1. Аналітична частина

1. Сучасні конструкції коксових печей

Коксовий цех коксохімічного виробництва призначений для одержання металургійного коксу та хімічних продуктів коксування. В якості первинної сировини є вугільна шихта, що складається з різних марок вугілля, що подається по конвеєрних трактах вуглеподачі з вуглепідготовчого цеху.

Технологія виробництва коксу з вугільної шихти включає завантаження камер коксування, видачу коксу, гасіння та сортування.

Кожна коксова батарея обслуговується одним коксовиштовхувачем, однією дверез'ємною машиною та одним вуглезавантажувальним вагоном. Дві коксові батареї обслуговуються одним гасильним вагоном з електровозом, однією вугільною, однією гасильною вежами і коксовою рампою. При цьому для кожного блоку передбачається один резервний комплект коксових машин [1].

Класифікуються печі по наступних ознаках:

- по режиму виробництва (періодичної й безперервної дії);

- за схемою опалення (комбіновані - опалювальні коксовим і малокалорійним доменним газами, опалювання тільки коксовим або доменним газами);

- за способом компонування;

- за засобом використання теплоти продуктів горіння, що відходять, (найпоширеніші регенеративні печі, у яких теплота використовується для нагрівання повітря (збіднілого газу) у регенераторах);

- за засобом підведення опалювального газу та повітря [2].

На виробництві є декілька видів печей але досконалішими є печі з парними вертикалами і рециркуляцією продуктів горіння системи ПВР. Характерною рисою цих печей є опалювальний простінок, що складається з попарно згрупованих опалювальних каналів. Кожна пара суміжних вертикальних каналів з'єднана вгорі перевальним вікном, а внизу рециркуляційним для повернення частини продуктів згоряння зі спадного на висхідний потік.

У печах ПВР (комбінованих) під кожним опалювальним простінком розташовані два регенератори - один для бідного газу, інший для повітря, кожний з яких з'єднаний короткими сполучними каналами (косими ходами) з вертикальними каналами одного простінка й довгими з вертикальними каналами суміжного простінка [3]. Багатий газ надходить через два газопідвідних канали (корнюри), що проходять у газорозподільній (корнюрної) зоні під всім опалювальним простінком. Один корнюр подає газ у непарні вертикальні канали, інший - у парні. В одне кантування працює тільки один корнюр, тому в опалювальному простінку горіння газу відбувається через вертикальний канал в одній половині опалювальних каналів, а інша половина відводить продукти згоряння. Такий же порядок горіння у вертикальних каналах і при обігріві бідним газом [1].

По довжині коксової батареї регенератори скомпоновані таким чином, щоб було якнайменше стін, що розділяють різнойменні потоки. У випадку обігріву доменним газом корнюри не працюють. У цьому випадку бідний газ із регенератора а по короткому косому ході, а повітря з регенератора б надходять, наприклад, у парні вертикальні канали. Шлях продуктів згорання аналогічний їхні шляхи при обігріві коксовим газом і вони також надходять у регенератори,які з'єднані із суміжним вертикальним каналом. У печей цієї системи ширина камери коксування 407, 410 й 450 мм; висота 4300, 5000, 5500, 6000 мм; довжина від 13120 до 16000 мм. Відповідно опалювальні простінки мають 26-32 вертикальних каналів [3].

Перевагами печей системи ПВР у порівнянні з печами інших систем є:

1) малий опір опалювальної системи;

2) висока рівномірність обігріву коксової камери по висоті;

3) більше висока статична міцність опалювального простінка (у порівнянні з печами, що мають збірний горизонтальний канал).

Побудовано значну кількість коксових батарей системи ПВР із камерами коксування, корисний обсяг яких становить від 20,0 до 41,6 м.

Недоліком печей типу ПВР є більше складна в порівнянні із іншими системами конструкція газорозподільної (корнюрної) зони, у зв'язку із чим ускладнена конфігурація фасонних виробів і підвищена витрата вогнетривів [2].

Камери коксування характеризуються наступними параметрами:

- ширина: 400÷480 мм;

- повна довжина: 11000÷17000 мм;

- повна висота: 3000÷7000 мм;

- корисний об'єм: 14,0÷51,0 м³.

