Глава 1200 лет пути к совершенству
Как только стало известным, и было оценено по достоинству то обстоятельство, что при достаточно высокой температуре можно получать кокс прекрасного качества из менее спекающихся углей – все усилия изобретателей были направлены к тому, чтобы построить печи, в которых получалась бы возможно более высокая температура.,,,,
1.С началом использования каменного угля для производства кокса было установлено, что далеко не все угли способны дать кокс, пригодный для доменной плавки. Кроме того, первоначально применяемый способ кучного коксования, доставшийся новому топливу «по наследству» от древесного угля не позволял использовать в металлургии угольную мелочь и измельченный уголь (концентрат), подвергнутый обогащению – отделению сопутствующей (пустой) горной породы. Эти два обстоятельства дали толчок к началу двухвековой работы инженеров-конструкторов, результатом которой стало создание в начале XX в. технологии производства кокса, сохранившейся в общих чертах до нашего времени.
Почему это актуально?
2.Мы живем в век инновационной индустрии, когда наука наравне с техникой определяет основные пути развития технологий и производств. Но откуда «берутся» инновационные технологии и можно ли прогнозировать их появление? Как можно предсказать научно-технический прорыв? Где, выражаясь языком стратегии, должен быть нанесён главный интеллектуальный удар? История коксохимического производства представляет собой наглядный пример эффективной реализации грамотного научного прогноза. Особый интерес представляет тот факт, что, активно развиваясь на протяжении 200 лет, технология производства кокса из каменного угля не претерпела значимых изменений (изменения касаются в основном внедрения автоматики и увеличения размеров печей). За 200 лет технология коксохимического производства фактически достигла совершенства.
Происхождение угля
3.Уголь – это ископаемое топливо, образовавшееся из частей древних растений под землей без доступа кислорода. Угольная масса формируется в условиях, когда гниющий растительный материал накапливается быстрее, чем происходит его бактериальное разложение. Идеальная обстановка для этого создаётся в болотах, где стоячая вода, обеднённая кислородом и обогащенная органическими кислотами, препятствует жизнедеятельности бактерий, разрушающих погибшие растения. Так возникает торф – исходный материал для образования угля. Если затем происходит его захоронение под наносами, то торфяная масса под воздействием давления и температуры, теряя воду и газы, преобразуется в угольные пласты.
4.В древних торфяных болотах, начиная с девонского периода (примерно 400 млн лет назад), накапливалось органическое вещество, из которого формировались ископаемые угли. Большинство промышленных месторождений каменного угля относится к этому периоду, хотя известны и более молодые месторождения.
5.На первой стадии процесса углеобразования торф превращается в бурый уголь с содержанием углерода 65—70 %. Углерод в углях находится в составе различных органических соединений, часть из которых при нагревании переходит в состав летучих веществ (летучий углерод), а часть остаётся в коксовом остатке (нелетучий углерод). Здесь и далее, если прямо не указано, о каком углероде идёт речь, имеется в виду их сумма (общий углерод).
6.Бурый уголь залегает на глубине примерно 1 км и содержит до 43 % влаги и до 50 % летучих веществ. При дальнейшем опускании на глубину до 3 км, из бурого угля образуется каменный уголь. Угли, которые к нашему времени стали каменными, начали образовываться в палеозое, преимущественно в каменноугольном периоде, примерно 300—350 млн. лет назад из остатков древовидных папоротников, хвощей и плаунов, произраставших в то время в огромных количествах, а также первых голосеменных растений. Содержание углерода в каменном угле, в зависимости от его сорта, составляет от 75 до 95 %, они содержат до 12 % влаги и до 32 % летучих веществ.
7.Самый древний из ископаемых углей – антрацит – образуется из каменного угля при дальнейшем повышении температуры и давления на глубине до 6 км. Он содержит около 95 % (масс.) углерода, и имеет наиболее высокую степень «углефикации».
Классификация углей
8.Для процесса коксования определяющее значение имеет то обстоятельство, что каменные угли с разной степенью углефикации существенно различаются по свойствам. До изобретения коксования, при использовании углей непосредственно в виде топлива, достаточно было знать: может ли уголь гореть печах или очагах? Бурый уголь сложно поджечь из-за высокого содержания влаги, а антрацит – из-за высокой плотности и практически полного отсутствия летучих веществ. При использовании каменного угля в качестве сырья для производства кокса потребовались специальные знания о его поведении в процессе коксования и влиянии на свойства получаемого продукта.
9.Одной из первых научных классификаций углей с точки зрения пригодности для коксования стала классификация известного французского металлурга Луи Грюнера. Конечно, к настоящему времени созданы более подробные и всеобъемлющие классификации, однако, для того чтобы иметь представление о свойствах каменных углей и понять логику развития процессов коксования, этой классификации вполне достаточно. Из неё хорошо видно, как меняется поведение угля при коксовании с увеличением содержания углерода и снижением выхода летучих веществ.
10.Уголь для коксования в кучахВ начале использования каменных углей для производства кокса технология коксования мало чем отличалась от выжига в кучах древесного угля. Источником тепла было сжигание части угля и выделяющихся из него летучих веществ в слое коксуемого угля, что требовало ограниченного, но постоянного притока воздуха внутрь кучи для поддержания горения.
Уголь для коксования в кучах
11.В начале использования каменных углей для производства кокса технология коксования мало чем отличалась от выжига в кучах древесного угля. Источником тепла было сжигание части угля и выделяющихся из него летучих веществ в слое коксуемого угля, что требовало ограниченного, но постоянного притока воздуха внутрь кучи для поддержания горения.
12.Человеку, знакомому с современным коксохимическим производством, может показаться необычным и даже невероятным, что коксующиеся угли, которые в наши дни представляют основу технологии и имеют наибольшую ценность – жирные и коксовые (коксующиеся) – в то время для производства кокса не использовались. Но они и не могли использоваться, поскольку при нагревании спекались в монолитную массу, что делало невозможным приток воздуха в кучу и дальнейший ход процесса.
13.Для коксования в кучах лучше всего подходил кусковый неспекающийся или слабо спекающийся уголь с низким выходом летучих веществ. Можно было использовать и уголь с высоким выходом летучих веществ, но при этом, во-первых, существенно уменьшался выход кокса, а во-вторых снижалась производительность, потому что для получения кускового кокса требовалось уменьшать скорость коксования.
