Режим давлений в коксовых печах

Газы в коксовых печах движутся по двум изолированным друг от друга системам. Коксовый газ, выделяющийся из угольной загрузки, так называемый сырой или прямой коксовый газ, движется по первой системе: камера — под-сводовое пространство камеры — стояк — газосборник. По второй системе каналов, отопительной, которая вклю­чает регенераторы, косые ходы, отопительные каналы (вер­тикалы) и газораспределительный канал (корнюр), дви­жутся газы, обеспечивающие обогрев печей — доменный или обратный коксовый газы, воздух и продукты горения.

Величина давлений в каждой из систем, распределение давлений внутри систем и соотношение давлений между сис­темами имеют очень большое значение при эксплуатации коксовых печей. Кирпичная кладка, разделяющая обе системы, не обеспечивает абсолютной герметичности, и при значительной разности давлений с двух сторон кирпичной стены газ проникает из одной системы в другую. Газы про­ходят как через неплотности материальных швов между кир­пичами, так и через поры самого кирпича.

Описываемый режим давлений в коксовых печах был предложен Р. 3. Лернером еще в предвоенные годы, в даль­нейшем он совершенствовался и был внедрен на всех коксохимических заводах. Рассмотрим режим давлений отдельно для камеры коксования и для отопительной системы.

Давление в камере не остается постоянным в течение процесса коксования. Перед загрузкой оно примерно рав­няется атмосферному. Однако уже в процессе загрузки ка­меры шихтой давление начинает расти за счет выделяющихся из шихты газов. В камере образуется две характерные зоны: в первой, расположенной между пластическим слоем и стеной, давление быстро нарастает до 300—600 Па, а за­тем примерно в течение 1 ч снижается до 80 Па и ниже, в зависимости от регулируемого давления в газосборнике; во второй, находящейся в центральной части камеры между пластическими слоями, давление в течение 1,5—2 ч нара­стает до 2500—5000 Па и больше, а затем оно снижается и к концу коксования становится равным давлению у стены камеры.

При неправильном режиме давлений в камере в конце коксования может наступить даже разрежение, которое нежелательно по следующим соображениям.

1. В первые часы коксования, когда давление у стен камеры возрастает и может достичь сотен Паскалей, часть сырого коксового газа фильтруется через стену в отопи­тельную систему, где давление ниже атмосферного. Про­ходя через кладку, имеющую высокую температуру, угле­водороды газа подвергаются пиролизу, вплоть до образо­вания твердого углерода, отлагающегося в швах и порах кирпичной кладки. Этот углерод называют на производ­стве графитом, а процесс его отложения в кладке — заграфичиванием.

В конце же коксования, когда давление в камере сни­жается и становится ниже атмосферного, воздух из регене­раторов и косых ходов, а также продукты горения, содер­жащие кислород, устремляются из отопительных каналов по неплотностям и порам кладки в камеру печи. При этом отложившийся в первые часы коксования углерод выгорает и, кроме того, происходит горение кокса у стен камеры. Высокие температуры горения приводят к ошлакованию кладки минеральными примесями угля, а при длительной работе на таком режиме — к появлению в кладке раковин и даже прогаров — отверстий, соединяющих камеру с ото­пительной системой. Эти нарушения кладки вызывают ее ускоренное разрушение, в результате чего срок службы печей сокращается с 25—30 лет до 8—10.

2. Выгорание части кокса у стен и пода коксовой каме­ры приводит к возрастанию зольности оставшегося кокса.

3. Проникновение воздуха в камеру печи ухудшает со­став коксового газа. Содержание балластных компонентов— диоксида углерода и азота возрастает до 15—25 %, и, как следствие этого, теплота сгорания газа снижается с 17000— 19000 до 14000—16000 кДж/м³.

4. Горение кокса в камере приводит к повышению тем­пературы в подсводовом пространстве печи и в связи с этим к возрастанию содержания так называемого свободного углерода в смоле (продукт пиролиза углеводородов) до 15—20 % и снижению содержания толуола в сыром бензо­ле до 10—12 %, уменьшению выхода аммиака и увеличению цианистых и роданистых соединений.