У цей час на коксохімічному виробництві ВАТ «Арселор Міттал Кривий Ріг» експлуатують коксові печі системи ПВР, тому що ця конструкція печей є більш вдосконаленою і має ряд переваг яким значно поступають інші конструкції. Така конструкція печей забезпечує високу якість коксу по висоті та довжині коксової камери за рахунок рівномірного обігріву камери коксування, необхідну якість хімічних продуктів коксування, має високий теплотехнічний коефіцієнт корисної дії, та ін. [4].

Технологія даного виробництва здійснює нагрівання опалювальної системи тільки коксовим газом, але також передбачає й підведення доменного газу. Процес коксування вугільної шихти відбувається в кілька стадій і визначається температурою нагрівання. Завантажена в камеру коксування шихта проходить через всі стадії коксування, послідовно від стін камер до центральної осьової площини коксового пирога [1].

1.2 Шкідливі речовини, що виділяються в коксохімічному виробництві

Технічні рішення в області охорони природного довкілля, що закладається в проектну документацію при реконструкції і технічному переозброєнні коксохімічних підприємств, умовно можна розділити на дві групи: рішення по охороні повітряного довкілля; рішення по охороні водного середовища [1].

Питомі валові викиди шкідливих речовин в атмосферу коксохімічних підприємств, за даними науково-дослідних інститутів і матеріалам обстеження діючих підприємств, складають, кг/т коксу :

При роботі на фізично і морально застарілому устаткуванні при незадовільному рівні експлуатації - 20;

Від регламентного заводу(з бездимним завантаженням коксових печей і гасінням коксу очищеною стічною водою) - 10

При впровадженні комплексу природоохоронних заходів зі збереженням існуючих конструкцій коксових батарей - 5;

Те ж, з урахуванням впровадження нових конструкцій батарей - 2 [2].

Основними джерелами викидів в атмосферу на коксохімічних підприємствах являються: димарі коксових батарей; коксові печі в період завантаження їх шихтою і видачі коксу; газування дверей і стояків коксових батарей; вежі гасіння; градирні відкритих циклів води кінцевих газових холодильників; аспіраційні системи, воздушники технологічного устаткування і місткостей. У складі викидів такі шкідливі речовини, як оксид вуглецю. вугільний і коксовий пил, оксиди азоту, діоксин сірки, сірководень, ціаністий водень, бензолові вуглеводні, феноли, пірідинові підстави, аміак, полі циклічні ароматичні вуглеводні. Шкідливі викиди коксохімічного виробництва від загального об'єму шкідливих викидів металургійного виробництва складають в середньому 3%, проте їх відрізняє велика токсичність.

Доля коксового цеху у викидах коксохімічного виробництва оцінюється в 75 %, а доля викидів пилу при видачі коксу складає 30%.

1.3 Скорочення викидів шкідливих речовин при видачі коксу за рахунок впровадження установок безпилової видачі коксу в коксохімічному виробництві.

Коксохімічне виробництво є джерелом забруднення повітряного басейну великою кількістю пилу і хімічних сполук. У зв'язку з підвищенням вимог по захисту довкілля на початку 90-х років назріла необхідність в скороченні неорганізованих викидів коксових батарей, зокрема при видачі коксу. Інформація про питомі викиди в атмосферу шкідливих речовин від коксової батареї при мірі герметизації дверей, люків і виділеннях із стояків, характерних для коксохімічних заводів, приведена в літературі [3].

Викиди шкідливих речовин при видачі коксу багато в чому залежать від технологічного режиму коксування. Якщо коксовий " пиріг" в цілому або окремі його частини недостатньо готові, то відбувається збільшення виділення пилу, газу, що складається з вуглецю, водню, метану і інших вуглеводнів. Із загальної кількості викидів коксового цеху доля викидів при видачі коксу складає 30%. Роботи, пов'язані з уловлюванням і очищенням шкідливих викидів, що виникають при вивантаженні коксу з печей, інтенсивно ведуться на багатьох підприємствах [4].

При розробці і впровадженні природоохоронних заходів особливу увагу звертають на оновлення коксових батарей і прийняття по них найбільш ефективних природоохоронних рішень, оскільки коксові батареї - найбільш значні джерела шкідливих викидів по усіх інгредієнтах, особливо якщо батареї і хімічні об'єкти сильно зношені. Нині стан основних виробничих фондів коксохімічних підприємств, особливо коксових батарей, слід вважати незадовільним. За оцінками економістів, фізичний знос основних фондів складає - 70% і продовжує рости, що негативно позначається на стані природного довкіля.

