СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОКСОВАНИЯ УГЛЕЙ С ВЫСОКИМ СОДЕРЖАНИЕМ ЛЕТУЧИХ ВЕЩЕСТВ
METHOD AND APPARATUS FOR COKING COAL WITH HIGH CONTENT OF VOLATILE SUBSTANCES

Изобретение касается способа коксования угля, в частности угля с высоким или переменным содержанием летучих веществ, в установке для коксования с камерами коксования нерегенеративным способом (Non-Recovery-Verfahren) или способом с регенерацией тепла (Heat-Recovery-Verfahren), кроме того, устройства, с помощью которого этот способ может быть осуществлен очень простым образом, причем перегрев коксовальной печи предотвращают посредством ввода водяного пара. При этом представленный способ не зависит от числа используемых коксовальных печей, если они образуют батарею.
Для коксования предварительно нагретые камеры коксования коксовальной печи наполняют угольной шихтой и затем запирают. Угольная шихта может представлять собой сыпучую массу или компактную, утрамбованную форму. Вследствие нагревания угля происходит газовыделение летучих компонентов угля, прежде всего углеводородов. Последующая выработка тепловой энергии в камерах коксования согласно нерегенеративному способу и способу с регенерацией тепла происходит исключительно за счет сгорания высвобожденных летучих компонентов угля, которые постепенно выделяются вследствие прогрессирующего разогрева.
Согласно традиционному уровню техники горение регулируют таким образом, что часть выделенных газов, которые также называют неочищенным газом, сгорают в камерах коксования непосредственно вверху угольной шихты. Воздух, необходимый для сгорания, всасывается через отверстия в дверях и потолке. Эта стадия сгорания также обозначается как 1-я воздушная стадия или первичная воздушная стадия. Первичная воздушная стадия обычно приводит к неполному сгоранию. Теплота, выделяющаяся при сгорании, нагревает угольную шихту, причем на ее поверхности через короткое время образуется слой золы. Этот слой золы создает предпосылки для герметического затвора и препятствует в дальнейшем ходе процесса коксования выгоранию угольной шихты. Часть теплоты, выделяющейся при сгорании, путем теплового излучения переносится вверх, через образовавшийся слой золы в сыпучую массу угля. Другая часть произведенной теплоты переносится в угольную шихту преимущественно посредством теплопроводности через футерованные стенки коксовальной печи. Однако чистый нагрев угольной шихты сверху, при использовании только одной единственной воздушной стадии, приводил бы к нерентабельно высокому времени коксования.
Поэтому неочищенный газ, частично сгоревший на первичной воздушной стадии, сжигают на следующей стадии, а теплота в угольную шихту подводится снизу или сбоку. Для этого в традиционном уровне техники прежде всего известны 2 технологии. В публикации US 4124450 в сочетании с публикациями US 4045299 и US 3912597 того же изобретателя описано, как горячую смесь из газообразных продуктов сгорания и частично сгоревшего неочищенного газа направляют в каналы под камерой коксования, где часть их теплоты может отдаваться в находящуюся под угольной шихтой футеровку, которая благодаря теплопроводности переносит тепловую энергию к углю. При дальнейшем прохождении потока осуществляют последующее сгорание в рекуперативной камере сгорания, расположенной между боковыми стенками камеры коксования. Тепло, произведенное там, переносится сбоку вследствие теплопроводности через стенки коксовальной печи к угольной шихте, благодаря чему время коксования существенно укорачивается. Такую стадию сгорания называют также 2-й воздушной стадией или вторичной воздушной стадией.
По другой традиционной технологии газ, частично сгоревший на первичной воздушной стадии, ведут через каналы в стенках коксовальной печи, которые также называют циркуляционными трубами (Downcomer), в нагревательные каналы в основании под камерой коксования, где далее засасывается достаточное количество воздуха для сгорания, чтобы достичь полного сгорания. Это также приводит к тому, что тепло к угольной шихте подается как непосредственно через тепловое излучение сверху, так и косвенно посредством теплопроводности снизу, а скорость коксования и, в этой связи, производительность печи значительно повышаются.
Дымовые газы, образовавшиеся путем двухступенчатого сгорания в коксовальной печи, в традиционном уровне техники затем ведутся через каналы дымовых газов, находящиеся снаружи коксовальной печи, в направлении дымовой трубы и там могут, в случае нерегенеративного способа, выбрасываться в атмосферу или, в случае способа с регенерацией тепла, например, могут подводиться к части установки для выработки пара.