Кучное коксование
14.Каменноугольный кучной кокс производился либо рядом с местом его использования, либо рядом с местом добычи угля, таким образом, пропала необходимость перемещать и обустраивать заново площадку для кучи (ток), как это имело место при выжиге древесного угля. Ток для коксования представлял собой стационарную выложенную кирпичом площадку с кирпичной трубой в центре. Так как уголь в куче был сложен более плотно, чем дрова, и воспламенялся труднее, то труба должна была обеспечить тягу более сильную, чем при обугливании древесины.
15.Для зажигания кучи в трубу помещали древесную стружку на высоту около полуметра, а вокруг трубы размещали около кубического метра стружки и мелких кусков дерева. После этого начинали укладку угля. Самые крупные куски складывали ближе к трубе; из них же складывали расположенные в подошве кучи радиальные каналы для зажигания и подвода воздуха, которые иногда дополняли кольцевыми каналами.
16.По мере удаления от трубы и от подошвы размер кусков уменьшался, поэтому в этой части каналы выкладывали из кирпича, причём боковые кирпичи ставили с зазором для обеспечения прохода воздуха и газов. Помимо подошвы, каналы, ведущие к трубе, выкладывались также в верхней части кучи. Сверху куча покрывали, как и при обугливании древесины, плотным слоем коксового мусора – смеси порошкового кокса с землёй (такой способ изоляции был впервые применён в 1801 г. на заводах Муиркирк и Клайд в Шотландии).
17.Зажигание производили через трубу или через горизонтальные каналы в подошве, помещая в центр кучи куски раскалённого угля. От стружки и дерева загорался уголь в центре кучи, а затем вблизи каналов. Постепенно коксованию подвергалось всё основание кучи, затем процесс распространялся к верхней её части.
18.О ходе коксования судили по виду выходящего из кучи пламени. По мере перемещения области коксования, ту часть кучи, где процесс уже завершился, покрывали коксовым мусором от предыдущих операций, который хорошо уплотняли для предотвращения доступа воздуха. Когда область коксования доходила до верха кучи, закладывали каналы в основании (если они ещё не завалились сами по себе). Сигналом к окончанию процесса был голубой цвет выходящего из трубы пламени, трубу закрывали и замазывали, а кучу оставляли примерно на сутки. После этого начинали разборку кучи, причём с подветренной стороны, чтобы предотвратить возгорание кокса. Тушение раскаленного кокса осуществляли водой.
19.Обычно куча имела в высоту 1,5—2 м, диаметр 3 м и вмещала 10—30 т угля. Продолжительность коксования составляла 6—8 суток. Выход кокса не превышал 65 % от массы угля, поскольку часть угля и кокса сгорала для обеспечения нагрева и из-за неизбежного поступления в кучу воздуха.
20.Помимо круглых куч коксование иногда осуществляли в «длинных кучах» или «хребтах». Такие кучи не имели кирпичных труб, каналы для газов организовывали путём специальной укладки угля; зажигание производилось сверху, и коксование шло, соответственно, сверху вниз.
Проблемы кучного коксования
21.Помимо высоких требований к свойствам углей, что существенно ограничивало сырьевую базу, и больших потерь, кучное коксование обладало и другими существенными недостатками: практически полным отсутствием возможности управления процессом и нестабильностью свойств производимого кокса. Еще одной проблемой было образование «невостребованной» угольной мелочи, количество которой могло достигать 50 % от массы добываемого угля, и которая практически не находила применения.
22.Кучное коксование приводило к задымлению окрестных населённых пунктов и, естественно, вызывало протесты жителей и администрации. В европейских странах это делало проблему совершенствования технологии коксования весьма насущной. Например, в Германии в 1832 г. коксовое производство перешло под контроль горного ведомства, которое систематически ужесточало требования к воздействию на окружающую среду, что в итоге привело к внедрению полуоткрытых, а затем и закрытых коксовых печей.
23.Несмотря на указанные недостатки, долгое время кучное коксование было единственным способом получения из каменного угля топлива для доменной плавки. Способ кучного коксования практически прекратил своё существование лишь в середине XIX в., но вблизи шахт, где добывали подходящий уголь (угольные копи в графстве Стаффордшир (Великобритания) и Верхней Силезии (Германия)), а также в случае нехватки коксовых печей (например, завод в Серене (Бельгия)), он использовался до конца XIX в.
Шаумбургские стойла
24.Для решения проблем кучного коксования были разработаны печи полуоткрытого типа (куча считается открытой печью), представлявшие собой две параллельные кирпичные стены, между которыми загружали увлажнённый мелкий уголь. Во второй четверти XIX в. в Европе получили широкое распространение печи такого типа, получившие названия шаумбургских печей (также использовались названия: шаумбургские стойла и стойловая печь). Своё название они получили, потому что были впервые описаны в литературе в 1851 г. Брандом, управляющим металлургического завода в Гляйвице в княжестве Шаумбург-Липпе (Верхняя Силезия).
25.Шаумбургская печь представляла собой две параллельные кирпичные стены длиной 8—20 м и высотой 1—1,6 м, расположенные на расстоянии 1,5—2,3 м друг от друга. Торцовые части стен клались на сухую (без раствора) и разбирались каждый раз перед выгрузкой кокса. В стенах были предусмотрены вертикальные каналы для создания тяги и удаления газообразных продуктов коксования и горизонтальные каналы для поступления воздуха.
26.Увлажнённый уголь загружали слоями, каждый слой тщательно утрамбовывали. Поскольку коксованию в таких печах подвергали мелкий спекающийся уголь, то требовалось решить проблему поступления воздуха внутрь угольной массы. С этой целью при загрузке в уголь помещались деревянные шесты, которые извлекались через отверстия в кладке после окончания загрузки. Затем утрамбованный уголь покрывали слоем глины и через отверстия в кладке в каналы вводили раскалённый уголь.
27.Интенсивность процесса можно было регулировать с помощью открытия и закрытия вытяжных труб. Кроме того, «оператор» такой печи должен был постоянно поддерживать каналы в рабочем состоянии, поскольку они могли быть перекрыты обвалившимися или спёкшимися кусками угля, что привело бы к ухудшению хода процесса.