Об'єми викидів пилу істотно впливають на забруднення атмосфери - передусім у зв'язку з низьким розташуванням джерел виділення і слабким впливом чинника розсіювання. В зв'язку з цим одним з технічних рішень з екологічною спрямованістю стало впровадження установок безпилoвої видачі коксу.

Широке впровадження установок безпилової видачі коксу почалося в країнах колишнього СРСР на початку 80-х років. Нині у багатьох промислових країнах жодну коксову батарею не приймають в експлуатацію без пристроїв, що забезпечують захист довкілля від шкідливих викидів, зокрема без установок безпилової видачі коксу [2].

1.4 Класифікація установок безпилової видачі коксу.

1.4.1 Установки безпилової видачі коксу автономного типу, переваги і недоліки.

Існуючі системи уловлювання і очищення пилегазовиділень при видачі коксу прийнято класифікувати по двох основних напрямах:стаціонарні системи з газозбірним колектором і фільтрувальною станцією і автономні системи уловлювання і очищення, змонтовані на дверіз’ємній машині.

Установку безпилової видачі коксу автономного типу встановлюють на коксонаправляючій дверіз’ємної машини. Установка може бути виконана в двох варіантах: без додаткової опори і з додатковою опорою.

Коксонаправляюча дверіз’ємної машини забезпечена парасолькою, дифузором, комплектом форсунок, насосною установкою, баком для води. Вода, що подається насосною установкою на форсунки, у момент видачі коксу забезпечує змочування часток і відкидання їх на стінку дифузора з подальшим змивом в накопичувач. Система розроблена таким чином, що вода не потрапляє на розжарений кокс, а шлам, що утворюється, збирається і видаляється в коксотушильний вагон. Тривалість зрошування 40-50 с. Наявність на машині однієї парасольки або парасольки із захисним кожухом визначається стійкістю машини і, отже, числом опор. Парасолька і захисний кожух виконані з нержавіючої сталі, що забезпечує їх працездатність на тривалий час.

На автономних установках безпилової видач коксу коксонаправляюча забезпечена парасолькою і осьовим вентилятором перед дифузором; є насосна установка для подання води на форсунки. Конструкція установки забезпечена вентилятором, який, виконуючи функцію ежектора, посилює ефект передачі пилегазової суміші в дифузор на зрошування і блокує вихід із зони уловлювання пилегазової суміші в нижній частині кожуха. У дифузорі встановлений пиловловлювач у вигляді набору розсікачів. Розсікачі конусоподібної форми. У проміжках між розсікачами рівномірно по діаметру встановлені плоскоструйні форсунки, в які подають воду на розпорошення.

У нижній частині дифузор забезпечений кільцевим жолобом для збору шламу і шламових вод; їх потім направляють в коксотушильний вагон

Включення вентилятора і насоса установки забезпечується сигналом, що подається на початку ходу виштовхуючої штанги, а виключення - сигналом при відведенні кошику коксонаправляючої.

Ефективність очищення таких установок складає 91%. Міра уловлювання пилу на автономних установках безпилової видачі коксу, оснащених парасольками і захисним кожухом, між якими виконаний щілинний проміжок, складає 85%. Один з недоліків автономних установок безпилової видачі коксу : в перші 5-8 с (початок процесу виштовхування з подальшим проходженням коксу до кінця коксонаправляючої) не відбувається уловлювання газів, що викидаються.

Установки такого типу можуть бути використані як на модернізованих машинах діючих підприємств, так і на знову споруджуваних [5]

1.4.2 Установки безпилової видачі коксу стаціонарного типу, переваги і недоліки.

Установки безпилової видачі коксу стаціонарного типу знайшли застосування на ряду підприємств коксохімічної промисловості. Дверіз’ємну машину, використовувану в установках такого типу, оснащують парасолькою і кожухом, газоперепускним візком. Уздовж коксової батареї розташовується колектор відводу газу,який закритий стрічкою.

