6. Дутьё, процессы в горне и движение газов в печи.
6.1. Дутье.
Дутьем служит атмосферный воздух и зачастую воздух, обогащенный кислородом. Температура дутья в настоящее время на разных печах находится в пределах 1100-1300 0С, давление перед фурмами достигает 0,4-0,5 МПа, расход дутья. На хорошо работающих печах составляет 1,6t-2,3 объема печи в минуту. Его всегда стараются поддерживать максимальным, поскольку при увеличении минут расхода дутью больше сгорает кокса и проплавляется шихты в единицу времени, т.е. возрастает производительность печи. В указанных пределах для каждой доменной печи в ходе эксплуатации находят такой допустимый расход дутья, при котором сохраняется равный сход шихты и после превышения которого не нарушается, т.е. начинаются повисания шихты, а также возникают локальные продувы шихты газами, т.е. их движение по отдельным каналам в шихте (канальный ход газов). На печах объемом 5000 м3 расход дутья достигает 8500 м3/мин. .
Дутье в доменные печи подают из воздуходувной станции от расположенных в ней воздуходувных машин (компрессоров) с приводам в виде паровой турбины и иногда с электроприводом, создающими давление дутья на выходе 0,45-0,59 МПа. При обогащении дутья кислородом последний вводят во входной патрубок воздуходувной машины.
Дутье проходит воздухонагреватели, кольцевой воздухопровод и из него поступает в верхнюю часть горна через равномерно расположенные по окружности горна 16-40 фурм. Выходной диаметр фурм составляет 140-190 мм, весов фурм (расстояние от конца фурмы до футеровки) 300-500 мм, скорость дутья на выходе из фурмы 180-240 м/мин при расходе дутья на одну фурму 170-230 м3/мин.
6.2. Процессы в горне.
В горне доменной печи встречаются и взаимодействуют два потока: опускающаяся шихта и горновые газы. Сверху в горн опускаются твердые, нагретые до высокой температуры куски кокса, а также жидкий чугун и шлак. Извне через фурмы, расположенные в верхней части горна, поступает нагретое дутье и обычно еще углеводородсодержащие добавки. Вблизи фурм происходит процесс сжигания углерода топлива и углеводородов природного газа или мазута. Получающиеся горновые газы поднимаются :вверх навстречу опускающейся шихте.
Основным и важнейшим процессом в горне является сжигание углерода кокса, которое обеспечивает:
а) выделение тепла, необходимого для нагрева шихты и газов, обеспечения процессов восстановления, расплавления чугуна и шлака и компенсации теплопотерь печи;
б) образование газа-восстановителя СО;
в) образование свободного объема вследствие превращения твердых кусков кокса в газ, что способствует движению шихты в печи сверху вниз.
Окисление углерода кокса происходит в сравнительно небольших по объему участках горна вблизи фурм, называемых окислительными зонами. Большая кинетическая энергия струй дутья вызывает циркуляцию кусков кокса перед фурмами, и они сгорают в окислительной зоне во взвешенном состоянии. Во внутренней, прилегающей к фурме части такой зоны, углерод, реагируя с кислородом, окисляется до С02; в периферийной (углекислотной) части зоны, где кислород уже израсходован и содержится лишь С02, углерод окисляется, реагируя с С02, образуя при этом СО. Участки исчезновения С02 представляют собой границу окислительной зоны. Таким образом, конечным продуктом окисления углерода является СО, и процесс окисления идет по следующей схеме:
С + 02 = С02 + 402190 С02 + С = 2СО - 166310
2С + 02 = 2СО + 235880 Дж или 9830 кДж/кг *С.
Изменение состава газа в окислительной зоне по мере отдаления от фурм
Размеры окислительной зоны как вдоль оси воздушной фурмы, так и вдоль оси печи возрастают с повышением количества воздуха или, точнее, с ростом кинетической энергии струи дутья и сокращаются при увеличении давления дутья, повышении температуры дутья и концентрации кислорода в дутье. На больших печах протяженность окислительной зоны вдоль оси фурм достигает 1,7-1,9 м. Продукт сгорания кокса - горновой газ состоит, в основном, из СО и N2. Его состав можно легко рассчитать.
Если в горении участвует сухой воздух, содержащий 79 % N2 (объемн.) и 21 % 02 (т.е. N2: 02 = 3,76), то реакцию можно записать так:
2С + 02 + 3,76N2 = 2СО + 3,76N2.
При воздушном дутье температура в центре окислительной зоны, где идут экзотермические реакции окисления углерода до С02, достигает 1900-2000 0С, а на границе окислительной зоны снижается до 1650-1600 0С вследствие протекания эндотермических реакций С02 + С = 2СО. За пределами окислительной зоны по мере отдаления от нее температура снижается, так как протекают реакции прямого восстановления, идущие с поглощением тепла; в центральной часть горна температура чаще всего находится в пределах 1400-1500 0С.
