9 Дәріс. Колосникті торда көмірдің кокстену механизмі

Отты торда көмірді кокстеуде отынның беткі қабатында ұшқыш заттардың жануы жылудың әсерінен аймақты өтеді және коксті жағу сатысын есептемегенде қозғалмалы тізбекті торда көмірлерді жағу процесі сол сатылардан тұрады. Процестердің мұндай ұқсастығы кокстеуде отынның толық жануы үшін қойылған көптеген заңдылықтардың өтуіне мүмкіндік береді. Қозғалмалы тізбектегі қабаттың отты жұмысын қарастырсақ термототықтыру арқылы кокстеудің технологиялық режимін белгілеуге мүмкіндік береді және алынған кокстің сапасы туралы мәліметтер алуға болады.

Торда отынның жану процесі бөліну аймақтарының сипаттамаларына, олардың өзара аралық күйлеріне тәуелді және тордың қозғалу жылдамдығы мен қабатты жандыру жылдамдығы арқылы анықталады; қабаттың тереңдігі бойынша жандыру жылдамдығы өлшемінің тұрақсыздығы ескеріледі және температураны үрлеу мен отынның қасиеттеріне оның тәуелділігі көрсетіледі. Сонымен бірге бірінші рет отын қабатының әр түрлі нүктелерінен алынған газдың анализдік мәндері негізінде тордың ұзындығы бойынша аймақтардың орналасуын анықтау әдісі беріледі.

20 сурет - Торда отын қабатының жануының қарапайым схемасы:

1-шикі көмір; 2-құрғақ көмір; 3-кокс; 4-шлак.

Қабаттың жалынды жұмысын қысқаша сипаттау келесідегідей: отын салқын отты торларға беріледі және солармен бірге үздіксіз камераға түседі. Жалынның сәулеленуі әсерінен тек беткі қабатында және пештің қызған қабырғаларында тұтану жүреді. Жану пайда болған процесс қозғалмалы қабаттың ішіне біртіндеп кіре бастайды және солармен бірге алға қарай қозғалады және жанушы қабаттың басынан қабатты қалыңдығы бойынша тек белгілі бір арақашықтықта қамтиды. Көмірді кокстеу кезіндегі отты тордың жұмыс істеу сызбанұсқасы 20 суретте келтірілген. Сызбанұсқада жұмыс істеп тұрған торда көмір қабатының жанынан қарағандағы көрінісі берілген. Шикі қабат, құрғақ көмір, кокс және шлак сәйкес 1, 2, 3 және 4 сандарымен белгіленген. Бұл қабаттардың шекаралары шикі және құрғақ көмір, кокс және шлак аралықтарын бөліп тұратын ОВ, ОА және ОС сызықтарымен белгіленген. А нүктесінің орналасуы жылжымалы қабаттың wсл жылдамдығы мен жану wр жылдамдығының арақатынасы арқылы анықталады:

wсл: wр= tg 1

Тордың қозғалу жылдамдығы берілуі мүмкін. Жану жылдамдығы жанушы зат және оның жағдайына байланысты анықталады. Бұл көрсеткіштер бөлінген ұшқыш заттардың саны мен сапасына әсер етеді. Үрілу температурасы мен көмірдің ылғалдылығына үлкен мән беріледі. Кокстің үстіңгі жанушы қабатының орналасуы қабаттың қозғалу жылдамдығы wсл мен кокстің жануы wв қатынасымен анықталады:

wсл: wв= tg 2

Бірақ жанудың таралуы биіктігі бойынша қабаттың жылдамдығы әрқашан тұрақты бола бермейді. Ылғалды отын және ыстық ауада жұмыс істеу мүмкін, онда мән-жағдайлы процеске қабаттың ауа-жылулық өңдеуге ұзақ ұшырайтын төменгі қыртысына қарағанда бастапқы жоғарғы қыртысы дайын күйінде енеді. Осындай шарттар кезінде ОА сызығы қарастырып отырған сызбанұсқада дөңес күйде болу керек.

Температуралы өте ыстық ауамен жұмыс істеген кезде, температураны көтеруші ұшқыш заттардың жануы жоғарғысымен кезігетін төменгі тұтанудың пайда болуын көруге болады.

