Результат интеллектуальной деятельности: УСТАНОВКА ДЛЯ ТЕРМОПОДГОТОВКИ ШИХТЫ И ОХЛАЖДЕНИЯ КОКСА

Изобретение относится к коксохимической промышленности и предназначено для совмещения процессов охлаждения кокса и термоподготовки шихты для коксования.

Известна энерготехнологическая установка для охлаждения кокса и термической подготовки шихты (патент РФ №2035489), содержащая устройство для теплообмена кокса с шихтой. При этом устройство для теплообмена выполнено в виде шахты, разделенной продольной перегородкой на камеру охлаждения кокса и камеру нагрева шихты, связанные между собой теплообменными элементами в виде тепловых труб и/или их пакетов, размещенных в шахматном порядке в обеих камерах, причем испарительные участки тепловых труб расположены в камере охлаждения кокса. Перегородка между камерой охлаждения и камерой нагрева может быть выполнена термически тонкой, например, металлической или металлокерамической. Камера охлаждения кокса может быть снабжена дополнительным по меньшей мере одним теплообменным элементом с проточным теплоносителем. Установка может быть снабжена источниками инертного газа повышенного давления, сообщенными с испарительными концами тепловых труб через запорный вентиль.

В известной установке термоподготовка шихты осуществляется путем косвенного теплообмена между коксом и шихтой. В качестве промежуточного теплоносителя в тепловых трубах преимущественно используется жидкость, образующая двухфазную среду в рабочей зоне температур. При испарении и конденсации такого теплоносителя суммарная теплопередача определяется коэффициентами теплоотдачи сыпучих сред к трубе.

Недостатком известной установки является низкая эффективность теплообмена между коксом и шихтой, т.к. отсутствует прямой контакт между коксом и шихтой; установка не позволяет согласовать объем подготавливаемой шихты и охлаждаемого кокса с тем, чтобы на коксование шла вся подготовленная таким образом шихта. В известной установке шихту необходимо сначала накапливать, а затем направлять на коксование. Кроме того, известная установка является сложной.

Известна установка для тушения кокса угольной шихтой (Д.А. Мучник, В.И. Бабанин «Возможности улучшения качества кокса вне печной камеры», изд. ВУХИН, Екатеринбург, 2011 г., стр.212-215). В данной установке горячий кокс загружают в накопительный бункер, внутри которого установлены водоохлаждаемые панели, в которые подается противотоком движению кокса вода. Горячая вода и пар, получаемые в водоохлаждаемых панелях, сбрасывают в ливневую канализацию. Температура кокса в накопительном бункере составляет 650±5°C. Из накопительного бункера кокс подается на колосниковый виброгрохот. На этом грохоте осуществляется отделение от потока кокса мелких классов <25 мм, которые попадают в емкость, заполненную водой. Кусковый кокс крупностью >25 мм с виброгрохота поступает в барабанный теплообменник. Исходная влажная угольная шихта из другого накопительного бункера подается в барабанный теплообменник посредством шнекового забрасывателя. Теплообменник внутри разделен пороговой диафрагмой на две зоны: теплообменную - со стороны загрузки угольной шихты и кокса, и сепарационную - со стороны разгрузки. Внутри теплообменной зоны установлена еще одна пороговая диафрагма для увеличения равномерности распределения углекоксовой смеси по длине барабана. Пороговые диафрагмы имеют открывающиеся секторы, соединенные общим приводом со стороны разгрузочной части, для опорожнения барабана перед остановкой. Внутренняя поверхность теплообменной зоны по винтовой линии оснащена решетчатыми лопастями, установленными под углом 3° к оси барабана в сторону разгрузочной части, для обеспечения интенсивности перемешивания углекоксовой смеси.

При отсеве шихты из углекоксовой смеси после завершения теплообмена, в ней содержится некоторое количество коксовой мелочи. Специальными исследованиями этой проблемы было установлено, что:

1. Количество засоряющего кокса находится в пределах до 1,3%;

2. На прочностные характеристики кокса, получаемого при ТПШ (термоподготовка шихты) добавка такого количества влияния практически не оказывает;

3. В коксе остается порядка 2% углей.

