Авторы: Е. А. Данилин
Описание: В данной статье приведены пути усовершенствования установок сухого тушения кокса (УСТК) на базе выполненных разработок и исследований.
Источник: Кокс и химия – 2011. – № 10. — с. 39 – 42.
Установки сухого тушения кокса (УСТК) нашли широкое применение в технологии коксового и доменного производств. С учетом резкого по-дорожания энегоносителей и введения жестких требований в области охраны окружающей среды совершенствование конструкции и режимов работы УСТК становится все более актуальным.
Специалисты НТП «Котлоэнергопром» располагают большим опытом разработки, проектирования, пуска, наладки и исследования отдельных элементов оборудования УСТК в Украине, ближнем и дальнем зарубежье, начиная с 70-х годов прошлого столетия. В последнее время сотрудниками предприятия «Котлоэнергопром» выполнены следующие работы:
— пуск, наладка, испытания и исследования трех блоков УСТК производительностью по коксу 70 т/ч каждый на ОАО «Алчевсккокс»;
— рабочие чертежи котла-утилизатора (паропроизводительность 25 т/ч, давление 3,9 МПа (39 кгс/см2), температура перегретого пара 440 °С) башенного типа с естественной циркуляцией для блока УСТК № 15 Авдеевского коксохимического завода;
— разработка автоматической системы регулирования температуры перегретого пара с минимизацией затрат электроэнергии на привод дымососа;
— разработка технических решений по обезвреживанию и утилизации тепла сбросного тушильного агента блока УСТК;
— технический проект установки для обезвреживания и утилизации тепла сбросного тушильного агента трех блоков УСТК «Северсталь»;
— рабочий проект обезвреживания и утилизации тепла сбросного тушильного агента трех блоков УСТК на ПАО «Запорожкокс».
В СНГ и во всем мире с 1963 г. используют УСТК бункерного типа системы Гипрококса, ставшей классической. Производительность первой серии блоков УСТК по коксу составляла 52 т/ч. С 1983 г. начали внедрять аналогичные блоки УСТК производительностью по коксу 70 т/ч, отличающиеся в основном конструкцией котла. Вместо тяжелой обмуровки в котлах блоков УСТК производительностью 52 т/ч в новом котле блока УСТК производительностью 70 т/ч применены современные газоплотные мембран¬ые панели с легкой натрубной изоляцией, конструкция конвективных поверхностей с прину-дительной циркуляцией осталась прежней. Котел оборудован также пароохладителем, что по ре¬зультатам сравнительного анализа ухудшило показатели котла и всего блока УСТК:
— возросла стоимость котла вследствие увеличения поверхности нагрева пароперегревателя и применения дополнительного оборудования - пароохладителя с трубопроводами и арматурой;
— повысилось гидравлическое сопротивление пароперегревателя, что привело к повышению давления в барабане котла и увеличению расхода электроэнергии на привод питательных насосов;
— ухудшилась регулировочная характеристика блока УСТК — при автоматическом поддержании заданной температуры пара возможны режимы с завышенным расходом тушильного агента, что приводит к перерасходу электроэнергии и повышенному эрозионному износу оборудования.
С 1965 г. по настоящее время в конструкцию УСТК системы Гипрококса во всем мире был внесен ряд усовершенствований конструкции и режима работы элементов УСТК (узел загрузки кокса в форкамеру, узел отвода тушильного агента от камеры тушения, дутьевое устройство, узел выгрузки кокса из камеры тушения, котел-утилизатор и др.), однако общая схема блока УСТК (форкамера с узлом загрузки кокса, камера тушения кокса с узлом выгрузки кокса, бункер-пылеосадитель, котел-утилизатор с принудительной циркуляцией котловой воды, пылеулавливающие циклоны, дымосос, дутьевое устройство, форкамера) осталась без изменений. Эта схема предопределена параметрами тушильного агента на выходе из камеры тушения, главным из которых является большое содержание высокоабразивной пыли (до 11 г/м3). Для снижения абразивного износа поверхностей нагрева котла перед ним устанавливается гравитационный бункер-пылеосадитель, эффективность пылеулавливания которого не превышает 20 %. Для снижения абразивного износа дымососа перед ним устанавливаются пылеулавливающие циклоны.
