Зона горения в горне доменной печи

Процесс горения в горне доменной печи и вообще в шахтных печах отличается от процесса горения в пламенных печах тем, что в шахтных печах горение происходит при наличии высокого слоя горючего, содержащего углерод. В результате этого весь кислород соединяется с углеродом. Кроме того, высокий слой горючего и высокие температуры, господствующие в горне доменных печей, приводят к получению (в качестве конечного продукта горения) газа, содержащего окись углерода, азот и небольшое количество водорода и не содержащего углекислоты.
Однако такой состав газа устанавливается не сразу. В первый момент горение происходит с образованием углекислоты, причем в газах еще содержится не успевший прореагировать кислород и почти не содержится окиси углерода. По мере удаления от конца фурмы кислорода в газах становится все меньше и меньше, и на известном расстоянии кислород полностью исчезает из газовой фазы. Содержание углекислоты в газах сначала растет по мере удаления от конца фурмы и достигает определенного максимума, после чего начинает уменьшаться, и, наконец, на определенном расстоянии от конца фурмы углекислота исчезает полностью в результате взаимодействия с углеродом по реакции

При сгорании углерода в углекислоту объем углекислоты будет равен объему кислорода, прореагировавшего с углеродом, как видно из уравнения реакции:

Превращение углекислоты в окись углерода дает из одного объема углекислоты два объема окиси углерода:

Поэтому из 100 объемов сухого воздуха, состоящего, как известно, из 79 объемов азота и 21 объема кислорода (весовой состав сухого воздуха 23,2% O2 и 76,8% N2), будет получаться 42 объема окиси углерода и 79 объемов азота, т. е. всего 121 объем газа.
Процентный состав этого газа: 42/121*100 = 34,7% CO и 79/121*100 = 65,3% N2.
Атмосферный воздух никогда не бывает абсолютно сухим и всегда содержит то или иное количество водяных паров, которые, взаимодействуя с углеродом, образуют добавочное количество окиси углерода и свободный водород. При этом следует иметь в виду, что вода, восстанавливаясь по реакции H2O + C = H2 + CO, увеличивает объем газов, так как в результате реакции из одного объема водяных паров получается один объем водорода и один объем окиси углерода.
В табл. 37 показано изменение состава воздуха в связи с изменением содержания водяных паров и соответствующего ему состава продуктов горения.

Область, в которой происходит горение углерода в горне доменной печи, принято называть окислительной зоной. Примерное очертание окислительной зоны показано на рис. 71.
Исследования состава газов в окислительной зоне в горне начали производиться давно. За редкими исключениями, отбор проб газа производился по радиусу горна. На рис. 72 показано изменение состава газа по радиусу горна одной из доменных печей (Макеевский завод) объемом 1143 м3, по данным исследования, производившегося в 1936 г. при работе печи на передельном чугуне. Пробы газа отбирались обычным способом, т. е. посредством отборной трубки, охлаждаемой водой и вводившейся в печь через фурму по направлению к оси горна. Горновые газы, входя в холодную внутреннюю трубку небольшого диаметра (не более 3/4''). быстро охлаждались, вследствие чего реакции между составляющими газа не могли происходить, и таким образом фиксировался тот состав газов, который они имели в горне. Пробы газа отбирались через каждые 100 мм от устья фурмы до оси горна. Кривые построены по средним значениям, полученным в результате многих наблюдений.

Кривая, отвечающая содержанию кислорода в горновых газах (рис. 72), довольно круто падает. На расстоянии от устья фурмы 200 мм кислорода содержалось 10%, на расстоянии 500 мм — 5%, на расстоянии 800—900 мм кислород уже полностью исчезал; углекислота в небольшом количестве появлялась уже сразу около устья фурм, содержание ее постепенно увеличивалось по мере продвижения к оси горна; максимальное содержание углекислоты — примерно 12% — наблюдалось на расстоянии 700—800 мм, затем содержание ее в газах начинало уменьшаться и на расстоянии 1200 мм падало до нуля.

