Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
В зависимости от вида топлива и типа металлургических печей сжигание производится в форме факельного, вихревого или слоевого горения.
Факельное горение осуществляется вдуванием смеси газообразного, жидкого, или пылевидного топлива с воздухом в рабочее пространство печей, где эта смесь сгорает в ограниченной зоне, имеющей форму растянутого по длине факела. Этот процесс горения наиболее часто применяется в пламенных печах.
Вихревое горение применяется для смеси измельченного твердого топлива и воздуха, которая совершает вихреобразное движение по спирали в камере горения. Этот вид горения характерен для печей, обрабатывающих материалы во взвешенном состоянии, и циклонных топок.
Слоевое горение происходит при сжигании кускового топлива в слое, продуваемом воздухом; оно характерно для шахтных печей, газогенераторов и топок кускового топлива.
Факельное горение
Упрощенная схема факела горения для жидкого и пылевидного топлива приведена на рис. 16. Капельки жидкого топлива или частицы пылевидного угля размером 0,05—0,07 мм вначале перемешиваются с воздухом в зоне 1. Для жидкого топлива перемешивание обычно совмещается с раздроблением сплошной струн жидкого топлива на мельчайшие капельки за счет кинетической энергии сжатого воздуха или пара. Образовавшаяся топливная аэросмесь нагревается теплом прилежащих более горячих слоев факела, а также теплом печного пространства до температуры 300—600°. При этой температуре возникают процессы сухой перегонки и газификации топлива, в результате которых в зоне 2 образуется смесь горючих газов и воздуха. Эта горючая газо-воздушная смесь воспламеняется и сгорает в зоне 3. В результате горения газо-воздушной смеси оставшиеся после газификации твердые и жидкие частички топлива быстро нагреваются до температуры 600—800° и воспламеняются в зоне 4. В дальнейшем в зоне 5 протекает преимущественно процесс горения жидких и твердых остатков топлива. Как видно из изложенного выше, процесс газификации топлива имеет весьма большое значение для процесса горения жидкого и пылевидного топлива, значительно облегчая и ускоряя его протекание.
В действительности процесс факельного горения более сложен, чем элементарная схема, приведенная на рис. 16. Изучение структуры горящих факелов с помощью скоростной киносъемки, проведенное Б.И. Китаевым, показало, что в факеле наблюдаются газовые скопления и разрывы на отдельные куски, в которых горение происходит во всем объеме. Длина факела периодически изменяется с определенной частотой. Нормальная скорость распространения пламени не определяет процесс горения, так как наблюдается значительно большая величина скорости.
Для математического описания процесса горения отдельных капель и кусочков, а также факельного горения потока топлива были сделаны попытки создания теории этих процессов.
Г.А. Варшавский предложил диффузионную теорию горения капель жидкого топлива, исходя из которой процесс горения капли описывается следующей системой уравнений: уравнениями диффузии паров топлива и теплопроводности для внутренней области между каплей и зоной реакции. уравнениями диффузии кислорода и теплопроводности для внешней области, уравнением теплового баланса. Совместное решение этих уравнений позволяет определить скорость выгорания, температуру капли и пр.
В свою очередь Б. В. Канторович считает необходимым совместное решение уравнений: стехиометрического уравнения переноса массы; уравнения непрерывности движения газа и топлива, уравнения состояния газовой среды, уравнения энергии, кинетического уравнения, уравнений движения газовой среды и частиц топлива. К сожалению, ввиду сложности теоретических обобщений они пока еще не нашли практического применения для расчета факельного горения. Приближенный расчет длины мазутного и пылеугольного факела можно произвести с помощью эмпирических формул, предложенных Б.и. Китаевым, В.И. Блиновым и др.
Для хорошего факельного горения жидкого топлива необходимо: 1) очень тонкое распыление частиц горючего до капель размером не более 0,05—0,07 мм; 2) быстрое и тщательное смещение частиц топлива и воздуха с подводом к началу факела всего необходимого для горения воздуха; 3) интенсивное протекание стадии нагрева и газификации топлива, требующее достаточно высокой температуры в этой зоне; 4) интенсивное перемешивание топлива и воздуха по всей длине факела путем создания завихрений.
