Использование коксового газа

До настоящего времени основным способом использования коксового газа остается сжигание его в качестве высококалорийного топлива.

Коксовый газ, как и другие горючие газы, обладает рядом преимуществ по сравнению с твердым топливом. К числу этих преимуществ относятся:

1) хорошее и быстрое перемешивание газа с воздухом, что обеспечивает полное сгорание газа с небольшим избытком воздуха и, как следствие, повышение температуры горения;

2) отсутствие зольных остатков при сжигании газов, благодаря чему отпадает необходимость в устройстве приспособлений для удаления этих остатков;

3) простота тяговых устройств (как правило, нет необходимости в применении искусственного дутья);

4) простота пуска и остановки агрегатов, отапливаемых газом;

5) простота контроля, регулирования и управления процесса горения;

6) повышение коэффициента полезного действия топок, работающих на газе, по сравнению с топками, работающими на твердом топливе.

Коксовый газ является одним из лучших газообразных топлив благодаря своей высокой теплотворной способности (14-18 МДж/м³) и температуре горения, небольшому количеству балласта (СО₂, О₂, N₂), относительно высокому содержанию СО₂ и Н₂О в продуктах горения и пр., что обусловливает его широкое применение в различных топливопотребляющих агрегатах.

Основными потребителями коксового газа, а также смесей его с бедными (доменным, генераторным) газами как топлива являются:

а) коксовые печи и доменных печах;

б) мартеновские печи;

в) нагревательные печи и устройства (колодцы блюмингов и пр.) прокатных цехов;

г) печи стекольных, керамических, химических и др. заводов,

различного рода сушилки и пр.;

д) газомоторы и автомобильные моторы (сжатый газ);

е) бытовые потребители (газовые плиты, газовое отопление, газовые холодильники и пр.).

Коксовый газ используется также для заправки и растопки паровозов, резки металлов и др.

Условия обогрева перечисленных топливопотребляющих агрегатов в отдельных случаях различны, что обусловливает изменение требований к условиям сжигания газа. Так, например, для обогрева мартеновских печей необходим факел ограниченной длины, т. е. усиление перемешивания газа и воздуха и максимальная турбулизация потока. При обогреве коксовых печей необходимо максимально вытянуть факел пламени, т. е. удлинить время перемешивания газа и воздуха (ухудшить смешение). При обогреве газом паровых котлов наиболее рационально предварительное смешение газа и воздуха, т. е. установка беспламенных горелок и т. д.

Обогрев коксовых печей.Технология и особенности обогрева коксовых печей коксовым газом детально рассматриваются в ряде известных руководств по теплотехнике коксовых печей. Остановимся вкратце лишь на некоторых основных вопросах.

Технологические особенности процесса коксования обусловливают необходимость максимального вытягивания факела горения в огневых каналах для обеспечения равномерности обогрева камер коксовых печей по высоте. Следовательно, в коксовых печах следует добиваться удлинения времени смешения газа и воздуха. При сжигании коксового газа в обычных огневых каналах факел горения получается недостаточно вытянутым, что требует осуществления специальных конструктивных мероприятий.

Улучшение равномерности обогрева камер по высоте позволяет несколько снизить период коксования при обогреве печей доменным газом (примерно на 30-45 мин.).

Таким образом, перевод обогрева коксовых печей с коксового на бедный газ позволяет не только сэкономить значительные количества высококалорийного газа, но и улучшить равномерность обогрева камер коксовых печей по высоте и несколько снизить продолжительность коксования.

Объем продуктов горения, получающихся при сжигании коксового газа, значительно меньше, чем при сжигании доменного или генераторного. Поэтому потери и, следовательно, расход тепла на коксование, а также сопротивление отопительной системы меньше при обогреве печей коксовым газом.

Из изложенного очевидны технологические преимущества обогрева коксовых печей бедным газом с одновременным более рациональным использованием высококалорийного коксового газа. Обогрев коксовых печей смесью коксового и бедного газов нерационален. Опыт показал полную возможность достижения высокой производительности коксовых печей и хорошего качества кокса при обогреве печей чистым доменным (или генераторным) газом.

Обогрев печей и нагревательных устройств металлургических заводов.Важнейшим потребителем коксового газа является черная металлургия. Подавляющее большинство основных коксохимических заводов Украины находится в непосредственной близости от металлургических заводов; поэтому комбинирование газового хозяйства коксохимии и металлургии получило значительное развитие.

