DESCRIEREA PROCESULUI DE COCSIFICARE IN CUPTORUL INDUSTRIAL

DESCRIEREA PROCESULUI DE COCSIFICARE IN CUPTORUL INDUSTRIAL

Desfasurarea proceselor de descompunere pirogenetica si formare a cocsului in cuptorul industrial prezinta unele aspecte legate de principiile constructive si functionale ale acestuia.

Cuptorul de cocsificare este o camera paralelipipedica lunga si ingusta in care carbunele este supus incalzirii laterale din doua parti in contact cu suprafetele mari ale peretilor de incalzire ceramici.

Incalzirea bilaterala, dinspre pereti spre centrul camerei, duce la formarea unor zone de crestere diferentiata a temperaturii incarcaturii de carbune, simetrice in raport cu planul medial al cuptorului. In timp cela periferia camerei incalzirea este rapida, temperatura crescand brusc, spre centrul incarcaturii ridicarea temperaturii decurge mai lent. Straturile marginale ating temperatura finala de cocsificare dupa 4 ore de la incarcarea sarjei in cuptor, in timp ce, stratul central ajunge la aceasta temperatura dupa cca. 20 de ore. In toate zonele, cresterile temperaturii devin bruste dupa eliminarea umiditatii (peste 100⁰C).

Cele doua fluxuri termice avanseaza progresiv de la periferie spre centrul camerei facand ca sarja sa treaca succesiv, in functie de temperatura atinsa, prin fazele de USCARE, PLASTIFIERE, REINTARIREA MASEI (semicocsificare) si DEGAZARE ULTERIOARA.

Procesul se desfasoara ca si cum o zona ecran de descompunere pirogenetica si de plasticizare s-ar deplasa dinspre peretele de incalzire spre mojlocul camerei, separand stratul de semicocs in curs de intarire de cel in curs de inmuiere.

La sfarsitul cocsificarii cele doua zone ecran se vor intalni in centrul camerei, lasand o fisura de-a lungul intregii incarcaturi cocsificate, la mijlocul acesteia, denumita "cusatura de plastifiere", cu aspect de zona spongioasa.

Procesul de cocsificare in cuptor are o desfasurare progresiva, continuu creste grosimea stratului de cocs si semicocs, plstifiindu-se noi portiuni din incarcatura.

Degajarea produselor volatile ale descompunerii termice este dirijata de existenta zonei ecran-plastice, astfel incat o parte din gaze sunt dirijate spre centrul camerei (zonele reci), iar o parte spre periferie (zonele calde).(fig.2)

In contact cu cocsul si peretii incandescenti, precum si prin stationarea in spatiul de sub bolta, care este puternic incalzit, produsele volatile cracheaza, formandu-se gudronul de cocs aromatic, gaz bogat in hidrogen, benzenul, amoniacul si alte produse chimice de cocsificare.

Degajarea produselor volatile in zona plastica-ecran exercita o puternica influenta asupra procesului de formare a masei cocsului, impreuna cu alura de crestere a temperaturii, determinand aparitia si dezvoltarea, in functie de caracteristicile carbunilor, a fenomenelor de: presiune de cocsificare, formarea porozitatii, fisurarea si contractia masei cocsului.

Stratul plastic impermeabil opune rezistenta gazelor, ceea ce provoaca aparitia presiunii de cocsificare prin impingerea spre pereti a straturilor periferice situate in afara zonei-ecran. Aceasta presiune este mai mare cu cat grosimea si vascozitatea stratului palstic     sunt mai mari si cu cat acesta este mai greu permeabil la gaze, determinand acumularea de cantitati cu presiuine sporita in spatele zonei - ecran. Impermeabilitatea la gaze a stratului plastic provoaca acumularea de bule cu formarea de pori in masa in curs de intarire.

Masa intarita a semicocsului, sub influenta temperaturii, se degazeaza in continuare, suferind o contractie progresiva. In zonele in curs de contractie si cele de semicocs in curs de solidificare sb actiunea acestei presiuni, apar tensiuni si solicitari de sens invers, ceea ce duce la aparitia de fisuri in cocs perpendiculare pe planul median al camerei. Fisurarea este cu atat mai puternica cu cat sarja supusa cocsificarii contine un % mai mare de materii volatile si este mai putin aglutinanta.