Для хорошего факельного горения пылевидного угля необходимо: 1) высокое качество угольной пыли, характеризующейся высокой теплотворностью— не ниже 6000 ккал/кг, высоким содержанием летучих — не ниже 15—20%, малой зольностью — не выше 10%, малой влажностью — не выше 0,5% и тонким помолом — не крупнее 0,05—0,07 мм; 2) интенсивное турбулентное перемешивание частичек топлива и воздуха по всей длине факела; 3) быстрый нагрев и газификация топливной аэросмеси.
Для интенсивной тепловой работы металлургических печей горящий факел должен обладать высокой степенью черноты, значительной кинетической энергией (жесткостью) и должен быть направлен на поверхности теплообмена. При газовых факелах увеличение их светимос1и достигается дополнительной подачей в факел распыленных смол или мазута.
Вихревое горение
Вихревое горение — новый процесс сжигания топлива, весьма эффективно применяющийся для мелких или специально дробленых сортов бурых и каменных углей, фрезерного торфа, древесных отходов и т. п. Вихревое горение (окисление) перспективно также для окислительных металлургических процессов — обжига и плавки сульфидных руд и концентратов во взвешенном состоянии.
При рассмотрении факельного горения уже указывалось, что одним из важнейших условий нормального протекания процесса является интенсивное смешение топлива и воздуха и в начальной стадии воспламенения, и в конце факела, при догорании кусочков коксика. Очевидно, что интенсивность перемешивания топливо-воздушной смеси увеличивается при усилении вихревых движений. Поскольку при факельном горении возможности завихрения топливо-воздушных смесей и время пребывания в зоне горения ограничены, это приводит к необходимости весьма тонко измельчать топливо, растягивает зону горения и иногда порождает недожог топлива. При вихревом горении, лучше всего протекающем в топках циклонного типа, частички топлива вследствие сильного закручивания аэросмеси находятся в зоне горения значительно дольше, чем при факельном горении, на поверхности горения происходит усиленный газообмен, предупреждающий «кислородный голод», наблюдаемый в хвосте горящих факелов. Вихревые потоки расширяют зону активного горения до полного объема топочной части печи, обусловливая необычно высокое удельное тепловыделение, и заставляют частички топлива циркулировать до тех пор, пока они полностью не сгорят, что позволяет успешно сжигать топливо, состоящее из частиц размером до 2—10 мм Схема вихревого (циклонного) сжигания угля с жидким золоудалением показана на рис. 17. Топливо с небольшим количеством воздуха подается сверху касательно к цилиндрической поверхности камеры горения 1. Основная масса воздуха подается снизу также касательно к поверхности камеры со скоростью на входе 150—200 м/сек. В камере горения возникает весьма интенсивное движение топлива и воздуха, в котором можно выделить четыре основных потока. Первый из них (наружный, на рисунке не показан) представлен смесью топлива и первичного воздуха, движущейся к пазухе 2 у выходного сопла камеры. Второй поток — горючий газ с высоким содержанием СО, являющийся продуктом газификации топлива, концентрирующегося в пазухе, и двигающийся из пазухи к кромке выходного сопла. Третий поток представлен вторичным воздухом, отделенным от первичного обратным потоком горючего газа из пазухи. Вторичный воздух движется к выходному соплу, смешивается по пути с горючим газом из пазухи, образуя при этом горючую смесь, сгорающую по пути к соплу или на выходе из сопла. Четвертым потоком является высокотемпературная смесь газов, возвращающаяся из камеры дожигания 3 через центр сопла в циклонную камеру. Зола в виде жидкого шлака отбрасывается к стенкам камеры, сползает с них и выпускается через летку в дожигательную камеру. Процесс вихревого горения изучен еще недостаточно и требует дополнительного исследования и математического описания.
Слоевое горение
Слоевое горение является основным процессом для сжигания крупнокускового твердого топлива — кокса, каменного и бурого углей, торфа и др. Для печей цветной металлургии этот процесс имеет наибольшее значение применительно к горению кокса в шахтных печах и к газификации углей и торфа в газогенераторах.
При продувании слоя кускового топлива воздухом процесс горения развивается в основном на поверхности кусков, вследствие чего особое значение приобретают процессы газообмена и диффузии около реакционной поверхности. При слоевом горении в слое топлива имеются две характерные зоны — кислородная (зона горения) и восстановительная, тесно связанные между собой и переходящие одна в другую постепенно, без разрывов.
