Przedmiotem wynalazku jest urzadzenie do od¬ zyskiwania ciepla spalin odlotowych w procesie koksowania.Cieplo potrzebne do koksowania uzyskuje sie przez spalenie gazów palnych w kanalach grzew¬ czych, które sa utworzone przez sciany komór koksowniczych i przez prostopadle do tych scian wiazary. Cieplo przenosi sie na skutek promie¬ niowania i konwekcji od plomienia i produktów reakcji na sciany komór.Nastepnie wskutek przewodnictwa cieplnego, cieplo przenika za wewnetrzna strone komór, gdzie dalsza wymiana ciepla odbywa sie znowu przez przewodnictwo, a tylko male ilosci tego ciepla wymieniane sa przez promieniowanie molekularne i przez konwekcje produktów gazyfikacji, jako nosników tego ciepla.Ze wzgledu na wysokie temperatury koncowe koksowania wynoszace okolo 1000°C do 1200°C,nie ma mozliwosci unikniecia aby spaliny nie posia¬ daly zbyt duzych temperatur.Znane dotychczas urzadzenie do odzyskiwania spalin w procesie koksowania stanowia pracujace okresowo regeneratory albo pracujace w systemie ciaglym rekuperatory. W urzadzeniach takich na¬ stepuje podgrzewanie powietrza koniecznego do spalenia gazów oraz ewentualnie gazów palnych.Agregaty takie ze wzgledu na wysokie tempera¬ tury, wystepujace w obudowie pieca koksownicze¬ go, sa wykonywane z materialów ceramicznych. i§ 16 Przenoszenie ciepla w ceramicznym materiale aku- mulujacym regeneratora odbywa sie na skutek przewodnictwa cieplnego — jak tez w przypadku rekuperatora — poprzez sciany oddzielajace czyn¬ niki wymieniajace cieplo to znaczy gaz odlotowy i powietrze.Dzieki ceramicznym regeneratorom wzglednie rekuperatorom w budownictwie pieców koksowni¬ czych istnieje mozliwosc odzyskiwania w znacz¬ nym stopniu ciepla, zawartego w gazach odloto¬ wych i wprowadzenie go ponownie do procesu spalania. Konieczny jest jednak niekorzystny duzy naklad kosztów inwestycyjnych, spowodowany np. stosowaniem materialów ceramicznych. Regenera¬ tory wzglednie rekuperatory musza miec znaczna wysokosc konstrukcyjna ze wzgledu na wymagany odzysk ciepla w mozliwie jak najwiekszym stop- . niu.Stosowane materialy ceramiczne do budowy re¬ generatorów wzglednie rekuperatorów nie pozwa¬ laja na uzyskiwanie wiekszych róznic cisnienia po stronie przeplywu gazów, ze wzgledu na wyste¬ pujace problemy uszczelniania. Ma to taki skutek, ze gazy pomiedzy którymi zachodzi wymiana cie¬ pla, mozna prowadzic z jedynie mala lub co naj¬ wyzej srednia predkoscia przeplywu. Gdyby gazy wymieniajace cieplo posiadaly wieksze róznice cis¬ nienia, wówczas istniejace w rekuperatorach nie- \ szczelnosci stanowilyby zagrozenie dla otoczenia 119 9933 wzglednie obnizalyby w znacznym stopniu tech¬ niczny wspólczynnik sprawnosci. spalania.Po stronie przeplywu spalin moznaby wyzna¬ czyc teoretycznie wielkosc wymiany ciepla w ob¬ szarze wysokich temperatur, odbywajaca sie glów¬ nie poprzez promieniowanie skladników spalino¬ wych — pary wodnej i dwutlenku wegla. Jednak¬ ze w tym obszarze wymiany ciepla, strumien cie¬ plny jest hamowany przez material ceramiczny scian oddzielajacych lub mas akumulujacych, ze wzgledu na opór termiczny tych materialów, któ¬ ry jest stosunkowo duzy. Ponadto przestrzenie, w których promieniowanie gazu ma decydujacy wplyw na przenikanie ciepla, ze wzgledu na oszczednosc