1.4.2. Особенности газодинамики низа печи при высоконагретом комбинированном дутье

В доменном производстве широко применяют высокий нагрев и обогащение дутья кислородом, а также вдувание совместно с дутьем газообразного, жидкого и пылевидного топлива. Применение комбинированного дутья изменяет объем горновых газов, а следовательно, и газодинамические условия в нижней .части печи и по всей ее высоте.

Влияние нагрева дутья на размеры окислительной зоны неоднозначно. При нагреве дутья повышается температура в окислительной зоне, а следовательно, увеличивается объем, скорость и кинетическая энергия воздушно-газовой струи. Это способствует увеличению размеров окислительной зоны и зоны циркуляции кокса. С другой стороны, увеличивается скорость окисления углерода кокса, что способствует сокращению размеров зоны горения. Поэтому размеры окислительной зоны будут определяться в зависимости от долевого влияния указанных противоположных факторов.

При обогащении дутья кислородом увеличивается температура и объем горновых газов. Одновременно снижается количество азота общий объем газов у фурм будет определяться соотношением указанных факторов. Как правило, при обогащении дутья кислородом вдувают природный газ или другие углеводороды (коксовый или генераторный газы, мазут и др.). Вдувание углеводородов увеличивает общий объем газа и во многих случаях понижает температуру в окислительной зоне за счет разложения метана. Комплексным параметром для определения оптимальных расходов добавок, вводимых с дутьем может служить теоретическая (адиабатическая) температура горения (t _т ). Расчет этой температуры основан на том, что все тепло, получаемое при неполном горении (до СО и Н₂) кокса и его заменителей, а также внесенное в зону горения раскаленным коксом, расходуется только на нагрев образующихся продуктов горения [3, 56].

(1.131)

где t_д - температура дутья, ⁰С; ω - объемная доля кислорода в дутье; - количество влаги в дутье, м³/м³ сухого дутья; - теплота сгорания жидкого топлива до СО и Н₂, кДж/кг; S_ж, S_тв - расходы жидкого и твердого топлива в дутье, г/м³ сухого дутья; S_г - расход газообразного топлива в дутье, м³/м³ сухого дутья; - элементарный состав рабочей массы топлива, кг/кг; коэффициенты при t_д, ω; соответствуют энтальпии на единицу температуры дутья, кислорода и водяных паров (числитель) или изменения объема (знаменатель), кДж/кг.

Формула (1.131) справедлива при использовании холодного природного газа, мазута и измельченного каменного угля отдельно или в различных соотношениях при допущении, что теплосодержание горнового газа равно энтальпии двухатомных газов. Учитывая, что в большинстве случаев применяется только холодный природный газ, формулу для определения теплосодержания горнового газа (Q_г, кДж/м³)можно упростить

(1.132)

где а = 3150ω; b = 0,365 t_д – 27,3; d = 1068 - 0,477 t_д; е = (3150 - q)S_г = 1203S_г; К = 2,048^.S_г; - расход кислорода на горение газа, м³/м³; q – тепловой эффект от горения газа, кДж/м³.

Расчеты по формуле (1.132) значительно упрощаются, если заранее рассчитать некоторые параметры в пределах их изменения в типичных условиях доменной плавки. В табл. 1.13 представлены результаты таких расчетов. Это позволяет определить теоретическую температуру в производственных условиях, которая равна

t_т = (Q_г,/0,390) + 162. (1.133)

Таблица 1.13 – Значение отдельных коэффициентов в формуле (1.132)

для некоторых пределов изменения соответствующих параметров дутья [57]

