Промышленные печи и газовое хозяйство заводов - Щукин А.А.
Скачать (прямая ссылка):
Доменная печь, схема процессов в которой показана на рис. 11-11, представляет собой шахту, имеющую значительные размеры. Так, даже небольшая печь с полезным объемом 1 400 м3 имеет высоту 33 м и внутренний диаметр горна 8,2 м. Исходная шихта состоит либо из железной руды в агломерированном виде, кокса и флюсов — известняка и
мартеновского шлака, либо из \Двметтгаз Уже офлюсованного агломерата.
Шихтовые материалы загружаются в печь чередующимися слоями. Железная руда состоит из § смеси окислов железа. В магнитном железняке содержится главным образом магнитная окись железа РезС>4, в красном железняке— окись железа РегОз и в буром железняке — гидрат окиси железа Ре20з*ЗН20. Содержание железа в рудах колеблется от 38 до 65%, причем наилучшей рудой является магнитный железняк.
Воздух, подогретый в воздухонагревателях до температуры 1 ООО—1 250 °С, подается в печь через фурмы и пронизывает слой кокса, состоящий из кусков размером в 25—80 мм. При выходе из сопла фурмы скорость воздуха достигает 100—150 м/сек, а затем по мере прохождения через слой кокса в направлении оси печи постепенно уменьшается. Чем выше температура подогрева воздушного дутья, тем лучше работает печь. Если раньше довольствовались температурой дутья 800—950 °С, то в настоящее время она доводится до 1250°С и выше за счет улучшения работы кауперов путем отопления их не одним доменным газом, а смешанным коксодоменным газом с теплотой сгорания 4,19—5,45 Мдж/м3. Для новых доменных печей Гипромезом разработана специальная конструкция регенеративных воздухоподогревателей.
Газообразование в слое кокса. Многочисленные опыты по газификации углерода, проведенные 3. Ф. Чухановым, М. К. Грод-зовским и др., показали, что в слое газифицируемого углерода имеются две характерные зоны— кислородная (зона горения) и восстановительная. Эти зоны связаны между собой, и переход от одной в другую происходит постепенно, без разрыва.
194
ууф
Рис. 11-11. Схема процессов, происходящих в доменной печн.
В кислородной зоне взаимодействие углерода с кислородом протекает по реакциям
С + Ог=СОа+409,055 Мдж\ (11-1)
2С + 02=2С0 + 246,564 Мдж.
(11-2)
Таким образом, продуктами реакции в кислородной зоне являются одновременно окись углерода СО и двуокись углерода СОг. Образующиеся двуокись и окись углерода способны в дальнейшем реагировать с углеродом и кислородом, поэтому написанные реакции называются первичными. При горении углерода неизбежно протекают одновременно и следующие вторичные реакции:
а) горение окиси углерода за счет кислорода дутья
б) восстановление двуокиси углерода в присутствии раскаленного углерода до окиси углерода
Таким об<разом, взаимодействие углерода с кислородом в зоне горения нельзя рассматривать как простую окислительную реакцию.
Взаимодействие углерода с кислородом и двуокисью углерода протекает на поверхности раздела фаз (такие реакции называются гетерогенными), и скорость его йуПов измеряется количеством углерода в граммах, сгоревшего за 1 сек на 1 см2 активной поверхности топлива, т. е. имеет размерность г/(см2- сек). Эта скорость зависит от температуры процесса и концентрации реагирующих газов, а также от скорости диффузии окислителя к поверхности топлива. Вблизи этой поверхности (в пограничном слое) концентрация реагирующих веществ уменьшается, а концентрация продуктов реакции (СО и СОг) увеличивается. Этот пограничный слой представляет наибольшее сопротивление подводу окислителя, поэтому скорость реакции горения зависит в основном от скорости диффузии окислителя через пограничный слой. Последняя же зависит от толщины пограничного слоя, температуры и от разности концентраций окислителя в потоке и у поверхности. В свою очередь толщина пограничного слоя зависит от скорости потока и приведенного диаметра частиц топлива.
При имеющих место в доменной печи высоких температурах более 2 000°С скорость реакции окисления так велика, что процесс горения углерода лимитируется практически только скоростью диффузии, т. е. физическим фактором. Восстановление двуокиси углерода заканчивается на расстоянии примерно 1—1,5 м от фурм.
Высокая температура и большая скорость газового потока обеспечивают интенсивный процесс газификации, и весовое напряжение горна по коксу составляет 1000 кг/(м2'Ч) и более. Полученный воздушный генераторный газ с высокой температурой поднимается вверх, пронизывая куски шихтовых материалов, медленно опускающиеся вниз навстречу потоку газа, и, отдавая тепло шихте, обеспечивает протекание в печи всех эндотермических реакций.
Как видно из рис. 11-10, в верхней части печи по мере нагрева материалов идет удаление внешней и внутренней (гидратной) влаги из шихты, которое заканчивается при температуре порядка 800°С.
Здесь же из кокса выделяются летучие вещества, главным образом водород. При. температуре 600°С и выше происходит разложение известняка СаСОз—*СаО+СОг, протекающее с поглощением тепла. Выделяющаяся при этом двуокись углерода смешивается с потоком газа, увеличивая его балласт.
13* 195
2СО + Oz—)-2СОг;
(11-3)
СОг+С...»2СО.
