Вопрос 115. Начертите схему коксовой батареи. Устройство коксовой камеры. Технология процесса коксования.

Коксование углей представляет собой высокотемпературный химический процесс. Реакции протекают сначала только в твердой фазе. По мере повышения температуры происходит образование газо- и парообразных продуктов, протекают сложные реакции внутри твердой и газовой фаз, а также происходит взаимодействие между ними. Основным фактором, определяющим протекание процесса коксования, является повышение температуры, ограниченное рядом факторов, среди которых следует указать на снижение выхода смолы и сырого бензола, изменение состава продуктов коксования, нарушение прочности огнеупорных материалов, используемых для кладки коксовых печей.

Коксовые печи относятся к печам косвенного нагрева — в них теплота к коксуемому углю от греющих газов передается через стенку. Коксовая печь, или батарея (рис. 1), состоит из 61-77 параллельно работающих камер, представляющих собой длинные, узкие каналы прямоугольного сечения, выложенные из огнеупорного кирпича. Каждая камера имеет переднюю и заднюю съемные двери (на чертеже не показаны), которые в момент загрузки камеры плотно закрыты. В своде камеры находятся загрузочные люки, которые открываются при загрузке угля и закрыты в период коксования. Уголь
в камере нагревается через стенки камеры дымовыми газами, проходящими по обогревательным простенкам, находящимся между камерами. Горячие дымовые газы образуются при сжигании доменного, обратного коксового или, реже, генераторного газов. Теплота дымовых газов, выходящих из обогревательного простенка, используется в регенераторах для нагрева воздуха и газообразного топлива, идущих на обогрев коксовых печей, благодаря чему увеличивается тепловой КПД печи. При работе коксовой камеры следует обеспечить равномерность прогрева угольной загрузки. Для этого необходимо равномерно распределить греющие газы в обогревательном простенке и правильно выбрать габариты камеры. Равномерное распределение греющих газов достигается разделением обогревательных простенков вертикальными перегородками на ряд каналов, называемых вертикалами. По вертикалам движутся греющие газы, они отдают теплоту стенкам камеры и уходят в регенераторы. При установившемся режиме количество теплоты Q, переданное за единицу времени, в печах косвенного нагрева определяется по уравнению

где k_Т — коэффициент теплопередачи, кДж/(м²·град·ч); F — поверхность теплопередачи, м²; Dt — разность между температурой греющего газа в обогревательном канале t_К и температурой угольной загрузки t_y, °C. Коэффициент теплопередачи равен

где a₁ и a₂ — коэффициенты теплоотдачи соответственно от греющих газов к стенке печи и от стенки к угольной шихте, кДж/(м²·град·ч); d1 — толщина стенки, м; d2 — половина толщины угольной загрузки, м; l₁, l₂ — соответственно коэффициенты теплопроводности стенки и угольной загрузки, кДж/(м²·град·ч).

Для увеличения коэффициента теплопередачи, помимо обычных приемов повышения a₁ и a₂, уменьшают толщину стенки камеры и слоя угля. Обычно толщина стенки, выполненной из динасового кирпича, около 0,1 м, а ширина камеры принимается равной
407-410 мм. Поверхность теплопередачи F зависит от размеров камеры. Длина камеры ограничивается статической прочностью простенков, трудностью удаления кокса выталкивателем, сложностью равномерного распределения газов в обогревательном простенке. Длина камеры примерно 14 м. Высота камеры определяется в основном условиями равномерного обогрева ее
по высоте. С этой точки зрения удовлетворительные результаты получаются при высоте камеры около 4,3 м.

Коксовая камера представляет собой реактор периодического действия и потому температура угольной загрузки изменяется во времени. В связи
с этим разность температур между греющим газом в обогревательном канале t_К и угольной шихты t_У: Dt = t_К — t_У также изменяется во времени. Сразу после загрузки камеры шихтой t_У мала, следовательно, значение Dt велико и поэтому в единицу времени в холодную шихту поступает большое количество теплоты и уголь у стенок камеры начинает коксоваться. Однако средние слои шихты остаются холодными. По мере увеличения t_У уменьшается количество теплоты, передаваемой в единицу времени, но постепенно повышается температура по сечению камеры. На рис. 2, а показаны изохроны (линии постоянного времени) распределения температур по ширине загрузки камеры. Если рассматривать состояние материала в камере во время периода коксования, то видно (рис. 2, б), что у стенок находится слой образовавшегося кокса; далее по мере снижения температуры от стенок к оси камеры располагаются слой полукокса, затем угля, находящегося в пластическом состоянии, и, наконец, в центре камеры неизмененная шихта. С течением времени температура по сечению выравнивается, слои перемещаются к оси камеры и постепенно угольная загрузка прококсовывается. Таким образом, благодаря изменению во времени величины Dt количество теплоты, передаваемой от греющего газа
к углю, значительно изменяется в течение периода коксования, и это необходимо учитывать при определении продолжительности коксования. Если рассматривать теплопередачу как теплопередачу через плиту,
то этот процесс в упрощенном виде описывается уравнением

где t — период коксования, ч; b — ширина камеры, м; а — коэффициент температуропроводности, м²/ч.

Образующаяся в процессе коксования смесь паров и газов непрерывно выводится из камеры через стояк (рис. 3). По окончании коксования передняя и задняя двери специальным механизмом снимаются и образовавшийся в камере «коксовый пирог» при помощи коксовыталкивателя выдается из камеры и попадает в тушильный вагон, где охлаждается орошением водой или газом, затем просыхает и сортируется по величине кусков. Таким образом, процесс коксования в каждой камере периодический. Однако наличие в коксовой батарее ряда параллельно работающих камер обеспечивает непрерывность работы всей установки. Прямой коксовый газ, удаляемый через стояки из каждой камеры, непрерывно поступает в общий для всех камер горизонтальный газосборник. Все камеры коксовой батареи имеют общие, обслуживающие их механизмы — загрузочный вагон, из которого производится загрузка угля
в камеры, двересъемные устройства, коксовыталкиватель, тушильный вагон, тушильную башню, в которой тушильный вагон с раскаленным коксом орошается водой, и угольную башню — бункер для загрузки камер углем.