Қабаттағы температураның градиенттері жоғары болғандықтан белгілі және өте елеулі қашықтықта термиялық деструкция газдарының шығымының бастапқы кезінде олардың бөліну аймағынан таза кокстің аймағы пайда болады. Егер кокстеу аймағының астында газ бөліну аймағы орналасса, онда оттегі толығымен немесе толықтай дерлік шығындалып үлгереді. Осы кезде орта тотықсызданған ортаға айнала отырып өзінің тотығу қасиетін жоғалтады. Қабаттың жұмысының (отынның берілу жылдамдығы, қабаттың биіктігі, ауаның берілу жылдамдығы) жалпы интенсивтілігіне әсер етуші негізгі факторлардың байланысы айтарлықтай күрделі және ол келесі жолдармен сипатталады:

1. Үрлеудің өзгеріссіз жылдамдығы мен қабаттың биіктігі кезінде тордың жылдамдығының өсуі жану аймағының және кокс аймағының ұзаруына әкеледі. Активті емес жанғыш массасы бар отындар кезінде отынның берілуінің шектен тыс жоғары жылдамдығы жанбайтын қабат (көбінесе кокстің жану фазалары) аймағының созылуына және механикалық толық жанбаудың күшеюіне әкелуі мүмкін.

2. Қабаттың қалыңдығының өсуі мен отынның ылғалдылығы тордың белгілі бір ұзындығы, үздіксіз үрлеу жылдамдығы және төсемнің қозғалысы жану аймағының тордың соңына қарай таралуына сонымен қатар механикалық толық жанбауға әкеліп соғады.

3. Ауаның берілу жылдамдығының өсуі негізгі аймақтар жұмысының тура интенсификациялануына әкеледі. Бастапқы аймақтарда отынды жеткіліксіз қыздыру қабаттың қайтадан суытылуына және жану жылдамдығының төмендеуіне әкеледі.

Мұндай жолмен тізбекті отты торлармен от жағу пештерін қолдану мен отын қабатының жану процесін теориялық зерттеу отты торда коксті алудың шарттарын белгілеуге мүмкіндік береді. Олар қысқаша келесідегідей:

1. Қабаттың оптимальді қалыңдығында, тордың қозғалу жылдамдығында және үрлеу режимі кезінде температура түсуінің төмендеуіне ұмтылу керек;

2. Отынның шлактануы мен золдануы бақыланбауы керек;

3. Тордың ені бойынша отын біркелкі таралу керек;

4. Пеште оптимальді гид­равликалық режимді ұстап тұру керек;

5. Бірдей сапалы кокс алу үшін көмірдегі ұшқыш заттардың жануы тордың екінші жартысының басталуында жанып болуы керек;

6. Кокстің жиналуында тордан ауаның берілу жылдамдығы белгілі бір көлемде тоқтатылуы керек;

7. Кокстің біркелкі дайындалуы үшін кіруші қабаттың көлемі бойынша біртекті ірілігі бойынша шикізатта жұмыс істеу керек; кокс алу үшін газөткізгіштік қабат қажет болатын торда бірігуші көмірді қолдануға немесе көмірді бөлшектеуге, қабатта ауа кіру үшін арнайы тесіктерді жасау арқылы қол жеткізуге болады.

8. Процесті интенсифтендіру үшін жану аймақтарында келесі шараларды қабылдау керек:

а) газ тәрізді реагент – оттегінің концентрациясын жоғарылату керек;

б) тотықсыздану және жану аймақтарында температураны жоғарылату;

в) газ ағының жылдамдығын жоғарылату;

г) отынның реакциялық бетін жоғарылату, мысалы кокстеуде гранулаларды қолдану арқылы;

д) отынды дайындау барысында арнайы қоспалар қосу арқылы оның активтілігін көтеру;

Ұшқыш заттардың жану процесі мен көмірді кокстеу қабаттағы аймақтар арасындағы қатынас бұзылмайтындықтан тордың ұзындығы бойынша тұрақтанады. Іріленудің тербелуі мен көмірдің ылғалдылығына байланысты жекеленген өзгерістер аймақтардың өлшемі мен сипаттамаларында байқалады.

Аймақтардың сапалық сипаттамасы кейбір дәрежелерінде ұшқыш заттардың жану процестерінің температуралық деңгейімен айқындалады. Қабаттағы температураның өзгеруін соңында қондырғының жұмысын қадағалауға болатын тордың ұзындығы бойынша көмірдің кокске айналу дәрежесін білуге болады.

Коксті алу барысында отты тордың тозуға төзімділігін зерттеу маңызды. От жағатын пешке отты торлар салынғанда жанбайтын көмір қабатымен қапталады. Жылжуы барысында отты тор ұшқыш заттардың жануының аяқталу аймағына енеді. Кокстеу процесінде кокстің жануын ескеру керек және көмірдің толық жануымен салыстырғандағы отты торды қыздыру төмендеу болады.

