Высокотемпературное коксование углей в мире, имеет главенствующее значение в области переработки твёрдых горючих ископаемых. И это естественно связано с тем, что кокс, как неотъемлемая часть, используется в производстве стали и чугуна, из которых соответственно делают все металлические детали.

Для проведения такого сложного процесса, нужно четко знать и соблюдать его параметры. Достижению этого в значительной мере помогает знание материального и теплового балансов коксовых печей.

Целью аналитического расчета и составления материального и теплового балансов является:

1) Получение исходных данных для проектирования элементов коксовых печей, отдельных цехов и заводов в целом;

2) Анализ и оценка качества работы действующих агрегатов и выявление путей для устранения недостатков;

3) Выявление ресурсов и потерь продукции;

4) Использование полученных данных для регулирования “обогрева печей”;

5) Изучение суммарного направления пирогенетических реакций в процессе коксования для выявления величины теплового эффекта процесса;

6) Влияние условий эксплуатации печей на выход и качество продуктов коксования и распределение тепла по статьям баланса при составлении материального и теплового балансов на действующих установках;

Составление материального баланса процесса ведется на основе закона сохранения вещества, то есть количество элементов остаются неизменными, а химический состав меняется. Это требует точного учета веществ, поступающих в камеру в камеру коксования и выходящих из неё.

Тепловой баланс дает количественную и качественную картину распределения тепла в процессе коксования между конечными продуктами коксования и выявляют потери тепла.

1. Технология высокотемпературного коксования углей

3.2 Тепловой баланс

Таблица 5 - Состав сухого коксового газа

Выход летучих веществ из кокса = 1 %; коэффициент избытка воздуха = 1,4; оборот печей 13 ч (форсированный режим). Размеры печи следующие:

Таблица 6 - Размеры печи

1) Приходная часть баланса

· Теплота горения отопительного газа

Теплота горения отопительного газа (в кДж/1000 кг шихты) определяется по формуле:

q₁ = Q_н V_x ,

где Q_н - низшая теплота сгорания газа, кДж/м³; V_x - удельный расход сухого отопительного газа, м³/1000 кг загрузки.

Определение теплоты сгорания по химическому составу производится по формуле:

= (30,16СО + 85,58СН₄ + 25,76Н₂ + 160С_mН_n) 4,19,

где СО, СН₄ и т.д. - содержание компонентов в пересчете на сухой газ, %.

= (30,16 4,6 + 85,58 24,9 + 25,76 61,2 + 160 3) 4,19 = 18 127 кДж/м³;

q₁ = 18 127 V_x .

· Энтальпия отопительного газа

Энтальпия (кДж/1000 кг шихты) отопительного газа:

q₂ = V_x ()t,

где t - температура коксового газа, поступающего на отопление (t = 20).

Принимаем статическое давление в газе W_г в газопроводе 1323 Па (135 мм вод. ст.), что соответствует 9,7 мм рт. ст.

Содержание влаги в газе W_г в пересчете на 1 м³ сухого газа рассчитываем по формуле, % (об.):

W_г = ,

где - давление водяного пара, насыщенного газа при данной температуре, Па; В - атмосферное давление (760 мм рт. ст.), 101 325 Па; - относительная влажность ( = 1); b - статическое давление газа, Па.

Для рассматриваемого случая при t = 20 и = 2333 Па. Тогда:

W_г = = 0,0233 м³/ м³ сухого газа.

На основе данных о средней теплоемкости составных частей газа вычисляем эту величину для сухого газа, кДж/ (м³ К):

= 0,01(3,2 1,619 + 0,5 1,3044 + 2,4 1,872 + 5,6 1,297 + 25,5 1,5674 + 61 1,2754 + 1,8 1,297) = 1,376.

Объемная теплоемкость H₂O при 20 = 1,493 кДж/(м³К). исходя из полученных данных, определяем q₂:

q₂ = V_x(1,376 + 0,0236 1,493) 20 = 28,22 V_x .