Нагрев угля в установке, принятой за прототип, до 130-140°C не сопровождается его термическим разложением. Термопластические свойства нагретой шихты, несмотря на присадку 1,3% коксовой мелочи, не хуже, чем при нагревании газообразным теплоносителем в трубе-сушилке, а насыпная плотность этой шихты на 1,0-1,2% больше, чем у шихты, нагретой газообразным теплоносителем. Последнее подтверждено специальными опытами.

Недостатком известной установки является сложность. Также недостатком установки является длительность процесса в связи с необходимость предварительного охлаждения кокса; недостаточная эффективность процесса нагрева шихты, т.к. шихта смешивается с уже предварительно охлажденным коксом.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является установка для термоподготовки шихты и охлаждения кокса, известная из заявки WO 8809362.

Установка, выбранная за прототип, позволяет уменьшить капиталоемкость и увеличить производительность труда за счет совмещения в одном процессе термической подготовки угольной шихты и охлаждения кокса.

Установка, выбранная за прототип, содержит батарею коксовых печей, накопительный бункер, где кокс при температуре 1000-1500°C некоторое время находится в изотермических условиях. Из накопительного бункера кокс непрерывным потоком поступает на сепарационное устройство, на котором его разделяют на классы. Кусковой кокс из сепаратора поступает в теплообменник, в котором происходит перемешивание угольной шихты и кокса. По окончании теплообмена углекоксовая смесь подвергается сепарации по крупности на сепарационном устройстве, например на грохоте. При сепарации происходит полное отделение нагретой угольной шихты от кокса.

Технический результат, достигаемый заявляемыми изобретениями - сокращение времени нагрева угольной шихты и охлаждения кокса; повышение эффективности установки; возможность регулирования процесса теплообмена между коксом и шихтой; совмещение времени процесса теплообмена с технологическим циклом производства.

Заявляемый технический результат достигается тем, что в установке для термоподготовки шихты и охлаждения кокса, содержащей теплообменную камеру, бункеры для кокса и угольной шихты, сепарационное устройство, установленное на выходе теплообменной камеры и предназначенное для разделения кокса и шихты, согласно изобретению теплообменная камера снабжена водоохлаждаемыми теплосъемными панелями, в полости камеры выполнены элементы вывода из камеры пара, образующегося при нагреве шихты, каждый элемент вывода пара выполнен в виде желоба, проходящего через полость камеры и сообщающегося с внутренней полостью камеры, при этом элементы вывода пара расположены в несколько уровней один над другим по высоте теплообменной камеры, теплообменная камера снабжена вертикальным центральным каналом, сообщенным с элементами вывода пара и с внутренней полостью камеры, при этом центральный канал выведен через верхнюю часть камеры наружу.

Стенки камеры могут быть выполнены в виде водоохлаждаемых теплосъемных панелей.

Водоохлаждаемые теплосъемные панели могут быть размещены в полости теплообменной камеры.

Водоохлаждаемые теплосъемные панели могут быть размещены в полости теплообменной камеры на нескольких уровнях, расположенных один над другим по высоте камеры.

Сепарационное устройство может быть выполнено в виде грохота.

Большая эффективность термоподготовки шихты в заявляемой установке обеспечивается за счет:

- нагрева шихты при ее контакте с водоохлажадемыми панелями, которые нагреваются при выделении тепла из кокса.

Эффективность охлаждения кокса в заявляемой установке обеспечивается за счет:

- теплообмена с холодной влажной угольной шихтой и удаления из нее влаги в виде пара;

- отдачи тепла водоохлаждаемым панелям;

- интенсивной вентиляции смеси кокса и шихты при регулярном удалении пара из коксоугольной смеси через отводные каналы.

Эффективность заявляемой установки заключается также в возможности регулирования ее работы. Регулирование реакции теплообмена между коксом и шихтой можно осуществлять временем контакта кокса и влажной угольной шихты (временем прохождения смеси кокса и шихты через камеру теплообмена), а также скоростью прохождения воды через водоохлаждаемые панели. Кроме того, возможно дополнительное регулирование путем небольшого доувлажнения угольной шихты.

Для повышения эффективности способа водоохлаждаемые панели размещаются также внутри теплообменной камеры.

