Оценка доли выгорания частиц пылеугольного топлива в фурменном очаге
Используя физико-математическую модель высокотемпературного тепломассообмена и окисления пылеугольного топлива в фурменном очаге, приводится оценка влияния начальной концентрации кислорода, температуры и скорости дутья, дисперсности и массового расхода угольной пыли на полноту сгорания пыли плотных...
Збережено в:
| Дата: | 2013 |
|---|---|
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
2013
|
| Назва видання: | Металл и литье Украины |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/159598 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Оценка доли выгорания частиц пылеугольного топлива в фурменном очаге / В.В. Калинчак, Ю.А. Зинченко, А.С. Черненко, Р.Д. Куземко // Металл и литье Украины. — 2013. — № 12. — С. 9-16. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-159598 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1595982019-10-10T01:25:17Z Оценка доли выгорания частиц пылеугольного топлива в фурменном очаге Калинчак, В.В. Зинченко, Ю.А. Черненко, А.С. Куземко, Р.Д. Используя физико-математическую модель высокотемпературного тепломассообмена и окисления пылеугольного топлива в фурменном очаге, приводится оценка влияния начальной концентрации кислорода, температуры и скорости дутья, дисперсности и массового расхода угольной пыли на полноту сгорания пыли плотных частиц кокса, температуру и состав газа по длине фурменного очага. Використовуючи фізико-математичну модель високотемпературного тепломасообміну і окислення пиловугільного палива у фурменому вогнищі, приводиться оцінка впливу початкових концентрацій кисню, температури і швидкості дуття, дисперсності і масової витрати вугільного пилу на повноту згорання пилу щільних частинок коксу, температуру і склад газу по довжині фурменого вогнища. Estimation of the impact of the initial concentrations of oxygen, temperature and velocity of the blow and the dispersion and mass flow of coal dust on the completeness of combustion of dust of the dense coke particles, temperature and gas composition along the tuyere hearth is done on the base of the physical-mathematical model of high-temperature heat and mass exchange and oxidation of pulverized coal in tuyere hearth. 2013 Article Оценка доли выгорания частиц пылеугольного топлива в фурменном очаге / В.В. Калинчак, Ю.А. Зинченко, А.С. Черненко, Р.Д. Куземко // Металл и литье Украины. — 2013. — № 12. — С. 9-16. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 2077-1304 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/159598 662.6, 667 ru Металл и литье Украины Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Используя физико-математическую модель высокотемпературного тепломассообмена и окисления пылеугольного топлива в фурменном очаге, приводится оценка влияния начальной концентрации кислорода, температуры и скорости дутья, дисперсности и массового расхода угольной пыли на полноту сгорания пыли плотных частиц кокса, температуру и состав газа по длине фурменного очага. |
| format |
Article |
| author |
Калинчак, В.В. Зинченко, Ю.А. Черненко, А.С. Куземко, Р.Д. |
| spellingShingle |
Калинчак, В.В. Зинченко, Ю.А. Черненко, А.С. Куземко, Р.Д. Оценка доли выгорания частиц пылеугольного топлива в фурменном очаге Металл и литье Украины |
| author_facet |
Калинчак, В.В. Зинченко, Ю.А. Черненко, А.С. Куземко, Р.Д. |
| author_sort |
Калинчак, В.В. |
| title |
Оценка доли выгорания частиц пылеугольного топлива в фурменном очаге |
| title_short |
Оценка доли выгорания частиц пылеугольного топлива в фурменном очаге |
| title_full |
Оценка доли выгорания частиц пылеугольного топлива в фурменном очаге |
| title_fullStr |
Оценка доли выгорания частиц пылеугольного топлива в фурменном очаге |
| title_full_unstemmed |
Оценка доли выгорания частиц пылеугольного топлива в фурменном очаге |
| title_sort |
оценка доли выгорания частиц пылеугольного топлива в фурменном очаге |
| publisher |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| publishDate |
2013 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/159598 |
| citation_txt |
Оценка доли выгорания частиц пылеугольного топлива в фурменном очаге / В.В. Калинчак, Ю.А. Зинченко, А.С. Черненко, Р.Д. Куземко // Металл и литье Украины. — 2013. — № 12. — С. 9-16. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| series |
Металл и литье Украины |
| work_keys_str_mv |
AT kalinčakvv ocenkadolivygoraniâčasticpyleugolʹnogotoplivavfurmennomočage AT zinčenkoûa ocenkadolivygoraniâčasticpyleugolʹnogotoplivavfurmennomočage AT černenkoas ocenkadolivygoraniâčasticpyleugolʹnogotoplivavfurmennomočage AT kuzemkord ocenkadolivygoraniâčasticpyleugolʹnogotoplivavfurmennomočage |
| first_indexed |
2025-07-14T12:08:00Z |
| last_indexed |
2025-07-14T12:08:00Z |
| _version_ |
1837624072130789376 |
| fulltext |
9МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 12 (247) ’2013
Зону горения углеродных частиц (факел) условно
представим в виде ограниченной расширяющейся
осесимметричной струи, через боковую поверхность
которой возможен перенос тепла и массы. Предполо-
жим, что квазистационарное течение и все используе-
мые величины являются функциями только координа-
ты х – расстояния от сопла фурмы. Для определенно-
сти будем использовать индексы: 1 – газ, 2 – частица.
