Коксохимическая промышленность является источником разнообразных видов химического сырья, обеспечивающих производство кокса, необходимого для работы предприятий черной металлургии и ряда других отраслей промышленности.
Производство кокса относится к высокотемпературным процессам и потребляет значительное количество топлива. В то же время коксовые батареи — основной источник вторичного энергетического ресурса. В основном это тепловая энергия горячего кокса. Наибольшие потери тепловой энергии происходят при тушении кокса [1, 9].
Технологический процесс производства кокса заканчивается выдачей его из печей при температуре 950–1100 °С. Чтобы предотвратить горение раскаленного кокса после выгрузки из печи, а также сделать кокс пригодным для транспортировки и хранения, необходимо снизить его температуру до 200–250 °С, при которой исключается самовозгорание и тление, т. е. необходимо кокс потушить. В настоящее время на коксохимических промышленностях применяют два способа тушения кокса: мокрый и сухой [6, 8].
При мокром способе тушения кокса физическая тепловая энергия кокса теряется безвозвратно. На большинстве коксохимических предприятиях для тушения кокса применяют фенольные воды, в которых содержатся смолы, масла, аммиак, фенолы, сероводород, роданиды, цианиды и др. [4]. При этом удельные выбросы загрязняющих веществ в атмосферу составляют (в г на 1 т потушенного кокса): сероводорода 20; аммиака — 42; фенола — 85; цианистого водорода — 9,3; бенз(а)пирена — 0,06. При сухом тушении кокса выброс этих веществ исключается [2].
Сточные воды перед тушением кокса должны быть очищены от летучих вредных веществ и не содержать те соединения, которые при контакте с раскаленным коксом могут разлагаться с выделением вредных летучих компонентов. На предприятиях осуществляющие сухое тушение кокса, очищенные фенольные воды передаются для биологической доочистки в систему очистных сооружений хозяйственно-бытовой канализации. Переход на сухое тушение кокса изменит баланс сточных вод [11].
Таблица 1
Удельное количество сточных вод коксохимических заводов [12]
|
Процесс |
Колическтво сточных вод, м3 / т |
|
Промывка угля Тушение кокса Очистка газа от сероводорода методом: вакуум-карбонатным мышьяково-содовым Ректификация: бензола смолы |
0,4–0,6 2,5–3,5 0,2–0,5 3–4 0,006 0,002 |
Недостатком мокрого тушения кокса является то, что тепло раскаленного кокса, составляющее 45–50 % всего тепла, затраченного на коксование угля, безвозвратно теряется. Теряется также часть воды, подаваемой на тушение кокса, в результате ее испарения (0,5–0,6 м3/т). Интенсивное охлаждение (от 1000±100°C до 150–200°C за 1,5–2,0 мин) за счет возникающих термических напряжений приводит к образованию в кусках кокса трещин дополнительно к тем, которые образовались при коксовании. Тем самым значительно снижая прочность кокса. [8].
При сухом тушении кокса тепловая энергия горячего кокса утилизируется и используется на выработку пара для нужд предприятия.
Суть этого способа заключается в том, через слой кокса, помещенного в закрытую камеру, происходит циркуляция по замкнутому циклу газообразного инертного теплоносителя, осуществляемая при помощи циркуляционного вентилятора. Газ отбирает тепло от раскаленного кокса и передает его испарительной поверхности котла-утилизатора. Раскаленный кокс загружается скиповым подъемником в бункер и продувается инертными газами, которые нагреваются в нем до 800 С, после чего проходят через котел-утилизатор, отдавая тепло на выработку пара, и возвращаются с температурой 180–200 С [10].
Эксплуатация установок сухого тушения кокса показала, что они обеспечивают значительный экономический эффект по сравнению с мокрым способом тушения, причем здесь в первую очередь достигается технологический эффект за счет улучшения свойств кокса сухого тушения [7].
Процесс сухого тушения кокса проводится в атмосфере азота или инертных газов без доступа кислорода. Этот способ предусматривает вдувание в камеру установки сухого тушения кокса в качестве охлаждающего газа азота или инертных газов. Предполагается, что на этой стадии структура кокса стабилизируется, переходя к более устойчивому состоянию, что положительно влияет на его прочностные характеристики. Недостатком всех используемых в настоящее время методов сухого тушения кокса является то, что применяемые наборы газов просто отводят тепло с поверхности кокса, а химическое взаимодействия их с поверхностью кокса, ведущее к повышению прочности кокса, при этом не происходит [6].