Fluxul termic, unda de temperatura, va determina o diferentiere a cestor fenomene pe zone si diferentierea aspectului cocsului dinspre pereti spre centrul camerei.

Langa peretii camerei de cocsificare unde viteza de incalzire este foarte ridicata, se formeaza imediat un strat de cocs si care nu se va opune gazelor ce ies liber spre pereti, acest strat se contracta puternic fata de restul masei si astfel se dezvolta o retea de fisuri periferice cu aspect de "conopida".

Pe masura indepartarii de peretele cald al camerei, scade viteza de incalzire deci straturile de carbune vor ajunge mai greu la starea plastica. Straturile vor fi mai greu de penetrat de gaze care se vor acumula in bule, rezultand o presiune ridicata. Eliminarea acestor gaze este posibila numai prin punctele de minima rezistenta constituite in special de fisuri.

Fisurile delimiteaza bucatile de cocs prinse in stratul plastic. Sub actiunea presiunii din interiorul zonei plastifiate care umfla materialul bucatile de cocs sunt impinse spre perete si se dezvolta astfel structura specifica a cocsului de perete "conopida". In bucati umflate si strabatute de fisuri ce se largesc spre exterior.

Presiunea de cocsificare provoaca de asemenea impingerea masei lichide atat prin granulele de carbune, umpland spatiiole libere si incalzind materialul, cat si in fisurile masei de semicocs si spre exterior, formand cruste pe suprafata "conopidei" si stratificand materialul.

Cu cat carbunele exercita o presiune de cocsificare mai mare, cu atat fisurile cocsului sunt mai mici, ele fiind compensate de contractia masei si de umplerea fisurilor cu masa de material pasta impinsa de gaze.

Pe langa fisurile aparute in faza de intarire a semicocsului, determinate de diferenta de volum dintre carbune si semicocs si avand de obicei directie longitudinala, se ivesc noi fisuri in semicocsul in curs de degazare. contractia si tensiunile care genereaza fisurarea suplimentara se dezvolta in special intre 700 800⁰C si noile fisuri sunt transversale pe bucata de cocs.

Spre interiorul camerei, scazand viteza de incalzire, grosimea stratului plastic creste, crescand deci si porozitatea materialului solidificat. In centrul cuptorului de cocsificare, unde se intalnesc cele doua zone ecran ce se deplaseaza dinspre pereti, se formeaza "cusatura de plastifiere", cele doua jumatati ale incarcaturii despartindu-se una de alta. Cocsul din aceasta zona este foarte poros cu structura spongioasa.

In cursul incalzirii, materialul din zonele interioare se contracta in continuare iar aceasta contractie duce fie la prelungirea fisurilor longitudinale si transversale, fie la inchiderea lor si aparitia de noi fisuri in sens invers, din centru spre periferie.

La partea superioara a incarcaturii, sub spatiul boltii camerei, se formeaza de asemenea o structura specifica de cocs, diferita de cea rezultata in restul zonelor. Viteza mai mica de incalzire, lipsa peretelui care sa favorizeze dezvoltatrea presiunii, volumul mare de gaze ce se evacueaza din masa de carbune provoaca formarea unui cocs spongios si poros. Obtinerea unui cocs in bucati mari, putin fisurate, compacte si rezistente mecanic, cu structura topita si porozitate suficienta este realizata prin folosirea in sarjele de cocsificare a unor carbuni cu plastifiere pronuntata, vascozitate mare a starii plastice, deci cu presiune de cocsificare ridicata, in limitele admise de zidaria cuptorului, cu un procent mediu de materii volatile si o contractie redusa.

Prin cresterea vitezei de incalzire, marirea compactitatii mase de carbune prin comprimare, micsorarea de % materii volatile prin adaosuri, micsorarea granulatiei sarjei, este posibil obtinerea si din huile mai slab aglutinante a unui cocs de calitate.

Procesul de cocsificare in cuptorul industrial este un proces discontinuu deoarece camera se incarca cu sarja rece care se incalzeste dinspre cei doi pereti calzi spre centru, trecand apoi prin fazele de plastifiere, intarire si degazare ulterioara. Cand procesul de carbonizare a ajuns in centrul incarcaturii, camera se descarca si primeste o noua incarcatura de sarja compactata sau in vrac. Timpul necesar incalzirii si cocsificarii sarjei se numeste durata sau perioada de cocsificare. Pentru un anume regim termic si hiraulic al bateriilor de cocsificare va corespunde o anumita perioada de cocsificare.

