Файл: Варанкин, Ю. В. Газовое хозяйство заводов учеб. пособие.pdf

ется механически из медленно вращающегося поддона 2, наполненного водой. Вода в поддоне служит гидравличе­ ским затвором для нижней части шахты генератора и одновременно охлаждает золу и шлаки, поступающие из зоны /.

Подача

топпиВа

Рис. 4.1. Принципиальная схема простейшего газогенератора.

Продукты горения топлива, двигаясь вверх по шахте в направлении к месту своего выхода, поступают в сле­ дующую зону III, называемую восстановительной. Здесь при температуре до 1000—1200°С происходит восстанов­ ление С02 в СО и продолжается разложение Н20 угле­

57

родом раскаленного топлива. Обе эти зоны (// и III) составляют зону газификации, в которой образуются горючие компоненты газа (СО, Но). Выходящие отсюда высокотемпературные продукты газификации становятся как бы газовым теплоносителем по отношению ко всем вышерасположенный слоям топлива в шахте. Топливо, медленно опускающееся им навстречу, нагревается и проходит последовательно температурные зоны подсуш­ ки, бертинирования и сухой перегонки.

В газообразных продуктах газификации свободного кислорода уже нет, и поэтому топливо, разлагаясь в зоне IV, обогащает генераторный газ продуктами полукоксо­ вания (парами смолы, пирогенетической воды, газооб­ разными компонентами).

Далее парогазовая смесь, обладающая еще достаточ­ но высокой температурой, пронизывает верхние слои све­ жезагруженного топлива н подсушивает его в зонах V и VI. Из генератора выходит парогазовая смесь, направ­ ляемая на охлаждение, конденсацию и очистку.

Показанный на рис. 4.1 газогенератор работает на паровоздушном дутье и производит смешанный генера­ торный газ.

Водяная рубашка 3 и барабан 4 составляют замкну­ тый циркуляционный контур. Насыщенный пар, обра­ зующийся в водяном пространстве рубашки 3, собирает­ ся в барабане 4 и подается на смешение с воздушным дутьем. Избыточное тепло экзотермических реакций в зоне газификации расходуется на эндотермическое взаи­ модействие углерода с водяным паром по реакциям (4.3) и (4.4). Вследствие этого в газовой смеси повыша­ ется содержание водорода и окиси углерода, а также устойчиво поддерживается бесшлаковый режим работы газогенератора.

Смешанный генераторный газ характеризуется более высокой теплотой сгорания, чем воздушный. В табл. 4.1 приведен примерный состав такого генераторного газа, полученного из различных видов топлива при давлении, близком к атмосферному.

Из табл. 4.1 видно, что смешанный генераторный газ, полученный из разных видов топлива, по составу и теп­ лотворности отличается не очень значительно. Жаропро­ изводительность смешанных генераторных газов обычно не превышает 1500—1600°С.

58

Таблица 4.1

Состав и выход газа из 1 т топлива при газификации на паровоздушном дутье [42]

Благодаря повышенному содержанию СО генератор­ ный газ токсичен, а наличие в нем достаточно большого количества водорода обусловливает широкие пределы взрываемости.

Несмотря на увеличение ресурсов природного газа, процессы газификации твердых топлив продолжают иг­ рать заметную роль в .народном хозяйстве нашей страны. Во-первых, газификация является одним из существен­ ных процессов, входящих в цикл доменной выплавки чугуна: в доменных цехах металлургических комбинатов ежегодно получаются сотни миллиардов кубометров так называемого колошникового, по существу генераторного, газа. Во-вторых, самостоятельное производство генера­ торного газа нередко является .экономически оправдан­ ным и осуществляется на многих заводах, как это ука­ зывалось ранее,.для целей отопления печей коксования

иполукоксования, и, наконец, оно может стать вполне экономически выгодным при получении энергетического

идаже бытового газового топлива из таких низкокаче­ ственных многозольных и вместе с тем дешевых видов топлива, как лигниты, бурые угли при открытых спосо­ бах их добычи, горючие сланцы. Схемы газификации твердых топлив рассматриваются ниже именно примени­ тельно к этим трем случаям.

59

§4.2. Получение доменного газа

Вдоменной печи -из шихты, состоящей из агломерата (руды, флюсов) и топлива, в результате сложных физи­

ко-химических процессов получают чугун, шлак и горю­ чий газ.

Хотя доменная печь не является агрегатом, в кото­ ром получение горючего газа представляет основную задачу, загружаемый ів домну кокс проходит все типич­ ные'стадии газификации. Внешне домна даже похожа на генератор для газификации топлива в плотном слое. Это как бы прототип газогенератора с жидким шлакоудалением (рис. 4.2). В колошник 1 сверху периодически загружается шихта с топливом. Внизу печи нет колос­ никовой решетки; дутье подается в фурмы 5, располо­ женные по окружности в верхней части горна 6. На поду накапливается расплавленный чугун. Доменная печь по высоте делится па неравные части. Самая боль­ шая часть — шахта 2, в которой происходит подготовка шихтовых материалов к их расплаву, т. е. подсушка шихты, нагрев ее и восстановление железа из окислов еще в твердом виде.

