнительно вдувался воздух вы­ сокого давления. Сопла имели наружный диаметр 120 мм, диа­ метр в свету 100 мм и конец по форме сопла Лаваля с наимень­ шим поперечным сечением 50 мм. Воздух высокого давления подавался нагретым до 400°. Температура дутья низкого дав­ ления составляла в среднем 730°.

Результаты исследования приведены в табл. 7. В этой таб­ лице указываются также вычисленные нами скорости воздуха

высокого и низкого давления на фурмах, снабженных соплами,

и величины кинетической энергии. Для случаев 1 и 3 вычисле­

ния показали в узком сечении сопла сверхзвуковые скорости.

Поэтому для расчета скорости истечения потока дутья в вы­ ходном сечении сопла мы воспользовались формулой, применяе-

74

Влияние подачи дутья высокого давления на длину окислительной зоны

75

Число Al * для этого сечения показывает наличие в выход­ ном сечении сверхзвуковой скорости

При вычислении М температура в выходном сечении 7*2 опре­ делена из выражения

\ Pi /

для нашего случая

Тп = 673 J—V’286 - 673-0,825 = 555°К-

\4,1/

В случае 3 в выходном сечении скорость потока составляет 397 м!сек. Однако число М равно 0,792. следовательно, в этом случае скорость потока не является сверхзвуковой.

Кинетическая энергия дутья высокого давления несравненно выше, чем сравниваемая энергия дутья низкого давления.

Как видно из табл. 7, наибольшая длина зоны горения най­

дена для случая 2, когда скорость потока была сверхзвуковой и кинетическая энергия наибольшей.

Таким образом, удлинение зоны горения при подаче дутья высокого давления через сопла Лаваля обусловливается пре­

образованием в этих соплах потенциальной энергии потока в кинетическую за счет значительного перепада давлений потока.

При подаче дутья высокого давления через обыкновенные сопла скорости потока в выходном сечении не могут достичь та­ ких величин, как в соплах Лаваля.

Поэтому закономерность, установленная немецкими исследо­ вателями между давлением дополнительного дутья и длиной

зоны, действительна только для случая применения сопел Лаваля. Протяженность зоны горения находится на самом деле

в зависимости от кинетической энергии потока дутья.

w

М = — ,

а

где а = kgRT. Прим. авт.

76

дутья с повышенным давлением ведет к понижению кинети­ ческой энергии струи, по сравнению с подачей такого же коли­ чества дутья низкого давления.

Еще в 1940 г. в одной из работ советских исследователей был правильно подмечен'факт уменьшения глубины окислитель­

ной зоны при повышенном давлении дутья (количество и темпе­

ратура дутья оставались неизменными) [55].

К такому же выводу пришел в результате исследования

Рис. 54. Диаграмма изменения состава газа в зоне горения при нормальном (а) и повышенном (б) давлениях дутья за период сентябрь — ноябрь 1954 г. (НЛМЗ):

а— количество дутья — 2Э00 м'/мин; температура дутья— 850° С; дав­ ление колошникового газа — 0,2 ати\ б — количество дутья 2000 м*/мин; температура дутья — 832° С; давление колошникового газа — 0,6 ати

газов на колошнике В. П. Щербаков [56], правильно объяснив

ший сокращение зоны горения уменьшением линейной скорости газов.

Влияние повышения давления газа на колошнике на размеры зоны горения в доменной печи № 2 Ново-Липецкого завода

видно из сопоставления диаграмм состава газа при работе

77

с обычным (0,2 ати) и повышенным (0,6 ати) давлением газа (рис. 54). На расстоянии 1400 мм от устья фурмы содержание СО2 в газе при повышенном давлении заметно меньше, чем при обычном. Таким образом, повышение давления газа в рабочем, пространстве печи ведет к уменьшению длины зоны горения.

Такое действие повышенного давления объясняется уменьше­ нием кинетической энергии дутья.

Температура дутья

В литературе до последнего времени считалось твердо уста новленным, что повышение нагрева дутья вызывает сокращение

объема зоны горения. М. А. Павлов, например, писал: «Нагрев

дутья, сообщая продуктам горения добавочное количество тепла к тому, какое получается сжиганием горючего, повышает темпе­

ратуру в области горения и, в частности, температуру горящих кусков топлива; от этого, и вследствие повышения температуры кислорода дутья, ускоряются все реакции горения или, правиль­ но истолковывая это выражение, все четыре стадии горения протекают в более ограниченном пространстве» [5].

При этом М. А. Павлов придавал температуре дутья большее

значение, в отношении влияния на размеры окислительной зоны, чем количеству дутья: «развитие окислительной области у фурм

находится в зависимости (при одинаковом виде горючего) от количества дутья и главным образом от его температуры и, зна­ чит, от нагрева дутья» [5].

Это утверждение М. А. Павлов иллюстрировал данными немецких исследований, проведенных на доменных печах заво­ дов Маннесмана и Беккера [53, 54]. Действительно, действие повышения температуры дутья на величину окислительной зоны доменной печи завода Маннесмана было разительным: при повышении температуры дутья с 500 до 800° протяженность зоны уменьшилась на 200 мм.

3. И. Некрасов нашел, что повышение температуры дутья на доменной печи завода им. Петровского с 550—600° при нормаль­ ном ее ходе до 800° при похолодании вызвало увеличение зоны горения [57]. В другом случае, при исследовании окислительной зоны на доменной печи завода им. Дзержинского вскоре после

задувки (через 10—15 мин. после зажигания топлива на фурмах)-

длина зоны горения оказалась больше, чем при нормальном режиме работы, несмотря на то, что температура дутья была выше (600° вместо 450), а количество дутья вдвое меньше.

Отсюда 3. И. Некрасов дел-ает вывод, что на величину окисли-

78

1ельной зоны оказывает влияние также тепловой режим горна, в частности, нагрев кокса, поступающего в реакционную зону.

В результате своих исследований на доменных печах Сталин­ ского и Енакиевского заводов К. В. Мессерле, Б. М. Носовицкий

ризует тепловое состояние горна, чем температура дутья. При содержании кремния 0,35% и температуре дутья 595° длина

зоны в основном зависит от кинетической энергии дутья, а не от температуры дутья и содержания кремния в чугуне

Анализируя данные М. А. Шаповалова о размерах окисли­ тельной зоны (при выплавке ферросилиция на обычном и обога­

щенном кислородом дутье) и свои собственные, полученные при выплавке передельного чугуна и специальных чугунов—, ферросилиция и ферромарганца, А. П. Любан пришел к выводу,

что размеры зон горения при различных режимах плавки мало

подвергнуть детальному рассмотрению правильность теорети­ ческих основ зависимости между температурой и скоростью

горения углерода в зоне горения, и в конечном счете ее разме­ рами.

Вкратце его рассуждения сводятся к следующему.' Повыше­ ние температуры способствует переходу процесса горения угле­ рода из кинетической области в диффузионную, где скорость процесса лимитируется скоростью диффузии. Если бы горение

мало увеличивалась бы с повышением температуры. Увеличение, скорости потока газов вызывает более интенсивный материаль­ ный обмен и уменьшение толщины газовой оболочки на реагирующей поверхности, через которую диффундируют газы, вследствие чего при большой скорости потока температура перехода реакции в диффузионную область должна повышаться. Ссылаясь на увеличение скорости горения угольной частицы при

увеличении скорости потока газов (до 30—40 м/сек) при темпе­ ратурах, более низких, чем у фурм доменных печей, А. П. Любан

приходит к заключению, что повышение температуры должно мало сказываться на скорости горения, и, следовательно, на

размерах зон горения.

79