Коксовый газ


 
Коксовый газ

Значение улавливания химических продуктов коксования, которые до сих пор в технической литературе иногда называют «побочными продуктами коксования», поняли не сразу.

Только во второй половине XIX в. (в 1867 г.) немецкий инженер Кнаб построил печи с улавливанием продуктов коксования. Еще в середине пятидесятых годов XIX в. бытовало мнение, что при улавливании химических продуктов коксования ухудшается качество кокса. Однако после постройки печей Кнаба установки с улавливанием начинают строить на многих коксовых заводах.

В печах без улавливания химических продуктов коксования все камеры и отопительные простенки были соединены между собой небольшими отверстиями. Такое устройство позволяло подавать в отопительные простенки одинаковые, как бы усредненные, количества газа для горения и, значит, держать в простенках постоянную температуру, несмотря на то, что в каждой отдельной камере в начале процесса газа выделялось намного больше, чем в конце коксования. Ведь хорошо выжженный кокс содержит менее одного процента летучих веществ, а в угольной загрузке до 30%. Если бы печи не сообщались друг с другом, то в процессе коксования в отопительные простенки газ попадал бы неравномерно.

Принципиальным отличием коксовых батарей с улавливанием продуктов коксования от батарей без улавливания является то, что в них печная камера и отопительный простенок не сообщаются за все время эксплуатации печей. Газ из печных камер через специальные отверстия отводится в трубопровод – газосборник, проложенный вдоль всей батареи. Для охлаждения газа он орошается водой или смолой. Из газосборника усредненный по составу газ поступает в аппаратуру для улавливания основных продуктов коксования. Коксовый газ, очищенный от этих продуктов, называется обратным. Этим обратным газом можно было пользоваться как для промышленных, так и для бытовых целей. Им можно отапливать коксовые батареи и металлургические печи: сталеплавильные, нагревательные в прокатных цехах и другие. Но этим газом отапливали только коксовые батареи.

Такое расточительство могло происходить из-за теплотехнического несовершенства отопительной системы коксовых печей. В самом деле, дым из подовых каналов выходил с температурой около 900°C; огромное количество тепла терялось. Для уменьшения потерь тепла пытались нагревать теплом отходящих газов паровые котлы. В непосредственной близости от коксовых батарей ставили установки, отапливающиеся, как тогда говорили, «жар-газом» коксовых печей. Но такой способ давал слишком малую экономию тепла.

Как уже часто бывало, техническое решение пришло из другой отрасли. Стекольная промышленность, подарившая металлургам мартеновскую печь, которая когда-то была одним из самых популярных сталеплавильных агрегатов, дала коксохимикам устройство, позволяющее сразу сэкономить большое количество тепла отходящих газов, – регенератор.

Впервые в теплотехнике регенераторы были применены Сименсом на стекловаренных печах в 1858 г. А первые коксовые печи, в которых теплом отходящих дымовых газов подогревался необходимый для горения газа воздух, появились в 1883 г. Дымовые газы перед выходом в трубу проходили через камеру, заполненную насадкой – огнеупорным кирпичом, выложенным в виде решетки. Кирпич нагревался, через некоторое время направление дымовых потоков менялось, и через нагретую насадку камеры регенератора пропускали воздух, идущий в отопительные простенки.

Регенерация тепла отходящих газов позволила не только экономить тепло, но и повысить температуру в отопительной системе (простенках) коксовых печей. Это сократило продолжительность коксования, повысилась производительность установок. Одновременно уменьшилось потребление газа на отопление батарей. Появилось больше 50% от общей выработки излишков газа, который можно было использовать в металлургии и направлять на бытовые нужды.

Инженерная мысль работала в нескольких направлениях. Если коксовым газом можно нагревать металлургические печи, то почему нельзя отапливать коксовые печи газом, уходящим в атмосферу из доменных печей, который после восстановления железной руды содержит еще значительное количество горючего оксида углерода. Ведь это более дешевое топливо, чем коксовый газ, а получается его около 2000м3 на каждую тонну чугуна. Экономисты подсчитали, что отапливать коксовую батарею доменным газом гораздо дешевле, чем коксовым, который выгодней продавать.

