» » Горение углеродсодержащего топлива
02.06.2015

При спекании окисленных руд основным источников тепла является вводимый в шихту коксик. Зажигание коксика в поверхностном слое шихты происходит за счет теплового излучения зажигательной камеры и просасываемых горячих топочных газов. Образующийся агломерат — плохой проводник тепла, и поэтому распространение горения вниз по слою обусловлено в основном переносом тепла отходящими газами. Кусочки коксика, лежащие в нижних слоях, зажигаются после того, как из слоя будет удалена влага и температура поднимется до 700° и выше. Горение углерода в слое шихты носит, по-видимому, беспламенный характер.
Среднюю скорость передвижения зоны горения от поверхности до колосников называют вертикальной скоростью спекания. Скорость эта зависит от многих факторов. Главным из них является количество воздуха, проходящее через слой в единицу времени. Увеличение скорости просасывания воздуха ускоряет процесс горения и обеспечивает более полное сжигание топлива до СО2. Однако роль воздуха не ограничена только поставкой кислорода для горения. Функция отходящих газов как переносчика тепла и влаги часто приводит к необходимости просасывания через слой большего количества воздуха, чем это требуется для сжигания топлива. На эту сторону действия воздуха обратили внимание А.М. Парфенов, Г.Б. Вендеборн и др.
Протяженность зоны высокой температуры в слое шихты зависит от скорости горения коксика и скорости теплопередачи от газов к нижележащим слоям шихты, а также от удельного расхода коксика, его крупности и качества; роль влаги, как главного регулятора протяженности зоны высокой температуры, рассмотрена ниже.
Малый размер зерен коксика позволяет сжигать его в тонком слое шихты, иногда доходящем до 30—50 мм. В свою очередь, быстрое продвижение горящего слоя и образование над ним слоя остывающего агломерата создают условия для совершенного теплообмена вследствие регенерации тепла (просасываемый воздух поступает в зону горения нагретым за счет тепла агломерата). Вместе с тем большая поверхность шихты обеспечивает хороший теплообмен между горячими отходящими газами и сырой шихтой, находящейся ниже зоны спекания, что приводит к значительному охлаждению газов на выходе из шихты. В результате высокого теплового коэффициента полезного действия агломерация характеризуется относительно малым расходом топлива и является высокоэкономичным тепловым процессом.
Минимальный удельный расход горючего определяется тепловым балансом; чем ниже содержание влаги в шихте, тем ниже требуемый расход топлива. При постоянном составе шихты и неизменном количестве просасываемого воздуха с увеличением удельного расхода горючего процесс спекания замедляется, так как требуется сжечь больше углерода на единицу рудной части шихты. Практически падение производительности при повышении расхода горючего в еще большей степени связано с уменьшением количества просасываемого воздуха вследствие увеличения сопротивления горящего слоя. Следовательно, максимальная производительность, с точки зрения быстрейшего завершения процесса горения в слое может быть достигнута при минимальном расходе горючего, допускаемом тепловым балансом.
Количество добавляемого горючего оказывает большое влияние на механическую прочность и другие качества агломерата. При малом расходе коксика в горящем слое развиваются относительно низкие температуры, количество образующейся жидкой фазы невелико, агломерат получается хрупкий и непрочный. При повышении содержания коксика в шихте до определенного предела температура горящего слоя повышается и растет степень оплавленности агломерата; прочность агломерата возрастает, но восстановимость его уменьшается. В качестве примера на рис. 41 изображена зависимость прочности агломерата окисленных никелевых руд от расхода коксика, по данным исследоваиий А.Н. Мельницкого, М.И. Захарова и А.Н. Кудрина.
Горение углеродсодержащего топлива

