7. Горение кокса и природного газа

В горне доменной печи шлак и чугун приобретают окончательный состав. При сжигании в горне топлива образуется газ, необходимый для восстановления окислов шихты.

Горение углерода (кокса) у фурм - важный процесс в печи, благодаря которому происходит опускание шихтовых материалов на место сожженного кокса, плавление шихты, нагрев горновых газов. При сгорании углерода кокса образуется углекислый газ и выделяется большое количество тепла:

Образовавшийся углекислый газ, соприкасаясь с кусками раскаленного кокса, вступает с ними во взаимодействие по реакции.

Водяные пары, находящиеся в воздухе (а иногда и специально добавляемые к дутью), также взаимодействуют с углеродом кокса по реакции

На большинстве доменных печей СССР для экономии кокса вместе с воздухом вдувается природный газ (3 - 5% от дутья), при сгорании которого также образуются окись углерода и водород.

В результате протекания указанных реакций образуются два восстановительных газа - водород и окись углерода, которые обеспечивают восстановительную способность доменного газа.

При образовании горнового газа происходят значительные объемные изменения. Из одного объема воздуха (в воздухе 0,21 объема кислорода и 0,79 объема азота) получается 0,42 объема окиси углерода и 0,79 объема азота (при сухом воздухе), т. е. 1,21 объема горнового газа. А из одного объема водяного пара получается один объем водорода и один объем окиси углерода, т. е. два объема газа. Таким образом, теоретически в горновом газе за пределами зон, где горит кокс, должно содержаться 34,7% СО и 65,3% N₂ (при сухом воздухе). В действительности, содержание СО может доходить до 40% и более из-за прямого восстановления.

Зона, где происходит горение кокса за счет кислорода дутья, называется окислительной (рис. 81).

Рис. 81. Примерное очертание окислительной зоны

На место сгоревшего кокса поступают новые порции из вышерасположенных слоев, вызывая, таким образом, движение всего столба шихтовых материалов. Поэтому объем и размеры окислительной зоны оказывают решающее влияние на сход шихтовых материалов.

Размеры и очертания окислительной зоны зависят от качества топлива, количества дутья, его давления, температуры и скорости. Скорость сгорания топлива тем больше, чем больше его поверхность. Так, при крупном и малопористом коксе зона горения будет больше, чем при пористом и мелком, так как с уменьшением пористости кокса уменьшается поверхность контакта кислорода с углеродом кокса.

Увеличение расхода воздуха вызывает рост окислительной зоны, так как количество кислорода, поступающего в печь в единицу времени, увеличивается. Повышение скорости дутья ведет к тому, что окислительная зона, вытягивается по направлению к центру печи. При падении давления, даже если количество дутья сохраняется, зона горения поднимается вверх, проникновение газа к оси печи уменьшается. В результате этого процессы в центре печи замедляются. Поэтому желательно иметь окислительную зону, максимально вытянутую к оси печи. При этом не следует забывать, что увеличение давления дутья сверх определенных пределов может привести к тому, что прекратится сход шихты в результате подпирающего действия газов. С увеличением диаметра фурм при одном и том же расходе окислительная зона укорачивается вследствие уменьшения скорости поступления воздуха.

Увеличение температуры дутья приводит к увеличению скорости горения топлива. Горение происходит в меньшем объеме, следовательно, окислительная зона сокращается. В то же время увеличение температуры дутья, т. е. интенсификация процесса горения, приводит к увеличению объема газов, их скорости и кинетической энергии. На размеры зоны горения оказывает влияние также нагрев поступающего кокса.

Вдувание природного газа увеличивает количество горновых газов, что приводит к расширению окислительной зоны. Водяные пары, обогащая дутье кислородом, увеличивают зону горения, что может быть объяснено большой затратой тепла, расходуемой на нагрев пара от температуры дутья до температуры газовой фазы, на взаимодействие паров воды с углеродом кокса и на разложение влаги. Снижение температуры газа замедляет процесс окисления углерода, т. е. горения, что, в конечном итоге, и обусловливает более медленное исчезновение кислорода по мере удаления от фурмы.

На протяженность окислительной зоны влияет пористость и реакционная способность кокса. С уменьшением пористости вследствие малого контакта с кислородом воздуха, а затем углекислоты с углеродом кокса окислительная зона удлиняется.

Температура горна по сечению неравномерна и зависит от содержания углекислоты и окиси углерода. В окислительной зоне температура тем выше, чем больше СО₂. Вне границ окислительной зоны температура горна постепенно снижается по направлению к центру.

Давление газов по сечению горна находится в полном соответствии с их температурой и меняется от максимума на периферии до минимума в центре. Чем меньше газов проникает к центру, тем резче падает давление.

Давление газа в горне влияет на объем окислительной зоны. При увеличении давления газов в горне, связанном с увеличением количества дутья, окислительная зона удлиняется; при увеличении давления газов в горне в результате повышения давления газов на колошнике (без изменения количества вдуваемого воздуха) окислительная зона сокращается. Если уменьшить количество дутья, окислительная зона сокращается по длине и вытягивается кверху.