автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.07, диссертация на тему:Разработка технологии частичного охлаждения кокса в совмещенном процессе его тушения и термоподготовки шихты

РГ5 Oft \ ц VilOH 1993

Восточный научно-исследовательский углехимический институт (ВУХИН)

На правах рукописи

СТАХЕШ Сергей Георгиевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЧАСТИЧНОГО ОХЛАЯДЕНИЯ КОКСА В СОВМНШИОМ ПРОЦЕССЕ ЕГО ТУШЕНИЯ И. ТЕРМОПОДГОТОВКИ ШИХТЫ

Специальность 05.17.07 "Химическая технология топлива и газа"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург, 1993

Работа выполнена в Восточном научно-исследовательском угле-химическом институте (ВУХИН)

Научные руководители: доктор технических наук, профессор Сухоруков В.И.

кандидат технических наук, с.н.с. (Бабанин БТП

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Еркин Л. И.

кандидат технических наук, доцент Кауфман A.A. Ведущая организация: Научно-исследовательский институт металлургической теплотехники (г.Екатеринбург)

Защита диссертации состоится 'Vj' ИЮНЯ 1993 г. в 14 часов на заседании специализированного совета Д 141.03.01 при ВУХИН по адресу: 620019, Екатеринбург, ГСП-117, ул. 8 Марта, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВУХИН.

Отзывы и замечания по автореферату просим высылать по вышеуказанному адресу.

Автореферат разослан "¿5" nHFvfl igg3r.

Ученый секретарь специализированного совета,

кандидат технических наук ^Т^Лл^Л-Я.Рытникова

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Невозобновдяемостъ, ограниченные запасы, а также экологические проблемы, связанные с разработкой и потреблением топливно-энергетических ресурсов, являются объективными причинами поиска путей и средств их рационального использования. В энергоемкой коксохимической промышленности значительные вторичные энергоресурсы сосредоточены в виде тепла кокса, выдаваемого из печных камер с температурой 1050± 50'Ъ. Наиболее эффективно утилизировать указанное тепло позволяет разработанный в ВУХИНе совмещенный процесс термоподготоЕки шихты и тушения кокса, в котором теплообмен осуществляется при их непосредственном контакте. Совмещенный процесс, сохраняя преимущества обеих технологий, позволяет существенно снизить капитальные и эксплуатационные затраты, выбросы вредных веществ в окружающую среду. Однако внедрение совмещенного процесса в промышленность сдерживается тем, что для термоподготовки шиты достаточно половины тепла кокса, получаемого из этой шихты. Необходима эффективная утилизация избыточного тепла, не снижающая достоинств совмещенного процесса.

Цель работы состоит в том, чтобы на основе изучения закономерностей теплообмена в системе "непродуваемьш слой кокса-поверхность" и выделения газа при изотермической выдержке и охлаждении кокса разработать технологии и аппаратуру для утилизации избыточного тепла кокса в совмещенном процессе его охлаждения и термоподготовки шихты.

Научная новизна. Впервые получены данные по величине коэффициента теплоотдачи медцу непродуваемым слоем кокса и теплосъемной поверхностью. в зависимости от гранулометрического состава и средней температуры слоя кокса. Определена эффективная теплопроводность и тепловой поток на границе "кокс-панель" непродуваемого неподвижного слоя кокса как функция его температуры и гранулометрического состава. Разработан метод пересчета локальных экспериментальных температур в среднемассовые, позволяющий снизить погрешность при определении эффективной теплопроводности слоя кокса. Создана математическая модель теплообменника. Установлено влияние геометрических параметров теплообменника на интенсивность теплообмена медду коксом и теплось-емаыми поверхностями и на распределение температур в слое. Впервые определены количество и состав газа из кокса при его изотермической выдержке в зависимости от температуры, времени выдерживания и технологических характеристик шихты, а также количество и состав газа при

охлаждении кокса.

Практическая ценность. Разработаны экспериментальные установки для изучения теплообмена между непгсдуваемыми крупно- и полидисперсными углеродистыми материалами и теплообменной поверхностьа Данные по теплообмену, полученные для кокса в широких интервалах крупности и температур, позволяют производить тепловые расчеты рекуперативных теплообменников как для частичного охлаждения кокса в совмещенном процессе термоподготовки шихты и тушения кокса, так и для полного охлаждения кокса Создана математическая модель теплопе-реиоса, позволявшая рассчитывать оптимальные конструктивные и технологически е параметры теплообменника. Результаты исследования выхода и состава газа из кокса при его изотермической выдержке и охлаждении позволили обосновать величину снижения выхода кокса л установках для его охлаждения (например УСТК) при полном отсутствии взаимодействия кокса с окислительными газами. Разработана конструкция рекуперативного теплообменника для охлаждения кокса (частичного и полного), даны рекомендации по выбору материала для изготовления теплосъемных панелей, улавливанию и утилизации газа.

