Особенность горения топлива в доменной печи

Процесс горения топлива.

Функции твердого топлива в доменной печи

При горении твердого топлива в доменной печи

- выделяется тепло, необходимое для нормального протекания доменного процесса. В результате горения топлива в горне печи образуется область высоких температур, и создаются условия для осуществления эндотермических процессов восстановления трудновосстановимых окислов. Кроме того, продукты сгорания, нагретые до высоких температур, поднимаются, фильтруясь между кусками материалов и отдавая тепло материалам.

- образовавшийся в результате горения монооксид углерода играет роль восстановителя оксидов железа в вышележащих слоях шихтовых материалов.

- в процессе горения топлива освобождается пространство, в которое опускаются вышележащие материалы. От горения топлива на горизонте фурм зависит скорость опускания материалов, загружаемых на колошнике.

В соответствии с этими функциями роль твердого топлива в доменном процессе определяется как восстановитель, теплоноситель и разрыхлитель.

Особенность горения топлива в доменной печи

Процесс горения в доменных печах имеет важную особенность. Горение протекает при большом избытке топлива (углерода) и недостатке кислорода.

В связи с этим процесс горения топлива (кокса) у фурм доменной печи можно представить схемой рис.2.4-1.

У самого среза фурмы, из которой дутье поступает в рабочее пространство доменной печи, имеется избыток кислорода. Поэтому горение идет по реакции полного горения:

(2.4‑1)

По мере удаления от фурмы содержание кислорода в газе уменьшается в связи с затратами его на горение, а содержание возрастает. На некотором расстоянии от фурм состав газа существенно не меняется. Содержание кислорода и здесь колеблется в небольших пределах, а при дальнейшем удалении от торца фурмы вновь продолжается увеличение концентрации диоксида углерода и снижение содержания кислорода. На расстоянии примерно 0,9-1,5 м от фурмы содержание в газе достигает максимума, а кислород из газовой фазы исчезает.

С этого момента начинается процесс взаимодействия с углеродом кокса по реакции:

(2.4‑2)

Эта реакция сопровождается поглощением значительного количества тепла (165,797 МДж/кг ). В связи с ее протеканием содержание в газе снижается, а содержание увеличивается. На расстоянии 1,2-1,8 м от обреза фурмы содержание становится равным нулю и горение прекращается.

Таким образом, горение в доменной печи можно представить как суммарный процесс протекания предыдущих реакций

(2.4‑3)

Характер горения топлива в доменной печи определяет следующие его особенности:

1. Конечным продуктом горения в доменных печах всегда является окись углерода. Это позволяет определить состав продуктов горения, выходящих из зоны горения.

Продукты горения, выходящие из зоны горения называются горновым газом.

При вдувании 1 м³ сухого атмосферного дутья в печь поступает −0,79 м³ азота и 0,21 м³ кислорода.

Кислород, взаимодействуя с углеродом, образует 0,42 м³ СО.

Всего образуется 1,21 м³ горнового газа.

Состав горнового газа: 0,42/1,21 (35)% СО и остальное (65)% − N₂.

2. Горение протекает в ограниченном пространстве, называемом зоной горения, окислительной зоной, очагом горения, фурменным очагом.

Исследования формы зон горения начались в 40-х годах 19 века. С тех пор выполнено много замеров, что позволило построить вертикальное и горизонтальное сечения фурменного очага. Зона горения в большей степени развита в вертикальном направлении, чем в горизонтальном.

Зона (или очаг) горения состоит из двух частей. В первой (окислительной) части в газе при вдувании в печь сухого воздуха содержатся: ; во второй (восстановительной) части содержатся такие газы, как . За пределами зоны горения в газе содержатся только .

3. Количество выгоревшего кокса пропорционально количеству подаваемого в печь дутья:

(2.4‑4)

Во вдуваемом воздухе на каждый моль кислорода приходится 79%/21% (3,762) моля азота.

При сгорании 1м³ кислорода в реакцию вступает 2∙16/22,4 кг кислорода и соответственно выгорает 2∙12/22,4 (1,07 кг углерода).

Таким образом, чем больше дутья вдувается в доменную печь в единицу времени, тем больше в ней можно сжечь топлива и, как видно из уравнения, определяющего производительность печи, Р=К/к получить больше чугуна.

Повышение расхода дутья в единицу времени является основным требованием увеличения производительности печи. (Изменение расхода дутья является средством целенаправленного изменения производительности печи).

Дальнейшее изменение состава горнового газа (за пределами фурменного очага) связано с протекающими процессами прямого восстановления. Продуктом прямого восстановления является моноокид углерода. Поэтому по направлению к оси содержание СО в газе возрастает.

В окислительных зонах происходит окисление железа, марганца и кремния в капельках чугуна, проходящих через нее. Получающиеся окислы переходят в шлак. Но как только опускающиеся чугун и шлак выйдут из этих зон, благодаря высоким температурам окисленные элементы очень быстро восстанавливаются вновь.

Вдуваемый в печь воздух всегда содержит какое-то количество паров воды. Пары воды в той части зоны горения, где СО₂ взаимодействует с углеродом, также взаимодействует с углеродом кокса:

(2.4‑5)

При этом образуется водород, входящий в состав горнового газа.

При вдувании в доменную печь природного газа, основной составляющей которого является метан, природный газ сгорает. Горение происходит на участке, где образуется СО₂:

(2.4‑6)

Однако далее по оси, в той части зоны горения, в которой СО₂ и пары воды взаимодействуют с углеродом кокса, продукты горения природного газа превращаются в СО и Н₂. В конечном итоге процесс взаимодействия природного газа с дутьем протекает с незначительным тепловым эффектом (913 кДж/кг С, вносимого с природным газом, для сравнения при сгорании 1 кг С кокса выделяется 9830 кДж).