Читайте также:
|
|
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+С 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 V (м3/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 |