5.2.2. Основные принципы гидравлического режима коксовых печей

Гидравлический режим, то есть регламентированное распределение давлений в камере коксования и отопительной системе коксовых печей, является основным фактором, определяющим необходимый срок их службы.

С начала эксплуатации, еще до первой загрузки угольной шихтой, камера коксования полностью отделяется от отопительного простенка и теоретически они не должны сообщаться. Однако на практике даже самая совершенная каменная кладка, какой является кладка коксовых печей, не может быть абсолютно плотной. В ней могут быть пустые швы, со временем образуются трещины и даже при очень небольшой разнице давлений в камере коксования и отопительных простенках может наблюдаться переток газовых и воздушных потоков через неплотности кладки камеры коксования.

В начале процесса коксования, когда в камере происходит бурное выделение из шихты газообразных продуктов, избыточное давление в ней может достигать 6000 Па. При этом парогазовые продукты проходят через трещины в кладке или неплотности дверей коксовой печи, разлагаются, заполняя их графитом, и таким образом камера коксования полностью отделяется от отопительной системы и атмосферы.

В конце периода коксования количество выделяющихся газообразных продуктов резко снижается (выход летучих веществ в коксе -1 % масс). В результате может создаваться такое положение, когда давление газов в камере коксования станет меньше атмосферного и меньше давления в отопительной системе. В этом случае кислород воздуха в отопительных простенках и -регенераторах на восходящем потоке может способствовать выгоранию графита в пустых швах, трещинах и других неплотностях раскаленной кладки простенков. Тот же процесс будет происходить с графитом, уплотнившим двери печей. После того, как графит выгорит, кислород воздуха, проходя в камеру коксования и соприкасаясь с раскаленным коксом, вызовет его интенсивное горение. В местах горения кокса развивается высокая температура - до 1600 °С. Основные соединения золы кокса, реагируя с кислой кладкой, дадут легкоплавкое соединение. Таким образом, в этом месте кладка камеры ошлакуется и при выдаче коксового пирога поверхность кладки разрушится.

При новой загрузке камеры шихтой процесс повторится. Вначале через разграфиченные неплотности кладки значительное количество парогазовых продуктов будет поступать в отопительную систему, гореть, особенно в регенераторах восходящего потока, заполненных воздухом, в отопительных простенках, где газ сжигается с избытком воздуха. После уменьшения количества выделяющихся парогазовых продуктов процесс пойдет в обратном порядке. При многократном повторении этих явлений в кладке камер коксования могут образовываться прогары, насадка регенераторов может быть оплавлена.

В 1938 году инженером Р.З. Лернером разработаны принципы гидравлического режима коксовых печей, внедрение которых в практику позволило упорядочить работу и значительно продлить срок эксплуатации коксовых батарей. Эти принципы исходят из того, что соотношение давлений в камере коксования и отопительной системе должно быть таким, чтобы после загрузки угольной шихты исключалась малейшая возможность попадания воздуха из отопительной системы или атмосферы в камеру коксования.

Допускается только возможность относительно небольшого попадания газообразных продуктов коксования в отопительную систему, что в результате приводит к заграфичиванию кладки и, значит, повышению ее плотности.

Основные принципы гидравлического режима коксовых печей: - давление на поду камеры коксования в конце коксования должно быть положительным; давление на поду камеры к концу коксования всегда должно быть больше давления в верхней части регенератора, работающего на восходящем потоке;

распределение давлений по высоте отопительной системы должно быть постоянным в пределах одного периода коксования. На практике эти основные положения с небольшими изменениями осуществляются следующим образом. Правилами технической эксплуатации коксовых печей устанавливается минимально допустимое давление на поду камеры коксования перед подготовкой ее к выдаче кокса - 5 Па. Естественно, что если в камере коксования в нижней ее части давление, то в любой точке камеры, расположенной выше, давление будет больше на величину гидростатического подпора, который зависит от высоты (разности высот) подъема и разности температур газа в камере и наружного воздуха.

Основы регулирования газовых потоков и гидравлического режима

Гидравлический режим камеры коксования определяется режимом работы газосборников. Давление газа в газосборниках устанавливается таким, чтобы было обеспечено, как было указано выше, превышение давления газа на поду камеры коксования над атмосферным давлением не менее чем на 5 Па и не более чем на 30 Па. Давление газа у стен камеры коксования и давление газа в газосборнике, начиная примерно с третьего часа после загрузки, связаны между собой следующей зависимостью: .

P1 - давление газа у стенок камеры коксования на уровне пода, Па; P2 - давление газа в газосборнике, Па; h(ρ_в -ρ_г, ) - гидростатический подпор столба газов высотой h, в котором ρ_в и ρ_г - плотность воздуха и газа, кг/м³'.

При плотности воздуха ρ_в = 1.293 кг/м³, плотности коксового газа в камере ρ_г =0.35 кг/м³ и пересчете на температуру газа 800 °С разница плотностей составит:

т.е. на 1 м высоты гидростатический подпор составляет 11.77 Па, эту величину можно принять за постоянную (практически для расчетов 12 Па). ΣΔP - суммарное сопротивление при движении газов из камеры коксования к месту отвода их из газосборника. Это сопротивление слагается из двух величин: ΣΔP ' и ΣΔP ". ΣΔP ' - определяет сопротивление на пути движения газа из камеры до входа в газосборник и является для всех печей, независимо от их положения по длине батареи, постоянной величиной, которой при нормальном состоянии стояков, колен и клапанов можно пренебречь, как относительно небольшой. Величина ΣΔP " представляет сопротивление самого газосборника и является переменной в зависимости от положения камеры по длине батареи, и тем больше, чем дальше расположена камера от места отвода газа из газосборника. Для крайних печей по концам газосборника ΣΔP " может доходить до 30-50 Па. При данных значениях h(p_B -р, ) и постоянной величине ΣΔP ' минимальное давление у стенок будет в камере, расположенной под отводом газа из газосборника на уровне ее пода. Поэтому, если на уровне пода у стенок этой камеры установлено давление 5 Па, то это гарантирует в остальных камерах положительное давление по всей их высоте.

