Техніка і технологія шарового коксування

       План 

1. Техніка і  технологія шарового коксування

1. Сучасна схема виробництва коксу

2. Основні принципи процесу – шарового коксування

2. Вдосконалення процесу – шарового коксування
3. Перспективи розвитку шарового коксування

Перелік літератури 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       1. Техніка і технологія шарового коксування

       1.1 Сучасна схема виробництва коксу 

       Кокс  в основному отримують шаровим  методом (його також називають «класичним»  методом коксування). Основний агрегат  шарового процесу коксування — горизонтальна коксова піч — являє собою вузьку, довгу й високу камеру, що перебуває між обігрівальними простінками й відділену від них тонкої (100-120 мм) стінкою з вогнетривкої цегли. Для зручності експлуатації підвищення продуктивності праці камери зводяться в батареї, що полягають із n камер і n – 1 простінків. Число камер у батареї вибирається, виходячи з конкретних умов виробництва; на сучасних підприємствах воно коливається від 50 до 120. Розміри камер сучасних печей: ширина 0,40-0,45 м; довжина 13-17 м; висота 4-6 м. У верхньому перекритті камери мають завантажувальні отвори (звичайно три) і отвору для відводу летучих продуктів коксування, які через газовідвід (стояк газовідвідну арматури, що й примикає до нього) попадають у газозбірник, звідки евакуюються в цехи вловлювання. З торців камера щільно закривається спеціальними дверима, які знімаються тільки по закінченню коксування для виштовхування готового коксу за допомогою штанги коксовиштовхувача. Щоб полегшити виштовхування, камера печі робиться ширше з « коксової сторони» (сторона, куди виштовхується кокс) у порівнянні з « машинною стороною» (сторона, звідки виштовхується кокс) на 40-50 мм. Обігрівальний простінок, що перебуває між двома камерами, складається з великого числа (28-32) вертикальних опалювальних каналів (вертикалів), розділених між собою глухими перегородками (іноді для підвищення рівномірності обігріву камери по висоті в розділових перегородках роблять отвору й навіть канали). Зверху кожний вертикал має канал, що проходить через верхню будову печі, що й закривається чавунною кришкою (лючек).Він служить для спостереження за горінням газу у вертикалі, виміру температур, тиску в опалювальній системі печей, заміни регулюючих пристроїв і т.п.

       У кожної печі є індивідуальний регенератор (або два), розташований під камерою, на одній осі з нею.

       Поділ опалювального простінка на велику кількість вертикалів необхідно для рівномірного обігріву вугільного завантаження, що у свою чергу є умовою одержання коксу гарної якості й зниження питомої витрати тепла на коксування. Щоб забезпечити належний розподіл температур по довжині й висоті камери, кожний з вертикалів простінка постачений пристроями для регулювання кількостей вступників у нього газу й повітря. Це — калібровані пальники з конфузорними або диффузорними отворами для регулювання кількості коксового газу, що надходить у кожний вертикал при бічному підведенні коксового газу (коли коксовий газ надходить у простінок через горизонтальний какал «корнюр» у вогнетривкій кладці печі уздовж простінка), або регулювальні шайби для дозування вступника у вертикал газу при нижньому підведенні коксового газу (коли коксовий газ надходить у кожний вертикал по вертикальному корнюру, а до простінка підводить металевою розподільною трубою, розташованої у приміщенні під регенераторами коксових печей). Для регулювання кількостей вступника газу служать також регістри й розсікач — різної форми вогнетривкі цегли, установлювані на шляху рухи низькокалорійного газу й повітря для зміни їх кількості або напрямку руху з метою регулювання горіння в кожному вертикалі простінка. Розсікачі встановлюються на поду вертикала в устя «косого ходу» — каналу, що веде з регенератора у вертикал. Регістри в печах різних конструкцій розташовуються в устя вертикала, на поду вертикала або на виході з подового каналу, що розподіляє повітря або бідний газ по довжині регенератора.

