Студопедия  
Главная страница | Контакты | Случайная страница

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатика
ИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханика
ОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторика
СоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансы
ХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника

Раздел 2. Тепло и массообмен при восстановительных процессах

Читайте также:
  1. E)3 раздела, 24 главы; 405 статей.
  2. I РАЗДЕЛ
  3. I Раздел.
  4. I. ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ
  5. II Раздел.
  6. II раздел. Задания этого раздела выполняются студентами самостоятельно письменно или устно (в записи на электронном носителе).
  7. II раздел. Задания этого раздела выполняются студентами самостоятельно письменно или устно (в записи на электронном носителе).
  8. III Раздел.
  9. III. ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ РОЛЬ ТЕПЛОВЫХ МАШИН.
  10. А) разделения властей

Общая характеристика процессов тепломассообмена в доменной печи

 

Процессы тепломассообмена в реальной шахтной (например, до­менной) печи существенно отличаются от идеализированных схем, рассмотренных в гл. 8. В первую очередь, это обусловлено нерав­номерностью распределения шихтовых материалов (порозности слоя) по сечению печи и, как следствие, неравномерностью распределе­ния газового потока; наличием физико-химических превращений ших­товых материалов; химическим взаимодействием газа и шихты и т. п.

В настоящее время разработана математическая теория теплооб­мена в шахтных (в частности, доменных) печах, позволяющая ком­плексно решать вопросы теплообмена, газогидродинамики, массооб-мена, кинетики восстановительных реакций и т. п. В общем виде эта теория слишком сложна для изложения в данном учебнике, но об­щие закономерности, изложенные в гл. 8, позволяют проанализиро­вать основные зависимости процессов тепломассообмена в доменных печах.

Реальный доменный процесс характеризуется неравномерностью распределения по сечению и высоте печи как шихтового материа­ла, так и газового потока. Неравномерность распределения основных составляющих шихты по сечению печи определяется особенностями конструкции загрузочных устройств. При использовании загрузочно­го аппарата воронка — конус, например, на расстоянии 1,0-1,5 м от кладки имеют место максимальные рудные нагрузки (рудный гре­бень); к периферии и центру рудная нагрузка снижается. При опус­кании шихты происходит перераспределение составляющих шихты по сечению, причем в периферийную часть попадают преимущественно кусковые материалы, т. е. кокс, что способствует еще большей не­равномерности распределения шихтовых материалов по радиусу пе­чи.

По мере опускания шихты происходит ее сушка, разложение гидра­тов и карбонатов, косвенное восстановление оксидов железа, марганца и т. д. оксидом углерода, науглероживание железа, прямое восстано­вление оксидов железа, марганца и кремния, газификация углерода, плавление чугуна, образование шлака и т. п. Все это приводит к су­щественному изменению как размеров, так и теплофизических и фи­зико-химических свойств шихты, происходящему по-разному на оси, периферии и уровне рудного гребня.

Подача дутья через специальные фурмы приводит к тому, что ниже уровня фурм и в некотором объеме на уровне фурм течение газов явля­ется трехмерным. Начиная с определенного горизонта выше уровня фурм поток становится двумерным, имеющим радиальную и верти­кальную компоненты вектора скорости. Наконец с некоторого уровня, определяемого геометрией фурменного пояса, поток становится одно­мерным, причем профиль скорости определяется структурой слоя и практически не зависит от условий подвода дутья. Однако распре­деление скорости движения газового потока по сечению печи остает­ся неравномерным, зависящим от аэродинамического сопротивления в центре, на уровне рудного гребня и на периферии (рис.17.1).

Как видно из рис. 17.1, местоположению рудного гребня соответ­ствует минимальная скорость движения газа (рис. 17.1,в) только в случае использования агломерата, хотя в этом случае имеет место достаточно равномерное распределение гранулометрического состава шихты (рис.17.1,5). В случае использования окатышей или смеси окатышей и агломерата такого четкого соответствия нет, вероятно, вследствие неравномерности фракционного состава шихты. Различие в распределении газов и рудных материалов ведет к различию отно­шений теплоемкостей потоков газа и шихты (рис.17.1,г), неравномер­ности развития теплообменных процессов по сечению печи.

