2. Бездимне завантаження вугільної шихти

1. Бездимне завантаження з гідроінжекцією

У Німеччині на заводі в Дуйсбург-Хукінгені на коксовій батареї з печами об'ємом 70 м³ (разове завантаження 60 т шихти 10%-ної вологості) бездимність завантаження шихти забезпечується застосуванням гідроінжекції. Завантаження вугільної шихти в піч здійснюється через чотири люка за 90 с. Коксова батарея обладнана газозбірником діаметром 1400 мм на машинній стороні, який розділений по довжині на три ділянки з індивідуальним відведенням від кожного, і стояками збільшеної висоти з вбудованими клапанними коробками і гідравлічним ущільненням кришок.

На заводі «Проспер»фірми «Рурколе»(Німеччина) на двох нових коксових батареях з печами об'ємом 62м³ для завантаження шихти застосовується чотирьох-бункерна вуглезавантажувальна машина (маса з шихтою близько 290 т), бункера якою оснащені горизонтальними шнековими живильниками для примусового вивантаження шихти.

1-завантажувана камера; 2-суміжна камера; 3-газовідвідний патрубок; 4-перепускна труба; 5-водяний затвор; 6-кришка; 7-магніт; 8-ущільнювальний конус; 9-клапан скидання; 10-гідроциліндр

Рис. 1 - Схема з'єднання суміжних камер коксування при завантаженні шихти

Для забезпечення бездимного завантаження шихти також застосовується система гідроінжекції (тиск надсмольної води 3,5 МПа); відсмоктування газів здійснюється через завантажену із сусідньої камери коксування. З цією метою на коксовій стороні батареї встановлені міні-стояки, що з'єднуються попарно перепускною трубою (рис. 1). До кінця процесу завантаження приводить в дію клапан, через який надходить повітря для витіснення залишкових газів з перепускної труби.

Застосування систем комбінованого відсмоктування утворюються при завантаженні шихти газів в газозбірник коксової печі і стаціонарного витяжного газопровіду широко практикується в Японії. Системами бездимного завантаження такого типу оснащені практично всі батареї. Бездимне завантаження здійснюється шляхом відсмоктування частини запилених газів в газозбірник печі за рахунок інжекції аміачної води в стояк, а решти кількості газів після спалювання - в витяжний стаціонарний газопровід, що проходить уздовж коксової батареї (рис. 2). Потужність інжекційної форсунки зазвичай вибирають так, щоб забезпечити відсмоктування в газозбірник майже половини утворившихся при завантаженні газів.

1 - камера коксування; 2- штанга; 3-стояк; 4 - форсунка для інжекції аміачної води; 5 - смолоотстійник; 6-відцентровий віддільник; 7-витяжні ковпаки; 8-камера спалювання запилених газів; 9-ємність з водою; 10-пилеосідач; 11-з'єднувальний клапан; 12-стаціонарний витяжний газопровід; 13-скрубер Вентурі; 14-згущувач; 15-димова труба;

I–обладнання, що монтується на вуглезагрузочному вагоні; II–обладнання, що монтується на землі

Рис. 2 - Система бездимної завантаження шихти в коксові печі

Японської системою бездимного завантаження оснащена коксова батарея № 1 (60 печей висотою 6,1 м) на металургійному заводі фірми «ЛТБ Стіл» в Чикаго (США), розташованому в промисловому районі з високим рівнем забруднення атмосфери, і на коксовій батареї металургійного заводу фірми «Соллак» в Сереманжі (Франція). Для завантаження шихти застосовується вуглезагрузочна машина зварної конструкції, яка монтується на чотирьох привідних візках. Чотири бункера машини виконані з корозійно стійкої сталі, обладнані пісковими живильниками і механічно регульованими вимірювальними пристроями для контролю рівня заповнення. Гази відсмоктуються в газозбірник батареї шляхом інжекції в стояки аміачної води під тиском 4,2 МПа, частково спалюються і через кільцевий простір телескопів і збірний колектор на вуглезагрузочній машині надходять в стаціонарний витяжний газопровід, з'єднаний з системою газоочистки. Ця система розташована в кінці коксової батареї і включає сатуратор, промивний скрубер Вентурі, сепаратор і витяжний вентилятор. Система працює по циклічному графіку, загальна тривалість робочого циклу 7 хв 25 с.

