37

1. Дожигание горючих компонентов, содержащихся в атмосфере металлургических агрегатов. Методы исследования процесса дожигания

Как уже было отмечено, проблема дожигания горючих газов в металлургическом производстве возникает в связи с работой многих технологических аппаратов, в частности, сталеплавильных и некоторых типов нагревательных промышленных печей, на долю которых и пришлись наибольшие усилия и, соответственно, достижения в исследовании процессов дожигания.

Организация процесса дожигания горючих компонентов должна удовлетворять ряду очевидных требований: во-первых, дожигание должно производиться непосредственно в рабочем пространстве агрегата, во-вторых, должно обеспечиваться максимально полное дожигание горючих газов, в-третьих, теплота, выделившаяся в процессе горения, должна быть эффективно передана нагреваемому материалу, в-четвертых, крайне желательным является обеспечение рациональной картины движения газов в печи (здесь и далее под этим будем подразумевать движение газов в область дожигания).

1.1 Дожигание горючих компонентов в сталеплавильных агрегатах

В современных сталеплавильных технологиях используется такая шихта, например, жидкий чугун, и такие технологические приемы, например, кислородная продувка, которые неизбежно связаны с выделением больших объемов CO (в некоторых случаях и H₂). Вместе с тем, значительные выбросы монооксида углерода могут наблюдаться также и без использования продувки ванны кислородом при скрап-процессе в мартеновских печах /1/.

В обзоре /2/ отмечается, что на данный момент имеются две принципиально различающиеся технологии дожигания в дуговых сталеплавильных печах: в жидком пенистом шлаке и в газовой фазе над ванной. Дожигание в шлаке, с одной стороны, имеет важное преимущество (эффективная теплоотдача к ванне, что обусловлено большой поверхностью теплообмена при барботаже), а с другой — наличие жидкой фазы затрудняет контакт кислорода с выделяющимися горючими компонентами, а присутствие в шлаке железа и углерода сдвигает равновесие в сторону образования CO и делает практически невозможным дожигание до CO₂. Дожигание в газовой фазе связано с меньшим количеством ограничений, однако в свете указанных выше требований, предъявляемых к процессу дожигания, такое решение этой проблемы не представляется очевидным.

В /2/ указывается, что большое внимание дожиганию в газовой фазе уделяется в области электродуговой плавки, что в первую очередь связано с экономией весьма дорогого ресурса — электроэнергии. В подавляющем большинстве случаев в современных дуговых электросталеплавильных печах (ДСП) используется струйная технология дожигания в газовой фазе. Авторы работы на основании анализа литературных данных отмечают черты рациональной системы струйного дожигания:

а) кислородные фурмы для дожигания должны располагаться на боковых стенках на расстоянии 0,20,3 м над поверхностью пенистого шлака;

б) оси этих фурм должны быть направлены под малым углом 57⁰ к этой поверхности;

в) количество фурм должно быть достаточно большим (46 штук);

г) в горизонтальной плоскости фурмы должны располагаться тангенциально к поверхности боковых стенок;

д) начальные скорости истечения кислорода должны быть достаточно высокими, но дозвуковыми (150200 м/с).

Струйная технология дожигания помимо ДСП применяется также в других сталеплавильных агрегатах (конвертерах, мартеновских и двухванных печах) /1, 3/.

Следует отметить, что в большинстве случаев использование струйного дожигания не удовлетворяет ряду указанных выше требований, например, поток окислителя обычно направляют на ванну, что и естественно, так как в связи с низкой интенсивностью газового излучения (вследствие дискретного спектра, а потому низкой степени черноты) необходимо обеспечить высокую интенсивность конвективной теплоотдачи в результате соударения струи с межфазной поверхностью. Это неизбежно приводит к окислению металла и, следовательно, снижению выхода годного.

Помимо струйной технологии имеется простой и эффективный способ дожигания горючих газов атмосферы промышленной печи, разработанный в Московском государственном институте стали и сплавов и испытанный в сотрудничестве с компанией Air Products & Chemicals Inc. (США) и АО «Новолипецкий металлургический комбинат» /2, 4-8/. Указанный способ позволяет решить основные проблемы дожигания: обеспечить максимально полное дожигание CO непосредственно в рабочем пространстве печи, рациональную картину течения газов в печи и интенсивную передачу теплоты, выделившейся при дожигании, к ванне. На основе этого способа предложен ряд дожигательных устройств, ориентированных на различные технологические процессы /9-13/.

Указанный способ, схема которого показана на рис. 1.1, заключается в следующем. Высокоскоростной, сильно закрученный в результате тангенциального подвода поток кислорода под сверхкритическим давлением подается через патрубки 4, 5 (количество патрубков может быть меньшим или большим) и сопла 6, 7 в вихревой радиационный инжектор (ИВР) 1, состоящий из цилиндрической части 3 и криволинейного диффузора 2. В результате сильной крутки и под действием высоких скоростей в камере происходит распад вихря, и создается сильное разрежение в приосевой области. Под действием этого разрежения печные газы, содержащие горючие компоненты, подтекают к дожигательному устройству 1. Часть из них поступает в камеру, где смешивается с кислородом и сгорает. Поступающие в зону дожигания газы подсасываются, кроме того, в плоский настильный факел, образующийся в результате истечения закрученного потока из криволинейного диффузора 2, как это имеет место в плоскопламенных горелках. На керамической поверхности, вдоль которой распространяется факел, происходит интенсивное горение, усиливаемое каталитическим эффектом керамики. В результате эта поверхность разогревается до высоких температур и интенсивно излучает тепло в направлении садки или ванны. Важно отметить, что при этом вместо малоэффективного дискретного излучения газообразных продуктов, что характерно для струйного дожигания, имеет место высокоинтенсивное излучение твердой поверхности, осуществляющееся в непрерывном спектре. Другое очевидное преимущество этого способа перед струйным дожиганием заключается в том, что исключается контакт высокотемпературной и высокоскоростной струи кислорода (и продуктов дожигания) с металлом, неизбежно приводящий к интенсивному окислению последнего.

Рис. 1.1 Схема вихревого радиационного инжектора

Подробные испытания рассматриваемого метода и устройства были проведены совместно МИСиС и компанией AIR PRODUCTS & CHEMICALS Inc. на испытательном стенде в лаборатории горения этой компании в г. Кру, Чешир, Великобритания /2/. Испытательный стенд представлял собой горизонтальную цилиндрическую камеру сгорания, на одном торце которой устанавливалась газокислородная горелка, а на другом — ИВР, оборудованный корундовым ультрадиффузором. В качестве атмосферы, содержащей горючие компоненты, использовали продукты неполного сгорания природного газа в кислороде при недостатке последнего. Измерения температуры и состава продуктов сгорания на выходе из камеры, калориметрические измерения плотности потока излучения, испускаемого поверхностью ультрадиффузора, на которой формировался плоский факел, а также видеосъемка и визуальные наблюдения показали весьма эффективную работу ИВР.

Промышленные испытания рассматриваемого способа дожигания и ИВР были проведены на Новолипецком металлургическом комбинате в дуговой печи вместимостью 100т /4/. В своде печи был установлен один инжектор в наиболее холодной зоне — между электродами первой и второй фаз (между рабочим окном и газоотсосом). В течение нескольких кампаний было проведено 170 плавок. Экономия электроэнергии в среднем за кампанию и с учетом расхода электроэнергии на производство кислорода составила 1943 кВтч/т или 24 кВтч/м³ кислорода /2, 4/.