4.3 Теплообмен в доменной печи. Термодинамические аспекты восстановления оксидов железа в доменной печи
Теплообмен в доменной печи
В современных условиях при работе доменных печей на подготовленных шихтовых материалах и без использования сырого известняка теплопотребность процесса в целом определяется теплопотребностью нижней зоны печи, температурной границей которой является температура 950-1000 оС. В этой зоне происходит образование жидких продуктов плавки, идут эндотермические процессы прямого восстановления железа и трудновосстановимых элементов и имеют место максимальные потери тепла с охлаждающей водой холодильников. В этой же зоне печи в результате сгорания топлива происходит генерация тепла и образование фурменных газов, имеющих температуру 1900-2100 оС. За счет части тепла этих газов полностью покрывается теплопотребность нижней зоны. Тепла газов, выходящих из этой зоны с температурой 950-1000 оС, достаточно для нагрева шихтовых материалов, опускающихся с колошника, до 900-950 оС к моменту их прихода в нижнюю зону. Реакции восстановления оксидов железа в верхней зоне идут с положительным суммарным тепловым эффектом. Особенность противоточного теплообмена в доменной печи объясняется характером изменения по высоте печи водяных эквивалентов шихты и газа. Под водяным эквивалентом потока материалов понимают количество тепла, которое нужно затратить для нагрева потока на 1 оС.
Водяной эквивалент потока газа (Wг = Сг•Qг - произведение теплоемкости газа на объем или массу его часового потока, т.е. расход в час) в этой зоне практически не изменяется по высоте печи. Уменьшение теплоемкости газа с уменьшением его температуры при движении газа к колошнику компенсируется противоположными изменениями теплоемкости его в связи с переходом части двухатомных газов (СО и Н2) в трехатомные (СО2 и Н2О), имеющих более высокую теплоемкость.
В то же время водяной эквивалент шихты (Wш = Сш•Qш- произведение теплоемкости шихты на массу ее часового потока) увеличивается по мере опускания шихты в низ в связи с ростом теплоемкости материалов с температурой. Теплосодержание потока газа в этой зоне превышает теплопотребность потока шихты, которая увеличивается по мере опускания материалов. В результате отношение водяных эквивалентов шихты и газа в этой зоне увеличивается и при подходе к нижней зоне печи становится равной единице. Температура шихты и газов при этом становятся близкими и разница между ними не превышает 50-100 оС. Эту зону, которая располагается в шахте печи, называют изотермической или термически резервной (рис.27)
Рис. 27. Зоны теплообмена и массообмен в доменной печи
В нижней зоне печи эквивалент потока газа также практически не изменяется по высоте печи. Уменьшение теплоемкости газов с уменьшением их температуры от 1900-2000 оС до 950-1000 оС компенсируется увеличением их потока за счет СО, образующегося в реакциях прямого восстановления железа и трудновосстановимых элементов (Si, Vn, Ti, V, P и др.).
В то же время водяной эквивалент шихты резко увеличивается за счет увеличения ее кажущейся теплоемкости, т.е. за счет затрат тепла на эндотермические реакции прямого восстановления и на расплавление чугуна и шлака, а также за счет повышения их температуры и перехода железорудных материалов в жидкую фазу. В результате отношение водяных эквивалентов шихты и газа в нижней зоне увеличиваются по мере опускания шихты от изотермической зоны к горну.
Таким образом, при нормальной работе доменной печи по ее высоте имеют место две ступени интенсивного теплообмена: - верхняя и нижняя, которые разделены между собой изотермической зоной. При наличии изотермической зоны в печи создаются условия для появления химически резервной зоны, в которой достигается равновесный состав газа для реакции восстановления железа из вюстита газообразными восстановителями.