28.Коксование продолжалось в течение 4—7 дней. Выход кокса составлял 50—55 % от массы угля. Столь низкий выход кокса по сравнению с кучным коксованием объясняется тем, что использовались угли с более высоким выходом летучих веществ.
29.В период своего наивысшего развития шаумбургские печи имели размеры до 27 м в длину, до 4,5 м в ширину и более 2 м в высоту. Такие размеры позволяли коксовать до 150 т угля. Наиболее широкое распространение мощные стойловые печи получили на заводах Южного Уэльса. Благодаря простоте и низким капитальным затратам на строительство, шаумбургские стойла использовались в Европе до начала XX в., а на некоторых мелких предприятиях Китая — вплоть до настоящего времени.
Ульевые печи
30.По аналогии с печами, издавна использовавшимися для производства древесного угля и представлявшими собой каменный аналог кучи, для коксования каменного угля также стали применять куполообразные печи. Из-за своей характерной формы они получили название ульевых печей (bee-hive oven). По принципу действия они были близки к печам для выпечки хлеба, поэтому их также называли (в том числе в России) булочными печами.
31.Ульевые коксовые печи, впервые появившиеся в Великобритании в начале XIX в., представляли собой замкнутое, перекрытое сверху сводом пространство с круглым, а позднее продолговатым основанием. В своде предусматривалось отверстие для загрузки угля и выхода газов, на уровне пода — дверь для выгрузки кокса.
32.После постройки печи проводили её сушку, сжигая внутри печи уголь; затем количество угля увеличивали, обеспечивая глубокий прогрев кладки печи. Когда стенки печи раскалялись, в неё загружали уголь так, что он образовывал на поду слой высотой примерно 60 см. Из-за высокой температуры в печи уголь сразу же начинал выделять летучие вещества. Необходимая для коксования температура обеспечивалась путём сжигания в пространстве под сводом выделяемых летучих веществ, для чего в печь через разгрузочную дверь и специальные каналы поступал воздух. Такая конструкция позволяла регулировать интенсивность подачи воздуха и контролировать ход процесса.
33.Из-за того что подвод тепла осуществлялся только с одной стороны (сверху), коксование шло медленно (2-3 суток), свойства, а значит и качество, кокса было неравномерным по высоте слоя, кроме того, можно было использовать только хорошо спекающиеся коксовые и жирные угли. Усадка происходила в горизонтальном направлении, поэтому готовый кокс имел форму призм-сталагмитов, покрытых отложениями графита, образовавшегося при разложении газообразных продуктов коксования.
34.После окончания коксования дверь открывали, специальными клюшками выгребали кокс и заливали его водой. Для обеспечения непрерывности процесса загружать новую порцию угля было необходимо сразу же после выгрузки, пока кладка печи сохраняла высокую температуру. При коксовании в ульевых печах часть кокса неизбежно сгорала, однако выход его был на 10—15 % выше, чем при коксовании в кучах или шаумбургских печах.
35.Ульевые печи обладали многими недостатками: угара кокса, ограниченность используемых сортов угля, неравномерность свойств кокса, низкая производительность, большие потери тепла через кладку, неравномерность температуры по сечению печи (у стен ниже), выпуск непосредственно из печи газов, которые «дают много дыма и неприятны для окрестности».
Коксовые батареи
36.Проблему низкой производительности решили путём строительства нескольких печей, которые объединялись в батарею с общей системой загрузки угля и выгрузки кокса. Для решения проблемы дымовых газов стали применять устройство сборного канала (борова), в который поступали газы от всех печей батареи. Боров соединялся с дымовой трубой, через которую и удалялись дымовые газы.
37.Для повышения качества кокса и снижения потерь тепла перешли от печей с круглым основанием к печам с прямоугольным основанием. При этом печи в батарее ставили вплотную друг к другу, объединяли общей передней стенкой, а сзади и сверху засыпали землёй. Земляная насыпь играла роль теплоизоляции, а также способствовала удобству операций загрузки.
38.Постепенно внедрялись всё более совершенные проекты ульевых печей, которые позволяли повышать качество получаемого кокса и снижать затраты на его производство. К наиболее удачным относятся конструкции Кокса и Джонса.
39.Коксовая печь Кокса, запатентованная в 1840 г. представляла собой двухрядную батарею камер для коксования, т.е. два ряда камер располагались «спина к спине», при этом спаренные камеры имели общую дымовую трубу. Воздух поступал в печь через каналы в боковых стенах, попутно нагреваясь от них, а дымовые газы уходили не сразу в дымовую трубу, а первоначально в полость под сводом камеры. Наличие каналов позволяло регулировать интенсивность подачи воздуха для горения.
40.Благодаря этим конструктивным решениям, температура в камере была выше, чем в печах традиционной конструкции, что позволяло на треть увеличить толщину слоя угля (а, значит, и производительность), а также повысить выход годного кокса. По этой причине, несмотря на то, что затраты на строительство печей Кокса были значительно выше по сравнению с печами старой конструкции, они быстро окупались.
Коксовые печи Джонса
41.Революционной стала конструкция коксовых печей, предложенная Эдвардом Джонсом, управляющим заводом Russel’s Hall Furnaces около Дарби (Великобритания). Основная её особенность состояла в том, что нагрев угольной загрузки осуществлялся не только сверху, но и снизу – для этого дымовые газы поступали в каналы под подом камеры. Через дымоход проходили две чугунные трубы, по которым в печь подавался воздух для горения, так что отходящие дымовые газы подогревали его. Одна из труб подавала воздух через отверстие в задней стене, а вторая – через отверстие в передней стене, что способствовало равномерному обогреву всей площади угольной шихты. Для регулирования интенсивности подачи воздуха обе трубы снабжали задвижками.
42.В своде было предусмотрено два отверстия, которые закрывали чугунными крышками — одно, круглое, в середине печи, второе, прямоугольное, вдоль задней стенки. Первое служило для загрузки угля, а второе – для работ по выгрузке готового кокса. Перед началом процесса дверь печи закладывали кирпичом (без раствора), а снаружи вертикально ставили металлический лист. Пространство между кладкой и листом засыпали коксовой мелочью и пылью для предотвращения подсосов воздуха в печь.
