ОСНОВЫ АГЛОМЕРАЦИИ. ЖЕЛЕЗНЫХ РУД

Термическое разложение и воспламенение шихты

После испарения воды в интервале температур 250—500° происходит разложение водных окислов железа, которое проте­кает в. непосредственной близости от зоны горения, так как тем­пература энергичного разложения их граничит с температурой начала воспламенения отдельных частиц топлива. Поскольку воспламенение связано с резким скачкообразным подъемом температурь:, совмещение этих двух процессов сопровождается также бурным парообразованием, как и при испарении воды

в тонких капиллярах, что является для бурых железняков при­чиной получения крупноноздреватой ветвистой структуры агло­мерата. При температуре около 900° к процессу дегидратации водных окислов присоединяется еще и процесс разложения из­вестняка, добавляемого в шихту для офлюсования пустой по­роды.

Реакция разложения известняка

СаС03 ^ СаО -| С02

протекает с затратой 748 ккал на 1 кг СаО.

Одновременно с дегидратацией водных окислов происходит разложение топлива с выделением горючих газов. Летучие ве­щества, выделяющиеся во время нагрева шихты при работе на каменных углях, 6^ttyT потеряны для процесса спекания,

так как улетучатся раньше, чем произойдет их сгорание. Поэто­му с точки зрения теплотворной способности топлива приме­нение каменных углей для агломерации или другого горючего, содержащего углеводороды, технически и экономически неце­лесообразно.

Воспламенение топлива сопровождается резким изменением температуры в слое шихты, на который распространилось горе­ние. До тех пор, пока в слое содержалась влага, температура составляющих шихту твердых компонентов не превышает 100°. По окончании процесса сушки она резко поднимается, что ха­рактеризуется восходящим отрезком кривой (рис. 37), и дости­гает максимума, отвечающего концу процесса горения в этой зоне.

Горение топлива в слое шихты

Реакции окисления углерода (1 и 2) называют первичными, а реакции окисления окиси углерода и восстановления угле­кислоты (3 и 4) — вторичными.

Существует несколько взглядов на природу и последова­тельность процесса окисления углерода при горении.

Одни считают, что углерод окисляется в высший окисел по реакции

С - f - О2 = С02,

который на некотором удалении от зоны окисления вследствие пониженной концентрации кислорода и значительной темпера­туры восстанавливается при соприкосновении с углем в окись углерода по реакции

С02 + С - 2СО,

т. е. предполагают, что окись углерода является продуктом только вторичной реакции.

Противоположная точка зрения заключается в предположе­нии, что углерод при горении окисляется только IB окись угле­рода:

С + О = СО,

которая затем уже догорает в углекислоту:

2СО + 02 = 2С02,

т. е., что первичной реакцией является реакция образования окиси углерода, в которую единственно лишь и может окис­ляться углерод под действием кислорода воздуха, а углекис­лота является продуктом вторичной реакции.

Наиболее значительные исследования процесса горения про­водятся в настоящее время в Советском Союзе. Они сочетают многочисленные и разносторонние экспериментальные работы с глубоким математическим анализом результатов опыта [38].

По данным советских исследователей, в реакции углерода с кислородом следует различать два 'коренным образом отли­чающихся друг от друга этапа: окислительный, протекающий при невысоких (не более 700°) температурах до воспламенения топлива, и собственно горение, начинающееся после воспламе­нения топлива, т. е. по достижении 700—800°.

В период окисления углерод с кислородом дает смесь двух газов СО и С02, в. период горения образуется только окись углерода, которая с избытком кислорода догарает в углекис­лоту на некотором расстоянии от кусочков топлива. Такова наи­более вероятная последовательность реакций горения углерода. Процесс окисления топлива предшествует воспламенению, вслед за которым начинается собственно горение по схеме:

2С + 02 = 2СО + 53140 кал, 2СО + 02 = 2СОа + 135300 » ,

из которой следует, что главенствующее значение в тепловом отношении имеет газовая реакция окисления окиси углерода в углекислоту. При сжигании топлива в обычных топочных уст­ройствах окисление окиси углерода и других газообразных го­рючих протекает в объеме топочного пространства с характер­ным образованием пламени. В противоположность этому окис­ление горючих газов при агломерации происходит па поверх­ности твердых ‘компонентов шихты беспламенно.

Как и всякое твердое вещество, шихта, нагретая до высокой температуры, обладает каталитическими свойствами, ускоряю­щими процесс горения. Каталитические свойства различных ми­неральных веществ начинают проявляться с разогревом до тем­пературы темно-красного каления и с повышением ее постепен­но усиливаются. Свойство твердых огнеупорных веществ ста­новиться катализаторами при высокой температуре нагрева ис­пользуется в теплотехнике для создания топок беспламенного горения, имеющих преимущество перед обычными пламенными топками.

Основное преимущество беспламенного горения заключается в больших скоростях горения с получением наиболее высоких температур, что достигается благодаря предварительному пе­
ремешиванию горючего газа с воздухом и применению ката­лизаторов [37]. Так, например, беспламенное сжигание позво­ляет получить температуры:

При горении окиси углерода. до 2100°

» » » водорода » 1900°

» » » метана . і> 1850°

По современной теории беспламенного горения, активные свойства поверхности катализатора зависят от способности ее адсорбировать горючие газы, что ведет к увеличению концентра­ции газа на адсорбируемой поверхности.

