Два потока встречаются и взаимодействуют в поде доменной печи: кислородсодержащая дутья поступает в верхнюю часть печи через тир, а твердые нагретые куски кокса, жидкого чугуна и шлака стекают в печь сверху. Вблизи тигров дутье и газы влияют на углерод компонентов кокса и чугуна, т. Е. Компоненты углерода и чугуна окисляются (сгорают). Эти процессы происходят в камерах сгорания, которые представляют собой замкнутые пространства и называются зонами окисления. В печи также происходят другие процессы — восстановление элементов, шлакование, науглероживание и десульфуризация железа. Эти процессы приводят к окончательному составу железа и шлака.
Сжигание угля в фурмах
Самым важным процессом, происходящим в печи, является сжигание коксующегося угля в тиглях, потому что он генерирует тепло, необходимое для процесса, создает восстановительные газы и высвобождает объем, который заполнен соседними материалами, облегчая движение шихты в топку сверху вниз.
Сжигание коксующегося угля на тыерском участке обеспечивает:
— выделение тепла, необходимого для нагрева груза и газов;
— плавка чугуна и шлака;
— образование восстановительного газа;
— образование свободного объема в результате газификации угля из кокса, обеспечивающего движение шихты сверху вниз.
Дутья, нагретая до 1000-1200 ° С, проходит через тигли с выходными отверстиями диаметром 160-220 мм, равномерно распределенными по печи. Избыточное давление продувки при повышенном давлении газа в топке составляет 2,5-3,5 ат., Величина продувки на фурме 170-220 м 3 / мин, скорость продувки на выходе из фурмы 140-240 м / мин. с. При таких параметрах дутьевой поток имеет высокую кинетическую энергию, что вызывает циркуляцию кусков кокса перед тиглями (рис. 31).
В процессе закрутки раскаленных кусков кокса в дутье происходит химическое взаимодействие дутьевого кислорода и коксующегося угля (горение угля) с выделением тепла и образованием газов-восстановителей. Во-первых, дутьевой кислород создает с коксующимся углем углекислый газ, который, удаляясь от тигля в условиях высокой температуры и избытка углерода, вступает в реакцию с последним и превращается в монооксид углерода. Сжигание угля при сухой продувке воздухом можно представить схемой
Рис.31 — Схема циркуляции кокса по тиглям доменной печи
где 3,76 — количество объемных единиц азота в дутье на одну объемную единицу кислорода во дутье, поскольку дутье содержит 79% N
2
и 21% O
2
.
Таким образом, конечным результатом сжигания угля в камере сгорания является CO.
Азот в доменной печи не участвует в реакциях горения и полностью переходит в дымовые газы, значительно снижая в них концентрацию окиси углерода.
CO образуется не только при сгорании кокса, но также при сгорании железа, марганца, кремния, фосфора и других оксидов, присутствующих в печи. Кроме того, в доменной печи всегда присутствует естественная влага, которая реагирует с коксующимся углем при высоких температурах с образованием окиси углерода и водорода.
При вдувании природного газа в топку содержание водорода в продуктах сгорания достигает 8-15%, а содержание CO и азота снижается. Когда в доменной печи обогащается кислородом, количество продуктов сгорания на единицу введенного кислорода уменьшается из-за уменьшения относительного количества азота, вводимого в печь обогащенной доменной печью.
Таким образом, продукты сгорания доменной печи вне зоны горения состоят из окиси углерода, водорода и азота, независимо от влажности дутья, количества продуваемого природного газа и содержания кислорода в дутье. Меняется только количественный состав выхлопных газов и их объем на единицу продуваемого кислородом.
Изменение состава газов перед соплами доменной печи при вдувании воздуха показано на рисунке 32. Содержание кислорода в газовой фазе постоянно уменьшается с удалением от пасти тигра и полностью исчезает на расстоянии 800 м. — 1250 мм, затрачиваемое на реакцию горения угля (88). В пасти тигра в газовой фазе появляется углекислый газ. Его содержание увеличивается, достигая максимума на расстоянии 500-800 мм от фурм, а затем быстро уменьшается и на расстоянии 1200-1800 мм полностью исчезает в результате реакции (89). Газообразный угарный газ появляется на некотором расстоянии (150-300 мм) от тигров, и его содержание быстро увеличивается с использованием кислорода и углекислого газа.
Рисунок 32 — Изменение состава и температуры газа в зоне горения у тиглей доменной печи при продувке воздухом
Вне зоны окисления в направлении оси печи содержание CO в газовой фазе продолжает увеличиваться из-за добавления CO к газу, образующемуся в реакциях прямого восстановления.
При изменении состава газовой фазы в зоне горения изменяется и температура (рис. 32). Максимальная температура в зоне горения (самая высокая температура в доменной печи) соответствует максимальному содержанию углекислого газа, т.е. наиболее полной экзотермической реакции (88). Максимальные баллы по выбросам CO
2
и температура в камере сгорания совпадают. Это так называемые очаги горения с температурой 1800 — 2200 ° C, а иногда и выше. По мере удаления от очага горения к печи температура снижается в результате эндотермической реакции между диоксидом углерода и коксующимся углем (89), а за пределами зоны окисления — в результате прямого восстановления элементов с поглощением тепла.
На основании анализа графика (Рисунок 33) можно определить зону окисления. Это сферическое пространство перед поворотом печи, характеризующееся наличием углекислого газа в газовой фазе. Внутри зоны окисления находится меньшая кислородная зона, в которой присутствует свободный кислород. Схема зоны окисления перед большими тиглями печи показана на рисунке 33.
1 — кислородная зона; 2 — зона углекислоты
Рисунок 33 — Принципиальная схема зоны окисления перед тиглями доменной печи.
Окислительные зоны характеризуются окислительной атмосферой, и она отличается от других зон печи с восстановительной атмосферой.
Размер и форма зоны горения (фурменная топка) зависят от размера зоны окисления — ее глубины, высоты и ширины. Работа доменной печи во многом зависит от размера зоны горения. Если его уменьшить, то ухудшится равномерность газораспределения и скорость движения материала в поперечном сечении печи. Обычно уменьшение глубины зоны горения приводит к засорению осевой зоны топки. С другой стороны, чрезмерное расширение зоны горения также нежелательно, поскольку оно вызывает интенсивное окисление компонентов железа.
Размер зоны горения непостоянен даже для одной и той же доменной печи и может значительно варьироваться. При нормальном ходе доменного процесса, в зависимости от условий эксплуатации, зона кислорода может достигать глубины 800-1250 мм, а зона окисления (за счет исчезновения СО2) — до глубины 1250-1800 мм. .
Основными факторами, определяющими размер и форму зон горения, являются: 1) качество и свойства кокса; 2) количество обдува; 3) скорость обдува тигля; 4) нагревательный удар; 5) давление наддува; 6) влажность воздушного потока; 7) количество вдуваемых водородсодержащих присадок; 8) содержание кислорода в ударе.
