PL221024B1 - Sposób wyznaczania wartości ciśnienia rozprężania węgla lub mieszanek węglowych oraz urządzenie do tego sposobu - Google Patents

Abstract

Metoda wyznaczania wartości ciśnienia rozprężania węgla lub mieszanek węglowych, poprzez wykonanie testu w skali laboratoryjnej, polegająca na tym, że próbkę węgla lub mieszanki węglowej poddaje się ogrzewaniu w tyglu (2) wewnątrz perforowanej tulei (3), korzystnie o otworach o średnicy 1 mm, na zewnątrz której znajduje się inertny materiał ziarnisty, korzystnie antracyt lub koksik o uziarnieniu większym niż otwory w tulei, korzystnie 1,0-1,5 mm, tygiel umieszczany jest w piecu elektrycznym, a ogrzewanie realizowane jest wokół ścianek tygla od temperatury otoczenia do temperatury powyżej temperatury końca plastyczności węgla, z szybkością kilku stopni na minutę, korzystnie 3 K/min, temperatura mierzona jest za pomocą termoelementu umiejscowionego na ściance tulei, korzystnie w połowie wysokości próbki.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wyznaczania wartości ciśnienia rozprężania węgla lub mieszanek węglowych oraz urządzenie do tego sposobu.

Ciśnienie rozprężania jest istotnym zjawiskiem występującym podczas procesu koksowania, wpływającym na bezpieczeństwo ścian baterii koksowniczej oraz na jakość otrzymywanego koksu. Wprowadzony do komory koksowniczej wsad węglowy ogrzewany przeponowo, ulega odgazowaniu i w określonym zakresie temperatur, ulegając uplastycznieniu może wywierać znaczący nacisk na jej ściany. Może to doprowadzić do uszkodzenia bądź w ekstremalnych przypadkach do zniszczenia ścian komory. Dlatego też istotnym zagadnieniem przy planowaniu procesu koksowania jest znajomość wartości ciśnienia rozprężania wsadu węglowego, którego wysoka wartość wskazuje na wysoką jakość wsadu węglowego, ale równocześnie może ona zagrażać bezpieczeństwu ceramicznego masywu komór koksowniczych, w ekstremalnych warunkach doprowadzając do jego zniszczenia.

Znanych jest kilka metod pomiaru i prognozowania wielkości ciśnienia rozprężania, wykorzystujących metody bezpośredniego lub pośredniego pomiaru.

Znana z literatury próba muflowa szacowania wielkości ciśnienia rozprężania węgla wykorzystuje piec muflowy oraz stalową skrzynkę. Badaną próbkę węgla ubija się w stalowej skrzynce, którą wstawia się do pieca muflowego ogrzanego do temperatury 900°C. Po wyjęciu z pieca i schłodzeniu stalowej skrzynki wodą, na podstawie odkształceń jej ścianek oraz wyglądu koksu, szacunkowo określa się wielkość wywartego w teście ciśnienia rozprężania.

Do znormalizowanego pomiaru ciśnienia rozprężania wg Polskiej Normy PN/G-04522 znane jest inne urządzenie laboratoryjne. Składa się ono z pieca elektrycznego z regulacją temperatury za pośrednictwem opornika, tygla z wymiennym dnem perforowanym, termoelementu z przyrządem wskazującym temperaturę oraz tłoczka połączonego z manometrem rtęciowym. Sposób określenia ciśnienia rozprężania przy zastosowaniu tego urządzenia polega na pomiarze siły przy użyciu manometru rtęciowego, umieszczonego bezpośrednio na tłoczku spoczywającym na próbce węgla oraz przeliczeniu jej wartości według odpowiedniego wzoru na ciśnienie rozprężania. W metodzie tej próbkę o masie 80 g węgla w stanie powietrzno-suchym, o uziarnieniu poniżej 1,4 mm ubija się w tyglu. Piec wstępnie nagrzewa się do 250°C, a następnie wprowadza się do pieca tygiel z próbką i ogrzewa się go z szybkością 10°C/min. Elementy grzejne pieca usytuowane są w jego dolnej części, termopara spoczywa na dnie tygla, a ogrzewanie tygla z próbką prowadzone jest od dołu. W określonych odstępach czasu odczytuje się wskazania manometru określające siłę wywieraną na tłoczek. Na podstawie odczytanej maksymalnej działającej siły na tłoczek oblicza się ciśnienie rozprężania.

Kolejnym znanym rozwiązaniem jest stanowisko badawcze i metoda do badania zjawiska ciśnienia rozprężania polegające na umieszczeniu próbki węgla w ilości 50-100 g węgla o uziarnieniu 1-3 mm w stalowej tulei wprowadzanej do pieca. Próbka ogrzewana jest obwodowo wokół tulei. W trakcie każdego testu mierzone są temperatura próbki i działające na tłok ciśnienie.

Inną grupą metod szacowania wielkości ciśnienia rozprężania są metody pośrednie, w których mierzona jest wielkość fizyczna, którą koreluje się z ciśnieniem rozprężania.

