книги из ГПНТБ / Тютюнников Ю.Б. Получение кокса из слабоспекающихся углей

втором случае относительная интенсивность теплообме­ на частиц с окружающей средой велика. При этом по­ верхность частиц быстро нагревается до температуры окружающей среды, и тепловым напором по сравнению с температурным перепадом по частице можно прене­ бречь. Теплопроводность материала частицы в этом случае тормозит ее равномерный прогрев по всему объему.

Скоростной нагрев характеризуется большим значе­ нием коэффициента теплообмена, т. е. в этом случае

Следовательно, при таком нагреве фактором, препятст­ вующим равномерному прогреву частицы по всему объему до температуры t0, примерно равной t°, окру­ жающей среды, является теплопроводность материала частиц. Для уменьшения влияния этого фактора необ­ ходимо нагреваемый материал хорошо измельчить. Ми­ нимальный размер частиц, при котором теплопровод­ ность не влияет на интенсивность теплообмена, оцени­ вается критерием высокоскоростного теплообмена

Если N > 2, то теплопроводность не влияет на интен­ сивность теплообмена. В случае N < 2 даже при боль­ ших значениях а не удается достичь равномерного про­ грева частиц по всему объему.

Для расчета коэффициента теплообмена и критерия высокоскоростного нагрева предложена методика, по­ зволяющая определить оптимальные условия гидравли­ ческого и температурного режимов газообразного теп­ лоносителя и оптимальное измельчение нагретого ма­ териала. Она заключается, в определении по скорости

71

теплоносителя критерия Re, после чего из уравнения

Nu = 0,2 Re0'83,

справедливого для значения Re до 400, — критерия Nu, а затем из формулы

— критерия, скоростного теплообмена.

Процессы нагрева и разложения органической мас­ сы топлива протекают с определенной скоростью, кото­ рая при заданной температуре имеет вполне определен­ ное значение. Увеличивая скорость нагрева угольных частиц, следует ожидать, что при определенном значе­ нии ее, характерном для каждой марки угля, можно разделить по времени процессы нагрева и разложения угольной массы. При быстром нагреве до температуры 420—450° С угольная частица практически не успевает сколько-нибудь заметно изменить свою физико-химиче­ скую структуру.

Экспериментальные работы [24, 33, 75—83] позволя­ ют выделить две характерные стадии скоростного на­ грева:

1) стадия образования летучих при нарастании тем­ пературы угля до максимально возможного значения

вданных условиях (нестационарная область);

2)стадия образования летучих, наступающая с мо­ мента времени т0 после установления постоянной темпе­ ратуры угля t° (стационарная область).

Процесс разложения углей в нестационарной обла­ сти получил название «высокоскоростного бертинирования», которое характеризуется большой скоростью про­ текания и высоким содержанием кислородосодержащих

соединений в образовавшихся газах (до 400—450°). Ка­

72

чество продуктов скоростного бертинирования в основ­ ном соответствует их качеству при обычном бертинировании при низких скоростях нагрева до температуры около 500° С. Образующийся в этом случае газ имеет примерно следующий состав: СОг — 78, С О — 14—16,

СН4 — 2—8%.

Вторая стадия высокоскоростного нагрева, проте­ кающая сразу после высокоскоростного бертинирова­ ния, связана с переходом угля в пластическое состоя­ ние и образованием ценных газообразных продуктов, главным образом, углеводородов метанового и этилено­ вых рядов. Образующийся газ имеет следующий со­

в течение нескольких минут. Количество образующихся летучих асимптотически приближается к некоторому предельному значению.

В стационарной области зависимость выхода лету­ чих от времени нагрева угля выражается уравнением

^ V = ( V - V 0) = { Vn - V 0) { \ - е— ),

где Ко — выход летучих за период нагрева в нестацио­ нарной области, процентов или объемных единиц;

Vn— предельный выход летучих при данной тем­ пературе, %;

к— коэффициент, определяемый эксперименталь­ но, мин~~'\

Исследования нагрева в вихревом нагревателе газо­ вого угля марки Г ЦОФ № 1/2 «Доброполье», измель­ ченного до размера частиц < 3 мм, показали, что ча­ стицы угля различной грануляции в вихревом нагрева-

7

геле нагреваются по-разному [57]. Степень нагрева их определялась по остаточному выходу летучих из фрак­ ций угля различного гранулометрического состава.

