4.2 Горение топлива в слое агломерационной шихты

Подавляющая часть выбросов агломерации – отходящие газы, в основном продукты горения твердого топлива. Отсюда – необходимость изучения столь важной стадии процесса спекания.

Основное топливо агломерации – коксовые отходы и мелкий антрацит, измельчённые до крупности 0-3 мм. В зависимости от крупности, концентрации топлива в шихте, скорости фильтрации газов, горение топлива протекает в слое толщиной 20-30 мм. Температура воспламенения коксика составляет 700^оС, а второго вида агломерационного топлива – антрацитового штыба – около 750-800^оС. Горение углерода топлива сильно замедляется при содержании в потоке фильтруемого через слой шихты газе 5-6% кислорода и вовсе прекращается при концентрации в газе 3-4% О₂ и менее.

Процессы горения углерода твердого топлива и теплообмена представляют в нашем случае особый, экологический интерес, включающий определение возможностей сокращения удельного расхода топлива и уменьшения концентрации в продуктах горения различных токсичных газов. Элементарные представления о горении углерода твердого топлива включают сведения о том, что примерно 45% углерода сгорает до СО и 55% – до СО₂ по реакциям:

С + 0,5О₂ = СО + 9,8 ^МДж/_{кг ∙С} (4.1)

С + О₂ = СО₂ + 33,4 ^МДж/_{кг ∙С} (4.2)

Тепловой эффект реакции неполного горения углерода в 3,4 раза меньше, чем аналогичный эффект полного горения. Это значит, что с увеличением полноты горения достигаются экономия топлива и снижение общего выброса отходящих газов и различных токсичных соединений, среди которых наибольшую массовую долю имеет монооксид углерода.

Элементы теории горения углерода топлива включают следующие положения.

Твердый углерод топлива после нагревания до 700^оС и более интенсивно окисляется, проходя вместе с кислородом четыре последовательные стадии физико-химических превращений.

Вначале кислород воздуха путем конвективной и молекулярной диффузии доставляется к поверхности частиц топлива, затем адсорбируется (поглощается) этой поверхностью. Далее происходит химическая реакция – углерод окисляется с образованием пламени или без него. И, наконец, происходит десорбция – удаление продуктов горения из массы горящих частиц.

Адсорбция – это взаимное притяжение молекул поглощаемого кислорода и частиц топлива под действием неуравновешенных молекулярных сил, возникающих в поверхностном слое. Десорбция – обратный процесс, вызываемый стремлением продуктов горения к равномерному их распределению в общем объеме газа.

В агломерации кислород доставляется к окисляемой поверхности частиц топлива в основном посредством направленного движения просасываемого газового потока. Однако, возле поверхности частиц, где существует пограничный слой из азота и кислорода, кислород доставляется молекулярной диффузией.

Молекулярная диффузия – это процесс самопроизвольного выравнивания концентрации кислорода в объеме газа и непосредственно у поверхности тела за счет теплового, хаотического движения молекул газа. Скорость диффузионного переноса кислорода зависит, в основном, от скорости и характера движения (ламинарный, турбулентный) газового потока. На диффузию кислорода влияют также размер кусков топлива, температура, давление и состав газовой фазы.

Вторая стадия процесса – адсорбция (поглощение) кислорода частицами топлива зависит от свойств их поверхности, а также от парциального давления кислорода и температуры. При низких температурах имеет место физическая адсорбция, а при высоких температурах – химическая адсорбция. Продукты химической адсорбции С_хО_у распадаются по уравнению

С_хО_у = аСО₂ + bСО (4.3)

Соотношение между содержанием СО и СО₂ в продуктах горения, имеющее большой экологический смысл, зависит от многих факторов, в частности, от температуры в зоне горения.

При низких температурах выделяется преимущественно СО₂, а при высоких – СО. Образующиеся газы могут взаимодействовать с кислородом и углеродом твердого топлива по уравнениям:

СО + 0,5О₂ = СО₂+285 МДж/кмоль (4.4)

СО₂ + С = 2СО – 162 МДж/кмоль (4.5)

Нужно иметь в виду, что условия горения частиц топлива в слое спекаемой шихты разительно отличаются от условий горения в обычной топке слоевого сжигания топлива. Кусочки топлива, занимая всего 10-15% объема шихтовых материалов, рассредоточены в ней, могут находиться внутри гранул шихты. Горение протекает одновременно с восстановлением оксидов железа, разложением гидратов и карбонатов. Горящие частицы могут обволакиваться расплавом шихты. Для процесса горения топлива в слое возможны два режима: при низких температурах реакция горения протекает в кинетическом режиме, при высоких – в диффузионном.

В кинетическом режиме скорость окисления (горения) снаружи и внутри куска топлива невелика и определяется факторами химической кинетики – температурой в зоне горения и физико-химическими свойствами поверхности частиц топлива.

Для диффузионного режима горения, протекающего только на поверхности частиц топлива, наибольшее значение имеют скорость газа и содержание в нем кислорода.

В большинстве случаев горение протекает в смешанном режиме, когда значение имеют все упомянутые факторы.

Движение зоны горения в слое при нормальном расходе топлива почти полностью зависит от интенсивности подогрева шихты до температуры воспламенения топлива. Скорость перемещения фронта теплообмена с температурой 700-800^оС всецело зависит от скорости фильтрации газа и кажущейся теплоемкости шихты, учитывающей влияние тепловых эффектов экзо- и эндотермических реакций. Замедление перемещения зоны интенсивного нагрева шихты газом вызывает замедление продвижения зоны горения топлива. Перечисленные особенности усложняют горения топлива и сильно ограничивают возможности протекания вторичных реакций окисления СО и реагирования СО₂ с углеродом.