- •2.Подготовка агломерационной шихты к спеканию………………………………………..…4 3.Производство окатышей…………………………………………………………………..…..6
- •3.Производство окатышей
- •4.Производство металлургических брикетов
- •6.Удаление серы и других примесей
- •7.Разложение гидратных и карбонатных соединении
- •8. Горение топлива в агломерируемом слое
- •9.Теоретические основы процессов окускования железорудных материалов
- •10. Смешивание и окомкование шихт
8. Горение топлива в агломерируемом слое
Обязательным
компонентом агломерационной шихты
является твердое топливо – коксовая
мелочь, антрацит. Основное количество
топлива агломерации выгорает, выделяющееся
тепло способствует достижению в зоне
формирования агломерата высоких
температур и сохранению их по мере
перемещения этой зоны сверху вниз.
Некоторые
общие положения горения углерода. Все
виды твердого топлива, применяемые в
черной металлургии, состоят из трех
составляющих.
1.
Летучие вещества, основными горючими
компонентами, которых являются водород
и углеводороды. Количество летучих в
горючей массе топлива составляет,
%:
длиннопламенные
и газовые угли 35-50
тощие
угли 11-17
антрацит
4-9
кокс
1-2
2.
Минеральные примеси, при горении топлива
переходящие в золу. Количество их зависит
от условий образования топлива и добычи
и составляет примерно 10-25%.
3.
Коксовый остаток, состоящий из углерода.
В количественном отношении является
основной частью топлива (60-80%).
Процессу непосредственного
горения углерода топлива предшествует
термическое разложение топлива, при
котором происходит выделение летучих
веществ в интервале температур 300-500 °С.
При рассмотрении процесса горения
основных видов агломерационного топлива
– кокса и антрацита – можно ограничиться
анализом взаимодействия углерода с
кислородом.
Механизм горения углерода представляют
обычно в виде трех последовательных
этапов: 1) адсорбция молекул кислорода
на поверхности решетки углерода; 2)
химическое взаимодействие кислорода
и углерода с образованием комплексов
неопределенного состава; 3) распад
комплексов на СО и СО2 и
десорбция последних в окружающую газовую
атмосферу.
Таким образом, по существующим
представлениям, первичными продуктами
взаимодействия являются одновременно
и оксид и диоксид углерода:
С
+ О2 =
СО2 +
410 МДж/кмоль;
С
+ 0,5О2 =
СО + 124 МДж/кмоль;
На отношение содержаний СО:СО2 в
продуктах сгорания влияют температура
и давление. Поскольку обе реакции идут
с выделением тепла, то при повышении
температуры положение их равновесия
смещается влево. Однако для реакции с
образование диоксида это смещение
равновесия значительнее. Таким образом,
с повышением температуры создаются
более благоприятные термодинамические
условия для реакции образования
монооксида углерода, т.е. в продуктах
сгорания отношение содержаний
СО:СО2 должно
возрастать. В противоположность
температуре увеличение давления газа
ухудшает термодинамические условия
реакции горения до СО, поскольку реакция
эта идет с увеличением объема газообразных
продуктов. Отношение содержаний
СО:СО2 при
повышении давления падает (рисунок
5.7).
Рисунок
5.7 – Состав равновесной газовой фазы
системы СО-С-СО2
в
зависимости от давления
Горение твердого топлива является
процессом гетерогенным, протекающим
между твердой (углерод) и газообразной
(кислород окружающей атмосферы) фазами,
поэтому скорость его протекания будет
зависеть и от скорости доставки кислорода
к реагирующей поверхности (от диффузии),
и от скорости собственно химического
акта образования СО и СО2.
Скорость химического взаимодействия
от температуры находится в экспоненциальной
зависимости, а скорость диффузионных
процессов – в степенной. При низких
температурах реакция идет в кинетическом
режиме, при высоких – в диффузионном.
Каждый из указанных режимов характеризуется
своими закономерностями
Для случая, когда процесс идет
в кинетическом режиме, результирующая
скорость невелика. К реагирующей
поверхности молекул кислорода поступает
больше, чем их расходуется при реакции.
Гидродинамические факторы (скорость
движения газового потока, форма
реагирующих поверхностей и т.д.) почти
не влияют на суммарную скорость процесса.
В этих условиях определяющими являются
факторы химической кинетики: температура,
физико-химические свойства реагирующей
поверхности (углерода).