В качестве ПУТ рекомендуются угли и концентра-
ты с содержанием золы и серы до 10-12 и 1,5-2,0 %
соответственно. Влажность в дутье не должна пре-
вышать 10-12 %. Диаметр частиц db, подаваемых в
ПУТ варьируется от 30 до 200 мкм. Массовый расход
пылеугольного топлива на фурму m = 10-25 кг/мин.
Внутренний диаметр трубы, из которой истекает азот
с угольным порошком, составляет 20 мм.
Степень обогащения дутьевого воздуха ZO2b, прохо-
дящего через сопло, обычно меняется от 21 до 38 %.
Расход воздуха на одну фурму V1 = 225 м3/мин (на
20 фурм – 4500 м3/мин). Температура воздуха T1b,
поступающая через сопло дутьевой фурмы за счет
предварительного разогрева, варьируется в пределах
900-1400 oС. Диаметр сопла фурмы 2rsb = 160 мм.
В
ведение. Главными показателями эффектив-
ности использования углей в качестве пы-
леугольного топлива (ПУТ) является пол-
нота их сгорания и полная газификация уголь-
ных частиц в пределах фурменных зон доменной
печи до угарного газа [1-6]. Неполнота сгорания
ПУТ, особенно при больших расходах, обусловли-
вает снижение коэффициента замены кокса и повы-
шение содержания углерода в продуктах плавки.
Большим преимуществом пылевидного угля по
сравнению с другими видами топлива является его
низкая стоимость. При вдувании измельченного угля
затраты тепла на процессы термического его разло-
жения небольшие, что обеспечивает сравнительно
высокий (особенно к природному и коксовому газам)
приход тепла в горн доменной печи. Для достижения
оптимальных показателей при вдувании ПУТ обычно
варьируют эмпирическим путем дисперсность и мас-
совый расход угольной пыли, температуру и скорость
вдуваемого воздуха, концентрацию кислорода [2-4].
Цель настоящей работы – изучение процессов
тепломассообмена и горения частиц ПУТ в фурмен-
ном очаге, проведение анализа влияния начальных
параметров, а именно размера ча-
стиц ПУТ, температуры дутья, мас-
совой доли кислорода и массового
расхода пылеугольного топлива.
Постановка задачи. Рассмот-
рим фурму доменной печи (рис. 1).
Угольная пыль вдувается в потоке
разогретого до высокой темпера-
туры воздуха, обогащенного кис-
лородом. Подают пылеугольное
топливо (ПУТ) и воздух отдельно.
На некотором расстоянии (око-
ло 0,4 м) от выходного отверстия
фурмы происходит интенсивное
перемешивание этих двух пото-
ков. После чего образующая смесь
попадает в фурменный очаг, где
происходит сжигание ПУТ и кисло-
рода дутья.
УДК 662.6, 667
В. В. Калинчак, Ю. А. Зинченко*, А. С. Черненко, Р. Д. Куземко**
Одесский национальный университет им. И. И. Мечникова, Одесса
*ПАО «Мариупольский металлургический комбинат им. Ильича», группа Метинвест, Мариуполь
**Приазовский государственный технический университет, Мариуполь
Оценка доли выгорания частиц пылеугольного топлива в
фурменном очаге
Используя физико-математическую модель высокотемпературного тепломассообмена и окисления пыле-
угольного топлива в фурменном очаге, приводится оценка влияния начальной концентрации кислорода,
температуры и скорости дутья, дисперсности и массового расхода угольной пыли на полноту сгорания пыли
плотных частиц кокса, температуру и состав газа по длине фурменного очага.
Ключевые слова: фурменный очаг, пылеугольное топливо, частица, тепломассообмен, полнота сгорания,
дисперсность
Фурменная зона доменной печи: 1 – огнеупорная стенка доменной печи,
2 – водоохлаждаемая фурма, 3 – подача воды для охлаждения фурмы, 4 – по-
дача обогащенного кислородом воздуха, 5 – подача угольного порошка в потоке
азота, 6 – фурменный очаг, 7 – пространство, занятое коксом, железной рудой
Рис. 1.
1
23
5
4
L
3
6 х
7
10 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 12 (247) ’2013
Здесь mj – молярные массы, кг/кмоль, ki – констан-
ты химических реакций
где mR = 8,31 – универсальная газовая постоянная,
кДж/(кмоль·К).
Кинетические константы гетерогенных реакций (в
м/с) определяются по энергии активации первой реак-
ции (например, для антрацита Е1 = 140 МДж/кмоль) [7].
Q1 = 12,343 МДж/кгО2, Q2 = 6,844 МДж/кгО2;
Q1 = 4МДж/кгСО2.
Для гомогенной реакции: E4 = 96,3 МДж/кмоль,
k04 = 7,05·106 1/с, Q4 = 20,39 кДж/кгСО2.
