5.6. Направления развития конструкций камерных коксовых печей

При оценке конструкций коксовых печей первостепенное значение имеет производитель­ность в течение всего срока эксплуатации и экологичность.

Производительность коксовой батареи по шихте в сутки равняется, т/сут:

где П - производительность в сутки, или П-365 в год; N - число печей в батарее; V - полезный объем камеры, м ; γ - плотность насыпной массы угольной шихты, т/м ; 24 - количество часов в сутках; τ - оборот печей, ч.

Число печей в батарее устанавливают исходя из возможности определить число печевыдач в смену или в сутки. Эта величина зависит от совершенства машин, обеспечивающих все операции по загрузке, выдаче и обслуживанию печей. Оно может быть определено из соотношения:

где τ₀ - оборот, ч; τ₁ - рабочая часть оборота, ч; τ₂ - цикличная остановка, ч; t - время обслуживания одной печи. Таким образом, число печевыдачв сутки будет составлять:

где n - число печевыдач; N - число печей в батарее. Подставляя в выражение производительности число печей, получим производительность батареи, т/сутки:

Очевидно, что производительность коксовой батареи прямо зависит от объема печной камеры, периода коксования и числа печей в батарее.

Число печей в батарее в мировой практике составляет до 120, обычно 37-77. Число печей принимается на 3-5 больше расчетного с учетом текущих ремонтов. Кроме числа печей в батарее, производительность ее связана с рядом других факторов, определяющих производительность отдельных камер коксования. Эти факторы могут быть разбиты на две группы: постоянные и переменные. К первой группе относятся размер камер коксования по длине, ширине и высоте; толщина стен камер коксования; свойства огнеупоров, из которых выполнены стены (в основном, теплопроводность), конструктивные особенности печей, обеспечивающие равномерность обогрева по длине и высоте камеры коксования.

Ко второй группе относятся температура в отопительных простенках коксовых печей, температура выдаваемого кокса, отопительный газ и коэффициент избытка воздуха, компонентный состав угольной шихты, влажность, плотность насыпной массы, угольной шихты, выход летучих веществ, полнота загрузки коксовых печей.

Такие факторы, как температура выдаваемого кокса и качество угольной шихты, определяющие качество кокса, должны нормироваться и поддерживаться практически постоянными в допустимых пределах. Поскольку производительность одной камеры прямо пропорциональна полезному объему печи и обратно пропорциональна обороту печей, то есть периоду коксования, целесообразно рассмотреть влияние этих факторов на развитие конструкций коксовых печей.

Если принять обозначения: 1 - полезная длина камеры коксования, h - полезная высота и b - средняя ширина, то при плотности насыпной массы угольной шихты в камере коксования γ, т/м³, разовая загрузка Р составит: для двух печей, имеющих размер камер по длине, равный соответственно l₁ и l₂ и по высоте hi и h₂, при одинаковых средней ширине камеры коксования Ь, плотности насыпной массы и температуре в отопительных каналах. При одинаковой продолжительности коксования отношение часовой производительности одной камеры к другой будет равно:

то есть при изменении длины или высоты печной камеры производительность будет меняться в линейной зависимости. Это определяет тенденцию увеличения размеров камеры коксования, в основном, длины и высоты, так как увеличение ширины камеры коксования связано с увеличением продолжительности коксования и изменением качества кокса.

Если взять для сравнения две печи, имеющие различную ширину b₁ и b₂, то при одинаковых других линейных размерах, плотности насыпной массы шихты в камере коксования и температурах в отопительных каналахотношение их производительностей будет:

то есть изменение производительности печей в данном случае не подчиняется линейной зависимости, так как при принятых условиях отношение τ₂/τ₁ не может быть равно единице. Таким образом, вопрос о зависимости производительности коксовых печей от ширины камеры коксования определяется зависимостью между шириной камеры и продолжительностью коксования. Естественно, что вопрос продолжительности коксования связан с такими переменными факторами, как температура коксования и температура кокса. Однако ранее уже указывалось, что температура кокса в зависимости от технологических свойств угольной шихты и требований к качеству кокса устанавливается в пределах 1050+50 °С, а температура в отопительной системе не может быть повышена более чем до 1410 °С.

При расчетах обычно рассматривается половина камеры коксования и прилегающая к угольной загрузке стенка камеры коксования, поскольку передача тепла через стенку в камеру осуществляется с двух сторон одинаково, что определяется конструкцией печей. Поскольку процессы в камере коксования весьма сложны для расчетов, принимается ряд серьезных допущений, которые корректируются на основе обработки большого числа практических данных, полученных на основании анализа эксплуатации коксовых печей различных конструкций почти за 60 лет.

Принимается, что угольная загрузка и стенка камеры коксования представляют собой плоскую однородную плиту. Нагрев плоской плиты при постоянной температуре определяется уравнением Фурье dt / dx = ad" t / dx", где t - температура нагреваемой плиты в любой точке, находящейся по тепловому потоку на расстоянии х в момент времени t ; a - коэффициент температуропроводности, м/ч.

Решение этого уравнения в зависимости от граничных условий приводит к установлению различных закономерностей влияния ширины камеры коксования на продолжительность - период коксования.