Из этих соображений в камере коксования нельзя сни­жать давление ниже атмосферного. Положительное давле­ние может быть достигнуто за счет соответствующего повы­шения его в газосборнике. Между давлением в камере печи к концу процесса коксования и давлением в газосбор­нике есть непосредственная связь. К газосборнику под­ключены все печи батареи, как недавно загруженные, в ко­торых давление велико благодаря интенсивному выделе­нию газов и паров из угля, так и печи с готовым коксом, давление в которых минимально и зависит от давления газа в газосборнике. Последнее с помощью специальных регуля­торов поддерживается постоянным.

Повышение давления в газосборнике приводит к росту давления в камерах, что имеет особенно большое значение к концу периода коксования, когда возникает опасность появления разрежения в камере печи. Так, при давлении в газосборнике 100—120 Па эта опасность устраняется.

Наиболее опасным местом с точки зрения возможности появления разрежения является под камеры. Действующий при движении газов в камере вверх геометрический напор приводит к повышению давления примерно на 8—10 Па на метр высоты камеры. В связи с этим основным требова­нием регламентированного режима давлений является под­держание на поду камеры в конце периода коксования по­ложительного давления. В качестве норматива принята величина 5 Па. Положительное давление в камере следует поддерживать всегда: при изменении периода коксования, при остановках в выдаче кокса из печей, при остановках обогрева, при обогреве печей любым отопительным га­зом. Повышение давления в газосборнике сверх необходи­мого для поддержания в камере минимального положитель­ного давления нежелательно, так как приводит к ухуд­шению условий отсасывания газа из угольной загрузки.

При установлении режима давлений в газосборнике для замера давлений на поду камеры выбирается печь, находя­щаяся непосредственно под точкой отвода газа из газо­сборника в газопровод, по которому транспортируется газ к холодильникам. В указанной печи давление на поду ка­меры всегда будет меньше, чем в других печах, и поэтому в ней более вероятно появление разрежения.

Огромное значение при эксплуатации коксовых печей имеет распределение давлений в отопительной системе.

В некоторых точках последняя непосредственно связана с окружающей печи атмосферой. Такими точками являются вход в воздушный регенератор, верх смотровых шахточек обогревательных каналов и выход из дымовой трубы. В этих точках давление близко к атмосферному.

Для достижения нужного распределения давлений в ото­пительной системе прежде всего необходимо правильно ус­тановить давление вверху смотровых шахточек, непосред­ственно под их крышками. При положительном давлении стенки смотровых шахточек, заполненных горячими га­зами, осмоляются; верхняя часть батареи — ее перекры­тие — перегревается; при снятии крышек горячие газы устремляются вверх и могут вызвать ожоги у обслуживаю­щего персонала, производящего замер температур через смотровые шахточки. Поддержание под крышкой разреже­ния также нежелательно: при этом в отопительную систему будет засасываться воздух, что приведет к охлаждению кладки, повышению сопротивлений в отопительной систе­ме из-за возрастания количества проходящих по ней га­зов, к попаданию в обогревательные каналы угольной пыли. Поэтому под крышками стараются поддерживать давление, близкое к атмосферному, как правило, не превышающее 2—3 Па.

Следующей точкой, определяющей режим давлений в отопительной системе, является подсводовое пространство регенератора, из которого в данный момент воздух посту­пает в обогревательные каналы. Между давлением в под-сводовом пространстве регенератора Р₁, замеряемым через его глазок, и давлением под крышкой смотрового колодца Р₂ существует зависимость

Р₁=Р₂-Н_1-2g(_в-_1-2)+Р_1-2

Так как Р₂0, то

Р₁=Р_1-2-Н_1-2g(_в-_1-2)

Величина Р_1-2 зависит главным образом от сопротивления косого хода. При обогреве доменным газом удельное коли­чество газов, приходящееся на одно и то же количество тепла, больше, чем при обогреве коксовым газом, поэтому и сопротивление в первом случае будет большим.

Геометрический напор зависит от высоты печей, темпе­ратуры окружающего воздуха, характера отопительного газа, определяющего плотность продуктов горения, и от температуры последних. Чем выше печи, тем больше гео­метрический напор и, следовательно, меньше значение Р₁ которое для разных печей изменяется в пределах 30—60 Па.

