Коксовые печи

Коксование – процесс высокотемпературного нагрева углеводородов без доступа воздуха.

В Украине – стране с мощной металлургической базой, ежегодно производится более 18 млн.т. кокса. Этот кокс в основном используется в доменном производстве, при выплавке чугуна. Отходы кокса (коксик) используется в кузнечном производстве, в машинах по обогащению руд и т.д.

Для получения высококачественного кокса, используется смесь нескольких сортов углей с малой зольностью: газовые, жирные, спекающиеся и т.д.

Кокс получают путем нагрева этих углей до 1000˚С, в течении 14-16 часов в специальных камерах коксования, щелевидного типа.

При нагреве из углей выделяются летучие вещества (эфиры, бензолы, водород, углеводороды, смолы, ароматические углеводороды, аммиак и т.д.). Смесь этих газов называются – прямой коксовый газ, который удаляется из печи с максимальной температурой до 800˚С.

Прямой коксовый газ направляется на очистку, после чего обработанный коксовый газ направляется в газосборник.

Побочные продукты коксования, добываемые из прямого коксового газа, являются ценным химическим сырьем, которое используется в различных отраслях промышленности.

Очищенный коксовый газ – высококалорийное топливо с теплотворной способностью 17-18,5 Мдж/м³. Этот газ имеет следующий средний состав: , , , , до , до 4% С_nH_m.

Для уменьшения балластных и вредных примесей угли, перед коксованием, обогащают на специальных обогатительных фабриках, с целью уменьшения зольности до 7-8%.

При коксовании одной тонны коксующихся углей в среднем получают 700-750 кг кокса, 300-320 м³ прямого коксового газа, до 35 кг смол, до 11 кг бензолов, до 3 кг сульфата аммония и т. д.

Сера и зола углей остается в коксе, несколько ухудшая его качество. Теплотворная способность кокса 31-33 Мдж/м³. Кокс, по сравнению с углями, имеет большую механическую прочность, и высокую пористость, что обеспечивает большую реакционную способность при восстановительных процессах в доменной печи.

Принцип действия коксовой печи

Шихта, состоящая из смеси углей, с помощью углезагрузочного вагона подается в камеру коксования через верхние загрузочные окна.

Время коксования 14-16 часов. Выдача кокса производится по циклическому графику.

Кокс выгружается из печи со средней температурой около 1000˚С и при контакте с воздухом начинается процесс горения. Для уменьшения температуры кокса после выгрузки из печи (тушения кокса) ниже 250˚С, когда исключается самовозгорание, применяют два способа тушения:

- мокрое тушение, когда вагон с раскаленным коксом подается в тушильную башню, где расположена оросительная система, отстойники и вытяжная труба. Вода подается на поверхность раскаленного кокса, вызывая на его поверхности явление теплового удара. Часть кокса при этом растрескивается и осыпается. Потушенный кокс выгружается, подсушивается за счет внутреннего тепла и подается на сортировку.

- при сухом способе тушения, раскаленный кокс выгружается в специальный вагон, который подается в приемный бункер установки сухого тушения кокса (УСТК). Тушение кокса производится циркулирующим инертным газом, который подается в нижнюю часть камеры тушения. Раскаленные газы с температурой до 800˚С поступают в котел-утилизатор, откуда с температурой около 200˚С направляются на газоочистку и снова в камеру тушения. УСТК рассчитывается на обслуживание одной коксовой батареи.

Коксовая батарея включает в себя 60-70 камер коксования. Камера коксования представляет собой узкую щель 45-55 см шириной, до 7 м высотой и до 19 м длиной.

Рис __. Разрез коксовой батареи и схема движения газов

__________-

________

Кладка камер коксования производится из динаса. Топливо сжигается в простенках между камерами коксования. В качестве топлива может использоваться доменный газ, коксовый газ или их смесь.