Физико-математическая модель тепломассо-
обмена частицы ПУТ. Изменение температуры ча-
стицы происходит за счет тепловыделения и тепло-
поглощения qch в гетерогенных химических реакциях
(I)-(III), теплообмена с окружающим газом qg за счет
молекулярной и турбулентной диффузии с учетом
стефановского течения, направленного от частицы,
а также теплообмена излучением qw со стенками
шихты согласно уравнению:
Таким образом, скорость истечения смеси на вы-
ходе из сопла фурмы w1b = 200-290 м/с. Частицы угля
подхватываются потоком обогащенного воздуха и
разгоняются практически до скорости газа. Движение
газа и частиц турбулентное, так как число Рейноль-
дса на входе в фурменный очаг около 105. Поэтому
рассматриваемые величины считаем средними для
данного сечения.
Длина фурменного очага L = 2,0-2,2 м. Давле-
ние в доменной печи в районе фурменного очага
Р = 0,36-0,56 МПа.
Параметры газа вне факела считаем заданными:
скорость w1∞ = 0, температура T1∞, концентрации кис-
лорода, углекислого и угарного газов ZO2∞, ZCO2∞, ZO2∞.
Предполагаем также в дальнейшем, что газо-
образные продукты реакции имеют температуру и
скорость дисперсных частиц.
Кинетика химических реакций. Примем, что ча-
стицы являются коксовыми (отсутствие летучих),
плотными (отсутствие пористости) и сферическими.
На поверхности такой угольной частицы протекают
три реакции:
В газе между частицами топлива протекает и го-
могенная реакция
Зададим скорости химических реакций по кисло-
роду (масса кислорода, вступающего в реакцию на
единице внешней поверхности в единицу времени):
и по углекислому газу
Реакция (IV) идет по первому порядку по угарному
газу. При понижении концентрации кислорода ниже 5
% скорость данной реакции становится пропорцио-
нальной и концентрации кислорода:
Связь между скоростями химических реакций по
другим компонентам:
2 2C + O CO→ (I) экзотермическая,
2
1
C+ O CO
2
→ (II) экзотермическая,
2C+CO 2CO→ (III) эндотермическая.
(IV) экзотермическая.
2 2
1
CO+ O CO
2
→
12 22O (II) O sw k Z= ρ
1 12 2O (I) O sk Zw = ρ ;
2 23 1CO (III) CO sw k Z= ρ .
2
2 2
2
CO
CO (I) O (I)
O
w w=
µ
µ
;
2
2
C
C(I) O (I)
O
w w
µ
=
µ ;
2
2
C
C(II) O (II)
O
2
w w
µ
=
µ
;
2
2
CO
CO(II) O (II)
O
2
w w=
µ
µ
;
2
2
CO
CO(III) CO (III)
CO
2
w w
µ
=
µ
;
2
2
C
C(III) CO (III)
CO
w w
µ
=
µ
;
2
2O
O (IV) CO(IV)
CO2
w w
µ
=
µ
.2
2
CO
CO (IV) CO(IV)
CO
w w
µ
=
µ
;
0 exp i
i i
E
k k
RT
= −
µ
,
,0 100exp
2600
i
i
Ek
R
= µ ⋅
,2
2 2
2C+O 2CO2
1 C+O CO
1,1
EE
E E
→
→
= =
.2
2 2
C+CO 2CO3
1 C+O CO
2,2
EE
E E
→
→
= =
2
2
2
4 1 CO O
CO(IV)
4 1 CO O
, 0,05%
, 0,05%
0,05
O
k Z Z
w Z
k Z Z
ρ ≥
=
ρ <
2 2 2
26 ch g w
c Tw q q q
x
ρ δ ∂
⋅ = − −
∂
,
2 2( 0) bT x T= = , (1)
,
( )1
2 1 0 1 1g s
Nuq T T U c T∗
λ
= − + ρ
δ
,
4 4
2 3( )wq T T= εσ − ,
0(1 exp( / ))sl r= − −ε ε ,
( )1 20,5T T T∗ = + ,
( )12
1
~ 1l B−
−
ρδ
ρ
,
1 1
mB
m V
=
+ ρ
,
( ) ( )2
2
1 1 2 2 1 O
3 3 1 CO
1s s
ch p
s s
Q k Q k Z
q A
Q k Z
+ −
= −
−
ρ
ρ
11МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 12 (247) ’2013
где Ap – зольность угля в %, rs – характерный размер
струи (возьмем радиус струи); l – длина свободного
пробега излучения, e0 – коэффициент черноты
поверхности частицы; T3 – температура стенок фур-
менного очага, В – относительная массовая концен-
трация топлива, m – массовый расход угольного то-
плива, кг/с.
Концентрации кислорода и углекислого газа у по-
верхности плотной частицы ПУТ определяются со-
гласно выражениям [8]:
где 1NuD
β =
δ
– коэффициент массопереноса кисло-
рода к поверхности частицы, 0sU – скорость стефа-
новского течения, м/с, ZO2
, ZCO2
– концентрации кис-
лорода и углекислого газа в газе.
