РАЗДЕЛ 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ОБЖИГЕ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ ОКАТЫШЕЙ
ПОЛУЧЕННЫХ ИЗ ШИХТ С ДОБАВКОЙ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
2.1. Оценка качества твердого топлива для использования его в шихте окомкования
Твердое топливо в составе окатышей выполняет две функции: энергоноситель для
выделения теплоты и создание необходимых температурных условий для термической
обработки окатышей (внутренний источник теплоты) и как компонент шихты,
необходимый для протекания физико-химических процессов в отдельном окатыше и
обрабатываемом слое. Поэтому выбор топлива определяется совокупностью многих
факторов.
Основным твердым топливом, применяемым в шихтах для окускования железорудных
материалов, являются ископаемые угли и кокс. Выход летучих веществ у этих углей
колеблется от 9 до 45 %, а в антраците менее 9 %.
Подача твердого топлива зависит от его назначения. При использовании топлива
как компонента шихты для производства окатышей оно подвергается сушке,
дроблению и сортировке. Затем топливо системой конвейеров подают в приемные
бункера, из которых производят дозированную подачу его в смесители или
подвергают совместному измельчению с известняком для предотвращения
самовоспламенения.
Процесс горения твердого топлива представляет собой комплекс сложных
физико-химических явлений: теплообмен частиц с окружающей средой, выход и
горение летучих веществ (СН4, Н2, СО и т.д.), горение коксового остатка. В
большинстве случаев для реальных топливных частиц прогрев и горение летучих -
довольно быстрые процессы и составляют по времени не более 10 % по сравнению с
временем горения коксового остатка, что позволяет пренебрегать ими в расчетах
времени горения твердых частиц топлива.
Кинетика горения твердых топливных частиц и, в частности, коксового остатка
посвящено значительное число работ [104-108]. Основой расчета времени горения
коксового остатка частицы твердого топлива является уравнение баланса массы,
которое может быть записано в виде скорости уменьшения диаметра сферической
частицы:
где - диаметр сферической частицы, м,
- молекулярная масса углерода (12 кг/кмоль),
- плотность частицы, кг/м3,
- скорость выгорания углерода, кмоль/м2·с.
Время горения частицы (ф) от начального диаметра до текущего размера находится
из выражения интегрированием:
Таким образом, задача сводится к нахождению скорости выгорания углерода ,
которая определяется химической кинетикой реакции горения углерода в
окислительной среде окружающего газа.
Процесс этот определяется скоростями протекания целого комплекса микро- и
макроскопических процессов [109].
Температура воспламенения и особенно время выгорания частиц твердого топлива
влияют на энергозатраты процесса обжига окатышей. Чем позже происходит
воспламенение топлива и продолжительнее его горение, тем меньше теплоты
теряется с отходящими газами. Одновременно за счет более низкой температуры
отходящих газов снижается их объем и уменьшается расход электроэнергии на
транспортировку. С другой стороны, окатыши нижнего слоя при высокой температуре
зажигания и большем времени выгорания твердого топлива позже достигают
требуемой температуры обжига, что снижает производительность. Следует отметить,
что при этих условиях обжига температурный уровень, при котором происходит
газификация твердого топлива, повышается. Это сопровождается, в соответствии с
реакцией Будуара, увеличением количества образующегося восстановительного газа
и интенсификацией процессов восстановления оксидов железа.
Во время реакций восстановления оксидов железа внутри окатыша при добавке
твердого топлива в шихту окисляется лишь часть монооксида углерода. Основная
его часть сгорает в окружающей окатыш атмосфере, благодаря чему значительно
улучшается передача теплоты окатышам. Выделение теплоты при сгорании монооксида
углерода дает возможность заменить «дорогое» топливо (природный газ) более
дешевым. Выделение теплоты способствует также более равномерному её
распределению по высоте слоя окатышей и повышению тем самым равномерности
обжига [40, 63].
Для полного использования приведенных выше преимуществ добавки твердого топлива
(восстановителя) в шихту необходим постоянный контроль хода процесса обжига.
Все частицы углерода на поверхности окатыша сразу сгорают до углекислого газа.
При этом вследствие высокой температуры на поверхности окатыша может начаться
шлакообразование, что вызовет ухудшение газопроницаемости поверхностного слоя
окатышей. Это означает, что необходим очень тонкий помол, для снижения
концентрации теплоты на поверхности окатыша. На первой ступени предварительного
нагрева скорость повышения температуры в слое окатышей следует поддерживать
сравнительно низкой.
Развитие реакций окисления существенно разнится на поверхности и в центре
окатыша. Фазовые превращения при окислении и восстановлении могут привести к
разрушению окатыша. В этом отношении особенно опасна стадия восстановления, так
как в тот момент, когда в окатыше образуются связки, происходит резкое
увеличение параметров решетки, при превращении . Поэтому добавка
восстановителя, не вызывающая ухудшения качества окатышей, определяется:
реакционной способностью твердого топлива, сортом концентрата, а также исходной
пористостью высушенного окатыша.
При выборе количества твердого топлива следует исходить из соответствующего
соотношения между скоростью реакций восстановления, подводом газа-теплоносителя
и теплопередачей. Такое соотношение устанавливается только при тщательном
выборе сорта концентрата, точном контроле, а также стабильности процесса
обжига. Поэтому выбор количества восстановителя определя
- Київ+380960830922