Установка для термоподготовки шихты и охлаждения кокса содержит теплообменную камеру, в которой происходит нагрев шихты и охлаждение кокса при их взаимном смешении. Подача горячего кокса и шихты осуществляется через самостоятельные бункеры, смешение кокса и шихты происходит в процессе подачи кокса и шихты в теплообменную камеру.

Для снижения «теплового удара» внутри камеры вследствие интенсивного выделения тепла при взаимодействии горячего кокса и шихты теплообменная камера снабжена водоохлаждаемыми теплосъемными панелями. При этом из таких панелей могут быть выполнены не только стенки камеры, но эти панели размещают внутри камеры. Таким образом, обеспечивается развитая поверхность контакта смеси кокса и шихты с теплосъемными панелями. Принимая на себя тепло, выделяющееся от кокса и при интенсивном испарении влаги из шихты при взаимодействии с коксом, водоохлаждаемые панели обеспечивают дополнительный теплосъем, отводя тепло через воду внутри панелей. Образующиеся в результате нагрева воды внутри панелей пар и вода используются на технологические нужды.

Также для интенсивного удаления из камеры пара, образующегося при испарении выделяющейся из шихты влаги, камера снабжена элементами вывода пара в виде желобов, сообщенных с внутренней полостью камеры. По таким желобам образующийся пар выводится наружу. Желоба расположены на нескольких уровнях, при этом обеспечивается хорошая вентиляция коксоугольной смеси, что также способствует теплообмену между коксом и шихтой. Целесообразно ввести дополнительный центральный канал, сообщенный со всеми отводящими каналами. В центральном канале происходит сбор пара со всех каналов и из полости теплообменной камеры. Такой собранный пар удобно вывести наружу, например, через верхнюю часть теплообменной камеры.

Удаление пара из объема коксоугольной смеси предотвращает возможность образования внутри нее застойных зон, в которых возможно вскипание влаги.

Тепло удаляемого пара утилизируется, а конденсат пара удаляется на технологические нужды, таким образом, заявляемый способ не нарушает экологию.

На выходе из теплообменной камеры установлено сепарационное устройство, предназначенное для разделения шихты и кокса. Данное устройство может быть выполнено в виде грохота с ситом. Разделение кокса и шихты осуществляется по размеру частиц, т.к. частицы кокса являются более крупными, чем частицы шихты.

Заявляемая установка поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена заявляемая установка и внешний вид теплообменной камеры.

На фиг.2 изображен разрез заявляемой установки.

На фиг.3 изображено сечение водоохлаждаемой панели с желобом.

Заявляемая установка содержит теплообменную камеру 1; бункер 2 для горячего кокса; бункер 3 для угольной шихты. Бункеры 2 и 3 сообщены с камерой 1. Установка содержит сепарационное устройство в виде грохота 4, сообщенного с камерой 1. Стенки камеры 1 выполнены из водоохлаждаемых теплосъемных панелей 5. Внутри камеры 1 размещены теплоотводящие водоохлаждаемые панели 6 на расстоянии 800 мм между собой в одном ряду, расположенные на нескольких уровнях один над другим по высоте камеры. Панели 6 могут быть расположены в шахматном порядке. В камере 1 выполнены желоба 7 (каналы, отводящие пар). Желоба 7 сообщены с внутренней полостью камеры 1 и центральным отводящим каналом 8, также сообщенным с внутренней полостью камеры 1. Центральный канал 8 выходит наружу через верх камеры 1 для того, чтобы обеспечить отвод пара из полости камеры 1 в конденсационную установку (не показана). Объем камеры 1 для теплообмена согласуется с оборудованием коксохимического производства и условиями их работы, в первую очередь - с объемом коксовых печей. Минимальный объем камеры 1 должен быть не менее двух объемов камеры коксовой печи, а оптимальный размер - трехкратный объем печной камеры, учитывающий увеличение производительности печей, работающих на термоподготовленной шихте. Таким образом, для печи объемом 20 м³ предпочтительно, что камера 1 теплообмена имела объем 60 м³; для печей с объемом коксовой камеры 30,6 м³, соответственно объем камеры 1 теплообмена должен составлять 60-90 м³.