Так появилась конструкция печей Компаунд. Такие печи можно отапливать или доменным, или коксовым газом – в зависимости от потребности промышленности в коксовом газе.

Коксохимические заводы начали строить рядом с металлургическими, а заводы, расположенные, например, у угольных шахт, передавали коксовый и получали взамен доменный газ по газопроводам на большие расстояния.

К концу XIX и в начале XX вв. практически оформился агрегат по производству металлургического кокса для доменных печей и устройств для плавки литейного чугуна – вагранок. Принципиальные конструктивные элементы коксовых батарей и печных камер того времени остаются неизменными и в наши дни. Они совершенствуются, повторяясь в самых современных конструкциях, но принципиально не меняются.

Решила эту задачу группа молодых техников и инженеров пускового отдела треста «Коксохиммонтаж» и среди них Р. З. Лернер, М. Л. Френкель, К.И. Лгалов, С.И. Кафтан.

Но прежде чем рассказать об обстоятельствах решения этой интересной инженерной задачи, хотя бы в задачи в общих чертах, познакомимся с основами гидравлического режима коксовых печей.

Печная камера коксования и отопительная система не должны сообщаться. Из камеры коксования продукты (газообразные) через специальные отверстия и устройства поступают в газосборник, а затем на химический завод для улавливания и переработки. А отопительная система (простенок, разделенный на вертикалы, регенератор, через который уходят продукты сгорания (дым) и подогреваются идущие в простенок доменный газ и воздух) имеет свои устройства для входа и выхода газа и воздуха.

Отопительная система отделена от печной камеры относительно тонкой каменной кладкой (105-115 мм) потому, что чем тоньше стенка печной камеры, тем меньше продолжительность коксования и, значит, увеличивается производительность печи.

Необходимо заметить, что никакая самая совершенная каменная кладка не может быть абсолютно плотной, даже такая совершенная, какой является кладка коксовых батарей. Кроме того, она, в принципе, газопроницаема, в ней могут быть пустые швы, не заполнявшиеся по какой-либо причине строительным раствором, в процессе эксплуатации могут образоваться трещины. Что же может произойти, если камера коксования все-таки будет сообщаться с отопительной системой?

При коксовании угольной шихты, то есть смеси различных углей, образуется 300 – 360 м3 газообразных продуктов из одной тонны угля. Это огромное количество газа образуется в печной камере не сразу, а постепенно, по мере прогрева угольной загрузки. В первые часы коксования, в процессе бурного разложения угольного вещества газа выделяется много, а в конце коксования, когда прогревается и упрочняется образовавшийся кокс, газа выделяется намного меньше. В готовом коксе выход летучих веществ должен быть не более одного процента, тогда как из угля их выделяется более 25%

Поэтому в печной камере в первой половине периода коксования всегда повышенное давление, газ выходит «из всех щелей», которых, естественно, не должно быть: то трещина в стенке, то дверь камеры неплотно прилегла к раме.

В щель между уплотняющими устройствами двери печной камеры пойдет газ, но очень недолго. В нем содержится очень много смолистых веществ, они-то и забьют трещины. То же произойдет и с трещинами, и с пустыми швами в камере – ведь кладка нагрета до температуры более 1300°С.

Проходя через трещины в кладке, продукты коксования будут разлагаться на водород и углерод (графит) и выделяющийся графит быстро заполнит все неплотности. Кладка, как это принято говорить, «заграфитится», и с этого момента условие будет соблюдаться – камера полностью отделена от отопительной системы.