Система виконана за наступною схемою. Пилезабірна парасолька розташовується на дверіз’ємній машині. Стаціонарний збірний колектор забезпечений відсікаючими клапанами. Є і резервна установка, що складається також із скрубера Вентурі типу КМП, основного і запасного клапанів; вентилятора типу ВМ-18А і димаря. Відключають резервну і основну лінії за допомогою відсікаючих пристроїв.

Гази і пил, що виділяються при видачі коксу з пічної камери, поступають в пилезаборну парасольку, яка за допомогою телескопів з'єднується з газоприймальними патрубками, розташованими на стаціонарному колекторі. Кожен такий патрубок забезпечений відсічним клапаном, механізми відкриття якого розташовані на дверіз’ємній машині. Пройшовши через пилезабірну парасольку, газоприймальні патрубки і відсічні клапани, пил і гази поступають в стаціонарний колектор, а далі - в інерційний пиловловлювач або в циклони. Ці апарати утворюють перший ступінь очищення, де відділяються найбільш великі частки( класи) пилу. Частково очищений газ поступає потім в другий ступінь(мокре очищення в скруберах Вентурі).

Уловлений на цій стадії пил разом з водою по шламовій каналізації направляють в очисні споруди. Тут вода освітлюється, звільняється від пилу, після чого насосом її подають на зрошування скруберів в труби Вентурі і скрубери - каплевловлювачі. Очищений газ вентилятором викидається в атмосферу через металеву трубу заввишки 19 м.

Для відвертання обмерзання вентиляторів і другого("мокрою") ступеня очищення в зимову пору року було запропоновано встановити байпас з дроселем, що дозволяє здійснювати циркуляцію повітря між всмоктуючим і нагнітаючим патрубками вентилятора. Проте це дещо ускладнило перемикання системи.

Передбачена проектом схема перемикання дроселів вентилятора від сигналу безконтактного блокування неможлива. Оскільки після отримання команди-дозволу, видача коксу починається практично відразу і триває 40-50с. Одночасно перемикаються дроселі(впродовж 45-55с).

З урахуванням умов і характеру роботи вентилятора ВМ-18А розроблений режим роботи дроселів, що забезпечує вільне відкриття клапанів на стаціонарному колекторі що виключає вібрацію і помпаж вентилятора. Після установки дверіз’ємної машини біля пічної камери відкриваються клапани на стаціонарному колекторі. З путнього вимикача приводу відкривання клапанів по тролеї через трансформатор, що підвищує, сигнал поступає в ланцюг управління роботою МЭО. При цьому дросель на всасі повністю відкривається, а дросель байпаса закривається.

Після закінчення видачі коксу, коли клапани на колекторі закрилися, ланцюг розмикається - дросель повертається в початкове положення(дросель на всасі закривається на дві третини, дросель байпаса відкривається наполовину). У електричній схемі передбачено також, що при зупинці двигуна вентилятора дроселі автоматично закриваються повністю. Пуск вентилятора відбувається при закритих дроселях на всасі і байпасі

Основними і найбільш характерними вузлами системи безпилової видачі коксу є пилезабірна парасолька з механізмами підключення до стаціонарного колектора, встановлений на дверіз’ємній машині, і збірний стаціонарний колектор з газоприймальними патрубками і відсікаючими клапанами.

Для очищення запилених газів застосовані типові апарати. Пилезабірна парасолька оснащена телескопами для підключення до газоприймальних патрубків, розташованих на стаціонарному колекторі, діаметром 1420 мм. Останні разом з відсікаючи ми хлипавками призначені для транспортування запилених газів в апарати очищення. Для зменшення статичного розрідження в колекторі при холостому режимі роботи в його торці передбачений демпфер, що забезпечує підсос зовнішнього повітря. Число відсікаючих клапанів дорівнює числу пічних камер коксових батарей.

Для забезпечення необхідної герметичності і відвертання корозії обов'язкове змащування вузлів тертя клапанів.

Графік роботи системи і характеристики пилу, що поступає на очищення має наступний вигляд. При часі роботи щодоби 21-21,54 год. запилений газ поступає в систему на протязі тільки 1,34--1,37 год., решта часу в неї потрапляє не запилене повітря. Таким чином, продуктивний час роботи системи 6,21- 6,23 %. Аналіз дисперсного складу пилу показує, що на 1-у ступінь очищення поступає крупно дисперсний пил; зміст класів більше 100 мкм приблизно 74 %, у тому числі фракції 400 мкм і більше - 10,21%. На 2-й «мокрий" ступінь очищення поступає пил що містить 50,4 % фракцій менше 20мкм.

