4.2. Материальный баланс коксования
В применении к анализу технологии коксования различают три основных типа материальных балансов: баланс сырья и продуктов коксования по компонентам; баланс сырья и продуктов коксования по химическим элементам; баланс веществ, участвующих в процессе горения в отопительной системе коксовых печей.
В практике обычно ведут расчет баланса первого типа. В нем приводятся данные о выходе кокса и химических продуктов коксования.
Для действующего предприятия составление материального баланса позволяет выявить ресурсы производства и источники потерь продукции, провести анализ работы коксовых печей с целью повышения качества продукции, установить влияние состава шихты, условий эксплуатации и особенностей конструкции коксовых печей на выход продуктов коксования.
При проектировании нового предприятия материальный баланс коксования необходим для привязки условий производства к сырьевой базе, выявления товарных ресурсов нового завода и получения исходных данных для расчетов теплового баланса и отдельных элементов коксовых печей, цехов улавливания и переработки химических продуктов коксования.
Расчет материального баланса обычно ведут на 100 или 1000 кг влажной угольной шихты. Приходная часть баланса состоит из двух статей: сухая шихта и влага шихты. Расходная часть состоит из кокса валового, коксового газа и всех, улавливаемых из него продуктов коксования, выход которых из шихты составляет не ниже 0.1%. Последняя статья - расхождение (невязка) баланса - показывает, насколько точно сделан анализ; она не должна превышать 0,5%. Ниже приводится пример теоретического расчета материального баланса коксования
1.Приход.
Сухая шихта, количество которой определяют по формуле:
где W - содержание влаги в шихте, %.
2.Расход.
1. Кокс валовый - включает суммарное количество крупного металлургического кокса размером больше 25 мм (91 - 94%), отсева, т.е. коксового орешка 10-25 мм (2 - 3%), коксовой мелочи крупностью 0-10 мм и коксового шлама (4 - 6%), который накапливается в отстойниках мокрого тушения или в очистных сооружениях установки сухого тушения кокса и периодически также отгружается потребителю. Выход сухого валового кокса из рабочей шихты определяют по формуле, % масс:
где V - выход летучих веществна рабочую шихту; VY' - выход летучих веществ сухого кокса (обычно составляет 0.7 - 1.0%); Л - припек, показывающий, насколько выход валового кокса в производственных условиях выше, чем выход твердого остатка в тигле при лабораторном определении выхода летучих веществ угольной шихты.
Припек зависит от свойств угольной шихты (природа углей, выход летучих веществ) и температуры коксования. Припек для углей Донбасса составляет 1.0 - 2.6% масс. (Донбасс), а для углей Восточных районов России 1.5 - 3.0% масс. (В последнее время, в результате изменения сырьевой базы коксования и выхода летучих веществ угольной шихты, припек увеличился).
Выход сухого валового кокса в производственных условиях определяют по формуле ВНИИОчермета:
где К - коэффициент, учитывающий условия работы завода. Для донецких углей припек может быть определен по формуле:
где Vшd - выход летучих веществ сухой шихты, % масс.; Vdк - выход летучих веществ сухого кокса, % масс.
Эти формулы по сравнению с производственными данными дают расхождение до 2%. Ю.Я. Филоненко и М.С. Кручинин путем обработки заводских данных получили зависимость, дающую совпадение в 99.9% случаев:
где Аdш - зола сухой шихты, % масс.
где Vdaf - выход летучих веществ на горючую массу шихты, % масс; Ar, W r- выход соответственно золы и влаги в рабочей шихте, % масс.
Выход смолы зависит от выхода летучих веществ и условий коксования.
3.Выход сырого бензола определяют по эмпирической формуле:
В производственных условиях выход сырого бензола колеблется в пределах 0.7 - 1.2% масс.
4.Выход аммиака определяют по формуле, % масс:
где Б - коэффициент перехода азота в аммиак (для практических расчетов принимают 0.15);
Ndaf -содержание азота в горючей массе шихты, % масс; 17 и 14 - масса 1 моль соответственно аммиака и азота Выход аммиака колеблется в пределах 0.2 - 0.35% масс. (Донбасс - Кузбасс).