Большое значение имеет равномерное поступление горючего и распределение его в массе шихты. При колебаниях в содержании коксика ровное течение процесса спекания нарушается: в те периоды, когда коксика нехватает, агломерат получается неспеченный, плохого качества; когда, наоборот, коксика в избытке, процесс резко замедляется, агломерат получается оплавленный. Точное дозирование свежего коксика и возврата, отсутствие сегрегации и постоянный контроль за содержанием горючего в шихте позволяют улучшить качество агломерата, повысить производительность агломерационной машины и являются одним из главных факторов, определяющих результаты процесса спекания окисленных руд.
При равномерном распределении горючего по высоте слоя верхняя часть пирога агломерата обычно имеет наименьшую прочность, а нижняя часть, расположенная у колосников, получается излишне оплавленной. Это объясняется улучшением теплового баланса горения в слое по мере протекания процесса спекания, так как воздух, поступающий в зону горения, все более подогревается за счет увеличивающегося слоя готового агломерата, а прогрев шихты, лежащей под зоной горения, ускоряется по мере удаления влаги.
Для получения агломерата, более однородного по качеству, ставились опыты многослойного спекания, при котором шихта верхнего слоя содержала большее количество горючего, а шихта нижнего слоя — меньшее.
По данным Г.Б. Вендеборна, двухслойное спекание железных руд, осуществленное на пяти агломерационных машинах ФРГ и Франции, позволило сократить расход топлива на 15% и устранить оплавление агломерата в нижнем слое. Снижение содержания горючего в нижнем слое и даже полное отсутствие его в постели желательно также для предохранения колосников от припекания к ним оплавленного агломерата.
На агломерационной фабрике завода Корби (Англия) для улучшения пропекания верхнего слоя шихты успешно применен «инертный» газ — продукты горения доменного газа в зажигательном горне без избытка воздуха. «Инертная» атмосфера горна дает возможность осушить и разогреть верхний слой шихты без зажигания топлива, которое воспламеняется по выходе из-под горна.
Гранулометрический состав горючего также играет важную роль в процессе спекания. Чрезмерно крупные зерна коксика горят медленнее мелких зерен и растягивают зону горения; они сгорают менее полно и дают местные перегревы при пониженной средней температуре в слое. Высокое содержание окиси углерода в отходящих газах обычно является следствием недостаточного измельчения коксика. Мелкие зерна коксика распределяются равномернее, что обеспечивает повышение температуры в слое и улучшение качества агломерата. Однако переизмельченный коксик (до состояния пыли) замедляет и ухудшает процесс спекания. При агломерации железных руд в настоящее время принято считать оптимальным измельчение коксика до класса —3 мм; по-видимому, еще лучше использовать класс —3 +0,5 мм. Для мелких шихт желательно, вероятно, еще более тонкое измельчение коксика.
Кроме коксовой мелочи, являющейся основным источником углерода, в качестве горючего можно применять антрацитовый штыб. Другие виды углей для агломерации не пригодны вследствие большого выхода смолистых и летучих веществ, забивающих газоходы и отлагающихся на роторах эксгаустеров.
Лабораторными опытами, проведенными в Механобре, установлено, что антрацитовый штыб АШ и семечковый антрацит АС могут быть использованы как заменители коксика в агломерационной шихте при содержании летучих не более 5%. Опыты показали, что при замене коксика в шихте спекания криворожской железорудной мелочи антрацитом выход годного агломерата увеличился на 15—20%, прочность его несколько возросла и, хотя скорость спекания снижалась с 28,6 до 26 мм/мин., в целом удельная производительность немного увеличилась. В опытах по замене коксика угольным штыбом при спекании окисленной никелевой руды было отмечено замедление процесса спекания.
Г. Поль указывает, что, по данным многолетних производственных наблюдений, наиболее целесообразно применять смесь из равных частей коксовой и антрацитовой мелочи. При этом уменьшается абразивное действие частичек коксика, летящих с отходящими газами, и не происходит залипания смолистыми веществами.
Начиная с 1952 г., производятся промышленные испытания процессов агломерации, в которых требуемое тепло получают частично за счет сжигания жидкого или газообразного топлива над слоем шихты. Так, например, на агломерационной фабрике им. Дзержинского для газовой агломерации железных руд была переоборудована машина площадью 50 м2. Машина имела обычный зажигательный горн, затем двухметровую зону для охлаждения верхнего слоя агломерата водой и далее 11 горелок для доменного газа над всей оставшейся всасывающей поверхностью. Расход коксика был снижен до содержания 1,6—2,5% углерода в шихте, влажность шихты составляла 5,5—6,5%, разрежение у эксгаустера 900—1000 мм вод. ст. При производительности 45 т/час агломерата расход газа составлял 6000—9000 м3/час, что соответствовало дополнительному расходу коксика 2—3% от веса агломерата. Трудность ведения процесса заключалась в загорании газа над горячей шихтой, несмотря на охлаждение корки агломерата водой. При опытах был получен агломерат несколько менее прочный, но более легко восстановимый, чем обычно. По данным Вендеборна, наибольшая экономия топлива, равная 10—20%, достигается при установке горелок для газового спекания на первой трети длины агломерационной машины, но производительность при этом снижается на 8%.
Горение углеродсодержащего топлива

Существенный интерес представляет вопрос о составе отходящих газов. На рис. 42 показано изменение состава отходящих газов в ходе процесса агломерации железных руд с коксовой мелочью, по данным Ж. Мишара. Содержание СО2 быстро растет после зажигания и остается постоянным в течение всего периода передвижения фронта горения до колосников, после чего резко снижается. Содержание СО сначала слегка снижается с 5 до 4%, а в дальнейшем изменяется аналогично изменению содержания СО2. Содержание кислорода в течение этого времени сохраняется почти на постоянном уровне около 4%, а затем, с момента быстрого повышения температуры отходящих газов и увеличения количества просасываемого воздуха, возрастает. Несмотря на избыток кислорода, 20—25% углерода коксика сгорает до СО, причем отношение СО:(СО+СО2) в газах остается практически неизменным на протяжении всего процесса спекания.
Горение углеродсодержащего топлива

На рис. 43, по данным Ж. Мишара, приведен состав отходяших газов при спекании железной руды с различным расходом топлива, причем сумма СО2 + СО + О2 принята равной 100%, а СО2 из карбонатов не учитывается. Из рисунка видно, что с увеличением расхода коксика содержание кислорода в газах снижается, но отношение СО : (СО2 + СО) остается неизменным и не зависит от удельного расхода топлива определенного вида и крупности.
Остается отметить, что углеродистое топливо применяется не только при окисленном рудном, но и при вторичном сырье, причем в послед-чем случае процесс имеет свои специфические особенности.
При агломерации вторичного свинцового сырья на заводе «Укрцинк» легкоплавкость шихты и низкая ее влажность позволяют работать с расходом коксика всего лишь 2% от веса шихты. При спекании латунных и других соров на Московском медеэлектролитном заводе расход угольного или коксового штыба составляет 2—4%, а остальное тепло получается за счет горения цинксодержащей или железной стружки.