Обогрев коксовых печей

Для обогрева коксовых печей применяют коксовый, доменный, генераторный газы, смесь доменного и коксового. Возможно также использование для этой цели природного газа и обезводороженного коксового в смеси с доменным.

Ниже приведены основные характеристики отопительных газов.

1. Коксовый газ. Состав, % (объемн.): Н2 55,8−61,00; СН4 24,50−26,9; СО 5,70−8,00; СО2 1,65−3,00; СmНn 2,03−3,02; N2 2,80−4,89; О2 0,32−0,73; Qi = 16,74÷18,84 МДж/м3; ρ0 = 0,41−47 кг/м3.

Пределы взрываемости в воздухе, % (объемн.): Пниж = 6,0; Пверх = 30; диапазон взрываемости 24%. Температура воспламенения 600−650 °С. Максимальная скорость распространения пламени 70−75 см/с. Отравляющее действие оказывает концентрация в воздухе 1,4−1,7% (об.) и более.

2. Доменный газ. Состав, % (объемн.): СО 23,48−27,30; СО2 13,60−16,31; Н2 2,10−5,81; СН4 0,20−0,50; N2 53,49−56,20; О2 0,08−0,40; Qi = 3, 62÷3, 74 МДж/м3; р0 = 1,23÷1,32. Пределы взрываемости в воздухе, % (объемн.): Пниж = 36, 0; Пверх =72,0. Предельное содержание пыли в доменном газе, поступающем на обогрев коксовых печей, допускается не более 10 мг/м3. Содержание оксида углерода в воздухе в количестве 0,06% вызывает головокружение, 0,2% − потерю сознания. Предельно допустимое содержание его в воздухе − 0,02 г/м3. Добавка коксового газа к доменному обычно не превышает 5%, а природного − 2,5%.

Большинство действующих коксовых батарей имеет комбинированный обогрев, т. е. может отапливаться коксовым и доменным газами. Для отопления строящихся в последние годы печей с нижним подводом чаще всего используют только коксовый газ. При проектировании печей обычно в конструкцию закладывают определенные возможности обогрева их тем или иным газом. Вопрос выбора газа для обогрева решается в зависимости от баланса газов, состояния кладки печей, наличия потребителей коксового газа, доменного производства и других факторов.

Нормальный теплотехнический режим коксовых печей легче поддерживать, если печи обогреваются коксовым газом. Схемы движения газов в отопительной системе независимо от различия в конструкциях коксовых печей имеют следующие общие признаки. Воздух поступает через воздушные отверстия в газовоздушных клапанах в регенератор снизу, проходит в нем вверх, нагреваясь до 1100−1200 °С, затем поступает через соединительные каналы (косые ходы) в отопительные каналы (вертикалы), где происходит смешивание газа с подведенным воздухом и его сгорание.

Коксовый газ подводится из газораспределительного канала (корнюра), если печи с боковым подводом отопительного газа, или через дюзовые каналы, если печи с нижним подводом коксового газа.

Доменный газ подводится по соединительному каналу (косому ходу) из регенератора. В отопительных каналах (вертикалах) (их число в простенке зависит от его длины) газ, смешиваясь с воздухом, сгорает. Продукты сгорания поднимаются к перевалу. У основания вертикала температура газов резко повышается (факел горения) и остается намного выше, чем в зоне косых ходов; это так называемая восходящий поток отопительной системы.

Далее газы переходят на нисходящий поток. Часть из них − по каналу, который в одних системах печей представляет собой окно из одного вертикала в другой в смежный вертикал, соседний с ним (печи ПВР), основная часть − через соединительный канал (косой ход) в регенератор, в других − участок вдоль всего простенка (печи с групповым обогревом и верхним сборным каналом), в третьих − перевал через камеру (печи ПК). Пройдя этот канал, продукты сгорания (с температурой ~1300 °С) опускаются на другой половине отопительных каналов;температура их при этом изменяется незначительно. Далее они проходят через соединительные каналы (косые ходы) в регенератор, охлаждаясь, передают тепло насадке. При этом температура продуктов сгорания снижается с 1250 до 400−300 °С; это так называемый нисходящий поток отопительной системы. Пройдя участок подового канала регенератора, продукты сгорания поступают через дымовой патрубок в сборный боров, а потом − в общий боров и в дымовую трубу.

При изучении характера движения газов в отопительной системе следует оценивать работу отопительного простенка в целом и отопительных каналов на восходящем и на нисходящем потоках, сопряжение регенераторов с простенками, тип регенераторов и состав отопительного газа.

Увеличение равномерности обогрева печей по высоте и длине камеры обеспечивает более ровную готовность кокса, что повышает его прочность.

Одновременная готовность кокса по длине камеры, имеющей конусность, достигается благодаря дифференцированному подводу отопительного газа и воздуха в каждый отопительный канал по длине камеры коксования (температурная кривая), а по высоте − вытягиванием факела, например, вследствие рециркуляции продуктов сгорания.