Cuptorul de cocsificare este unul din putinele agregate termice industriale stans legate de procesul tehnologic la care nu se poate delimita strict utilajul de tehnologie. Intre cuptorul de cocs si materia prima , calitatea produselor, productivitatea intregii cocserii si costurile de productie exista o stransa interdependenta.

Cuptorul de cocsificare este un agregat de volum mare, de productivitate medie , scump, greu de exploatat si foarte sensibil. La modul general cuptorul de cocsificare este un cuptor cu regeneratoare individuale transversale, avand camere de cocsificare lungi, inalte si inguste, cu recuperarea produselor chimice, canale verticale de ardere si preincalzirea aerului si gazului in regeneratoare.

Camerele de cocsificare sunt grupate in baterii ce cuprind ca elemente esentiale:

Camerele de cocsificare propriu-zise

Camerele de incalzire situate de o parte si de alta a camerelor de cocsificare

Regeneratoarele pentru incalzirea aerului sau aerului si gazului slab

Canalele de legatura intre regeneratoare si camerele de incalzire, canalele de fum si cosul de fum

Armaturile de incalzire (conducte de gaz, ventile, clapete de reglaj, etc)

Armaturile de evacuare a gazului brut ( tevi suitoare, conducte de apa amoniacala,etc)

Armaturi de evacuare a gazelor arse (supape de aer- gaze arse)

Ancorajul bateriei (blindaje, tiranti, coloane, etc)

Cuptoarele de cocsificare sunt caracterizate de dimensiunile geometrice ale camerelor de cocsificare si de sistemul de incalzire si incarcare. Marimea dimensiunilor geometrice a camerelor de cocsificare este limitata de catre factori tehnologici, termotehnici si mecanici-constructivi.

Lungimea camerei de cocsificare este limitata de rezistenta barei de impins cocs, de forta mecanica exercitata de aceasta asupra pilotului de cocs, de rezistenta masivului ceramic al bateriei.

Latimea camerei de cocsificare este determinata de factori tehnologice, deoarece viteza de incalzire a sarjei este mai mare la camerele mai inguste si deci trebuie avut in vedere calitatea sarjei incarcate in cuptor, care va determina calitatea cocsului si productivitatea bateriei. In generala camerele inguste favorizeaza cresterea rezistentei mecanice, micsorarea granulatiei cocsului si scurtarea duratei de cocsificare.

Camerele de o latime mai mare se utilizeaza la producerea cocsului de tunatorie, rezistent si in bucati mari.

Pentru usurarea descarcarii cocsului din cuptoare prin impingere , se asigura camerelor o conicitate orizontala, latimea crescand cu 20 mm spre partea de evacuare a cocsului.

Inaltimea camerei este limitata de necesitatea asigurarii unei incalziri uniforme a sarjei, precum si de structura de rezistenta a peretilor si consumul de caramizi refractare. Un alt factor determinant este uniformitatea greutatii volumetrice a sarjei pe inaltime, curatirea si si intretinerea armaturilor metalice, etc.

La cuptoarele ce lucreaza cu sarje comprimate, incarcate lateral,inaltimea este limitata de stabilitatea pilotului de carbune in timpul incarcarii, fiind obligatorie respectarea unui raport intre inaltime si latime de 8 - 8,5 : 1.

1. BATERIA DE COCSIFICARE TIP    PTU-57E

Tipul de baterie PTU -57 E este alcatuita din 62 de cuptoare cu incarcare laterala a sarjei si cu incalzire la partea inferioara , alimentate cu gaz propriu de cocserie recuperat, prin instalatia de distributie si incalzire de sub baterie, care are posibilitatea sa fie alimentata si cu un bigaz echivalent.

Incarcarea laterala constituie o metoda eficienta de crestere a greutatii volumetrice a sarjei si de imbunatatire a calitatii cocsului produs din huile cu insusiri mai slabe de aglutinare- cocsificare. Comprimarea duce la cresterea rezistentei si mai ales la reducerea roaderii cocsului. Greutatea volumetrica a sarjelor comprimate este de asemenea dependenta de granulatia si umiditatea carbunelui.