Добавки к дутью кислорода, природного газа и влаги изменяют температурное состояние горна. Увеличение количества влаги в дутье вызывает снижение температур в зоне горения и в горне поскольку, как отмечалось, при попадании в горн Н2О разлагается углеродом с поглощением тепла. Влияние кислорода и природного газа можно оценить, используя формулу, по которой рассчитывают теоретическую температуру горения топлива.
Дутье всегда содержит немного влаги, которая в горне разлагается углеродом: HО + С = СО + Н2 - 124870 Дж. Поэтому в горновом газе всегда есть немного водорода; например, при содержании в дутье влаги в количестве 1 % (объем.) (8,035 г/м2) в горновом газе находится 0,8 % Н2 и соответственно снижается содержание азота и оксида углерода.
При вдувании в горн природного газа он не полностью сгорает по реакции: СН4 + 0,502 = СО + 2Н2 + 37250 Дж и в горновом газе заметно возрастает содержание Н2 (до 8-15 % и более). Заметно увеличивается также объем горновых газов потому, что при сгорании метана на единицу углерода образуются три моля продуктов горения (СО и 2Н2), а при сгорании кокса по реакции С + 0,502 = СО лишь один моль СО; объем продуктов сгорания на единицу углерода возрастает в 1,7 раз. Вдувание в горн мазута, состоящего как и природный газ из углеводородов, характеризуется теми же процессами, что и выдувание природного газа.
При добавке кислорода к дутью объем продуктов сгорания V, как ранее отмечалось, уменьшается, что В соответствии с приведенной выше формулой вызывает повышение ТТ и температур в горне. Вдувание природного газа ведет к увеличению объема продуктов сгорания V, и соответственно, к понижению ТТ и температур в горне; это снижение вызывается также тем, что при сгорании природного газа на один моль сгорающего углерода выделяется меньше тепла (37250 Дж), чем при сгорании углерода кокса(117940 Дж).
Во всех случаях температура газов в центре горна не должна быть ниже 1400-1450 0С, так как при более низких температурах заметно понижается температура продуктов
плавки и ухудшается десульфурация чугуна.
Таким образом, добавка влаги к дутью вызывает снижение температуры горновых газов и небольшое увеличение содержания в них водорода; обогащение дутья кислородом уменьшение объема гopновых газов, повышение их температуры и содержания в них СО; вдувание природного газа, так же как и других углеводородов, - увеличение объема горновых газов, снижение их температуры и существенное их обогащение водородом. Эти изменения оказывают как положительное, так и отрицательное влияние на доменный процесс.
6.3 . Движение газов в печи и изменение их температуры, состава, количества и давления.
Из предыдущего раздела следует, что в горне образуется газ, состоящий из оксида углерода, водорода и азота, нагретый до высокой температуры и характеризующийся значительным давлением. При движении к колошнику этот газ отдает тепло движущимся навстречу материалам и охлаждается, при этом давление его вследствие преодоления сопротивления шихты понижается, а химический состав в результате процессов восстановления непрерывно изменяется и количество его увеличивается. Эти физические изменения приводят к понижению температуры газа примерно с 1600 до 250-300 ОС, давления на 0,1-0,2 МПа, к снижению содержания СО и Н2 и повышению содержания СО2. Ниже эти процессы рассмотрены подробнее.
Распределение газов по сечению печи. Время пребывания газов в печи составляет 3-12 с. Они движутся по сечению печи неравномерно. Естественно стремление газов двигаться вверх преимущественно над зонами горения, т.е. у стен печи, но в целом распределение газового потока определяется величиной сопротивления слоя шихты. Наибольшие количество газов и скорость их движения наблюдаются в участках с меньшим сопротивлением шихты, как правило там, где в шихте выше доля кокса и меньше рудная нагрузка (доля агломерата). Участки, где газы движутся с большими скоростями, характеризуются повышенными температурами и пониженным содержанием СО2 в газе; в связи с этим о распределении газового потока по сечению печи судят по результатам замеров температуры газа и содержания в нем СО2, производимых В колошнике над уровнем шихты, а также в слое шихты на расстоянии до:7-12 м от уровня засыпки.
Замеры ведут с помощью вводимых через отверстия в кожухе и футеровке печи и периодически перемещаемых от периферии к оси печи зондов; зонд представляет собой водоохлаждаемую трубу, в которой размещены термопара и трубка для отвода пробы газа; Характерные случаи распределения газового потока в шахте печи. Перемещение зоны пластичности вверх уменьшает объем печи, в котором идут процессы косвенного восстановления оксидов железа, что, как правило, вызывает увеличение расхода кокса.
Крайне неблагоприятным случаем распределения газового потока является канальный ход газов (движение газов по отдельным каналам в слое шихты), при котором мелкие куски шихты в каналах переходят во взвешенное состояние, что нарушает ровный сход шихты в печи.