Апробация работы. Основные положения диссертации изложены и обсуждены на: Всесоюзной конференции "Швышение эффективности коксохимического производства" (Харьков, 1987г); конференции "Совершенствование технологии переработки углей и повышение качества продукции на коксохимических производствах Кузбасса и Алтая" (Новокузнецк, 1988г); 10-й конференции молодых ученых и специалистов Урала "Проблемы теплотехники металлургических процессов и агрегатов" (Свердловск, 1987г), 5-й конференции молодых ученых и специалистов "Пути повышения эффективности исследования углей, процессов и _ продуктов их переработки" (Свердловск, 1988г); 6-й конференции молодых ученых "Исследование углей, процессов и продуктов их переработки" (Свердловск, 1991г).

Публикации. По материалам работы опубликовано 8 печатных работ и получено положительное решение на выдачу авторского свидетельства на изобретение.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 96 наименований. Материал изложен на 132. страницах машинописного текста и содержит 35 рисунков и 7 таблиц.

1. СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТОК И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ И

ТЕХНОЛОГИИ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА РАСКАЛЕННОГО КОКСА

Перспективным направлением совершенствования производства кокса является комбинирование сухого тушения кокса и термической подготовки угольной шихты. Наибольший эффект достигается при осуществлении разработанного ВУЙШом совмещенного процесса, в котором нагрев шихты и охлаждение кокса производится.путем их прямого теплообмена в одном аппарате. Исключение из теплообмена промежуточного теплоносителя позволило достичь наибольшего теплового КПД при существенном снижении капитальных и эксплуатационных затрат; а также выбросов вредных веществ в атмосферу.

Сдерживающим фактором для внедрения в промышленность совмещенного процесса ВУХИНа является избыточное тепло кокса: потребность в тепле для нагрева шихты составляет.половину тепловых ресурсов коксз, получаемого из этой шихта Обеспечить утилизацию тепла при сохранении преимуществ совмещенного процесса позволит предварительное ох-ладдение кокса в теплообменнике с паро(водо)-охлаждаемыми панелями, перед его подачей на теплообмен с угольной шихтой.

Необходимые для теплового расчета теплообменника данные отсутствуют. Нет сведений о выходе и составе газа из кокса при его изотермической выдержке и охлаждении, которые необходимы для разработки гидравлического режима теплообменника. Отсутствие аналогов подобных агрегатов, требует разработки технологических и конструктивных параметров теплообменника-парогенератора с передачей тепла через стенку.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМЕ "НЕПРОДУВАЕШЙ

СЛОЯ КОКСА-ТЕШЮОБЫЕННАЯ ПОВЕРХНОСТЬ"

Для определения коэффициента теплоотдачи от слоя кокса к поверхности теплообмена была создана экспериментальная установка состоящая из металлической реторты 1, внутри которой установлена во-доохлаадаемая панель 2 (Рис.1.) Стенки реторты 1, под и крыжа 3 футерованы шамотным кирпичом. Температуру в слое кокса измеряет хро-мель-алшелевыми термопарами 4 и вторичным прибором КСП-4.

Водоохлзддаемая панель представляет собой сварную конструкции, из швеллеров. Вода в панели движется "по змейке", меняя направление на в каждой последующей секции.

Рио. 1. Конструкция установки для определения коэффициента теплоотдачи от кокса к теплосъемной поверхности: 1-реторта; 2-панель; 3-крышка; Б-ротаметр; 6-вентиль.

Ко'ке для загрузки в экспериментальную реторту получали в полузаводской коксовой печи с шириной камеры 410 мы. При исследовании влияния гранулометрического состава кокса на теплообмен после выдачи из печной камеры его охлаждали, рассеивали на стандартные классы крупности и после вторичного нагрева загружали в реторту.

Коэффициент теплопередачи от кокса к воде определяли по формуле:

к= й/скг-Пх+тод» (1)

где О-тепловой поток от кокса к воде, Вг/(1Г );

К-коэффициент теплопередачи, йгДм2- К); средняя температура слоя кокса, "С;

Т^ ,Тг-температура воды соответственно на входе и выходе из панели. "С.

Тепловой поток определяли по тепловому балансу воды, проходящей через панель. Изучение влияния гранулометрического состава кокса на величину коэффициента теплоотдачи осуществляли на смесях (табл.1).

Среднеквадратичные относительные отклонения расчетных данных от экспериментальных не превышали 10Х. Графики уравнений регрессии представлены на рис.2.

С увеличением крупности кокса коэффициент теплоотдачи возрастает. Характер его изменения для всех смесей кокса аналогичен: слабая зависимость от температуры в области до 500-600*С и далее коэффици-

Таблица 1 Гранулометрический состав кокса

Состав

Содержание (2) классов крупности, мм

+80 80-60 60-40 40-25 25-10 10-0 25-0

1 30 40 20 10 0 0 - 71

2 15 40 35 10 0 0 - 64

3 2,2 22 50 22 - - 3,5 54

4 10 20 35 20 - - 15 50

5 - - - 40 60 - 11

й.мм

ент теплоотдачи резко возрастает, что свидетельствует о преобладании в высокотемпературной области лучистого теплообмена. С увеличением крупности кокса граница начала возрастания коэффициента теплоотдачи сдвигается в область более низких температур.