В останні роки для очищення газів, що утворюються при завантаженні поряд з мокрими методами очищення, отримують застосування тканинні фільтри. Спосіб сухої очистки таких газів вперше застосований у Нідерландах при модернізації коксового цеху №1 на заводі фірми «Хооговенс». Для забезпечення бездимності завантаження шихти чотирьох-бункерна вуглезагрузочна машина з тарілчастими живильниками обладнана системою газопроводів і пристроїв, що забезпечують відведення газів в стаціонарний витяжний газопровід.

Завантаження печі здійснюється автоматично, випуск шихти з бункерів машини регулюється так, щоб швидкість розвантаження кожного бункера відповідала заданій. Гази очищають в тканинних фільтрах «Мікропул», що працюють під тиском в автоматичному режимі. В якості сорбенту і допоміжного фільтрувального матеріалу використовують вапняк або доломіт тонкого помолу. Свіжий сорбент періодично подається в трубопровід забрудненого газу за кілька метрів до фільтра, осідає на рукавах фільтра і утворює шар. Остаточна концентрація пилу в газах становить 1 мг/м³.

1-бункер; 2-перехідний конус; 3-заслінка відсіка

Рис. 3 - Конструкція бункера з масовим потоком шихти

У Великобританії в якості ефективного рішення, що забезпечує бездимність завантаження шихти в коксові печі, все більшого поширення набуває спосіб послідовного завантаження шихти з використанням вуглезагрузочних вагонів (УЗВ), що працюють за принципом створення масового потоку, що вивантажується. Сутність принципу закінчення шихти по моделі масового потоку полягає в тому, що частинки шихти при її розвантаженні з бункера знаходяться в русі в будь-якій точці об'єму бункера (як в осьовій зоні, так і на периферії). Це запобігає зависання шихти в бункері, сводоутворення і неоднорідність потоку шихти в часі.

Перший бункер нової конструкції (рисунок 1) ємністю 8,5 т, у формі переверненої піраміди з кутом нахилу стінок 80° і випускним отвором діаметром 914 мм , був виготовлений з маловуглецевої сталі товщиною 8 мм і оснащений комплектом перехідних конусів з нержавіючої сталі з випускними отворами. Випробування бункера підтвердили, що розроблена конструкція забезпечує умови для масового потоку шихти і необхідну швидкість завантаження навіть при використанні важко поточної шихти високої вологості (до 14%) при діаметрі розвантажувального отвору не менше 356 мм. Більш того, нормальне закінчення шихти з бункера забезпечувалося навіть після зберігання її в бункері протягом 6 діб., а також легко відновлювалося у разі переривання потоку.

На коксохімічних підприємствах нашої країни шихту завантажують також вуглеззавантажувальними вагонами. Вуглезавантажувальний вагон з 3 або 4 бункерами встановлюється над люками підлягає завантаження камери, випускні патрубки бункерів за допомогою телескопічних пристроїв приєднуються до завантажувальних люків, після чого проводиться випуск шихти. Бездимність завантаження, як правило, забезпечують шляхом відсмоктування всіх газів завантаження в газозбірника. Найбільш поширений метод евакуації газів завантаження через стояки з допомогою парових інжекторів. При цьому ефективність відсмоктування залежить від тиску пари на форсунках (0,7-0,9 МПа).

Основним недоліком методу пароінжекції з точки зору захисту навколишнього середовища є збільшення кількості аміачної води в результаті конденсації пара, витраченого для відсмоктування газів завантаження. У зв'язку з цим останнім часом переважне поширення отримує гідроінжекція з використанням аміачної води циклу газозбірників. Для реалізації цього методу необхідний насос тиском до 2-3 МПа (рис.4) і трубопроводи високого тиску для подачі води до форсунок.

1-вентилятор; 2-коксонаправляюча; 3-зонт; 4-гарячий газохід; 5-холодний газохід; 6-труба; 7-перегородка; 8-ємність з водою; 9-пневмоциліндр; 10-тушильний вагон.

Рис. 4 - Схема пересувної установки беспилевої видачі коксу

Досвід застосування гідроінжекції показав, що системи працюють стабільно і при тиску води >2 МПа, практично повністю забезпечуючи відсмоктування газів. Недоліком цього методу є необхідність регулярного чищення стояків, коліна яких заростають відкладеннями протягом 7-10 діб.; при недотриманні графіка чищення змінюється форма струменів, внаслідок чого різко знижується ефективність інжекції.

