Разработка плана лабораторных исследований процесса коксования с целью определения оптимальных условий проведения процесса и рационального использования природных ресурсов

Семковский С.В., Збыковский А.И.

Источник: Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів/ Збірка доповідей VI Міжнародної наукової конференції аспірантів і студентів. Т. 2 - Донецьк: ДонНТУ, ДонНУ, 2007, с. 178-179.

     Анализируя накопленный опыт лабораторных исследований процесса коксования можно сделать следующие выводы:

  • оптимальным с точки зрения получения математических зависимостей, адекватно описывающих процесс коксования, проведения минимально необходимого количества опытов, а следовательно минимальных затрат времени и средств является постановка планируемого эксперимента;
  • так как показатели качества кокса, как правило, нелинейно зависят от влияющих технологических факторов, то для проведения эксперимента необходимо составлять планы как минимум второго порядка.
         Для получения в лабораторных условиях математических зависимостей, позволяющих разрабатывать рекомендации по оптимизации условий проведения промышленных коксований и рациональному использованию природных ресурсов, необходимо тщательно изучить температурные условия коксования в промышленных коксовых печах и определить влияющие технологические факторы и интервалы их варьирования.
         Для анализа температурных условий коксования были взяты опубликованные в печати результаты замеров температур по ширине камеры коксования (ширина камеры 384 мм при периоде коксования 13,5 ч; ширина камеры 494 мм при периоде коксования 17 ч). Эти результаты представлены в виде кривых подъема температуры в точках угольной загрузки, находящихся на разных расстояниях от стен камеры коксования. По этим кривым нами были рассчитаны средние скорости нагрева загрузки на различных расстояниях от стенки камеры в температурных интервалах, соответствующих определенным стадиям процесса коксования (см. таблицу 1).

    Таблица 1 – Средние скорости нагрева загрузки в различных точках по ширине камеры коксования (ширина камеры 384 мм, период коксования 13,5 ч; ширина камеры 494 мм, период коксования 17 ч)

    Температурный интервал, 0C Средняя скорость нагрева ( 0C/мин) на расстоянии от греющей стенки (мм)
    ширина камеры 384 мм, период коксования 13,5 ч ширина камеры 494 мм, период коксования 17 ч
    10 50 100 150 192 10 62 112 162 212 247
    200-350 9.8 3.4 1.6 1.8 2.3 - 2.7 1.9 1.8 1.8 2.3
    350-500 7.8 3.1 2.5 1.6 2.8 - 3.0 2.5 2.6 2.2 2.5
    500-650 4.0 2.4 2.5 1.8 3.3 7.1 1.9 1.5 2.2 2.1 2.7
    650-800 0.9 1.0 0.5 1.6 3.3 2.4 1.0 0.7 0.7 0.9 1.7
    800-900 0.4 0.3 1.0 2.6 3.5 0.5 0.3 0.4 0.7 1.0 1.8
    900-tkon 0.3 0.7 1.4 2.1 2.7 0.2 0.3 0.7 0.7 2.5 2.5
    200-800 5.6 2.5 1.8 1.7 2.9 - 2.2 1.7 1.8 1.8 2.3

         Анализ этих данных показывает, что при периоде коксования 13,5 ч в камере шириной 384 мм пристеночные слои загрузки (10 мм от стенки камеры) достигают температуры 800 °С уже через 3-4 часа после загрузки камеры, а приосевые (150-192 мм от стенки камеры) – через 12-12,5 ч. Если считать, что при 800 °С структура кокса уже в основном сформирована, то время воздействия на кокс теплом в пристеночных слоях на 8-9 ч больше, чем в приосевых. В камере шириной 494 мм при периоде коксования 17 ч пристеночные слои загрузки достигают температуры 800 °С за более короткий промежуток времени, равный 2 ч, что объясняется более высокими температурами в отопительных простенках. Приосевым слоям загрузки (212-247 мм от стенки камеры) для нагрева до температуры 800°С требуется значительно больше времени 14,7-15,5 ч. Таким образом, с увеличением ширины камеры на 110 мм разница по времени воздействия на кокс теплом после достижения 800 °С между пристеночными и приосевыми слоями возрастает, достигая 12,7-13,5 ч.
         Средняя скорость нагрева угольной загрузки в интервале 350-500 °С, соответствующем стадии пластического состояния – наиболее важной для спекания угольных зерен и формирования прочностных свойств кокса, по мере удалении от греющей стенки в обеих камерах уменьшается, незначительно возрастая в осевой плоскости. В «узкой» камере скорость нагрева по ширине загрузки без учета пристеночного слоя, как нехарактерного для всей массы загрузки, меняется в пределах 1,6-3,1 °С/мин, а в «широкой» – в пределах 2,2-3 °С/мин.
         Таким образом, в любых разноудаленных от греющей стенки точках угольной загрузки процесс коксования характеризуется различными скоростями нагрева, различной продолжительностью воздействия на кокс теплового потока и близкими по величине конечными температурами коксования.
         На основании вышесказанного выбираем следующие факторы, влияющие на процесс коксования:
    Xi – скорость нагрева в интервале 200-800 °С, °С/мин;
    Хг – конечная температура коксования, °С;
    Хз – время воздействия на кокс теплом после достижения 800 °С, ч.
         В производственных условиях в наибольшей мере можно влиять на качество кокcа, меняя состав угольной шихты. Газовые угли в современных и особенно в перспективных шихтах являются практически основным компонентом, поэтому, в качестве четвертого влияющего фактора (Х4) принимаем содержание газовых углей в шихте (%).      Для проведения лабораторных коксований был составлен центральный композиционный ортогональный план второго порядка (см. таблицу 2).

    Таблица 2 – Центральный композиционный ортогональный план лабораторных коксований

    № п/п Влияющие факторы № п/п Влияющие факторы
    X1, oC X2, ч X3, oC X4, % X1, oC X2, ч X3, oC X4, %
    1 3.5 1030 10.5 60 14 1 1030 2.5 30
    2 1 1030 10.5 60 15 3.5 900 2.5 30
    3 3.5 900 10.5 60 16 1 900 2.5 30
    4 1 900 10.5 60 17 4.02 965 6.5 45
    5 3.5 1030 2.5 60 18 0.48 965 6.5 45
    6 1 1030 2.5 60 19 2.25 1057 6.5 45
    7 3.5 900 2.5 60 20 2.25 873 6.5 45
    8 1 900 2.5 60 21 2.25 965 12.2 45
    9 3.5 1030 10.5 30 22 2.25 965 0.84 45
    10 1 1030 10.5 30 23 2.25 965 6.5 66.2
    11 3.5 900 10.5 30 24 2.25 965 6.5 23.8
    12 1 900 10.5 30 25 2.25 965 6.5 45
    13 3.5 1030 2.5 30

    © ДонНТУ Семковский С.В. 2009