· Энтальпия воздуха

Энтальпия воздуха (кДж/ 1000 кг шихты) определяется из равенства:

q₃ = V_xL_п (С_р + W_BC_p')t ,

где L_п - действительное количество сухого воздуха, расходуемого на сжатие 1 м³ газа, м³; С_р - средняя объемная теплоемкость сухого воздуха, кДж/(м³К); t - температура влажного воздуха, ; W_B - содержание в воздухе водяных паров в пересчете на 1 м³ сухого воздуха, м³; C_p' - объемная теплоемкость водяного пара, кДж/(м³К).

Исходя из состава газа, определим количество воздуха L_п, для чего вначале найдем требуемое количество кислорода для горения:

O_2m = .

Теоретическое количество сухого воздуха рассчитываем по уравнению:

L_т = O_2m .

Если при горении используется только теоретическое количество воздуха, то происходит неполное его сгорание, поэтому величину горения умножают на коэффициент, называемый коэффициентом избытка воздуха ().

Коэффициент избытка воздуха для коксового газа равен 1,3-1,4. Рассчитанное количество сухого воздуха называется практическим количеством воздуха:

L_п = L_т .

Вместе с 1 м³ воздуха через отопительную систему проходит определенное количество водяных паров (W_в). Это количество подсчитывается по формуле:

W_в = ,

где Р - давление, принимаемое равным 101 325 Па; - относительная влажность воздуха.

Для расчета q₃ определим необходимые величины, м³/ м³ газа:

O_2m = = 0,9179;

L_т = 0,9179 = 4,37.

При = 1,4 практическое количество воздуха:

L_п = 1,4 4,37 = 6,12 м³/ м³ газа.

Температуру окружающего воздуха принимаем 10, а относительную влажность = 0,7.

Находим содержание водяного пара в 1 м³ сухого воздуха, м³/ м³ воздуха:

W_в = = 0,00854.

Величины теплоемкостей при температуре 20, (температура поступающего газа): С_р = 1,294 и C_p' = 1,493. Исходя из этих данных, находим энтальпию воздуха, кДж/ 1000 кг шихты:

q₃ = V_x 6,12(1,294 + 0,00854 1,493) 20 = 159,95 V_x .

· Энтальпия влажной шихты

Энтальпия влажной шихты.

Теплота (кДж/ 1000 кг шихты), вносимая шихтой, определяется по формуле:

q₄ = 1000 t,

где - содержание влаги в шихте, %;

- средняя удельная теплоемкость сухого угля, кДж/(м³К);

- удельная теплоемкость воды (принимаем 4,19 кДж/кг);

t - температура зажигаемой шихты.

Удельная теплоемкость сухого угля находим по формуле, кДж/(м³К):

С_у = ,

где - содержание золы в сухой шихте, % (по данным материального баланса);

- средняя энтальпия горючей массы шихты;

- средняя теплоемкость золы угля.

Удельная теплоемкость для коксующихся углей может быть принята (при низких температурах) равной 1,08 кДж/(кг К), а энтальпия золы может быть принята приближенно равной удельной теплоемкости кварца, численное выражение которой равно 0,711 кДж/ (кг К), = 9,0 %.

Температуру шихты принимаем равной 20.

С_у = = 1,0468 кДж/ (кг К).

При содержании влаги в шихте 8,0 % и принятой температуре её 20 энтальпия влажной шихты, кДж/ 1000 кг шихты:

q₄ = 1000 20 = 25 965.

· Тепловой эффект процесса коксования

Величина и знак теплового эффекта процесса коксования еще недостаточно исследованы, поэтому по предложению профессора П. Г. Рубина принимаем ее равной нулю, т.е. q₅ = 0.

2) Расходная часть баланса

· Теплота нагрева кокса

Энтальпия кокса (кДж/ 100 кг) определяется по формуле:

q₁ = KC_кt_к ,

где К - выход сухого кокса из влажной шихты (берется из материального баланса), кг/ 1000 кг; C_к - средняя удельная теплоемкость кокса, кДж/ (кг К); t_к - средняя температура кокса при выдаче его из камеры коксования, .