Заявляемая установка работает следующим образом. Горячий кокс при температуре около 1000°C из бункера 2 и угольная шихта с влажностью 13% из бункера 3 одновременно подаются в камеру 1. Весовое соотношение кокса и шихты составляет - кокс:влажная шихта=1:1,55. Предварительно перед загрузкой в камеру 1 из кокса удалили мелкие фракции менее 20 мм. В результате взаимодействия смешивающихся кокса и шихты происходит интенсивный теплообмен с охлаждением кокса в результате интенсивного испарения влаги из шихты. Тепло от горячего кокса с одной стороны передается угольной шихте при их контакте, с другой стороны тепло кокса «гасится» теплосъемными панелями 5 и 6. Тепло от кокса передается шихте и воде в панелях 5 и 6. При теплообмене из шихты происходит интенсивное испарение влаги, которая начинает выделяться во внутрь полости камеры 1 в виде пара. Пар удаляется через желоба 7 и канал 8 из камеры 1, обеспечивая хорошую вентиляцию коксоугольной смеси и способствуя теплообмену между коксом и шихтой. Длительность теплообмена между коксом и шихтой составляет 8-15 мин. После теплообмена смесь охлажденного кокса и термоподготовленной шихты поступает на грохот 4 для разделения (или другое устройство). На грохоте 4 коксоугольная смесь разделяется на кокс и шихту по принципу классификации - более мелкая шихта отделяется от более крупных частиц кокса. Кокс по мере необходимости направляется на коксосортировку или отгрузку в качестве товарного продукта, а угольная шихта - на загрузку в коксовые печи.

Вода из панелей 5 и 6 вместе с паром, образующемся при ее нагреве, удаляется из них и направляется на повторное использование. Тепло пара повторно используется для технологических нужд, обеспечивая таким образом его экономию.

Заявляемая установка является простой, обеспечивает хороший теплообмен между горячим коксом и шихтой, снижает по сравнению с мокрым тушением тепловой удар кокса от взаимодействия горячего кокса с холодной шихтой, обеспечивает удаление пара, образующегося при испарении влаги из шихты. Таким образом, помимо простоты и надежности заявляемая установка является безопасной и простой в эксплуатации.

Эффективность заявляемой установки подтверждается следующими расчетными обоснованиями.

Тепло, уносимое 1 т кокса при температуре 1000°C (при истинной теплоемкости кокса 0,430 ккал/кг*°C), составляет: qк=0,43×1000×1000=430000 ккал/т кокса.

Расход тепла на испарение влаги угольной шихты определяется исходя из того, что для производства 1 т кокса необходимо 1,37 т сухой угольной шихты с содержанием летучих веществ 27% или 1,53 т угольной шихты с влажностью 10%. Теплота испарения составляет 600 ккал/кг*°C.

Тогда тепло, необходимое на испарение влаги угольной шихты, составляет:

qисп.=600×153=91820 ккал.

Расход тепла на нагрев угольной шихты до температуры 150°C при теплоемкости концентратов угля в данном диапазоне температур 0,320 ккал/кг*°C, составляет:

qн угл.=1370×0,320×150=65760 ккал.

Водоохлаждаемые панели (в том числе внутренние) снимут около 10% тепла, которое составит 430000×0,1=43000 ккал.

Остаток тепла в коксе составит: 430000-91820-65760-43000=229420 ккал/т кокса.

Это количество тепла кокса соответствует температуре кокса порядка 180°C (расчетная величина).

Т.к. в процессе всегда имеет место сгорание некоторого количества кокса, он охлаждается не до расчетной (теоретической) температуры, а несколько выше - 200-250°C.

Таким образом, согласно заявляемому изобретению реализуется охлаждение кокса до температур порядка 200-250°C и нагрев шихты до 150-180°C.

Таким образом, при влажности шихты 10-13% возможно охлаждение кокса и термоподготовка угольной шихты путем их теплообмена в одной камере. При этом охлаждение кокса происходит до температур 200-250°C, а нагрев шихты - до 150-180°C.

Если влажность угольной шихты меньше 10%, потребуется дополнительное охлаждение кокса путем введения дополнительных отбирающих (поглощающих) тепло элементов в виде водоохлаждаемых панелей, или же можно осуществлять подпитку угольной шихты водой.