       Сама  конструкція печі передбачає деякі відмінності в елементах печі по довжині простінка, що полегшують створення необхідних умов обігріву в тих або інших місцях обігрівальної системи (калібрування отворів, по яких повітря або доменний газ надходять у регенератор, зміну перетинів косих ходів у крайніх вертикалах простінка, у так званих «головочних» вертикалах і т.п. ). Усе це дає можливість добитися потрібного розподілу температур уздовж простінка. Крім забезпечення потрібного розподілу температур у простінку, необхідно забезпечити однакові температурні умови у всіх простінках батареї (крім крайніх).

       Газ (як коксовий, так і доменний) подається в кожний простінок через розподільний газопровід, постачений пристроями для регулювання й відключення подачі газу в кожний простінок (газопідводящої арматури). Повітря всмоктується в обігрівальні простінки через газоповітряні клапани, що також мають пристрої для регулювання його вступу. Регенератори обумовлюють періодична зміна напряму руху газів в обігрівальній системі на протилежне. Ця зміна напрямку («кантування») забезпечується спеціальним пристроєм (кантувальний пристрій). Регенератори, що працювали на нагріванні повітря (бідного газу) і вертикали, у яких згоряли гази («висхідний потік»), перемикаються, відповідно, на нагрівання насадки й приймання продуктів горіння («спадний потік»). Газоповітряні клапани, через які в регенератори надходило повітря, перемикаються на приймання продуктів горіння з регенератора й передачу їх у кабанів і далі в димар. При обігріві доменним газом та частина газоповітряних клапанів, через яку в регенератори надходив газ, переходить на приймання продуктів горіння, а інші клапани перемикаються на подачу доменного газу в регенератори. Таким чином, уся опалювальна система половину часу працює на вихідному потоці, а половину — на спадному.

       Кантування  проводиться звичайно через 20 або 15 хв («півперіод»), іноді її роблять через 30 хв.

       Викладена схема обігріву печей забезпечує закінчення процесу коксування в  кожній камері через однаковий час після її завантаження.

       Коксові печі найчастіше обігрівають коксовим і доменним газом, що викликане тісними зв'язками доменного й коксохімічного виробництва.

       Для опалення коксових печей іноді застосовують також генераторний газ (Q_н= 1200—1400 ккал/м³), обезводневий, або багатий, газ (виходить після виділення з коксового газу водню на заводах синтезу аміаку, має (Q_н = 5700—6100 ккал/м³). Деякі коксові печі працюють на суміші доменного (97,5%) і природного (2,5%) газів (Q_н такої суміші становить близько 1100 ккал/м³). Часто коксовий газ підмішують до доменного для підвищення теплотворності, для зниження кількості продуктів горіння й створення таким шляхом резерву теплової потужності печей.

       У результаті термічної обробки вугілля в коксових печах виходить твердий залишок процесу — кокс і летучі продукти коксування, тобто та частина коксуємого вугілля, яка віддаляється з камери коксування у вигляді газів і пар. Пройшовши газовідвідну арматури й газозбірник, ці пари й гази транспортуються в цехи вловлювання коксохімічного виробництва. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       1.2 Основні принципи процесу – шарового коксування  

       Під технологією, або технологічним  процесом, звичайно мають на увазі  комплекс деяких впливів на матеріал, у результаті якого змінюються властивості останнього (наприклад, величина, форма, хімічний склад). Головне у всякій технології — це регламент, тобто підтримка згаданих впливів на певному (постійному) рівні. Регламент технології називають також регламентованим технологічним режимом. Керування всяким технологічним процесом зводиться до вибору оптимального для даних конкретних умов регламенту й до зусиль по підтримці сталості його.

       Для технологічного процесу шарового коксування характерні наступні вимоги:

       1. Відсутність у процесі нагрівання контактів, що нагрівається матеріалу (вугільної шихти) з киснем повітря.

       2. Нагрівання вугільної шихти з певної для кожного випадку швидкістю й до певної в кожному окремому випадку кінцевої температури (по визначенню коксування значення кінцевої температури лежать в інтервалі 900—1050° С). 

       Перша вимога виконується при певному розподіл тиску газів в обігрівальній систему й камерах коксування (певного «гідравлічного режиму» коксових печей).