1.2.2 Бездимне завантаження з пароінжекцією

Бездимність завантаження, як правило, забезпечують шляхом відсмоктування всіх газів завантаження в газозбірник. Найбільш поширений метод евакуації газів завантаження через стояки з допомогою парових інжекторів. При цьому ефективність відсмоктування залежить від тиску пари на форсунках (0,7-0,9 МПа).

Основним недоліком методу пароінжекції з точки зору захисту навколишнього середовища є збільшення кількості аміачної води в результаті конденсації пара, витраченого для відсмоктування газів завантаження.

1.3 Розрахунок матеріального балансу коксуваня вугільної шихти

Для забезпечення заданого графіка виробництва коксу щомісяця в середньому коксохімічне виробництво одержує 305000 тонн вугільного концентрату для коксування.

Вихідними даними для розрахунку показників якості вугільної шихти є склад та якість вугільних концентратів ( Таблиця 1.1).

Таблиця 1.1 – Якість вугілля та склад вугільної шихти

Марка вугілля	ЦЗФ	% частка	Технічний аналіз, %					Товщина пластичного шару Y, мм
1	2	3	4	5	6	7	8
Ж	Київська	5	10,2	8,3	2,05	31,0	22
Ж	Дзержинська	5	8,3	8,6	2,53	35,0	19
К	Пролетарська	4	12,5	9,9	1,82	21,3	15
К	Криворізька	4	8,1	10,0	2,94	27,4	21
2Ж	Печорська	15	7,3	8,5	0,62	32,3	18
ГЖП	Печорська	2	7,1	8,7	1,08	35,1	14
ККПКЖ	Східна	42	9,6	10,6	0,65	25,6	15
ПСКС	Сибір	8	7,0	9,4	0,39	21,0	8
КЖ	Преміум	10	9,7	9,0	0,65	26,5	12
КЖ	Ігл	5	10,2	8,8	0,57	27,7	17
Шихта		100	9,1	9,6	0,93	27,3	15,3

Показники якості вугільної шихти визначаються за правилом адитивності.

Вміст робочої вологи:

(1.1)

Вміст золи:

(1.2)

Вміст масової частки загальної сірки: (1.3)

Вихід летючих речовин:

(1.4)

Товщина пластичного шару:

(1.5)

Розрахунок очікуваної якості коксу

Очікувана якість коксу визначається за вмістом загальної сірки та золи у шихті. Сірчистість коксу , виходячи з сірчистості шихти за формулою:

(1.6)

Зольність коксу , виходячи із зольності шихти за формулою:

(1.7)

де

Вихід сухого валового коксу із сухої шихти розраховуємо за формулою:

(1.8)

де

(1.9)

Тоді

Показники технічного аналізу відповідають рекомендованим значенням. Величини виходу летючих речовин і товщини пластичного шару дозволяють прогнозувати отримання доменного коксу задовільної міцності.

Розрахунок матеріального балансу процесу коксування (виходів продуктів коксування)

Таблиця 1.2 – Технічний аналіз вугільної шихти

Масова частка загальної вологи, %	Вміст золи, %	Вміст масової частки загальної сірки,%	Вихід летючих речовин, %	Товщина пластичного шару, мм Y
9,1	9,6	0,93	27,3	15,3

Таблиця 1.3 – Елементний аналіз вугільної шихти

Вуглець, %	Водень, %	Кисень, %	Азот, %
87,51	5,22	5,40	1,87

Елементний склад вугільної шихти зазвичай визначається експериментально. Тут він прийнятий за літературними даними для типової вугільної шихти.

Показники технічного аналізу ( та ), а також елементного аналізу перераховуємо на робочу масу шихти:

8,7 % (1.10)

0,85 % (1.11)

71,2 % (1.12)

4,25 % (1.13)

4,39 % (1.14)

1,52 % (1.15)

Для перевірки правильного розрахунку отримані дані зводимо в контрольний рядок:

(1.16)

Матеріальний баланс коксування вугільної шихти складається з приходної та витратної частин.

1.1 Прихідна частина

За одиницю робочої шихти приймається 1000 кг або 1т.

Кількість сухої шихти при цьому становить:

(1.17)

де - кількість вологи в одиниці робочої шихти, кг.

кг, (1.18)

де 8,9 – вміст вологи в робочій шихті, %.