 

Рис. 17.1. Распределение относительной доли рудной нагрузки (а); содержания крупных фракций (б), скорости газа (в) и отношения Wм < Wг (г) по сечению шахты доменной печи А ММК:

1 — 100% агломерата; 2 — 100% окатышей; 3 — 30% окатышей и 70% агломерата

 

Как показал Б. И. Китаев, те­плоемкость газового потока И^г по высоте доменной печи практически не меняется (рис. 17.2, а), поскольку уменьшение Сг по мере охлаждения потока компенсируется увеличением содержания более теплоемких газов, образующихся в результате косвенно­го восстановления рудной части ших­ты и разложения карбонатов.

По характеру изменения тепло­емкости потока шихты И^м доменную печь по высоте можно разделить на три зоны (ступени). В верхней зоне происходит сушка шихты, процессы разложения гидратов и карбонатов, затраты тепла на которые компенси­руются тепловыделением при косвенном восстановлении оксидов железа. В целом Wм в этой зоне меняется незначительно и отношение Wм/Wг = 0,8. Вторая зона характери­зуется интенсивным протеканием процессов косвенного восстановле­ния оксидов железа, марганца и т. д., причем выделяемая при этом теплота поглощается в реакции Белла — Будуара СO2 2СО -13548 кДж/кг углерода. Чем выше температура, тем больше реакция сдвигается в сторону образования СО. Вторая зона характеризуется примерным равенством теплоемкостей потоков шихты и газа, т. е. Wм/Wг = 1

Рис. 17.2. Распределение теплоемкостей потоков (а), температур газа и ших­ты (б), а также равновесной СО2* и действительных концентраций СО2 и СО по высоте доменной печи

 

В третьей (нижней) зоне печи наряду с процессами плавления ших­ты и перегрева расплава протекают эндотермические реакции прямого восстановления. Это приводит к значительному возрастанию тепло­емкости потока шихты, и отношение Wм /Wг может достигать трех. Ниже горизонта печи, где прямое восстановление оксидов железа, мар­ганца, кремния, фосфора и т. д. заканчивается, теплоемкость потока шихты снова падает и отношение Wм /Wг 0,8. При определении те­плоемкости потока шихты используют кажущуюся теплоемкость ма­териала, определяемую по формуле (16.1). Основные особенности про­цессов теплообмена в доменной печи были сформулированы Б. И. Ки-таевым в 1944 г.

Газовый поток в доменной печи совершает тепловую работу по­следовательно в двух ступенях теплообмена, разделенных резервной зоной, где Wг Wм Тепловая работа каждой ступени автономна. Теплообмен в доменной печи имеет характер завершенного процесса, на что указывает существование резервной зоны. Нижняя ступень тепло­обмена подразделяется на две зоны с Wм Wг и Wм Wг .

Таким образом, в доменной печи имеют место все три случая про-тивоточного теплообмена, рассмотренные в гл. 8. Характер изменения температуры шихты и газа для верха доменной печи (рис. 17.2, б) является обычным для противотока при Wг Wм (см. рис. 8.4, а). Поскольку тепла в газе больше, нежели может поглотить шихта, то температура уходящих колошниковых газов всегда выше температу­ры загружаемой шихты.

В нижней части печи теплоемкость потока шихты много больше теплоемкости потока газа, поэтому на протяжении зоны температура газа меняется значительно сильнее, чем температура шихты. Высокие коэффициенты теплообмена, наличие развитой поверхности теплооб­мена, протекание процессов плавления шихты приводят к тому, что в зоне III создаются благоприятные условия для завершения процес­сов теплообмена, и на границе раздела II и III зон температура ших­ты и газа практически одинакова и определяется условиями реакции Белла—Будуара. Во II (резервной) зоне Wм Wг кривые изменения температуры шихты и газа по высоте зоны практически одинаковы.