/-V

сч*

60

н

га

. 50

к

ь о

I

о.

40

30 .

20

10

400 500 600 7 00 800 900 Средняя температура кокса, °С Рис. 2. Зависимость коэффициента теплоотдачи от средней температуры и гранулометрического состава кокса: 1-5 -номера гранулометрических составов по табл.1;

--неподвижный сдой;---• -'.движущейся слой.

Связь между коэффициентом теплоотдачи 04). средней температурой (тк) и» средним диаметром куска (<£) в слое кокса описывается уравнением:

САК ЕХр(-2,0?6И)-Е>р(2,5150€/\) (2)

г=0,837; б =19,1 Уравнение определено для условий: температура 600-950 ' С, средний диаметр куска слоя кокса 11-71 мм.

Для исследования теплообмена мелду движущимся слоем кокса и во-доохлаждаемыми панелями была создана опытная установка на Криворожском КХЗ, которая представляет собой корпус из огнеупорного кирпича с расположенными внутри водоохладдаемыми панелями. Выгрузку кокса осуществляют' толкателем- порционером. В процессе эксперимента регистрировали расход воды и температуру на входе и выходе из каждой панели, а также температуру в слое кокса

Скорость схода кокса устанавливали изменением времени между ходом толкателя из одного положения в другое. Через устаношу пропускали промышленный кокс следующего гранулометрического состава : Классы крупности, мм +80 60-80 40-60 25-40 0-25 Содержание, % 11 31 36 13 9

Плотность насыпной массы кокса после его загрузки в установку составляла 0,4 т/М5 (порозность 0,6 ^/ъР), а при разгрузке уменьшалась до 0,35 т/м5.

Характер зависимости коэффициента теплопередачи (К) от средней температуры движущегося слоя кокса аналогичен зависимости для неподвижного слоя кокса (ем. рис. 2.). Однако абсолютные значения коэффициента теплоотдачи выше, чем для неподвижного слоя близкого гранулометрического состава, что объясняется увеличением размеров межкускового пространства и, как следствие, конвективного и радиационного теплообмена.

Шлученные данные позволяет рассчитывать поверхность теплообмена рекуперативного теплообменника для охлаждения кокса. Так, для охлаждения 100 т кокса в час поверхность теплообмена должна составлять 775-850 Ирк сечении бункера 8*8 м и расстоянии между панелями 1 м высота теплоойменной зоны составит 8 м. 14® этой может быть получено 19-20 т/ч пара с давлением 1,4 МПа и температурой 320*5 "С.

Таким образом, имеется возможность практической реализации

предлагаемого способа утилизации избыточного тепла кокса. Причем охлаждение кокса до 630-650 "с, по сравнению с охлаждением до 200 "с, обеспечивает более эффективный теплообмен между слоем кокса и водой (паром).

Коэффициенты теплоотдачи, полученные на экспериментальной установке Опытного завода ВУХИН (неподвижный слой) и опытно-промышленном теплообменнике в составе установки совмещенного процесса на Криворожском КХЗ (движущейся слой), достаточны для технического проектирования промышленного теплообменника охлаждения кокса.

С целью оптимизации конструкции теплообменника создана математическая модель теплообмена основанная на представлении о гетерогенной среде "кокс-газ" как гомогенной с эффективными телмфизическими характеристиками.

Для получения эффективной теплопроводности в слое кокса решалась следующая задача: _

= (3)

где ^ **

Начальные условия: - Тс (4)

Граничные условия:

3 - ^еог—

<Со К*1

где С(Т)-объемная теплоемкость насыпного слоя;

Хо-координата границы "водоохлаждаемая панель-кокс".

Одновременно с эффективной теплопроводностью определялась плотность теплового потока-0(о) как функция температуры на границе "водоохлаждаемая панель-кокс". Расчеты эффективной теплопроводности выполнены для кокса с гранулометрическим составом И 1, 2 и 5 (табл.1).

Шказано, что эффективная теплопроводность слоя кокса увеличивается с повышением температуры и крупности кокса С повышением температуры растет лучистая еоставдякдая в общем теплообмене. Максимальная погрешность между экспериментальной и расчетной температурой при использовании средней эффективной теплопроводности не превышает 63 град, (максимальная относительная погрешность 7X), что приемлемо для практических расчетов.

Распределение температур в слое получали решением уравнения теплопроводности: эт э , эт^

где С„-объемная теплоемкость;

(6) (7)

Т-температура;

Дэчгэффективная теплопроводность слоя кокса

Граничные условия:

•^с?х!х = *е=0 ^ 5ГСЛ0ВИЯ симметрии) (9) где х, -координата левой границы слоя кокса

Теплообмен на границе "кокс-панель" описывается уравнением:

где О-экспериментально-раечетный тепловой поток;

х., -координата правой границы слоя.

