Горение углерода и состав газов в горне

 

В горне доменной печи встречаются и взаимодействуют два потока: через фурмы в верхнюю часть горна поступает содержащее кислород дутье, а сверху в горн опускаются твердые, нагретые до высокой температуры куски горючего и жидкие чугун и шлак. Вблизи фурм происходит взаимодействие дутья, и газов с углеродом горючего и составляющими чугуна, т. е. совершаются процессы окисления (горения) углерода и составных частей чугуна. Эти процессы протекают в очагах горения, представляющих собой ограниченные пространства и называемых окислительными зонами. В горне совершаются и другие процессы–восстановления элементов, шлакообразования, науглероживания и десульфурации чугуна. Следствием этих процессов является формирование окончательного состава чугуна и шлака.

Важнейшим процессом в горне является горение углерода горючего у фурм, так как при этом выделяется необходимое для процесса тепло, образуются восстановительные газы и освобождается объем, который заполняется вышележащими материалами, способствуя движению шихты в печи сверху вниз.

Нагретое до 1000– 1200°С дутье поступает через равномерно расположенные по окружности горна фурмы с выходными отверстиями диаметром 160– 220 мм. Избыточное давление дутья при работе печи на повышенном давлении газов составляет 2,5–3,5 ат., количество дуться на одну фурму 170–220 м³/мин, скорость дутья на выходе из фурмы 80–140 м/сек. При таких параметрах струя дутья обладает огромной кинетической энергией, вызывая циркуляцию кусков кокса перед фурмами (рисунок 6.1).

В процессе вихревого движения раскаленных кусков кокса в струе дутья происходит химическое взаимодействие кислорода дутья и углерода кокса (горение углерода) е выделением тепла и образованием восстановительных газов. Вначале кислород дутья с углеродом кокса образует диоксид углерода, который по мере удаления от фурм в условиях высокой температуры и избытка углерода взаимодействует с последним и превращается в оксид углерода. Горение углерода при воздушном осушенном дутье может быть представлено схемой:

 

C_K + O₂ + 3,76 N₂ → CO₂ + 3,76N₂ + 96000 ккал (7.1)

+

СО ₂ + С → 2СО – 39300 ккал (7.2)

2С + О₂ + 3,76 N₂ → 2СО + 3,76N₂ +56 700 ккал, (7.3)

 

где 3,76 – количество объемных единиц азота дутья, приходящихся на одну объемную единицу кислорода дутья, так как в дутье содержится 79% N₂ и 21% О₂.

Азот дутья в реакциях горения участия не принимает и полностью переходит в горновой газ, сильно уменьшая концентрацию окиси углерода в нем.

 

Рисунок 7.1 - Схема циркуляции кокса у фурмы доменной печи

 

Источником СО являются не только реакции горения углерода кокса, но и протекающие в горне ПВ оксидов железа, марганца, кремния, фосфора и др. Кроме того, в дутье всегда содержится естественная влага, взаимодействующая в горне при высоких температурах с углеродом кокса, образуя оксид углерода и водород:

 

Н₂О + С → Н₂ + СО - 29 730 ккал. (7.4)

 

При увлажнении дутья с целью интенсификации процесса содержание влаги в нем может достигать 3 – 4% по объему, что составляет 24 – 32 г/м³ дутья. Соответственно этому в горновом газе возрастет и содержание водорода.

При вдувании в горн природного газа содержание водорода в продуктах горения достигает 8 – 15%, а содержание СО и азота уменьшается. При обогащении дутья кислородом количество продуктов горения на единицу вдуваемого кислорода уменьшается вследствие уменьшения относительного количества азота, вносимого в печь обогащенным дутьем.

Таким образом, продукты горения в горне доменной печи за пределами очагов горения состоят из окиси углерода, водорода и азота независимо от степени увлажнения дутья, количества вдуваемого природного газа и содержания кислорода в дутьё. Изменяется лишь количественный состав горнового газа и его объем на единицу вдуваемого кислорода.