43.В качестве шихты использовали мелкий жирный уголь, который смешивали с дроблёным каменно-угольным пеком (тяжёлый остаток от перегонки каменноугольной смолы), что позволяло получать высококачественный металлургический кокс. Коксование заканчивалось через 36 ч., но из соображений удобства организации труда выгружать кокс начинали только через 48 ч. Выход готового кокса составлял 65 % от массы шихты.
44.Печи Джонса объединяли в батареи (два ряда по 10 печей, расположенные «спина к спине»), сверху каждого ряда прокладывали рельсы для подвоза угля. В середине XIX в. коксовые печи системы Джонса были наиболее совершенными агрегатами, как с точки зрения теплотехнической, так и организационной эффективности процесса.
Прогресс ульевых печей
45.В середине XIX в. ульевые печи массово использовались в странах Европы, в первую очередь в Великобритании; при этом они отличались разнообразием конструкций. Позднее, к концу века, они были вытеснены печами щелевого типа, зато в США в это время ульевые печи получили самое широкое распространение. В США применялись «классические» ульевые печи без обогрева снизу, без предварительного подогрева воздуха и даже без трубы, которую заменяло отверстие в своде камеры. Это было обусловлено предельно низкой стоимостью строительства и эксплуатации ульевых печей. Несколько десятков печей объединяли в двухрядные батареи с общей задней стенкой, сверху прокладывали железнодорожные пути для специального углезагрузочного вагона.
46.Благодаря дешевизне, простоте конструкции и эксплуатации ульевые печи использовались в США до середины XX в.; до недавнего времени они широко применялись в Китае. Со временем печи были автоматизированы: загрузочные вагоны были снабжены сначала паровым, а позже электрическим приводом, а выгрузка стала осуществляться специальной машиной.
47.В США и сейчас разрабатываются агрегаты, которые являются прямыми потомками ульевых печей. Новые коксовые батареи сделаны на современном техническом уровне и лишены недостатков, присущих классическим ульевым печам. Отходящие газы используются для производства электронергии.
48.Первый современный завод с ульевыми коксовыми печами построен в США в 1998 г. фирмой Sun Coal and Coke. Он производит 1,3 млн т кокса в год и 75 МВт электроэнергии. В настоящее время печи такого типа помимо США эксплуатируются также в Китае, Индии, Австралии, Бразилии, Колумбии и Перу.
В США и сейчас разрабатываются агрегаты, которые являются прямыми потомками ульевых печей. Новые коксовые батареи сделаны на современном техническом уровне и лишены недостатков, присущих классическим ульевым печам. Отходящие газы используются для производства электронергии.
Шихта для коксования
49.Использование для коксования печей даже таких простых конструкций, как шаумбургские и ульевые, позволило решить важнейшую проблему – использовать «отмытый», обогащённый уголь.
Различные конструкции ульевых (булочных) коксовых печей
Великобритания (внешний вид и разрез).
Различные конструкции ульевых (булочных) коксовых печей
Германия (с улавливанием смолы).
Различные конструкции ульевых (булочных) коксовых печей
Франция (с двусторонней выгрузкой).
Различные конструкции ульевых (булочных) коксовых печей
США.
50.Дело в том, что для операции обогащения уголь сначала надо мелко раздробить, а затем каким-либо способом, чаще всего промывкой, отделить собственно угольное вещество от соединённых с ним частиц сланца и прочей пустой породы. Использовать получавшуюся при этом в большом количестве низкозольную мелочь для кучного коксования было невозможно. По этой причине для него требовался низкозольный кусковый уголь – пустая порода при сгорании кокса переходила в золу, а большое количество золы отрицательно влияло на работу доменных печей.
51.Однако шаумбургские и ульевые печи не решили другие важные проблемы кучного коксования – невозможность использования плохо спекающихся углей с низким выходом летучих веществ (тощих или антрацитовых по классификации Грюнера), которые обеспечивают самый высокий выход кокса, и неравномерность свойств кокса.
Американские ульевые коксовые печи конца XIX в.
Вид сверху и разрез, по Дж. Перси.
Американские ульевые коксовые печи конца XIX в.
Вид сверху и разрез, по Дж. Перси.
Американские ульевые коксовые печи конца XIX в.
Завод Кардифф, Шт. Колорадо, около 1888 Г. (фото Loco Steve).
Американские ульевые коксовые печи конца XIX в.
Завод Tacoma Coal & Coke Co. (25 печей построено в 1885 Г. и ещё 50 в 1891 Г.).
Американские ульевые коксовые печи конца XIX в.
Печи завода Calumet Coke Ovens, принадлежащего H. C. Frick Coke Company.
52.Для использования плохо коксующихся углей, антрацита и коксовой мелочи, был разработан способ их смешивания с хорошо коксующимися углями, которые служили цементирующей матрицей, обеспечивающей прочность кокса. Первый патент на смешивание для коксования углей разный сортов был получен английским промышленником Буддом в 1850 г. Вскоре было замечено, что такое смешивание улучшает результаты коксования – коксующийся уголь меньше вспучивается, кокс получался более прочным, а присутствие в смеси углей с высоким содержанием углерода увеличивает выход кокса. Это послужило основой для дальнейшего использования для коксования вместо отдельных сортов угля их смеси – шихты.
Ретортные и щелевые печи
53.Для решающего технического прорыва применения угольной шихты было недостаточно, требовалась разработка принципиально новых коксовых печей. Ведущую роль в этом процессе со второй половины XIX в. играли Германия, Франция и Бельгия, обладавшие большими запасами плохо спекающихся углей с низким выходом летучих веществ и имевшие насущную потребность в увеличении объёма выплавки чугуна и стали.
54.Логика конструкторов была понятной – требовалось создать печь, в которой:
- уголь находится в тонком слое для быстрого и хорошего прогрева;
- температура достаточно высока для коксования плохо спекающихся углей;
- подвод тепла осуществляется равномерно по всему объёму угольной загрузки;
- отсутствует контакт угля и кокса с воздухом.
55.Для обеспечения последнего условия было необходимо сжигать летучие продукты коксования вне камеры, в которой проходит процесс. Печи подобного рода получили название «ретортных» по аналогии с химическими ретортами, нагреваемыми извне.Для обеспечения первых трёх условий реторты, то есть камеры для коксования, делали в виде узких длинных параллелепипедов (точнее призм, поскольку со стороны выдачи кокса камера была шире), обогреваемых с боковых сторон, имевших наибольшую площадь, а в некоторых конструкциях также снизу и с торцов. Ширина камеры составляла от 0,4 до 1,0 м и зависела от способности углей спекаться — чем она меньше, тем камера уже.