Пил, що виділяється при видачі коксу, характеризується виходом летючих часток - до 97% і є частками коксу високої міри готовності. Концентрація пилу в газі, що поступає на очищення, різна. Це пояснюється не зменшенням пилу в газі при видачі коксу, а ефективністю роботи пилезабірної парасольки.

Установки безпилової видачі коксу стаціонарного типу мають ряд недоліків. Вони є дуже енергоємними. Спорудження стаціонарних систем істотно збільшує капітальні витрати на оновлення основних фондів, причому за рахунок непродуктивної частини витрат. При експлуатації таких систем велика потужність електродвигунів вентиляторів в умовах жорсткого режиму економії змушує виробничий персонал при обмеженнях в поданні електроенергії в першу чергу відключати вентилятори установки.

Незважаючи на ряд недоліків, установки безпилової видачі коксу стаціонарного типу, сприяють істотному підвищенню міри локалізації викидів. Тому вони знайшли застосування на багатьох коксохімічних заводах

Нові технологічні рішення в реконструкції установок безпилової видачі коксу - ще один крок у вирішенні проблеми захисту довкілля. Впровадження їх в комплекті з іншими заходами по машинах дозволяє досягти високої екологічної ефективності в коксовому виробництві [6].

1.5 Аналіз сировинної вугільної бази

Вугілля, яке застосовується для коксування, надходить на виробництво з багатьох басейнів, воно неоднорідне за речовинним складом й має широкий діапазон технологічних властивостей. Підготовлена ж до коксування шихта, залежно від вимог до металургійного коксу, повинна мати цілком певні якісні показники, які обумовлені не тільки технологічними властивостями вугілля, але й методами їхньої підготовки [10].

Вугільні концентрати, що надходять на коксохімічне виробництво, володіють багатьма специфічними особливостями, це необхідно враховувати при складанні шихт для коксування й при їхній підготовці до коксування в операціях складування, дроблення й т.д.

Відомі схеми підготовки вугілля і шихт перед коксуванням розроблені роздільно для петрографічно однорідного вугілля Донбасу й петрографічно неоднорідного вугілля Кузбасу. Це обумовлено різними технологічними властивостями великих і дрібних класів цього вугілля. У російському вугіллі підвищену зольність мають великі класи, а у донецькому ж вугіллі мінеральна частина зосереджена в дрібних класах [10].

Вугільні концентрати Донбасу є в основному петрографічно однорідними й мають суму спікливих компонентів до 90%. Відмінною рисою вугілля Донбасу є підвищений вміст загальної сірки - до 2,7% і більше. Це явище генетично обумовлене підвищеним вмістом піритної сірки.

Вугілля Росії представлене низькосірчаними, слабоспікливими вугільними концентратами. Сума спікливих компонентів становить 30 - 60%. Вугілля Печорського й Кузнецького басейнів петрографічно неоднорідне. Вугілля представлене в основному марками К, КП, КЖ, воно добре спікається, малосірчане (вміст сірки не перевищує 1%). Вугілля Печорського басейну більш петрографічно однотипне, ніж кузнецьке. Вміст фосфору не перевищує 0,1% (від 0,01 до 0,03%). Коксівність вугілля добра.

Австралійське й канадське вугілля характеризується середнім виходом летких речовин, а також високим вмістом інертиніту. Це вугілля має високу спікливість (товщина пластичного шару 12 і 24 мм)

Американське вугілля характеризується низькою зольністю й вмістом сірки, а також доброю спікливістю.

Аналіз результатів досліджень показує, що властивості міцності доменного коксу істотно залежать від властивостей вугільної шихти і її компонентного складу [12]. Також найважливішою умовою стабільності коксу є рівномірність у часі зольності, виходу летких речовин, вмісту загальної вологи й загальної сірки, спікливості, коксівності, гранулометричного складу й насипної щільності вугільної шихти.

Тому для одержання стабільного й задовільного за якістю коксу необхідний раціональний розподіл коксівного вугілля і підбір шихт оптимального для підприємства складу [11].

