Раздел 2
Направление, объект, предмет и методы исследований
Результаты аналитического обзора, представленного в предыдущем разделе диссертации, позволяют сформулировать следующие направления исследований:
* разработка математической модели теплопереноса в отопительных каналах коксовых печей;
* обеспечение стабильности теплового режима коксовых батарей с нижним подводом;
* разработка методики рационального распределения отопительного газа по длине простенка коксовых печей.
Данная научная работа направлена на решение проблем, связанных с обогревом коксовых батарей, в часности:
* обеспечение равномерного прогрева угольной загрузки по длине и высоте камер;
* обеспечение стабильности потока тепла в коксуемую загрузку.
Соответственно этих задач формулируются объект, предмет и методы исследований.
2.1. Объект исследований
Объектом исследований является процесс высокотемпературного коксования угольной шихты.
При нагревании шихты без доступа воздуха происходят сложные превращения, характер которых зависит как от особенностей химического строения вещества входящих в её состав углей, так и от условий нагревания. В результате протекающих при этом термохимических превращений образуются газообразные продукты, а также твёрдый остаток - кокс.
Главной отличительной особенностью коксования углей в современных коксовых печах является двухстороннее движение нестационарного (переменного) температурного поля от греющих поверхностей стен к центру угольной загрузки. В связи с этим в камере по направлению от греющих стенок к осевой плоскости пирога в различное время есть последовательно расположенные слои кокса, полукокса, пластической массы, сухой и влажной шихты. Такое состояние коксуемой загрузки играет важную роль в формировании углеродистой структуры кокса, обуславливая интенсивность выделения и направленность движения парогазовых продуктов, давление распирания, а также усадку и образование трещин в массиве коксового пирога.
Уже в начальной стадии нагревания шихты с момента начала её загрузки происходит выделение газа, состоящего в этот момент преимущественно из водяных паров, угольной пыли и смолистых составляющих.
При повышении температуры до 373-383 К из углей удаляется влага. В интервале до 473 К выделяются окклюдированные газы (СО2, СН4, и др.)[157].
Непосредственно разложение углей начинается при температуре несколько выше 473 К, когда выделяются не только пирогенетическая вода и диоксид углерода, но и сероводород и незначительное количество органической серы.
При температуре порядка 623-673 К начинается размягчение углей, они образуют пластическую вязкую массу. Такое состояние поддерживается до приблизительно 773-823 К.
Химические и физические процессы, происходящие в зоне пластического слоя, имеют очень важное значение для качества получаемого кокса. Как правило, чем дольше продолжается пластическое состояние, тем меньше летучих веществ выделяется после затвердевания пластической массы, т.е. усадка материала, превращающегося в кокс, проходит более равномерно, образуется менее трещиноватый кокс[158].
Со свойствами пластической массы угля связаны такие процессы, как давление распирания и вспучивание, которые могут оказывать большое влияние на конечные результаты процесса коксования.
В современной коксовой печи при коксовании расширению угля препятствуют её стенки и слой загрузки, находящийся выше. Только в самом верхнем тонком слое может проявляться вспучивание, ведущее к образованию губчатого кокса.
С давлением распирания в коксовых печах приходится считаться более серьёзно. Оно несомненно оказывает отрицательное влияние на стенки камер, но положительное влияние на качество кокса. Давление распирания, во многом, обуславливает его прочность, так как способствует более полному сращиванию размягчённых частиц угля, что, в конечном итоге, приводит к образованию более плотного кокса.
В период пластического состояния образуется около 40 % всех летучих веществ. В интервале температур от ~ 623 К до ~ 823 К выделяется значительное количество метана и его гомологов, олефинов, паров смолы и газообразных углеводородов, продолжают выделяться простейшие газы (СО2, СО, Н2О) и сероводород, начинается выделение водорода, различных азотистых и кислородных соединений [158-165].
При дальнейшем подъёме температуры происходит уже фактически пиролиз не угля, а полученных продуктов - полукокса, первичной смолы и газа. Каждый из этих продуктов претерпевает самостоятельный путь разложения, хотя разложение последних двух взаимосвязано, так как происходит в газовой фазе.
При температуре свыше 823 К из образовавшегося монолитного, уже спёкшегося остатка - полукокса - продолжают выделяться газы (главным образом водород), а также заканчивается выделение смолистых веществ, идёт формирование углеродистой структуры кокса, которое заканчивается при температуре порядка 1223 - 1373 К. В процессе превращения полукокса в кокс образуется до 50 % всех летучих веществ [158,159, 163-165].
В этот же период происходят усадочные процессы, которые идут как в поперечном, так и в вертикальном направлении, а также образование трещин в массиве коксового пирога.
Указанные виды усадки имеют одну и ту же природу. При равных условиях коксования по длине и высоте печных камер усадка коксового пирога во многом зависит от плотности загрузки. Чем она выше, тем меньше будет вертикальная и боковая усадка и наоборот [162].
Усадочные процессы в коксующейся загрузке приводят к образованию продольных и поперечных трещин. Причинами их возникновения являются напряжения, появляющиеся в результате разных скоростей усадки, что вызвано различием температур загрузки. В результате появления трещин и образуются куски кокса той или иной величины [166,167].
В связи с этим очевидно, что основой оптимальности температурного режима коксовой батареи следует считать равномерное распределение температур по длине и высоте печных камер в любой момент периода коксования. В это
- Київ+380960830922