miejsca sa i uksztaltowane tak, ze nie istnieja tam zadne warstwy o wiekszej grubosci, korzystne dla promieniowania gazu i tym samym nie mozna w pelni wykorzystac intensywnosci pro¬ mieniowania cieplnego.Wskutek tego czesc ciepla wymienionego droga promieniowania nieuchronnie zmniejszylaby sie, a zwiekszylaby sie czesc ciepla wymienionego droga konwekcji, która charakteryzuje sie nizszymi wspólczynnikami przejmowania ciepla w porów¬ naniu z promieniowaniem gazu. Nastepstwem tego stanu musialyby byc wieksze gabaryty nagrzewnic a zatym i wyzsze koszty eksploatacyjne.Wspólczynnik przejmowania ciepla w obszarze nizszych temperatur po stronie przeplywu gazu odlotowego mozna teoretycznie zwiekszyc — wsku¬ tek czego zostaje przejete cieplo konwekcyjne — przez zwiekszenie stopnia turbulencji, co jednakze mozna osiagnac tylko poprzez zwiekszenie pred¬ kosci przeplywu. Jednakze sam material ceramicz¬ ny, stosowany w znanych piecach koksowniczych, wyklucza mozliwosc takiego zwiekszenia z poda¬ nych uprzednio wzgledów odnosnie nieszczelnosci.Stosunkowo duzy nadmiar powietrza, niezbedny z uwagi na warunki przeplywu, nastepujacy pod¬ czas pracy powszechnie spotykanych pieców ko¬ ksowniczych, majacych regeneratory lub tez reku- peratory wykonane z materialów ceramicznych, powoduje obnizenie technicznego wspólczynnika sprawnosci spalania. * Korzystna bylaby prawie stechiometryczna re¬ akcja gazu opalowego z wodorem zawartym w powietrzu, co spowodowaloby niska zawartosc wo¬ doru w gazach odlotowych, a zatem pozwoliloby na uzyskanie optymalnego technicznego wspól¬ czynnika sprawnosci spalania. Jednak piece ko¬ ksownicze o znanej budowie nie pozwalaja na takie ustawienie spalania z wymienionych juz wy¬ zej powodów.Zadaniem wynalazku jest opracowanie takiego urzadzenia do odzyskiwania ciepla gazów odloto¬ wych w procesie koksowania, które w znacznie wiekszym stopniu niz dotychczas pozwoli popra¬ wic bilans cieplny tego procesu. Zadanie to roz¬ wiazuje sie wedlug wynalazku dzieki tema, ze urzadzenie zostalo zlozone z dwóch wymienników ciepla, z których pierwszym jest rekuperator wzglednie regenerator, którego calkowita wyso¬ kosc wynosi od 1/3 do 1/6 wysokosci komory pieca koksowniczego i którego kanaly dla przeplywu spalin odlotowych maja przekrój poprzeczny od 993 4 0,05 do 0,15 m2, korzystnie 0,1 m2, a drugim jest wymiennik ciepla, który w przypadku gdy prze¬ plywa przez niego czynnik gazowy odbierajacy cieplo spalinom odlotowym, to posiada miedzy 5 czynnikami wymieniajacymi cieplo scianki dzialo¬ we o grubosci od 2 do 6 mm, a w przypadku gdy znajduje sie w nim cialo stale odbierajace cieplo spalinom odlotowym, to miedzy czynnikami wy¬ mieniajacymi cieplo nie posiada zadnych scianek !0 dzialowych, przy czym scianki dzialowe zarówno rekuperatora wzglednie regeneratora jak i wy¬ miennika ciepla sa wykonane z materialu o duzym wspólczynniku przewodnictwa cieplnego, korzyst¬ nie z metalu. 