Проблемой оказалось то, что высвобождение летучих компонентов угля происходит неравномерно в течение времени коксования. К началу коксования фиксировалось снижение температуры коксовальной печи. Это вызвано процессом заполнения, так как уголь с температурой окружающей среды загружают в нагретую камеру коксовальной печи. При соединении происходит фаза бурного высвобождения калорийного газа. Внезапный выброс тепла в коксовальной печи может приниматься от угля и строительного материала коксовальной печи только с ограниченной скоростью. Поэтому температура в камере коксования повышается в ходе процесса коксования и в случае высокой доли летучих компонентов исходной угольной смеси может приводить к превышению граничной температуры использования применяемого строительного материала коксовальной печи или находящихся далее каналов дымовых газов и частей установок. В течение дальнейшего времени коксования высвобождение летучих компонентов угля будет вновь ухудшаться по нарастающей.
В уровне техники при осуществлении способа температуру в коксовальной печи регулируют только путем регулирования объемного потока первичного и вторичного воздуха. Недостатком является то, что тем самым на реакцию коксования воздействуют сами, так как кислород, содержащийся в первичном и вторичном воздухе, выступает в качестве реакционного партнера и его повышенное или пониженное по отношению к стехиометрии содержание ведет к различным степеням сгорания.
Чтобы обойти проблемы такого рода и обеспечить по возможности равномерное производство тепла и качества кокса, в коксовальную печь вводят смесь углей, которая составлена из нескольких отдельных компонентов угля. Традиционно угольная смесь составлена таким образом, что содержание летучих компонентов ограничено определенной максимальной величиной. Так как большая доля имеющихся в распоряжении во всем мире углей не удовлетворяет этому критерию, выбор углей по этому принципу, пригодных для этого способа коксования, ограничен, что ведет к недостаткам с экономической точки зрения.
Задача изобретения состоит в том, чтобы создать улучшенный способ, который больше не имеет ограничений к углю в отношении содержания летучих компонентов, приводит к уменьшению нагруженности дымовых газов оксидами азота, сохраняет материал коксовальной печи и одновременно улучшает качество кокса, не снижая при этом удельной производительности кокса.
Изобретение решает задачу согласно главному пункту за счет того, что используют усовершенствованный способ получения кокса в камере коксования коксовальной печи нерегенеративного типа (Non-Recovery-Typ) или регенеративного типа (с регенерацией тепла, Heat-Recovery-Typ), в котором:
- камеру коксования наполняют угольной шихтой, после чего уголь нагревают, и таким образом дегазируют летучие компоненты из угля,
- эти летучие компоненты угля частично окисляют посредством подведенного воздуха (первичный воздух),
- эта газовая смесь через каналы дымового газа попадает в основание коксовальной печи, причем
- каналы расположены в боковых стенках камеры коксования или на них и
- в основании коксовальной печи сжигают несгоревшие летучие компоненты угля, причем
- как камера коксования, так и основание коксовальной печи имеют устройство для ограниченной подачи воздуха, причем измеряют температуру, и при необходимости для охлаждения основания коксовальной печи в каналы дымовых газов подают водяной пар.
При этом предпочтительно способ согласно изобретению осуществляют таким образом, что путем регулирования подачи водяного пара максимальная температура, которой подвергаются строительные материалы коксовальной печи, не превышает 1400°С. При этом водяной пар в одном из вариантов выполнения способа согласно изобретению имеет повышенное давление, при котором его вводят в трубопровод дымовых газов. Далее способ может быть улучшен тем, что используют относительно холодный водяной пар, температура которого находится в пределах 150-300°С.
С одной стороны, сниженная температура пара важна, чтобы по возможности максимально способствовать потреблению энергии и выносу энергии из коксовальной печи; с другой стороны, оказалось, что водяной пар не может быть введен одним высоким импульсом в камеру коксования, так как иначе уносится слой золы, который образуется сверху коксового «пирога» или коксовой сыпучей массы. Слой золы выполняет важную функцию для вторичного сырья, предотвращая выгорание угля или кокса в коксовальной печи.
Усовершенствование состоит в том, что водяной пар вводят вместе с первичным или вторичным воздухом, благодаря чему число отверстий в конструкции коксовальной печи может быть уменьшено.