Исходя из того, что:
‒ металлургический кокс примерно на 90 % состоит из углерода и на 5 % из водорода и других элементов (без учета золы и влаги);
‒ спектр ядерно-магнитный резонанс кокса, состоит из двух пиков: интенсивный, соответствующий СAR и слабый соответствующий САL, было предположено, что структура кокса состоит в основном из графитоподобных, углеродных кластеров, образованных из атомов углерода в гибридном состоянии (Саr) и атомов водорода, связанных с периферийными атомами.
Предлагается в форкамеру УСТК (в зону высоких температур) подавать природный газ. Учитывая, что природный газ в основном состоит из метана, то под воздействием высоких температур в этой зоне происходит следующее:
‒ отвод тепла в результате эндотермической реакции разложения метана;
‒ дополнительное упрочнение кокса за счет изменения его структуры: получаемый в результате реакции термического разложения метана углерод, выделяющийся при этой реакции, встраивается в структуру кокса и «сшивает» графитоподобные кластеры кокса прочной химической связью соответственно в би-, три- и тетра-производные с выделением водорода, приводя к упрочнению химических связей.
В результате этого происходят структурные изменения в коксе за счет увеличения соотношения САL/ СAR, что и приводит к упрочнению кокса.
Газообразные продукты, полученные в результате распада природного газа, отводятся через отверстие в форкамере [5].
Дальнейшее тушение кокса осуществляется в шахте УСТК циркулирующими инертными газами. Зона подачи природного газа выше зоны отвода инертных газов.
Отведенные из УСТК газообразные продукты предлагается далее подавать в газоход между УСТУ и КУ и на входе их дожигать с воздухом (кислородом). Полученные продукты сгорания смешиваются с циркулирующими инертными газами, что приводит к повышению энтальпии потока газов, подаваемых в КУ и, как следствие, к увеличению количества и параметров вырабатываемого в этой установке пара
Преимущества метода сухого тушения кокса заключаются в том, что:
‒ улучшается качество металлургического кокса, который не разрушается от резкого охлаждения;
‒ утилизируется тепло раскаленного кокса с получением пара;
‒ уменьшается расход технической воды и сокращается уровень загрязнений воздушного и водяного бассейнов;
‒ уменьшается коррозия оборудования;
‒ улучшаются санитарно-гигиенические условия труда.
‒ улучшаются технико-экономические показатели коксования за счет утилизации тепла кокса к получению водяного пара высоких параметров [3].
Внедрение установки сухого тушения кокса одновременно со строительством теплоутилизационной электростанции ведет к увеличению выработки электрической энергии.
Литература:
- Грязнов Н. С. Основы теории коксования/ Н. С. Грязнов // 1976. М.: Металлургия, 311 с.;
- Лисиенко В. Г., Щелоков Я. М., Ладыгичев М. Г. Топливо. Рациональное сжигание, управление и технологическое использование. // 2003. Москва: Теплотехник, 833 с.;
- Печуро Н. С., Капкин В. Д., Песин О. Ю. Химия и технология синтетического жидкого топлива и газа // 1986. М.: Химия, 352 с.;
- Пожидаев Ю. А., Кадошников В. И., Савочкина Л. В. Проектирование демпфирующих систем для рекуперации энергии // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова, 2011. No3. С. 80–83.;
- Старовойт А. Г. Кинетика движения и характер охлаждения кокса в камере УСТК / А. Г. Старовойт, В. А. Анисимов, В. Ф. Гончаров // 1990. Кокс и химия. — С.9–10.;
- Сухоруков В. И. Научные основы совершенствования техники и технологии производства кокса / В. И. Сухоруков // 1999. Екатеринбург, 393 с.;
- Сушон С. П. Вторичные энергетические ресурсы промышленности СССР / С. П. Сушон // 1978. Москва: Энергия, 320с.;
- Сысков К. И. Коксохимическое производство / К. И. Сысков, Ю. Г. Королев // 1969. М.: “Высшая школа”, 152 с.;
- Харлампович Г. Д. Технология коксохимического производства / Г. Д. Харлампович, А. А. Кауфман // 1995. М.: Металлургия, 384 с.;
- Щукин А. А. Промышленные печи и газовое хозяйство заводов/ А. А. Щукин // 1973. М: Энергия, 224 с.;
- http://diplomba.ru/work/130890;
- http://www.vodalos.ru/spravochniki-stroitelya/spravochnik-proektirovshika/11/5/1.
