1.3 Спекание и прокаливание топливных изделий

Режим спекания и прокаливания пластических формовок зависит от их размеров и свойств пластической массы. Протекающие при этом структурные превращения сопровождаются газовыделением и усадкой твердого материала.

Дифференциальные кривые скорости усадки имеют два резко вы­раженных максимума: для газовых углей первый максимум находится в интервале температур 440 – 460 °С, а второй – 660 – 720 °С. Для формовок из слабоспекающихся углей оба максимума сдвинуты в об­ласть более высоких температур на 20 – 30 °С. Первый максимум от­вечает стадии спекания и обусловлен интенсивной потерей массы вслед­ствие образования углеводородов и основной части смолы. Второй максимум наблюдается при менее интенсивном образовании летучих продуктов и отвечает внутриструктурным преобразованиям форм уг­лерода с одновременным уплотнением и упрочнением твердого остатка.

Линейная усадка, отвечающая процессу превращения полукокса в кокс, мало зависит от свойств углей и составляет 4 – 6 %.

Скорость нагрева формованных изделий различных размеров за­висит от перепада температур по толщине образца. Экспериментально установлено, что в формовке диаметром 70 мм при скорости нагрева 2 °С/мин разность температур составляет 62 °С, а диаметром 30 мм – всего 14 °С. Таким образом, интенсификация последних двух стадий получения формованного кокса достигается уменьшением размера формовок. Заканчивается процесс прокаливания формовок при 800 – 850 °С.

Существует несколько способов термической обработки формовок или других видов окускованного топлива. По способу подвода теплоты они подразделяются на способы, основанные на внешнем подводе теп­лоты к формовкам через стенку, способы с внутренним обогревом формовок теплоносителем и комбинированные способы с внутренним и внешним обогревом.

Способы, основанные на внешнем подводе теплоты, характеризуются длительным пребыванием формовок в печи, малой их производитель­ностью и неравномерностью обогрева формовок. Поэтому в настоящее время наибольше распространены способы прокаливания сформован­ного топлива при использовании различных теплоносителей. В каче­стве теплоносителя применяются продукты горения, т. е. газообраз­ный теплоноситель, а также твердый теплоноситель, например песок.

Газовый теплоноситель можно получить в результате сгорания га­зов в отдельной топке или при подаче воздуха в соответствующий реак­тор и взаимодействии кислорода воздуха с летучими продуктами, об­разующимися в процессе прокалки кускового топлива. Такой процесс называется способом окислительного пиролиза. Прокаливание куско­вого топлива по этому способу осуществляется в окислительной среде. Для этого на формовки подается газ, содержащий определенное ко­личество свободного кислорода (от 6 до 21 %). Теплота, необходимая для обработки материала, образуется вследствие экзотермической реакции кислорода с продуктами термического разложения угля. Здесь кислород играет роль не только окислителя, но и инициатора реакций распада высоко­молекулярных первичных продуктов, в результате чего температура крекинга этих соединений значитель­но снижается. Под влияни­ем кислорода происходит окислительный пиролиз ле­тучих продуктов, а при его избытке – горение. При этом выделяет­ся теплота, необходимая для прокаливания угольных изделий. Тем­пература процесса составляет 650 – 750 °С.

Стадия спекания и термической обработки изделий из угля является важной технологической операцией, от которой в значительной степени зависят качество кокса и технико-экономические показатели всего производства. Поэтому наблюдается многообразие его конструктив­ных решений.

Печи с внешним обогревом. Конструкция печей данной системы предусматривает подвод теплоты от пламени горячего топлива к уголь­ным изделиям через стенку путем теплопроводности и излучения.

Печные камеры периодического действия с внешним обогревом при­меняются в Японии для производства формованного кокса. Коксовая батарея состоит из двадцати четырех печных камер. Угольные брикеты, полученные способом холодного брикетирования, загружают в камеру из загрузочного вагона. Печные камеры имеют наклонный под, поэтому кокс выдается из печи под действием силы тяжести. Полезный объем одной печной камеры 3,9 м³, производительность 260 кг/ч. Период кок­сования 10 ч. Кокс охлаждается в тушильной башне.

В ФРГ применяется способ, носящий название «процесс Бреннштоф-техник». Коксование слабоспекающихся углей и прокаливание уголь-пых брикетов осуществляется в периодически действующих печах с длиной камеры 2,5 м, высотой 2 м и шириной от 60 до 105 мм. Стены камеры изготовлены из жаропрочного металла, что позволяет осуще­ствлять процесс коксования (или прокаливания) при более низких температурах в отопительных простенках, чем в обычных динасовых кокспиых печах.

Для равномерного обогрева камер по высоте применяется рецирку­ляции продуктов горения, полученных при сжигании газа в отдельной камере. (рис 1.13).