По поводу каталитических свойств поверхностей при беспла­менном горении существует две точки зрения. По мнению одних исследователей, активность различных минеральных катализато­ров неодинакова. Окислы некоторых металлов, как например железа, никеля, марганца, щелочных металлов, некоторых угле­кислых соединений щелочноземельных металлов, активируют процесс адсорбции горючих газов и ускоряют их горение [39].

Существует и прямо противоположный взгляд на природу ка­талитической активности минеральных веществ при беспламен­ном горении: считают, что решающим фактором интенсифика­ции процесса беспламенного горения является не активная роль катализаторов, а особенности аэродинамического и температур­ного режимов процесса [40]. В частности, интенсивность процес­са горения определяется следующими факторами: а) смешива­нием газа с воздухом; б) турбулентностью потока воздуха и га­зов; в) температурным уровнем процесса.

Указанные факторы имеют большое значение для беспламен­ного горения, однако они не умаляют значения природы и ката­литических свойств вещества, на поверхности которого проис­ходит беспламенное сжигание газа.

Замечательной особенностью горения топлива в слое спекае­мой шихты является регенерация, или можно оказать «самореге - нерация» тепла: спекшаяся часть шихты — агломерат — переда­ет свое тепло воздуху, а продукты горения, проходя СЛОЙ НР - спекшейся шихты, отдают ей свое тепло. Благодаря огромным поверхностям шихты и агломерата происходит энергичный теп­лообмен между шихтой и газами, и на коротком пути (50— 100 мм) отходящие газы успевают отдать шихте основную часть тепла.

В процесс спекания криворожской руды регенерируется, по данным С. М. Меерова [15], более 38% тепла, а по данным В. Люйкена [75] — более 40%.

Если рассматривать каждую частицу топлива как центр, из­лучающий тепло в окружающую среду, то, очевидно, необходи­

мо так распределить топливо в шихте, чтобы разделяющие эти центры рудные прослойки имели минимальные размеры и нахо­дились - в сфере перекрестного теплового воздействия нескольких центров. При больших размерах зерен руды действие высоких температур локализуется на поверхности зерен вследствие оп­лавления этой поверхности. В этом случае тепло не успевает распространяться до центра крупного зерна за короткий период горения топлива, и это обстоятельство ограничивает активацию процесса горения.

Так как переносчиком тепла являются воздух и раскаленные продукты горения, то решающее значение для скорости распро­странения температур приобретает теплообмен между газовой и твердой фазами. Очевидно, передача тепла газами шихты бу­дет пропорциональна поверхности материала шихты, т. е. тем луч­ше, чем тоньше его измельчение. Но на практике тонкоизмель - ченные материалы без соответствующей подготовки спекаются с трудом вследствие малой газопроницаемости шихты, что также необходимо учитывать.

Горение топлива в слое шихты распространяется сверху вниз, в направлении потока просасываемого воздуха. Скорость пере­движения зоны горения характеризует скорость спекания руды, т. е.

где С— вертикальная скорость спекания, мм/мин; h — высота спекаемого слоя, мм;

t — время, за которое зона горения прошла путь от поверх­ности шихты до колосниковой решетки, мин.

Следует иметь в виду, что С является функцией многих пере­менных, значение которых определяется природными свойства­ми входящих в шихту компонентов, как - то: физико-химический и минерало-петрографический состав, характеристика крупности, влагоемкость и т. д., т. е., с одной стороны, свойствами незави­симыми от. нашего воздействия, а, с другой стороны, такими, ко­торые создаются нами по собственному усмотрению, например: соотношение отдельных компонентов и их крупность, высота спе­каемого слоя, воздушный и вакуумный режимы и т. д. Отсюда понятно, что определить теоретическим путем вертикальную ско­рость спекания невозможно, если неизвестна зависимость изме­нения ее от всех перечисленных выше факторов. Выяснение за­висимости С от указанных переменных факторов представляет трудную задачу. Более или менее изученной является зависи­мость величины С от скорости просасываемого через шихту воз­духа. Советскими и заоубежными исследователями установлено,.

что эта зависимость, в пределах вакуума под колосниками маши­ны от 200 до 1100 мм вод. ст. является линейной.

Выражение С= — в свою очередь показывает, что продол­жительность спекания будет тем меньше, чем меньше высота спекаемого слоя.

Исходя из этого инж. А. П. Николаев [41] предложил процесс двухслойного спекания, заключающийся в том, что на машину загружается два слоя шихты, в сумме равные высоте одного обычного слоя. Сначала загружается и зажигается нижний слой, и, когда горение распространится на некоторую глубину, на горящий первый стой загружается .второй, верхний слой шихты, который также обычным способом зажигается. В результате путь h зоны горения сокращается вдвое и соответственно в два раза меньшей должна быть и продолжительность процесса.

На практике это предложение себя не оправдало, так как по­сле зажигания верхнего слоя горение в нижнем слое прекраща­лось из-за недостатка кислорода.