Полное аэродинамическое сопротивление газового тракта УСТК достигает 6 кПа (600 кгс/м2), что предопределяет высокий расход электроэнергии на тушение кокса. Высокое разрежение на всасывающей стороне дымососа приводит к прососу воздуха в газовый тракт УСТК и угару кокса. Дополнительной причиной повышенного угара кокса при достаточной плотности газового тракта служит организованная подача воздуха в кольцевой канал камеры тушения для снижения содержания СО до 12 % с целью предупреждения хлопков и возгорания тушильного агента при загрузке кокса в форкамеру и при утечке тушильного агента через узел выгрузки кокса.
Применение котла-утилизатора с принудительной циркуляцией котловой воды в конвективных пакетах с горизонтальным расположением труб ограничивает температуру тушильного агента перед котлом на уровне 800 °С что в принципе исключает возможность оптимизации теплообмена в камере тушения с уменьшением расхода тушильного агента из-за недопустимого роста температуры газов перед котлом выше 800 °С.
Задачами совершенствования УСТК следует считать:
1) снижение угара кокса;
2) снижение габаритов УСТК;
3) снижение энергозатрат на тушение кокса;
4) повышение надежности работы оборудования;
5) улучшение экологических показателей.
Обеспечение достаточной газовой плотности части газового тракта УСТК, находящейся под разрежением, представляется вполне выполнимым мероприятием. Однако для эффективного снижения угара кокса требуется ликвидация организованной подачи воздуха в газовый тракт УСТК с отменой установленного верхнего предела содержания оксида углерода (12 %) и применением конструктивных и режимных мероприятий для обеспечения загрузки кокса в форкамеру и выгрузки потушенного кокса из камеры тушения без хлопков и возгорания тушильного агента при высоком содержании в нем оксида углерода.
Значительное давление газов после дымососа (до 2,5 кПа, или 250 кгс/м2) приводит к неизбежным выбросам тушильного агента в атмосферу в случае применения шлюзовой выгрузки кокса.
Техническим решением, которое может обеспечить абсолютную плотность узла выгрузки потушенного кокса с дегазацией выдаваемого кокса, является непрерывная выгрузка кокса с аэродинамическим затвором. Схема непрерывной выгрузки кокса включает в себя контур рециркуляции газов из узла разгрузки кокса в основной контур циркуляции (как правило, перед пылеулавливающими циклонами) и дополнительный вентиляционный контур, исключающий утечку тушильного газа в атмосферу.
Впервые непрерывная выгрузка кокса была внедрена в соответствии с охранным документом [1] в 1985 г. на блоке УСТК № 9 (производительность блока по коксу 52 т/ч) Криворожского коксохимического завода. Внедрение узла непрерывной выгрузки кокса на блоке УСТК № 9 обеспечило:
— полное исключение утечек тушильного агента через узел выгрузки кокса, присущих шлюзовой выгрузке кокса;
— стабилизацию параметров режима тушения кокса (запыленность и состав тушильного агента на выходе из камеры тушения) вследствие исключения циклической выгрузки кокса;
— уменьшение габаритов и упрощение конструкции узла выгрузки кокса, что особенно важно при разработке мощных блоков УСТК;
— упрощение обслуживания и повышение надежности работы узла выгрузки кокса;
— снижение стоимости оборудования узла выгрузки кокса.
Анализ конструкции и режима работы различных вариантов схемы непрерывной выгрузки кокса показывает, что применение упрощенных схем, отступление от оптимальных значений скоростей кокса и газов приводит к нарушениям режима выгрузки кокса.
Недостатком непрерывной выгрузки кокса следует считать увеличение расхода тушильного агента через дымосос на величину расхода газов, рециркулирующих через разгрузочный узел в основной контур циркуляции, что приводит к дополнительному расходу электроэнергии на привод дымососа. Этот недостаток может быть уменьшен оптимизацией режима сброса избытка тушильного агента из основного контура циркуляции блока УСТК.
Причина высокого содержания коксовой пыли в газах за камерой тушения - высокая скорость газа в косых ходах (до 20 м/с). Положение усугубляется односторонним отводом газов из камеры тушения, что повышает локальную скорость в косых ходах, а также приводит к ухудшению теплообмена в камере тушения. Для снижения этого недостатка на практике проводится корректировка сечений отдельных каналов косых ходов для уменьшения общей площади сечения косых ходов на ~ 30 % и соответственно увеличения средней скорости газов в косых ходах.