1.6 Матеріальний баланс коксування

1.6.1 Підготовчі розрахунки

Розрахунок матеріального балансу коксування виконуємо для 1 т вологої (робочої) шихти. У таблиці 1.1 приведений марочний склад вугільної шихти, використовуваної для виробництва коксу. Виходячи з цих даних розраховуємо матеріальний баланс коксування.

Таблиця 1.1 – Склад шихти по марках і якості вугілля.

Найменування ЦЗФ	Мар-ка	Постав-щик	% уча-сті	Показники технічного аналізу
				Wt	Ad	Sdt	Vdaf	y, мм
Прольот+ Узловськ	К	Інкомт-рейд	7,0	9,7	9,00	1,93	26,4	14
Печорська	2Ж	Воркута-вугілля	11,1	8,0	8,00	0,6	33,0	15
Київська	Ж	Ш.Зася-дько	19,4	8,4	6,8	2,0	31,1	26
Печорська	ГЖО	Воркута-вугілля	2,8	8,5	7,3	0,6	37,0	14
Інтегріті	К1	Канада	19,4	8,5	6,00	1,0	25,0	14
Північна	КС+ КО	Березів-ська	1,4	9,1	6,00	0,63	21,6	12,3
Сибір	КС+ КС	Мечєл	8,3	9,0	7,00	0,7	21,6	8
Східна	КЖ+ К+КО	МС Ти-мертау	30,6	9,3	8,00	0,55	24,8	14
Разом вугілля			100	8,8	7,3	1,04	27,1	13,9

Шихта призначена для отримання металургійного коксу на коксохімічному заводі продуктивністю 3250 тис. тон робочої шихти в рік без вуглезбагачувальної фабрики, тому вона складається зі збагаченого вугілля, отриманого із заводів ЗФ і ЦЗФ.

Визначаємо технологічні показники вугільної шихти і товщину пластичного шару за правилом адитивності :

W^r=(9,7·7+8·11,1+8,4·19,4+8,5·2,8+8,5·19,4+9,1·1,4+9·8,3+9,3·30,6)·0,01= =8,8% (1.1)

A^d_ш=(9·7+11,1·8+6,8·19,4+7,3·2,8+6·19,4+6·1,4+8,3·7+8·30,6)·0,01=7,3% (1.2)

S^d_t=(1,93·7+0,6·11,1+2·19,4+0,6·2,8+19,4+0,63·1,4+0,7·8,3+0,55·30,6)·0,01= =1,0% (1.3)

V^daf=(26,4·7+33·11,1+1,1·19,4+37·2,8+25·19,4+21,6·1,4+21,6·8,3+24,8·30,6)×

×0,01 = 27,1% (1.4)

у_ш =(14·7+15·11,1+16·19,4+14·2,8+14·19,4+12,3·1,4+8·8,3+14·30,6)·0,01=

=13,9 мм (1.5)

Елементний аналіз шихти на вміст органічної маси приймаємо за результатами аналізів, проведених науково-дослідними організаціями у відсотках (%): вуглець С^о_ш = 86,78; водень Н^о_ш=5,2; кисень О^о_ш = 6,02; азот N^о_ш = 2,00.

Підраховуємо зміст золи та сірки в робочій шихті:

(1.6)

(1.7)

Вихід летючих речовин перераховуємо з горючої на суху масу шихти.

(1.8)

Показники елементного аналізу з органічної маси перераховуємо на робочу масу шихти:

(1.9)

(1.10)

(1.11)

(1.12)

Одержаний аналіз шихти, в перерахунку на робочу масу, зводимо в контрольну строчку (%):: W^r = 8,8, A^r_ш = 6,7, S^r_ш = 72,5, С^r_ш = 0,95, Н^r_ш=4,3, О^r_ш = 5,00, N^r_ш = 1,75.

Сума цих показників дорівнює 100%:

8,8+6,7+7,25+0,95+4,3+5+1,75 = 100%. (1.13)

1.6.2 Прибуткова частина

1. Суха шихта. Суху шихту, що завантажуємо в камеру коксування, підраховуємо по формулі:

из 1000 кг робочої шихти. (1.14)

2. Волога шихти. Вологу, що завантажуємо в камеру коксування разом із шихтою, підраховуємо по формулі:

из 1000 кг робочої шихти. (1.15)