За последнее время исследованиями на коксовых батареях современных конструкций, с учетом небольшой толщины стенки камеры коксования 80 - 115 мм, улучшенных теплофизических характеристик огнеупорных материалов, получены данные, указывающие на то, что в зависимости от увеличения ширины камеры коксования продолжительность коксования возрастает в степени 1.2 - 1.4.

Зависимость продолжительности коксования от толщины стенки связана и с качеством ее материала. При изменении толщины стенки на 1 мм продолжительность коксования меняется на 3.5-10 мин.

В настоящее время для расчета продолжительности коксования используются методики Н.К. Кулакова и И.В. Вирозуба, которые основаны на решении уравнения Фурье, но не учитывают следующие отличия процесса коксования от простого нагрева плоской плиты: в процессе нагрева большое значение имеет испарение влаги и теплоперенос влагой; теплофизические характеристики угольной загрузки в процессе коксования значительно изменяются. Например, А, и а увеличиваются почти в 10 раз; теплопередача в коксовой камере осуществляется не только теплопроводностью, но и конвекцией; в процессе коксования происходят химические реакции, сопровождающиеся экзотермическими и эндотермическими эффектами. В современных программах по расчету продолжительности коксования эти факторы в какой-то степени учитываются.

Новая типовая отечественная коксовая батарея большой емкости (конструкции Гипрококса) принята из двух блоков по 41 печи в каждом. Между блоками размещается угольная башня. Эта компоновка коксовых батарей является принципиально новой, при которой повышается надежность обеспечения шихтой, уменьшается на 50 % количество резервных загрузочных машин, сокращается длина концевых площадок, появляется возможность осуществлять перекладку и другие ремонты в пределах каждого блока независимо друг от друга, что обеспечивает в этих случаях минимальную потерю объема выпускаемой продукции.

Основные данные по новой коксовой батарее:

Полезный объем, м	51
Длина общая, мм	16820
Высота общая, мм	7000
Ширина камеры средняя, мм	480
Число загрузочных люков	4
Конусность, мм	50
Толщина стен камеры коксования, мм	130/115/105
Производительность батареи, тыс. т в год валового кокса 6 % -ной влажности	1140

Впервые в российской практике строительства предусматривается выносной гараж для ремонта двересъемных машин, который оборудован грузоподъемным устройством, необходимым станочным парком и приспособлениями. В конструкции машин широко применяется гидропривод, электрическая схема построена на бесконтактной электроаппаратуре. Машины разработаны с учетом возможности осуществления дистанционного управления.

Устранение пылевыделения при выдаче кокса из печей обеспечивается установкой беспылевой выдачи кокса. Установка состоит из передвижного пылеотсасывающего зонта, устанавливаемого на двересъемной машине, стационарного коллектора вдоль фронта печей, устройств очистки и дымососа, обеспечивающего разрежение в коллекторе. В конструкции установки учтен опыт эксплуатации действующих установок. "Концы" кокса, а также возможные обвалы головок коксового пирога подлежат уборке при помощи специальных конвейеров скребкового типа, установленных на обслуживающих площадках с машинной и коксовой сторон батареи параллельно фронту печей.

Конвейеры имеют небольшое заглубление по отношению к уровню настила обслуживающих площадок и малую скорость движения цепи, что обеспечивает безопасность конструкции. "Концы" кокса транспортируются конвейером за пределы батареи, где выгружаются в контейнеры для вывоза автотранспортом или при помощи перегрузочных устройств передаются в коксовозные вагоны.

Производительность труда на этой батарее (полезная емкость камеры 51 м³) по сравнению с батареей с печами полезной емкостью камеры 41.6 м увеличивается и снижается себестоимость кокса.

Гипрококсом разработаны конструкции коксовых печей для коксования трамбованной шихты объемом 32.1 м с загрузкой 35.31 т шихты, а также конструкции коксовых печей с камерами шириной 600 мм.

За рубежом основная стратегия при реконструкции и модернизации коксового производства определялась снижением производства черных металлов, а значит, и производства кокса. Уменьшение производства кокса происходит, в основном, за счет вывода из эксплуатации устаревших, маломощных коксовых батарей, с работой которых и связаны отрицательные экологические последствия.

Основным направлением развития конструкций коксовых печей является сооружение коксовых батарей большой мощности с печами повышенной емкости, м: 42, 47, 62, 70, 83 (Германия). Увеличение полезного объема камеры коксования достигается за счет увеличения ширины камеры до 590 - 600 мм и высоты до 7.85 м.

Увеличение ширины камеры, по мнению специалистов фирмы "Крупп-Копперс", имеет следующие преимущества:

• при одинаковых условиях коксования температура в шихте повышается медленно, т.е. скорость коксования становится меньше, что положительно сказывается на качестве кокса;

• величина внутреннего давления повышается пропорционально квадрату скорости коксования, т.е. при более широкой камере внутреннее давление меньше;

• степень усадки коксового пирога пропорциональна ширине камеры; при более широкой камере щель между коксовым пирогом и нагревательной стенкой больше, что приводит к более легкому выталкиванию коксового пирога;

• меньшие нагрузки в связи с благоприятным соотношением усадки и выталкивания действуют положительно на долговечность батареи.