Кривые на рис. 17.2, б отражают характер изменения температуры шихты и газа по высоте печи, но, как уже отмечалось выше, по верти­кальным сечениям печи форма кривых может несколько меняться из-за изменения фракционного состава шихты, теплоемкости потоков ших­ты и газа и т. п. на оси печи, в области рудного гребня и на периферии (рис. 17.3). Как видно из рис. 17.3, кривые изменения температуры по высоте печи имеют типичную 5-образную форму для рудного гребня и периферии печи. Несколько необычная форма кривой для оси печи, полученная в исследованиях 3. И. Некрасова на печи 2700 м3 Кри­ворожского металлургического комбината, объясняется крайне малой рудной нагрузкой в шихте на оси печи (содержание агломерата в ших­те 2-8%). При хорошей газопроницаемости столба шихты в центре печи такое низкое содержание рудной компоненты приводит к замет­ному снижению степени прямого восстановления, ведущему к избытку теплоты в нижней ступени теплообмена. Более нагретые газы, подни­маясь вверх, разогревают вышележащие слои, что приводит к смеще­нию вверх области прямого восстановления оксидов железа, ведущему к снижению температуры в этой области. Таким образом, в доменной печи имеется тесная взаимосвязь процессов тепло- и массообмена.

В гл. 8 было показано, что движущей силой массообменных про­цессов при восстановлении шихты является массообменный потенци­ал ∆с, равный разнице текущей и равновесной концентраций реагента (например, СО2). В нижней зоне печи, выше зоны фурменных очагов нарастание концентрации диоксида углерода происходит сначала мед­ленно, увеличиваясь только в зоне умеренных температур, в которую газ входит с концентрацией на величину ∆1 меньшей, чем это возмож­но по условиям равновесия (рис.17.2,в).

 

Рис. 17.3. Изменение тем­пературы (сплошные линии) и содержания СО2 (пунктир­ные) по высоте печи объемом

700 м3:

1 — рудный гребень; 2 — ось; 3 — периферия


В области умеренных температур (зона II) концентрационный по­тенциал продолжает уменьшаться, поскольку равновесное значение СО2* практически неизменно, а текущая концентрация СО2 возрастает как вследствие реакции Белла—Будуара, так и в результате реакций косвенного восстановления. Минимальное значение ∆2 соответствует границе раздела зон I и II. Согласно исследованиям Б. И. Китаева, Ю. Г. Ярошенко и др. выравнивание концентрационного потенциала происходит с некоторым запозданием по сравнению с температурным потенциалом.

В верхней части зоны умеренных температур интенсивность про­цессов косвенного восстановления снижается и возникает своеобразная "химическая резервная зона". В объемах верхней ступени теплообме­на концентрационный потенциал снова увеличивается до величины ∆3, хотя реакция Белла—Будуара здесь практически не идет и увеличение концентрации СО2 возможно только за счет разложения карбонатов и процессов косвенного восстановления. В объеме этой зоны можно на­блюдать все три варианта сочетания массоемкостей шихты и газа: Wг * Wм *; Wг * Wм * и Wг * Wм *.

Имеет место различие в развитии массообменных процессов по се­чению шахты печи (см. рис. 17.3). Зона начала реакций прямого вос­становления, характеризуемая увеличением градиента температур по высоте печи, сопровождается резким увеличением содержания СО2 в газовой среде. На оси и в рудном гребне имеет место значительное за­медление восстановительных процессов. Сопоставление кривых изме­нения концентрации СО2 по высоте печи показывает, что в рассматри­ваемом случае недостаточно интенсивно работают периферия и центр печи. Для использования этих резервов необходимо перераспределить потоки шихты и газа.

