Теплотехника

Использование теплоты технологического продукта

Производство кокса: мокрое и сухое тушение

В тепловом балансе коксовой батареи количество теплоты, уносимой раскаленным коксом, достигает 45-50% от количества теплоты, поступающей на обогрев печи. Для быстрого охлаждения кокса на предотвращения его угара ранее широко применялось мокрое тушение. При этом физическая теплота кокса теряется полностью, ухудшается качество кокса, так как возрастает выход мелких фракций из-за растрескивания. Применение вместо охлаждения кокса водой сухого тушения кокса инертными газами с использованием их для получения пара позволяет повысить экономические показатели коксового производства и достичь значительной экономки топлива.

Процесс коксования происходит в коксовых батареях, каждая батарея состоит из 10 камер размерами 4×0,5×12м. В камеру сверху загружают шихту и размолотый уголь с добавками. Через отопительные простенки без доступа воздуха поступает тепло и идет процесс спекания, в результате чего образуется, так называемый «коксовый пирог». Спекание происходит в течении 12-18 часов. Через это время «пирог» выталкивается в вагон при температуре 1100°С. При такой температуре кокс начинает гореть, поэтому необходимо тушение кокса либо мокрым, либо сухим способом.

Мокрое тушение: вагон с коксом устанавливается в тушильную камеру, где он подвергается водному орошению. Физическое тепло кокса не используется. Вследствие теплового удара происходит растрескивание кокса, теряется прочность, влажность кокса составляет 7-10%. Недостатки: высокая влажность кокса, низкое качество. Достоинство: простота конструкции.

Метод сухого тушения кокса известен давно, еще с начала 20 века. Установка (рис. 5.1) состоит из тушильного бункера 1 вместимостью 270 м3, котла многократной принудительной циркуляции 3 КСТ-80 производительностью 25 т/ч пара на параметры Р=4 МПа, tп.п =400°C и дымососа 4. Раскаленный кокс с температурой 1000 – 1100°С выдается из печи в коксоприемный вагон, транспортируется к скиповому подъемнику (емкостью 12-13 т) 2 и выгружается в скип. Подъемником кокс подается к загрузочному устройству тушильного бункера и через него в верхнюю часть бункера, которая выполняет роль аккумулятора горячего кокса. Емкость форкамеры обычно 3-5 печей, она служит для выравнивания расхода кокса во времени, чтобы в зону собственно охлаждения поступал кокс с примерно постоянным расходом. Это позволяет отводить в котел газ-теплоноситель с постоянной температурой и получать пар постоянных параметров, что является одним из главных достоинств УСТК. Охлажденный кокс разгружают через специальное разгрузочное устройство. Через загруженный в бункер раскаленный кокс снизу вверх продуваются инертные газы (средний объемный состав инертного газа: N2=80%, CO2=18%, CO=0,5%, O2=1,5%), которые при этом нагреваются до 800°С и поступают в котел, где охлаждаются до температуры 160-200 °С. После охлаждения газы при помощи дымососа нагнетаются в нижнюю часть бункера.

Установка сухого тушения кокса с котлом-утилизатором
Рисунок 5.1 – Установка сухого тушения кокса с котлом-утилизатором:
1–тушильный бункер; 2–скиповый подъемник; 3-котел КСТ-80;4–дымосос

Для первоначального приготовления инертных газов достаточно заполнить тушильный бункер раскаленным коксом и включить в работу дымосос. Находящийся в газовом тракте установки воздух вызовет выгорание некоторой части кокса, и образовавшиеся при этом продукты сгорания будут выполнять в дальнейшем роль инертного теплоносителя.

