Процессы горения топлива в доменной печи

Главные функции, выполняемые горном доменной печи. Скорость реакции горения топлива, диффузия молекул кислорода в пограничный слой. Количество образующейся окиси углерода, температура и концентрация кислорода в газовой фазе. Окислительные зоны печи.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

Федеральное агентство по образованию

Российский государственный профессионально-педагогический

Университет

Кафедра металлургии

Контрольная работа

по курсу «Металлургия»

Процессы горения топлива в доменной печи

Студент: Маслаков С.М.

Группа: ЗЛМ-401

Екатеринбург 2006

Значение работы горна доменной печи можно себе представить, уяснив главные функции, выполняемые этой частью рабочего пространства печи.

Прежде всего от горения кокса на горизонте фурм зависит скорость опускания материалов, загружаемых на колошнике доменной печи. Далее при горении топлива образуется восстановительный газ, обрабатывающий загруженные в печь окислы железа и других элементов.

В горне выделяется все или почти все тепло, необходимое для нормального протекания доменного процесса. Здесь же находится область наиболее высокой температуры, создающей условия для осуществления эндотермических реакций при восстановлении трудновосстановимых элементов, и, наконец, горн выполняет функции металлоприемника.

Образовавшаяся в результате горения углерода кокса окись углерода (СО) играет роль восстановителя окислов железа в верхних горизонтах доменной печи. Продукты горения, нагретые до высоких температур, поднимаются, фильтруясь между кусками материалов и отдавая тепло шихте.

Высокий слой раскаленного углерода в доменной печи вызывает неполное горение углерода в окись углерода, которое проходит последовательно четыре стадии:

а) горение в избытке воздуха по реакции

nС+m(O2+3,762 N2)=nС02+(m -- n)O2+m 3,762N2;

здесь в продуктах горения наряду со свободными кислородом и азотом находится двуокись углерода, объем которой равен объему кислорода, перешедшего в ее состав, а следовательно, и в газе на 79 объемов азота приходится 21 объем кислорода и двуокиси углерода.

б) завершением процесса горения будет полное использование кислорода дутья

С+О2+3,762N2=СО2+3,762N2.

в) горение в двуокись и окись углерода, когда весь кислород дутья поглощен, а содержание СО2 начинает уменьшаться от восстановления углеродом

п(СО2+3,762N2)+mС = (n -- m) СO2+2m СО+nЗ,762 N2.

В ходе этой реакции, сопровождающейся поглощением тепла, происходит локальное понижение температуры.

На стадиях а и б, наоборот, выделяется значительное количество тепла (410 МДж на 12 кг С) от образования двуокиси углерода. Соответствующее повышение температуры продуктов горения достигает максимума на стадии б.

г) неполное горение с образованием окиси углерода из углерода топлива:

(СО2 + 3,762 N2)+С=2СО+3,762 N2.

Таким образом, доля окиси углерода в горновом газе составляет для сухого атмосферного дутья, % (объемн.): 2: (2+ 3,762) =34,7, а доля азота 65,3.

Как только молекулы кислорода непосредственно воздействуют на наружную поверхность куска кокса, происходит горение содержащегося в коксе углерода по уравнению С+О2=СО2, но при условии, что температура в месте соприкосновения достаточна для течения реакции. Молекулы двуокиси углерода вновь реагируют с молекулами углерода поверхности, образуя окись углерода; снаружи, благодаря диффузии, в пограничный слой проникают новые молекулы кислорода, которые окисляют окись углерода и соединяются с углеродом поверхности.

Итак, поскольку в слое газа либо присутствуют молекулы кислорода, либо они туда диффундируют, результатом процесса горения всегда будет двуокись углерода. Если же свободных молекул кислорода нет или мало, то наряду с двуокисью образуется окись углерода. Зону, где существуют свободный кислород и двуокись углерода, называют окислительной.

Скорость реакции горения определяется скоростью диффузии молекул кислорода в пограничный слой; количество же образующейся окиси углерода, кроме того, зависит от температуры и концентрации кислорода в газовой фазе. Скорость реакции, выражаемая количеством углекислоты, образовавшейся на поверхности кокса за бесконечно малое время dф = d(СО2)/dф, зависит от количества как диффундирующих молекул кислорода, так и молекул углерода, вступающих в реакцию на этой поверхности, если число соприкасающихся с поверхностью молекул кислорода больше числа реакционноспособных молекул углерода.

Выражение d(СО2)/dф изменяется, когда на наружной поверхности, кроме углерода, находятся другие элементы, которые, покрывая углерод, сами с кислородом не реагируют. Если, например, количество золы на поверхности кокса увеличивается, то изменяется структурное расположение молекул углерода, а затем и температура реакции; она будет тем ниже, чем в большем объеме происходит процесс горения, и наоборот. Если окислительные зоны малы, то поток расширяющихся газов через малое поперечное сечение окислительных зон в горне печи увеличивает потерю напора между фурмами и колошником и вызывает нарушение хода печи.

Первые исследования работы горна доменных печей проведены в 40-х годах XIX в. Р. Эбельманом (Франция). С тех пор выполнено много замеров окислительных зон печи.

Для определения развития зон горения в стороны от оси фурм применялись водоохлаждаемые трубы (рис. 1), один конец которых, находящийся внутри фурменного колена, сопла и фурмы, прямолинейный, другой, входящий в горн доменной печи, криволинейный. Поворачивая трубу вокруг ее оси и передвигая от устья фурмы в глубь горна, можно отбирать пробы газа из пространства, удаленного от оси фурм на расстояние H. Трубы устанавливали в доменной печи перед загрузкой в нее задувочной шихты.

Использование труб с различной длиной их криволинейной части позволило построить вертикальное и горизонтальное сечения зоны горения (рис. 2), в которых кислородная область (имеется свободный кислород) ограничена содержанием 1% О2, а углекислотная 2% СО2.

горение топливо доменная печь

Рис. 1. Водоохлаждаемая труба для исследования объемного развития окислительной зоны

Рис. 2. Вертикальное (а) и горизонтальное (б) сечения зоны горения перед фурмой доменной печи

Зона горения в большей степени развита в вертикальном, чем в горизонтальном, направлении. С точки зрения улучшения работы печи желательно иметь обратное соотношение, поскольку расширение горизонтального сечения зоны горения способствует более равномерному сходу шихты и распределению газового потока.

Исследование зон горения на основе объемного изучения фурменных очагов 1--9 показывает (рис. 3), что последние не смыкаются в горне печи и не образуют сплошного периферийного активного кольца для схода материалов; это обстоятельство связано с расстоянием между фурмами по окружности горна.

Рис. 3. Схематическое изображение зон горения в доменной печи (высов фурм 150 мм); АВ -- направление движения трубы

Увеличение числа фурм способствует смыканию фурменных очагов и созданию сплошного кольца в периферийной части с перекрытием углекислотных областей соседних фурм.

Образование сплошного, достаточно широкого периферийного кольца может обеспечить более плавный сход ш...