4.2 Горение топлива. Частичная замена кокса вдуваемыми топливами. Расход кокса и суммарный расход топлива в доменной плавке.
Горение топлива в доменной печи происходит только в ограниченном пространстве перед воздушными фурмами – в фурменных очагах, газовая фаза в которых содержит окислители О2, СО2 и Н2О. Объем фурменных очагов составляет не более 10-12 % от полезного объема доменной печи. При малых расходах дутья и малых скоростях истечения дутья из фурм, кинетической энергии струи дутья не хватает для динамического воздействия на куски кокса пред фурмами и горение кокса происходит в слое. Состав газовой фазы перед фурмами при таком режиме горения изменяется строго закономерно в соответствии с кинетикой реакций окисления углерода и газификации углерода углекислотой (рис.21).
Рис. 21. Изменение состава газа по оси фуры при слоевом горении кокса
При нормальной работе печи и высоких расходах дутья его струя на выходе из фурмы имеет высокую кинетическую энергию, отбрасывает куски кокса от фурмы и образует зону циркуляции, горение кокса в которой происходит в другом режиме (циркуляционный режим горения кокса). Характер изменения состав газа по радиусу печи перед воздушными фурмами при этом значительно отличается от изменения его при слоевом горении (рис.22).
Рис.22. Изменение состава газа по оси фурменного очага при циркуляционном режиме горения кокса
Над зонами циркуляции, т.е. над фурменными очагами, образуются динамически неустойчивые своды из кусков кокса, которые под действием массы столба шихты периодически обрушиваются. При этом фурменные очаги на мгновение наполняются кусками кокса, которые снова отбрасываются от фурм и циркулируют по различным траекториям (ри.23). Частота обрушения коксовых сводов перед фурмами составляет (5-15) сек-1
Рис.23. Зона циркуляции кокса в фурменном очаге
В результате интенсивной циркуляции куски кокса перед воздушными фурмами истираются, образуя коксовую мелочь, которая накапливаясь за пределами и под зоной циркуляции, формирует плотную структуру, названную «птичьим гнездом». Конфигурация птичьего гнезда изменяется и размеры его увеличиваются с уменьшением горячей и холодной прочности кокса, что ухудшает дренажную способность коксовой насадки в целом и в зоне птичьего гнезда, особенно, создавая условия для горения фурм (рис.24).
Рис. 24. Конфигурация и размеры «птичьего гнезда» при коксе высокого и низкого качества
Кроме кокса в фурмах и фурменных очагах горит вдуваемое газовое, жидкое или пылеугольное топливо. Вдуваемое топливо подается в поток дутья либо через трубку с выходом через внутренний стакан фурмы (природный газ), либо с помощью специального копья, вводимого через сопло фурменного прибора в центр потока дутья непосредственно на входе в фурму (пылеугольное и жидкое топливо). Единственной целью вдувания дополнительного топлива является снижение себестоимости чугуна за счет частичной замены им более дорогого кокса. Вид вдуваемого топлива определяется исключительно экономическими факторами, а именно соотношением цен на кокс и затрат на вдувание топлива (включая затраты на подготовку и вдувание топлива).
В связи с тем, что вдуваемое топливо имеет на три порядка меньшую температуру по сравнению с коксом, поступающим в фурменные очаги (1500 оС), а также в связи с затратами тепла на разложение углеводородов жидкого и газообразного топлива и летучих веществ угля, при горении вдуваемого топлива в фурменной зоне тепла выделяется меньше, а продуктов горения образуется больше, чем при горении углерода кокса. В результате вдувание любого топлива снижает температуру фурменных газов. Эту температуру, из-за трудностей ее измерения, контролируют путем расчета теоретической температуры горения. Формула для расчета теоретической температуры горения в общем виде имеет вид:
Qc+Qд + Qск – Qдис.
Ттеор. = --------------------------------------------------,K (14)
0,001(VСО ∙CCO + VN2∙CN2 + VH2∙CH2)
где: Qc, Qд, Qск и Qдис - теплота окисление углерода вдуваемого топлива до СО, теплота горячего дутья, теплота углерода кокса, сгорающего на фурмах, затраты тепла на диссоциацию вдуваемого топлива и влаги дутья;
VСО, CCO, VN2 и VH2 – объемы СО, азота и водорода, образующиеся при сгорании топлива в фурменном очаге.
Таким образом, на теоретическую температуру горения влияют: температура дутья, его влажность и содержание в нем кислорода, а также расход и вид вдуваемого топлива (рис.25).
Рис. 25. Влияние параметров дутья и вида вдуваемого топлива на теоретическую температуру
По своему влиянию на расход кокса вдуваемые топлива также различаются. Коэффициенты замены кокса этими топливами зависят от 4-х факторов: содержания в них углерода, отношения содержаний углерода и водорода, полноты сгорания углерода вдуваемого топлива в фурменной зоне и от степени использования водорода в печи. Для условий максимального использования газа в печи и полного сгорания углерода вдуваемого топлива коэффициенты замены кокса равны (кг/кг): природный газ – 1,15-1,25; мазут – 1,1; коксовый газ 0,9-0,95; ПУТ- 0,8-1,0 (рис.26).
Эффективность работы доменной печи оценивают по суммарному расходу топлива (кокс+вдуваемое топливо). Наиболее корректно суммарный расхода топлива оценивается суммой расхода кокса и вдуваемого топлива, пересчитанного на кокс с учетом максимального коэффициента замены, т.е. в коксовом эквиваленте.
Рис.26. Коэффициенты замены кокса вдуваемым топливом, кг/кг