Майлы көмірлердің жануы кезінде құрамында ұшқыш заттардың мөлшері аз кокс алудың шығымын қиындатын ұшқыш заттардың түзілу процесі тордың ұзындығы бойынша созылады. Жұқа көмірлерді жағу кезінде ұшқыш заттардың түзілуі қысқа уақыт аралығында өтеді және тордың негізгі бөлігі коксті қабатпен жабылады. Тас көмірлерді жағу барысында жоғарғы бөлігіне 230—250°С үрлеу температурасының жоғарылауы рентабельді емес желдеткіштердің қуатын жоғарылату керек және сонымен қатар температураның көтерілуі отты тордың қолданылу уақытының азаюына алып келеді.

Отынды қабаттың 1100°С жететін температура кезінде отты тордың температурасы ~700° С шамасында болады. Бұл от жағу пешіне отты тордың ауамен бірге енуімен түсіндіріледі.

Отты тордың температурасы 700-ден 1000°С-қа дейін өсуі олардың қолданылу уақытының үш есе төмендеуіне алып келеді. Әсіресе 800° С-тан жоғары температура өте қауіпті. Мұндай температура ауаның температурасын 400° С-қа дейін көтергенде болады.

Берілген осы мәндер негізінде көптеген мамандар үрлеу температурасын 150—250°С аралығында алу қажет деп есептейді. Күшті біріккіш көмірлер үшін үрлеу температурасы төменгі шекке жақындау болуы керек. Біріккіш қасиеті төмен және бірікпейтін көмірлер үшін отынның жануын жеңілдету үшін үрлеу температурасын жоғарғы шекке жақын немесе одан бірнеше есе жоғары мәнді алу керек. Қабаттың жоғарғы қалыңдығы бойынша ылғалды көмірлер үшін үрлеу температурасын 250—300° С-қа дейін көтеру керек.

Кокстелетін көмірдің бетінде температураның өзгеруі қабаттың газ өткізгіштік қасиетіне байланысты. Тәжірибелік нәтижелер көрсеткендей кокстелетін көмірдің ылғалдылығы 8%-дан аспайтындықтан, көмірдің температурасы 22° С шамасында, ал үрлеу температурасы 28-30°С болатындықтан қабаттың жануы тез жүреді. Бұл шарттар торға көмірдің 15-20 см қашықтықта кіру нүктесінен оның жоғарғы қабаттарынан бірден жанып кететін интенсивті түрде ұшқыш заттар бөліне бастауына алып келеді. Қабаттың бетіндегі температура бірінші аймақтың соңында 810° С шамасында. Кокстің аздаған газификациясымен ұшқыш заттардың интенсивті жануы 4,5 м қашықтықта көмірді енгізу орнынан қабаттың жоғарғы жағындағы екінші аймақта өтеді. Қабаттың бетіндегі температура 1050° С-қа дейін жоғарылайды, ал қабаттың ұзындығы 200 мм болғанда оның ортаңғы бөлігінде температура 950° С-қа дейін жетеді. Әрі қарай тордың ұзындығы бойынша температура өсіп отырады. Қабаттың жоғарғы түбіне қарай отты торға температура таралып тұрады; қабаттың 20—30 мм тереңдігінде ол 810—840° С-қа теңеседі. Төсемде жатқан кокс бөлшектерінің, әсіресе үрлеуге қарай бағытталған олардың беткі бөлігіндегі температурасы төмен болады. Сондықтан кокс қабатының биіктігі бойынша торда оның дайындығы бойынша белгілі бір біркелкі еместік қалыптасады. Термототықтыру арқылы кокстеуден алынған кокс құрамында сәйкес 750°С-та орташа температурада және 1250° С-та жоғары температурада кокстеуде кокстің дайындығы бойынша материалдың бөлшектері болуы мүмкін. Бірақ материалдың біраз бөлігі камералық кокстеуден алынатын кәдімгі коксті сипаттайтын 850-ден 1050° С-қа дейінгі температуралық өзгерістерге төзімді.

Тордың ені бойынша ауаның дұрыс бөлінбеуі, жиынтық қабат биіктігінің біркелкі еместігі, бункердегі көмірдің сегрегациясы және басқа да факторлар жиынтықтың газ өткізгіштігі аудан бойынша біркелкі болмауына алып келеді.

Соңғылары кокстің зольденуін жоғарылатады, қабаттың басқа бөліктерінде оттегінің жетіспеушілігін тудырады, тордың ұзындығы бойынша кокстеу процесінің тұрақтылығын бұзады. Торда кокстеу кезінде жанудың үш түрі болады: тордың ені бойынша жекелеген немесе біртұтас (көмір бункерде майысқандықтан), кратер тәрізді (қабаттың гидравликалық біркелкі еместігімен түсіндіріледі), тор бағытына қарай өзекті бойлай (тор ені бойынша үрлеудің біркелкі емес бөлінуінен).