       Друга вимога задовольняється підтримкою певних температур в обігрівальній системі коксових печей (температурний режим коксових печей) а також певною технологічною схемою завантаження камер вугільною шихтою й вивантаження коксу з камер (режим експлуатації коксових печей).

       З погляду експлуатації коксових печей  дотримуватися регламенту означає  підтримувати стабільність заданого температурного режиму й сталість оберту коксових печей. Останнє забезпечується виштовхуванням коксу з камери відразу після досягнення в центральній площині коксового пирога: заданої кінцевої температури коксування. При чіткому дотриманні прийнятої схеми завантаження камер шихтою й постійній її якості (состав, вологість, ступінь здрібнювання) цей регламент забезпечує, оптимальні показники якості всіх продуктів коксування. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Вдосконалення процесу – шарового коксування

       Через зміну деяких вимог до фізико-механічних властивостей доменного коксу (бажане зниження верхньої межі крупності, підвищення рівномірності гранулометричного состава зниження стираємості) змінилося відношення до збільшення швидкості коксування. Тривалий час уважалася оптимальної швидкість коксування 25 мм/год (або 1 дюйм за 1 ч). При цій швидкості коксування утворюється досить великий і разом з тим помірковано стираючийся кокс. У зв'язку зі зміною вимог до доменного коксу, а також необхідністю використання у вугільних шихтах для коксування підвищеної частки слабоспекаючихся вугіль, у режимі коксування також можуть бути зміни. Наприклад, може підвищуватися кінцева температура коксування, збільшуватися швидкість коксування й ін. Не виключаючи можливості використання першого варіанта режиму, в окремих випадках, що дозволяє одержувати рівномірний по гранулометричному складу й малостираючийся кокс, слід віддати все-таки перевага другому варіанту, пов'язаному з підвищенням продуктивності коксових печей, тобто із кращим використанням потужностей.

       Як  уже було сказано, більші можливості підвищення швидкості коксування відкриває коксування сухих шихт. Але експлуатація окремих установок глибокого сушіння шихти поки ще не привела до високої техніко-економічної ефективності. Проте у Франції з 1961 р. чотири коксові батареї по 15 печей працюють на шихті з вологістю 1,5-2%. При зниженні вологості на 1% продуктивність печей підвищується на 2,5%. Проектування, будівництво й випробування установок для глибокого сушіння ведуться як за рубежем, так і в Радянському Союзі.

       Ефективність  глибокого сушіння шихти можна побільшати, якщо перед завантаженням у коксові печі шихту підігріти до 250—300° С.

       Підігрів  шихти дозволяє підвищити швидкість  коксування до 40 мм/год, одержати більш рівномірний по гранулометричному составу кокс і використовувати в шихтах велика кількість слабоспекаючихся вугіль. Створення й освоєння технічно зроблених пристроїв для сушіння й підігріву шихти, а також зберігання її й завантаження в коксові печі — неодмінна умова використання цього резерву вдосконалювання шарового процесу.

       При коксуванні сухої шихти стає більш рівномірної структура отриманого коксу. Тому якість коксу можна поліпшувати, удосконалюючи приймання підготовки шихти до коксування (оптимізація режиму дроблення шихти, пневмомеханічна сепарація, поліпшення усереднення якості вугіль, що надходять на коксування). Розбудовуються також методи поліпшення якості вже зробленого коксу: сухе гасіння, механічна обробка, а також поділ коксу на вузькі класи крупности. Багато із цих приймань розглянуті докладно далі. Усе це показує, що техніка й технологія шарового коксування ще будуть удосконалюватися незалежно від інших способів одержання коксу. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Перспективи розвитку шарового коксування

       В УХИНі розробляється процес безперервного шарового коксування у вертикальних коксових печах. Проведені лабораторні й стендові випробування, виконані напівпромислові дослідження на трьох модифікаціях установки, дві з яких мали промислову ширину грубної камери. Результати дозволяють перейти до завершального етапу розробки процесу, близькому до умов дослідно-промислових випробувань. Спеціальним конструкторським бюро інституту розроблений проект досвідченого модуля безперервного шарового коксування із двома грубними камерами промислового розміру. Будівництво установки намічене на Харківському досвідченому коксохімічному заводі.