В нижней части коксовой батареи размещены регенераторы для подогрева воздуха и топлива. При использовании, в качестве топлива, коксового газа подогрев топлива не проводится. Переключение регенераторов с режима нагрева насадки в режим дутья осуществляется каждые 15-20 минут с помощью перекидных клапанов.

Шихта загружается в печь специальным вагоном через верхние люки (3-4 шт).

В зависимости от конструкции отопительного простенка, коксовые печи бывают:

- с перекидными клапанами (ПК);

- с парными вертикалами (ПВР) в отопительных простенках и с рециркуляцией продуктов сгорания.

Печи с перекидными клапанами дают существенную неравномерность по высоте камеры коксования, большее время коксования и повышенный удельный расход топлива.

В печах типа ПВР, каждый отопительный простенок разделяется на парные каналы (вертикалы) с рециркуляцией продуктов сгорания через рециркуляционные окна, внизу под камерой коксования. Рециркуляция осуществляется за счет инжектирующего действия газовоздушных струй и разности плотностей продуктов сгорания в смежных вертикальных каналах. В рециркуляции принимает участие до 40% продуктов сгорания. Рециркуляция продуктов сгорания несколько снижает температуру в зоне горения, но в тоже время зона горения растягивается, что снижает неравномерность обогрева простенков по высоте до 50-70˚С.

Тепловой баланс

Примерный тепловой баланс коксовой печи при отоплении доменным газом приведен в табл __

Таблица __

В современных коксовых печах коэффициент использования топлива составляет 80-85%. Удельный расход тепла (топлива) на коксование зависит от влажности шихты, теплового режима и типа топлива. При отоплении коксовым газом удельные затраты тепла на 12-14% ниже, чем при сжигании доменного газа.

Повышение эффективности процесса коксования.

Повышение эффективности работы коксовых печей в первую очередь связано с утилизацией тепла раскаленного кокса, в установках сухого тушения кокса (УСТК). При тушении кокса водой все тепло кокса теряется, загрязняется атмосфера, ухудшается качество кокса и до 5% его крошится и идет в отсев.

В УСТК (Рис__) тепло кокса утилизируется с целью получения пара энергетических параметров Р₁=40-45 бар, t₁ = 450 ºC. Паропроизводительность котла утилизатора УСТК зависит от производительности коксовой батареи и достигает 20-50 т/ч.

Рис__ Схема установки для использования физической теплоты раскаленного кокса

1 – камера сухого тушения кокса; 2 – газоход с инерционной решеткой очистки циркулирующих газов; 3 – котел утилизатор в виде конвективной шихты; 4 – циклоны для сухой очистки газов; 5 – тягодутьевая установка.

Камера сухого тушения кокса футеруется огнеупорными материалами. Из камеры тушения газы выходят с температурой 800˚С и охлаждаются в утилизаторе до 180-200˚С.

Основные мероприятия по повышению эффективности работы коксовой печи:

1. Утилизация тепла прямого коксового газа, ( в настоящее время не ведется в связи с наличием в газе смолистых и особо ценных химических веществ).

2. Применение тепловой изоляции позволяет снизить потери тепла кладкой до 6-7% от общих затрат тепла. Потери тепла кладкой, как правило, не превышают 10% затрат тепла на коксование.

3. Более полное использование теплоты продуктов сгорания путем совершенствования конструкции насадки регенераторов с целью увеличения удельной поверхности нагрева.

4. Утилизация физического тепла кокса в УСТК.

5. В настоящее время прорабатывается вопрос использования способа коксования для утилизации мусора крупных городов.

Доменные печи

Предназначены для получения чугуна из шихты, путем восстановления железа из окислов. В состав шихты входит: железная и марганцовая руда, кокс, флюсы, известняк (доломит). Перед загрузкой в доменную печь шихта просеивается, с удалением мелких фракций. Общая схема доменного производства показана на рис.­­____

Топливом для доменной плавки служит кокс, который выполняет также функции восстановителя железа из окислов и облегчает прохождение газового потока через шихту доменной печи.