Жану бағытына қарай қабатты шлактау көмірге оттегінің енуіне кедергі жасайды және шлак пен көмірден тұратын коксте оттегінің түзілуіне мүмкіндік туғызады. Үшінші типтегі жану процесі тордағы көмір қабатының қалыңдығына тәуелді. Олар қабаттың кедергісі, яғни оның биіктігі өскен сайын жоғарылайды. Мысалы, қабаттың биіктігі 200-ден 300 мм-ге дейін өскен сайын тор бағытына қарай жану аймағы интенсификацияланады, ал жиынтық ортасындағы температура төмендейді. Бір уақытта жанумен бірге тордағы көмірдің қабат биіктігінің өсуінен ауадағы оттегі жиынтық массасы бойынша шығындалмайды және отын қабатынының астында артық мөлшерде жиналады, ал сол кезде қабат астындағы қысым 2 кг/м² дейін өседі. Қысым әсерінен қабаттың жұмысы қараушы терезелер арқылы газ шығарындысы мен бөлмелердің газдануына алып келеді. Сондықтан оптимальді қалыңдықта кокстелетін жиынтықты таңдау техникалық қауіпсіздік ережелерін сақтау үшін өте маңызды.

Кокстеу процесінде аймақтардың жағдайы кокстің сапасын елеулі түрде әсер етеді. Олардың жағдайына қарап көмір қабаты арқылы оттегінің қозғалуы ағында төменгі қабаттың тек су буларын ғана емес сонымен бірге термиялық деструкция газдарын және көмір бөлшектерінің жоғарғы бөлігіндегі қабаттың жануын тартады. Бұл құбылыс ұшқыш өнімдердің өзара кокстелуі реакциясымен, сонымен қатар ауадағы оттегі және кокс заттарымен бірге жүреді. Қыздырудың жоғары жылдамдығы мен тордың ұзындығы бойынша көмірдің орналасу жағдайына тәуелді кокстің беткі қабатында 800-1200°С жететін температура көмір мен оның түрленген біріншілік өнімдерін термиялық және деструктивті тотықтыру процестерімен интенсификациялайды.

Көмірді термиялық деструкциялау процесінде өз кезегінде көміртек пен газ тәрізді реагенттердің өзара әсерлесуіне әсер ететін қатты қалдықтың салыстырмалы беткі бөлігінің жоғарылауы жүреді. Реакциялар газдың көміртекпен беткі қабатындағы хемосорбциясы арқылы жүріп отырады. Көміртегінің қос тотығы немесе сулы будың тотығу процесі адсорбция процесінің жылдамдығына тәуелді, сонымен қатар беткі қосылыстардың соңғы өнімге айналуы мен түрлену жылдамдықтарына тәуелді болады.

Көміртектің оттегімен, көміртегі қос тотығымен және сулы бумен өзара әрекеттесу процестерін көптеген зерттеулерден келесі негізгі теориялық ережелер қалыптастасты:

1. Көміртектің газификациясы процесінің жиынтық интесивтілігі меншікті химиялық реакция және әсер етуші газдың реакциялық бетке интесивтілігінің жылдамдығымен анықталады.

2. Газ тәрізді реагентпен коксті көміртектің өзара әрекеттесу процесі газ тәрізді реагент молекулаларына жеткілікті ішкі қабатындағы макро және микро тесіктердегі сияқты сыртқы сызықтың беткі қабатында өтеді.

3. Қатты фазаның беткі қабатына әсер ету газ тәрізді реагенттер молекуласының хемосорбциясы арқылы жүреді. Тізбекті отты торда кокстеу жағдайында оның материалы жоғары беріктікке ие және кеуектілігі реттелетін кокс алу үшін алғы шарттар жасалады.

Негізгі әдебиет [5(39-47)]

Қосымша әдебиет [6(104-108)]

Бақылау сұрақтары:

1. Отты торда көмірді кокстеу механизмінің ерекшеліктері.

2. Торда отын қабатының жануының сызбанұсқасын салыңыз.

3. Отты торда кокстеудің интенсивтілігіне әсер етуші негізгі факторлар.

4. Отты тордың жұмыс істеу мерзіміне температураның әсері қандай?

5. Процестің технологиясына кокстелуші жиынтықтың қалыңдығының әсері.

6. Процеске көміртегінің оттегімен, көміртегі қос тотығымен және сулы бумен өзара әрекеттесуі қалай әсер етеді?