Удельную теплоемкость кокса можно определить по формуле Дебрюннера:

C_к = С_А + С_В + С_v ,

где A, B, V - содержание золы, углеродистого вещества и выход летучих веществ из кокса, %;

С_А, С_В - средние величины удельной теплоемкости золы и углеродистого вещества кокса, кДж/ (кг К); С_v - объемная теплоемкость летучих веществ кокса, принимаемая равной объемной теплоемкости коксового газа, кДж/ (м³ К); - плотность летучих веществ (принимается приближенно 0,45 кг/м³).

Удельная теплоемкость золы С_А принята равной энтальпии кварца.

Для расчета C_к принимаем = 12,12 % (из мат. баланса); В = 88,1 %; V = 1 %.

Определим среднюю температуру коксового пирога.

Примем:

а) температуру по оси коксового пирога в нижней части камеры к концу периода коксования t_н = 1040 ;

б) температуру у стенки коксового пирога в нижней части камеры = 1070 ;

в) среднюю температуру низа коксового пирога к концу периода коксования, :

t_н' = = = 1055 ;

г) температуру по оси коксового пирога в верхней части камеры к концу периода коксования tв = 980 ;

д) температуру у стенки коксового пирога в верхней части камеры = 1010 ;

е) среднюю температуру верха коксового пирога к концу периода коксования:

= = = 995 ;

t_к = = = 1025 .

При t_к = 1025 средние удельные теплоемкости С_А, С_В и С_V, кДж/(кг К): С_А = 1,066; С_В = 1,507; С_V = 1,819.

= 1,066 + 1,507 + 1,819 = 1,497 кДж/(кг К).

Энтальпия кокса в этом случае составит, кДж/ 1000 кг шихты:

q₁ = 668,4 1025 1,497 = 1 025 609,7 .

· Теплота нагревания дистилляционного газа

= V_г t,

где V_г - выход сухого газа на единицу загрузки, м³; - средняя объемная теплоемкость газа, ; t - температура газа при выходе из камеры.

Выход сухого газа из материального баланса равен 460,58 .

Плотность сухого газа:

=

где CO₂, C_mH_n, O₂ - процентные содержания составных частей газа по объему, %; 1,977; 1,413 - величины весов в 1 м³ соответствующих газов при н.у.

= = 0,45

Температуру газа при выходе его из камеры коксования принимаем равной 750. Средняя объемная теплоемкость газа при 750 равна:

= 0,01(2,108 3,2 + 3,228 2,4 + 1,44 0,5 + 1,377 5,6 + 2,432 25,5 + 1,312 61 + 1,363 1,8) = 1,674

Энтальпия газа:

= 460,58 1,674 750 = 578 258,2 .

· Теплота нагрева продуктов коксования

А) теплота, уносимая парами смол, определяется по формуле:

= G (q₀ + t).

Выход смолы на рабочую массу составил 34,2 .

Скрытая теплота испарения смолы при 0 равна q₀ = 418,7 .

Средняя удельная теплоемкость паров смолы в зависимости от температуры определяются:

= (0,305 + 0,392 10^-3 t) q₀,

= (0,305 + 0,392 10^-3 750) 4,187 = 2,51 кДж/ (кг К).

Тогда:

= 34,2 (418,7 750) = 78 701 .

Б) Теплота, уносимая парами ароматических углеводородов.

По материальному балансу количество бензола на рабочую массу составляет G_б = 10,7 . Скрытая теплота испарения сырого бензола при 0 равна 431,2 .

Средняя удельная теплоемкость паров ароматических углеводородов среднего состава определяются:

= (20,7 + 0,392 10^-3 t) q₀,

= (20,7 + 0,025 750) 4,187 = 1,952 кДж/ (кг К)

где 84,6 - среднединамическая молекулярная масса паров сырого бензола.

При этом теплота нагрева бензола определяется:

q_б = 10,7 (431,2 + 1,952 750) = 20 279 .