Для предотвращения выгорания кокса в процессе эксплуатации установки, образования взрывоопасной смеси при подсосе воздуха, а также просачивания в окружающую среду продуктов сгорания предусмотрены необходимые меры по ее герметизации, а также непосредственное соединение блоков: тушильный бункер–котел–дымосос. Установки сухого тушения кокса системы Гипрококса имеют производительность до 70-90 т/ч кокса и дают до 40 т пара в час. Охлаждение инертного газа от 700-800°С до 200°С происходит в специальном змеевиковом котле утилизаторе с принудительной циркуляцией. Инертный газ проходит через пароперегреватель, пять испарительных секций и две секции водяного экономайзера. Из экономайзера инертный газ, охлажденный до 200°С, забирается дымососом и снова нагнетается в нижнюю часть тушильной камеры. На газоходе, соединяющем верхнюю часть тушильной камеры с котлом-утилизатором, предусмотрено устройство осадительного бункера, а перед дымососом установлен циклон для улавливания пыли, выносимой инертным газом. В котлах утилизаторах получают пар энергетических параметров: р>4,5 МПа, t>450°С. Такой пар используется в турбинах. Вырабатываемой электроэнергии достаточно для работы коксохимического производства.

Преимущества сухого тушения кокса перед мокрым:

  • обеспечивается более высокая твердость кокса и увеличивается на 10-15% выход крупных фракций;
  • повышается теплота сгорания за счет снижения содержания влаги до 1-2% по сравнению с 5-10% при мокром тушении;
  • экономится около 40 кг условного топлива на 1 т кокса за счет получения пара энергетических параметров;
  • себестоимость 1 т пара, полученного на установке сухого тушения кокса, в 2,5 − 3 раза меньше себестоимости пара, вырабатываемого обычными котельными коксохимических заводов, а установка окупается примерно за 2,5 года.

Сухое тушение кокса при всех его достоинствах имеет явный недостаток, выражающийся в снижении выхода кокса. Это явление получило название «угара» кокса, который может составлять от 0,5 до 1,6% на плохо работающих установках. Угар кокса происходит по следующим причинам. В камере тушения может происходить реакция СО2+С=2СО-Q, кроме того, часть кокса выгорает при соприкосновении с кислородом воздуха, который может увлекаться в камеру тушения при загрузках, поступать в систему через неплотности. При реакции кокса с водяными парами, которые могут попадать в систему с воздухом и при неплотностях труб котла-утилизатора, образуется оксид углерода и водород: Н2О+С=СО+Н2.

Котлы-утилизаторы в УСТК

Для уменьшения количества горючих компонентов УСТК оборудованы устройствами для подачи воздуха в тракт после камеры тушения, в результате чего горючие компоненты выгорают или в цикл циркуляции добавляется азот. Излишек циркулирующего охлаждающего газа сбрасывается в атмосферу. Так же к недостаткам сухого тушения кокса можно отнести высокую сложность и стоимость УСТК.

В настоящее время используется котел-утилизатор КСТК-35/40-100 башенной компоновки с верхним подводом газа (рис. 5.2).

Котел-утилизатор КСТК-35/40-100
Рисунок 5.2 – Котел-утилизатор КСТК-35/40-100

Техническая характеристикаКСТК-35/40-100:

  • паропроизводительность – 32,4 т/ч;
  • давление перегретого пара – 4 МПа; температура перегретого пара – 440°С;
  • температура газов: на входе в котел – 800°С, на выходе из котла – 170°С;
  • расход газов через котел – 100 тыс. м3/ч.

Производство проката

Для получения качественного проката заготовку необходимо равномерно прогреть по толщине, т.е. обеспечить минимальный температурный перепад между поверхностью и осью. Методические печи – одно из самых распространенных нагревательных устройств, предназначенных для нагрева металла перед прокаткой. При большом разнообразии конструкций, все печи характеризуются следующими основными признаками (рис. 5.3):

  • вытянутой по горизонтали формой рабочего пространства, постепенным перемещением металла из более холодной в более горячую часть печи;
  • непрерывным графиком работы и постоянным во времени тепловым и температурным режимом печи.