Начальные условия:

Т = 7(ХЛ) (и)

Шахматное расположение теплосъемных панелей.моделировалось поочередной заменой граничных условий на правой и левой границах элемента теплообменника. Были рассчитаны температурные поля в слое кокса при следующих конструктивных параметрах: сплошной канал, два, четыре и восемь рядов панелей установленных в шахматном порядке. Высота всех панелей в каждом отдельном варианте была одинаковой. Ширина слоя была принята равной 500 мм, скорость схода кокса 1 мм/.с. После зоны теплообмена моделировалась зона "выдерживания", не имеющая теплообменных поверхностей (0=0).

С увеличением количества рядов панелей экспоненциально снижаются высота теплообменкой зоны и максимальная разность температур в слое кокса на выходе из теплообменника (табл.2). Зона "выдерживания" позволяет дополнительно уменьшить максимальную разность температур в слое кокса При практической реализации рекуперативного теплообменника достаточно ограничиться четырьмя рядами.

Таблица 2

Влияние конструкции теплообменника на высоту теплообменной зоны и равномерность охлаждения кокса

Количество Высота кТщхх ! СЬ) после зоны "вы-

рядов зоны после зоны ! держивания" высотой, м

теплообмена, теплообмена, 1------------- ------------

м °С ! 1 2

1 9,5 423 1 245 174

2 7,6 312 1 175 124

4 6,6 237 СО 63

8 6,2 230 \ 69 37

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ВЫДЕЛЕНИЯ ГАЗА ИЗ КОКСА ПРИ ЕГО ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ВЫДЕРЖКЕ И ОХЛАЖДЕНИИ

Для определения количества и состава газа, выделяющегося в процессе изотермической выдержи кокса, использовали шихту ЗСМК состоящую из концентратов (К+К2)-59%, (Г17+Ж)-41%. Качество шихтьс влажность v£ -4,1%, зольность X, выход летучих веществ v^ -27,5%, толщина пластического слоя Y-15 мм, уровень измельчения 100% класса <3мм. Вес загружаемой в реторту шихты 120 г. Нагрев осуществляли со скоростью 5 и 10 град/мин. Температура изотермической выдержки 900, 1000 и 1100 °С.

Для Бсех условий проведения экспериментов характер газовыделения при нагреве, изотермической выдержке и охлаждении аналогичен : выделение газа и,соответственно, уменьшение массы кокса идет непрерывно и заканчивается только на стадии его охлаждения (рис. 3).

1.5

сi U

2 5

CD

ч

1,0 ..

0,5

6)

/

800. 1000 1 0 20 30 4 0 900,

JC

700

мин

Рис. 3. Выделение газа из кокса при: нагреве (а), изотермической выдержке (б) и охлаждении (в)

При изотермической выдержке кокса скорость выделения водорода, азота и оксида углерода экспоненциально снижается с увеличением времени выдерживания.

С повышением скорости нагрева загрузки увеличивается скорость газовыделения всех индивидуальных компонентов при изотермической выдержке кокса, что обусловлено относительной незавершенностью процессов поликонденсации вещества полукотеа-кокса, для протекания которых требуется время. Скорость выделения водорода уменьшается, а

азота и оксида углерода - увеличиваются с повышением температуры изотермической выдержки . Зависимости скоростей выделения индивидуальных газов от скорости нагрева загрузки при получении кокса и температуры выдерживания определяют аналогичные зависимости выделения массы (объема) газов от этих факторов. Бри изотермической выдержке объем водорода значительно превышает объемы азота и оксида углерода. Обший объем газа в значительной мере определяется объемом водорода к, как следствие, имеет такую же зависимость от исследуемых факторов, что и водород. Массовый выход компонентов оказывается сопоставимым из-за существенно большей плотности азота и оксида Углерода по сравнению с плотностью водорода. Меньший интервал изменения, данных по массовому выходу газа по сравнению с объемным выходом обусловлен различным влиянием температуры выдерживания на выделение водорода и на выделение оксида углерода с азотом (рис.4).

фи скорости нагрева угольной загрузки 5 град/мин выход массы газа из кокса увеличивается с повышением температуры изотермической выдержки, а при 10 град/мин выход минимальный при 1000 °С и максимальный при 1100 вС.

20 40 60 80 IU0 Í20

Время,мин

Рис. 4. Выделение газа при изотермической выдержки кокса: 1,2,3-температура 900, 1000, 1100 "С;

старость коксования: -—10 град/мин,---5 град/мин.

Для всех условий проведения экспериментов содержание индивидуальных компонентов в Газе составляет, Zo6 . : водорода 73,5-89,3, азота 5,4-15,4, оксида углерода 4,1-11,1. Обгемное содержание водорода в газе снижается с уменьшением скорости нагрева загрузки (за исключением температуры 900 °С) и с увеличением времени изотермической выдержки. Противоположную зависимость имеет содержание азота. Содержание оксида углерода в течение изотермической выдержки сначала несколько увеличивается, затем практически не изменяется. Влияние скорости нагрева заметно только при температуре 1100 °С-содержание оксида углерода возрастает с уменьшением скорости нагрева

Для установления зависимости между объемом (массой) и скоростью нагрева загрузки, температурой и временем изотермической выдержки был проведен множественный регрессионный анализ. Получены следуйте уравнения.