В) Теплота, уносимая аммиаком, вычисляется по формуле:

= G t,

Где G - выход аммиака (по данным материального баланса 2,7 кг); - средняя удельная теплоемкость аммиака, кДж/ (кг К); t - температура аммиака при выходе из камеры.

Средняя удельная теплоемкость аммиака равна 2,683 кДж/ (кг К). Тогда

= 2,7 2,683 750 = 5 433 .

Общее количество теплоты, уносимое продуктами коксования:

= 78 701 + 20 279 + 5 433 =104 413 .

· Теплота, уносимая парами воды

= W₀ (595 4,187 + t_п),

где W₀ - общее количество влаги угля (119,78 ); - средняя удельная теплоемкость водяного пара от 0 до t_п; t_п - температура водяного пара при выходе из камеры.

Так как водяной пар выделяется в основном в первой половине периода коксования, то его температуру принимаем 100 ниже температуры выходящего газа (t_п = 750 - 100 = 650).

Средняя удельная теплоемкость водяного пара = 2,026 кДж/ (кг К).

При указанных выше условиях энтальпия выходящего из камеры коксования водяного пара составит:

= 119,78 (595 4,187 + 2,026 650) = 456 142 .

· Теплота, уносимая продуктами горения

= V_x V_п.г. t_п.г. ,

где - количество влажных продуктов сгорания на 1 м³ газа, м³; - средняя объемная теплоемкость продуктов сгорания, ; t_п.г. - средняя температура продуктов сгорания, поступающих в боров.

Количество продуктов сгорания можно определить, зная реакции горения компонентов газа при известном составе (в %) и заданном коэффициенте избытка воздуха ( = 1,4). Реакции горения газа:

С₂Н₄ + 3О₂ = 2СО₂ + 2Н₂О;

С₃Н₆ + 4,5О₂ = 3СО₂ + 3Н₂О;

СО + 0,5О₂ = СО₂;

Н₂ + 0,5О₂ = Н₂О;

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О.

Таблица 7 - Определение количества продуктов сгорания

Определение состава и количества продуктов сгорания.

Необходимое для горения 1 м³ сухого газа теоретическое количество кислорода - 0,8296 ; воздуха - 5,53 ; влажность газа - 0,0236 ; влажность воздуха - 0,00866 .

Расчет образующихся продуктов сгорания приведен в таблице 7.

Температуру дымовых газов по опытным данным принимаем равной 345. Объемную теплоемкость 1 м³ продуктов сгорания определяем по равенству:

= 0,01(С_СО2 СО₂ + С_Н2О Н₂О + C_N2 N₂ + C_O2 O₂),

где С_СО2, С_Н2О - средние теплоемкости соответствующих компонентов продуктов сгорания; СО₂, Н₂О - содержание соответствующих компонентов влажных продуктов сгорания, % (об.).

= 0,01(1,893 6,39 + 1,551 19,17 + 1,314 69,24 + 1,364 5,20) = 1,399 .

Теплота, уносимая продуктами сгорания, составит:

= V_x 6,381 1,399 345 = 3079,8 V_x .

· Потери теплоты от неполного сгорания отопительного газа

Потери теплоты от неполного сгорания отопительного газа равны нулю, так как в дымовых газах нет горючих элементов.

· Тепловые потери в окружающее пространство

Тепловые потери на единицу загрузки зависят от производительности и температурного режима печей, а также от их конструкции и изоляции стен. В современных коксовых печах величина тепловых потерь колеблется от 8 до 11% общего расхода теплоты на коксование. Тепловые потери в окружающее пространство определяются по формуле:

= F (t₁ - t₂),

где - суммарный коэффициент теплопередачи конвекцией и лучеиспусканий, ; F - теплоотдающая поверхность, м²; t₁ - температура поверхности, ; t₂ - температура окружающей среды, .

Так как температура отдельных участков наружных поверхностей разная, расчет тепловых потерь ведется отдельно для участков с примерно равной температурой.