Печи одного блока загружаются одновременно из многосекционного вагона. Разовая загрузка угля или формовок в одну камеру составляет 1000 кг. Продолжительность коксования шихты из слабоеиекпющихся углей составляет 4 ч, а угольных брикетов – 2 ч. Кокс подвергается обычному тушению и сортировке.

В Румынии в процессе ИЧЕМ также используются печные камеры периодического действия с внешним обогревом. Размеры камеры, м: высота 8,5, длина 3, средняя ширина 0,325; объем 8,3 м³. Каждые шесть камер объединены в один блок. Холод­ные брикеты загружаются из загрузочного вагона, а кокс выдается под действием собственной массы через нижнюю дверь. Обогревательный простенок имеет двенадцать горизонтальных каналов. Конечная тем­пература коксования 950 – 1000 °С, период коксования 14 – 18 ч, производительность одной камеры 900 кг/ч. Печи периодического действия подобных конструк­ций в промышленных условиях малоэффективны вследствие периодичности процесса термической обработки формовок, наличия вредных выбросов в атмосферу во время загрузки брикетов и выдачи кокса, а также малой единичной производительности. Поэтому чаще применяются печные камеры непре­рывного действия с внешним обогре­вом, конструкцию которых разработал Гипрококс. Они довольно успешно эксплуатируются на опытно-промыш­ленной установке Харьковского кок­сохимического завода. Многокамер­ная установка непрерывного действия состоит из четырех вертикальных печ­ных камер, пяти обогревательных простенков и регенерационной системы утилизации теплоты (рис. 4.14).

Она оборудована одним загрузочным уст­ройством 2, которое обеспечивает равномерное распределение угольных формовок по длине всех четырех печ­ных камер 4. Обогреваемая зона имеет высоту 10, длину 4, ширину 0,4 м и состоит из двадцати двух горизонталей 3.

Работает печь следующим образом. Пластические угольные фор­мовки из наклонного конвейера 1 через систему затворов поступают в печные камеры, проходят две стадии нагревания: спекание (420 – 650 °С) и прокаливание (650—900 °С). Затем за счет собственной массы они передвигаются из обогревательной зоны в зону тушения кокса, находящуюся в нижней части печи. Выдача формовок из зоны тушения производится порциями с такой скоростью, чтобы средняя скорость подъема температуры угольных формовок, находящихся в зоне спе­кания и прокаливания, составляла 0,05 °С/с. В зону тушения формовок газодувкой 7 подается парогазовая смесь, которая циркулирует в си­стеме: зона тушения – холодильник непосредственного действия 5 – каплеуловитель 6 – газодувка 7. Избыток паровоздушной смеси по­ступает в печь дожигания.

Охлажденные до температуры 200 °С угольные формовки через систему затворов 8 поступают на рампу 9 и конвейером 10 загружаются в железнодорожные вагоны или подаются на открытый склад формо­ванного кокса.

Парогазовые продукты, выделяющиеся при термической обработке формовок, отводятся в газосборник. Период коксования составляет 6 ч, конечная температура коксования 900 °С, производительность печи по коксу 6 т/ч. Управляют всем технологическим режимом ди­станционно со специального пульта.

Несмотря на то, что формованный кокс получаемый в этих печах, обладает высокими прочностными свойствами (М25 80 – 90, М10 7 – 8 %), повышение их производительности в результате увеличения ширины печной камеры значительно ухудшает качество кокса.

Печи с внутренним обогревом. Принцип работы печей основан на том, что горячий теплоноситель движется параллельно или противо-точно засыпи в печи. Основным способом подачи теплоты от теплоно­сителя к угольным формовкам является конвективный теплообмен. Благодаря непосредственному контакту между теплоносителем и фор­мовками достигается более высокая степень равномерности прогрева формовок. Это способствует получению более прочного и однородного по физико-механическим свойствам кокса.

В качестве теплоносителя могут быть использованы твердые (пе­сок, горячий полукокс, стальные шары) и газообразные (продукты сгорания, нагретый коксовый газ и их смесь) вещества. Так, например, твердый теплоноситель используют на одной из установок по полу­чению формованного кокса по методу БФД (рис. 1.15).

Предварительно-нагретый песок до температуры 800 – 1000 °С подают в шахтную печь для обработки угольных брикетов. Конечная температура коксования составляет 600 °С, период коксования 1,5 ч, производительность печи по коксу 2,1 т/ч. Формованный полукокс имеет яйцевидную форму, выход летучих веществ 5 %. Его охлаждают теплоносителем в нижней зоне печной камеры, при этом исключаются вредные выбросы в атмо­сферу.

