Особенности теплообмена в доменной печи

Одна из важнейших особенностей состоит в том, что доменная печь имеет очень большую высоту рабочего пространства, где происходит теплообмен между газовым потоком и шихтовыми материалами. Большую величину имеет и теплообменная поверхность (F) - поверхность кусков шихтовых материалов и коэффициент теплопередачи ( ) также значителен из-за большой скорости движения газового потока и сильной его турбулизации. Все это обусловливает большую интенсивность теплообмена и его завершенность.

Фактически температуры материалов и газов на входе и выходе из доменной печи, как противоточного теплообменника, имеют следующие значения: температура горения кокса у фурм, т.е. температура горновых газов, с которой они входят в теплообмен, составляет 1900-2200 ^оС, а средняя температура продуктов плавки равна 1400-1500 ^оС. Температура колошниковых газов равна 200-500 ^оС. Материалы в печь загружаются с температурой 20-30 ^оC. Таким образом, температуры газов и материалов в доменной печи не выравниваются ни на входе, ни на выходе газового потока из теплообменника.

Исходя из этих данных, можно предположить, что, несмотря на благоприятные условия (большая высота рабочего пространства доменной печи, большая поверхность кусков и большое значение коэффициента теплопередачи), теплообмен в доменной печи не является завершенным.

Над разгадкой этого очевидного парадокса работали многие крупные ученые металлурги-доменщики и теплотехники, но правильную, четкую модель теплообмена в доменной печи удалось создать ученым кафедры металлургических печей Уральского государственного технического университета под руководством профессора Б.И. Китаева.

Было установлено, что приведенный парадокс обусловлен следующей особенностью теплообмена в доменных печах.

В доменной печи происходит не просто теплообмен между газом и шихтой, а одновременно получают развитие физико-химические процессы, сопровождающиеся значительными тепловыми эффектами. Для учета тепловых эффектов этих процессов Б.И. Китаевым введено понятие о кажущейся теплоемкости материалов. Теплоемкость определяется как сумма физической теплоемкости материалов шихты (количества тепла, необходимого для нагрева единицы вещества на один градус) и тепловых эффектов реакций, в которых участвуют шихтовые материалы.

В доменной печи соотношение теплоемкостей потоков газа и материалов, от которого зависит ход теплообмена, не остается постоянным, а меняется по высоте (рис. 2.3‑3). Это и усложняет картину теплообмена и определяет приведенные выше особенности его в доменной печи.

Теплоемкость газового потока при изменении температуры по высоте печи почти не меняется. Удельная теплоемкость газового потока с ростом температуры возрастает, но количество газа и содержание в нем трехатомных компонентов (СО₂ и Н₂О), обладающих большей теплоемкостью, уменьшается. Эти два фактора практически компенсируют друг друга, в результате теплоемкость газового потока остается почти постоянной по всей высоте доменной печи.

В отличие от теплоемкости газового потока, теплоемкость потока материалов в зависимости от температуры и, соответственно, по высоте доменной печи меняется существенно.

При невысоких температурах в верхней части печи она также меняется мало, т.к. уменьшение массы материалов в результате разложения гидратов и удаления влаги, диссоциации карбонатов, косвенного восстановления компенсируется увеличением удельной теплоемкости при повышении температуры. Однако, начиная с горизонта, где температура достигает 700…800 ^оС, а особенно 900…1000 ^оС (начало прямого восстановления железа), происходит резкое увеличение кажущейся удельной теплоемкости материалов, а следовательно и теплоемкости их потока, в первую очередь за счет реакции газификации углерода кокса. Разложение карбонатов, плавление чугуна и шлака также значительно увеличивают кажущуюся теплоемкость потока материалов.

При температуре t₀ »900 ^оC теплоемкости потоков становятся равными, а при более высоких температурах теплоемкость потока материалов становится значительно выше теплоемкости газового потока. Таким образом, в отличие от большинства противоточных теплообменников, соотношение теплоемкостей потоков в доменной печи меняется по высоте.