56.Продолжительность коксования в ретортных печах составляла 24—60 ч., а выход кокса достигал 70—73% от массы угля. Поскольку объём и, следовательно, производительность одной камеры была невелика (40—45 т кокса/месяц), то камеры объёдиняли в батареи. Сжигание летучих веществ осуществлялось в пространстве между камерами коксования, для чего туда подавался воздух. Во всех конструкциях использовались загрузка шихты сверху с помощью углезагрузочного вагона и прочие операции по групповому обслуживанию печей, благополучно дошедшие до наших дней. Готовый кокс после открытия дверей в фасадных стенах выталкивался штангой из горизонтальных камер или удалялся снизу через подину в вертикальных камерах.
57.Коксование шло непрерывно – после выгрузки кокса в камеру сразу засыпалась новая порция угольной шихты. Избыточное тепло газа («жар-газ») часто использовали для получения пара, который требовался для приведения в действие обслуживающих печь механизмов. Камера коксования могла располагаться вертикально и горизонтально. Существовали также опытные конструкции печей: с наклонной осью (Пауэлс и Дюбоше); кольцевые, когда камеры коксования располагались по кругу; двухэтажные (Фроммон), когда газы из нижнего ряда камер поступали в верхние; двухрядные (Дюлэй), когда два ряда камер объединялись общей задней стенкой. Однако во всех подобных конструкциях выгрузка могла осуществляться только вручную.
Печь братьев Аппольт
58.Удачным примером коксовой печи с вертикальной камерой может служить печь, разработанная братьями Аппольт в 1854 г. Камеры этой печи для большей устойчивости связывали между собой отдельными кирпичами, идущими от одной камеры к другой. Камеры размещали в два ряда по 6—9 агрегатов внутри общего кирпичного кожуха, в котором сжигались летучие продукты коксования.
59.В нижней части камер располагались отверстия, через которые газообразные продукты коксования удалялись в топочное пространство печи. Там они смешивались с воздухом и сгорали. Выделяемое при этом тепло через стенки камер передавалось коксуемой угольной массе, а дымовые газы через специальные каналы поступали в трубу. Тягу можно было регулировать специальной заслонкой в дымовом канале.
60.В нижней части печи, под камерами, располагался ход высотой примерно 1,8 м, в который ставили вагончики для приёма готового кокса. Выгрузка осуществлялась из нижней части камер коксования.
61.Благодаря «стоячей» конструкции камеры отношение поверхности нагрева к объёму камеры у печи Аппольтов было почти в два раза больше, чем у печей с горизонтальными камерами. Однако высокие капитальные затраты на строительство (в 2 раза больше, чем у печей с горизонтальными камерами) и сложности в эксплуатации (для ремонта одной камеры надо было останавливать всю печь) сводили на нет многие её достоинства.
62.Позднее в конструкцию были внесены существенные изменения, которые сыграли важную роль в дальнейшем совершенствовании конструкций коксовых печей.
63.Во-первых, кирпичи, связывающие отдельные камеры, стали класть без промежутков, в результате чего пространство вокруг камер было разделено на отдельные вертикальные каналы (позднее названные вертикалами), то есть газ теперь сжигался не во всём объёме топочного пространства, а в отдельных каналах, двигаясь по ним вверх и вниз. Это позволило повысить равномерность нагрева коксуемой массы.
64.Во-вторых, газы от каждой из четырёх камер стали поступать в один канал, при этом периоды коксования во всех четырёх камерах были смещены друг относительно друга, т.е. уголь загружался не одновременно во все камеры, а с некоторым временным смещением. Поскольку выделение газа в ходе коксования происходило неравномерно (в начальный период больше), это способствовало стабильному подводу тепла к камерам в течение всего процесса. Без этого усовершенствования в начале процесса газы сжигались не полностью из-за недостатка воздуха, а в конце процесса камеры охлаждались избытком воздуха. Благодаря новому конструктивному решению, избыток воздуха от одной печи использовался для сжигания избытка газа от другой печи.
Коксовая печь конструкции Смэ.
Поперечное сечение (слева) и внешний вид (справа).
Коксовая печь конструкции Смэ.
Продольное сечение через камеру (с лева) и через отопительный простенок (справа).
Коксовая печь конструкции Смэ.
Коксовое производство компании The Cambria Iron Company, Штат Пенсильвания, 1876 г.
65.Однако эти изменения так и не сделали печь Аппольтов широко распространённой – экономически целесообразнее было использовать печи с горизонтальными камерами коксования.
Печи с горизонтальными камерами коксования
66.Одной из первых печей такого типа была печь конструкции Смэ (Smet), разработанная в 1850-е гг. В печах Смэ между горизонтальными камерами для коксования располагались так называемые отопительные простенки, в которых происходило сжигание газообразных продуктов коксования. Газы покидали камеру коксования через отверстия в своде и попадали в отопительные простенки. Туда же подавался воздух для горения. В простенках была устроена горизонтальная перегородка, благодаря которой газы и продукты их горения двигались сначала в одну, а потом в другую сторону. После этого продукты горения поступали в подовый канал под камерой коксования, чтобы прогреть нижнюю часть коксуемого угля, и уходили в трубу.
67.В дверях для выгрузки кокса были предусмотрены отверстия, через которые в верхнюю часть камеры можно было подавать воздух. Это было необходимо в тех случаях, когда использовался уголь с большим выходом летучих веществ. При этом воздуха для их сжигания не хватало, и каналы могли забиться отложениями графита, образующегося при их разложении. Длина камер печей Смэ достигала 6—7 м, высота 1,1—1,2 м, ширина — 0,65 м. В камеру помещалось примерно 2,5 т угля, коксование которого длилось около суток.
Вертикалы
68.Следующим шагом в развитии конструкции коксовых печей была замена горизонтальных каналов в отопительных простенках (как в печах Смэ) вертикальными. Простенок разделялся кирпичными перегородками на отдельные вертикальные каналы, в результате чего существенно возрастала жёсткость боковых стенок камер коксования, что позволило уменьшить их толщину без опасности разрушения от вспучивания угля при коксовании и облегчило прогрев камеры.