Число Нуссельта определяет интенсивность теп-
ло и массообмена частицы с окружающим газом вну-
три приведенной пленки. Он является функцией чис-
ла Рейнольдса (по частице):
Теплофизические свойства газа, которые необхо-
димо определять, это коэффициент теплопроводно-
сти смеси l1 и коэффициент диффузии газообраз-
ных веществ D1, в газовой смеси. При турбулентном
движении газа эффективные коэффициенты перено-
са определяются через молекулярные (индекс m) и
турбулентные (индекс t) характеристики:
молекулярные:
турбулентные (для чисел Re1 < 105) [9]:
Уравнение для уменьшения размера частицы
легко получается из определения скорости гетеро-
генной реакции wc. Таким образом, в процессе трех
гетерогенных реакций диаметр уменьшается соглас-
но уравнению:
По известному значению массового расхода уголь-
ного топлива можно определить число частиц посту-
пающих в факел в единицу времени (1/с):
где
3
0 26 bm π= ρ δ – средняя масса частицы ПУТ, r2 –
плотность угольной частицы. В дальнейшем предпо-
лагаем, что число частиц в процессе движения в фа-
келе, проходящее через любое сечение за единицу
времени, остается постоянным.
Изменение средней температуры газа в еди-
ничном объеме смеси осуществляется за счет на-
грева гомогенной экзотермической реакцией (IV),
нагрева углеродными частицами и теплоотдачей в
окружающую газовою среду через боковую поверх-
ность факела:
Здесь
2
sS r= π – площадь поперечного сечения
факела;
2
c cS = πδ – внешняя поверхность углерод-
ной частицы, gazq – тепловой поток через боковую
поверхность факела к внешнему газу, sp – периметр
осевого сечения, η – доля объема смеси, занимае-
мой частицами ПУТ, Nug – число Нуссельта, рассчи-
танное при температуре газа, ag – коэффициент те-
плообмена горящего факела с окружающим газом.
Изменение массовой доли кислорода в газе
определяется поглощением в гомогенной экзотер-
мической реакции, диффузией к поверхности угле-
родных частиц и диффузией в окружающую среду
через боковую поверхность факела:
2 2O O
1 2 0
s
s
Z Z
k k U
=
β + + +
β
,
( )
2
2 2 2
2
CO 1
CO O CO
O 0 3 0 3
s s
s s
kZ Z Z
U k U k
µ β= + µ β + + β + +
( )
2
2 2 2
2
CO 1
CO O CO
O 0 3 0 3
s s
s s
kZ Z Z
U k U k
µ β= + µ β + + β + +
,
2 2
2 2
C 3 1 C
0 1 2 O CO
O 3 1 2 CO 3
2s
k k
U k k Z Z
k k k k
µ µβ β= + + + µ β + β + + µ β +
2 2
2 2
C 3 1 C
0 1 2 O CO
O 3 1 2 CO 3
2s
k k
U k k Z Z
k k k k
µ µβ β= + + + µ β + β + + µ β +
,
2/3
2Nu 2 0,16Re= + ,
1 2
2
1
Re
m
w w− δ
=
ν
.
1 1 1m tν = ν + ν , 1 1 1m tD D D= + , 1 1 1m tλ = λ + λ ,
0
mN
m
=
,
( 0) bxδ = = δ , (2),
2 2 C
1
2
∂δ− ρ =
∂
w w
x
.( ) 2 2
2 2
C C
C 1 2 1 O 3 1 CO
O CO
2
µ µ
= + ρ + ρ
µ µs s s sw k k Z k Z
3 0,16 0
1 1 118 10 Ret s
P
D w r
P
− −≈ ⋅
1 1 1 1t tD cλ = ρ,
c1
1 1 1 4 CO(IV)
1
,
(1 )
(1 )
g
s
qaz
ST Nc w Q w q
x S w
p
q
S
∂
ρ = + ⋅ −
∂ − η
−
− η
c1
1 1 1 4 CO(IV)
1
,
(1 )
(1 )
g
s
qaz
ST Nc w Q w q
x S w
p
q
S
∂
ρ = + ⋅ −
∂ − η
−
− η
(3)
1 1 ,( 0) bT x T= =
1 1 ,( )gaz gq T T ∞= α −
1 ,
Nu
2
g
g
sr
λ
α = 3
1
.
6
N
u S
πη = δ
0
1 10
1 0
T P
T P
ρ = ρ ,
2 2CO CO 1 1 Pr≈ ≈ ≈ ≈ νO m m m m mD D D D ,
,
,
2,5
0 01
1 10
0
m
P T CT
T P T C
+ ν = ν +
1,5
01
1 10
0
m
T CT
T T C
+ λ = λ +
12 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 12 (247) ’2013
( )2 2 2O 1 O Ogaz gj Z Z ∞= β ρ − ,
( )2 2 2CO 1 CO COgaz gj Z Z ∞= β ρ − ,
( )CO 1 CO COgaz gj Z Z ∞= β ρ − ,
1Nu
2
g
g
s
D
r
β = .
0( ) bS x S= = (8).