Казалось бы, все в порядке, но, к сожалению, только до определенного момента. К концу коксования из загрузки, как мы уже знаем, газа выделяется мало и может наступить момент (это нетрудно подтвердить простейшим расчетом), когда давление в печной камере станет меньше атмосферного, меньше давления в отопительном простенке и меньше давления вверху регенератора, заполненного уже нагретым воздухом, который по узким ходам идет в простенок на соединение с отопительным газом.

В этом случае создается движущая сила, направляющая воздух, в котором содержится 21% кислорода, к поверхности, заполненной нагретым до очень высоких температур графитом. При сгорании графита снова появятся щели и неплотности, о которых шла речь вначале. Воздух начинает поступать в печную камеру и, естественно, загорается кокс, нагретый перед выдачей до температуры 1000 – 1050°С.

Так как температура горения кокса около 1600°C, начинают коробиться участки арматуры двери коксовой батареи, соприкасающиеся с зоной высокой температуры.

Но хуже всего, когда участок горения кокса образуется на поду печной камеры или на стенке. При сгорании кокса остается зола, основные соединения которой при высокой температуре в участке горения кокса могут сплавиться с динасовой кладкой, которая имеет кислый характер, при этом образуются легкоплавкие соединения. Коксовый пирог как бы приплавляется к поду или к стенке камеры коксования. При выдаче «часть стенки или пода» выходит с коксом, кроме того, все трещины и швы оказываются «пустыми», то есть без графита.

Коксовое производство – непрерывное производство. Чем меньше простаивает печная камера пустой, тем лучше. Наступает новый цикл. Снова загрузка, снова бурное выделение газа, повышенное давление в камере. Но ведь кладка разграфичена, графит выгорел в то время, когда давление в камере было ниже атмосферного и ниже, чем в отопительной системе. Газы, выделяющиеся при коксовании, свободно проникают через все щели в отопительную систему, и там, где есть воздух, газ горит. Летучие продукты коксования проходят в камеру регенератора, который находится на восходящем потоке, то есть подогревает воздух, нужный для горения газа в отопительном простенке, и прекрасно там горят. В регенераторе развивается высокая температура, и насадка регенератора может оплавиться. Часть воздуха из того, что должен поступить в отопительный простенок, уже израсходована на горение «паразитического» топлива не там, где это было нужно. Значит, на горение в отопительный простенок поступит меньше воздуха, отопительный газ сгорит не полностью и температура в простенке понизится. Снизится температура в простенке, кокс в этой камере будет не готов, причем неготовность кокса к моменту выдачи коксового пирога может привести к тому, что кокс не отойдет от стенки камеры коксования, не произойдет усадка, которая обычно бывает к концу процесса. А если в камере еще кокс «пришлаковался» к поду или к стенке?

Коксовыталкивающая машина толкает коксовый пирог, но он ни с места. Сильно давить нельзя, можно выдавить тонкую стенку камеры. Поэтому автомат отключает электродвигатель выталкивающей штанги.

Итак, печь не пошла, как говорят, печь «забурилась». Даже если «бурение» печи не произошло, в поду и стенах печных камер могут образоваться прогары, которые приводят к оплавлению насадки регенераторов. Все это в конечном счете нарушает режим работы коксовой батареи и в результате приводит к «бурению».

О том, что происходит потом, хорошо рассказал уральский писатель – работник коксохимической промышленности Виталий Борисов.

«Самым жестоким и всегда неожиданным ударом батареи было «бурение печей». «Бурение» – это когда коксовый пирог, этакий тринадцатитонный, нагретый до 1000°С параллелепипед, не выходит из печи. Толкнут его штангой коксовыталкивателя, а он, вместо того чтобы пройти ванну двересъемной машины и ссыпаться в тушильный вагон, – ни с места!

Бесконечно толкать не разрешается – рискуешь повредить дорогостоящую печь. Поэтому пирог «разбуривают» – вручную подчищают с торцов, снова осторожно толкают. Бывает он никак не выходит, приходится выгребать скребками, кокс сбрасывать вниз на пути коксовыталкивателя и тушильного вагона, заливать водой».