69.Первой печью с вертикальными отопительными каналами (вертикалами) была печь конструкции Франсуа-Рексрота (Francais-Rexrot). В ней газообразные продукты коксования через 14 отверстий поступали из камеры коксования в 14 вертикалов, разделённых тонкими перегородками, где сжигались. Продукты горения поступали в подовый канал, откуда направлялись в общий боров (сборный канал) и далее в дымовую трубу. Печи Франсуа предназначались для хорошо спекающихся углей с большим выходом летучих веществ, поэтому ширина их составляла 0,9 м, а процесс длился двое суток. Позднее конструкция была изменена для коксования плохо спекающихся углей – ширину уменьшили до 0,6 м. Длительность процесса при этом сократилась до суток.
70.Дальнейшее развитие печей Франсуа с целью использования тощих углей привело к созданию печи конструкции бельгийского инженера Эванса Коппе (Coppee). Первая батарея Коппе была построена в начале 1860-х гг., а уже в 1870-х гг. удачная конструкция стала самым распространённым видом коксовых печей в Германии, Франции и Бельгии. В Германии печи Коппе были впервые построены в 1869 г. и в дальнейшем сооружались в большом количестве в сотрудничестве с немецкими фирмами Коллена и Отто.
Коксовая печь Коппе
71.Печь Коппе подвергалась постоянному совершенствованию с учётом практики её использования и свойств угля, однако общие принципы действия оставались неизменными. Некоторые модификации, разработанные немецким инженером Отто, называли печами Коппе-Отто.
72.Конструкция печи предусматривала совместную работу двух камер и двух простенков. Газы из камер коксования через большое количество отверстий (28-30) в верхней их части поступали в такое же количество вертикалов отопительных простенков, куда также подавался воздух для их сжигания. Образовавшиеся продукты горения из двух простенков поступали в подовый канал, расположенный под одной из камер, для прогрева нижней части коксуемого угля. После смешивания они поступали в подовый канал под другой камерой, а затем в общий боров и оттуда в трубу или к паровому котлу. Сдвоенная система работы была необходима для компенсации неравномерности выделения газообразных продуктов при коксовании, аналогично тому, как эта проблема решалась в модифицированной печи братьев Аппольт. Позднее конструкция была изменена таким образом, что совместно работали четыре камеры. Газы, поступавшие в трубу, всё ещё содержали значительное количество горючих веществ, поэтому на выходе из трубы их дожигали, и над ней всегда горел яркий факел, из-за которого печи называли «пламеннми печами Коппе».
73.Для предотвращения перегрева нижней части печи в ней устраивалась сеть каналов для воздушного охлаждения. Воздух, охлаждающий низ печи, одновременно нагревался, а затем подавался по специальным горизонтальным каналам в вертикалы для обеспечения горения газа. Предварительный подогрев воздуха позволял повысить температуру в простенках для коксования тощих углей. С той же целью Коппе разработал кирпич специальной формы, обеспечивающей стойкость стенки камеры, благодаря чему толщина её уменьшилась до 90 мм. Снаружи печь Коппе обкладывалась теплоизоляционным материалом, а поверх него – обыкновенным кирпичом. Дверь делали составной – верхняя часть высотой 30 см открывалась для выравнивания засыпанного угля (планирования), а нижняя – для выдачи кокса. Загрузку производили через три отверстия в своде камеры.
74.Камеры печей Коппе имели в длину 9 м, высота и ширина их зависели от типа используемого угля и, соответственно, от продолжительности коксования: при продолжительности коксования 24 ч. высота составляла 1—1,2 м, а ширина 0,4—0,5 м, а при продолжительности 48 ч. — 1,7 м и 0,6 м соответственно.
Улавливание продуктов коксования
75.Дальнейшее совершенствование конструкции коксовых печей было связано с желанием использовать побочные продукты, содержащиеся в коксовом газе (в первую очередь – аммиак, смолу, бензол). Впервые извлечение из газа смолы предусматривалось в печах конструкции Кнаба, построенных во Франции в 1856 г. Масштабное использование побочных продуктов коксования было осуществлено в 1867 г. инженером Карве (Carves) также во Франции, на заводах Бессеж (Bessege) и Тернуар (Terrenoire). В дальнейшем, с учётом безусловной выгоды этого производства, оно внедрялось на всё большем числе заводов.
76.В принципе конструкцию любой печи можно было изменить таким образом, чтобы иметь возможность улавливать побочные продукты. Для этого было необходимо выделяемый углём газ до сжигания в отопительном простенке пропустить через систему агрегатов для выделения из него необходимых веществ, а очищенный газ направить обратно в печь для сжигания. Однако первые попытки такого рода терпели неудачу – кокс получался плохого качества.
77.Первой промышленной печью с улавливанием побочных продуктов стала конструкция немецкого инженера Карла Отто, реализованная на шахте Голланд в Ваттеншайде (около Бохума) в 1882 г. Для получения качественного металлургического кокса Отто применял только жирные угли и довольствовался теми количествами смолы и аммиака, которые при этом получались, оценивая их именно как побочные продукты, т.е. получающиеся вместе с основной продукцией и дающие дополнительную прибыль. Для продвижения своей разработки Отто предложил оригинальный маркетинговый ход: цехи улавливания химических продуктов он строил для своих заказчиков бесплатно при условии, что ему в течение ряда лет в виде компенсации предоставлено право на реализацию получаемых химических продуктов.
Регенеративные печи Отто-Хоффмана
78.Проблемой, существенно затруднявшей эксплуатацию первых печей с улавливанием химических продуктов коксования, было снижение теплоты сгорания коксового газа после извлечения из него смолы. Для решения этой проблемы в 1881 г. Густав Хоффман (Гофман) предложил использовать принцип регенерации тепла. Отто заключил с Хоффманом лицензионный договор, на основе которого в 1883 г. были разработаны печи Отто-Хоффмана — первые регенеративные коксовые печи.