Конус шахты переходит внизу в небольшое расшире­ ние — распар 3, а затем в заплечики 4. Такой профиль домны обеспечивает требуемое перераспределение пла­ вильных.материалов и спуск их в нижнюю часть к фур­ мам. Сужение заплечиков перед горном, вблизи уровня расположения фурм, обусловлено резким сокращением объема этих материалов в связи с началом интенсивного плавления.

В горн, помимо увлажненного паром воздуха, в боль­ шинстве случаев сейчас подается природный газ или кис­ лород, а часто и то, и другое. Влияние этого на работу печи и качество доменного газа будет показано ниже.

На уровне фурм (в окислительной зоне) развивается максимальная температура 1850—1950°С.

Выпуск металла и шлаков производится 6—8 раз в сутки. Шлак в горне, находится сверху выплавленного чугуна. Его выпускают через шлаковую летку 8, а чу­ гун — через летку 7.

Физико-химические процессы, протекающие в домне, значительно сложнее, чем в газогенераторе. Схематично процесс превращения железной руды в железо может

60

быть представлен как процесс происходящего в несколь­ ко этапов отнятия кислорода от руды, состоящей в ос­ новном из окиси железа (Fe2 0 3) и магнитной окиси же­ леза (Fe30 4).

Для обычного доменного процесса в основном харак­ терны реакции косвенного восстановления окислов желе­ за окисью углерода, последовательно протекающие в. средней части шахты. В области температур выше 570°С это следующие реакции [14]:

Суммарный тепловой эффект такого восстановления железа положителен. В отличие от него процесс восста­ новления в шахте этих окислов водородом, образующим­ ся в нижней части шахты главным образом за счет по­ дачи в дутье водяного пара и природного газа, имеет отрицательный тепловой эффект. Такой же отрицатель­ ный тепловой эффект имеют и реакции так называемого прямого восстановления FeO непосредственно углеродом раскаленного кокса, происходящего в области темпера­ тур 900—1000°С и выше. Суммарная реакция такого процесса

Нормальное протекание реакций косвенного восста­ новления окислов железа требует, как мы видели, нали­ чия на всех этапах в большом избытке окиси углерода (СО). При горении кокса в нижней части шахты, куда подается дутье, образуются С02, СО (с преобладанием СОо).

Восстановление С02 в СО идет, подобно тому как это' происходит в газогенераторах, по эндотермической ре­ акции (4.7). Образующаяся в ходе восстановления окис­ лов железа двуокись углерода С02 также превращается в СО за счет реакции с раскаленным углеродом кокса. Процесс этот прекращается лишь в верхних зонах печи,, где температура 600°С и ниже. Поэтому колошниковый газ близок по составу к воздушному генераторному газу.

62

Восстановление окислов железа в шахте происходит не только окисью углерода, но и водородом. Подача в дутье природного газа способствует значительному усилению этого процесса. В окислительнон зоне происходит его горение с образованием ССЬ н Н2 О, кото­ рые затем, реагируя с раскаленным коксом, образуют восстановители СО и Но. Окончательное уравнение горения метана природного газа может быть записано так [14]:

горении 1 кг кокса, а количество образующихся горновых газов, напротив, больше. Температура у фурм при подаче сюда природного газа получается ниже. В ряде случаев это приводит даже к некото­ рому снижению производительности печи.

С целью устранения этого в большинстве случаев при подаче в домну природного газа дутье обогащают кислородом. Применение

[4, 30]. Экономический эффект обусловлен как экономией топлива, так и значительной разницей в стоимости газа и кокса. Если учесть, что стоимость кокса составляет сейчас примерно 50% стоимости чугуна, то станет понятным, насколько прогрессивным является при­ менение природного газа н комбинированного дутья в доменном производстве.

Эффективность использования в доменных печах природного газа стремятся повысить и еще одним, не менее прогрессивным ме­ тодом — вынесением реакций образования из природного газа вос­ становительных газов за пределы доменной печи при их высокотем­ пературном подогреве.

Природный газ в этих случаях подвергается конверсии водяным

В горн доменной печи для процессов восстановления окислов железа подаются продукты конверсии, подогретые до 1200°С и выше.

Сочетание применения такого горючего восстановительного газа с обогащением дутья кислородом еще более снижает расход кокса при одновременной интенсификации всего доменного процесса вы­ плавки металла [11, 24].

Выход и состав получаемого в доменных печах ко­ лошникового газа зависят от вида дутья, оостава шихты, режима работы и ряда других факторов. Выход колош­ никового (доменного) газа обычно составляет 3500— 4000 м3 на 1 т чугуна. Повышение температуры дутья с 600 до 1000°С уменьшает выход газа примерно на 1,8%; подача природного газа и особенно кислорода уменьшает выход доменного газа более чем на 10%. Однако его теплота сгорания, как правило, увеличивает-

63