       Продуктивність  досвідченого модуля при нормальному режимі експлуатації по сухому коксу 1000 кг/год, по сухій шихті 1400 кг/ч. Розміри грубної камери, мм: довжина 4000, ширина 350, висота частини, що обігрівається, 3900. Період коксування 8,6 год при середній по висоті грубної камери температурі в опалювальних каналах 1300 °С. Витрата коксового газу на обігрів 450 м³/ч. ПРО -ща висота грубного блоку 10,5 м.

       У верхній частині досвідченого модуля розташований вузол завантаження, до складу якого входить роздавальний бункер вугільної шихти із двома похилими ринвами, пов'язаними із завантажувальними горловинами грубних камер. У роздавальний бункер вугільна шихта подається стрічковим конвеєром. Кожна із завантажувальних горловин постачена пристроєм, що проштовхує, полягають із двох гідроприводних прес-штовхачів, що роблять зворотно-поступальні переміщення із заданим тимчасовим періодом.

       Вугільна  шихта в момент підняття прес-штовхача з бункера самопливом надходить у горловину. При опусканні штовхача ця порція шихти ущільнюється й проштовхується на регульовану глибину. Одночасно на такий же крок зміщаються в грубній камері низележачі порції коксівного масиву. У нижньому положенні прес-штовхач перекриває устя ринви, припиняючи схід шихти. Верхня спресована порція вугільної шихти служить надійним затвором грубної камери, що перешкоджають виходу назовні пар і летучих продуктів коксування. Устаткування вузла завантаження зі сходами й майданчиками обслуговування змонтоване на опорній рамі.

       Основним  елементом модуля слід уважати - блок, що включає дві вертикальні грубні камери із системою обігріву із трьох обігрівальних простінків, кожний з яких складається з дев'яти спарених горизонтальних опалювальних каналів, постачених двостороннім підведенням газу. Продукти горіння опалювального газу направляються через збірні вертикальні канали в регенератори. Регулювання температури в горизонтальних опалювальних каналах - індивідуальне, що дозволить задавати необхідний режим нагрівання в кожній окремій зоні грубної камери.

       Продовженням  грубної камери є зона гасіння коксу, постачена каналами для підведення й відводу газоподібного теплоносія. Висота зони гасіння й витрата теплоносія підібрана з умов  охолодження коксу до  200 °С.

       Просуваючись  униз, завантаження проходить усі  необхідні стадії термообробки. Коксовий пиріг у нижній частині грубної камери розпадається, і в зону гасіння надходить кусковий зависип, легко проникна для газового охолоджувача.

         Для охолодження коксу застосовується  циркулюючий газ (умовно інертний). Цей газ спочатку утворюється при пуску циклу гасіння коксу з повітря, що перебуває в системі, і пари, що надходить у холодильник, після багаторазового проходження їх через шар розпеченого коксу. Парогазова суміш за допомогою нагнітача подається в нижню зону гасіння коксу через горизонтальний канал, що підводить патрубок і, у кладці печі. Піднімаючись у верхню частину зони гасіння через шар коксу, парогазова суміш нагрівається до 740 °С и надходить по газовідвідним патрубкам у холодильник, де зрошується аміачною  водою,  внаслідок чого  температура суміші знижується до 150-180 °С. Що утворювався надлишок парогазової суміші надходить через гідрозатвор у газозбірник.

       Описаний  спосіб гасіння коксу випробуваний УХИНом в інших технологічних установках. Він не є кращим і перспективним, а прийнятий лише для першого етапу робіт на заводському двокамерному модулі безперервного шарового коксування. Інститутом розробляються й інші способи гасіння коксу, один з яких знайде застосування в промисловому агрегаті.