Изобретение включает также коксовальную печь для проведения способа в одной из описанных форм выполнения, причем в этой коксовальной печи в стенках коксовальной печи или каналах дымовых газов предусмотрены отверстия, через которые может быть введен водяной пар.
Усовершенствование коксовальной печи состоит в том, что центральный паропровод ведет к отверстиям и несколько коксовальных печей связаны друг с другом. В усовершенствованном варианте этой коксовальной печи перед отверстиями или в трубопроводах, которые ведут к отверстиям, предусмотрены дозирующие устройства для изменения требуемого количества водяного пара, которые с другой стороны связаны через управляющий провод с управляющей ЭВМ.
При этом не требуется вводить этот водяной пар в течение общего времени коксования угольной шихты. Таким образом, преимущественно необходимо вводить водяной пар в начале и в течение фазы нагрева. При достижении критической температуры коксовальной печи вышеописанный способ успешно используют для замедления (торможения). Вследствие того что посредством введения водяного пара температура коксовальной печи очень точно может поддерживаться на безопасном, но высоком уровне, а в других случаях водяной пар в коксовальной печи или последующих стадиях процесса инертно сдерживается, процесс коксования в целом ускоряется.
При этом также является предпочтительным, что прямой уголь, который из-за особенно высокой доли летучих компонентов считается низкосортным, здесь может быть использован с пользой как ускоритель коксования и прежние стадии процесса для смешивания различных шихт углей могут быть ненужными.
В следующей форме выполнения способа предусматривают, что ввод водяного пара всегда происходит таким образом, что строительные материалы коксовальной печи никогда не подвергаются температуре свыше 1400°С. Практически это может достигаться, например, тем, что такие места футеровки, где согласно изобретению скапливается много теплоты, используют как места измерения температуры и также в этих областях предусматриваются отверстия для введения водяного пара.
В моделированном опытном способе коксовальная печь с регенерацией тепла была снабжена 5 отверстиями, через которые водяной пар мог быть подведен в камеру коксования. Далее все каналы дымовых газов, которые соединяют камеру коксования с основанием коксовальной печи, также снабжены отверстиями, через которые водяной пар мог быть подведен в основание коксовальной печи. Ко всем отверстиям ведут паропроводы, которые соединены с центральным главным паропроводом и в которых соответственно были предусмотрены одно дозирующее устройство и один управляющий элемент. В потолке камеры коксования и в главном трубопроводе неочищенного газа, который ведет неочищенный газ из основания коксовальной печи к дымовой трубе, были расположены приборы для измерения температуры. Значения измеренной температуры далее направлялись в управляющую ЭВМ, которая вновь регулировала дозирующие устройства.
В этом опытном способе использовали угольные шихты с различной высокой долей легколетучих компонентов, которые в стандартной коксовальной печи приводили бы к перегреву и повреждению огнеупорного материала. Способ и коксовальная печь в каждый момент времени были отрегулированы так, что практически не наблюдалось повреждений материала коксовальной печи или потерь в количестве веществ.
Ниже приводится дополнительное пояснение изобретения на основе примера выполнения со ссылкой на прилагаемый чертеж, на котором изображена температурная кривая во время коксования.
RG
RG
Mix
D
Wasserdampf
x
2
2
2
2
2
3
3
3
Данный пример выполнения получен путем расчетов на основе физических данных. В первом примере выполнения массовый поток дымовых газов m, который имел среднюю температуру T=1450°С, охлаждали во время коксования путем подачи водяного пара до температуры T=1300°С. При этом массовый поток с водяным паром m подавался с давлением в 2 бар и температурой водяного пара T=120°C в канал в основании коксовальной печи. Термически полученный оксид азота NO снижался со значения 2308 мг NO (относительно 5 об.% O в отходящем газе) на Nm при температуре дымовых газов 1450°С до значения 396 NO (относительно 5 об.% О в отходящем газе) на Nm при температуре дымовых газов 1300°С. В дополнительном примере при сопоставимых условиях водяной пар не подавался. При этом температура при осуществлении процесса коксования выросла до 1475°С и затем снова упала. Поскольку воздух не имеет инертности в отношении процесса сгорания, температура не может оставаться на постоянном уровне без подачи водяного пара. Без подачи водяного пара содержание оксида азота (относительно 5 об.% О в отходящем газе) составляет временами до 2308 мг на Nm.