15 Rekuperator wzglednie regenerator posiada ka¬ naly dla przeplywu powietrza o przekroju po¬ przecznym wynoszacym co najmniej 0,01 m2, a wymiennik ciepla stanowi komore do pólkokso- wania albo do podgrzewania wegla, przy czym 20 w wymienniku ciepla czynnikiem odbierajacym cieplo spalinom odlotowym jest wstepnie podgrze¬ wany wegiel. Ponadto w wymienniku ciepla znaj¬ duje sie strumien pylowy, zloze sfluidyzowane lub zloze musujace, a czynnikiem odbierajacym cieplo 25 spalinom odlotowym jest pyl weglowy.Przedmiot wynalazku jest blizej objasniony w przykladzie wykonania na rysunku, na którym ^S- 1 przedstawia schemat urzadzenia do odzyskiwa¬ nia ciepla ze spalin w procesie koksowania, a fig. 30 2 — rekuperator wchodzacy w sklad urzadzenia wedlug fig. 1 w ujeciu uproszczonym i w widoku perspektywicznym.W pierwszym przypadku najkorzystniej jest za¬ stosowac rekuperator, który po stronie spalin pra- as cuje w zakresie temperatur pomiedzy okolo 1450°C a 400°C, zwlaszcza pomiedzy 1300°C a 800°C. Po stronie powietrza pracuje on w zakresie tempera¬ tur od 900°C do temperatury otoczenia, zwlaszcza od 700°C do temperatury otoczenia. W tym za- 40 kresie w optymalny sposób wykorzystuje sie pro¬ mieniowanie cieplne spalin.Aby jeszcze polepszyc wykorzystanie promienio¬ wania cieplnego spalin zaleca sie zastosowac w pierwszym stopniu rekuperator, w którym kanal 45 gazów odlotowych ma wzglednie duzy przekrój poprzeczny. Takie powiekszenie szerokosci stru¬ mienia spalin powoduje zwiekszenie intensywnosci promieniowania cieplnego. Okreslenie „wzglednie duzy przekrój poprzeczny" oznacza, w tym przy- 80 padku, ze przekrój poprzeczny kanalów gazów od¬ lotowych wedlug wynalazku, po uwzglednieniu wszystkich warunków i cech kompletnej instalacji, jest wiekszy niz przekrój poprzeczny kanalów w dotychczas stosowanych rekuperatorach. Te ostat- 55 nie maja zwykle pole przekroju okolo 0,025 m2, podczas gdy wedlug wynalazku przekrój kanalów spalinowych powinien miec pole powierzchni po¬ miedzy okolo 0,05 a 0,15 m2, zwlaszcza okolo 0,1 m1.Aby zwiekszyc wspólczynnik konwekcyjnego «o przekazywania ciepla po stronie powietrznej, re¬ kuperator stosowany w pierwszym etapie procesu moze posiadac kanaly powietrzne o poprzecznym przekroju wynoszacym okolo 0,01 m2 i mniej, pod¬ czas gdy dotychczas pole powierzchni tych kana- W lów wynosilo okolo 0,025 m2.119 993 Odzyskiwanie ciepla w pierwszym stopniu moze byc dodatkowo polepszone, w stosunku do kon¬ wencjonalnych rekuperatorów lub regeneratorów, przez zastosowanie w pierwszym etapie rekupera- tora posiadajacego scianki pomiedzy gazami odlo- f towymi i powietrzem o grubosci od 2 do 6 mm.Scianki te zbudowane sa z materialu o wysokim wspólczynniku przewodnictwa cieplnego, zwlasz¬ cza z metalu. Cienkie scianki oddzielajace czynni¬ ki gazowe, zbudowane z metalu o wysokim wspól- io czynniku przewodnictwa cieplnego, zapewnia do¬ skonala i szybka wymiane ciepla pomiedzy gaza¬ mi odlotowymi a powietrzem.Zastosowanie szczelnych scianek oddzielajacych czynniki powoduje, ze nawet w przypadku duzej 15 róznicy cisnien pomiedzy czynnikami wymieniaja¬ cymi cieplo mozna uzyskac prawie stechiometry- czne spalanie.Tak wyposazony i poddany ciaglemu dzialaniu metalowy rekuperator umozliwia zmniejszenie ae opornosci cieplnej 10 do 30 razy, ze wzgledu na jego wysoki wspólczynnik przewodnictwa cieplne¬ go w stosunku do rekuperatorów ceramicznych.Pozwala on takze na zmniejszenie grubosci scia¬ nek 5 do 15 razy, tzn. do 2—6 mm. 25 Metalowy rekuperator wedlug wynalazku po¬ zwala dodatkowo na zastosowanie duzej róznicy cisnien miedzy