Конструкції та робота коксових печей

Коксування вугiлля – це високотемпературний хiмiчний процес. Хiмiчнi реакцiї, якi відбуваються спочатку в твердiй фазi, з пiдвищенням температури коксування ускладнюються. В зв'язку з цим важко використати закономiрностi, якi характеризують гетерогеннi процеси при визначеннi оптимальних режимiв коксування. Основним фактором, що визначає перебіг процесу коксування, є пiдвищення температури, яке сприяє пiдiгрiву шихти до температури сухої перегонки i проведенню ендотермiчних реакцiй коксування. Межа пiдвищення температури обмежена рядом факторiв, серед яких слiд вказати зниження виходу смоли та сирого бензену, змiну складу продуктiв коксування, порушення мiцностi вогнетривких матерiалiв, якi використанi для кладки коксових печей.

Коксовi печi вiдносяться до печей непрямого нагрівання. В них тепло до вугiлля, яке коксують, вiд грiючих газiв передають через стiнку. Коксова пiч чи батарея складається з 61-69 паралельно працюючих камер, якi конструктивно виконанi у виглядi довгих каналiв прямокутного перерiзу. Канали викладенi з вогнетривкої цегли. Кожна камера має передню та задню з'ємнi стiнки, якi в момент завантаження камери щiльно закритi. В стелi камер знаходяться завантажувальнi люки, якi вiдкривають в перiод завантаження та закривають пiд час проведення процесу коксування.

Нагрiвання вугiлля в камерах проводиться через стiнки топковими газами, якi отримують при спалюваннi доменного, зворотнього чи генераторного газiв. Тепло димових газiв, якi потрапляють з обiгрiваючого простiнку, використовують в регенераторах для нагрiвання повiтря та газоподiбного палива, що подається на обiгрiв коксових печей (завдяки цьому пiдвищується тепловий коефiцiєнт корисної дiї печi).

Перед роботою камери слiд забезпечити рiвномiрнiсть прогрiву вугiльного завантаження. Для цього необхiдно рiвномiрно розподiлити грiючi гази в обiгрiваючому простiнку та правильно вибрати габарити камер. Рiвномiрний розподiл грiючих газiв досягається роздiленням обiгрiваючих простiнкiв вертикальними перегородками. По вертикалях рухаються грiючi гази, вiддають тепло стiнкам камер i входять в регенератори.

При встановленому тепловому режимi кiлькiсть тепла в печах непрямого нагрiвання визначають за рiвнянням:

де K_t – коефiцiєнт теплопередачi, кДж/м² · град^. год; F – поверхня теплопередачi, м²; t – рiзниця мiж температурою грiючої пари в каналi печi t_k i температурою вугiльного завантеження t_в , ⁰С.

Коефiцiєнт теплопередачi дорiвнює:

де a₁ i a₂ – коефiцiєнти тепловiддачi вiдповiдно вiд грiючих газiв до стiнки печi i вiд стiнки до вугiльної шихти, кДж/м² · град· год; d₁ – товщина стiнки, м; d₂ – половина товщини вугiльного завантаження, м; І₁ i І₂ – відповідно, коефiцiєнти теплопровiдностi стiнки та вугiльного завантаження, кДж/м² · град· год.

Для збiльшення коефiцiєнту теплопередачi, крiм звичайних прийомiв пiдвищення a₁ i a₂, прагнуть зменшити товщину стiнки камери та шару вугiлля. Товщину стiнки камери виконують з дiнасової цегли товщиною 0,1 м, а ширина камери складає 407...410мм. Поверхня теплопередачi F залежить вiд розмiрiв камери.

Довжина камери обмежується статичною мiцнiстю простiнкiв, складнiстю видалення виштовхувача та планiрної штанги (пристрою для розпушування шихти), складнiстю рiвномiрного розподiлу газiв в обiгрiвальному простiнку. Довжина камери складає близько 14 метрiв. Висота камери визначається, в основному, умовами рiвномiрного обiгрiву її по висотi. З цiєї точки зору, задовiльнi результати отримують при висотi камери 4,3 метра.

Рiзниця температур мiж грiючими газами в обiгрiвальному каналi t_k та вугiльною шихтою t_В : ∆t = t_k – t_В змiнюється в часi. Одразу ж пiсля завантаження камери шихтою значення ∆t є велике, i тому в холодну шихту поступає бiльша кiлькiсть тепла. В результаті вугiлля поблизу стiнок камери починає коксуватися, але середнi шари шихти при цьому залишаються холодними. При прогрiвi вугiлля ∆t поступово зменшується, кiлькiсть переданого тепла за одиницю часу падає, але (внаслiдок безперервного притоку тепла вiд газiв) поступово пiдвищується температура вздовж перерiзу.

Завдяки змiнi в часi величини ∆t кiлькiсть тепла, що передається вiд грiючого газу до вугiлля, значно змiнюється протягом перiоду коксування i це необхiдно враховувати при визначеннi часу коксування. Якщо розглядати в даному випадку теплопередачу як теплопередачу через плиту, то процес в спрощеному вигляді описується рiвнянням:

(78)

де t – перiод коксування, год; b – ширина камери, м; а – коефiцiєнт теплопровiдностi, м²/год.

За рiвнянням (78) розраховують час коксування. Приклад розрахунку: ширина камери b=0,4 м, коефiцiєнт теплопередачi а=0,0024 м²/год, температура вугiльного завантаження t_В = 1100⁰С, температура в обiгрiвальному каналi t_k = 1400⁰С. Час коксування за таких умов буде складати:

годин,

що узгоджується з часом, який необхiдний для завершення процесу у вiдповiдностi до ізохори розподiлу температур в об’ємі камери з шихтою.

Сумiш парiв та газiв, яка утворюється в процесi коксування, безперервно виводиться з камери через стояк. Пiсля завершення коксування передні та задні дверi камери спецiальним механiзмом знiмаються. Утворений в камерi „коксовий пирiг” спецiальним механiзмом виштовхується з коксувальної камери i потрапляє в тушильний вагон, де охолоджується водою, а потiм висихає та сортується за величиною шматкiв.

Таким чином, процес коксування в кожнiй камерi – перiодичний, але наявнiсть в коксовiй батареї ряду паралельно працюючих камер забезпечує безперервну роботу всiєї установки. Прямий коксовий газ, який вiдводиться через стояки з кожної камери, безперервно поступає в загальний для всiх камер газозбiрник. Всi камери коксової батареї мають спiльнi механiзми для їх обслуговування, а саме: завантажувальний вагон (з нього проводиться завантаження вугiлля у камери), коксовиштовхувач, тушильний вагон, вугiльну башту для завантаження камер вугiллям.