Окись углерода в небольшом количестве появлялась на расстоянии 400 мм от устья фурмы, до 800 мм прирост содержания окиси углерода происходил очень медленно. Начиная с момента падения кривой, отвечающей содержанию углекислоты, кривая содержания окиси углекислоты круто поднимается вверх и на расстоянии 1200 мм достигает 35% (примерно теоретическое содержание). В дальнейшем, по мере приближения к оси горна содержание окиси углерода постепенно росло и у оси горна достигало примерно 48%. Значительно повышенное против теоретического содержание окиси углерода в горновом газе осевой части печи объясняется тем, что к газам, получающимся в результате горения углерода кокса, добавляется окись углерода, которая образуется при протекании процессов прямого восстановления в нижней части горна. Самая верхняя кривая диаграммы представляет собою отношение О2/N2*100 в газах (берется не только свободный кислород, но и связанный, в виде CO и CO2).
Пунктирная прямая отвечает отношению, имеющемуся в атмосферном воздухе (27,22 для воздуха с 1 % паров воды по объему). Из диаграммы видно, что сначала кривая O2/N2*100 идет ниже пунктирной прямой, затем на расстоянии примерно 1000 мм от устья фурмы пересекается с пунктирной прямой и затем все время идет выше.
Это означает, что в непосредственной близости от устья фурмы в горновых газах кислорода (в связанном и свободном состояниях) содержится меньше, чем в атмосферном воздухе; другими словами, кислород уходит из газовой фазы. В дальнейшем, по мере приближения к оси горна, в горновых газах начинает наблюдаться избыток кислорода (связанного в окись углерода) по сравнению с атмосферным воздухом. Это объясняется тем, что у оси горна содержится много окиси углерода — продукта прямого восстановления.
Окислительная зона простирается не только по радиусу горна, но и на некоторое расстояние вверх и по сторонам фурмы.
Кривые изменения состава газа в области горения, относящиеся к печи Макеевского завода, по характеру и конфигурации можно считать типичными для многих доменных печей. Что же касается численных значений расстояния от глаза фурмы, на котором исчезает свободный кислород и углекислота, расстояния, на котором наблюдается максимум углекислоты, отвечающий области наивысших температур, а также численного значения этого максимума, — то все эти величины, означающие размер окислительной зоны, ее простирание по радиусу горна, не являются постоянными и в зависимости от многих факторов могут колебаться в довольно широких пределах.
К этим факторам относится: 1) величина кусков горючего и его пористость; 2) количество дутья и его давление, определяющие скорость движения струи воздуха; 3) нагрев дутья. Чем крупнее куски горючего и меньше в них пор, тем меньше будет поверхность горючего, которая может реагировать с углекислотой и кислородом. Поэтому горючее, доходящее до фурм в крупных кусках, обладающих пониженной пористостью, будет способствовать увеличению размеров окислительной зоны. Наоборот, применение мелкокускового топлива с повышенной пористостью приведет к сокращению размеров окислительной зоны тем большему, чем меньше куски горючего и выше их пористость.
Таким образом, если сравнить между собой три вида горючего, применяющегося или применявшегося для доменной плавки (древесный уголь, кокс и антрацит), то древесный уголь как наиболее пористый будет сгорать в наименьшем объеме; получающаяся при этом температура в фокусе горения будет ниже, чем при горении кокса и антрацита. Кокс, занимающий в отношении пористости промежуточное положение между древесным углем и антрацитом, будет сгорать в большем объеме по сравнению с древесным углем и в меньшем по сравнению с антрацитом. Максимальная температура, получающаяся при горении кокса, будет выше, чем при горении древесного угля, и ниже, чем при горении антрацита.
Следует иметь в виду, однако, что пористость кокса различных сортов не одинакова, поэтому не одинаковым будет и объем зоны горения, образуемый коксом того или иного сорта.
О влиянии количества дутья на размер окислительной зоны М.А. Павлов говорит следующее: «Увеличение количества дутья при равных количестве горючего, температуре и давлении дутья должно требовать увеличения реакционной поверхности горючего, а следовательно, и объема, занимаемого им».