Для печи, расположенной под отводом газа из газосборника, при ΣΔP " = 0 можно, пренебрегая значением ΣΔP ', с достаточной точностью определить необходимую величину давления в газосборнике по сумме заданного давления у стенок камеры на поду и гидростатического подпора, принимая его равным 12 Па на высоте 1м; Р2 = Р2' + 1.2h. Например, чтобы получить давление газа у стенок камеры на уровне пода 5 Па при разности в отметках пода камеры и газосборника h = 9 м, необходимо установить давление в газосборнике: Р1 = 5 + (1.2 • 9) = 113 Па, а при h = 11 м, Р₂ = 5+(1.2 ^.11)= 137 Па.

Определенная расчетом по указанной методике величина давления газа устанавливается в газосборнике и подлежит обязательной корректировке, учитывая, что значение ΣΔP ' не было принято при расчете во внимание, а действительные величины температуры и удельной плотности газа, как и удельной плотности воздуха, в производственных условиях имеют значения, зависящие от температурного режима, времени года и т.д.

Давление газа в газосборнике на вновь введенной в эксплуатацию батарее окончательно уточняется на протяжении 3-5 дней после пуска и устанавливается на 30-50 Па выше необходимого на период полного заграфичивания кладки. Давление газа в газосборниках может колебаться из-за неравномерности отсоса коксового газа. В связи с этим приходится увеличивать расчетную величину этого давления для того, чтобы не допустить появления разрежения на поду камеры коксования. Величина такой поправки составляет обычно 30-40 Па.

Контрольный замер давления газа на уровне пода камеры проводится за 15 мин до выдачи кокса. Установленное давление газов в газосборниках должно поддерживаться при помощи автоматических регуляторов с колебаниями от заданной величины не более +10 Па.

При центральном и боковом отводе газа из газосборников рекомендуется автоматический регулятор на общем отводе включать в работу с отбором импульса давлений из газосборника ма­шинной стороны.

Равномерность давления газа в газосборниках определяется также стабильностью отсоса машинным залом, который может контролироваться по величине разрежения на начальном от печей участке газопровода; колебания разрежений не должны превышать ±100 Па. Второй принцип гидравлического режима осуществляется поддержанием соответствующего давления (разрежения в верхней зоне регенераторов, то есть в наднасадочном пространстве (рис.5.2). Величина разрежения в этой точке может быть определена из выражения

где р_р^всрх - разрежение в верхней зоне регенератора на восходящем потоке, Па; Р_верт - давление в верхней точке отопительной системы (под крышкой смотрового лючка), Па; Р„ - гидростатический подпор на участке от верхней зоны регенератора до крышки смотрового лючка, Па, ΣΔP - суммарное сопротивление при движении газов из камеры коксования к месту отвода их из газосборника.

Н = Н[(р_в»273)/(273+1_в)-(р_г«273)/(273+1_г)],

где Н - высота участка от верха регенератора до смотрового лючка; Р„ - сопротивление на всем участке отопительной системы от верхней зоны регенератора до крышки смотрового лючка; ρ_в и ρ_г - соответственно удельные плотности воздуха и газа; t„ и tr - соответственно их температуры, °С.

На практике это, в основном, сопротивление косых ходов, которое для современных систем коксовых печей может составлять 15-20 Па. Расчеты показывают, что разрежение в верхней зоне регенераторов, работающих на восходящем потоке, составляет 50-60 Па.

Увеличение или уменьшение разрежения в отдельных участках отопительной системы коксовых печей соответственно изменяет поступление в систему газа и воздуха. Например, при обогреве бедным газом уменьшение разрежения в верхней зоне газового регенератора на восходящем потоке, без изменения разрежения в сопряженном воздушном регенераторе, вызовет увеличение поступления в отопительный простенок газа и уменьшение коэффициента избытка воздуха. Поэтому обогрев коксовых печей, особенно равномерность поступления в каждый простенок газа и воздуха, одинаковые температуры, а значит, одинаковое качество кокса во всех печах батареи, при постоянном во всех печах периоде коксования регулируется определенным разрежением в соответствующих участках отопительной системы печей. Это как раз и устанавливает третий принцип гидравлического режима. Если распределение давлений по высоте отопительной системы коксо­вых печей будет постоянным, в пределах одного периода коксования, значит, постоянными будут поступление газа и воздуха, условия заграфичивания кладки, качество кокса и будет обеспечена продолжительная высокопроизводительная работа батареи.

В коксовых печах конструкции Гипрококса при соблюдении принципов гидравлического режима просачивание газов через неплотности кладки минимально, потери сырого коксового газа составляют не более 2,5% об. Следует отметить, что в зарубежной практике давление в газосборниках коксовых печей поддерживается небольшим (на уровне 60 Па) и потери коксового газа в отопительную систему больше.