0
1
2
01
1 0
,
,
0 ï ðè 11,17
1 ï ðè 11,17
16
sb
sb
b sb
P
x r
Pw
Pwx P x r
w P r P
<∂ = ∂ − ≥
(7)
при
при
2
2 2 2 2 2 2
2
CO
CO CO CO (I) CO (III) 1 1 O 3 1 ÑO
O
s s s s sj w w w k Z k Z
µ
= = − = ρ − ρ
µ
2
2 2 2 2 2 2
2
CO
CO CO CO (I) CO (III) 1 1 O 3 1 ÑO
O
s s s s sj w w w k Z k Z
µ
= = − = ρ − ρ
µ
,
2 2
2 2
CO CO
CO CO CO(II) CO(III) 2 1 O 3 1 ÑO
O ÑO
2 2
s s s s sj w w w k Z k Z
µ µ
= = + = ρ + ρ
µ µ
2 2
2 2
CO CO
CO CO CO(II) CO(III) 2 1 O 3 1 ÑO
O ÑO
2 2
s s s s sj w w w k Z k Z
µ µ
= = + = ρ + ρ
µ µ
.
.( )1 1
1
∂ ρ
=
∂
с c
w S Nw S
x w
,
2 2 1 1 1
1 1 1 1 1
1
∂ρ ∂ ∂∂ρ = − − ρ
∂ ∂ ∂ ∂
с c
T uSw w S N w S S w
x T x x
(5)
2
2 2
2 2 2
CO
1 1 CO ( ) CO
1
CO CO CO
(1 )
, ( 0) ;
(1 )
c
IV s
s
qaz b
Z S Nw w j
x S w
p
j Z x Z
S
∂
ρ = + ⋅ −
∂ − η
− = =
− η
(6)
CO
1 1 CO(IV) CO
1
CO CO CO,
(1 )
( 0) .
(1 )
c
s
s
qaz b
Z S Nw w j
x S w
p
j Z x Z
S
∂
ρ = − + ⋅ −
∂ − η
− = =
− η
0
1
1
1 1
0
3 0
при <11,17 ,
0,96 0,06 0,29
при 11,17 ,
b sb
b
sb
sb
Рw x r
Р
x Pw w
r P
Px r
P
−
= +
≥
Аналогичным образом строятся уравнения для
изменения относительных концентраций углекисло-
го и угарного газов:
Массовые потоки из факела в окружающий газ
Здесь
2O sj ,
2CO sj ,
COsj – плотность массового
потока компонента к поверхности частицы,
2O gazj ,
2CO gazj , COgazj – плотность массового потока компо-
нента во внешнюю газовую среду, bg – коэффициент
массообмена горящего факела с окружающим газом.
Для оценки изменения скорости газовой среды
используем формулу Абрамовича для осевой скоро-
сти затопленной газовой турбулентной струи, пред-
полагающей ее разделение на начальный и основ-
ной участок [10]:
где x – расстояние от среза сопла фурмы, rsb – ра-
диус сопла фурмы, w1b – начальная скорость газа у
среза сопла фурмы.
Тогда изменение скорости газа по срезу сопла
определяется в виде
Ввиду того, что частицы ПУТ малы, то с доста-
точной точностью можно принять равенство средних
скоростей движения частиц и газа.
В основе уравнения для изменения радиуса пы-
леугольного факела выбран закон сохранения мас-
сы газа (изменение общей массы газа, проходящей
через единичный объем в единицу времени, опре-
деляется ее прибавкой в гетерогенных химических
реакциях):
Откуда нетрудно получить уравнение для измене-
ния площади осевого сечения факела:
Здесь Sb – площадь среза сопла фурмы.
Полученная система дифференциальных уравне-
ний (1)-(8) позволяет в дальнейшем произвести анализ
влияния различных факторов на степень выгорания
углеродных частиц и массовый выход угарного газа.
Расчеты, для примера, проводились для кок-
са антрацита марки АШ при следующих парамет-
рах: E1 = 140 МДж/кмоль, Ap = 0 %. Постоянные:
n10 = 13,3 · 10–6 м2/с; r10 = 1,293 кг/м3; l10 = 8,19 ×
× 10–2 Вт/ (м·К); c10 = 1110 Дж/(кг·К); T0 = 1273 К;
c2 = 947 Дж/(кг·К); r2b = 1440 кг/м3; e = 0,78; n = 0,75.
Анализ профилей вдоль фурменного очага. Рас-
смотрим характерные профили температур, диа-
метра и концентраций газообразных компонентов
(рис. 2). При расчетах использовали, что вне струи
свойства постоянны и равны характерным значениям
в фурменном очаге [3, 4]: T1∞ = T3 = 1600 K, ZO2∞ = 0,
ZCO2∞ = 0, ZCO∞ = 0,45.
На начальном этапе (кислородная зона), когда ос-
новным окислителем является кислород, интенсивно
протекают экзотермические гетерогенные реакции (І)
и (ІІ), а также гомогенная реакция (IV). Естественно,
что температура частицы и газа, которые слабо отли-
чаются друг от друга, начинают возрастать. При этом
скорость уменьшения диаметра частицы резко воз-
растает. Угарный газ, который образуется в гетеро-
генной реакции (ІІ), в дальнейшем практически пол-
ностью реагирует с кислородом в гомогенной реакции
.