Флюсом называют добавки к шихте, необходимые для понижения температуры плавления пустой породы, золы кокса и придания шлаку, требуемых технологией выплавки чугуна физико-химических свойств. В качестве флюса чаще всего используют известняк, доломит и их смесь, которые содержат оксиды кальция и магния.

Для повышения технико-экономических показателей доменной плавки исходные материалы шихты подвергают специальной подготовке. Кокс подвергают сортировке и отсеивают мелкие фракции; железную руду дробят, сортируют, обогащают и обжигают, частично удаляя пустую породу и вредные примеси. Перед обжигом в железный концентрат добавляют марганцевую руду и флюсы. После обжига получают кусковой материал агломерат или окатыши, которые также просеивают. При агломерации происходит частичное восстановление железа из окислов.

Доменный процесс представляют собой совокупность механических, физических и физико-химических процессов, протекающих в доменной печи. В результате процессов, протекающих в доменной печи, из шихты получают чугун, шлак и доменный (колошниковый) газ.

В доменных печах можно также получить ферросилиций и ферромарганец, которые используются в сталеплавильном производстве как присадки соответствующих элементов.

Продольный разрез доменной печи показан на рис. 2.

Рабочее пространство доменных печей круглого поперечного сечения, конусообразной формы, объемом от 1000 до 5000 м³.

Конструкция доменных печей и скорость физико-химических процессов в ней существенно зависит от работы воздухо-дутьевой системы печи. В доменную печь воздух дутья подается под избыточным давлением до 350 кПа и с температурой до 1250ºС. С повышением давления дутьевого воздуха и температуры дутья повышается скорость восстановительных реакций в доменной печи и повышается ее производительность. При этом мощность паротурбинных установок привода воздуходувок может достигать 30 МВт.

Учитывая высокое избыточное давление в рабочем пространстве печи, обмуровка печи помещается в сплошной металлический кожух, состоящий из ряда цилиндрических и конических поясов с максимальной толщиной металла в зоне лещади и горна до 40 мм выполненного из малоуглеродистой или низколегированной стали.

Огнеупорная кладка уменьшает тепловые потери и предохраняет кожух от воздействия высоких температур, агрессивного воздействия продуктов плавки и двигающейся шихты. Материал кладки огнеупоров выбирается в зависимости от температурного уровня и условий эксплуатации. Верхняя часть( колошник ), зоны заплечиков, распара и шахта печи испытывают воздействие ударных нагрузок при засыпке материалов и истирающему (абразивному) износу от движущейся шихты. Эта часть печи футеруется шамотным огнеупором класса А и Б.

Зоны лещади и горна наиболее ответственные участки доменной печи.

Нижнюю часть лещади выкладывают графитизированными блоками толщиной до 1,8 м и высокоглиноземистым или магнезиальным кирпичом толщиной до 3,5 м, которые непосредственно контактирует с расплавом чугуна. Зона горна футеруется графитовыми блоками, шамотным и высокоглиноземистым огнеупором.

Наиболее теплонапряженные участки (распар, заплечики, горн) оборудованы системой испарительного охлаждения, что позволяет значительно увеличить срок службы обмуровки печи, который достигает 4-х лет непрерывной эксплуатации.

Процесс восстановления железной руды идет с постепенным переходом окислов от высших ступеней к низшим.

Fe₂O₃ Fe₃O₄ FeO Fe

В качестве восстановителя железа выступает кокс, оксид углерода СО и водород. Однако восстановленное железо частично поглощает избыточный углерод (науглераживается) и в виде чугуна стекает в горн доменной печи, где постепенно накапливается. В составе чугуна содержится до 4% углерода и 1,5-2% других примесей: кремния, серы, фосфора и т.д. . Расплавленные примеси, зола кокса вместе с флюсами, образуют жидкотекучий шлак, который скапливается в горне над поверхностью чугуна. Из горна чугун и шлак периодически выпускают через чугунные и шлаковые летки.