0.SO1S li?l ,

(Г=т; •Expf-io.a)-! • Ехр(з5??,г/т-з,б&э?/я: +

+ o,o52?36-vy* о^рзгз-т) (12.)

r=0,986; s -1,291

+ 0,28848-Ю"6-/)

r-0,972; s -0,00166 где 0"-удельный объем газа, mVt кокса; М-масса газа, X от массы кокса; ^-скорость нагрева загрузки, град/мин; -время изотермической выдержки, мин. Излученные зависимости определены для следующих условий:

5 <ГС< 120, 900 < Т < 1100, 5 < V < 10. За 40 мин "потеря" массы кокса за счет выделения летучих веществ составила 0,46-0,55%, объем газа 13,5-30,5 нм5 на тонну кокса; состав газа, Z об .: водород 75-92, азот 2-13,' оксид углерода 3,5-11." Указанное снижение выхода валового кокса объективно обусловлено процессами, протекающими в коксе при его изотермической выдержке и не связано с условиями эксплуатации УСТК.

Изучали влияние технологических свойств угольной шихты на газовыделение при изотермической выдержке кокса В качестве базовой была использована производственная шихта (и) ШШ состава, Z : F+OC-25, Ж+ГЕ-35,К-20,К2-20. Остальные смеси получены добавлением к ней Кузнецких углей различных технологических груш (табл.3).

Таблица 3 Составы и качество угольных смесей

СостаЕ Технический анализ Пластометри- !

смеси Z кий анализ, мм!

< V^ ! / Y 1 X !

шихта НГШ 100 % 1.6 ! 26.0 ! 9.4 16 ! 31 !

75% ш. НГМК + 25% К2 1.7 1 24.3 1 9.1 13 ! 26 !

80% ш. ЗГМК + 20% Ж 1.6 ! 27.6 1 9.9 17 ! 25 !

60,t ш. НГШ + 40% Г17 1.0 ! 29.8 ! 8.6 15 ! 31 i

Смеси по еыходу летучих веществ и толщине пластического слоя в широком диапозоне охватывают производственные шихты из углей Кузнецкого бассейна. Скорость нагрева загрузки и температура изотермической Еыдержки составляли соответственно 5 град/мин и 1000вС. Установлено, что изменение в указанных интервалах свойств шихты мало влияет на Еыделе.ние газа при изотермической выдержке кокса (табл. 4).

В отличие от выхода газа при изотермической выдержке кокса, выход коксового остатка имеет линейную зависимость от выхода летучих веществ из шихты. Отсутствие линейной зависимости между выходом газа при вццерживании кокса и выходом летучих веществ из шихт можно объяснить различным соотношением количества жидкой и газовой фаз, образующихся при деструкции смесей углей с разными технологическими свойствами.

Впервые было установлено, что выделение газа происходит не только при изотермической выдержке, но и при охлаждении кокса. Скорость нагрева загрузки при получении кокса также была принята 5 и 10 град/мин, конечная температура нагрева 1000°С. Охлаждение кокса и анализ газа осуществляли как непосредственно после окончания нагрева, так и после 40 минутной изотермической выдержки. Охлаждение проводили со скоростью 10 град/мин.

Скорость выделения водорода ниже при меньшем темпе нагрева и существенно снижается при наличии предварительной изотермической выдержки. Полное прекращение выделения водорода отмечается в интервале температур 800-700 "С. Аналогичная зависимость скорости выделения от

Таблица 4.

Выход газа при изотермической выдержке кокса (2 мае.), полученного из шихты с различным выходом летучих веществ.

Время, мин Выход летучих из шихты, 2 (V"^) Средний выход из кокса, %

24.3 26.0 27.6 • 29.8

20 0.356 -5.32 0.375 -0.27 0.391 +3. 99 0.382 +ОВ* 0.376

40 0.561 0.210 0.583 0.224 0. 598 0. 235 0. 594 0. 22? 0.584

60 0. 719 -3.49 0. 749 -ЮГЫГ 0. 757 +1.61 0. 754 +гтгг~ 0.745

80 0.856 0. 905 +3.7Ö 0.895 +2.64 0.830 -4.82 0.872

100 0. 987 -3.B0 1.068 +£"09" 1.024 ЧПЭ" 1.026 0 1.026

120 1.124 -3. 76 1.226 +4.96 1.156 -1.03 1.164 1.168

В числителе-выход газа из кокса (X мае), в знаменателе-откдонение от среднего (2 отн).

исследуемых факторов наблюдается для оксида углерода, выделение которого прекращается в интервале 850-700 *С. Процесс охлаждения кокса сопровождается выделением азота во всем исследуемом интервале температур.'