( )2 2 2 2 2O O O (I) O (II) 1 2 O= = + = + ρs gs sj w w w k k Z
(4)
2 2O O( 0) bZ x Z= = .,
∂
−ρ = + +
∂ − η − η
2
2 2 2
O c s
1 1 O (IV) O s O qaz
1
Z S pNw w j j
x S(1 ) w S(1 )
2
2 2
O
1 1 O ( ) O
1(1 )
c
IV s
Z S Nw w j
x S w
∂
−ρ = + +
∂ − η
13МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 12 (247) ’2013
(ІV). Поэтому в кислородной зоне фурменного очага
отсутствует угарный газ, а содержание углекислого
газа быстро возрастает. Образование окиси и дву-
окиси в гетерогенных реакциях (І) и (ІІ) соизмеримо.
При достижении частиц ПУТ определенной тем-
пературы роль эндотермической реакции возраста-
ет. Дополнительно это связано и с исчезновением
кислорода в газе. В результате начинает умень-
шаться температура частиц и газа. Максимальная
температура частиц соответствует и максимально-
му содержанию углекислого газа в газе. Дальнейшее
уменьшение размера частицы происходит за счет
гетерогенной реакции (ІIІ). Содержание угарного
газа начинает возрастать и достигает обычно необ-
ходимого уровня в 30-45 %. Содержание углекисло-
го газа монотонно уменьшается. Данная зона носит
название углекислородной. За счет турбулентности
движения газа и частиц, и как следствие большой
скорости массопереноса, режим окисления мелких
частиц определяется кинетикой реакций.
В качестве анализируемых величин в дальней-
шем выбирались: максимальная температура частиц
и газа Tmax, диаметр частицы в конце фурменного
очага dL (на расстоянии L = 2,2 м от среза сопла фур-
мы) для оценки полноты сгорания j, массовая доля
угарного газа в конце фурменного очага ZCO,L, а также
размеры окислительной зоны Lok (ZO2 < 0,1 %).
Влияние факторов на полноту сгорания и раз-
меры зоны горения. Количество углерода ПУТ, сгора-
ющего в горне, и продуктов сгорания, образующихся
в единицу времени, строго пропорционально количе-
ству вдуваемого кислорода. В каких бы пределах не
изменялось количество дутья, весь кислород будет
израсходован с образованием оксида углерода. Поэ-
тому условия горения изменяют не общее количество
продуктов сгорания в расчете на единицу сжигаемого
углерода или единицу вдуваемого кислорода, а раз-
меры зоны горения, в которой образуются горновые
газы. От размеров зоны горения существенно зависит
работа доменной печи. При ее уменьшении наруша-
ется равномерность схода шихты, распределение
газов и скорость движения материалов по сечению
печи. Сокращение глубины зоны горения, как прави-
ло, приводит к загромождению осевой зоны горна.
Вместе с тем, чрезмерное увеличение зоны горения
также нежелательно, поскольку вызывает повторное
интенсивное окисление железа и других элементов,
входящих в состав чугуна.
Изменение с координатой температур частиц (2) и газа (1) (а), диаметра частицы (б), концентраций компонентов
в газе (в), скорости потока (г) при T1b = T2b = 1500 K, db = 50 мкм, m = 20 кг/мин, V1 = 225 м3/мин,
2O bZ = 30 %
Рис. 2.
2500
2000
2 1
1 12 2
x, м x, м
0 0
1500
1000
40
45
50
35
T1, T2, K d, мкм
а б
1 12 2
x, мx, м
0 0
100
20040
35
30
25
20
15
10
5
w1, м/сZ, %
гв
14 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 12 (247) ’2013
Дисперсность угольных частиц. В связи с тем,
что процесс горения совершается на поверхности,
количество углерода, сгорающего в единице объема
окислительной зоны, зависит от величины поверхно-
сти частиц ПУТ и пор, доступных для проникновения
газов. Чем мельче частицы угля и чем больше в них
пор, тем поверхность более реакционная, и горение
будет протекать более интенсивно. Поэтому приме-
нение мелких и пористых угольных частиц ПУТ будет
способствовать уменьшению зоны горения и увели-
чивать полноту сгорания таких частиц (табл. 1-3).
В данной работе, как было указано ранее, оценка
проводится для безпористых частиц. Поэтому реаль-
ная полнота выгорания пористых частиц может отли-
чаться от расчетной. В среднем при пролете плотной
частицы ПУТ от среза сопла фурмы до задней стенки
фурменного очага ее доля выгорания составляет бо-
лее 50 %, что уже достаточно хорошо.
Температура дутья. В зависимости от условий
работы печи температура дутья может по-разному
влиять на размеры зоны горения. При относительно
низком нагреве дутья (1200 К) или при похолода-
нии горна повышение температуры дутья вызывает
увеличение скорости сгорания углерода, что отра-
жается на объеме, в котором совершается процесс
горения, а не на количестве сжигаемого углерода в
единицу времени (оно строго соответствует коли-
честву поступающего кислорода). Поэтому повы-
шение температуры дутья всегда вызывает сокра-
щение окислительной зоны (табл. 1). Увеличение
начальной температуры газа приводит к неболь-
шому возрастанию максимальной температуры го-
рения. Полнота сгорания частиц также монотонно
увеличивается. Следует обратить внимание на на-
личие критического значения температуры газа, за-
висящее от размера частиц, ниже которого внутри
пылеугольного потока не происходит интенсивного
тепломасообмена и химического реагирования. С
увеличением размера частиц критическое значение
температуры газа также увеличивается.