Обогащение дутья кислородом		Нагрев дутья			Расход природного газа
	a	t	b	d	Sг	I	K
0,21	661,5	800	264,4	686,3	0,00	0,0	0,000
0,22	693,0	850	282,4	663,4	0,03	36,1	0,051
0,23	724,5	900	300,4	640,5	0,04	48,1	0,082
0,24	756,0	950	318,6	617,0	0,05	60,2	0,102
0,25	787,5	1000	336,7	593,5	0,06	72,2	1,123
0,26	819,0	1050	355,1	569,4	0,07	84,2	0,143
0,27	850,5	1100	373,5	545,2	0,08	96,2	0,164
0,28	882,0	1150	392,0	520,4	0,09	108,3	0,184
0,29	913,5	1200	410,6	495,7	0,10	120,3	0,205
0,30	943,0	1250	429,4	470,4	0,12	144,4	0,246
0.35	1102,5	1300	448,1	445,2	0,15	180,4	0,307

Теоретическая температура близка к температуре горнового газа t_г = Q_г/С_г (по данным для отдельных его составляющих СО^г; ; с учетом расхода природного газа), которую можно определить по формуле [56]

(1.134)

Расхождение между t_т и t_г несущественно в широком диапазоне изменения расходов кислорода и природного газа.

ω	Sг	СОг			Qг	tт	tг
0,21	0,00	35	2	63	781	2163	2180
0,40	0,22	43	25	32	699	1954	1988

Объем горнового газа, а следовательно, скорость истечения дутья из фурм и конфигурация окислительной зоны, в основном определяются величиной теоретической температуры. Оптимальные значения t_т и t_г зависят от качества подготовки шихты и определяются возможностью транспортировки печных газов от фурменной зоны до колошника печи. Поэтому результаты, полученные на разных доменных печах, необходимо учитывать не по абсолютным величинам t_т и t_г, а по их отклонениям (Δt_т; Δt_г ). Это позволяет использовать значение Δt_т в качестве одного из параметров комбинированного дутья и при переводе печей на работу с комбинированным дутьем необходимо так подбирать добавки топлива и обогащение дутья кислородом, чтобы Δt_т оставалось без изменения. Например, при обогащении дутья кислородом степень компенсации (m), т.е. отношение объемов в расходе природного газа (S_г, м³/ч) и кислорода (, м³/ч) или на 1 т чугуна (V_п.г., , м³/т.чуг) с учетом производительности печи (P, т/сут), должно удовлетворять для сравниваемых режимов плавки следующему равенству

(1.135)

Для большинства доменных печей Украины и СНГ т=0,5-0,6 м³/м³ О₂, но для других условий компенсация может значительно отличаться. Например, при обогащении дутья кислородом до 30 % [58] т=0,75-0,85 м³/м³ О₂. При корректировке расхода природного газа при изменении степени обогащения дутья кислородом с неизменной t_т нужно еще учитывать и изменение объема горновых газов. Как правило, уменьшение объема азота (при увеличении O₂ в дутье) компенсируется увеличением объема газов при горении природного газа. Если же объем горновых газов при комбинированном дутье изменяется, то наряду с Δt_т нужно учитывать и этот фактор.

На рис. 1.43 представлена схема окислительной зоны при работе печи на комбинированном дутье. Содержание O₂ на срезе фурмы составило 5% против 21% при работе на обычном дутье (рис. 1.42).

Это объясняется интенсивным горением природного газа в полости фурмы. Этим же объясняется и наличие у торца фурмы 7% СО₂, 4%СО и 4%Н₂. В случае комбинированного дутья кислород в окислительной зоне исчезает на расстоянии 800-900 мм от торца фурмы, а при обычном дутье -1200 мм (рис. 1.42). Однако длина окислительной зоны при комбинированном дутье не сократилась, поскольку образующиеся при горении природного газа пары Н₂О исчезают на расстоянии 1700-1900 мм (рис. 1.43). Известно, что при вдувании комбинированного дутья сход шихты и ход печей более ровные, чем это имеет место при их работе с обычным дутьем.

На газодинамику нижней зоны большое влияние оказывают образование шлака, его жидкоподвижность и изменение химического состава и физических свойств во время фильтрации в горн печи. Все эти вопросы рассматриваются в следующем разделе настоящей главы.