Надо лишь только напомнить читателю, что температура кокса в печи около тысячи градусов, что даже на старых батареях высота «коксового пирога» около четырех метров, а самая малая современная коксовая батарея выдает из печи 10 – 12 тонн кокса.

«Бурение» кокса в одной печи способствовало «бурению» кокса в соседних камерах и этот процесс буквально разъедал коксовую батарею.

В тридцатые годы на многих новых коксовых батареях можно было наблюдать такие процессы. Часто, через два – три года после пуска батареи, насадка регенераторов в ней была оплавлена, сопротивление отопительной системы возрастало настолько, что через нее нельзя было подать необходимое количество газа и воздуха и батарея не давала нужную производительность, потому что в отопительной системе не могли поддерживать необходимую температуру.

Для бесперебойного снабжения Ленинграда газом на старинном Ленинградском газовом заводе в тридцатые годы были построены две современные коксовые батареи каждая по… пять печей. Когда пустили эти «гиганты», на них возникли те же неполадки, которые были свойственны коксовым батареям Магнитки, Кузнецка и Запорожья: плавилась насадка, в регенераторах горел газ, на стенах печных камер образовывались прогары.

Выяснить причину неполадок удалось молодому инженеру Р.З.Лернеру и группе сотрудников Теплотехнической станции Главкокса наркомата черной металлургии.

Они обратили внимание на имеющиеся по краям входных отверстий газовоздушных клапанов канавки. Первые газовоздушные клапаны поставляли иностранные фирмы, и никто из них не объяснил назначение этих канавок.

Пытались положить на эти, как бы специально сделанные канавки пластину, уменьшив проходное отверстие для воздуха, идущего в регенератор на подогрев. Манипулируя размерами пластин, разрежением на восходящем и нисходящем потоках отопительной системы, удалось подобрать такой режим, при котором давление воздуха в верхней зоне регенератора, расположенного под коксовой камерой, было значительно снижено, а, значит, и уменьшилась возможность прососа воздуха из регенератора в печную камеру.

В итоге многочисленных расчетов, экспериментов, творческих поисков были разработаны основные принципы гидравлического режима коксовых батарей, внедрение которых в производство позволило улучшить их работу, избежать прогаров и ошлакования кладки, «бурения» и намного увеличить срок службы батарей.

Принципы гидравлического режима коксовых батарей, разработанные инженером Р. З. Лернером и его коллегами, в полной мере применяются и сегодня. Они заключаются в том, что гидравлический режим коксовой батареи должен быть организован таким образом, чтобы давление в печной камере всегда превышало давление газов в отопительной системе, отопительных каналах и регенераторах. Только тогда будут обеспечены условия перетока газов из печной камеры в отопительную систему. В этих условиях все трещины и неплотности кладки будут уплотнены графитом, образующимся при разложении газообразных продуктов коксования, и после загрузки эти газы не смогут поступать в отопительную систему.

Давление в печной камере в первые часы обеспечивается бурным газовыделением из угольной загрузки. А в конце периода коксования давление в камере выше, чем в регенераторе, и выше атмосферного. Это обеспечивается тем, что камера соединена с газосборником (который иногда называют гидравликом) коксовых батарей. В нем поддерживается определенное давление, зависящее от высоты печной камеры, периода коксования, температур в отопительной системе и других факторов. Подсчитать величину этого давления можно по методике, предложенной Р.3.Лернером.

Внедрение на коксохимических заводах принципов гидравлического режима, опубликованных Р.3.Лернером, в 1938 г. позволило прекратить «бурение» кокса в печах, обеспечить их проектную производительность. За разработку и внедрение основных принципов гидравлического режима коксовых батарей Р. З. Лернеру и группе коксохимиков была присуждена Государственная премия.