Таблица 1
Влияние температуры дутья w1 = 200 м/с, m = 20 кг/мин, ZO2b = 30 %, V1 = 225 м3/мин
Т1b = T2b, К
db = 50 мкм db = 100 мкм
dL, мкм j, % Tmax, K Lok, м ZCO,L, % dL, мкм j, % Tmax, K Lok, м ZCO,L, %
1300 38,3 55,1 2335 1,56 26,7 – – – – –
1400 37,6 57,5 2370 1,12 29,6 77,7 53,1 2340 1,59 17,9
1500 37,1 59,1 2410 0,83 31,6 76,7 54,9 2380 1,20 20,8
1600 36,8 60,1 2445 0,64 32,8 75,9 56,3 2410 0,96 22,5
1700 36,6 60,8 2490 0,52 33,9 75,3 57,3 2470 0,80 23,9
Таблица 2
Влияние содержания кислорода в дутье T1b = T2b = 1500 K, w1 = 200 м/с, m = 20кг/мин, V1 = 225 м3/мин
ZO2b, %
db = 50 мкм db = 100 мкм
dL, мкм j, % Tmax, K Lok, м ZCO,L, % dL, мкм j, % Tmax, K Lok, м ZCO,L, %
23 39,3 51,4 2310 0,99 25,6 80,9 47,1 2275 1,42 15,5
26 38,3 55,1 2345 0,91 28,4 79,0 50,7 2315 1,31 18,0
29 37,5 57,8 2390 0,85 30,8 77,2 54,0 2355 1,23 20,2
32 36,6 60,8 2430 0,80 32,8 75,5 57,0 2400 1,15 21,9
35 35,9 63,0 2465 0,75 34,7 73,8 59,8 2450 1,10 23,6
38 35,2 65,1 2505 0,71 36,3 72,3 62,2 2475 1,04 24,9
Таблица 3
Влияние массового расхода порошка ПУТ в дутье T1b = T2b = 1500 K, w1 = 200 м/с, m = 20 кг/мин,
V1 = 225 м3/мин
m, кг/мин
db = 50 мкм db = 100 мкм
dL, мкм j, % Tmax, K Lok, м ZCO,L, % dL, мкм j, % Tmax, K Lok, м ZCO,L, %
10 29,0 80,5 2425 1,12 25,7 61,5 76,7 2395 1,56 15,1
15 34,2 68,0 2415 0,95 28,8 71,0 64,2 2390 1,35 18,3
20 37,1 59,1 2410 0,83 31,6 76,7 54,9 2380 1,20 20,8
25 39,1 52,2 2400 0,76 3,8 80,2 48,4 2375 1,10 23,0
15МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 12 (247) ’2013
Массовая доля кислорода в дутье. При обога-
щении дутья кислородом на единицу вдуваемого в
горн кислорода приходится меньше азота и соответ-
ственно уменьшается количество горновых газов при
сжигании единицы горючего. Следовательно, выде-
ляющееся при сгорании углерода тепло нагревает
образующиеся газы до более высокой температуры,
то есть возрастает максимальная температура сго-
рания и уменьшается зона горения (табл. 2). В то же
время с ростом температуры газов увеличивается их
объем, что должно увеличивать зону горения. Одна-
ко в данном случае этот фактор незначителен.
Уменьшение зоны горения (кислородной зоны) с
ростом начальной концентрации кислорода способ-
ствует более раннему превращению углекислого
газа в угарный. При этом относительная доля СО в
конце пути частиц ПУТ возрастает.
Массовый расход пылеугольного топлива. Вду-
ваемого кислорода очень много при малых массовых
расходах угольных частиц. Кислородная зона доста-
точно протяженная. Частицы интенсивно реагируют,
что приводит к высокой полноте сгорания (табл. 3).
Однако и углекислый газ в больших количествах
начинает превращаться в СО также поздно. Таким
образом, недостатком является образование малого
количества угарного газа.
При высоких массовых расходах топлива кислоро-
да уже не так много. Кислородная зона небольшая и
концентрация угарного газа также возрастает. Недо-
статок – уменьшение полноты сгорания частиц ПУТ.
Отметим слабую зависимость максимальной тем-
пературы горения частиц от массовой доли частиц
пылеугольного топлива.
Адекватность построенной физико-математиче-
ской модели тепломассообмена и горения частиц
угольной пыли основана не только на согласовании
характерных расчетных и экспериментальных про-
филей температуры и концентраций газов, но и газо-
вого состава по длине фурменного очага [3, 4].
Выводы
Построена физико-математическая модель вы-
сокотемпературного тепломассообмена и окисления
пылеугольного топлива в фурменном очаге, позво-
ляющая сделать оценки влияния начальных кон-
центраций кислорода, температур и скорости дутья,
дисперсности и массового расхода угольной пыли на
полноту сгорания пыли, температуры и состава газа
по длине фурменного очага. Полученные результаты
качественно согласуются с характерными экспери-
ментальными профилями.