       Кладка  грубних камер і обігрівальних  простінків виконується з динасового вогнетриву, а інша частина грубного масиву, включаючи зону гасіння - із шамоту. Армують кладку за допомогою  більших і малих анкерних колон двотаврового перетину. Більші анкерні колони сприймають також навантаження від устаткування завантажувального вузла модуля. Між кладкою грубного блоку й твердими анкерними колонами розташовуються вертикальні упорні балки. Притиснення їх до кладки здійснюється за допомогою силових пружин, установлених на анкерних колонах. Така конструкція анкеража забезпечує найбільш повне диференціальне зональне обтиснення кладки.

       Пічний блок розміщений на залізобетонній плиті, розташованої на опорних колонах. Під плитою закріплений вузол розвантаження коксу. Кожна із двох грубних камер оснащена самостійним розвантажувальним пристроєм, розділеним на шлюзи гідроприводними клапанами, що перешкоджають проникненню зовнішнього повітря. Розвантаження зблокована із завантаженням камер і проводиться із частотою 30 хв. З розвантажувальних пристроїв охолоджений кокс за допомогою, скребкового конвеєра й скіпового підйомника перевантажується в бункер-накопичувач, з якого періодично вивозиться залізничним транспортом.

       Летучі  продукти приділяються роздільно з верхньої й нижньої частин грубної камери по похилим газовідвідним каналам. З верхньої зони виводяться менш піролізовані продукти, що містять кам'яновугільну смолу, ароматичні вуглеводні й інші коштовні компоненти, з нижньої - високопіролізований газ. Із зовнішньої сторони печі газовідвідні канали переходять у вертикальні стояки, пов'язані з газозбірником коритоподібної форми. У газозбірнику, зрошуваному аміачною водою, відділяється основна частина кам'яновугільної смоли, а несконденсовані газові компоненти з температурою 80-82 °С направляються через сепаратор у заводську мережу прямого коксового газу.

       Установка розміщена в стаціонарному тепляку, обладнаному мостовим краном.

       Рівень технологічного керування процесом розроблений у двох варіантах: а) поопераційне керування із центрального або місцевих постів; б) в автоматичному режимі - початковий імпульс на цикл послідовно виконуваних команд. При цьому праця технологічного персоналу зводиться до рівня праці оператора на центральному пульті керування й обов'язкам обхідника контрольних крапок установки.

       При  розробці  конструктивних   розв'язків по встаткуванню модуля й об'ємно-планувальних розв'язків компонування об'єкта виходили з вимог, покликаних забезпечити:

• більш високу екологічну чистоту агрегату в порівнянні із традиційними коксовими печами;
• відповідність вимогам ремонтопридатності й ремонтоспроможності як агрегату в цілому, так і його встаткування;
• істотне поліпшення умов і підвищення соціальної привабливості праці обслуговуючого персоналу.

       Створення двокамерного модуля безперервного  шарового коксування дозволить завершити дослідження процесу й видати вихідні дані для проектування головного зразка промислового агрегату.

       Технологія  шарового   коксування  вугілля в печах камерного типу з уловлюванням хімічних продуктів досягла граничного рівня технічного прогресу. Створені високопродуктивні комплекси по виробництву коксу і переробці коксового газу.

       Намітився перехід до розробки процесів нового покоління, відповідаючих вимогам високих технологій майбутнього - безперервність, повна автоматизація, висока гнучкість і продуктивність, екологічна безпека, ресурсо - і енергоекономічність. Європейським центром розвитку  технології  коксування  завершена розробка модульної однокамерної системи  коксування . Демонстраційний модуль висотою 10 м, довжиною 850 мм перевірений у Німеччині. Період  коксування  змінювали в діапазоні 24-48 годин, кокс вивантажували в стальний конвеєр і охолоджували непрямим шляхом водою протягом 20 годин. У кожному циклі  коксування  отримували 50 т коксу.

       Для КХЗ потужністю 2 млн. т/рік коксу число виробничих модулів однокамерної системи скорочується до 40 в порівнянні з 120 печами в багатокамерній системі (завод Кайгерштуль). На 50 % скорочуються виробничі площі коксовий цеху, знижуються шкідливі викиди при обігріві і з інших джерел, витрати на виробництво коксу знижуються на 10 долл./т.