79.В печах Отто-Хоффмана камера коксования была полностью отделена от вертикалов отопительного простенка, а газообразные продукты коксования из каждой камеры через два чугунных патрубка (стояка) в верхней части камеры поступали в общую трубу - газосборник (барильет), которая проходила по всей длине батареи. В случае ремонта печи, загрузки угля или выгрузки кокса стояки перекрывались клапанами для предотвращения попадания в барильет воздуха. Из барильета газ отсасывался мощным вентилятором (эксгаустером), пропускался через систему оборудования для охлаждения и выделения из него побочных продуктов и направлялся обратно к коксовой батарее.
80.В нижней части батареи располагались два тепловых аккумулятора – теплообменники-регенераторы. Расположены они были продольно, т.е. по всей длине батареи. Регенератор представлял собой кладку (насадку) из огнеупорного кирпича, сложенного таким образом, чтобы поверхность контакта кирпича с газом или воздухом была максимальной. Проходящий через насадку поток раскалённых газов нагревал её до высокой температуры. При этом один регенератор аккумулировал тепло нисходящего потока продуктов горения, в то время как второй отдавал аккумулированное тепло восходящему потоку воздуха для сжигания газа.
81.Очищенный от химических продуктов газ подавался в левую или правую часть расположенного под камерой коксования подового канала, туда же подавался необходимый для сжигания нагретый воздух из расположенного под каналом регенератора. Поскольку подовый канал был разделён по длине на две части, то горение происходило только в одной из них. Образующиеся при этом горячие газы поднимались по вертикалам, соединённым с этой половиной подового канала (восходящий поток) в общий канал, проходящий в верхней части вдоль всего простенка. Затем через вертикалы второй половины простенка газы опускались во вторую половину подового канала (нисходящий поток), оттуда поступали в регенератор для его нагрева, а затем — в дымовую трубу.
82.Через некоторое время специальные перекидные клапаны переключали направление потоков газа и воздуха. Однако обогрев камер всё-таки был неравномерным, так как горячие продукты горения неравномерно распределялись по вертикалам. Эту проблему решил предложенный инженером Гильгенштоком нижний подвод газа. При этом горючая смесь газа с воздухом вводилась не в общий канал, а индивидуально в каждый вертикал через горелки, которые устанавливались и обслуживались из тоннеля под печами. Распределение газа в новых печах было настолько хорошим, что для обогрева хватало образующегося при коксовании газа даже без использования регенераторов. По этой причине фирма Отто начала строить печи преимущественно без использования тепла отходящих газов, а строительство регенеративных печей было приостановлено.
Фасонный кирпич Семет-Сольвея
83.Ещё одной конструкцией печи с улавливанием побочных продуктов и без регенератора была оригинальная печь Семет-Сольвея, получившая распространение в Бельгии в конце XIX в. В печи Сольвея отсутствие регенератора компенсировалось крайне низкой толщиной стенки между отопительным простенком и камерой коксования. Собственно, простенка как такового и не было – камера изготавливалась из обычного не огнеупорного кирпича, а внутри выкладывалась огнеупорным фасонным кирпичом специальной конструкции. Этот кирпич имел внутри сквозное отверстие, так что при выкладывании ряда кирпичей образовывался горизонтальный канал вдоль всей камеры. Размеры кирпичей были таковы, что по высоте камеры они образовывали три ряда. Продукты горения перемещались в них слева направо и обратно, образуя большой зигзаг. Несмотря на невысокую стойкость такого кирпича, использование печей Семет-Сольвея было выгодно ввиду лёгкости ремонтов, и эта конструкция была признана специалистами очень удачной.
Регенераторы Копперса
84.В начале XX в. в связи с повышением спроса на коксовый газ инженеры вернулись к регенеративным коксовым печам. Первым к выводу о том, что только они могут удовлетворить новые требования, пришел Генрих Копперс. В 1904 г. им была разработана коксовая печь, в которой два продольных регенератора были заменены индивидуальными поперечными регенераторами. Этот шаг был обусловлен тем, что загрузка продольного регенератора была неравномерной – чем ближе к трубе, тем больше было количество газа. В варианте Копперса пара регенераторов, расположенных уже вдоль камеры коксования, обслуживала только два соседних простенка, имела равномерную загрузку, благодаря чему обеспечивались равномерный обогрев камер коксования и необходимая технологическая надёжность процесса. Впоследствии такая схема стала общеупотребимой и сохранилась вплоть до наших дней.
85.Регенераторы долгое время использовались только для подогрева воздуха, поскольку сжигание коксового газа требовало по стехиометрии пяти - шестикратного, а в реальности – десятикратного превышения объёма воздуха над объёмом газа. Таким образом, не было никакого смысла нагревать газ, который составлял лишь одиннадцатую часть общего объёма. Однако в 1910 г. в качестве топлива для коксовых батарей стали применять доменный и генераторный газы, требовавшие другого соотношения с воздухом, их также стали пропускать через регенераторы для нагрева. Печи, работавшие на разных видах газа, получили название комбинированных.
Чередующиеся вертикалы
86.Направляющей идеей для дальнейшего развития конструкции коксовых печей стало стремление разделить обогревательный простенок на меньшие группы вертикалов, чтобы повысить равномерность нагрева. Ещё большую равномерность нагрева обеспечивало чередование вертикалов: в одном сжигается газ, в другом (соседнем) проходят продукты сгорания. Идею использования парных каналов обогревательного простенка Карл Отто высказал ещё в 1881 г., однако осуществлена она была только в 1913 г. Вольтерсом.
87.По новой схеме в одном из вертикалов (нечётном) сжигался подаваемый в него газ, продукты горения поднимались по нему вверх, а опускались вниз по соседнему (чётному) вертикалу (т.е. от общего канала в верхней части печи простенка отказались, как ранее и от общего подового канала). Через некоторое время происходило переключение потоков газа и воздуха (кантовка), в результате чего горение теперь происходило в чётном вертикале, а нисходящий поток шёл по нечётному. Таким образом, горение происходило не в одной половине простенка, а равномерно по его длине, а в целом по батарее – в шахматном порядке.
Динасовые огнеупоры
88.Повышению эффективности коксовых печей в значительной степени способствовал переход от использования огнеупорных кирпичей из шамота (материала на основе каолиновой глины), к кирпичам из динаса – материала на основе кремнезёма (SiO2).Динас обладает устойчивостью к оксидам золы кокса, которые состоят преимущественно из SiO2, и позволяет повысить температуру в вертикалах на 200-300 . Печи одинаковой конструкции в случае использования шамота имеют продолжительность коксования 24 ч., в то время как печи из динасового кирпича — 16—17 ч.