Термическая обработка формовок твердым теплоносителем дает возможность предотвратить резкий перепад температур на стадии спе­кания и снизить удельный расход теплоносителя. Но данный способ не нашел широкого промышленного применения из-за того, что трудно добиться высокотемпературного нагрева и обеспечить транспортировку твердого теплоносителя, а также отделение его от кокса.

Поэтому более эффективным оказался газообразный теплоноситель. Твердый теплоноситель целесообразно использовать лишь в том слу­чае, когда он одновременно является и материалом для производства формовок.

Коксование брикетов в токе газового теплоносителя в соответствии с патентом США производится в вертикальной печи, показанной на рис. 1.16. Печь имеет три зоны: зону загрузки сырых брикетов, зону нагрева и зону охлаждения. Газообразный теплоноситель подается в среднюю часть шахты. Брикеты загружаются ленточным конвейером 4. Скорость подачи брикетов в зону прокаливания регулируется двумя питателями 5. Печь обогревается газовым теплоносителем, получаемым в топке 7. В канал, по которому транспортируются продукты горения, вдувается тонкоизмельченный уголь и углеводородный газ. В камере термической обработки происходит пиролиз газов и вновь образую­щихся из угля летучих продуктов. Этим можно регулировать величину реакционной способности кокса вследствие отложения на поверхности «го пор пироуглерода. По высоте шахты производится измерение тем­пературы шестью термопарами.

Газы из секции термообработки подвергаются очистке от пыли в циклоне 6, а затем из них в скруббере удаляется оставшаяся часть смолы. Эта смола содержит от 6 до 10 % твердого остатка и исполь­зуется в качестве связующего при производстве брикетов.

Коксовые брикеты далее поступают в зону охлаждения, где ох­лаждаются водой. Разгрузка кокса осуществляется посредством пи­тателя, а транспортировка – ленточным конвейером. Конечная тем­пература коксования 870 °С. Производительность печи 9 т/ч.

Газообразный теплоноситель в качестве источника теплоты исполь­зуется при производстве формованного кокса по методу, разработан­ному в ГДР.

Коксование брикетов осуществляется в вертикальных камерах шириной 0,35, длиной 3 и высотой 8 м. Камеры скомпонованы в блоки. Каждый блок состоит из двадцати четырех камер. Газ в камеры подво­дится в нижней их части на высоте 3 м от основания. Температура вверху камеры составляет 380 °С, а в зоне подвода газа – 950 – 1000 °С.

Этим обеспечивается постоянный прогрев брикетов. В нижней неотап­ливаемой части камер брикеты охлаждаются до 200 °С. Схема процесса коксования буроугольных брикетов приведена на рис. 1.17.

В процессе NФК коксование брикетов проводят в вертикальней реторте с внутренним обогревом; там же осуществляют сухое тушение брикетов в специальных секциях. Схема реторы для коксования пред­ставлена на рис. 4.18.

Газообразный теплоноситель, как источник теплоты для коксова­ния, используется также при производстве формованного кокса по методу французского угольного управления Нор-э-Па-де-Кале (Н. В. N. Р. С). Шахтная печь непрерывного действия состоит из четырех секций размером 3*0,5*6,5 м. Брикеты, полученные в результате холодного брикетирования, при движении в печи про­ходят три зоны термической обработки: предварительного нагрева, коксования и охлаждения. Конечная температура коксования 1000 °С. Производительность печи 10 т/ч. Кокс в нижней части печи охлаждает­ся коксовым газом.

Из зоны коксования образовавшийся теплоноситель и парогазовые продукты, выделившиеся из брикетов, поступают сначала в зону пред­варительного подогрева брикетов, а затем их отводят из печи в цикл охлаждения и очистки. Часть очищенного газа направляется в зону охлаждения кокса. Теплота сгора­ния такого газа 8368 кДж/м³.

По методу фирмы Кэнмор Майаз (Канада) брикеты коксуют в шахтной реторте непрерывного действия (диаметр 3 и высота 8,5 м) благо­даря внутреннему газообразному теплоносителю.

Общим недостатком для всех типов прокалочных печей с внутрен­ним обогревом является: использование в качестве газообразного теп­лоносителя продуктов сгорания коксового газа, что приводит к сни­жению качества получаемого газа по теплоте сгорания и резкому ухуд­шению его химического состава. В результате взаимодействия СО₂ и паров воды, содержащихся в газовом теплоносителе, с поверхностью коксовых формовок ухудшаются его прочностные свойства и теряется часть массы формованного кокса.

Печи с комбинированным обогревом.

К печам с комбинированным обогревом относится вертикальная трехзонная печь непрерывного действия Гипрококса. Особенность ее конструкции состоит в том, что она имеет вертикальные отопительные простенки в зоне прокаливания, состоящие из горизонтальных каналов, которые с помощью косых хо­дов через сборно-распределительные каналы соединены с соответствую­щими регенераторами. На рис. 1.19 показаны поперечный и продоль­ный разрезы печи по обогревательному простенку.