Поверхности коксовой печи разбиваются для данного расчета на следующие участки:

1. Свод камеры

F₁ = (b_ср L - F₃),

где b_ср - средняя ширина камеры, м; L - длина печи, м; F₃ - поверхность загрузочных люков, м².

F₁ = (0,41 15 - 0,3844) = 5,77 м².

2. Свод обогревательного простенка

F₂ = (А - b_ср) L - F₄ ,

где А - расстояние между осями соседних камер, м; F₄- поверхность смотровых люков, м².

F₂ = (1,4 - 0,41) 15 - 32 0,2² = 13,57 м².

3. Загрузочные люки

F₃ = n f_з.л. ,

где n - количество люков одной печи; f_з.л - поверхность одного люка с рамой, м².

F₃ = 3 0,3844 = 1,15 м².

4. Смотровые лючки

F₄ = n f_с.л. ,

где n - количество лючков в одном обогревательном простенке; f_с.л - поверхность одного лючка с рамой, м².

F₄ = 32 0,2² = 1,28 м².

5. Лобовые стенки со стороны выталкивания кокса - машинная сторона (МС) и со стороны приема кокса в коксотушильный вагон (КС).

Поверхность этого участка ограничена по высоте уровнями свода камеры и надсводной площадки и в горизонтальном направлении - осями соседних камер.

Эту величину поверхности находят по формуле:

F₅ = A h_л ,

где h_л - толщина свода камеры, м.

F₅ = 1,4 1,036 = 1,45 м².

6. Двери коксовой и машинной сторон

7.

F₆ = b h_к ,

где h_к - полная высота камеры, м;

- ширина камеры с коксовой или машинной стороны, м.

F₆ = 5,24 0,435= 2,28 м² (КС);

F₆ = 5,24 0,385= 2,02 м² (МС).

8. Торцевые стены обогревательных простенков (величину их поверхности определяем без учета анкерных колонн)

F₆ = (А - ) h_к ;

F₇ = (1,4 - 0,435) 5,24 = 5,06 м² (КС);

F₇ = (1,4 - 0,385) 5,24 = 5,32 м² (МС).

9. Стены регенераторов

F₈ = 2А h_рег ,

F₈ = 2 1,4 3,48 = 9,74 м².

Для определения общих потерь в окружающее пространство принимаем скорость ветра с коксовой стороны, равной 3 м/с, с машинной - 2 м/с.

Зная скорость ветра, определяем (коэффициент теплопередачи конвекцией):

= (5,3 + 3,6 ) 1,163,

где - действительная скорость ветра, отнесенная к температуре воздуха.

Коэффициент лучеиспускания определим по равенству:

= ,

где Т₁, Т₂ - абсолютные температуры соответственно поверхности и окружающей среды.

Для шероховатых металлических и кирпичных поверхностей С = 5,7 (С - коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела).

Суммарный коэффициент лучеиспускания и конвекции определяется:

= + .

Потери теплоты наружных поверхностей лучеиспусканием и конвекцией в единицу времени определяются:

= F (t₁ - t₂).

Данные расчетов сведены в таблицу 8.

Потери теплоты в окружающее пространство:

= ,

где - оборот печей ();

- величина загрузки камеры ( = 22 000 кг).

= = 262 016,8 .

Ориентировочно принимаем величину тепловых потерь в грунт 9% от общего количества теплоты, теряемой наружными поверхностями в атмосферу и грунт:

= 262 016,8 1,09 = 285 598,3.

На основании получаемых значений отдельных статей приходной и расходной частей теплового баланса составляем предварительный тепловой баланс.

В него входит также неизвестная величина V_x, представляющая собой удельный расход сухого отопительного газа 1000 кг шихты (таблица 9) и окончательный тепловой баланс (10 таблица).

V_x = = 145,4

Таблица 9 - Предварительный тепловой баланс

Таблица 10 - Тепловой баланс коксовых печей при отоплении их коксовым газом

Заключение