wymieniajacymi cieplo czynnika¬ mi, co z kolei umozliwia zwiekszenie predkosci przeplywu powietrza wykorzystywanego w proce- * sie spalania. Lacznie te dwie cechy powoduja zmniejszenie powierzchni wymiany ciepla wzgle¬ dem dotychczas stosowanych, odzyskujacych cieplo regeneratorów lub rekuperatorów.W drugim stopniu ochladzania najkorzystniej » jest zastosowac wymiennik ciepla posiadajacy geste i szczelne scianki oddzielajace o grubosci od 2 do 6 mm, w przypadku gazowego czynnika odbiera¬ jacego cieplo, i które to scianki zbudowane sa z materialu o wysokiej przewodnosci cieplnej, zwla- *• szcza z metalu. Jezeli czynniki przejmujace cieplo nie sa gazami, wymiennik ciepla moze byc pozba¬ wiony scianek oddzielajacych wymieniajace cieplo czynnika.Tak wyposazony i poddany ciaglemu dzialaniu « metalowy rekuperator umozliwia zmniejszenie opornosci cieplnej 10 do 30 razy, ze wzgledu na jego wysoki wspólczynnik przewodnosci cieplnej w stosunku do rekuperatorów ceramicznych. Po¬ zwala on takze na zmniejszenie grubosci scianek «* 5 do 15 razy, tzn. do 2—6 mm.Metalowy rekuperator wedlug wynalazku po¬ zwala dodatkowo na zastosowanie duzej róznicy cisnien miedzy wymieniajacymi cieplo czynnikami, co z kolei umozliwia zwiekszenie predkosci prze- * plywu powietrza wykorzystywanego w procesie spalania. Lacznie te dwie cechy powoduja zmniej¬ szenie powierzchni wymiany ciepla wzgledem do¬ tychczas stosowanych, odzyskujacych cieplo rege¬ neratorów lub rekuperatorów. w Podczas gdy ogrzewanie wykladziny komory pie¬ ca w malym stopniu jest wynikiem przewodnosci, to w drugim etapie odzyskiwanie ciepla wedlug wynalazku pozwala na optymalne konwekcyjne przekazanie ciepla do czynnika przejmujacego, M którym moze byc np. material podawany do pieca.Czesc calego ciepla, która po ochlodzeniu do okolo 400°C do 800°C pozostaje w gazach odlotowych moze byc latwo wykorzystana do silniejszego pod¬ grzewania przewodów cieplnych.Aby polepszyc konwekcyjne przekazywanie cie¬ pla zaleca sie zastosowac w drugim stopniu wy¬ miennik ciepla, który po stronie spalin pracuje przy predkosci przeplywu tych spalin wynoszacej od 20 do 60 myte. Oznacza to, ze predkosc prze¬ plywu gazów odlotowych jest wieksza w urzadze¬ niu wedlug wynalazku, niz w konwencjonalnych rekuperatorach lub regeneratorach.Mozliwe jest zastosowanie w drugim etapie wy¬ miennika ciepla, w którym absorbujacy cieplo czynnik, tzn. bezposrednio podgrzewany material, ma wysoka przewodnosc cieplna. Takim materia¬ lem jest zwlaszcza wegiel. Jak wiadomo, wegiel ma1 wyzszy wspólczynnik ciepla niz materialy ce¬ ramiczne i dlatego jest zalecany jako czynnik przejmujacy cieplo w drugim etapie.Zastosowanie wegla jako materialu podgrzewa¬ nego, pozwala takze na zastosowanie pieca ko¬ ksowniczego wyposazonego w mniejszy rekupera¬ tor, z którego otrzymuje sie gazy odlotowe o wzglednie wysokiej temperaturze i na polaczenie takiego rekuperatora z instalacja podgrzewajaca wegiel, która moze lub musi byc zastosowana.Uzyskuje sie to przez zasilanie instalacji podgrze¬ wania wegla gazami odlotowymi, które czesciowo ochlodzono w rekuperatorze zostaly nastepnie skierowane do instalacji w celu dalszego odzyska¬ nia ciepla.Jasne jest zatem, ze kompletna instalacja, która oczywiscie jest niezbedna dla