Процеси в горні печі. Теплообмін у печі

Горіння вуглецю в окислювальних зонах у фурм. Окислювальні зони, чинники, які впливають на їхні розміри. Зміна складу газів і їх температури в горні по осі фурм. Окислення у фурм раніше відновлених елементів (заліза, марганцю й ін.). Теплообмін між потоками шихти і газу в доменній печі. Зміна температури шихти і газів по висоті печі.

В горні доменної печі закінчуються процеси відновлення, шлакоутворення, навуглецювання і десульфурації чавуну. Найважливішим процесом, протікаючим у горні, є горіння вуглецю палива в кисні дуття. Нагріте до високих (1100-1300°С) температур повітря, що називають гарячим дуттям, поступає в доменну піч через спеціальні пристрої – фурмені прилади, розташовані рівномірно по периметру верхньої частини горна. Кількість фурм визначається об'ємом доменної печі і змінюється від 14 (для печей малого об'єму) до 40 (для печей корисним об'ємом 4000-5000 м³). Щохвилинний об'єм дуття, яке подається в доменну піч, складає приблизно два її об'єми. Витрата дуття на одну фурму складає 170-230 м³/хв, а швидкість його на виході з фурми досягає 200 м/с.

Згорання вуглецю коксу у фурменій зоні є основною причиною опускання матеріалів у доменній печі. При горінні в горні створюються відновні гази і виділяється теплота, необхідна для нагріву шихти і продуктів плавки, протікання процесів дисоціації, відновлення елементів та ін., тому процеси в горні визначають протікання доменної плавки в усьому об'ємі печі.

Під впливом струменя дуття шар коксу перед повітряними фурмами розпушується, куски коксу, згораючи, як би плавають у потоці газів, а між шматками утворюються великі проміжки. При достатньо високій кінетичній енергії струменя дуття у фурм створюються порожнини, в яких виникає вихровий рух газів, унаслідок чого шматки коксу починають рухатися по зовнішній поверхні розпушеної зони (зони циркуляції). В утворену перед фурмами порожнину кокс поступає дискретно при періодичному обваленні динамічно нестійких склепінь, розташованих вище фурмених вогнищ. Унаслідок цього горіння коксу відбувається в значній мірі на зовнішній поверхні порожнини, що створюється при циркуляції.

В умовах надлишку кисню відбувається процес повного окислення вуглецю з утворенням вуглекислого газу:

С+ О₂ → СО₂; ∆Н<0.

А оскільки горно доменної печі заповнено коксом, то двооксид вуглецю, що створився, відновлюється до СО:

СО₂ + С→ 2СО; ∆Н>0,

чому сприяє і висока температура (1400 – 2000 °С).

Якщо в доменну піч в якості дуття подається сухе атмосферне повітря, що містить 79 % азоту і 21 % кисню з відношенням N₂/O₂ = 3,76, то результуюча реакція окислення вуглецю в горні доменної печі має вигляд:

2С +О₂ + 3,76 N₂ → 2CO + 3,76 N₂ ,

а горновий газ складається з 34,7 % СО і 65,3 % N₂.

Склад горнового газу залежить від вмісту кисню в дутті. З підвищенням вмісту кисню кількість СО у горновому газі збільшується, а азоту зменшується. Так при вмісті кисню в дутті 30 %, об'ємне відношення N₂ до О₂ дорівнює 70: 30 = 2,36 і відповідно до реакції:

2С + О₂ + 2,36 N₂ → 2CO + 2,36 N₂,

вміст СО в горнових газах буде рівним 45,9 % при вмісті азоту в ньому 54,1 %.

Кокс є найдорожчим паливом доменної плавки, тому проводяться пошуки всіляких шляхів його заміни на більш дешеве. Одним із замінників коксу, який отримав широке розповсюдження на металургійних підприємствах України, є природний газ. Хімічні перетворення природного газу в доменній печі можуть бути представлені наступною схемою:

СН₄ + 2О₂ → СО₂ + 2Н₂О,

СО₂ + С → 2СО,

Н₂О + С → Н₂ + СО

СН₄ + ½ О₂ → СО + 2Н₂.

При вдуванні вуглеводнів у доменну піч їхнє горіння до СО утворює тепла приблизно в три рази менше, ніж при горінні вуглецю коксу.

При згоранні метану кількість продуктів горіння на одиницю вуглецю, що окислюється, приблизно в 1,7 разів більше, ніж при окисленні вуглецю коксу.

Ефект від вдування вуглецевмісних добавок у доменній плавці визначається підвищенням концентрації відновників у горнових газах і можливістю підвищення температури дуття за рахунок меншого теплового ефекту розкладання і окислення вуглеводнів у доменній печі, ніж при окисленні вуглецю коксу.

Ефективність доменної плавки підвищується при одночасному використанні вуглецевмісних добавок і збагаченні дуття киснем, оскільки їхній вплив на доменний процес протилежний: збагачення дуття киснем приводить до зменшення об'єму горнових газів і збільшення їхньої температури при зворотному впливі на ці параметри природного газу та інших вуглецевмісних добавок.

При протіканні крапель чавуну через окислювальні зони, що містять кисень і вуглекислоту, відбувається окислення раніше відновлених із шихти елементів і вуглецю, розчиненого в чавуні.

Оксиди заліза, кремнію, марганцю, що створюються, у вигляді рідкого шлаку стікають у нижню частину горна і відновлюються вуглецем коксу, заповнюючого горно. У такий спосіб відбувається доставка частини кисню дуття в зони, розташовані нижче окислювальних зон, це сприяє газифікації вуглецю коксу за межами зон горіння і посиленню опускання матеріалів по всьому перетину доменної печі, звільненню горна від дрібних частинок коксу, які називають коксівним сміттям.