Данные, приведенные в табл. 31, показывают неко­ торую неравномерность нагрева угля, зависящую от величины ее частиц. Как правило, уголь класса 0—1 мм в вихревом нагревателе успевает прогреться несколько больше, чем уголь более крупных классов. Очевидно, при кратковременном пребывании угля в вихревом на­

С увеличением температуры нагрева неравномерность прогрева угольных частиц различной грануляции уве­ личивается. Разность в выходе летучих из класса 0—1 и ]>2 мм при нагреве до температуры 385° С достигает

5,85%.

Для получения однородной пластической массы ре­ шающее значение имеет равномерность нагрева уголь­ ных частиц различной грануляции. Степень равномер­

тем однороднее пластическая масса и прочнее фор­ мовки.

Разделение и количественное определение зерен уг­ ля различной степени карбонизации осуществляется двумя способами: 1) микроскопическим исследованием

74

изменяется микроструктура (пористость) петрографи­ ческих ингредиентов угля [17] и, таким образом, по из­ менению ее можно судить о степени нагрева угольных частиц.

Принцип гравитационного разделения в тяжелых жидкостях частиц угля, нагретых до разных температур, основывается на различии кажущихся плотностей час­ тиц различной степени нагрева. В оп­ ределенном интервале температур ка­ жущийся удельный вес угля резко уменьшается, поскольку в этом интер­ вале происходит бурное разложение угля, и можно считать, что именно этому моменту соответствует опти­ мальная температура нагрева уголь­ ных частиц.

Зависимость степени равномерно­ сти разогрева угля от конечной тем­ пературы, определенная методами гра­ витационного разделения и микроско­ пического подсчета, показана на рис. 14.

По мере увеличения конечной тем­ пературы нагрева от 340 до 400° С ко­ эффициент (J возрастает [17]. При тем­ пературе 390—400° С он достигает максимума и при дальнейшем повыше­

нии ее вследствие перегрева мелких частиц уменьшается. В том случае, когда уголь после нагрева в вихревой камере проходит через циклон и подвергается теплово­ му выдерживанию, температура угольных частиц раз­ личной грануляции уравнивается и выход летучих из различных классов угля становится почти одинаковым.

76

В связи с тем, что газообразный теплоноситель име­ ет хороший непосредственный контакт с угольными час­ тицами, между органической массой угля и отдельными компонентами теплоносителя проходят реакции. Как по­ казал опыт работы установки непрерывного коксования, состав теплоносителя в некоторой степени влияет на пластические свойства угля и, таким образом, в конеч­ ном итоге — на механическую прочность формованного кокса. Кроме того, от состава теплоносителя зависит способность углей налипать на стенки аппаратов.

Подробное исследование влияния состава газообраз­ ного теплоносителя на свойства углей проводилось на лабораторной установке, собранной по схеме, которая показана на рис. 15 [59]. Скоростной нагрев угля осу­ ществлялся в трубке — теплообменнике 5 с экранным электрообогревом. В теплообменник шнековым пита­

Температура в печи и теплообменнике поддержива­ лась с помощью электронных потенциометров. Расход газа контролировался реометрами.

Критерий скоростного теплообмена, рассчитанный для лабораторной установки по методике, предложенной

состава, отбиралась на исследование, из основной массы угля приготовлялись формовки, которые затем нагрева­ лись до температуры 750° С и определялась их механи­ ческая прочность.

В качестве теплоносителя использовались чистый

77

Рис. 15. Схема лабораторной уста­ новки для изучения влияния состава газового теплоносителя на свойства углей:

азот, углекислота, перегретый водяной пар и бинарные

79

80