При охлаждении кокса выделяется 7-9 нм газа на тонну, в результате его масса уменьшается на 0,19-0,222. Изотермическая выдержка кокса перед охлаждением приводит к уменьшению объема выделяющегося газа до 2-3 тР и снижению потери массы кокса до 0,11-0,12%. Основные закономерности газовыделения, полученные при изотермической ввдержке кокса сохраняется и при его охлаждении. Более высокая скорость нагрева загрузки приводит к увеличению выхода газа, объем водорода превышает объемы других компонентов, но массовые выходы водорода, азота и оксида углерода отличаются незначительно.

фи отсутствии изотермической выдержки объемное содержание компонентов составляет,. 2 об .: водорода 85-90, азота 4-9, оксида углерода 5-6. Предварительная изотермическая выдержка приводит к снижению содержания водорода до 70-80Z и повышает содержание азота до 12-232 и оксида углерода до 6-102 об >.. Чем низке конечная температу-

ра термостатирования, тем меньше в выделяемом газе водорода и оксида углерода и больше азота,

4. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ТЕПЛООБМЕННИКА ДЛЯ ЧАСТИЧНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ КОКСА В СОВМЕЩЕННОМ ПРОЦЕССЕ

Конструкция теплообменника представлена на рис. 5. Все расчеты выполнены для производительности агрегата 100 тонн кокса в час. Для охлаждения такого количества кокса от 1000 до 650 "С требуется 800 м теплообменной поверхности, фи этом может быть получено 18,7. т пара на тонну кокса с давлением 1,4 Ыпа и температурой 320°С.

Рис. 5. Конструкция теплообменника для охлаждения кокса: 1-корпус; 2-панели; 3-разгрузочное устройство

Теплоеьемные панели расположены в шахматном порядке в четыре вертикальных ряда, чем достигается высокая интенсивность теплообмена между коксом и панелями при незначительном усложнении конструкции агрегата. Количество панелей в первом и третьем рядах по 7, а во во втором и четвергом по 8. Свободная зона между вертикальными рядами необходима для обеспечения расстояния не менее 800 мм между соседними панелями смежных рядов, что предотвращает сводообразование

слоя кокса и нарушение движения. Размеры сечения верхнего проема теплообменника имеют величину, необходимую для установки загрузочного устройства промышленной УСТК. Размеры сечения нижнего проема выбраны с учетом габаритов грохота для рассева горячего кокса. Загрузочное устройство, коксовозный вагон и подъемник кузова коксовозного вагона аналогичные применяемым на УСТК.

Корпус теплообменника сечением 8x8 метров. Высота теплообменной зоны 8 метров. Накопительная камера высотой 3 метра обеспечивает создание запаса кокса для работы агрегата в течение 1,5 час. Обдая высота теплообменника 20 метров.

Надежность работы агрегата для предварительного охлаждения кокса во многом будет .определяться надежностью функционирования разгрузочного устройства , предназначенного для обеспечения выгрузки горячего кокса с температурой 630-650 Чз с заданной и одинаковой скоростью его движения в любой точке теплообменника Более всего предъявляемым требованиям отвечает разгрузочное устройство, .аналогичное применяемым в печах Лурги. В этом устройстве слой кокса при помощи взаимно перпендикулярных рассекателей делится на несколько потоков и при помощи толкателей-порционеров сбрасывается в разгрузочные окна, расположенные по всему выходному сечению теплообменника. Для агрегата производительностью 100 тонн в час предусматривается 6 толкателей- порционеров, имеющих по 4 рабочих органа каждый. Количество разгрузочных окон-30.

С целью проверки работоспособности устройства и соответствия расчетной производительности фактической, был изготовлен элемент разгрузочного устройства (3 разгрузочных окна) в натуральную величину. В испытаниях использовали холодный кокс следующего гранулометрического состава, X по классам крупности, мм +80-11, 60. .80-31, 40. .60-36 , 25. .40-13 , 25. .0-9. Испытания показали надежность работы разгрузочного устройства. Не наблюдалось затирания и заклинивания кусков между движущимися и неподвижными частями устройства. Фактическая производительность соответствовала расчетной. Не было осложнений в работе разгрузочного устройства при работе с коксом крупностью >80 мм.

В промышленном теплообменнике каждый толкатель-порционер должен иметь свой привод, обеспечивающий возможность регулирования врецени возвратно-поступательного движения толкателя. Это позволит скорректировать производительность агрегата для кокса конкретного гранулометрического состава.

Для изучения движения кокса и работы разгрузочного устройства была создана лабораторная модель предлагаемой конструкции промышленного теплообменника в масштабе 1:10. Две боковые стенки, изготовленные из стекла, позволяли визуально наблюдать движение кокса с размером частиц 0-12 мм. Исследования показали надежный сход материала. Перемешивание частиц, особенно заметное на выходе из модели, в реальном процессе будет способствовать повышению интенсивности теплообмена между коксом и панелями по сравнению с неподвижным слоем. Изменение частоты возвратно-поступательного движения толкателей относительно друг друга позволяет в широких пределах изменять скорость движения материала.