Влияние различных факторов на работу доменной печи

 

Для характеристики работы доменных печей имеется много раз­личных показателей, параметров, критериев и т. п. Только для ха­рактеристики термина "тепловое состояние доменной печи" до на­стоящего времени не имеющего четкого определения, введено более 70 комплексных показателей. Поскольку при работе любой доменной печи необходимо иметь высокую удельную производительность Р v (т чугуна/(м3 ˑ сут)) и низкий относительный расход кокса А (т кокса/т чугуна), воспользуемся предложенным А. Н. Раммом индексом интен­сивности /к, представляющим собой количество сухого кокса, расхо­дуемого в сутки на 1 м3 объема печи (т кокса(м3 ˑ сут)), который связан с Р v и k соотношением Р v = Iк/k. Из приведенного выражения не следует, что производительность печи прямо пропорциональна ин­дексу интенсивности, так как расход кокса зависит от интенсивности процесса: k = f (Iк).

Анализ работы доменных печей позволил установить наличие неко­торой оптимальной области Iк, разной для различных печей, которой соответствует минимальный расход кокса (рис. 17.4). По мере улучше­ния условий работы доменных печей (подготовка шихты, улучшение качества кокса, повышение температуры нагрева дутья, использование комбинированного дутья и т. п.) оптимальная интенсивность плавки будет возрастать, а соответствующий ей расход топлива падать. В свою очередь, это приведет к росту производительности печи.

Для анализа влияния различных факторов на эффективность ра­боты доменной печи воспользуемся предложенным кафедрой метал­лургических печей Уральского технического университета делением рабочего пространства печи на верхнюю и нижнюю тепловые зоны (рис. 17.5). За условную поверхность раздела зон выбраны изотерми­ческие поверхности (рис. 17.5, а) с температурами Tго и Тмо, ха­рактеризующими начало заметно­го развития эндотермической ре­акции восстановления диоксида углерода (850-950°С) при выплав­ке предельного чугуна с использо­ванием комбинированного дутья. Верхняя тепловая зона включает в себя полностью верхнюю и большую часть резервной ступеней теплообмена, где происходит основной нагрев шихтовых материалов и развиваются наиболее эффективные реакции косвенного восстановления.

 

Рис. 17.4. Влияние интенсивности плавки Ik на производительность пе­чи (1) и расход кокса (2):

а — печь № 2 комбината А;

б — печь №5 комбината Б

 

Повышение давления газов на колошнике благоприятно сказывает­ся на интенсивности плавки, расходе кокса и, следовательно, произво­дительности печи. Увеличение давления на колошнике р2 при неизмен­ном давлении дутья р1 ведет к росту среднего статического давления в столбе шихты г. В свою очередь, увеличение гпри неизменном массовом расходе газа приводит к уменьшению его объема и, следова­тельно, скорости движения, что согласно формуле Эргана (5.30) ведет к уменьшению перепада давления (сопротивления) в слое. Следова­тельно, необходимое давление дутья возрастает медленнее, чем давле­ние на колошнике, поэтому при постоянном перепаде давлений имеется возможность увеличить расход дутья, т. е. производительность печи. Следует учесть, что поскольку уменьшение температуры по ходу дви­жения газа происходит в том же направлении, что и уменьшение да­вления, отмеченный эффект потери напора в слое будет еще больше. Увеличение массовой скорости газа ведет к увеличению интенсивности процессов тепло- и массообмена в печи и, следовательно, к интенсифи­кации процесса плавки.