По данным испытаний изменение конструкции узла отвода газов из камеры тушения по авторскому свидетельству [2] незначительно снизило влияние одностороннего отвода газов из камеры тушения. Таким образом, требуется дальнейшая доводка конструкции узла отвода газов из камеры тушения для обеспечения равномерного распределения газов по поперечному сечению камеры тушения и по косым ходам, что улучшит теплообмен и снизит вынос пыли из камеры тушения.
В 1985 г. по охранным документам [3, 4] впервые в мире на Криворожском коксохимическом заводе был построен блок УСТК № 9 производительностью по коксу 52 т/ч с форкамерой, экранированной радиационной испарительной поверхностью нагрева с организацией вокруг форкамеры кольцевого гравитационного пылеуловителя. Циркуляция воды в этой испари¬тельной поверхности - естественная. При этом в отдельно установленном котле испарительная поверхность не применялась, что исключило необходимость использования циркуляционных насосов.
Конструкция гравитационного пылеуловителя обеспечила коэффициент улавливания пыли до котла, равный 0,40-0,43. Вследствие исключения испарительной поверхности из отдельно стоящего котла аэродинамическое сопротивле¬ние котла и, соответственно, расход электроэнергии на привод дымососа значительно снизились. Значительно уменьшилось также разрежение за котлом, что снизило прососы воздуха через неплотности тракта.
В традиционных блоках УСТК благодаря оптимизации теплообмена в камере тушения между коксом и тушильным агентом возможно снижение расхода тушильного агента на 10-15 % и, соответственно, снижение выноса пыли из камеры тушения, что, однако, приводит к по¬вышению температуры газов перед котлом до 850-900 °С и к необходимости изменения конструкции котла-утилизатора, например применением в котле естественной циркуляции котловой воды.
В 2008 г. для блока УСТК № 15 Авдеевского коксохимического завода вместо серийного котла КСТК-25/39 был спроектирован новый котел-утилизатор с башенной компоновкой и естественной циркуляцией воды, что исключило из схемы котла циркуляционные насосы. Такое решение позволяет упростить тепловую схему котла, повысить надежность его работы и снизить расход электроэнергии.
В проекте установки нового котла для блока УСТК № 15 Авдеевского коксохимического завода была применена схема регулирования температуры перегретого пара в соответствии с патентами [5-7]. Эта схема регулирования температуры перегретого пара кроме поддержания заданной температуры пара обеспечивает снижение энергозатрат на тушение кокса в результате минимизации расхода тушильного агента, а также уменьшение эрозионного износа элементов котла и снижение прососов по тракту котла при пониженных нагрузках блока УСТК.
Одним из недостатков в такой конструкции УСТК считают сброс в атмосферу через свечу дымососа избытка тушильного агента с высокой концентрацией оксида углерода и пыли, что приводит к загрязнению окружающей среды и потере химического тепла.
Наиболее органично эта проблема решается при одновременном применении УСТК и установок теплового обезвреживания и утилизации тепла дымовых газов коксовых батарей [8]. Для Запорожского коксохимического завода в проекте УСТК предусмотрен сброс избыточного тушильного агента в реактор действующей установки теплового обезвреживания и утилизации тепла коксовой батареи.
Ряд технических решений с целью обезвреживания и использования химического тепла сбросного тушильного агента разработан в соответствии с патентами [9-17].
Более подробное рассмотрение разработок, приведенных в данной статье, с анализом результатов экспериментальных и расчетных данных будет предметом следующих публикаций.
Выводы:
1. Несмотря на прогресс в совершенствовании УСТК в настоящее время существуют большие резервы повышения эффективности сухого тушения кокса, в том числе: снижение угара кокса, энергозатрат и вредных выбросов, повышение надежности работы оборудования.
2. Корректно выполненная система непрерывной выгрузки кокса является эффективным средством повышения показателей работы УСТК.
1. Конструкция и режим работы парового котла-утилизатора в составе УСТК отличаются от таковых для котлов, работающих в других технологиях, из-за взаимного влияния процесса тушения кокса и процесса утилизации тепла, что должно приниматься во внимание при разработке энергетического оборудования УСТК.
Список литературы