Горение топлива в агломерируемом слое

Обязательным компонентом агломерационной шихты является твердое топливо – коксовая мелочь, антрацит. Основное количество топлива агломерации выгорает, выделяющееся тепло способствует достижению в зоне формирования агломерата высоких температур и сохранению их по мере перемещения этой зоны сверху вниз.
Некоторые общие положения горения углерода. Все виды твердого топлива, применяемые в черной металлургии, состоят из трех составляющих.
1. Летучие вещества, основными горючими компонентами, которых являются водород и углеводороды. Количество летучих в горючей массе топлива составляет, %:
длиннопламенные и газовые угли 35-50
тощие угли 11-17
антрацит 4-9
кокс 1-2
2. Минеральные примеси, при горении топлива переходящие в золу. Количество их зависит от условий образования топлива и добычи и составляет примерно 10-25%.
3. Коксовый остаток, состоящий из углерода. В количественном отношении является основной частью топлива (60-80%).
Процессу непосредственного горения углерода топлива предшествует термическое разложение топлива, при котором происходит выделение летучих веществ в интервале температур 300-500 °С. При рассмотрении процесса горения основных видов агломерационного топлива – кокса и антрацита – можно ограничиться анализом взаимодействия углерода с кислородом.
Механизм горения углерода представляют обычно в виде трех последовательных этапов: 1) адсорбция молекул кислорода на поверхности решетки углерода; 2) химическое взаимодействие кислорода и углерода с образованием комплексов неопределенного состава; 3) распад комплексов на СО и СО₂ и десорбция последних в окружающую газовую атмосферу.
Таким образом, по существующим представлениям, первичными продуктами взаимодействия являются одновременно и оксид и диоксид углерода:
С + О₂ = СО₂ + 410 МДж/кмоль;
С + 0,5О₂ = СО + 124 МДж/кмоль;
На отношение содержаний СО:СО₂ в продуктах сгорания влияют температура и давление. Поскольку обе реакции идут с выделением тепла, то при повышении температуры положение их равновесия смещается влево. Однако для реакции с образование диоксида это смещение равновесия значительнее. Таким образом, с повышением температуры создаются более благоприятные термодинамические условия для реакции образования монооксида углерода, т.е. в продуктах сгорания отношение содержаний СО:СО₂ должно возрастать. В противоположность температуре увеличение давления газа ухудшает термодинамические условия реакции горения до СО, поскольку реакция эта идет с увеличением объема газообразных продуктов. Отношение содержаний СО:СО₂ при повышении давления падает (рисунок 5.7).