Верхняя часть печи представляет собой зону спекания I, где про­цесс спекания осуществляется вследствие внутреннего нагрева. Печь загружается изделиями через люки 9. Зона спекания перегородкой 8 разделена на две части. В торцевых их стенах имеются проемы 7 для отвода газов, образующихся при спекании угольных изделий.

Средняя часть – это зона прокаливания II. Она содержит отопи­тельные простенки 6 с верхними 5 и нижними 4 обогревательными каналами, которые соединяются через косые ходы 13 и 20 с вертикальными сборно-распределительными каналами 10 и 15, связанными с ре­генераторами 11 и 19. Регенераторы имеют входные патрубки 16, 17

и подовые каналы 14, 18. По длине перегородки между двумя смеж­ными регенераторами расположены два ряда отверстий 21 для распре­деления водзуха, сечение которых регулируется передвижными регистрами 22. Газовые потоки по горизонтальным каналам обогрева­тельного простенка распределяются передвижными клиновидными рассекателями. Нижняя часть печи представляет собой зону охлаждения кокса, разделенную пере­городкой 3 на две части.

Сырые угольные изделия че­рез загрузочные люки 9 непре­рывно поступают в зону спека­ния. Здесь они нагреваются за счет газов пиролиза до темпера­туры 520 °С. Из этой зоны смесь газообразных продуктов разло­жения формовок и пиролизных газов через проемы 7 отсасыва­ется через каналы 2 и окна У, нагнетается на горячий кокс с температурой 900 °С в зону ох­лаждения кокса. В результате их контакта происходит пиролиз углеводородных газов. Из зоны охлаждения часть газа возвра­щается в камеру спекания, а ос­тальная часть выводится из печей через каналы 5 на дальнейшую переработку.

Зона прокалки обогревается следующим образом. Воздух через патрубки 16, 17 поступает в подовые каналы 14, 18, а затем в верхний и нижний регенераторы 11, 19. В регенераторах он нагревается до за­данной температуры, а затем направляется в вертикальные сборно-распределительные каналы 10, 15. Из них воздух через косые ходы 13, 20 поступает в нижние обогревательные каналы 4, откуда через отвер­стия 21 – в верхние каналы 5. Сюда же подается и коксовый газ. Продукты горения по косым ходам 13, 20 направляются в каналы смежных регенераторов, а затгм через подовые каналы и газовоздуш­ные клапаны в дымовую трубу.

При кантовке движение газовых потоков изменяется на обратное.

Термическая обработка угольных изделий с окислительным пиро­лизом происходит в шахтной печи конструкции ИГИ. Шахта печи (рис. 1.20) выложена из шамотного кирпича и заключена в металличес­кий кожух.

По высоте печи расположены три зоны, в которых разме­щается по 7 – 8 окон, через которые подается окислительный агент, нагретый до температуры 350 °С.

Угольные изделия поступают в печь через разгрузочный стол. По мере прохождения через три зоны печи формовки встречаются с пото­ком газа-теплоносителя, содержащего определенное количество кисло­рода. Печь разгружается снизу специальным толкающим механизмом.

Температура в печи регулируется изменением концентрации кислорода в газе или удельного расхода окислительного агента. Летучие продукты разложения угольных изделий отводятся из четвертой зоны.

ВУХИНом предложена конструкция вертикальных печей непре­рывного действия с комбинированным обогревом. Процесс коксова­ния формованных изделий разделяется на две стадии: первая стадия среднетемпературного коксования до 650 – 700 °С и вторая стадия про­каливания от 650– 700 до 900– 1000 °С. На первой стадии, согласно требованиям получения прочных изделий, нагрев производится со скоростью 1,5– 2 °С/мин за счет теплоты газообразного теплоносителя, в качестве которого используются летучие продукты коксования. Вторую стадию прокаливания изделий осуществляют в камере с внеш­ним обогревом.

Схема вертикальной печи непрерывного действия показана на рис. 4.21.

В соответствии с изложенным выше по высоте печи условно можно выделить три зоны: среднетемпературного коксования (I), про­каливания (II) и охлаждения кокса (III). Парогазовые продукты цир­кулируют благодаря газодувкам 2. Они охлаждают кокс от 1000 до 500 °С и сами, нагреваясь, отдают затем теплоту в первую зону. На уровне второй зоны сечение печи сужается и здесь осуществляется обогрев через стенку за счет теплоты горения коксового газа. Продукты горения отдают теплоту насадкам регенераторов; затем она исполь­зуется для подогрева воздуха, подаваемого для горения в вертикаль­ные колодцы обогревательного простенка.