Существующие методические печи работают, как правило, по двухзонному либо трехзонному температурному режиму. При двухзонном температурном режиме различают зону предварительного нагрева или методическую и сварочную. При трехзонном режиме есть еще томильная зона, в которой происходит выравнивание температур по сечению металла.

Схема расположения охлаждаемых деталей нагревательной печи
Рисунок 5.3 – Схема расположения охлаждаемых деталей нагревательной печи: 1-балка торца выдачи; 2-защитные плиты на выдаче слитков; 3-горелки; 4-рамы; 5-заслонки; 6-опорные трубы; 7-поперечные трубы; 8-отбойники; 9-продольные трубы; 10-балка торца загрузки.

В целях увеличения поверхности нагрева металла и сокращения времени его пребывания в печи осуществляется двусторонний нагрев. При этом металл перемещается по горизонтально расположенным вдоль печи охлаждаемым подовым трубам.

Температурный режим методической печи характеризуется следующими значениями температур по зонам, °С: методическая – 800-1150; сварочная – 1250-1350; томильная – 1260-1300.

Особенностью работы горизонтальных труб при испарительном охлаждении является возможность расслоения потока пароводяной смеси и перегрева верхней образующей трубы вследствие низкой теплоотдачи к пару. При обеспечении скоростей циркуляции выше минимально допустимых опасность расслоения и перегрева горизонтальных труб полностью исключается. В связи с тем, что потери тепла с охлаждающей водой составляют 20-30% тепловой мощности печи, необходима тепловая изоляция охлаждаемых элементов. Применение изоляции подовых труб позволяет сократить потери тепла в 3-4 раза по сравнению с неизолированными трубами.

Основными охлаждаемыми элементами методических нагревательных печей являются подовые трубы – глиссажные (продольные) и опорные (поперечные).

При проектировании печей одним из определяющих условий в выборе схемы расположения подовых труб является создание минимальной обогреваемой поверхности этих труб с целью снижения потерь тепла с охлаждением и улучшения условий нагрева металла. В печах мелкосортных станов с наклонным подом подовые трубы отсутствуют. Здесь основными
охлаждаемыми элементами являются подовые плиты.

Кроме перечисленных, в методических печах есть следующие охлаждаемые элементы: опорные змеевики торца посада, отбойники, балки окон загрузки и выдачи металла, пятовые балки, рамы смотровых окон и окон выгрузки, охлаждаемые детали горелок, направляющие брусья, люки и др.

Глиссажные (продольные) трубы являются несущими охлаждаемыми элементами печи, непосредственно воспринимающими весовые нагрузки нагреваемого металла. Они подвержены истиранию нагреваемыми слитками на поверхности опирания. Число глиссажных труб и их размеры определяются размерами печи и весом нагреваемых слитков или заготовок.

Опорные змеевики торца посада печи установлены над дымоспадом крупных методических печей и служат опорой для продольных труб в этом районе печи.

Рамы окон выгрузки устанавливают в печах с боковой выдачей металла. При водяном охлаждении их изготовляют полыми с анкерами. При испарительном охлаждении — трубчатыми. Отбойники служат для предотвращения смещения нагреваемых заготовок в поперечном направлении печи. При включении в систему испарительного охлаждения отбойники выделяют в самостоятельный контур. Балки торца загрузки служат для поддержания свода. При водяном охлаждении их изготовляют полыми, при испарительном охлаждении балку делают трубчатой с набивкой огнеупорной массы. Балка торца выдачи поддерживает свод. При водяном охлаждении ее изготавливают полой, при испарительном – трубчатой.

Горелки крупных нагревательных печей применяют с охлаждаемыми головками. Их конструкция может быть однотипной при водяном и испарительном охлаждении.

Перечисленные выше охлаждаемые элементы методических нагревательных печей испытаны в работе на испарительном охлаждении при естественной циркуляции. Многолетний опыт эксплуатации свидетельствует о высокой их надежности при испарительном охлаждении.