Основа эксплуатации коксовых батарей – равномерность и постоянство. Во всех отопительных простенках коксовой батареи должна быть одинаковая температура. Тогда в печных камерах, которые построены с большой точностью, процесс коксования будет заканчиваться в одно и то же время после их загрузки одинаковым количеством угольной шихты. Поэтому выдачу кокса проводят в определенном порядке по строгому графику. Но ведь на большом и сложном производстве всегда случаются какие-либо отклонения.

Р.З.Лернер предложил цикличный график работы коксовых батарей, который заключается в том, что для каждой коксовой батареи устанавливается определенная продолжительность коксования – период. Но учитывать в расчетах только период коксования нельзя. Ведь к выдаче печь нужно подготовить, то есть отключить ее от газосборника, снять двери и очистить их от остатков кокса, налетов смолы и графита, подвести и установить выталкивающие и приемные механизмы. Заканчивается коксование угля с момента выдачи кокса из печи.

Но ведь коксовую камеру сразу угольной шихтой не наполняют. Нужно вновь установить двери, над камерой поставить загрузочный вагон, да и сам процесс загрузки длится определенное время. Вот и получается, что печная камера 12 – 15 мин. не работает. Это время называется «временем на обслуживание». Общее время на коксование угольной загрузки и обслуживание печной камеры называется оборотом коксовых печей и принимается для всех расчетов производительности коксовых батарей. Чем меньше оборот, тем больше производительность.

Оборот печей делится на рабочую и ремонтную части. Суть цикличного графика заключается, во-первых, в том, что все печные камеры нужно выдать за рабочую часть оборота, а, во-вторых, выдачу после цикличной остановки нужно начинать всегда с одной и той же камеры.

Предположим, что оборот печей определенной коксовой батареи составляет 15 час. Установим рабочую часть цикла 12 час 45 мин., а ремонтную 2 час. Выдав и загрузив все печные камеры коксовой батареи за 12 час 45 мин, можно сделать двухчасовую остановку, естественно, загрузив шихтой последнюю, выдавшую кокс печь. К этому времени уголь в печной камере, с которой начинали выдачу, уже коксуется 12 час 45 мин. После остановки эта камера будет готова к выдаче, так как прошло установленное время периода коксования, и выдачу можно начинать, естественно, с нее.

Такой график работы имеет много преимуществ. Во время остановки выдачи кокса механизмы на батарее не работают, и, значит, отключив энергию, можно делать любые ремонты и производить уборку. Кроме того, можно заранее на любой период времени рассчитать продолжительность остановок и планировать ремонт печей, сосредоточивая в нужное время людей и материалы. Внедрение цикличного графика работы коксовых батарей резко сократило простои по причине поломки оборудования, улучшило равномерность батарей и качество выпускаемого кокса.

К 1941 г. Советский Союз производил уже 21,12 млн т кокса в год. Были освоены новые месторождения коксующихся углей в Кузнецком и Карагандинском бассейнах, и Восток страны дал уже 25% всей коксохимической продукции.

В состав угольных шихт наших заводов вводились новые угли, которые ранее для коксования не использовались, так как считались непригодными.

Широким фронтом велись исследования все новых месторождений и угольных бассейнов. Все больше укреплялась строительная база коксохимии. До 1941 г. Коксохиммонтаж построил 46 комплексов коксовых батарей производительностью 18,5 млн. т кокса в год. Было освоено производство огнеупоров, машин и оборудования для коксовых батарей. Выросли кадры технологов, проектировщиков, исследователей. Готовилось перевооружение коксохимической промышленности, были испытаны новые, более совершенные элементы конструкций коксовых батарей, химического оборудования. Их внедрению помешала война.

ПОДЕЛИСЬ ИНТЕРЕСНОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ

MetalSpace

Опубликовано MetalSpace

Адрес электронной почты: info@metalspace.ru
Предлагаем сотрудничество
  • Опубликуй свои произведения в электронной форме.
  • Размести научную статью или пресс-релизы на страницах нашего портала.

Оставь комментарий