5.Выход обратного сухого газа (в % масс.) с достаточной для практики точностью определяют по эмпирической формуле:
где К — коэффициент, равный 2.54 - 33;Vdш - выход летучих веществ на сухую шихту, % масс.
6.Выход общей влаги - складывается из влаги шихты и пирогенетической влаги, влага шихты принимается одинаковой в приходной и расходной частях баланса; выход пирогенетической воды приближенно рассчитывают по формуле:
где К - коэффициент перехода кислорода угля в пирогенетическую влагу, равный 0.334 - 0.505; Odaf - содержание кислорода в рабочей шихте, % масс; 18 и 16 - масса 1 моль соответственно воды и кислорода.
7.Выход сероводорода, г, рассчитывают по формуле:
где К - коэффициент перехода серы шихты в сероводород, равный 0.17 - 0.29; Sτ ш - содержание серы в рабочей шихте, % масс; 32 и 34 - соответственно масса 1 атома серы и 1 моль сероводорода.
8.Невязка баланса обычно не превышает 0.2 - 0.3 %. Считается, что если невязка баланса не превышает 0.5 %, баланс составлен правильно. Коэффициенты перехода азота, серы, кислорода в летучие продукты коксования зависят от элементного состава шихты и условий коксования и поэтому должны уточняться для условий конкретного завода.
Под руководством А.Н. Чистякова разработаны алгоритмы расчета материального баланса коксования на компьютерах. Это позволяет оперативно вести сравнительные расчеты для уточнения приведенных выше коэффициентов, учитывающих особенности работы заводов.
Применительно к нуждам производства взамен теоретического используют материальный баланс коксования, полученный на лабораторных установках ВУХИНа и УХИНа для определения выхода химических продуктов коксования по ГОСТ 18635-73. Потери при этом не допускаются; стандартом регламентированы только допускаемые расхождения между результатами параллельных определений (для кокса 0.5%). Незначительная разница в приходной и расходной частях баланса, "невязка" определяется заданной точностью взвешивания продуктов. Практический материальный баланс любого промышленного химико-технологического процесса должен учитывать не только исходное сырье и продукты производства, но и их потери. К сожалению, до настоящего времени сохраняется неопределенность и произвольная подмена понятий "невязка" и потери в материальном балансе. Обработка данных по 12 заводам за год показала, что средняя величина потерь составила 2.02% при максимальной 3.4%. В то же время установление точных цифр потерь, а значит и точного материального баланса, необходимо для расчета расходного коэффициента угольной шихты на кокс. Основными источниками потерь являются:
потери при транспортировании, разгрузке и зачистке вагонов, складировании и хранении на открытом складе (до 3.3 кг/т кокса);
занижение влажности угля поставщиками (только по одному предприятию это составило до 11.54 кг на т кокса);
потери шихты при загрузке в коксовые печи(в зависимости от влажности шихты до 10.7 кг/ на 1 печь);
-потеря массы коксового пирога при подготовке к выдаче до 25 кг/печь;
угар при транспортировании кокса в тушильном вагоне к установке тушения до 84 кг/печь;
потери с "концами" до 100кг/печь;
выносы из башни тушения до 200 г/т выданного кокса;
угар при сухом тушении от 0.5% до 3.6%.
Расчеты, проведенные на одном из заводов России, показали, что при мокром тушении практический выход кокса снижается с 78 до 76.79% масс, а расходный коэффициент угля возрастает с 1.282 до 1.299. При сухом тушении эти показатели соответственно 75.42% масс. и 1.326.
Потери сырого коксового газа (парогазовых продуктов) зависят от состояния герметизации арматуры на коксовых печах (двери, загрузочные люки, крышки стояков) и плотности кладки камер коксования, которая зависит от возраста коксовых печей и соблюдения правил технической эксплуатации.
По различным источникам эти потери могут составлять 80 - 160 кг на одну печь. Часть парогазовых продуктов коксования теряется в виде отложившегося на кладке пироуглерода, который затем выгорает при обработке печей - примерно 20 кг на один оборот печи. Материальный баланс коксования должен уточняться применительно к условиям работы каждого завода.