Для заводов с полным металлургическим циклом характерно, примерно, следующее распределение коксового газа: мартеновский цех – 50 - 60%, прокатный цех – 20- 30%, агломерационная фабрика –1-2%, прочие цехи – 2,5 - 5%, буферные потребителя (паровые котлы) – 3 - 4%.

Таким образом, основным потребителем коксового газа на металлургическом заводе является мартеновский цех.

В случае отопления мартеновских печей генераторным или смешанным (смесь коксового с доменным или с генераторным) газом его предварительно нагревают до ~ 1200°С. Мартеновские печи могут работать и без предварительного подогрева горючего; в этом случае в печь подается чистый коксовый газ или жидкое топливо (мазут). Так как для плавки металла в мартеновских печах необходимы очень высокие температуры, то даже при отоплении высококалорийным газом (или мазутом) обязателен подогрев воздуха в регенераторах.

При применении коксового газа вместо генераторного стой­кость печей увеличивается и, следовательно, сокращается потреб­ность в текущих и капитальных ремонтах.

Применение коксового газа или смесей его с другими газами в стекольной, керамической и других отраслях промышленности, а также сжигание его в топках паровых котлов не встречает каких-либо технических затруднений. В зависимости от назначения того или иного топливопотребляющего агрегата изменяются типы газовых горелок, их производительность и пр.

Бытовое использование газа.Коксовый газ широко применяется для приготовления пищи, нагревания воды, отопления зданий и т. п. В ряде городов бывшего СССР коксовый газ получил широкое распространение как бытовое топливо.

В бытовых газовых приборах применяется атмосферная горелка. В газовых кухонных плитах головка горелки снабжается выходными отверстиями, расположенными по окружности; пламя горелки при правильном горении имеет синеватый цвет. Длина языков пламени должна быть одинаковой.

Коэффициент полезного действия выпускаемых в Союзе газовых плит составляет 0,6-0,7, водогрейных аппаратов (газовых колонок) - 0,8.

Если учесть цены на газ, дрова, уголь и жидкое топливо, то применение газа окажется в 2-2,5 раза выгоднее угля, в 7-8 раз выгоднее дров, в 6-7 раз выгоднее жидкого топлива.

Приведенные цифры, конечно, условны и могут несколько изменяться в зависимости от местных условий, но порядок их остается неизменным.

Рациональность применения газа для бытовых нужд обусловливается не только высоким коэффициентом полезного действия приборов, но и такими трудно учитываемыми факторами, как экономия времени, связанная с простотой обслуживания газовых плит и их постоянной готовностью к действию, чистота газовой плиты (кухни), легкость регулирования огня, санитарно-гигиенические преимущества и пр. Широкое использование газа в быту повышает материально-культурный уровень трудящихся.

При бытовом использовании газа решающее значение имеет его теплотворная способность, а также температура пламени, повышающая коэффициент полезного действия газа.

Применяемый для бытового снабжения газ должен удовлетворять определенным нормам. Особенное значение имеет содержание сернистых и цианистых соединений в газе, которые при сгорании образуют окислы серы и азота.

Использование коксового газа в автомоторах. Сжатый коксовый газ, как и другие высококалорийные горючие газы, широко применяется в автомобильных моторах в качестве заменителей жидкого горючего.

Использование сжатого газа в автомобильных моторах имеет следующие преимущества:

1) высокие антидетонационные свойства газа способствуют повышению степени сжатия двигателя, увеличению его мощности, а также снижению расхода горючего;

2) в газовом двигателе не наблюдается конденсации топлива, разжижающей смазку, вызывающей коррозию цилиндров и пр.;

3) процесс образования рабочей смеси газа и воздуха осуществляется более совершенно, чем при жидком горючем;

4) запуск двигателя на газе происходит при любых температурах без затруднений.

Основными недостатками газобаллонных автомобилей являются:

1) потери полезной грузоподъемности машины вследствие значительного мертвого веса баллонов;

2) относительно ограниченный радиус действия машины от газораздаточной станции.

Наполнение баллонов газом производится при помощи гибкого шланга в течение 6-8 мин. Баллоны рассчитываются обычно на рабочее давление в 200 ати и изготовляются из легированных сталей. Вес баллона, рассчитанного на 10 нм³ коксового газа, около 65-70 кг.

Применение коксового газа для железнодорожного транспорта.На одном из наших металлургических комбинатов в течение нескольких лет успешно проводится заправка и растопка паровозов коксовым газом (вместо обычной заправки дровами).

