1.5.3. Теплообмен по высоте доменной печи

В противотоке материалов и газов происходит массо- и теплообмен между газом и шихтой. Поскольку считалось, что коэффициент теплопередачи от газа к шихте невозможно определить, то ввели понятие водяных эквивалентов. Кажущаяся теплоемкость шихты W_ш кДж/кг⁰С определяется, как количество тепла. которое необходимо отобрать от газа для нагрева шихты на 1⁰С, за вычетом тепла, выделяемого (поглощаемого) в ходе химических реакций

W_ш = d(c_ш -q)/dt_ш, (1.153)

где с_ш - энтальпия шихты, кДж/моль; q - количество тепла выделяющегося (поглощаемого) при химических реакциях, кДж/кг; t_ш - температура шихты, ⁰С.

Количество тепла, передаваемого газом шихте при охлаждении его на 1⁰С считают кажущейся теплоемкостью газа W_г, кДж/кг⁰С

Wг = d(c₂ -qn)/dt₂, (1.154)

где с_г - энтальпия газа, кДж/моль; q - потери тепла с охлаждающей водой и теплоизлучением в окружающую атмосферу, кДж/кг; t_г - температура газа, ⁰С.

На рис. 1.49 показано изменение t_ш и t_г по высоте печи, которые получены благодаря исследованиям и представляют достаточно достоверные данные. В нижней части печи при температуре свыше 1000-1100⁰С теплообмен между газами и материалами происходит наиболее интенсивно и W_г < W_ш. Причем тепло расходуется и на перегрев жидких продуктов плавки а также на расплавление шихты и на прямое восстановление оксидов металлов. Поэтому при сравнительно большом изменении температуры материалов и расплавов происходит резкое снижение температуры газов. Если на уровне фурм градиент температуры газов и материалов составляет более 500⁰С, то у верхней границы нижней ступени теплообмена t_г – t_ш составляет, примерно, 50⁰С. Затем на некоторой высоте печи наблюдается зона замедленного теплообмена, где и [69].

В верхней части печи теплообмен между газом и шихтой вновь возрастает. Это связано с наличием здесь холодных материалов и затратами тепла на испарение влаги, разложение гидратов и карбонатов. Однако теплопотребность в верхней части печи значительно ниже энтальпии газов W_г > W_ш. Градиент температур увеличивается с 50⁰С на входе в верхнюю ступень теплообмена до 150-300⁰С при выходе газов из слоя шихты. S-образный характер изменения температур газа и шихты по высоте печи подтвержден многочисленными исследованиями и отражает замедленный теплообмен в шахте печи. Но это не значит, что эта часть печи является резервной и ее можно уменьшить. В шахте идут процессы восстановления оксидов железа косвенным и прямым путем (за счет сажистого углерода, образующегося при распаде монооксида углерода 2CO → СО₂ + С_с) [70, 71, 72].

Таким образом, современная теория теплообмена состоит из трех основных положений.

1. Тепловая работа газов в доменной печи протекает последовательно в двух ступенях теплообмена: нижней, где W_г < W_ш и верхней, где W_г > W_ш. В средней по высоте зоне теплообмен завершен и W_г W_ш (резервная зона).

2. Температура шихты t_ш в резервной зоне практически равна температуре газов t_г, a верхняя и нижняя зоны теплообмена автономны.

3. В резервной зоне процессы теплообмена и восстановления замедленны.

Значительным недостатком рассмотренной теории теплообмена по высоте доменной печи является то, что t_г и t_ш по горизонтам печи принимаются усредненными величинами. Известно, что t_г и t_ш по радиусу печи различны для периферийной, промежуточной и осевой зон. Особенно это относится к промежуточной зоне, где находится основная масса железорудной части шихты и значительно меньший газовый поток. На рис 1.50 представлены поля изотерм по радиусу доменных печей МК "Криворожсталь" полезным объемом 2700 и 2000 м³. Видно, что на горизонте II на периферии и в центре печи t = 900⁰С, а в промежуточной зоне 730⁰С. На третьем горизонте радиальные температуры различаются еще больше, соответственно 1000-1150⁰С и 850⁰С. Причем указанное различие температур по радиусу печи, как отмечалось в первой главе, является оптимальным для нормальной работы и высоких показателей плавки. Следовательно, нужна схема теплообмена в печи, которая бы соответствовала реальным условиям доменной плавки.