СПОСОБ ТЕРМООКИСЛИТЕЛЬНОГО КОКСОВАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
PROCEDURE FOR THERMO-OXIDATIVE COKING AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к термической обработке каменных углей и может найти применение в коксохимической промышленности при получении специальных (не доменных) видов кокса.
Известен способ термоокислительного коксования (Термоокислительное коксование углей, К И.Сысков, О.Н.Машенков, М.: Металлургия, 1973 г., стр.151) полидисперсных недефицитных неспекающихся и слабоспекающихся кусковых углей за счет горения на их поверхности выделяющихся летучих веществ. Вследствие сжигания летучих веществ температура угля повышается, образуется кокс. В процессе нагрева уголь располагается на движущейся колосниковой решетке. Воздух для горения летучих веществ подается в нижнюю часть решетки. После того как произойдет выгорание летучих веществ, полученный кокс охлаждают водой. Тепло образующихся продуктов горения (дымовых газов) утилизируется.
Недостатком известного способа является неравномерность свойств продукта (кокса) по высоте термообрабатывемого слоя, а также у кусков кокса различной крупности, обусловленная различным режимом их нагрева. С увеличением крупности частиц увеличивается неравномерность их качества (свойств) по сечению. Прогрев и пиролиз частиц одинаковой крупности зависит от расстояния их от полотна колосниковой решетки. Другим недостатком является возникновение значительных температурных напряжений в частицах при охлаждении получаемого продукта водой, что ведет к снижению механической прочности и увеличению выхода мелких классов кокса.
Известно устройство для термообработки (коксования) полидисперсных недефицитных неспекающихся и слабоспекающихся кусковых углей за счет горения на его поверхности выделяющихся летучих веществ (Термоокислительное коксование углей, К.И.Сысков, О.Н.Машенков, М.: Металлургия, 1973, стр.151). Устройство представляет собой движущуюся колосниковую решетку, загруженную слоем уголя. Снизу через уголь по всей длине решетки продувается воздух. Вследствие сжигания летучих веществ температура материала угля повышается, образуется кокс. Выгорание летучих происходит по мере передвижения решетки с углем. За котлом находится чугунно-ребристый водяной экономайзер с трубами. Для очистки дымовых газов от золы за водяным экономайзером каждого котла установлены батарейные циклоны (мультициклон) с направляющим аппаратом. Выброс дымовых газов происходит через кирпичную дымовую трубу. Каждый котел снабжен вентилятором возврата уноса. Подача топлива и удаление шлака полностью механизированы. Для удаления золы и шлака за пределы котельной применяют «мокрое» скреперное шлакозолоудаление. Горячий шлак с решеток котлов сбрасывается в скреперный канал. Для удаления провала шлака и золы из-под решеток котлов предусмотрен гидросмыв в скреперный канал шлакозолоудаления. Принято совместное удаление шлака и золы, подаваемой шнековыми транспортерами из золоуловителей. На данном устройстве получают недоменные виды кокса, т.к. по крупности полученный кокс не может быть использован в качестве доменного кокса (мелкий).
Недостатки устройства - неравномерность свойств продукта (кокса) по высоте термообрабатывемого слоя, а также низкая механическая прочность получаемого кокса.
Задача, решаемая изобретением, - повышение качества получаемого кокса за счет выравнивания его свойств по объему кусков кокса и за счет повышения механической прочности кокса.
Поставленная задача решается тем, что в способе термоокислительного коксования, включающем нагрев углеродсодержащего сырья в присутствии кислорода и последующее охлаждение продукта, согласно изобретению после нагрева углеродсодержащего сырья осуществляют изотермическую выдержку продукта при температуре 700-1200°С, после изотермической выдержки осуществляют сухое охлаждение продукта до температуры 400-700°С, затем продукт охлаждают методом испарительного тушения до конечной температуры.
Сухое охлаждение продукта осуществляют методом косвенного теплообмена со встроенными охлаждающими поверхностями теплообмена.
Длительность изотермической выдержки составляет от 5 мин до 1 часа. Поставленная задача также решается тем, что устройство термоокислительного коксования, содержащее камеру термоокислительного коксования и узел охлаждения продукта, согласно изобретению узел охлаждения продукта выполнен в виде термоизолированного бункера, содержащего зону изотермической выдержки продукта, зону сухого тушения продукта, предназначенную для охлаждения кокса до температуры 400-700°С, зону испарительного тушения продукта, внутренняя полость узла охлаждения сообщена с внутренней полостью камеры термоокислительного коксования.
Зона сухого тушения продукта снабжена водоохлаждаемыми панелями или трубами. Давление в камере термоокислительного коксования ниже атмосферного. Сущность заявляемого способа состоит в следующем. Сначала осуществляют непосредственно стадию термоокислительного коксования, а именно: нагрев углеродсодержащего сырья в замкнутом объеме в присутствии кислорода. Данный этап можно осуществлять любыми известными средствами и он не имеет в заявляемом способе никаких особенностей. После того как углеродсодержащее сырье пройдет этап термоокислительного коксования, полученный продукт подают на изотермическую выдержку и далее - на охлаждение. При этом охлаждение продукта (кокса) осуществляют в два этапа, на первом этапе осуществляют сухое охлаждение продукта (коса) при температуре 400-700°С; второй этап - дотушивание кокса до конечной температуры методом испарительного охлаждения.
При изотермической выдержке продукта (кокса) более холодные внутренние слои кокса прогреваются, выделяя летучие вещества, в результате происходит выравнивание качества и свойств кокса по объему кусков даже при их различной величине. Длительность изотермической выдержки определяется неравномерностью гранулометрического состава, а также крупностью и может составлять от 5 мин до 1 часа.
После изотермической выдержки кокса осуществляют его сухое тушение, но не до конечной температуры, а до температуры 400-700°С. Поскольку на данном этапе охлаждение кокса осуществляют не до конечной температуры, а до промежуточной, следовательно, отсутствует резкий перепад температур, способствующий растрескиванию кокса. Кокс меньше растрескивается за счет минимизации температурных напряжений. Целесообразно этап сухого тушения кокса осуществлять методом косвенного теплообмена со встроенными охлаждающими поверхностями теплообмена (водоохлаждаемыми панелями или трубами).
После этапа сухого тушения осуществляют его дотушивание методом испарительного тушения. Испарительное тушение - тушение путем подачи на охлаждаемый продукт капель (брызг) воды. Для этого воду, как правило, впрыскивают в зону тушения. При попадании воды на кокс, вода испаряется, охлаждая при этом кокс. Поскольку охлаждение кокса до конечной температуры происходит на последнем этапе не с температуры, с которой кокс выходит их камеры коксования, а кокс уже предварительно охлажден, на третьем этапе также минимизированы температурные напряжения кокса при его охлаждении до конечной температуры. При температуре кокса 400-700°С испарительное охлаждение не приведет к его растрескиванию, т.е. его механическая прочность не снизится.
Наличие изотермической выдержки кокса и охлаждение его в два этапа, на каждом из которых перепад температур будет меньшим, чем при одноступенчатом охлаждении, позволяет исключить растрескивание кокса при его охлаждении и, тем самым, повысить его качество и повысить производительность способа. Производительность способа обеспечивается за счет того, что при одинаковых энергозатратах по сравнению с известными предлагаемый способ обеспечивает значительно больший выход качественного продукта.
Для осуществления заявляемого способа термоокислительного коксования применяют следующее устройство. Устройство содержит камеру термоокислительного коксования, выполненную традиционным способом (например, аналогично прототипу), т.к. никакие особенности камеры не определяют новые свойства устройства в целом. Камера термоокислительного коксования, как правило, представляет собой котлоагрегат, в который подается исходное сырье - уголь - на движущейся колосниковой решетке. Воздух для термоокислительного коксования подается под колосниковую решетку, которая чаще всего выполнена цепной. В котлоагрегате давление среды ниже атмосферного, т.е. создано разрежение. Устройство содержит узел охлаждения, выполненный в виде термоизолированного бункера, внутренняя полость которого сообщена с внутренней полостью камеры термоокислительного коксования. Термоизолированный бункер содержит зону изотермической выдержки кокса, зону сухого тушения кокса и зону испарительного тушения кокса. В процессе изотермической выдержки кокса более холодные слои кусков кокса прогреваются, выделяя летучие вещества, в результате происходит выравнивание качества кокса по объему кусков, даже при их различной величине. В процессе изотермической выдержки прогреваются также более холодные частицы, находившиеся ближе к полотну колосниковой решетки. В зоне сухого тушения кокс охлаждают не до конечной температуры, а до промежуточной - порядка 400-700°С. При этом целесообразно, чтобы камера сухого тушения была снабжена водоохлаждаемыми панелями или трубами. Указанные панели или трубы могут быть заполнены паром или водой. Охлаждение кокса происходит при его контакте с панелями, при этом тепло от кокса передается воде или пару через металлический барьер. При такой конструкции камеры сухого тушения происходит мягкое охлаждение кокса с меньшим образованием пара, что является гораздо более предпочтительным с точки зрения экологии. Поскольку в камере сухого тушения кокс охлаждают не до конечной температуры, а только до 400-700°С, следовательно, кокс меньше растрескивается за счет минимизации температурных напряжений кокса. Поскольку охлаждение в камере сухого тушения происходит не до конечной температуры, следовательно, для охлаждения кокса потребуется меньшая полезная площадь панелей, следовательно, сократится объем камеры сухого тушения по сравнению с ее объемом при охлаждении кокса до конечной температуры.
В зоне испарительного тушения продукта (кокса) происходит дотушивание кокса. Данная зона - низкотемпературная область. Кокс в эту зону поступает уже предварительно охлажденным до температуры 400-700°С. Испарительное охлаждение кокса осуществляется путем впрыскивания в бункер воды, которая при контакте с коксом испаряется. Поскольку кокс предварительно охлажден, следовательно, при воздействии воды не будет происходить его растрескивание. За счет снижения разности температур кокса и воды в заявляемом устройстве при нахождении кокса в зоне испарительного тушения также минимизированы температурные напряжения кокса, что позволяет практически исключить растрескивание кокса при его охлаждении в данной зоне до конечной температуры. Из зоны испарительного тушения кокс выходит при температуре 110-250°С.
Обеспечение ступенчатого охлаждения кокса - в два этапа (в зонах сухого и испарительного тушения), на каждом из которых перепад температур будет меньшим, чем при одноступенчатом охлаждении, позволяет исключить растрескивание кокса при его охлаждении и, тем самым, повысить его качество и повысить производительность устройства. Производительность устройства будет повышена за счет того, что при одинаковых энергозатратах по сравнению с известными устройствами, предлагаемое устройство обеспечивает значительно больший выход качественного продукта.
Испарившаяся в результате взаимодействия с коксом вода в виде пара из зоны испарительного тушения будет уходить в камеру термоокислительного коксования, так как давление в камере коксования ниже, чем давление в узле охлаждения, а внутренние полости камеры термоокислительного коксования и узла охлаждения сообщены между собой. Из камеры коксования пар через дымосос удаляется наружу вместе с газами, образующимися в процессе термоокислительного коксования. Таким образом, заявляемое изобретение позволяет исключить образование сточных вод при осуществлении процесса термоокислительного коксования, что является безусловно полезным свойством заявляемой конструкции с точки зрения обеспечения экологичности процесса термоокислительного коксования.
Отсутствие образования сточных вод позволяет значительно упростить весь цикл термоокислительного коксования, за счет исключения необходимости использования устройств утилизации и/или очистки сточных вод.
В заявляемом устройстве и заявляемым способом возможно получение недоменных (специальных) видов кокса, т.к. методом термоокислительного коксования возможно получение видов кокса, крупность кусков которого составляет не более 50 мм.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет повысить производительность устройства термоокислительного коксования, повысить качество кокса, а также снизить загрязнение окружающей среды при производстве кокса, кроме того, заявляемое устройство имеет более простую конструкцию по сравнению с известными.
Упрощение конструкции в заявляемом устройстве обеспечено за счет исключения специальных устройств отвода пара и горячих газов из узла охлаждения, за счет того, что полости камеры термоокислительного коксования и узла охлаждения объединены между собой и вывод горячих газов и пара осуществляется через дымосос камеры коксования.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом.
На чертеже представлена схема заявляемого устройства термоокислительного коксования.
Заявляемое устройство содержит угольный контейнер 1, из которого уголь поступает на цепную колосниковую решетку 2, посредством которой уголь подается в камеру 3 термоокислительного коксования. Камера 3 термоокислительного коксования снабжена дымососом 4. Камера 3 представляет собой котлоагрегат, находящийся под разрежением, т.е. давление в его внутренней полости меньше атмосферного.
Узел охлаждения кокса в заявляемом устройстве представляет собой теплоизолированный бункер и содержит три камеры - верхнюю 5, среднюю 6 и нижнюю 8, внутренние полости которых сообщены между собой и с внутренней полостью камеры 3 термоокислительного коксования. Верхняя камера 5 - камера термической выдержки кокса; средняя камера 6 - камера сухого тушения кокса; нижняя камера 8 - камера испарительного тушения кокса. В камере 6 установлены панели 7, наполненные паром или водой. Камера 8 снабжена патрубком 9 для подвода воды.
Из угольного контейнера 1 исходное сырье - полидисперсные недефицитные неспекающиеся и/или слабоспекающиеся кусковые угли посредством колосниковой решетки 2 подаются в камеру 3 термоокислительного коксования. Воздух для термоокислительного коксования подается под колосниковую решетку 2. Нагрев угля происходит за счет горения на его поверхности летучих веществ, нагревающихся под воздействием горячих газов. Готовый продукт - кокс крупностью 10-50 мм - из камеры 3 термоокислительного коксования подается в верхнюю камеру 5 термической выдержки. В результате изотермической выдержки из кокса удаляются остаточные летучие вещества. Продолжительность выдержки кокса в камере 3 составляет от 20 до 40 минут в зависимости от марки угля. Для повышения равномерности качества полидисперсного спецкокса возможно осуществление в камере 5 дополнительной изотермической выдержки для усреднения температур кусков кокса различной крупности. Дополнительная изотермическая выдержка может осуществляться с дополнительным подводом тепла или без него. Продолжительность дополнительной изотермической выдержки регламентируется условиями теплопередачи в засыпи кокса и может изменяться в пределах 30-60 мин.
Из камеры 5 продукт подается в среднюю камеру 6 сухого тушения кокса, в которой осуществляется предварительное охлаждение продукта до температур 400-700°С за счет передачи тепла от продукта - кокса - конечному энергоносителю (пару или воде) через разделительную стенку панелей 7. Средняя камера 6 может выполняться с охранным обогревом, который может быть выполнен в виде электрического или газового нагревателя.
Из камеры 6 продукт подается в камеру 8, где он охлаждается до конечной температуры (порядка 110-250°С). Камера 8 - камера испарительного охлаждения кокса. Вода через патрубок 9 впрыскивается в камеру 8, и при контакте с коксом происходит испарение воды, которая в виде пара уходит наверх (поскольку полости камер 5, 6 и 8 сообщены с полостью камеры 3, находящейся под разрежением) за счет разности давлений в камерах 5, 6 и 8 по отношению к давлению в камере 3. Далее через дымосос 4 пар из узла охлаждения вместе с горячими газами удаляется из устройства.
Для предотвращения подсосов воздуха и горения кокса в узле охлаждения нижняя камера 8 снабжена затвором 10.