Разрушенная коксовая батарея системы Копперса, завод Joliet Works компании U.S. Steel, построена ок. 1908 г.
Верхнее с троение печи: тёмные щели – камеры коксования, кирпичная кладка – отопительные простенки, у двух центральных простенков отсутствует передняя стенка и виден вертикал.
Разрушенная коксовая батарея системы Копперса, завод Joliet Works компании U.S. Steel, построена ок. 1908 г.
На переднем плане кирпичи из насадки регенераторов, тёмные щели за ними – сами регенераторы.
Разрушенная коксовая батарея системы Копперса, завод Joliet Works компании U.S. Steel, построена ок. 1908 г.
Тоннели для обслуживания и охлаждения батареи.
89.Динасовые огнеупоры впервые были применены в 1892 г. фирмой «Фрик-Кок Компани» в США для сводов ульевых печей. В 1900 г. камеры коксовых печей для завода «Доминион Айрон энд Стил Корпорейшен» в Канаде были выполнены из динаса, наконец, 1908 г. Генрих Копперс впервые построил печи на заводе «Джоллиет» в США полностью из динасовых огнеупоров. На изготовление огнеупорного кирпича для этих коксовых печей Копперс разработал в 1906 г. специальные технические условия, которые действовали ещё в 1960-е гг. Начиная с этого времени все коксовые печи в США строились из динаса. В Европе переход на динасовые огнеупоры был осуществлен позднее.
Промежуточный финиш
90.К началу Первой Мировой войны совершенствование конструктивных форм коксовых печей было в основном закончено. Развитие сначала эффективно происходило в Англии, затем охватило западные континентальные угледобывающие страны – Бельгию и Францию и особенно продвинулось вперед в Германии.
91.Дальнейшие разработки были связаны в основном со стремлением существенно увеличить производительность печей. Ширина камер оставалась на уровне примерно 450 мм, а высота постепенно увеличивалась до 4—4,5 м. Фирма Штиль в 1920-х гг. даже построила печи с камерами высотой 6 м (в настоящее время высота наиболее мощных печей немного превышает 7 м при ширине камеры 500 мм). Вследствие увеличения размеров агрегата возникали новые задачи по обеспечению равномерного обогрева стен камер по высоте при коротком факеле сжигания коксового газа, что, в свою очередь, вызвало к жизни новые конструктивные решения, зачастую основанные на старых предложениях.
Коксовыталкиватели
92.В заключение необходимо остановиться на оборудовании, применяемом для вспомогательных операций в коксовом производстве. Для решения проблемы использования плохо спекающихся углей, из которых обычным образом нельзя было получить прочный кокс, на заводах Верхней Силезии (Германия) в самом конце XIX в. была разработана и внедрена технология, применяемая с той же целью и в наши дни – производство кокса с трамбованием. Для этого уголь не загружали, как обычно, сверху в печь, а засыпали в металлический ящик специальной конструкции, напоминающий по форме и размерам камеру коксования. При загрузке уголь трамбовался слоями так, что после снятия откидных стенок ящика плотная масса угольной шихты подкатывалась на специальной тележке по рельсам к печи и задвигалась в камеру коксования.
93.Для помещения трамбованного угля в печь, а также для извлечения из неё готового кокса использовалась специальная машина – коксовыталкиватель. Он представлял собой платформу, перемещавшуюся по рельсам вдоль коксовой батареи, на которой была смонтирована выдвигающаяся штанга с зубчатой рейкой, на конце рейки был прикреплён чугунный щит. После окончания коксования двери с обоих концов камеры снимались и щит, толкаемый штангой, упирался в коксовый пирог и выталкивал его из камеры.
94.Первоначально коксовыталкиватель приводился в движение от ворота, вращаемого вручную, позднее, особенно с увеличением размеров печей, стали применять привод от паровой машины. Сторона коксовой батареи, вдоль которой перемещается коксовыталкиватель, получила название машинной. Противоположную сторону, на которую выталкивается кокс, стали называть коксовой.
95.С коксовой стороны батареи располагалась специальная площадка (коксовая рампа) шириной не менее 12 м, с небольшим уклоном (для стока воды), выложенная хорошим кирпичом или чугунными плитами. На эту площадку и падал выталкиваемый из камер коксовый пирог. Поблизости были расположены гидранты для подачи воды для тушения кокса, который заливался водой, после чего его грузили в вагоны (обычно вагоны располагались ниже площадки и кокс в них сгребали с площадки). Позднее выгрузку стали осуществлять в специальный «коксоприёмный» вагон, который перемещался в тушильную башню, где кокс заливался водой.
Установки сухого тушения кокса
96.Для того чтобы с пользой использовать тепло выгружаемого из печи кокса, ещё в 1920-х гг. были разработаны установки сухого тушения кокса. Первая, разработанная фирмой «Коллин», располагалась непосредственно перед коксовой батареей. Выгруженный кокс рассыпался нетолстым слоем на наклонной колосниковой решётке и продувался инертными газами с температурой 165 °С, которые затем с температурой 750 °С использовались для получения пара. Отдав тепло паровым котлам, газы возвращались обратно на тушение, их циркуляция обеспечивалась специальным вентилятором-дымососом. Охлаждённый кокс через разгрузочную дверь в нижней части установки падал на ленточный транспортёр.
97.Другая установка, разработанная фирмой «Зульцер», представляла собой камеру-реторту, в которую помещался раскалённый кокс. Циркулирующий внутри установки инертный газ охлаждал кокс от температуры примерно 1000 °С до 250 °С, нагреваясь при этом с 200 до 700 °С. Нагретый газ подавался в паровой котёл, а затем поступал обратно в камеру тушения. Как и в первом варианте, установка была герметична. Выгрузка кокса осуществлялась через затвор в нижней части по мере необходимости. Инертный газ в обоих случаях смесь азота и монооксида углерода.
98.Способ фирмы «Зульцер» получил широкое распространение и в усовершенствованном виде (тушение осуществляется практически чистым азотом) используется и в наши дни.
Шаумбургская печь, по Дж. Перси