Однако подтвердить это положение экспериментально удалось не сразу. Ввиду многообразия факторов, определяющих, размер окислительной зоны, и трудности проведения экспериментов многие иностранные металлурги, основываясь на отдельных отрывочных наблюдениях, долгое время считали (а некоторые считают и до сих пор), что размеры окислительной зоны приблизительно постоянны й от количества дутья не зависят.
Одним из наиболее удачных экспериментов, доказавших зависимость размеров окислительной зоны от количества дутья, является эксперимент, проведенный исследовательской бригадой M.А. Павлова на одной из доменных печей Магнитогорского завода осенью 1934 г.
Первоначально была определена область простирания окислительной зоны по горизонтали при работе печи на литейный чугун на 15 фурмах сечением 150 мм (16-я фурма над леткой имела сечение 100 мм); количество дутья составляло 2500 м3/мин при давлении 1,4 ати и температуре 600° С; на каждую фурму сечением 150 мм приходилось 176 м3/мин. Результаты исследования характеризуются диаграммой (рис. 73, а). Как видно из кривых, углекислота исчезала на расстоянии 1400—1450 мм, кислород — на расстоянии 1200—1250 мм.
Несколько позже на той же печи, выплавлявшей уже передельный чугун, снова было произведено исследование окислительной зоны. На этот раз из 16 фурм 14 имели сечение 150 мм и две по 100 мм (фурма над чугунной леткой и та, через которую производилось исследование). Количество дутья составляло 2600 м3/мин при давлении 1,5 ати и температуре 550° С; на каждую фурму сечением 100 мм приходилось 78 м3/мин воздуха (вычислено исходя из площади отверстия фурм при условии равномерного распределения дутья по фурмам). На рис. 73,б показаны кривые, характеризующие размеры окислительной зоны; кривы показывают, что размеры окислительной зоны значительно сократились — углекислота исчезала на расстоянии 1000 мм и кислород на расстоянии 700—800 мм.
Преимущество данного исследования перед другими, показавшими зависимость размеров окислительной зоны от количества дутья, состоит в том, что при исследовании горения в магнитогорской печи в обоих случаях поддерживалось примерно одинаковое давление дутья; это очень важно, так как изменение давления дутья способно оказывать существенное влияние на ход процессов горения в горне доменной печи.
С увеличением давления дутья увеличивается скорость струи воздуха и тем самым ее живая сила. Это приводит к тому, что струя воздуха и горновых газов отклоняется вверх от своего первоначального движения к оси горна на более удаленном от конца фурмы расстоянии. Таким образом, повышение давления дутья способствует вытягиванию окислительной зоны по направлению к оси горна.
Экспериментально влияние давления дутья было установлено исследованиями З.И. Некрасова, который исследовал горение в горне доменной печи завода им. Дзержинского при давлении дутья 1,2; 0,85; 0,6 и 0,1 ати. При нормальном дутье 136 м3/мин на одну фурму, давлении 1,2 ати и температуре дутья 640° С кислород исчезал на расстоянии 1260 мм, а углекислота — на расстоянии 1450 мм от глаза фурмы; максимальное количество углекислоты содержалось на расстоянии 1000 мм от глаза фурмы; при давлении 0,6 ати и соответствующем снижении количества дутья зона горения укоротилась почти на 700 мм.
Диаграмма (рис. 74, а), составленная по данным исследования З.И. Некрасова, относится к работе на фурмах диаметром 200 мм при подаче дутья 135 м3/мин на фурму, диаграмма 74, 6 — к работе на фурмах диаметром 250 мм при подаче дутья примерно 143 м3/мин на каждую фурму. Давление дутья в первом случае было 1,21 ати, и живая сила дутья 1840 кгм/сек (скорость дутья 111 м/сек); во втором случае давление дутья составляло 1,19 ати, живая сила 795 кгм/сек (скорость дутья 71 м/сек). Температура дутья в обоих случаях была одинакова и составляла 600° С.