В процессе доменной плавки образуется значительное количество доменного (колошникового) газа, до 2500÷2800 м³ на 1 т чугуна. Состав этого газа зависит от условий плавки и дутья, но в среднем газ имеет следующий состав: 28÷32% CO; 10÷14% CO₂; 55÷59% N₂; 0,4÷0,6% CH₄; 1,5÷2,5% H₂.

Доменный газ – ценное энергетическое сырье, которое используется как топливо, в нагревательных печах, коксовых батареях, в доменных воздухонагревателях, на ТЭЦ металлургических комбинатов. Газ используется после очистки от колошниковой пыли, количество которой достигает 20÷60 г/м³газа. Пыль после прессования направляется на агломерацию, как один из компонентов агломерационной шихты. Колошниковая пыль содержит до 55% окислов железа и до 10% коксовой пыли. Колошниковую пыль используют также, как наполнитель, при получении асфальта.

Для оценки мероприятий по снижению удельного расхода кокса и повышению производительности доменных печей рассмотрим примерный тепловой баланс плавки.

В целом доменная печь высокотехнологичный эффективный тепловой агрегат. Потери в окружающую среду невелики. В процессе эксплуатации происходит частичное разрушение и износ огнеупоров, что приводит к увеличению потерь в окружающую среду и с охлаждающей водой.

В доменных печах получают литейный и передельный чугун.

Литейный чугун, в виде заготовок фасонного литья, отправляется в основном на машиностроительные предприятия, где в процессе переплавки его доводят до нужного химического состава и получают готовые изделия.

Передельный чугун направляется в сталеплавильные агрегаты (конвертеры, мартеновские печи) где получают готовую сталь. Требования к качеству литейного чугуна значительно выше.

Тепло передельного чугуна используется в сталеплавильном процессе, поэтому его нельзя считать потерянным в балансе металлургического комбината. При получении готовых изделий из шлака (шлаковаты, пеношлаковых и плотных литых изделий), можно считать это тепло полезно используемым. При реализации гранулированного шлака или использовании его как добавки к некоторым видам цементов, можно полностью компенсировать тепловые потери со шлаком.

В настоящее время ведутся работы по утилизации энергии колошникового газа, который выходит с температурой 250÷280ºС и избыточным давлением до 0,2 МПа. Энергия газа после газоочистки может использоваться в газовой турбине.

Повышение производительности доменной печи тесно связано с методами интенсификации доменного процесса:

− совершенствование способов подготовки и улучшение качества исходных материалов, использование обогащенной руды, агломерата, высококачественных флюсов и кокса в оптимальных соотношениях;

− высокотемпературный нагрев дутья, температура которого, может достигать, 1300ºС, позволяет снизить расход кокса, а следовательно и расход и температуру колошникового газа, увеличить производительность печи, уменьшается при этом несколько расход шлака, но повышается температура чугуна и шлака;

− увлажнение дутья до 35г/м³ повышает производительность на 10÷12% и снижает расход кокса и количество дутья до 6%. Это происходит за счет диссоциации водяных паров на водород и кислород в высокотемпературной зоне

Увеличение количества восстановленных газов Н₂ и СО и приводит к повышению производительности печи;

− обогащение дутья кислородом до 26% дает положительный эффект при выполнении мероприятий снижающих максимальную температуру в зоне горна (увлажнение дутья и подача природного газа);

− вдувание в горн углеводородсодержащих добавок включает: подачу природного или коксового газа до 10% от расхода кокса, вдувание угольной или коксовой пыли, а также мазута или нефти. В последние годы используется совместная подача в горн пыли и газообразного топлива, что позволяет снизить до 10% расход кокса и до 16% увеличить производительность печи. В европейских странах в высокотемпературную зону подают нефть.

Использование комбинированного дутья, увлажненного воздуха, обогащенного кислородом совместно с газообразным топливом и пылью получило наибольшее распространение на Украине и дает большой эффект. Одна доменная печь может давать более 2,5 млн. т. чугуна в год