Рост начальной температуры воздуха и содержа-
ния кислорода приводит к возрастанию полноты сго-
рания частиц пылеугольного топлива, содержанию
угарного газа в продуктах сгорания и уменьшает кис-
лородную зону.
Выбор массового расхода угольной пыли очень
важен: при малых расходах высокая полнота сгора-
ния частиц, но малое содержание угарного газа, при
высоких – наоборот. Использование мелкодисперс-
ного топлива позволяет за счет повышения удельной
реакционной поверхности не только увеличить пол-
ноту сгорания топлива, но и уменьшить кислородную
зону в фурменном очаге, что приводит к росту доли
угарного газа в продуктах сгорания.
1. Расчет и оценка эффективности технологии доменной плавки с применением пылеугольного топлива в условиях ПАО
«ММК им. Ильича» / В. С. Бойко, С. А. Матвиенков, С. П. Ярошевский и др. // Металл и литье. – 2012. – № 2-3. – С. 7-11.
2. Исследование полноты сгорания пылеугольного топлива в доменной печи № 1 ПрАО «Донецксталь» – металлургиче-
ский завод» / В. В. Кочура, С. П. Ярошевский, В. Е. Попов и др. // Металл и литьё. – 2011. – № 9-10. – С. 11-15.
3. Плискановский С. Т., Полтавец В. В. Оборудование и эксплуатация доменных печей.: учебник. – Днепропетровск:
Пороги, 2004. – 495 с.
4. Металлургия чугуна: учебник для вузов / Под редакцией Ю. С. Юсфина. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. – 774 с.
5. Аносов В. Г, Лаптев Д. А. Исследование процесса горения пылеугольного топлива в фурменной зоне доменной печи //
Металлургия. – Запорожье, 2011. – Вып. 23. – C. 16-30.
6. Гавин Л. В., Медведев В. А., Наумов В. А. Модель двухфазной турбулентной струи с учетом гетерогенного горения
частиц // Физика горения и взрыва. – 1988. – № 3. – С. 1-17.
7. Основы практической теории горения / под. ред. В. В. Померанцева. Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отд-ние,
1986. – 312 с.
8. Калинчак В. В., Зинченко Ю. А., Черненко А. С. Высокотемпературный массообмен и кинетика химических реакций
углеродных частиц с газами // Металл и литьё. – 2013. – № 11. – С. 14-25.
9. Щетинков Е. С. Физика горения газов. М.: Наука, 1965. – 740 с.
10. Металлургическая теплотехника: учебник / под ред. В. А. Кривандина. – М.: Металлургия, 1986. – Т. 1. – 423 с.
ЛИТЕРАТУРА
16 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 12 (247) ’2013
Використовуючи фізико-математичну модель високотемпературного тепломасообміну і окислення пиловугільного
палива у фурменому вогнищі, приводиться оцінка впливу початкових концентрацій кисню, температури і швидкості
дуття, дисперсності і масової витрати вугільного пилу на повноту згорання пилу щільних частинок коксу, температуру і
склад газу по довжині фурменого вогнища.
Калінчак В. В., Зінченко Ю. А., Черненко О. С., Куземко Р. Д.
Оцінка частки вигорання частинок пиловугільного палива у фурменому
вогнищі
Анотація
Ключові слова
фурмене вогнище, пиловугільне паливо, частинка, тепломасообмін, повнота згорання,
дисперсність
Kalinchak V. V., Zinchenko Yu. A., Chernenko A. S., Kuzemko R. D.
Estimation of the amount of burnup of particles of pulverized coal in the
tuyere hearth
Summary
Estimation of the impact of the initial concentrations of oxygen, temperature and velocity of the blow and the dispersion
and mass flow of coal dust on the completeness of combustion of dust of the dense coke particles, temperature and gas
composition along the tuyere hearth is done on the base of the physical-mathematical model of high-temperature heat and
mass exchange and oxidation of pulverized coal in tuyere hearth.
tuyere hearth, pulverized coal, particle, heat and mass exchange, completeness of combus-
tion, dispersion
Keywords
Поступила 01.11.13
Вниманию авторов!
Все статьи, поступающие в редакции научных журналов
«Металл и литьё Украины» и «Процессы литья»
должны обязательно проходить рецензирование,
иметь УДК, фамилию, имя, отчество авторов, название статьи,
аннотации, ключевые слова, на 3-х языках – русском, украинском и английском.
Объём статьи – не более 10 стр., рисунков – не более 5.
Статьи в редакции должны поступать на бумажном и электронном носителях.
Для текстовых материалов желательно использовать формат doc.
Для графических материалов – формат jpeg.
Графические материалы необходимо сохранять в отдельных файлах, графики
и чертежи должны быть черно-белыми, чёткими и контрастными.
Фотографии и рисунки с разрешением, как минимум, 300 dpi.
Также необходимо прилагать
контактную информацию (e-mail, телефон, адрес, факс)
и сведения об авторах.
|