Твердое топливо

Для естественного твердого топлива всех видов общим является не только одинаковое агрегатное состояние, но и общность условий происхождения. Твердое топливо естественного вида — растительного происхождения. Чем старше топливо, тем выше содержание углерода (табл. 6) и теплота сгорания.

Твердое топливо, кроме данных элементарного анализа, характе­ризуется также данными технического анализа, при котором определяют: содержание влаги, выход летучих веществ и кокса, зольность, ко­личество серы, теплоту сгорания топлива.

Таблица 6. Характеристика твердого топлива основных видов

Влажность является весьма важной характеристикой твердого топ­лива и в большой мере определяет эффективность его использования.

Летучие вещества выделяются из топлива при его термическом разложении без доступа воздуха. При этом происходит разложение неустойчивых молекул и выделение газообразных горючих веществ. Кроме летучих веществ, продуктом термического разложения являют­ся также кокс — твердый остаток продуктов разложения. Летучие ве­щества играют весьма нажную роль в процессе сгорания твердого топлива, ибо воспламеняются первыми и способствуют развитию про­цесса горения.

Твердое топливо содержит в составе негорючие элементы, состав­ляющие основу золы. Чем выше количество этих негорючих элементов и выше зольность, тем ниже качество топлива.

Сера является крайне вредной примесью твердого топлива. При сжигании топлива, в состав которого входит сера, образуется оксид серы SО₂; он является очень сильным окислителем. При применении твердого топлива (кокса) в доменном производстве сера, содержащаяся в топливе, в значительной части переходит в чугун, понижая его качество и усложняя операции по его дальнейшему переделу в сталь.

Твердое топливо в металлургических печах практически не при­меняют. Исключение составляет кокс, необходимый для доменного процесса. Кокс получают в специальных печах — коксовых батареях из каменных углей, обладающих необходимыми свойствами (коксующиеся угли). Исходным материалом для производства кокса в коксовых ба­тареях служат угли, дающие спекшийся кокс.

Процесс коксования состоит в следующем. Измельченную до кус­ков размером меньше 3 мм и увлажненную угольную шихту загружают через загрузочные люки в камеры коксовых печей, температура в ко­торых поддерживается в пределах 1083—1273 К. В первый момент в камерах происходит испарение влаги. Затем наступает первая стадия пирогенетических процессов (процессов разложения без доступа воз­духа), которая начинается с момента нагревания угля до 473 К. На этой стадии выделяются пары первичной смолы, состоящей главным образом из углеводородов жирного ряда. Эти соединения, проходя че­рез раскаленную твердую массу топлива, превращаются в газы и аро­матические углеводороды бензольного ряда.

Летучие продукты коксования направляют на химический заиод для улавливания из них ценных продуктов. Газ, выходящий из коксо­вой камеры печи, называется прямым, а газ, из которого на химиче­ском заводе выделили пары смолы, сырого бензола и аммиака, — об­ратным.

Каменноугольную смолу подвергают разгонке. В получаемых мас­лах и сыром бензоле содержатся ценные вещества, служащие сырьем для химической промышленности, например бензол, толуол, фенол, ксилолы, нафталин и другие соединения, из которых вырабатывают различные химические продукты.

Количество смолы, получаемой при коксовании, зависит от выхо­да летучих и составляет 2—3% массы угля. Остающийся после пере­гонки смолы пек используют при производстве брикетов, толя, пласт­масс и др.

При оценке кокса как топлива для доменных печей наибольшее значение имеют данные его технического состава и результаты иссле­дования механической прочности. На основе технического анализа оп­ределяют содержание в коксе влаги, золы, серы и летучих. Количество влаги в коксе зависит главным образом от способа тушения кокса при выдаче из печи. Нормально в коксе содержится 2—5% влаги. Большое значение имеет зольность кокса, так как минеральная масса в коксе понижает его теплоту сгорания и вызывает повышенный рас­ход флюсов в доменной шихте. Производительность доменных печей при работе на коксе с большим содержанием минеральной массы по­нижается, а расход топлива возрастает. Среднее содержание золы в донецком коксе составляет 9—10%, в коксе из восточных углей 10—11%.