Для случая, когда процесс идет в
диффузионной области, роль перечисленных
факторов оказывается обратной. Так как
химическое реагирование идет быстро и
ограничивается скоростью подвода
молекул кислорода к поверхности углерода,
то существенное влияние на общую скорость
процесса горения оказывают скорость
движения газового потока и концентрация
в нем кислорода. Влияние температуры и
физико-химических свойств поверхности
оказывается меньшим. В отличие от
кинетического режима, где реагирование
может происходить и внутри пористого
топлива, в диффузионной области горение
сосредоточивается только на наружной
поверхности куска.
В большинстве технологических
процессов горение идет в промежуточной
области – в смешанном режиме, когда
существенное влияние оказывают все
перечисленные выше факторы.
Процесс собственно горения, т.е.
бурное реагирование кислорода с углеродом
с выделением большого количества тепла,
начинается с процесса воспламенения
топлива. Температурой воспламенения
называется температура, выше которой
реагирующая система способна к
самоускорению реакции. Решающее влияние
на этот процесс оказывают условия отвода
тепла от реагирующей системы (тепловые
потери), которые определяются температурой
окружающей среды.
На температуру воспламенения
существенное влияние оказывает
гидродинамический режим процесса. С
увеличением скорости движения газового
потока тепловые потери увеличиваются.
Для воспламенения требуется более
высокая начальная температура системы;
температура устойчивого горения при
этом снижается.
Температура воспламенения некоторых
видов топлива в атмосфере воздуха
приведена ниже, °С:
Водород
530-590
Оксид
углерода 644-658
Каменный
уголь (Д, Т) 400-500
Антрацит
600-700
Кокс
700
Значительно сложнее оказывается
механизм процесса в случаесжигания
топлива, когда идет горение массы частиц
топлива, уложенных на колосниковую
которых засасывается воздух. В этом
случае, кроме первичных реакций, идут
вторичные:
С
+ СО2 =
2СО – 162 МДж/кмоль;
СО
+ 0,5О2 =
СО2 +
285 МДж/кмоль.
Структура
зоны горения при слоевом горении топлива
представлена на рисунке 5.8.
Слой горящего топлива состоит из двух
основных зон: кислородной I, в которой
интенсивно расходуется кислород и
образуются примерно в равных количествах
СО и СО2,
и восстановительной II, в которой
интенсивное развитие получает реакция
образования СО2.
I
- кислородная зона; II - восстановительная
зона
Рисунок
5.8 – Динамика газообразования при
слоевом сжигании топлива
Протяженность
кислородной зоны практически мало
зависит от скорости дутья и составляет
3-5 размеров частиц. Протяженность зоны
восстановления в 3-4 раза больше кислородной
зоны. На процесс формирования газа в
кислородной зоне влияет также реакция
догорания СО. Опыты показали, что это
реакция идет тем полнее, чем крупнее
частицы топлива и меньше скорость
газового потока.
Горение
твердого топлива в агломерируемом
слое. Схема
выгорания частиц твердого топлива в
агломерируемом слое представлена на
рисунке 5.9.
Горение топлива в агломерационном
процессе отличается от его горения в
других топливосжигающих устройствах.
1.
Твердое топливо агломерационной шихты
воспламеняется не в атмосфере воздуха,
а в газе с низким содержанием кислорода
(до 2-4%), т. е. при температурах, значительно
более высоких, чем указаны выше. Так, по
расчетным данным, при уменьшении
концентрации кислорода в газе с 21 до 8
и 6% температуры воспламенения коксовой
мелочи возрастают соответственно с 700
до 742 и 760 °С. Дальнейшее горение идет в
газе, содержание кислорода в котором и
температура непрерывно возрастают. При
этом горение переходит из смешанного
режима в диффузионный.
2.
Высокие значения удельной поверхности
агломерационной шихты и удельной
теплоемкости обусловливают высокую
интенсивность теплообмена в агломерируемом
слое, в результате чего происходит очень
быстрое охлаждение горячего газа. Это
обстоятельство, обеспечивая высокую
степень регенерации тепла, в то же время
ограничивает высоту зоны горения, а
следовательно, и суммарную реакционную
поверхность частиц топлива в ней. Толщина
зоны горения в агломерируемом слое для
различных условий процесса изменяется
от 15 до 40 мм, составляя в средне 20-З0
мм.
1
- частицы топлива в шихте; 2 - горящие
частицы топлива; 3 - зерна рудной части
шихты
Рисунок
5.9 – Схема горения топлива в слое
агломерационной шихты
3.
