» » Механизм горения углерода и состав газа перед фурмами
16.06.2015

Согласно современным представлениям, при горении твердого топлива адсорбируется газ-окислитель на реакционной поверхности горючего. Горение, как и восстановление твердых окислов газом, являясь гетерогенным процессом, развивается на поверхности контакта двух фаз, в данном случае — твердой и газообразной.
При восстановлении образуются поверхностные комплексы в решетке окисла; при горении кислород, адсорбируясь, также образует с углеродом сложные комплексы CхOу, например, C3O4. Если окислителем является углекислый газ или водяной пар, последние адсорбируются и образуют другие комплексы. В дальнейшем комплекс распадается на окислы углерода, десорбирующиеся и переходящие в газовую фазу.
По вопросу о том, какой газ (углекислота или окись углерода) является первым продуктом окисления углерода, существуют разные гипотезы.
Одни предполагают, что первичной является СО2, а присутствующая в газе CO образуется при взаимодействии СО2 и С горючего. Другие исследователи (Ауфгейзер, Белл) считали, что сначала углерод окисляется в CO, а углекислый газ является результатом последующего догорания части CO. Согласно третьей гипотезе (Рид и Уиллер, Мейер), образовавшийся после адсорбции кислорода комплекс CхOу в дальнейшем, с повышением температуры и под ударами новых молекул кислорода, распадается на СО2 и CO, соотношение которых зависит от температуры и других факторов. До температуры 1200° в смеси оказывается поровну окиси углерода и углекислого газа, при 1500—1600° — 2/3CO и 1/3CO2.
Позднейшие лабораторные исследования З.Ф. Чуханова, С.Э. Хайкиной, Л.Н. Хитрина и других показали, что при разных условиях (температура, скорость воздуха, размер кусков горючего, время контакта) могут получаться СО2 и CO в разных соотношениях.
Решающим фактором, определяющим состав газов перед фурмами доменной печи, является сильное разрыхление топлива перед фурмами мощной струей дутья. Этот механический фактор резко отличает процесс горения топлива в доменной печи от горения в слое, например, в газогенераторе или на колосниковой решетке. На уровне фурм куски кокса как бы «плавают» в потоке газов. Между кусками горючего, «танцующими» перед фурмами, образуются большие пустоты. Образуется зона, в которой циркулирует кокс. Вследствие этого кислород может находиться в достаточном отдалении от глаза фурмы, и потому он окисляет первичную окись углерода в углекислоту близ фурм. С другой стороны, достаточно большие куски кокса перед фурмами обусловливают наличие CO2 наряду с CO в продуктах первичного горения углерода.
Аналогичная картина имеет место при слоевом горении твердого топлива в газогенераторах и на колосниковых решетках. Однако при горении в слое окислительный процесс заканчивается на небольшой высоте, измеряемой десятками или одной — тремя сотнями миллиметров, тогда как перед фурмами в доменной печи он распространяется на 800—1800 мм.
Таким образом, по мере удаления от глаза фурмы по оси последней до середины горна газовая фаза изменяется следующим образом. Кислород в дутье убывает, а соответственно этому возрастает содержание CO2 и CO в газе, причем концентрация первой вначале увеличивается энергичнее, так как крупные куски кокса обеспечивают больший выход СО2, чем CO, и так как разрыхленность среды ускоряет этот процесс.
Однако углекислый газ возрастает до некоторого предела, после которого начинает убывать. Это объясняется тем, что при горении в CO2 выделяется большое количество тепла и, следовательно, резко повышается температура, а при высокой температуре развивается реакция СО2 +C → 2СО — 39 600 ккал.