Заправка паровозов Э^ш и О^д производится около 2 часов для получения пара в котле давлением 5-6 ати, после чего горелку убирают и топку переводят на угольное отопление. Уголь при этом в течение 7-8 мин. поджигают газом. Расход газа - около 440 нм³ [2].

Заправка и растопка коксовым газом имеют значительные экономические преимущества; кроме того, при этом заметно улучшаются условия труда в депо.

Более широкое использование коксового газа на железнодорожном транспорте (особенно внутризаводском) весьма перспективно.

Коксовый газ применяется также для резки металлов. На заводах в течение ряда лет производится резка металлов коксовым газом, подаваемым под небольшим давлением (100-150 вод. ст.) в обычный резак. Никаких затруднений при резке металлов (практически любого сечения) таким способом не встречается.

Применение коксового газа для дальнего газоснабжения.Избыток коксового газа в отдельных районах создает весьма благоприятные предпосылки для передачи газа на дальние расстояния.

При дальнем газоснабжении на базе коксового газа в районах Донбасса, Приднепровья может быть достигнуто:

1) полное исключение жидкого топлива из топливного баланса предприятий, связанных с системой дальнего газоснабжения;

2) общее снижение расхода тепла, сокращение эксплуатационных расходов, уменьшение рабочей силы, снижение транспортных перевозок и транспортных издержек;

3) создание гибкой и легко управляемой системы, обеспечивающей резерв в снабжении топливом потребителей и возможности маневрирования ресурсами газа;

4) перевод энергетики промышленных предприятий на более высокий технический уровень;

5) газификация городов, имеющая огромное социально-культурное и санитарно-гигиеническое значение, позволяющая максимально сократить потребление в городах дальнепривозного топлива.

Территориальная концентрация коксохимических заводов в отдельных районах страны, тяготение этих заводов к значительному числу крупных городов и промышленных центров создает особенно благоприятные условия для бытового и промышленного газоснабжения.

Блокирование коксохимических заводов Юга, в особенности Донбасса, системой газопроводов, основанное на рациональном плановом графике потребления коксового газа металлургическими заводами и другими потребителями, подобно кольцеванию электростанций, дает возможность эффективно использовать коксовый газ централизовать газовое хозяйство заводов, планомерно маневрировать ресурсами газа.

Основными техническими вопросами при дальней передаче коксового газа являются:

а) выбор трассы газопровода с учетом ресурсов и потребителей газа, профиля трассы, коррозийности почвы по трассе и пр.;

б) подготовка газа к дальней передаче;

в) подбор оптимального давления газа и диаметра газопровода:

г) выбор глубины прокладки труб, методов укладки их и сварки;

д) установление необходимости строительства газгольдеров, их емкости и типа;

е) выбор типа газодувок и их приводов и пр. Максимальное приближение трассы к воздушной прямой

Подготовка газа к дальней передаче заключается в очистке его от сернистых соединений, цианистого водорода, нафталина, желательна также осушка газа и удаление углекислоты.

Для бесперебойной работы газовых магистралей важное значение имеет автоматический контроль и регулирование. Оснащение газопроводов указывающими и самозаписывающими газомерами, термометрами и манометрами, а также регуляторам давлений и пр. обязательно. Необходимы также приборы дистанционного контроля, значительно облегчающие работу обслуживающего персонала и в свою очередь позволяющие проверять качество его работы. Трасса дальней газопередачи должна быть оснащена и надежными видами связи, в том числе диспетчерской селекторной телефонной связью.

Газгольдеры.Потребление газа в коммунальном хозяйстве резко неравномерно в течение суток. Неравномерно также потребление коксового газа отдельными цехами металлургических заводов. При использовании коксового газа для химических синтезов (синтез аммиака и пр.) должна быть обеспечена непрерывность производственного процесса, т. е. подача газа в одинаковых количествах. Все это обусловливает необходимость аккумуляции определенных запасов газа.

Однако и при дальнем газоснабжении для отдельных категорий потребителей (в первую очередь бытовых) возникает необходимость в обеспечении определенного дополнительного запаса газа, расходуемого при «пиковых» нагрузках и пополняемого в остальное время. При снижении потребления часть непрерывно производимого газа также желательно аккумулировать. Поэтому для хранения газа применяются специальные газгольдеры, позволяющие также поддерживать постоянное давление газа в распределительной сети.