Полнота сгорания газа обеспечивается подачей в зону горения большего количества кислорода, чем это требуется по молекулярному соотношению. Коэффициентом избытка воздуха «α» называют отношение действительного расхода воздуха (кислорода) (L _Д) к теоретическому (L _T, м3 О2/м3 газа); он рассчитывается по формуле:

где СО, Н₂, СН₄, C₂H₄, О₂ − компоненты отопительного газа, %.

Коэффициент избытка воздуха влияет на теплотехнические показатели коксовых печей, поэтому необходимо поддержание его в оптимальных пределах, что достигается регулярным контролем и регулированием. Коэффициент избытка воздуха можно рассчитать по формуле Юшина по результатам анализа продуктов сгорания:

где О₂, СО, СО₂ − содержание компонентов в продуктах сгорания; k − коэффициент, зависящий только от состава отопительного газа. При практических расчетах принимают для коксового газа k = 0,43, для доменного k = 2,50.

Обычно при отоплении печей коксовым газом α составляет 1,25−1,35, а при отоплении доменным газом − 1,15−1,20. Коэффициент избытка воздуха зависит и от системы печей.

Среднединамическая температура в осевой плоскости коксового пирога (измерения на высотах 0, 6; 2, 1; 3, 5 м. и т. д., зависимости от высоты камеры коксования от пода камеры) к концу коксования должна быть 1050±50 °С, а ее распределение по высоте зависит от системы печей и рециркуляции продуктов сгорания.

Поддержание теплового режима коксовых печей, соответствующего установленному периоду коксования, достигается регулярным измерением температур по контрольным вертикалам вдоль батареи (один раз в смену) и периодическим (один раз в три месяца) − по всем вертикалам и их регулированием, что обеспечивает получение кокса высокого качества и сохранность коксовых печей. Разность температур по контрольным вертикалам одного простенка зависит от длины камеры и от ее конусности и обычно находится в пределах 40−60 °C. В связи с тем, что в отопительной системе коксовых печей направление движения газовоздушных потоков через определенное время (20−30 мин) меняется (кантовка), соответственно непрерывно изменяется и температура. Так на восходящем потоке в регенераторах температура непрерывно понижается, а в простенках − повышается. На нисходящем потоке, наоборот: в регенераторах − повышается, а в простенках − понижается.

Изменение температуры зависит от многих факторов, определяющими из которых являются время между кантовками, род отопительного газа и конструкция коксовых печей. Из всего подводимого полезного тепла ~95% передается в вертикалах на восходящем потоке и лишь 5% − на нисходящем потоке. Тепло передается лучеиспусканием (~80%) образующихся при сгорании диоксида углерода, водяного пара и частиц углерода, а также конвекцией (~20%).

Коксовый газ сгорает с большей скоростью, т. е. коротким факелом, поэтому необходимы специальные мероприятия для достижения равномерного обогрева по высоте: уменьшение скорости горения путем параллельного ввода газа и воздуха или примешивания продуктов сгорания к газу (рециркуляция), а также ступенчатый подвод газа и воздуха.

Для того чтобы коксование в осевой плоскости угольной загрузки заканчивалось одновременно по всей длине камеры, количество тепла, подводимого к соответствующим участкам загрузки, должно быть пропорционально ширине этого участка. Головочные вертикалы должны иметь увеличенный приток тепла для компенсации его потерь через наружные поверхности.

Расход тепла на коксование зависит от многих факторов: состава и качества шихты, ее влажности, периода коксования, вида отопительного газа, системы печей и др. Практика работы коксовых печей показывает, что при изменении периода коксования на 1 ч требуется соответствующее изменение температуры в контрольных вертикалах приблизительно на 25−30 °С. При этом изменение периода коксования по сравнению с оптимальным на 1 ч повышает удельный расход тепла на 25,12−29,30 кДж/кг шихты.

Расход тепла при обогреве печей доменным газом при прочих равных условиях на 10−20% выше, чем при обогреве коксовым газом. При повышении коэффициента избытка воздуха на 0,1 расход тепла увеличивается на 1,5%. При изменении влажности шихты от 8%-ной (в пределах 6−10%) на 1% влажности расход тепла изменяется примерно на 33 кДж/кг. Равномерность обогрева по длине батареи характеризуется коэффициентом равномерности среднесуточных температур в контрольных вертикалах, который определяется по формуле:

где k _б − коэффициент равномерности температур в контрольных вертикалах по длине батареи; т − число простенков батареи, за исключением двух крайних, примыкающих к контрфорсам, а также ремонтируемых и буферных печей; d _м, d _к − число простенков с отклонениями температур в контрольных вертикалах соответственно с машинной и с коксовой сторон более ±20 °С от среднесуточной температуры по данной стороне батареи.

На хорошо отрегулированной батарее k _б составляет 0,85−0,95. Постоянство среднесменных температур по длине батареи характеризуется коэффициентом равномерности среднесменных температур, определяемых по формуле:

где n − число замеров по длине батареи за учитываемый период; d _м, d _к − число отклонений средних температур в контрольных вертикалах соответственно на машинной и на коксовой сторонах батареи более чем на ±7 °С от заданной по технологическому регламенту для данного оборота печей.