La incarcarea laterala a sarjei stabilitatea pilotului comprimat depinde de compactitatea sa, de greutatea volumetrica realizata, umiditatea trebuie insa limitata la 9-10%, pentru a nu se prelungi durata de cocsificare.

Din punct de vedere tehnologic procesul de cocsificare este definit de urmatorii parametrii:

densitatea pilotului de carbune = 0,92 t/m³

durata de cocsificare nominala ( la 8% umiditate in sarja) = 20 de ore

temperatura in peretii de incalzire = 1320⁰ C si un coeficient al excesului de aer=1,22

Principalele caracteristici constructive si tehnologice ale bateriei PTU-57E sunt

Nr. de cuptoare pe baterie : 62

Distanta dintre axa a doua camere alaturate: 1100 mm

Grosimea peretelui de incalzire: 100 mm

Lungimea camerei (la rece):13530 mm;

Lungimea dintre zidaria usilor(la rece,la cald-nominal):12850/13060 mm;

Inaltimea camerei(la rece,la cald-nominal):3800/38500 mm;

Latimea camerei la partea masina(la rece,la cald-nominal):450/440 mm;

Latimea medie a camerei(la rece):460 mm;

Volumul util al camerei (la rece):V=23,65m³

Volumul util al camerei (la cald):V=20,10m³

Se prevede un regim tehnologic al cuptoarelor de cocs caracterizat prin urmatori indicatori de baza:

Temperatura finala de cocsificare pe axa pilotului de cocs 1000-1050C⁰;

Timp de cocsificare18,6-20 ore;

Temperatura maxima in verticalele de control la timpul de cocsificare indicat 1220-1350⁰C;

Dimensiunile pilotului de carbune:

Lungimea nominala 12550 mm;

Inaltimea nominala 3630 mm;

Latimea nominala 410 mm;

Volumul pilotului de carbune 18,68m³

Gradul de utilizare a volumului nominal Vo:Vn=0,845.

Consumul de carbune calculat pentru sarja cu 8%apa si incalzire cu gaz de cocs sau bigaz cu Q=4200kcal/nm³

La T=20,0h

La T=18,6h

Consumul de caldura indicat se refera la sarja cu 28%V^anh.

Utilajele ce deservesc bateriile de cocsificare de tip PTU-57E

Masina de sarjare este destinata incarcarii carbunelui si evacuarii cocsului din camerele de cocsificare

Vagonul de ghidare cocs

Locomotivele electrice nr.1 si 2

Vagonul de stins cocs

Vagon de transport cocs incandescent la instalatia de stingere uscata (chibla).

2. BATERIA DE COCSIFICARE TIP PVR Ghiprokoks

Bateria tip PVR de mare capacitate are 65 de camere de cocsificare cu incarcare in vrac si incalzire la partea inferioara.

Materia prima ,sarja de cocsificare, are in principal urmatoarele caracteristici:

Umiditatea max.8%

Materii volatile 28,5%

Sulf total max. 1,7%

Dilatarea 30%

Umflarea libera min.4,0

Granulatia sub 3mm, 92%

Conform proiectului ,productia unei baterii este de 690-700 mii t/an cocs total, in urmatoarele conditii:

umiditatea cocsului 6%

perioada de cocsificare 15 ore

incarcarea unei sarje pe camera 22,3 t

temperatura de lucru in verticalele de control 1350-1370⁰C

putera calorifica a gazului de combustie 4000- 4200 Kcal/Nm³

Bateria de cocs de tip PVR se incarca cu sarja pe sus. Acest mod de incarcare se aplica sarjelor cu caracteristici bune de aglutinare- cocsificare. Sistemul prezinta avantajul unei exlpoatari simple si mai economice. Atingerea unei greutati volumetrice maxime , 680-770 kg/m³, este dependenta de granulatia si umiditatea sarjei. O granulatie mai fina influenteaza negativ greutatea volumetrica, ceea ce impune o limitare la macinare a sarjelor tunate.se recomanda o macinare progresiva si controlata ceea ce da un cocs de calitate. Umiditatea ce depaseste 8% poate creste durata de cocsificare ceea ce va scade productivitatea bateriilor de cocsificare.