Существующие газгольдеры подразделяются на: газгольдеры низкого давления (переменного объема) и газгольдеры высокого давления (постоянного объема). Первые в свою очередь бывают с водяным затвором («мокрые» газгольдеры) и поршневые («сухие» газгольдеры).

Содержащиеся в газе сероводород, нафталин и пр. не нарушают жидкостного затвора, что позволяет применять газгольдеры этого типа для хранения неочищенного газа.

Эксплуатация мокрых газгольдеров очень несложна и в основном сводится к наблюдению за уровнем колокола и температурой воды в бассейне. Зимой водяной затвор обогревают при помощи пара, а в районах с холодным климатом помещают газгольдер в специальное здание, что удорожает стоимость сооружения и увеличивает опасность эксплуатации газгольдера (возможность образования взрывоопасных смесей газа и воздуха).

Недостатком мокрых газгольдеров является ограниченность их размеров. До емкости 10 000 м³ конструкция газгольдеров проста, что обусловливает их повсеместное применение. Газгольдеры же большей емкости приходится делать составными – из нескольких звеньев (телескопических колец). При поднятии колокола газгольдера и достижении первым звеном верхнего предельного положения зацепляется второе звено и т. д. Такие газгольдеры называются телескопическими и конструктивно сложнее простых мокрых газгольдеров. Емкость телескопических газгольдеров достигает 100 000 м³ и выше.

К недостаткам мокрых газгольдеров относятся повышенная коррозия корпуса колокола и затвора при применении неочищенного коксового газа, а также большой расход металла (20-25 кг на 1 м³ газа для газгольдеров средней емкости).

Отношение высоты газгольдера к диаметру составляет в простых мокрых газгольдерах около 0,4, в телескопических – 0,9. Сухие газгольдеры (марка ГС) применяются, как правило, для хранения больших объемов газа (100-150 тыс. м³ и выше), а также в местностях с холодным климатом.

В сухих газгольдерах водяной затвор заменен шайбой или диском; между последними и корпусом газгольдера имеется специальное уплотнение. В зависимости от типа этого уплотнения можно подразделить сухие газгольдеры на газгольдеры с металлическим уплотнением и непрерывно стекающей смоляной смазкой и эластичным сухим уплотнением и консистентной смазкой.

Сухие газгольдеры могут применяться для хранения больших количеств газа, причем относительный расход металла с повышением емкости газгольдера снижается, особенно по сравнению с расходом металла на мокрые газгольдеры.

Недостатками сухих газгольдеров является возможность образования взрывоопасных смесей в надшайбенном пространстве, сообщающемся с воздухом, возможность перекосов шайбы при оседании нафталина и других вредных примесей газа на стенках газгольдера, а также при одностороннем солнечном нагреве и, наконец, сложность изготовления.

Газгольдеры высокого давления представляют собой цилиндрические (вертикальные и горизонтальные) или шарообразные (сферические) резервуары постоянного объема (до 3-4 тыс. м³). Газгольдеры эти не имеют ни колокола, ни поршня, и изменение количества хранящегося газа достигается только изменением давления газа. Газгольдеры обычно присоединяются к газовым сетям высокого давления; выдача газа в сеть низкого давления производится при помощи специальных редукторов.

Газодувки. Для сжатия и транспортирования газа по трубам применяются различного типа газодувки. Расход энергии на сжатие газа в газодувке тем больше, чем больше степень сжатия. Последняя равна отношению конечного давления газа к его начальному (до газодувки) давлению.

Для транспортирования газа через аппаратуру коксохимического завода и подачи его расположенным вблизи потребителям (мартеновские и другие металлургические печи, газгольдеры и пр.) применяются турбинные газодувки с приводами от паровой турбины или электродвигателя.

Статический напор газа в турбинных газодувках создается центробежной силой, возникающей при вращении рабочего колеса в замкнутом пространстве.

Основными частями турбинной газодувки являются неподвижный чугунный корпус с направляющим аппаратом и стальной ротор – вал с лопастными колесами. Газ засасывается в первое рабочее колесо вращающегося с большим числом оборотов ротора. Центробежной силой засасываемый газ отбрасывается к окружности колеса в кольцеобразное пространство корпуса (диффузор), где скоростной напор газа преобразуется в статическое давление. Из диффузора газ по каналу с направляющими лопатками поступает во второе колесо ротора, где вновь часть скоростного напора превращается в статический.