dalszego chlodzenia spalin od temperatury okolo 800°C do okolo 200°C moze byc wykonana lacznie, co pozwala na istot¬ ne zmniejszenie kosztów inwestycyjnych. Poza tym efektywnosc odzyskiwania ciepla zarówno w po¬ zostalej krótkiej czesci rekuperatora wedlug wy¬ nalazku, jak i w przylaczonej instalacji podgrze¬ wajacej jest oczywiscie wyzsze niz w dotychczas stosowanych rekuperatorach o pelnej dlugosci, w których gazy odlotowe sa praktycznie calkowicie ochladzane.Ponadto, niezaleznie od oszczednosci inwestycyj¬ nych podwyzszony jest takze wspólczynnik spraw¬ nosci. W drugim stopniu ochladzania moze byc uzyta instalacja przeplywowa, fluidyzator, insta¬ lacja pecherzykowa, w której absorbujacym cieplo czynnikiem jest rozdrobniony wegiel. Instalacje te moga byc optymalnie wykorzystane w konwekcyj¬ nym przekazywaniu ciepla odkad mozna w nich uzyskac maksymalna wzgledna predkosc przeka¬ zywania ciepla miedzy czynnikiem dostarczajacym a czynnikiem pochlaniajacym cieplo.W drugim stopniu ochladzania mozna takze za¬ stosowac np. niskotemperaturowa instalacje ko¬ ksujaca albo gazyfikator wegla, poniewaz „cieplo odlotowe" pieca koksowniczego zawsze bedzie tan¬ sze od ciepla wytworzonego bezposrednio w da¬ nym celu.Jezeli jest to korzystne lub niezbedne, spaliny poddane czesciowemu ochlodzeniu w pierwszym stopniu ochladzania mozna zmieszac z gazami obo-10 15 20 119 993 7 jetnymi, najlepiej takimi jak dwutlenek wegla, para wodna lub azot, albo mieszanina tych ga¬ zów, a nastepnie wszystko razem ochlodzic lub podgrzewac przez spalanie gazów opalowych.Optymalne odzyskiwanie ciepla z procesu kokso¬ wania mozna osiagnac wedlug wynalazku przez to, ze do czesciowego odzyskania ciepla spalin zastosowano metalowy rekuperator i urzadzenie podgrzewajace wegiel, skladajace sie z instalacji przeplywowej, fluidyzatora lub instalacji peche¬ rzykowej.Z ekonomicznego punktu widzenia urzadzenie podgrzewajace stanowi drugi stopien odzyskiwa¬ nia ciepla i nie zmienia równowagi cieplnej. Cal¬ kowita ilosc gazu uzytego do ogrzewania pozostaje stala. Dlatego oszczednosci na regeneratorze lub rekuperatorze pracujacym w zakresie ponizej 400°C, a zwlaszcza ponizej 800°C moga zasilic wy¬ datki na instalacje przeplywowa, fluidyzator lub instalacje pecherzykowa dla podawanego materia¬ lu.Przyjmujac, ze koszty inwestycyjne instalacji ta¬ kiego chlodnego podgrzewania sa równe oszczed¬ nosciom, to zwiekszenie produkcji na skutek pod¬ grzewania co, jak dobrze wiadomo, moze siegac 60%, moze byc usuwane jako oszczednosc kosztów inwestycyjnych w czesci produkcyjnej koks od 0 do 30%. Stwarza to wielka techniczna przewage takze z tego wzgledu, ze zastosowanie podgrzewa¬ nego wegla powoduje nie tylko wzrost produkcji, lecz takze zwieksza liczbe gatunków wegla, które moga byc poddane takiemu procesowi koksowania.Na figurze przedstawiono schematycznie zasta¬ wanie wynalazku w rekuperatorowym piecu kok¬ sowniczym polaczonym z urzadzeniem podgrzewa¬ jacym. Piec koksowniczy 1 posiada rury plomie- nnicowe, w których spalany jest gaz 2 z po¬ wietrzem 4 podgrzewanym w metalowym reku¬ peratorze od 20°C do 900°C. Spaliny 5 dochodza do rekuperatora 3 majac temperature od 1450°C do 1400°C, zaleznie od warunków koksowania.Chlodne powietrze 6 jest ogrzewane przez