Кривые рис. 74 показывают, что уменьшение скорости истечения дутья (при увеличении диаметра фурм) с 111 до 71 м/сек способствовало сокращению окислительной зоны в горизонтальном направлении на 250 мм, вместе с тем максимальное содержание углекислоты в фокусе горения повысилось на 1%.
В последнее время были опубликованы результаты исследования процесса горения с применением дутья высокого давления от 1,4 до 3,2 ати.
Печь, на которой производились исследования, выплавляла томасовский чугун; полезный объем печи составлял 815 м3, диаметр горна 6,5 м, дутье в количестве 1000 м3/мин подавалось через 10 фурм диаметром 210 мм при давлении 0,68 ати. Во время опытов количество дутья изменялось от 630 до 1400 м3/мин и давление от 0,34 до 0,92 ати.
Дутье высокого давления подавалось в некоторые фурмы через специальные сопла диаметром 50 мм; число фурм, через которые, наряду с дутьем обычного давления, подавалось дутье высокого давления, изменялось от 1 до 9. Нагрев дутья в среднем держался на уровне 730° С; дутье высокого давления, подававшееся тремя компрессорами, подогревалось в специальном рекуператоре до 400° С.
Изучением влияния количества дутья на размер окислительной зоны подтвердилось ранее установленное советскими исследователями положение о том, что увеличение количества дутья увеличивает объем окислительной области и ее распространение по направлению к оси горна.
Результаты исследования влияния дутья высокого давления представлены в табл. 38.

На рис. 75 даны кривые равного содержания кислорода и углекислоты в горновых газах, построенные по данным oпыта № 3. Слева на рисунке показаны кривые равного содержания кислорода, справа — углекислоты. Приведенные цифровые данные и кривые наглядно иллюстрируют влияние высокого давления дутья, способствующего вытягиванию окислительной зоны к оси горна.
Нагрев дутья также весьма существенно влияет на изменение размеров окислительной зоны. Повышение температуры дутья вызывает повышение температуры горения, что должно способствовать ускорению реакции горения и сокращению объема окислительной зоны. Вместе с тем необходимо учитывать, что при высоких температурах скорость процесса горения в целом может лимитироваться не скоростью химического взаимодействия в поверхностном слое, которая достаточно высока, а скоростью диффузии, скоростью выравнивания концентрации газов у поверхности кокса с существующими в остальном объеме. Поэтому не может быть линейной зависимости между повышением температуры дутья и уменьшением объема окислительной зоны, хотя общий вывод о том, что с повышением температуры дутья объем окислительной зоны сокращается, следует считать правильным.
Экспериментальных данных, подтверждающих данный вывод, очень мало; это объясняется трудностями проведения соответствующих экспериментов в связи с многочисленностью факторов, влияющих на объем окислительной зоны.

На рис. 76 показаны кривые изменения состава газа в горне при различной температуре дутья, по исследованиям М.М. Лейбовича. При температуре дутья 500° С фокус горения находился на расстоянии 600 мм от глаза фурмы. Углекислота исчезала на расстоянии 1600 мм, кислород — на расстоянии 1200 мм. При повышении температуры дутья до 700° С окислительная зона значительно сократилась: углекислота исчезала на расстоянии 1200 мм, фокус горения находился на расстоянии 400 мм от глаза фурмы, кислород исчезал на расстоянии 600 мм.
Заканчивая рассмотрение факторов, влияющих на протяжение окислительной зоны в радиальном направлении, следует отметить влияние газопроницаемости столба шихты над зоной горения; при плохой газопроницаемости этого столба окислительная зона простирается вглубь горна на большее расстояние, чем при хорошей газопроницаемости. Доказательством этого служат исследования Я.М. Гольмштока, изучавшего условия горения в горне магнитогорской доменной печи при коксе разной механической прочности.
На рис. 77 показаны кривые содержания углекислоты в горновых газах при работе на коксе различных сортов. При работе на коксе № 5, отличавшемся наиболее низким качеством, углекислота исчезала только на расстоянии 1700 мм от глаза фурмы, а при работе на хорошем коксе — на расстоянии 1300 мм. Плохой кокс образовывал много мусора, ухудшавшего газопроницаемость вышележащего столба шихты, поэтому газы, образовывавшиеся в результате горения, вытягивались по направлению к оси горна в большей степени, чем при работе на хорошем коксе.

