Через фурмы доменной печи подают горячее воздушное дутье при температуре 1000—1200 °С. Непосредственно перед фурмами печи происходит сгорание кокса,
Образуются окислительные зоны. Кокс в этих зонах сгорает во взвешенном состоянии. Из рис. 36 видно, что вблизи фурм образуется полость, в которой происходит вихревое движение газов, приводящее к циркуляции кусков кокса. Куски кокса переносятся потоками воздуха от фурм, а на их место попадают раскаленные до 15000C другие куски кокса и здесь сгорают. При сгорании развиваются температуры до 20000C. Глубина зоны достигает 1500 мм. Вокруг зоны циркуляции располагается область, в газовой фазе которой содержится CO2. Пространство перед фурмами, в котором происходит окисление углерода кокса кислородом дутья и CO2, называется окислительной зоной, схема которой представлена на рис. 37. Сердцевину окислительной зоны составляет кислородная зона, вокруг нее расположена углекислотная зона.
A-A
Рие. 36. Схема циркуляции кокса у фурмы дощенной печи:
А — по вертикали; б — в плане
По мере удаления от фурм в условиях высокой температуры и избытка углерода CO2 взаимодействует с углеродом и восстанавливается до СО. Если увеличивать давление дутья, повышать температуру и содержание кислорода в воздухе, то размеры окислительной зоны будут уменьшаться. Сгорание кокса происходит на поверхности кусков в результате контакта с окислительными газами. Суммарная реакция сгорания представлена уравнением 2С+02 = 2С0—220500 Дж.
Рис. 37. Схема окислительной зоны перед фурмой доменной печи: /—кислородная зона: 2 — углекислотная зона
Рис. 38. Изменение состава газа и температуры в зоне горения у фурм доменной печи
При использовании сухого воздуха состав горнового газа будет следующим: 34,7 % СО; 65,3 % N2. Обогаще^ ние дутья кислородом способствует повышению СО в газе и соответственно восстановительное действие газа возрастает. При увлажнении дутья происходит разложение H2O углеродом по реакции H2O+C = H2+ СО. При искусственном увлажнении дутья до 3—4 % для интенсификации процесса содержание водорода в газах достигает 2—3 %.
81
При использовании природного газа содержание водорода и СО в доменном газе возрастает. Однако это не повышает температуру в фурменной зоне, так как образующиеся при сгорании водорода и СО водяной пар и CO2 разлагаются углеродом до СО и H2 с затратой тепла. Незначительный приход тепла получается при сгорании углеводородов, например при сгорании метана: CH4+0,5 O2 = СО + 2Н2—76030 Дж, т. е. на 1 м3 метана
6—398
Выделяется 1658 кДж, в то время как при сгорании 1 кг углерода кокса выделяется 9220 кДж тепла.
Перед фурмами доменной печи состав газов изменяется примерно так, как показано на рис. 38. По мере удаления от торца фурм содержание кислорода непрерывно уменьшается и на расстоянии 800—1250 мм он полностью исчезает. У самого устья фурмы в газе появляется CO2. Содержание CO2 достигает максимума при расстоянии 500—800 мм; на расстоянии около 1500 мм CO2 полностью исчезает. Содержание СО увеличивается к центру печи не только вследствие сгорания кокса, но и в результате реакций восстановления оксидов. Средний состав горновых газов следующий: 35—45 % СО; 1— 12 % H2 и 45—64 % N2, температура газа составляет — 1600 0C. По мере того как газ поднимается вверх, он отдает свое тепло шихтовым материалам, СО и H2 расходуются на восстановление оксидов, превращаясь в CO2 и H2O. Газы, выходящие из печи, содержат 18 % CO2, 20—30 % СО; 2—8% H2; 0,2—0,5% CH4; -50% N2.
При обогащении дутья кислородом содержание азота в газе понижается, а концентрация остальных составляющих возрастает.