С одной стороны, горение топлива в
агломерируемом слое является слоевым
процессом. Об этом свидетельствует
непрерывное снижение концентрации
кислорода в газе в направлении его
движения и соответствующее увеличение
содержания в продуктах сгорания СО и
СО2.
С друг стороны, из-за небольшой концентрации
(3-6% (по массе), или 12-20% (объемн.)) частички
топлива разобщены негорючими материалами
(руда, возврат, известняк); в результате
этого процесс можно рассматривать как
горение одиночных изолированных частиц
топлива в потоке газа с непрерывно
меняющимися температурой и составом.
4.
Разобщенность частиц топлива
(микронеоднородность) приводит к тому,
что, во-первых, не весь кислород воздуха
реагирует с углеродом. В высокотемпературной
зоне потоки газа с СО и СО2 могут
проходить раздельно, по соседним каналам.
По выходе из зоны горения охладившиеся
молекулы СО и кислорода соприкасаясь
уже не могут реагировать друг с другом
и в продуктах сгорания они присутствуют
одновременно. Во-вторых, температура
горящих в шихте частичек топлива
значительно ниже, чем при горении в
сплошном слое топлива, вследствие
значительных тепловых потерь
лучеиспусканием.
5.
Горение частичек топлива начинается в
слое твердой агломерационной шихты, а
заканчивается в зоне формирования
агломерата, где имеется большое количество
железистых расплавов.
6.
Значительная доля мелких частичек
топлива шихты в процессе окомкования
закатывается внутрь гранул, что затрудняет
диффузию кислорода газа (особенно после
оплавления поверхности гранул), но
облегчает взаимодействие углерода с
окислами железа и марганца (по реакциям
прямого восстановления).
7.
Горение углерода агломерационной шихты
сопровождается рядом других, параллельно
идущих реакций: диссоциацией карбонатов,
окислением и восстановлением окислов
железа и марганца, что существенно
изменяет состав газовой фазы и затрудняет
анализ хода собственно процесса горения
топлива. Толщина зоны горения для обычных
условий равна 20-30 мм и возрастает
пропорционально размеру частичек
топлива (рисунок 5.10), а на время горения
частичек коксовой мелочи, кроме их
размера, влияет также скорость движения
воздуха в слое.
Рисунок
5.10 – Зависимость толщины зоны горения
от среднего размера частиц коксовой
мелочи (содержание углерода в шихте
3,5%, скорость фильтрации воздуха 0,595
м/с)
Состав
газа при горении твердого топлива в
агломерируемом слое. Большое
значение для анализа тепловой,
газодинамической сторон агломерационного
процесса, оценки степени развития
окислительно-восстановительных процессов
имеет правильное определение состава
продуктов сгорания углерода топлива
шихты. Долгое время среди специалистов
было распространено представление, что
≈80% углерода топлива при агломерации
сгорает до СО2 и
только 20% горит до СО. Такое мнение
сложилось на основании анализа состава
конечного агломерационного газа, для
которого отношение содержаний СО2 :
СО ≈ 4. При этом упускалось из вида, что
в высокотемпературных зонах наряду с
горением углерода топлива идут другие
химические реакции, в результате которых
изменяется количество СО и СО2 в
газовой фазе, например
окислительно-восстановительные процессы,
диссоциация карбонатных соединений и
др.
Впервые возможность для
определения истинного состава продуктов
сгорания углерода топлива агломерационной
шихты дали экспериментальные работы
Н.М. Бабушкина (ВНИИМТ) и В.Я. Миллера,
где вместо реальной железорудной
аглошихты использовался инертный
сыпучий материал (магнезит), смешанный
с топливом. Состав продуктов сгорания
может быть также определен расчетом на
основе состава агломерационного газа,
отсасываемого из слоя, по способу А.А.
Сигова и В.А. Шурхала. Идея метода
заключается в том, что каждому значению
отношения СО : СО2 в продуктах сгорания
соответствует единственное значение
их объема, а следовательно и концентрации
азота, являющейся базовой, так как этот
элемент практически не участвует в
реакциях и его количество при движении
газа в слое остается постоянным.
Последующее участие оксида углерода в
реакциях непрямого восстановления не
изменяет общего количества газа и
концентрации азота. Задача сводите к
тому, что по известным (измеренным)
значениям в конечном агломерационном
газе концентраций кислорода и азота
вычисляются количества монооксида и
диоксида углерода, образовавшихся в
результате горения углерода топлива.