В настоящее время представляет большой интерес вопрос о влиянии дутья, обогащенного кислородом, на ход процессов горения в горне доменной печи. Исходя из теоретических предпосылок, можно считать, что при обогащении дутья кислородом в зоне горения будут развиваться более высокие температуры вследствие уменьшения, по отношению к весу сгорающего углерода, количества газов, воспринимающих это тепло. Повышение температуры в зоне горения, а также само увеличение концентрации кислорода ведут за собой ускорение реакции горения, что имеет своим следствием завершение горения в меньшем объеме.
И.З. Козлович провел на Магнитогорском заводе экспериментальную проверку влияния кислорода на процессы горения. На рис. 78 и 79 даны кривые содержания углекислоты и кислорода по радиусу горна. Эти кривые показывают, что по мере увеличения концентрации кислорода в дутье сокращается объем области горения, растет значение максимума CO2. Особо следует отметить, что при работе на дутье, обогащенном кислородом, очень быстро падает содержание кислорода в горновых газах и уже на расстоянии 240—300 мм от глаза фурмы в горновых газах содержится лишь незначительное количество кислорода.
Увлажнение дутья, как показал опыт, влечет за собой увеличение размеров окислительной зоны. При этом необходимо отметить, что разложение паров воды начинается после исчезновения из газовой фазы свободного кислорода. Доказательством этого служит то обстоятельство, что свободный водород обнаруживается лишь в тех пробах газа, которые взяты за пределами окислительной зоны.
Подробное рассмотрение влияния различных факторов на размер окислительной зоны вызвано тем обстоятельством, что размер окислительной зоны оказывает весьма существенное влияние на ход доменного процесса. Чем больше размер окислительной зоны, тем больше размеры «воронки», где происходит сгорание кокса и, следовательно, образование пустого пространства, куда опускаются вышележащие слои кокса и шихты. Таким образом, увеличение размеров окислительной зоны в горизонтальном направлении создает благоприятные условия для равномерного опускания материалов. При этом также облегчаются условия для прохода газового потока, так как увеличивается разрыхление столба шихтовых материалов (где материалы двигаются — там они разрыхляются, где стоят неподвижно — там слеживаются и уплотняются).
В заключение следует указать, что вопрос о ходе процессов горения в горне доменной печи и о размерах окислительной зоны изучен еще далеко не достаточно. Имеется мало данных о развитии окислительной зоны вверх и в поперечном направлении. Изучение вопроса о размерах окислительной зоны осложняется наличием многочисленных факторов, влияющих на процесс горения, а также трудностью проведения экспериментов.
Имеет значение также и то обстоятельство, что количество дутья, поступающего на отдельные фурмы, как показали исследования, не является величиной постоянной. На разные фурмы поступает различное количество дутья; при сохранении общего количества дутья постоянным на одну и ту же фурму в разные промежутки времени может поступать не одинаковое количество дутья.
Следует отметить также, что определение размеров окислительной зоны по точке окончательного исчезновения из газовой фазы углекислоты и кислорода, по-видимому, не является правильным.

На рис. 78 и 79, на которых показаны кривые содержания углекислоты и кислорода по радиусу горна при обычном дутье и при дутье, обогащенном кислородом (28% O2), видно, что в последнем случае точка, где исчезает кислород и углекислота, приближается к устью фурмы всего на 100 мм (кислород исчезает на расстоянии 400 мм вместо 500 мм, углекислота — на расстоянии 900 мм вместо 1000 мм). В то же время максимум содержания углекислоты вместо 14,2% при обычном дутье достигает 23% при обогащенном; при этом положении максимум углекислоты перемещается ближе к стенке горна на 150 мм.
На расстоянии 100 мм от устья фурмы при обычном дутье содержится 18% O2, при обогащенном — 8%; на расстоянии 200 мм — 12 и 6,5% и на расстоянии 300 мм — 7 и 2%.
Таким образом, если судить об изменении условий горения при обогащенном дутье только по положению точки исчезновения в горновых газах кислорода и углекислоты, можно сделать ошибочное заключение о том, что зона разрыхления почти не меняется. Быстрая убыль кислорода, а также приближение максимума содержания CO2 к устью фурмы говорят о значительном сокращении зоны разрыхления.