Рисунок 5.7 – Состав равновесной газовой фазы системы СО-С-СО₂
в зависимости от давления
Горение твердого топлива является процессом гетерогенным, протекающим между твердой (углерод) и газообразной (кислород окружающей атмосферы) фазами, поэтому скорость его протекания будет зависеть и от скорости доставки кислорода к реагирующей поверхности (от диффузии), и от скорости собственно химического акта образования СО и СО₂. Скорость химического взаимодействия от температуры находится в экспоненциальной зависимости, а скорость диффузионных процессов – в степенной. При низких температурах реакция идет в кинетическом режиме, при высоких – в диффузионном. Каждый из указанных режимов характеризуется своими закономерностями
Для случая, когда процесс идет в кинетическом режиме, результирующая скорость невелика. К реагирующей поверхности молекул кислорода поступает больше, чем их расходуется при реакции. Гидродинамические факторы (скорость движения газового потока, форма реагирующих поверхностей и т.д.) почти не влияют на суммарную скорость процесса. В этих условиях определяющими являются факторы химической кинетики: температура, физико-химические свойства реагирующей поверхности (углерода).
Для случая, когда процесс идет в диффузионной области, роль перечисленных факторов оказывается обратной. Так как химическое реагирование идет быстро и ограничивается скоростью подвода молекул кислорода к поверхности углерода, то существенное влияние на общую скорость процесса горения оказывают скорость движения газового потока и концентрация в нем кислорода. Влияние температуры и физико-химических свойств поверхности оказывается меньшим. В отличие от кинетического режима, где реагирование может происходить и внутри пористого топлива, в диффузионной области горение сосредоточивается только на наружной поверхности куска.
В большинстве технологических процессов горение идет в промежуточной области – в смешанном режиме, когда существенное влияние оказывают все перечисленные выше факторы.
Процесс собственно горения, т.е. бурное реагирование кислорода с углеродом с выделением большого количества тепла, начинается с процесса воспламенения топлива. Температурой воспламенения называется температура, выше которой реагирующая система способна к самоускорению реакции. Решающее влияние на этот процесс оказывают условия отвода тепла от реагирующей системы (тепловые потери), которые определяются температурой окружающей среды.
На температуру воспламенения существенное влияние оказывает гидродинамический режим процесса. С увеличением скорости движения газового потока тепловые потери увеличиваются. Для воспламенения требуется более высокая начальная температура системы; температура устойчивого горения при этом снижается.
Температура воспламенения некоторых видов топлива в атмосфере воздуха приведена ниже, °С:
Водород 530-590
Оксид углерода 644-658
Каменный уголь (Д, Т) 400-500
Антрацит 600-700
Кокс 700
Значительно сложнее оказывается механизм процесса в случаесжигания топлива, когда идет горение массы частиц топлива, уложенных на колосниковую которых засасывается воздух. В этом случае, кроме первичных реакций, идут вторичные:
С + СО₂ = 2СО – 162 МДж/кмоль;
СО + 0,5О₂ = СО₂ + 285 МДж/кмоль.
Структура зоны горения при слоевом горении топлива представлена на рисунке 5.8. Слой горящего топлива состоит из двух основных зон: кислородной I, в которой интенсивно расходуется кислород и образуются примерно в равных количествах СО и СО₂, и восстановительной II, в которой интенсивное развитие получает реакция образования СО₂.

I - кислородная зона; II - восстановительная зона
Рисунок 5.8 – Динамика газообразования при слоевом сжигании топлива
Протяженность кислородной зоны практически мало зависит от скорости дутья и составляет 3-5 размеров частиц. Протяженность зоны восстановления в 3-4 раза больше кислородной зоны. На процесс формирования газа в кислородной зоне влияет также реакция догорания СО. Опыты показали, что это реакция идет тем полнее, чем крупнее частицы топлива и меньше скорость газового потока.

Горение твердого топлива в агломерируемом слое. Схема выгорания частиц твердого топлива в агломерируемом слое представлена на рисунке 5.9.
Горение топлива в агломерационном процессе отличается от его горения в других топливосжигающих устройствах.
1. Твердое топливо агломерационной шихты воспламеняется не в атмосфере воздуха, а в газе с низким содержанием кислорода (до 2-4%), т. е. при температурах, значительно более высоких, чем указаны выше. Так, по расчетным данным, при уменьшении концентрации кислорода в газе с 21 до 8 и 6% температуры воспламенения коксовой мелочи возрастают соответственно с 700 до 742 и 760 °С. Дальнейшее горение идет в газе, содержание кислорода в котором и температура непрерывно возрастают. При этом горение переходит из смешанного режима в диффузионный.
2. Высокие значения удельной поверхности агломерационной шихты и удельной теплоемкости обусловливают высокую интенсивность теплообмена в агломерируемом слое, в результате чего происходит очень быстрое охлаждение горячего газа. Это обстоятельство, обеспечивая высокую степень регенерации тепла, в то же время ограничивает высоту зоны горения, а следовательно, и суммарную реакционную поверхность частиц топлива в ней. Толщина зоны горения в агломерируемом слое для различных условий процесса изменяется от 15 до 40 мм, составляя в средне 20-З0 мм.