Зимой геометрический напор больше, чем летом, и поэтому давление Р^ должно быть на 12—15 Па меньше. В табл. 1 приведены гидравлические характеристики печей при раз­личных условиях.

Таблица 1.

Гидравлические характеристики печей при различных условиях, Па

Гидравлические характеристики	Температура окружающего воздуха, 0С	Обогрев газом
		коксовым	доменным
Сопротивление косого хода Геометрический напор Давление вверху регенератора	- -20 +10 +35 -20 +10 +35	6 75 66 60 -69 -60 -54	20 72 63 58 -52 -43 -38

Давление в подсводовом пространстве регенератора вос­ходящего потока P₁ изменяется за период между кантовками, что объясняется повышением температуры продуктов горения за этот период. Обозначим давление в глазке реге­нератора нисходящего потока Р₃, в борове Р₄. Тогда

Р₃=Р₄+Н_3-4 g(_в-_3-4)+Р_3-4

Так как в период между кантовками температура в регене­раторе растет, то плотность продуктов горения снижается, а геометрический напор возрастает. Величина Р₄, поддер­живается постоянной при помощи специального регулятора давления. В результате давление Р₃ возрастает примерно на 5 Па, что неизбежно приводит к колебаниям в поступле­нии воздуха.

Распределение давлений в отопительной системе харак­теризует саму конструкцию печи. Поэтому еще при проек­тировании для всех участков системы рассчитываются со­противления и геометрические напоры, которые исполь­зуются для определения давлений в различных точках отопительной системы по уравнению

Р_i=Р_i-1± H_i g(_в-_i )-P_i (21)

Такой расчет весьма громоздкий, включает много повто­ряющихся операций, в которых меняются только исходные данные для разных участков. Расчет может быть ускорен и упрощен при использовании ЭВМ. Для этого в уравнение (16) вводится значение  с расшифровкой Re.

Тогда для расчета сопротивлений на i-м участке получаем уравнение

(22)

где m — количество местных сопротив­лений на i-м участке.

Геометрические напоры для i-го уча­стка, как и для всех участков, рассчи­тываются по уравнению

(23)

Здесь h_i—геометрический напор, Па.

Таким образом, для гидравлического расчета отопительной системы необходи­мо составить таблицу значений величин, входящих в уравнения (14), (21)—(23), и произвести на ЭВМ расчет. В резуль­тате расчета машина печатает значения потерь давления на преодоление сопро­тивлений, геометрического напора и дав­ления в конце каждого участка.

Для наглядности по найденным зна­чениям давлений строят график рас­пределения давлений в отопительной системе (рис. 5). На всех участках этой системы изменение давления зависит от соотношения геометрических напоров и сопротивлений. При восходящем по­токе газов давление на участке возрас­тает, если геометрический напор превы­шает сопротивления, и снижается, если он меньше сопротивлений. Из рис. 4 видно, что, например, в регенераторе и в вертикале давление растет, а в косом ходе снижается. При нисходящем пото­ке газов давление на участке всегда снижается, так как геометрический на­пор представляет собой дополнительное сопротивление.

Для действующей батареи печей гра­фики распределения строят на основании замеров давлений в различных точках отопи­тельной системы. По этим графикам оцениваются кон­струкция печи и режим давлений. При анализе полученных данных важно знать значения давлений на перевале, под крышками смотровых шахточек и вверху регенератора, из которого воздух поступает в отопительные каналы. По по­следнему давлению можно судить о возможности прососов воздуха в камеру. По перепаду давлений в глазках реге­нераторов оценивают сопротивления косых ходов и вер­тикалов.

График распределения давлений в ходе эксплуатации печей изменяется. Это обусловлено, в частности, тем, что в регенераторах при обогреве печей доменным газом отла­гается колошниковая пыль. В этом случае сопротивление регенератора увеличивается, что приводит к расхождению восходящей и нисходящей ветвей графика.

При рассмотренном режиме давлений в камере коксо­вой печи и в ее отопительной системе возможны только односторонние прососы (из камеры коксования в отопитель­ную систему), которые не столь опасны для кладки печей, как описанные выше двусторонние. В результате прососов газа из камеры в отопительную систему в неплотностях кладки отлагается углерод, образующийся при пиролизе углеводородов, что уменьшает неплотности или даже прак­тически устраняет их.