По расчетным данным А. Н. Рамма (рис. 17.6) повышение интен­сивности пропорционально увеличению давления; в расчете на 10 кПа увеличения давления оно составляет 1,75-1,9%. Рост производитель­ности печей при повышении давления на колошнике несколько превы­шает увеличение индекса интенсивности вследствие одновременного небольшого понижения относительно расхода кокса. Причин сниже­ния расхода кокса при повышении давления газа на колошнике не­сколько. Повышение давления влияет на интенсивность диффузии в мелких порах кусков шихты, радиус которых соизмерим с длиной сво­бодного пробега молекул. Поскольку в большей части железорудных компонентов на мелкие поры приходится значительная часть внутрен­ней поверхности реагирования, то увеличение давления должно сопро­вождаться ускорением процесса восстановления (скорость восстано­вления пропорциональна квадратному корню из абсолютного давле­ния).

Кроме того, давление оказывает значительное влияние на скорость реакции 2 СО=С02+С. По данным лабораторных исследований ко­личество выделяющегося сажистого углерода возрастает с увеличе­нием давления до 300-500 кПа при оптимальной температуре реакции (500°С) в десятки раз. Экономия кокса при повышении избыточного да­вления на колошнике выше 100 кПа оценивается в 0,5±0,2% на каждые 10 кПа повышения давления. В качестве положительного эффекта по­вышения давления газа на колошнике следует также отметить умень­шение выноса колошниковой пыли вследствие снижения скорости газа над поверхностью шихты, его подъемной силы и уменьшения размеров уносимых потоком частиц пыли.

 

Рис. 17.6. Возможность увеличения ин­тенсивности плавки при повышении да­вления газа на колошнике

 

 

Увеличение температуры дутья является благоприятным как с точ­ки зрения тепловой работы печи, так и по технологическим причинам. По мере повышения температуры в гор­не доменной печи возрастает степень восстановления кремния и марганца в чугуне, повышается степень десульфурации чугуна. Как отмечалось выше, нижняя и верхняя ступени теплообмена независимы друг от друга, поэтому если увеличение температуры дутья не сопровожда­ется изменением рудной нагрузки (расхода кокса), то дополнительное тепло целиком используется в нижней тепловой зоне (см. рис. 17.5) и при том же количестве газов практически не влияет на температуру колошниковых газов. Если при повышении температуры дутья сокра­щается расход кокса, то общее количество газа уменьшается и сниже­ние теплоемкости газового потока WГ ведет к снижению температуры уходящих газов.

Снижение температуры и уменьшение объема газов приводит к расширению зоны умеренных температур (верхней тепловой зоны), замедляет процессы косвенного восстановления и увеличивает протя­женность зоны, в которой они протекают. Активное участие в обра­зовании CO2 начинает принимать нижняя тепловая зона, и к границе раздела зон концентрация CO2 может превышать равновесное значе­ние по реакции Белла—Будуара. Кроме того, с повышением темпе­ратуры нижней зоны возрастает степень прямого восстановления rd. Полученные А. Н. Раммом расчетные зависимости влияния темпера­туры дутья на температуру колошникового газа Тг", степень прямого восстановления rd, содержание в колошниковых газах СО и СО2, ин­тенсивность плавки Iк и удельную производительность доменной печи Р v представлены на рис. 17.7.

Комбинированное дутье, предполагающее подачу вместе с нагретым атмосферным воздухом кислорода, природного газа и мазута, позволяет значительно увеличить производительность доменных печей с одновременным снижением расхода кокса. При вдувании топ­лива через воздушные фурмы происходит его неполное сгорание с образованием СО, Н2 и N2. Часть выделяе­мого при окислении углерода тепла поглоща­ется при разложении углеводородов топлива, причем теплота разложения зависит от от­ношения С/Н топлива (рис. 17.8). Поскольку вдуваемое газообразное топливо находится в полости фурмы и в зоне циркуляции только тысячные доли секунды, то для предотвращения образования сажи необходимо возможно полное и равномерное смешение топлива с воздухом; для жидкого и твердого топлива необходимо достаточно тонкое их дисперсирование. Полной газификации вдуваемого топлива способствует повышение температуры и обогащение кислородом дутья.

