загрузка...
 
7.3.3 Физико-химические основы процесса коксования
Повернутись до змісту

7.3.3 Физико-химические основы процесса коксования

Коксование – это сложный двухфазный эндотермический процесс, в котором протекают термофизические превращения коксуемого сырья и химические реакции с участием компонентов его органической части. Коксование проводят в коксовых печах, являющихся реакторами периодического действия с косвенным нагревом, в которых теплота передается к коксуемой угольной шихте через стенку реактора. Поэтому термофизические процессы при коксовании включают:

теплопередачу от стенки к материалу шихты;

диффузию продуктов пиролиза (паров воды и летучих веществ) через слой шихты;

удаление этих продуктов из шихты.

При установившемся режиме процесса коксования количе­ство теплоты, передаваемое за единицу времени, определится  из уравнения

                               Q = Kт · F · ?t                             (7.2)

где Кт – коэффициент теплопередачи, кДж/м2·град·ч;

 F   – поверхность теплопередачи, м2,

?t =   tг – tш – разность температур обогревающих стен­ку камеры печи газов  tг и нагреваемой шихты (тем­пературы коксования) tш. Коэффициент теплопередачи рассчитывается по формуле

                                                (7.3.)

где ?1 и ?2 – коэффициенты теплопередачи соответственно от греющих газов к стенке печи и от стенки к ших­те, кДж/м2·град·ч;

?1  – толщина стенки, м,

?2 = b/2 – половина толщины загрузки шихты, м, ?1 и ?-  соответственно коэффициенты теплопроводнос­ти стенки и шихты, кДж/м2·град·ч.

Для увеличения теплового потока и, как следствие, интен­сивности обогрева печи необходимо повышать коэффициент теплопередачи Кт и поверхность обогрева F. Так как коэффи­циент теплопередачи угольной шихты весьма мал, то из формулы 7.2  следует, что для увеличения коэффициента теплопе­редачи Кт, помимо повышения ?1 и ?2, необходимо уменьшать толщину слоя угольной шихты. Поэтому ширина камеры печи достаточно жестко регламентирована и составляет обычно 0,40–0,41 м. Из этого следует, что поверхность теплопередачи F определяется двумя другими размерами камеры печи – дли­ной и высотой.

Коксовая печь – реактор периодического действия, поэто­му температура угольной шихты в ней изменяется во времени. Следовательно, изменяется и движущая сила процесса, то есть разность температур между греющими газами и угольной ших­той ?t =   tг – tш. Непосредственно после загрузки шихты tш мала и разность ?t велика. Поэтому в холодную шихту поступает в единицу времени большее количество теплоты и уголь у стенок камеры начинает коксоваться, в то время как вследствие низ­кой теплопроводности шихты средние слои остаются холодны­ми. По мере прогрева шихты ее температура возрастает и дви­жущая сила процесса ?t падает при одновременном повышении температуры по сечению камеры.

Химические превращения при коксовании могут быть све­дены к реакциям двух типов: первичным и вторичным.

К первичным реакциям, протекающим в шихте при ее на­гревании, относятся:

реакции деструкции сложных молекул;

реакции фенолизации;

реакции карбонизации органической части угля;

реакции отщепления атомов водорода, гидроксильных, карбоксильной и метоксильной ОСН3 групп.

В процессе первичных превращений из угольной шихты вы­деляются первичный газ и пары первичной смолы и образуется кокс. К вторичным реакциям, которые протекают при контак­те выделившихся первичного газа и первичной смолы с нагре­той стенкой печи, относятся:

–  реакции крекинга алканов

СnH2n+2 ? CmH2m+2 + CpH2p;

–              реакции полимеризации алкенов

ЗСnН2n ? ?СnН2n;

–              реакции дегидрогенизации нафтенов

?СnН2n  ? СnH2n-6 + ЗН2;

–              реакции конденсации ароматических углеводородов, на­пример

2С6Н6 ? С10Н8 + С2Н4;

–              реакции образования карбенов с последующим превращением их в полукокс и кокс.

Продуктом вторичных превращений является сложная смесь газообразных и парообразных при температуре коксования ве­ществ различной природы – прямой коксовый газ (ПКГ). На рис.7.3 представлена схема химических превращений при кок­совании.

 

Рисунок 7.3 Схема химических превращений при коксовании

Последовательность процессов, протекающих в шихте при повышении температуры в печи, может быть представлена в сле­дующем виде:

- 250°С   -  отщепление Н2О, СО, СО2, Н2;

-300°С - начало выделения КУС, выделение пирогенетической воды;

- 350–500°С - пластификация угольной шихты;

- 500–550°С - разложение органической части угля с выделе­нием первичного газа и паров первичной смолы, спекание твердого остатка с образованием полукокса;

 -600–700°С - разложение полукокса и полное выделение ле­тучих веществ;

- 700°С -  упрочнение твердой массы и образование кокса.



загрузка...