       У Німеччині за новою технологією передбачається піддавати коксовий газ крекінгу в присутності кисню і отримувати відновний газ, що містить > 60 % водню і > 30 % СО. Вихід газу становитиме 650 м3/т сухої шихти. Основними продуктами КХЗ буде кокс і відновлений газ, придатний для виробництва енергії або відновника в процесі прямого отримання заліза. При двопродуктовому КХЗ витрати знижуються на 30 % і більше.

       У США відроджують технологію  коксування  вугілля в печах без уловлювання хімічних продуктів. Головним продуктом такого коксово-енергетичного комплексу є кокс, а побічним - електроенергія.

       У Дослідницькому центрі матеріалів і технологій фірми "Ніппон Кокан" (Японія) вивчають процес низькотемпературного  коксування  вугілля, що поєднує механічне стиснення вугільного завантаження і підвищений атмосферний тиск.

       Параметри процесу встановлені в ході лабораторних досліджень на дослідній печі вертикального типу безперервної дії при різних умовах процесу в діапазоні 650-950 0С. Нагрів завантаження можна здійснювати як паралельно, так і перпендикулярно напряму прикладеного механічного навантаження. При тривалості  коксування  6 годин під навантаженнями 0,125; 0,250 і 0,375 МПа, прикладеними на різних стадіях процесу, встановлено, що краща якість коксу може бути досягнута під навантаженням 0,25 МПа протягом 0-3 години або 1,5-4,5 години. Більш висока міцність коксу досягається при нагріві, паралельному напряму навантаження.

       Вивчення впливу тиску газу на властивості коксу показало, що між тиском і параметрами міцності коксу, його виходом і реакційною здатністю існує пряма залежність. У даному процесі зменшенням товщини шару коксу, збільшенням щільності завантаження і попереднім її підігріванням можна досягнути такої ж продуктивності, як у звичайних коксових печах. Безперервність процесу забезпечується регулюванням швидкості опускання вугільного завантаження і коксу в печі. Механічний тиск на завантаження у верхній частині печі забезпечує як ущільнення, так і просування завантаження, що дозволяє при більш низьких температурах  коксування  досягнути хорошої міцності коксу. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       ПЕРЕЛІК ЛІТЕРАТУРИ 

1. О.П. Горохов, И.Я. Шварцман, А.Н. Силка. Опытный модуль непрерывного слоевого коксования. – Кокс и химия. – 1990. - № 6
2. Иванов Е. Б., М у ч н и к Д. А. Технология производства кокса. Издательское объединение «Вища школа», 1976, 232 с.
3. Саранчук В.И., Айруни А.Т., Ковалев К.Е. Надмолекулярная организация, структура и свойства углей.- К.: Наукова думка.
4. Саранчук В.И., Бутузова Л.Ф., Минкова В.Н. Термохимическая деструкция бурых углей.- К.: Наукова думка, 1984.
5. Нестеренко Л.Л., Бирюков Ю.В., Лебедев В.А. Основы химии и физики горючих ископаемых.- К.: Вища шк., 1987.-359с.
6. Бухаркина Т.В., Дигуров Н.Г. Химия природных энергоносителей и углеродных материалов.-Москва, РХТУ им. Д.И. Менделеева,-1999.-195с.
7. Глущенко И. М. Теоретические основы технологии твердых горючих ископаемых.-- К. : Вища шк. Головное изд-во, 1980.-- 255 с.
8. Еремин И. В., Лебедев В. В., Цикарев Д. А. Петрография и физические свойства углей. -- М. : Недра, 1980. -- 266 с.
9. Касаточкин В. И., Ларина Н. К. Строение и свойства природных углей.-- М : Недра, 1975.-- 159 с.
10. Лейбович Р. Е., Яковлева Е. И., Филатов А. Б. Технология коксохимического производства.--М.: Металлургия, 1982.--340 с.
11. Мениович Б. И., Пинтюк С. И., Дюкалов А. Г. Повышение эффективности процесса слоевого коксования.-- К.: Техника, 1985.-- 230 с
12. Эйдельман Е. Я. Основы технологии коксования углей.--К.; Донецк: Вища шк. Головное изд-во, 1985.-- 191 с.