spali¬ ny 5 od temperatury 20°C do temperatury 900°C; zgodnie z planem wymiany cieplnej gazy odlo¬ towe traca cieplo i ich temperatura obniza sie do okolo 600—400°C. Tak chlodzone gazy odloto¬ we 7 sa przekazywane przy tej temperaturze do podgrzewajacego wegiel wymiennika ciepla 8, gdzie poddane sa dalszemu ochlodzeniu az do 35 40 45 temperatury okolo 250°C, a nastepnie wydalone so jako spaliny 9 do atmosfery.Ochladzanie spalin w wymienniku ciepla 8 po¬ woduje wzrost temperatury wegla 10 do wartosci okolo 150°C do 250°C. Podgrzany wegiel oznaczo¬ ny wskaznikiem 11 jest nastepnie podany do ko- 55 mór pieca koksowniczego 1, gdzie przeksztalcony jest w koks 12 usuwany nastepnie z tychze ko¬ mór.Na figurze 2 przedstawiono wykonanie ulepszo- 8 nego rekuperatora. Jak to pokazano, spaliny z rur plomiernikowych pieca koksowniczego przechodza do rekuperatora przez powierzchnie A, która sta¬ nowi przekrój poprzeczny komory promienniko¬ wej C; pole powierzchni tego przekroju powinno sie zawierac pomiedzy 0,05 m2 do 0,15 m1.Podgrzewane w kazdym przewodzie pieca kok¬ sowniczego powietrze dostaje sie do rekuperatora poprzez przekrój 8. Obszary B moze sie skladac z wielu przekrojów Bi, B2, B3, B4, jednak suma¬ ryczne pole powierzchni przekrojów dla kazdego przewodu grzewczego nie powinno przekraczac wielkosci okolo 0,1 m2.Bez dalszej analizy powyzsze tak w pelni wy¬ jasni istote wynalazku, ze moze byc on z latwos¬ cia' adaptowany do róznych celów zachowujac przy tym swoje specyficzne i ogólne cechy.Zastrzezenia patentowe 1. Urzadzenie do odzyskiwania ciepla spalin od¬ lotowych w procesie koksowania, znamienne tym, ze sklada sie z dwóch wymienników ciepla, z których pierwszym jest rekuperator wzglednie re¬ generator (3), którego calkowita wysokosc wynosi od 1/3 do 1/6 wysokosci komory pieca koksowni¬ czego i którego kanaly dla przeplywu spalin od¬ lotowych maja przekrój poprzeczny od 0,05 do 0,15 m2, korzystnie 0,1 m2, a drugim jest wy¬ miennik ciepla (8), który w przypadku gdy prze¬ plywa przez niego czynnik gazowy odbierajacy cieplo spalinom odlotowym, to posiada miedzy czynnikami wymieniajacymi cieplo scianki dzia¬ lowe o grubosci od 2 do 6 mm, a w przypadku gdy znajduje sie w nim cialo stale odbierajace cieplo spalinom odlotowym, to miedzy czynnika¬ mi wymieniajacymi cieplo nie posiada zadnych scianek dzialowych, przy czym scianki dzialowe zarówno rekuperatora wzglednie regeneratora (3) jak i wymiennika ciepla (8) sa wykonane z ma¬ terialu o duzym wspólczynniku przewodnictwa cieplnego, korzystnie z metalu. 2. Urzadzenie wedlug zastrz. 1, znamienne tym, ze rekuperator wzglednie regenerator (3) posiada kanaly dla przeplywu powietrza o przekroju po¬ przecznym wynoszacym co najmniej 0,01 m2. 3. Urzadzenie wedlug zastrz. 1, znamienne tym, ze wymiennik ciepla (8) stanowi komore do pól- koksowania albo do podgrzewania wegla. 4. Urzadzenie wedlug zastrz. 1, znamienne tym, ze w wymienniku ciepla (8) czynnikiem odbie¬ rajacym cieplo spalinom odlotowym jest wstep¬ nie podgrzewany wegiel. 5. Urzadzenie wedlug zastrz. 1, znamienne tym, ze w wymienniku ciepla (8) znajduje sie strumien pylowy, zloze sfluidyzowanc lub zloze musujace, a czynnikiem odbierajacym cieplo spalinom odlo¬ towym jest pyl weglowy.119 993 PL PL PL