С целью изучения абразивного износа и выбора материала для теп-лосъемных панелей была создана лабораторная установка и испытаны: чугун, хромистый чугун, алюминиевый чугун, сталь 3, сталь 45 и сталь 12Х18Ш0Т при температурах 20, 100, 150, 200 и 250 "С. Установлено, что по абразивным свойствам сталь 3, сталь 45 и сталь 12Х18Ш0Т существенно не отличаются. Чугун обладает высокой величиной износа при низких температурах, приближаясь к указанным выше материалам при температуре 250°С. Наибольшим износом характеризуется алюминиевый чугун.

Для предотвращения неорганизованного выброса газов, необходимо предусмотреть их удаление из теплообменника и утилизацию. В теплообменнике необходимо поддерживать небольшое (0-20 Па) разряжение. Отсасываемый газ целесообразно направлять на смешение с обратным коксовым газом.

5. ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА УТИЛИЗАЦИИ ИЗБЫТОЧНОГО ТЕПЛА ЮКСА В РЕКУПЕРАТИВНОМ ТЕПЛООБМЕННИКЕ

В качестве базы для сравнения принят вариант производства кокса с совмещенным процессом термоподготовки шихты и тушения кокса, при реализации которого кокс одной батареи направляется на теплообмен с угольной шихтой, а гаке второй батареи охлаждается в УСТК.

Определено, что текущие затраты и себестоимость по базовому варианту составляют соответственно 1,74 и 30,50 руб., а по варианту с использованием рекуперативного теплообменника вместо УСТК (предлагаемому) эти затраты составляют 1,23 и 29,62 руб. (в ценах 1984 г).

Снижение себестоимости тонны кокса по предлагаемому варианту на

0,83 руб. достигается за счет снижения расхода шихты, эксплуатационных затрат , цеховых и общезаводских расходов.

Повышение оптовой цены кокса связано с улучшением качества кокса по показателю М25 на О,2 % и составляет 0,04 руб./т.

Капитальные затраты по предлагаемому варианту ниже, чем по базовому за счет исключения из технологической схемы УСТК и замены ее на теплообменник. Экономический эффект от внедрения совмещенного процесса термоподготовки шихты и тушения кокса с утилизацией избыточного тепла кокса в рекуперативном теплообменнике составляет 1,60 руб. на 1 т сухого кокса.

Использование в технологической схеме совмещенного процесса рекуперативного теплообменника предотвращает ущерб от загрязнения атмосферы вредными веществами (оксид углерода, угольная пыль и т. д.), который при использовании УСТК составляет 0,9 руб/Гкал пара. Общий экономический эффект составит 1,71 руб. на тонну сухого кокса.

ВЫВОДЫ

1. Созданы установки и изучен теплообмен между непродуваемым ^(движущемся и неподвижным) слоем кокса и теплообменной поверхностью.

Получены данные о величине коэффициента теплоотдачи (сА.,0 между коксом и тешгосъемной панелью. Установлено, что в низкотемпературной области с^«. слабо зависит от температуры, а выше 500-600 *Ь резко возрастает. Коэффициент теплоотдачи от неподвижного слоя кокса к панели ниже, чем от движущегося, что связано с более высокой пороз-ностью последнего. Данные по позволяют определять необходимую поверхность теплообмена.

2. Разработан экспериментально-расчетный метод и определены эффективная теплопроводность сдоя кокса (Аэ^ и удельный тепловой поток (0) от слоя кокса к теплообменной поверхности. Установлено, что эффективная теплопроводность растет с повышением температуры и среднего диаметра куска слоя кокса. Показана возможность представления гетерогенной системы "кокс-газ" как гомогенной с эффективными теплофи-зическими характеристиками.

3. С использованием данных поЯэч» и 0 создана математическая модель охлаждения кокса в рекуперативном теплообменнике, позволяющая рассчитывать температуры в слое кокса в любой точке по высоте и ширине теплообменника, определять конструктивные параметры

агрегата (размеры панелей, число рядов панелей, порядок их расположения) в зависимости от производительности, агрегата, гранулометрического состава кокса, его начальной и конечной температуры и др.

4. Показано,' что с увеличением числа рядов панелей, установленных в шахматном порядке габариты теплообменника экспоненциально уменьшаются, а также снижается максимальная разность температур в выдаваемом коксе. Дополнительно уменьшить температурный градиент в слое охлажденного кокса позволяет зона "выдерживания", расположенная после зоны теплообмена