 

 


Рис. 17.7. Влияние температуры дутья на по-чатели доменной плавки (расчетные данные Н. Рамма)

 

Рис. 17.8. Зависимость теплоты разло­жения углеводородного топлива от С/Н

 

Теплота, выделяемая при горе­нии вдуваемого топлива в горне, за­меняет собой часть теплоты сгорания углерода кокса. Кроме того, в расчете на 1 кг сгорающего у фурм угле­рода кокса возрастает количество те­плоты, вносимой горячим дутьем,значительно превышающим теплоту сгорания природного газа. Это и является одной из причин понижения расхода кокса при вдувании дополнительного топлива.

Фактором, ограничивающим расход вдуваемого топлива, является понижение теоретической температуры горения при работе на атмо­сферном дутье. Это связано с тем, что объем продуктов сгорания воз­растает заметнее, чем общее количество тепла, вносимого горящим топливом и горячим дутьем. Повышение температуры дутья и содер­жания в нем кислорода позволяет поддерживать теоретическую тем­пературу горения на любом желаемом уровне. При вдувании вспомогательного топлива существенно меняются условия восстановления оксидов железа и газификации углерода в нт ж-ней тепловой зоне. Снижается температура в нижней части печи, где протекает газификация углерода; повышается концентрация газовос­становителей СО и Н2, причем на единицу выплавляемого чугуна их выход из вдуваемого топлива больше, чем из эквивалентного в тепло­вом отношении количества кокса. Вследствие снижения расхода кокса сокращается реакционная поверхность газификации углерода, умень­шается скорость этого процесса. В итоге в нижней тепловой зоне печи имеет место понижение степени прямого восстановления железа г л, причем максимальное снижение происходит при вдувании природного газа, минимальное — при вдувании твердого топлива.

Обогащение горнового газа водородом и повышение выхода газа способствует интенсификации процессов тепло- и массообмена в верх­ней тепловой зоне. Увеличение коэффициента теплообмена между га­зом и шихтой и уменьшение отношения Wм /Wг приводит к снижению (см. гл. 8) высоты верхней тепловой зоны. Это позволяет работать с пониженным уровнем засыпки и, следовательно, форсировать процесс повышения объема дутья и увеличить производительность печи.

Следует отметить, что уменьшение отношения Wм /Wг приводит к возрастанию температуры газа в верхней тепловой зоне, усилению про­цессов косвенного восстановления и повышению температуры колош­никового газа. Однако работа печи на пониженных значениях Wм /Wг неэкономична, так как сопровождается малыми эквивалентами замены кокса.

Рис. 17.9. Влияние расхода природного газа на показатели работы доменной печи А ЧерМК

 

Влияние расхода природного газа на показатели работы доменной печи Чере­повецкого металлургического комбината (по данным Л. А. Вялого с сотрудника­ми) приведено на рис. 17.9. Поскольку с увеличением расхода природного газа сте­пень прямого восстановления понижает­ся, а температура колошникового газа ра­стет, то зависимость расхода кокса k (кг кокса/т чугуна) от количества вдуваемо­го природного газа V3/т чугуна) долж­на иметь экстремальный характер с мини­мумом, соответствующим оптимальному в отношении кокса расходу природного газа. Величина Vопт тем больше, чем выше тем­пература дутья и содержание в нем кис­лорода. Как показал А. Н. Рамм, в современной практике использо­вания высоких температур дутья достижение оптимальных расходов природного газа невозможно, поскольку Vоптсущественно превы­шает предельный расход газа, соответствующий минимально до­пустимой теоретической температуре горения. Таким образом, увеличение расхода природного газа во всем диапазоне допусти­мых теоретических температур горения ведет к снижению расхода кокса.




Дата добавления: 2015-02-16; просмотров: 75 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Анализ структуры и рентабельности себестоимости единицы продукции| МЕТОДИКА РОЗРОБКИ ЗАСТОСОВАНЬ ДЛЯ ОС ANDROID

lektsii.net - Лекции.Нет - 2014-2024 год. (0.013 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав