СПОСОБ И УСТРОЙСТВО РАЗДЕЛЬНОГО СБОРА ГАЗА КОКСОВЫХ ПЕЧЕЙ
METHOD AND DEVICE FOR SEPARATE COLLECTION OF COKE FURNACE GAS

Изобретение относится к области металлургии, в частности технологии производства кокса, а именно к отводу и сбору коксового газа.
Основная масса кокса, производимого в мире, получается в обычных горизонтально-камерных печах, где реализована многокамерная система - multi - chamber - system (MCS) с улавливанием коксового газа и химических продуктов, выделяемых при переработке. Периодический характер технологических процессов производства кокса на батареях MCS не обеспечивает в полном объеме решение проблем защиты окружающей среды. Один из основных источников загрязнений - диффузные газообразные выбросы, возникающие из дверей коксовых печей, газоотводящего оборудования и разгрузочных люков. Движущая сила этих выбросов - давление в коксовых камерах в результате образования сырого коксового газа. При этом в коксовых печах MCS давление внутри каждой камеры является пиковым во время и сразу после загрузки угольной шихты и снижается до минимума к моменту завершения коксования и выдачи готового кокса [1]. В коксовой батарее коксование в отдельных печах, находящихся на разных стадиях процесса образования газа, и давление также различается. И, наоборот, газосборник, соединяющий отдельные печи, работает на заданном давлении, регулируемом контрольным клапаном во всасывающем трубопроводе, независимо от стадии процесса коксования и количества сырого газа, образованного в отдельных коксовых печах батареи.
В условиях снижения интереса рынка к химическим продуктам, выделяемым из прямого коксового газа, оценки рентабельности коксохимического производства с использованием очищенного коксового газа, необходимости снижения экологической нагрузки при эксплуатации MCS, существует необходимость дальнейшего совершенствования данной технологии.
Характеристика аналогов изобретения
Известна технология производства кокса на печах без улавливания химических продуктов коксования (ХПК) с утилизацией тепла отходящих газов [2].
Особенности, отличающие технологию коксования без улавливания ХПК, следующие:
- коксование в плоском слое;
- работа печи на пониженном давлении;
- подача воздуха непосредственно в печные камеры;
- сжигание сырого коксового газа в каждой отдельной печи;
- отсутствие побочных продуктов и сточных вод.
Прототипом для новейших печей без улавливания ХПК послужила печь Джевела - Томпсона (США).
Печь отличается тоннельной формой, арочным сводом. Огнеупорная кладка выполнена из динасового кирпича. Загрузка осуществляется сверху или сбоку «трамбованной» угольной шихтой. Процесс коксования начинается за счет тепла кладки от предыдущего цикла коксования. Образующийся коксовый газ частично сгорает в печной камере при подводе воздуха через дверь, проходит через нисходящие каналы в вертикальных стенах камеры, затем в каналах под подом камеры, дожигается с дополнительной подачей воздуха. Продукты горения из разных камер собираются в коллектор и передаются на установку утилизации тепла с получением электрической энергии и пара. В настоящее время промышленные печи для получения кокса без улавливания ХПК новейших конструкций действуют в США, Австралии, Китае, Индии, Бразилии.
Германия, являющаяся одним из главных законодателей в развитии технологии производства кокса, не рассматривает перспективы строительства печей без переработки ХПК в стране по причине не только необходимости больших площадей под оборудование печей, но и из-за невозможности газообмена с доменными печами с применением технологии коксования без улавливания ХПК [3].
Недостатками таких печей являются:
1. Занимаемая площадь коксовых батарей без улавливания ХПК с верхней (боковой) загрузкой по сравнению с печами MCS с отделением для очистки газа больше в 2-2,5 раза.
2. Загрузка печей:
- боковая - не обеспечивает локализацию выбросов при загрузке угольного пирога через открытый дверной проем;
- верхняя - приводит к увеличению потерь (угара), зольности кокса в процессе коксования при подаче воздуха (по технологии) через двери.
3. Производительность печей равных объемов без улавливания ХПК по сравнению с печами MCS ниже в 2,5 раза.
Характеристика прототипа
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу и устройству является способ отвода газообразных продуктов пиролиза угля из горизонтальных печей, патент RU 2423406 С2, кл. С10В 27/00, опубл. 10.07.2011 [4], в котором на одной стороне батареи коксовых печей устанавливают технологический газосборник, а на другой стороне по фронту коксовой батареи устанавливают индивидуальные термоколлекторы, соединенные со сборным термоколлектором. Каждый индивидуальный термоколлектор соединяют с группой одинакового количества коксовых печей батареи. Группу коксовых печей, объединенных одним индивидуальным термоколлектором, в период выдачи и загрузки подключают к технологическому газосборнику, а индивидуальный термоколлектор отключают от сборного термоколлектора В этот период газ из печей отводят в технологический газосборник. По завершении процесса загрузки последней печи, входящей в группу печей, объединенных одним индивидуальным коллектором, печи в данной группе переключаются по отходящему газу с технологического газосборника на индивидуальный термоколлектор с последующим подключением к сборному термоколлектору.
Критика прототипа
Недостатком известного способа является:
1. Сложность аппаратурного оформления и работы термоколлекторов, систем регулирования;
2. Невозможность достижения заявленных параметров температур в термоколлекторах (температур около 800°C);
3. Необходимость постоянных переключений печей с технологического газосборника на термоколлекторы с изменением гидравлического режима печей, с прогнозируемым увеличением выбросов газа через коксовые двери, загрузочные люки, газоотводящее оборудование.
4
2
Основной задачей настоящей группы изобретения является усовершенствование способа и устройства сбора и отвода коксового газа в печах MCS, что позволяет снизить количество диффузионных и вредных выбросов через двери, газотводящее оборудование, загрузочные люки, снизить количество отходов при переработке коксового газа, снизить затраты на очистку коксового газа, а также снизить себестоимость полученного газа на 10-15% и утилизировать тепло отходящего газа, обогащенного CH и H, за счет раздельного сбора и использования газов, образующихся в процессе коксования.
Сущность изобретения
Поставленная задача достигается за счет того, что в известной технологии производства кокса в горизонтальных коксовых печах, сырой коксовый газ, образующийся в процессе коксования, собирается в отдельные газосборники в зависимости от интервала времени с начала загрузки угольной шихты и до момента подготовки и выдачи готового кокса.
Первый (I) интервал (75-80% времени коксования) - газ, богатый углеводородами охлаждается в газоотводящем оборудовании печи, газосборнике, и передается в цех переработки ХПК
2
Второй (II) интервал (25-20% оставшегося времени коксования) - газ, богатый водородом (Н), собирается в отдельный газосборник, футерованный теплоизолирующей массой с температурой больше или равной 800°C, передается на котел-утилизатор и без передачи в цех переработки ХПК используется в качестве топлива, обогащенного водородом. При этом, учитывая состав газа данного периода коксования, возможно осуществлять сбор и передачу газа потребителю без охлаждения, а также утилизировать тепло отходящего газа в котле-утилизаторе.
В частном варианте коксовый газ II интервала может охлаждаться. При этом применяется газосборник обычной конструкции.
Способ и устройство выполняют следующим образом. В каждой печной камере в процессе коксования изменяется количество, плотность, состав газа [5]. При этом диапазоны времени преобразования газа, богатого углеводородами, и газа, богатого водородом, постоянны во времени процесса коксования, несмотря на продолжительность процесса, температуры, поддерживаемые в отопительных вертикалах.
2
4
Процесс коксования угольной загрузки шихты проходит через несколько стадий, определяемых температурой нагрева и конечной температурой готового кокса. При этом изменение состава газа в отдельные периоды процесса коксования подтверждается результатами непрерывного мониторинга коксового газа, образующегося при коксовании угля [6]. К концу периода коксования прекращается выделение тяжелых углеводородов, газ, в основном, состоит из водорода (Н) - большая часть и метана (СН).
2
4
2
Диапазон времени 25-20% до конца периода коксования для выделения газа, обогащенного водородом, определяется тем, что в данный период происходит преобразование полукокса в кокс, дальнейшая конденсация продуктов термической деструкции угля, образующийся газ имеет состав: СО, СО, СН и Н [5]. Значительная часть выделяющихся при коксовании газов и паров избирает путь, как внешний газ, через раскаленный, уже готовый кокс и вдоль горячей стенки печной камеры (t больше или равна 1000°C), где температура выше, чем в подсводовом пространстве при нормальных условиях [7]. По мере дальнейшего протекания процесса коксования содержание метана в газе падает, в то время как содержание водорода растет [6]. При этом происходит снижение плотности, калорийности и объема выделяемого газа из печи.
2
Изменение количества и качества выделяющегося газа сопровождается изменением температуры в подсводовом пространстве печи. Фиксирование температурного режима может быть использовано для переключения печи на газосборник для сбора газа, обогащенного Н.
В газосборниках устанавливается дифференцированное давление, обеспечивающее снижение диффузных газообразных выбросов, с соблюдением условия - поддержания положительного давления в камере коксования, от загрузки до подготовки к выдаче кокса.
Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области, т.е. металлургии, позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявляемой технологии производства кокса, и признать решение соответствующим критерию «существенные отличия».
Перечень фигур графических изображений
Сущность изобретений поясняется чертежом, где на фиг. 1 «Общий вид коксовой печи» показан общий вид коксовой печи с газоотводящим оборудованием, газосборниками для сбора газа.
2
На фиг. 2 «Устройство раздельного сбора газа коксовых печей» приведена схема раздельного сбора газа, обогащенного углеводородами, и газа, богатого Н, с вариантом применения в парогазотурбинах технологии с получением эл. энергии.
На фиг. 3  представлен график изменения температур отходящего коксового газа.
На фиг. 4 представлена схема мониторинга коксового газа.
Коксовая печь (фиг. 1) содержит камеру коксования 1 с загрузочными люками 2, газоотводящие стояки 3, газосборники 4 и 5, датчик контроля температуры отходящего газа 6.
2
На фиг. 2 обозначена коксовая батарея(-и) 7 с угольной башней 8, газосборники 4, 5, коллектор для газа, богатого Н, 9, котел-утилизатор(-ы) 10, эксгаустеры 11, очистное оборудование 12, газгольдер 13, парогазотурбинная установка 14, дымовая труба 15.
Работа заявленного способа и устройства раздельного сбора коксового газа осуществляется следующим образом (фиг. 1), (фиг. 2).
2
Угольную шихту с помощью загрузочного вагона (на фигурах не показан) загружают в камеру коксования 1 через загрузочные люки 2, подключают ее через газоотводящий стояк 3 к газосборнику 4, в котором собирают, охлаждают газ, богатый углеводородами, образующийся в коксовых печах от начала технологической операции загрузки угля в первые 75-80% времени, необходимого для всего периода коксования. Из газосборника 4 газ передается в цех переработки ХПК. Датчиком температуры 6 фиксируется температура газа, при достижении определенных параметров печь переключается на газосборник 5, где собирается газ, образующийся в завершающий период, 25-20% времени коксования. Затем через сборный коллектор 9, котел-утилизатор(-ы) 10, эксгаустерами 11 подается на очистное оборудование 12, накапливается в газгольдере 13, затем (в частом случае) поступает на парогазовую турбину 14. Дымовые газы после утилизации тепла - на дымовую трубу 15. В частном случае газ, обогащенный Н, охлаждается в оборудовании коксовой батарей 7.
2
2
Заявленный способ и устройство раздельного сбора коксового газа позволяет применять газ, обогащенный Н, в других технологиях: получении Н, доменном производстве, в производстве метанола, технологии прямого восстановления железа и др.
3
Способ и устройство раздельного сбора газа коксовых печей поясняется примером. Испытания проводились на коксохимическом производстве ОАО ЕВРАЗ НТМК на коксовой батарее с печами объемом 41,3 м. Общее время коксования - 18 часов. Заданные температуры в контрольных отопительных вертикалах, машинная сторона - 1245°C, коксовая сторона - 1285°C.
На первом этапе испытаний определяли характер изменений температур отходящего коксового газа в зависимости от времени коксования. График изменения температур отходящего газа представлен на фиг. 3.
На втором этапе испытаний осуществляли кратковременный мониторинг состава коксового газа в период от середины периода коксования до окончания процесса, перед выдачей кокса из камеры. Схема мониторинга коксового газа представлена на фиг 4. При данном испытании определяли содержание водорода в газе и количество выделяемого газа. Мониторинг по определению количества газа и содержание водорода в нем осуществляется следующим образом (фиг. 4).
Коксовый газ из камеры коксования 1, с угольной загрузкой 2, через газоотводящие стояки 3 отбирается пробоотборником 4 (⌀ 10 мм) из центральной оси стояка. В ловушках-охладителях 5 газ охлаждается, освобождаясь от смолы. После влагоотделителя 6, с помощью расходомера 7, определяется количество выделяемого газа из печи. С помощью вакуум-насоса 8 газ накаливается, затем с помощью газового хроматографа 9 определяется содержание водорода в газе, информация по количеству выводится на монитор 10.
Данные испытаний приведены в таблице 1.
Приведенные в таблице 1 данные по изменению температуры, количества газа характеризуют интервалы времени коксования, связанные с увеличением выхода коксового газа, а также содержанием в нем водорода [6].
2
4
2
6
2
Как следует из приведенной таблицы 1, снижение температуры связано с изменением количества и качества газа: плотности и состава газа и может служить информацией для выполнения переключения печи от одного газосборника к другому. В заключительной стадии, 20-25% периода коксования, до минимума снижается содержание в газе полициклических, циклических углеводородов, смолы, СН, СН, загрязняющий газ, обогащенный Н.
Технико-экономическая эффективность
Использование заявленной технологии производства кокса позволяет:
1. Снизить количество диффузных и вредных выбросов через двери, газоотводящее оборудование, загрузочные люки при эксплуатации коксовых печей MCS.
2. Снизить количество отходов при переработке коксового газа.
4
2
3. Утилизировать тепло отходящего газа, обогащенного СН и Н.
4. Снизить затраты на очистку коксового газа.
4
2
5. Снизить себестоимость получаемого кокса на 10-15% за счет получения электроэнергии при сжигании коксового газа, обогащенного СН и Н, при применении ПГТУ - технологии.
Источники информации
1. ОАО «Черметинформация» Новости черной металлургии за рубежом №6, 2005 год, стр. 17-20. Рис. 1, рис. 2.
2. ОАО «Черметинформация» Новости черной металлургии за рубежом №2, 2003 год, стр. 22-23. Рис. 2, рис. 3.
3. ОАО «Черметинформация» Новости черной металлургии за рубежом №3, 2003 год, стр. 24.
4. Патент RU 2423406 С2, кл. С10В 27/00, опубл. 10.07.2011.
5. Справочник коксохимика, том III, издательство «Металлургия», Москва, 1966 год, стр. 7-8.
6. ОАО «Черметинформация» Новости черной металлургии за рубежом №3 2011 год, стр. 9-15 Рис. 2, 3, 4, 5
7. Руководство по коксованию, том II, издательство «Металлургия», Москва, 1966 год, стр. 23. Рис. 10.