1 - частицы топлива в шихте; 2 - горящие частицы топлива; 3 - зерна рудной части шихты
Рисунок 5.9 – Схема горения топлива в слое агломерационной шихты
3. С одной стороны, горение топлива в агломерируемом слое является слоевым процессом. Об этом свидетельствует непрерывное снижение концентрации кислорода в газе в направлении его движения и соответствующее увеличение содержания в продуктах сгорания СО и СО₂. С друг стороны, из-за небольшой концентрации (3-6% (по массе), или 12-20% (объемн.)) частички топлива разобщены негорючими материалами (руда, возврат, известняк); в результате этого процесс можно рассматривать как горение одиночных изолированных частиц топлива в потоке газа с непрерывно меняющимися температурой и составом.
4. Разобщенность частиц топлива (микронеоднородность) приводит к тому, что, во-первых, не весь кислород воздуха реагирует с углеродом. В высокотемпературной зоне потоки газа с СО и СО₂ могут проходить раздельно, по соседним каналам. По выходе из зоны горения охладившиеся молекулы СО и кислорода соприкасаясь уже не могут реагировать друг с другом и в продуктах сгорания они присутствуют одновременно. Во-вторых, температура горящих в шихте частичек топлива значительно ниже, чем при горении в сплошном слое топлива, вследствие значительных тепловых потерь лучеиспусканием.
5. Горение частичек топлива начинается в слое твердой агломерационной шихты, а заканчивается в зоне формирования агломерата, где имеется большое количество железистых расплавов.
6. Значительная доля мелких частичек топлива шихты в процессе окомкования закатывается внутрь гранул, что затрудняет диффузию кислорода газа (особенно после оплавления поверхности гранул), но облегчает взаимодействие углерода с окислами железа и марганца (по реакциям прямого восстановления).
7. Горение углерода агломерационной шихты сопровождается рядом других, параллельно идущих реакций: диссоциацией карбонатов, окислением и восстановлением окислов железа и марганца, что существенно изменяет состав газовой фазы и затрудняет анализ хода собственно процесса горения топлива. Толщина зоны горения для обычных условий равна 20-30 мм и возрастает пропорционально размеру частичек топлива (рисунок 5.10), а на время горения частичек коксовой мелочи, кроме их размера, влияет также скорость движения воздуха в слое.

Рисунок 5.10 – Зависимость толщины зоны горения от среднего размера частиц коксовой мелочи (содержание углерода в шихте 3,5%, скорость фильтрации воздуха 0,595 м/с)
Состав газа при горении твердого топлива в агломерируемом слое. Большое значение для анализа тепловой, газодинамической сторон агломерационного процесса, оценки степени развития окислительно-восстановительных процессов имеет правильное определение состава продуктов сгорания углерода топлива шихты. Долгое время среди специалистов было распространено представление, что ≈80% углерода топлива при агломерации сгорает до СО₂ и только 20% горит до СО. Такое мнение сложилось на основании анализа состава конечного агломерационного газа, для которого отношение содержаний СО₂: СО ≈ 4. При этом упускалось из вида, что в высокотемпературных зонах наряду с горением углерода топлива идут другие химические реакции, в результате которых изменяется количество СО и СО₂ в газовой фазе, например окислительно-восстановительные процессы, диссоциация карбонатных соединений и др.
Впервые возможность для определения истинного состава продуктов сгорания углерода топлива агломерационной шихты дали экспериментальные работы Н.М. Бабушкина (ВНИИМТ) и В.Я. Миллера, где вместо реальной железорудной аглошихты использовался инертный сыпучий материал (магнезит), смешанный с топливом. Состав продуктов сгорания может быть также определен расчетом на основе состава агломерационного газа, отсасываемого из слоя, по способу А.А. Сигова и В.А. Шурхала. Идея метода заключается в том, что каждому значению отношения СО: СО2 в продуктах сгорания соответствует единственное значение их объема, а следовательно и концентрации азота, являющейся базовой, так как этот элемент практически не участвует в реакциях и его количество при движении газа в слое остается постоянным. Последующее участие оксида углерода в реакциях непрямого восстановления не изменяет общего количества газа и концентрации азота. Задача сводите к тому, что по известным (измеренным) значениям в конечном агломерационном газе концентраций кислорода и азота вычисляются количества монооксида и диоксида углерода, образовавшихся в результате горения углерода топлива.