Содержание серы в коксе всегда отрицательно влияет на его свой­ства. Предотвращение перехода больших количеств серы в металл связано с необходимостью увеличения количеств шлака и его основно­сти, что неизбежно влечет за собой увеличение расхода горючего. В процессе коксования 80—85% серы сырого угля удерживается в коксе.

Значительной сернисгостью характеризуются коксы из донецких уг­лей (1, 5—2, 0%), малой —из кузнецких (0, 5—0, 7%). Выход летучих из нормально выжженного кокса не превышает 1, 4—1, 8%. По этой величине судят о завершении процесса коксования.

По назначению кокс подразделяют на доменный (пористость 45— 55%) и литейный для вагранок (пористость не более 45%). Большое значение для доменного производства имеет механическая прочность кокса, подвергающегося в доменной печи ударам при падении и исти­ранию. Обладая высокой твердостью, кокс вместе с тем весьма хрупок.

Вторым по количественному выходу продуктом коксования явля­ется газ, вызываемый коксовым. Средний состав обратного коксового газа следующий: 57—60% Н₂, 24—26% СН₄, 6, 0—6, 8% СО, 2, 2—2, 5% С _т Н _п, 2—2, 3% СО₂+Н₂S, 0, 2—0, 4% O₂, 3, 0—4, 0% N₂. В 1 м³ прямого газа, кроме перечисленных составляющих, содержится 100—125 г смолы, 25—40 г бензольных углеводородов, 5—15 г водорода и 5—10 г аммиака, в большей или меньшей мере улавливаемых при об­работке газа на химическом заводе.

Как видно из приведенного состава, обратный газ — высокоценное горючее, его теплота сгорания составляет 16000—18000 кДж/м³. Ос­новными его потребителями являются металлургические заводы.

Для получения кокса применяют специальные печи, одна из кото­рых показана на рис. 42. Прямоугольные камеры для коксования дли­ной около 13, высотой 4, 2—4, 5 и шириной около 0, 4 м собраны в ба­тареи. Торцовые части камер закрываются дверями 6 и 9. Угольную шихту в камеры для коксования загружают через люки 8 в сводах. Летучие продукты, образующиеся в процессе коксования, т. е. коксо­вый газ и пары смолы, отводят из камер через отверстие в своде 7 в стояк и газосборник. Воздух, подаваемый для сжигания газа, ис­пользуемого для отопления печей, предварительно подогревают в воз­душных регенераторах 5, размещенных по камерам. Воздух поступает в низ регенераторов через подовый канал 10. Нагретый в регенера­торах воздух через косые ходы 3, минуя блок 4, направляется в ниж­нюю часть вертикальных отапливаемых каналов 2, которые располо­жены между камерами коксования.

При отоплении коксовых печей доменным или генераторным газом осуществляют его подогрев в газовых регенераторах. Нагретый газ смешивается в отопительных каналах 2 с воздухом, где и сжигается, нагревая при этом боковые стенки камер коксования до температуры около 1573—1673 К. В случае применения коксового газа для отопле­ния печей его направляют в горелки через специальные каналы.

Дымовые газы отводят через перекидные каналы 1 в верхнюю часть смежных нагревательных каналов, а также через специальные косые ходы в верх регенераторов, где ими нагревается насадка регене­раторов. Изнижней части регенераторов дымовые газы отводят в боров и дымовую трубу.

Воздушные регенераторы разделены на две батареи. Когда и четных регенераторах нагревается воздух, насадка четных регенера­торов нагревается дымовыми газами. Затем в результате перекидки клапанов изменяют направление потока воздуха и дымовых газов. Воздух поступает для нагрева в четные регенераторы, а дымовые га­зы — в нечетные.

Процесс коксования длится около 15—16 ч. Из 1 т угля получают (в зависимости от влажности угля и выхода летучих веществ) около 720—800 кг кокса, 300 м³ коксового газа, 30—40 кг смолы, 10 кг бензола и примерно 3 кг аммиака.

Таблица 7. Состав и пористость доменного кокса, %

* Нелетучий.

Расход тепла на коксование 1 т угля составляет около 2514 МДж; при этом около 40—50% расходуемого тепла заключается в физиче­ском тепле кокса, т. е. в том тепле, которое было израсходовано па нагрев кокса до той температуры, при которой его выгружают из печи.

В табл. 7 приведены состав и пористость кокса отечественного производства.