ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОКСУЕМОГО МАТЕРИАЛА НА СКОРОСТЬ КОКСОВАНИЯ

А.П. Коняхин, А.П. Фомин

К технологическим факторам, влияющим на ка­чество кокса и производительность печей, от­носятся период и скорость коксования. На указанные факторы существенно влияют свойства коксуемого материала и в первую очередь — теплофизические характеристики углей. В усло­виях нестабильности сырьевой базы шихт заводов в течение относительно коротких периодов требуется постоянно вносить коррективы в температурный режим или изменять скорость коксования.

Для определения влияния теплофизических свойств коксуемого материала на период и скорость коксования рассмотрим приближенное уравнение, которое показывает динамику роста температуры в оси коксового пирога:

где t_ц – температура по оси коксового пирога, °С; t₀ – начальная температура загрузки, °С; t_с — температура стен камеры со стороны отопительных каналов, °С;   А и μ – характеристические корни дифференциального уравнения; Fo – критерий Фурье.

При изменении состава угольной шихты температура коксования практически остается без изменения, т. е. при прочих равных условиях коксования выполнимо требование t_ц — t_цn(индекс п относится к «новой» угольной шихте).

Преобразуя уравнение (1) с учетом этого равенства, получаем

Здесь коэффициенты А и μ учитывают влияние термического сопротивления стен камеры и угольной загрузки, значения которых зависят от критерия B_t. Критерий B_t прямо пропорционален половине толщины коксуемой загрузки и коэффициенту теплопроводности стенки, но обратно пропорционален толщине стенки и коэффициенту теплопроводности коксуемой загрузки. Величина критерия B_t при вводе в производство измененного состава угольной шихты меняется незначительно. Кроме того, при B_t>3 коэффициенты А и μ практически не изменяются. Отклонения коэффициента А не превышает 2 %, а величины μ - 0,8 %.

Тогда с достаточной точностью равенство t_ц — t_цn будет выполняться при равенстве критериев Фурье для сопоставляемых угольных шихт, т. е. Fo=Fo_n. Преобразуя это равенство с учетом того, что Fo=а τ/R (где τ – период коксования, ч; а – коэффициент температуропроводности, м²/ч; R— половина толщины коксуемой загрузки, м) и R=R_n, получаем уравнение для определения периода коксования осваиваемой угольной шихты по периоду коксования известной шихты и теплофизическим свойствам шихт

Из уравнения (3) следует, что угольные шихты с различными теплофизическими свойствами не могут иметь одинакового периода коксования. При увеличении температуропроводности осваиваемой угольной шихты будет уменьшаться период коксования и наоборот.

Для оценки соотношения теплофизических свойств угольных шихт вводим критерий, который определяется выражением K_тф=а/а_п

Из теории теплопередачи известно, что коэффициент температуропроводности а=λ/сρ, где λ –  коэффициент теплопроводности коксуемой загрузки, Вт/(м-град); с – удельная теплоемкость шихты, Вт*ч/(кг*град); ρ – плотность, кг/м³.

Тогда критерий теплофизических свойств примет вид:

Проведенные аналитические исследования показали, что при соответствующем подборе величины критерия теплофизических свойств шихт можно уменьшать или увеличивать период коксования. Как показывает уравнение (4) это может быть достигнуто изменением, например, плотности загрузки с помощью вибрационного или другого механического воздействия.

Аналогично можно выразить через критерий К_тф и зависимость скорости коксования от теплофизических свойств коксуемого материала. Для этого в знаменатель уравнения (3) введем температуру коксования и, учитывая, что отношение t_ц/τ является средней скоростью коксования, после преобразования получим

где v - средняя скорость коксования, град/мин. Введя в уравнения  (3),  (5) K_тф получаем:

С целью экспериментальной проверки зависимости периода и скорости коксования от теплофизических свойств коксуемого материала проводили опытные коксования углей и их теплофизические свойства представлены в таблице.

Коксования проводили в специальной печи, как в статических условиях, так и с вибрационным воздействием. Это позволило проверить влияние теплофизических свойств углей на период и скорость коксования при вибрационном воздействии на процесс.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований представлены на рисунке. Кривые 1, 2 и 3 показывают теоретические зависимости скорости коксования от теплофизических свойств углей при статических коксованиях 1, с виброобработкой амплитудой (мм) и частотой (Гц) соответственно 1,5; 7,8 (2) и 3,0 15,6 (3). Кривые построены по уравнению (5) считая, что для газового угля К_тф=1. Остальные угли были приняты как сравнительные и для них К_тф определяли по формуле (4).

Из рисунка также видно, что теоретически данные удовлетворительно согласуются с экспериментальными. Сходимость наблюдается и при коксованиях с виброобработкой, т. е. величина критерия К_тф справедлива при таком механическом воздействии на коксуемый материал.

Очевидно, предложенные зависимости для определения скорости и периода коксования, определенные при коксовании углей, будут справедливы и для многокомпонентных шихт и могут быть применены при освоении новых шихт для корректировки скорости и периода коксования.

Кроме виброобработки, величина критерия теплофизических свойств углей может быть изменена различными способами, например изменением коэффициента теплопроводности путем ввода в угольную шихту высокодисперсных микродобавок, обладающих повышенной температуропроводностью, – алюминиевой пудры, кокса и т.д. Такие мероприятия уменьшают величину критерия, что позволяет снизить период коксования без повышения температуры.