5. Изучены основные закономерности выделения газа при изотермической выдержке и охлаждении. Установлено, что выделение газа при нагреве шихты, ■ изотермической выдержке полученного кокса и его охлаждении вдет непрерывно и заканчивается на стадии его охлаждения, фи изотермической выдержке кокса в интервале температур 900-1100 °С выделяются водород, азот и оксид углерода Уменьшение массы кокса при выдерживании и охлаждении может достигать 0,5-0,652 (60 минут выдержки) или 0,75-1,002: (120 минут) при выходе газа соответственно 12-32 и 20-42 м на тонну кокса. Содержание отдельных компонентов в газе состовляег, 2об: водорода 73,5-89,3, азота 5,4-15,4, оксида углерода 4,1-11,1. Приведенные данные свидетельствуют о том, что снижение выхода валового кокса и образование избыточного теплоносителя в УСТК связаны не только с "угаром" кокса, во и объективно обусловлены процессами уплотнения его структуры при изотермической выдержке и охлаждении. Объем газа выделяющегося при охлаждении кокса составляет 7-9 м5/т, масса кокса уменьшается на 0,19-0,22%. Изотермическая выдержка кокса перед охлаждением в течение 40 мин приводит к уменьшению объема газа до 2-3 м5 на тонну кокса и снижению потери массы на 0,11-0,12%. Для обеспечения экологически чистой и безопасной работы теплообменника необходимо предусмотреть мероприятия по улавливанию и утилизации газа, ввделякщэгося из кокса при его изотермической выдержке и охлаждении. В соответствии с полученными данными .должен быть скорректирован норматив "угара" кокса в УСТК.

6. Создана экспериментальная установка и определен абразивный износ различных материалов при контакте с коксом в широком интервале температур, даны рекомендации по выбору материала для изготовления панелей. Показана возможность использования для изготовления панелей широко распространенных сплавов. Разработано разгрузочное устройство, обеспечивающее равномерный сход кокса в парогенераторе любого сечения. Принятые технические решения проверены на лабораторной

модели теплообменника (Ы 1:10) и на элементе разгрузочного устройства (М 1:1) при работе с промышленным коксом. Указанное разгрузочное устройство не накладывает ограничений на размеры поперечного сечения теплообменника.

7. Сопоставление технико-экономических показателей совмещенного процесса в комплексе с УСТА и совмещенного процесса с разрабатываемым теплообменником, показало более высокую экономическую эффективность последнего и составляет 1,60 руб на тонну кокса (в ценах 1984 года).

8. Ш результатам выполненной работы выданы исходные данные НПО "Белгород-энергомаш" на проектирование головного образца промышленного рекуперативного теплообменника в составе совмещенного процесса для Алтайского КХЗ.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Стахеев С. Г., Мильштейн М.Н. Исследование процесса теплообмена между раскаленным коксом и водоохлаждаемыми панелями //В сб.:

«. Проблемы теплотехники металлургических процессов и агрегатов. Тезисы докладов. Конференция молодых ученых и специалистов Урала. Свердловск. 1987. С. 16-17.

2. Стахеев С. Г., Мильштейн М. а , Александрова Г. Н. Разработка методики расчета рекуперативного теплообменника типа "коке-(вс-да)пар" //В сб.: Пути повышения эффективности исследования углей, процессов и продуктов их переработки. Тезисы докладов. Всесоюзная конференция. Свердловск. 1988. С. 7-8.

3. Бабанин Б. И., Стахеев С. Г., Забежинский Л. Д., Бабанин В. И., Мильштейн М. а Исследование теплообмена и разработка проектных решений по энерготехнологическому агрегату в совмещенном процессе термоподготовки шихты и тушения кокса //В сб.: Повышение качества продукции на коксохимических производствах Кузбасса и Алтая. Тезисы докладов. Новокузнецк. 1988. С. 30-32.

4. Бабанин Б. И., Бабанин Е И., Стахеев С. Г. и др. Утилизация избыточного тепла при совмещенном процессе термической подготовке шихты и тушения кокса //Кокс и химия. 1988. N5. с. 17-20.

5. Стахеев С. Г., Мильштейн М. Е , Александрова Г. Е Выбор оптимальной конструкции рекуперативного теплообменника для утилизации избыточного тепла в совмещенном процессе термоподготовки шихты и ох-

лзддения кокса //В сб.: Исследование углей, процессов и продуктов их переработки. Тезисы докладов. Всесоюзная конференция. Свердловск. 1991. С. 50-51.

6. Ы. Н. Мильшгейн, Стахеев С. Г., Забежинский Л. Д.. Определение теплофизических характеристик слоя при охлаждении //Кокс и химия. 1991. N4. С. 13-15.

7. СтахееЕ С. Г., Забежинский Л. Д., Ляхов Ю. н: Исследования в области разработки знерготехнологического агрегата для совмещенного процесса термической подготовки шихты и тушения кокса //Кокс и химия. 1992. N2. С. 36-38.

8. Стахеев С. Г., Сухоруков В. И., Родькин С. П. Выход и состав газа при изотермической выдержке и охлаждении кокса в УСТК //Кокс и химия. 1992. N10. С. 17-21.

9. Заявка на изобретение "Знерготехнологическая установка для охлаждения кокса и термической подготовки шихты"

Приоритетная справка N4728510 от 14.08.89.

Авторы: Дорман Е. К., Забежинский Л Д., Пэрыяков Е. А., Стахеев С. Г., Бабанин Е К., Грязнов В. А.