Тоді кількість сухої шихти:

кг або 90,9% від робочої шихти

1.2 Витратна частина

При шаровому коксуванні утворюється ряд продуктів. Орієнтовано визначимо

( у зв’язку з рядом припущень ) вихід цих продуктів розрахунковим шляхом ( вихід яких не нижче 0,1%).

1.3 Вихід валового коксу ( під коксом розуміється сума крупного коксу – більше 25 мм і більше 40 мм, горіху та коксового дріб’язку, а також коксового пилу при сухому гасінні та коксового шламу, що осаджується у відстійниках башти гасіння). Вихід споживчих класів зазвичай становить: 93% крупного коксу, 5% дріб’язку та 2% горіху.

Вихід сухого валового коксу із сухої шихти розраховується за формулою УХІНу

(1.19)

де - вихід летючих речовин від сухої шихти, %

(1.20)

Тоді

Вихід сухого валового коксу на робочу шихту:

(1.21)

1.4 Вихід кам’яновугольної смоли:

Від робочої шихти:

(1.22)

Від сухої шихти:

(1.23)

1.5 Вихід сирого бензолу:

Від робочої шихти:

(1.24)

Від сухої шихти:

(1.25)

1.6 Вихід зворотного сухого газу ( відпрацьований газ – після вилучення хімічних летючих продуктів коксування ):

Від робочої шихти:

(1.26)

де - емпіричний коефіцієнт ( 2,5 - 3,0 ). Приймаємо 2,75.

Від сухої шихти:

(1.27)

1.7 Вихід аміаку 100% - всього:

Від робочої шихти:

(1.28)

де b –коефіцієнт переходу азоту в аміак ( 0,11 – 0,15 ). Приймаємо 0,14;

17 – молекулярна маса аміаку;

14 – атомна маса азоту.

Від сухої шихти:

(1.29)

1.8 Вихід сірки в перерахуванні на сірководень:

Від робочої шихти:

(1.30)

де – коефіцієнт переходу сірки в сірководень ( 0,17 – 0,29 ). Приймаємо 0,24;

34 – молекулярна маса сірководню;

32 – атомна маса сірки.

Від сухої шихти:

(1.31)

1.9 Вихід пірогенетичної води:

Від робочої шихти:

(1.32)

де K – коефіцієнт переходу кисню шихти в пірогенетичну воду ( 0,33 – 0,50 ). Приймаємо 0,44;

18 – молекулярна маса води;

16 – атомна маса кисню.

Від сухої шихти:

(1.33)

Вихід пірогенетичної води залежить від вмісту кисню у вугілл

Таблиця 1.4 – Зведений матеріальний баланс коксування

Прихідна частина			Витратна частина
Стаття	Кількість		Стаття	Склад, %
	маса, кг	%		робоча маса	суха маса
1	2	3	4	5	6
Завантажена суха шихта	909	90,9	Кокс валовий	71,96	79,16
			Кам’яновугільна смола	3,31	3,64
Волога шихти	91	9,1	Сирий бензол	0,93	1,02
			Коксовий газ	12,42	13,66
			Аміак	0,21	0,23
			Сірководень	0,22	0,24
			Пірогенетична вода	2,17	2,39
			Волога шихти	9,1	-
			Нев’язка балансу	-0,32	-0,34
Разом	1000	100	Разом	100	100

Допустима нев’язка балансу 0,5%.

2. Висновок до аналітичної частини

Великим джерелом пилогазових викидів є завантаження коксових печей вугільною шихтою. При заповненні холодною шихтою розпеченого простору печі відбуваються значні виділення пилу і газів, які характеризуються такими даними, г/т коксу: пил 400, С 46, H₂S 22, NH₃ 47, S0₂ 33, NO_х 55, CmHn 190, HCN 0,6. Найбільш ефективним методом боротьби з викидами є бездимне завантаження шихти, широко застосовуване на коксохімічних заводах. В основі цього способу лежить застосування парової або гідравлічної інжекції, яке різко скорочує (у 10-15 раз) забруднення повітря. В коксову камеру через завантажувальні люки з бункерів вуглезагрузочного вагона завантажують вугільну шихту. Утворюються пилегазовиділення, які відсмоктують за допомогою парового або гідравлічного інжектора в колектор, по якому гази направляються в газоочистку.

Розглянувши два методи бездимного завантаження ми прийшли до висновку, що завантаження вугільної шихти із застосуванням пароінжекції є найбільш поширенним і ефективним. Тому пропоную використовувати саме цей метод завантаження.