Изменение состава газов перед фурмами доменной печи при воздушном дутье показана на рисунке 7.2. По мере удаления от устья фурмы содержание кислорода в газовой фазе непрерывно уменьшается и на расстоянии 800 – 1250 мм полностью исчезает, расходуясь в реакции горения углерода (7.1). У самого устья фурмы в газовой фазе появляется диоксид углерода. Содержание его увеличивается, достигая максимума на расстоянии 500 – 800 мм от фурмы, а затем быстро уменьшается и на расстоянии 1200 – 1800 мм полностью исчезает вследствие протекания реакции (6.2). Оксид углерода в газовой фазе появляется на некотором (150 – 300 мм) расстоянии от фурмы и содержание его быстро возрастает по мере расходования кислорода и двуокиси углерода. Поскольку из одного объем, а взаимодействующего с углеродом кислорода дутья образуется, два объема окиси углерода, то объемное количество горновых газов больше исходного количества дутья на величину, равную содержанию кислорода в дутье.

За пределами окислительной зоны по направлению к оси горна содержание СО в газовой фазе продолжает возрастать в результате прибавления к газу СО, образующейся в реакциях прямого восстановления элементов. По количеству СО в горновом газе у оси горна можно судить о газопроницаемости осевой зоны печи и об активности работы центрального участка горна, а именно: чем выше содержание СО, тем менее газопроницаемая осевая зона, вследствие чего в горн приходят менее восстановленные и менее нагретые материалы. Если теоретическое содержание СО в горновом газе, получающееся в результате горения углерода кокса, равно 34,7%, то при плохой газопроницаемости осевой зоны содержание СО в газе из центра горна может достигать 55 – 60%. Нормальным считается содержание СО у оси горна 40 – 46%.

 

Рисунок 7.2 - Изменение состава и температуры газа в зоне горения у фурм

доменной печи при воздушном дутье

 

В соответствии с изменением состава газовой фазы в очагах горения изменяется и температура. Максимальная температура в зоне горения (самая высокая температура в доменной печи) соответствует максимальному содержанию двуокиси углерода, т.е. наиболее полному протеканию экзотермической реакции (7.1). Точки максимумов на кривых СО₂ и температуры в очаге горения совпадают. Это так называемый фокус горения с температурой 1800 – 2000° С, а иногда и выше. По мере удаления от фокуса горения в глубь горна температура понижается, вследствие протекания эндотермической реакции взаимодействия двуокиси углерода с углеродом кокса (реакция 7.2), а за пределами окислительной зоны – вследствие прямого восстановления элементов, идущего с поглощением тепла.

На основании анализа диаграммы (рисунок 7.2) можно дать определение окислительной зоны. Это сфероподобное пространство перед фурмой в горне, характеризующееся наличием в газовой фазе двуокиси углерода. В объеме окислительной зоны выделяют меньшую, по размерам кислородную зону, в которой имеется свободный кислород. Схема окислительной зоны перед фурмой доменной печи показана на рисунке 7.3.

Окислительные зоны характеризуются окислительной атмосферой и этим они отличаются от других зон печи, имеющих восстановительную атмосферу.

 

1 – кислородная зона; 2 – углекислотная зона

Рисунок 7.3 - Схема окислительной зоны перед фурмой доменной печи

 

Окислительные зоны характеризуются окислительной атмосферой и этим они отличаются от других зон печи, имеющих восстановительную атмосферу.

Количество углерода, сгорающего в горне, и образующихся продуктов горения в единицу времени строго пропорционально количеству вдуваемого кислорода. В каких бы пределах ни изменялось количество дутья, весь кислород будет израсходован с образованием окиси углерода.

Размеры и форма зоны горения определяются размерами окислительной зоны – ее глубины, высоты и ширины. Распространение окислительной зоны, в направлении оси печи характеризует ее глубину, вверх и вниз от оси фурмы – высоту и в горизонтальной плоскости, проходящей, через ось фурмы – ширину. От размеров зоны горения существенно зависит работа доменной печи. При ее уменьшении нарушается равномерность распределения газов и скоростей движения материалов по сечению печи. Сокращение глубины зоны горения, как правило, приводит к загромождению осевой зоны горна. С другой стороны, чрезмерное увеличение зоны горения также нежелательно, поскольку вызывает интенсивное окисление составных частей чугуна.

Основными факторами, определяющими размеры на форму зон горения, являются: 1) качество и свойства горючего; 2) количество дутья; 3) скорость истечения дутья из фурм; 4) нагрев дутья; 5) давление дутья; 6) влажность дутья; 7) количество вдуваемых водородсодержащих добавок; 8) содержание кислорода в дутье.

Рассмотрим влияние этих факторов на размеры окислительной зоны, так как циркуляционная зона практически сливается с кислородной зоной, расположенной внутри окислительной.