Зміна складу газу в доменній печі по радіусу горна на рівні горизонту повітряних фурм представлена на рис. 3.8.

		Рис. 3.8 - Зміна складу газу по осі фурми без утворення циркуляційної зони

Кисень дуття взаємодіє з вуглецем із утворенням вуглекислоти, кількість якої постійно підвищується. Із зникненням вільного кисню з вуглецем коксу взаємодіє вуглекислота, викликаючи збільшення в горнових газах вмісту СО. Остаточний склад горнових газів у будь-якому випадку складається з трьох компонентів: СО, Н₂ і N₂. Їхній вміст визначається трьома чинниками: вмістом у дутті кисню і вологи, а також витратою вуглецевмісних добавок.

Горновий газ, який складається з монооксиду вуглецю, водню та азоту, нагрітий до температури 1800 – 2000 °С, підіймаючись до колошника, віддає матеріалам, що рухаються йому назустріч, тепло, відновлює залізо та інші елементи і покидає доменну піч із температурою 150 – 300 °С і хімічним складом, який значно змінюється. В ході протікання хімічних процесів частина СО і Н₂ перетворюється на СО₂ і Н₂О, в газ переходить СО₂, що створюється при розкладанні карбонатів і в результаті протікання реакції 2СО → СО₂ + С. У результаті подолання опору стовпа шихтових матеріалів тиск газу при його русі від горна до колошника зменшується на 100-150 кПа. Вміст вуглекислоти в пічних газах збільшується від 0 до 15 - 25 %.

Хімічний склад газу і його кількість змінюються безпосередньо за окислювальною зоною внаслідок інтенсивного відновлення заліза й інших елементів прямим шляхом. Унаслідок цього газ у міру видалення із зони горіння збагачується монооксидом вуглецю, що відбувається до тих пір, поки газ не надійде в область непрямого відновлення заліза й інших елементів, яке приводить до збільшення концентрації в пічних газах СО₂ і Н₂О.

Зміна вмісту СО₂ по висоті та горизонтальному перетину печі визначається умовами руху газового потоку. В тих зонах, де газ проходить з великими швидкостями і у великих кількостях, його температура висока, а вміст СО₂ знижений.

У міру підйому газу його кількість збільшується головним чином за рахунок приєднання до нього кисню шихти при протіканні реакцій прямого відновлення, реакцій дисоціації карбонатів, переходу в газ летючих речовин коксу.

По відношенню до кількості дуття кількість горнового газу зростає на 21 - 23 %, а кількість колошникового газу – на 38 - 40 %. При збагаченні дуття киснем витрата дуття і кількість горнового газу на одиницю маси зменшуватиметься за рахунок зниження вмісту азоту.

Найбільший статичний тиск газу встановлюється в горні доменної печі і знаходиться в прямій залежності від кількості дуття, газодинамічного опору стовпа шихтових матеріалів, об'єму створюючихся горнових газів, їхньої температури і тиску на колошнику. Статичний тиск газу при його русі від горна до колошника зменшується у міру подолання газовим потоком опору стовпа шихтових матеріалів і рідких продуктів плавки, тобто створюються втрати тиску або перепад тиску газу ΔР, який визначається різницею тиску газу в горні і на колошнику:

ΔР = Р_г – Р_к,

де Р_г – статичний тиск газу в горні;

Р_к – статичний тиск газу на колошнику.

Ця величина визначається швидкістю газового потоку, щільністю газу, висотою стовпа матеріалів і його газопроникністю.

Опір руху газу за інших рівних умов зростає зі збільшенням швидкості газу і зниженням газопроникності шихти і рідких продуктів плавки. Зміна втрат тиску (перепаду тиску) по висоті печі різна і залежить від газодинамічного опору відповідної ділянки по висоті доменної печі. На рис. 3.9 представлено два випадки впливу газопроникності стовпа матеріалів у печі на перепад тиску по висоті печі.

Випадок А характеризується великим газодинамічним опором у нижній частині доменної печі, де відбувається розм'якшення і плавлення шихти. Випадок Б характеризується великими втратами тиску газу у верхній частині доменної печі.

Вимірювання перепаду статичного тиску газу між горном і колошником не дає можливості визначити, в якій частині (нижній або верхній) доменної печі має місце збільшення або зменшення опору руху газу. Тому на багатьох доменних печах виміряють тиск газу в середній частині шахти і введені поняття приватних перепадів тиску газу по висоті доменної печі:

- верхній приватний перепад ΔР_в = Р_с.ш. – Р_к;

- нижній приватний перепад ΔР_н = Р_г – Р_с.ш.,

де Р_с.ш. - статичний тиск газу в середній частині шахти доменної печі.

Загальний перепад тиску газу дорівнює сумі приватних перепадів.

Величина перепаду тиску газу робить вирішальний вплив на характер опускання шихти. Перевищення перепаду тиску понад певних значень викликає втрату плавного опускання шихти або його припинення, що неприпустимо.

Питання для самоконтролю засвоєння матеріалу:

1. Які процеси відбуваються в горні доменної печі?

2. Від чого залежать розміри окислювальних зон в горні доменної печі?

3. Намалюйте і поясніть графік зміни хімічного складу і температури газу по радіусу горна доменної печі.

4. Як змінюється склад газу і його температура при русі від горна до колошника?

5. Як впливає подача природного газу на температуру у фурменній зоні і склад доменного газу?

6. Як розташовані фурменні вогнища по радіусу і перетину горна доменної печі?

7. Напишіть реакції горіння коксу і поясніть причини його горіння до монооксиду вуглецю.

Дата добавления: 2015-07-17