Характерной особенностью современных зарубежных конструкций коксовых печей является уменьшение толщины греющей стенки до 90 - 95 мм с использованием сверхплотного динаса и новых материалов. Широко применяется автоматизация обогрева коксовых батарей. Стабилизация оптимального теплового режима процесса коксования достигается при автоматизации обогрева и обеспечивает: повышение их производительности на 1 - 3 %, снижение расхода тепла на коксование на 5 - 15 %, улучшение прочности кокса на 0.5 - 1.5 %. Следует отметить рост стоимости строительства и ремонтов коксовых батарей с печами большой емкости. На вновь вводимых коксовых батареях применяется весь арсенал средств по защите окружающей среды: бездымная загрузка, беспылевая выдача кокса и др.

По оценке зарубежных специалистов, переход к коксовым печам большой емкости позволяет повысить технико-экономическую эффективность процесса коксования и снизить выбросы в атмосферу. Так, например, число рассеянных источников выбросов на установках мощностью 2 млн. т кокса в год с печами высотой 7,5 м в 2,5 раза меньше, чем на установке такой же мощности с печами высотой 4 м. Кроме того, число выдач кокса на батареях с печами большой емкости уменьшается, что способствует дальнейшему сокращению выбросов на одну тонну кокса.

Наращивание производственных мощностей зарубежных коксохимических заводов за последние 10 - 15 лет происходило в направлении увеличения габаритов коксовой камеры путем применения огнеупоров повышенной теплопроводности и термический устойчивости. Рабочие характеристики динасовых огнеупоров улучшают введением добавок оксидов меди, титана, железа. Проходили испытания новые огнеупоры: магнезит (основа MgO), муллифракс (плавленый муллит), рефракс (силикон-карбид со связующим силикон-нитридом). Во многих странах испытания новых огнеупоров совмещали с уменьшением толщины стенки камеры коксования и повышением температуры в отопительных каналах. Установлено, что уменьшение толщины стенки камеры коксования со 110 до 70 мм соответствует при одинаковом качестве кирпича повышению температуры в отопительных простенках на 100 °С или же сокращению периода коксования на 3 ч. В Германии, Японии, Франции, Англии работают коксовые батареи с камерами, где толщина стенки составляет 70 - 90 мм.

Особое внимание уделяется комбинированным процессам (комплексным схемам), которые могут дать экономически эффективное решение. По некоторым данным, совершенствование технологии коксования позволяет повысить удельную производительность коксовых печей при более однородной по плотности загрузке на 8 (абс. %); при улучшении обогрева печей с более равномерной по плотности загрузкой на 4 (абс. %); при загрузке сухой шихты, нагретой до 100°С на 28 (абс. %); при загрузке шихтой, нагретой до 220 "С, на 16 (абс. %); за счет кладки печи из динасового кирпича с более высокой теплопроводностью на 20 (абс. %).

Все это позволяет снизить относительное число печей при той же выработке кокса со 100 до 52. Термический КПД системы коксования может быть повышен за счет утилизации тепла кокса и сырого коксового газа, улучшения системы обогрева печей, снижения потерь тепла на излучение и с отходящими газами.

Производительность коксовой печи шириной 450 мм из плотного динаса теплопроводностью 7.5 - 9.2 (вместо 6.6 кДж-м/ч-град у обычного динаса) может достичь 45 кг/м³•ч без применения вспомогательных технологий, но при условии использования всех технических возможностей и при температуре в отопительных каналах 1350 °С вместо 1280 °С. С применением термической подготовки шихты удельная производительность возрастает до 70 кг/м³•ч. Фирма "Бергбау-форшунг" (Германия) в качестве будущего агрегата для получения кокса рассматривает печь с размерами 9700x750x20000 мм полезным объемом 145 м и разовой выдачей кокса 100 т с использованием термически подготовленной шихты перед коксованием.

Модель такой печи уже построена. Коксовый реактор - это не только количественный, но и качественный новый подход к конструкционному и технологическому оформлению процесса слоевого коксования.

Следует отметить, что в связи со снижением спроса на химические продукты коксования, за рубежом (США, Индия, Китай и т.д.), начали строить простейшие коксовые печи без улавливания химических продуктов коксования типа "ульевых печей, в которых в настоящее время выжигается уже более 4.5 млн т кокса. Это простейшая конструкция, отличающаяся тем, что тепло процесса получается за счет сгорающих над угольной загрузкой выделяющихся парогазовых продуктов коксования. Крупность и прочность кокса, полученного в печах такого типа, значительно выше, чем у кокса, полученного в типовых горизонтальных коксовых печах. Фирмой "Тиссен Круп" спроектированы батареи таких печей с современными устройствами механизации и автоматизации всех процессов и обеспечением экологических требований. Конструкция этих печей отличается простотой (24 марки огнеупорных изделий вместо более чем 400 для современных коксовых печей). Коксовые батареи "ульевых" печей характеризуются значительно меньшими выбросами вредных веществ в окружающую среду.