Если слой топлива однороден и представлен в основном кусками углеродистого топлива, то закономерности горения могут быть охарактеризованы диаграммой горения кокса в горне доменной печи (рис. 18). Рассмотрение этой диаграммы показывает, что при сплошном слое кокса размеры окислительной зоны весьма ограничены и не превышают 0,4—1,0 м от фурм. Процесс горения протекает одновременно по двум реакциям:
о чем свидетельствуют кривые изменения содержания СО2 и СО. По мере удаления от фурм содержание кислорода в газах неуклонно падает до нуля, содержание СО2 в начале возрастает до 10—13%, а затем начинает резко падать. Максимальное содержание СО2 обнаруживается приблизительно в месте исчезновения О2. Содержание СО вначале растет медленно, но при достижении расстояния, соответствующего максимуму СО2, начинает резко увеличиваться и достигает 30—40% в доменных печах и 25—40% в газогенераторах и шахтных печах цветной металлургии, ведущих восстановительную плавку. Основной реакцией, протекающей в восстановительной зоне, является СО2 + С = 2СО, влекущая снижение содержания в газах СО2 и увеличение содержания СО. Размеры окислительной зоны несколько увеличиваются и начало восстановительной зоны отодвигается от фурм при увеличении количества и давления дутья. При дальнейшем движении газов из восстановительной зоны в верхние слои печей и газогенераторов состав газовой фазы несколько изменяется вследствие окисления части СО до СО2 за счет кислорода окислов и некоторой мере обратимости основной реакции восстановительной зоны. Кроме того, в газовую смесь добавляются летучие топлива, влага и СО2 от диссоциации известняка. Если воздушное дутье содержит пары воды, то в составе газов появляется водород, а кислород влаги расходуется на образование СО2 и СО.
Если слой топлива неоднороден и содержит в себе куски руды и флюсов, т. е. представляет смесь топлива и нейтрального материала, то диаграмма горения существенно изменяется. В этом случае (рис. 19) при содержании в слое более 50% инертных материалов кривая содержания кислорода может и не достигать оси абсцисс, а кислород в количестве до 8—10% попадет в верхние горизонты печей. Кривая содержания СО приближается к оси абсцисс и при высоком содержании инертных материалов исчезает с диаграммы. Кривая СО2 после достижения максимума в 16—18% в дальнейшем не стремится к нулю, а с небольшим уклоном продолжается вдоль оси абсцисс. Подобная диаграмма горения кокса характерна для шахтных печей цветной металлургии, ведущих окислительную, например полупиритную, плавку. Увеличение количества и давления дутья сказывается для смешанного слоя более сильно, чем для чисто коксового слоя, и вызывает заметное увеличение протяженности кислородной зоны.
Диаграммы горения для сплошного и смешанного слоя кускового топлива весьма наглядно поясняют сущность процессов горения и газификации.
Если слой топлива, продуваемый воздухом, имеет ограниченную толщину, значительно меньшую, чем величина окислительной зоны, то Б топливе будут развиваться в основном процессы полного горения и выходящие из слоя продукты горения будут содержать в основном СО2 и О2. Такое ведение процесса горения характерно для топок, имеющих целью полное сжигание твердого кускового топлива и получение максимального тепловыделения. Толщина слоя топлива в топках ограничивается в этом случае 100—200 мм.
Если слой топлива имеет значительную толщину, превышающую размеры кислородной зоны и обеспечивающую развитие зоны восстановления, то конечным результатом сжигания топлива будет его газификация с получением горючего газа, в основном состоящего из СО, и N2. Такое ведение процесса горения в слое характерно для газогенераторов и шахтных печей, где слой топлива имеет толщину не менее 0,5—0,8 м. Если принять толщину слоя топлива больше 200 мм и меньше 500 мм, можно получить полугаз, представляющий смесь СО2, СО и О2, что характерно для так называемых полугазовых топок.
Процесс горения топлива в слое протекает преимущественно в диффузионной зоне и не лимитируется скоростями химических реакций, которые имеют в этих условиях очень большие величины. По этой причине количество топлива, сжигаемого (или газифицируемого) в слое, зависит в основном от газообмена и определяется количеством дутья, проходящим через его поперечное сечение, что выражается формулой
Как видно из приведенной формулы, одно и то же количество дутья в зависимости от условий горения, определяемых величиной n, будет обеспечивать сжигание различного количества топлива.