Z hiszpańskiego opisu patentowego nr 524,258 instytutu INCAR CSIC znane jest urządzenie, które pozwala na pomiar ekspansji i kontrakcji węgli i mieszanek węglowych. Przeprowadzone badania porównawcze z pomiarami ciśnienia rozprężania w piecu z ruchomą ścianą wykazały, że węgle charakteryzujące się skurczem o wielkości co najmniej 10 mm, są węglami bezpiecznymi pod względem ciśnienia rozprężania. Metoda ta nie dostarcza informacji o wielkości ciśnienia rozprężania, tylko o potencjalnej skłonności do zakleszczenia się wsadu w komorze i powodowania tzw. „ciężkich biegów” komór koksowniczych.

Innym rozwiązaniem jest pomiar ciśnienia gazów wewnętrznych, wykonywany za pomocą sond umieszczonych wewnątrz wsadu węglowego. Wielkość mierzonego ciśnienia gazów często łączona jest z wielkością ciśnienia rozprężania, jednak dotychczas nie ma jednoznacznych wyników potwierdzających występowanie takiej zależności.

Aktualnie za najbardziej wiarygodne uznawane są wyniki pomiarów ciśnienia rozprężania przy użyciu tzw. pieca z ruchomą ścianą. Umożliwia on wykonanie testu koksowania wsadu węglowego w ilości około 300-500 kg, w zależności od konstrukcji. Jedna z jego ścian jest połączona z czujnikiem siły, co umożliwia pomiar w sposób ciągły siły działającej na tę ścianę, która automatycznie przeliczana jest na ciśnienie rozprężania. Zaletą stosowania tego urządzenia jest duża wiarygodność uzyskiwanych wyników. Jednak jest to badanie niezwykle kosztowne, wynikające z zatrudnienia kilku osób

PL 221 024 B1 do obsługi pieca, masy wsadu węglowego, wysokiego kosztu energii elektrycznej dla ogrzewania dużego wsadu do temperatury ponad 1000°C przez okres kilkunastu godzin.

Stosowane aktualnie metody pomiaru i szacowania wielkości ciśnienia rozprężania nie pozwalają na uzyskanie wyników porównywalnych z wartościami tego parametru mierzonymi w piecu z ruchomą ścianą. Przyczyną tego faktu jest albo jedynie wizualna ocena efektu działania ciśnienia, albo pomiar nie tylko ciśnienia rozprężania a równolegle ciśnienia wydzielających się gazów w przypadku innej metody, albo wynik pomiaru zastępczego parametru wiązanego jedynie z ciśnieniem rozprężania jak w przypadku pomiaru skurczu metodą opisaną w patencie hiszpańskim Instytutu INCAR CSIC.

Celem sposobu według wynalazku, jest wiarygodne wyznaczanie wartości ciśnienia rozprężania węgli i mieszanek węglowych w warunkach laboratoryjnych, symulującego zachowanie się tego węgla podczas przemysłowego procesu koksowania w komorze koksowniczej.

Sposób wyznaczania wartości ciśnienia rozprężania węgla lub mieszanek węglowych, przez wykonanie testu w skali laboratoryjnej, według wynalazku charakteryzuje się tym, że próbkę węgla lub mieszanki węglowej poddaje się ogrzewaniu w tyglu wewnątrz perforowanej tulei, na zewnątrz której znajduje się inertny materiał ziarnisty, o uziarnieniu większym niż otwory w tulei, tygiel umieszczony jest w piecu elektrycznym i nagrzewany na obwodzie z szybkością kilku stopni na minutę, od temperatury otoczenia do temperatury powyżej temperatury końca plastyczności węgla, a temperatura mierzona jest za pomocą termoelementu umiejscowionego na ściance tulei, zaś umieszczony na próbce tłok pomiarowy, za pomocą układu pomiaru siły, mierzy siłę oddziaływującą na tłok w wyniku pęcznienia ziaren próbki, a następnie na podstawie zmierzonej siły określa się wartość ciśnienia rozprężania węgla.

Korzystnie, materiałem inertnym jest antracyt lub koksik.

Korzystnie, uziarnienie materiału inertnego wynosi 1,0-1,5 mm.

Korzystnie, uziarnienie próbki węgla wynosi <5 mm.

Korzystnie, szybkość ogrzewania wynosi 3 K/min.

Korzystnie, termoelement umieszczony jest w połowie wysokości próbki.

Urządzenie do wyznaczania ciśnienia rozprężania, składające się z elektrycznie ogrzewanego pieca i elementów pomiarowych, według wynalazku charakteryzuje się tym, że wewnątrz elektrycznie ogrzewanego pieca umieszczony jest tygiel, w środku którego znajduje się perforowana tuleja, na której znajduje się osłonka elementu pomiaru temperatury, zaś w tulei umieszczona jest próbka węgla, dociskana tłokiem stykającym się z układem pomiaru siły, przy czym układ sterowania jest połączony z układem pomiaru siły i ogrzewaniem pieca.

Korzystnie, otwory w tulei mają średnicę 1 mm.

Korzystnie, osłonka elementu pomiaru temperatury umieszczona jest w połowie wysokości tulei. Podstawową zaletą rozwiązania według wynalazku jest to, że próbkę węgla lub mieszanki węglowej poddaje się ogrzewaniu w tyglu umieszczonym wewnątrz perforowanej tulei. Pozwala na przechodzenie części wydzielających się lotnych produktów poza próbkę. Dodatkowo, ziarnisty materiał umieszczony na zewnątrz perforowanej tulei stanowi przeszkodę dla przepływających przez złoże składników lotnych, wprowadzając opór dla gazów. Pozwala to zasymulować drogę ewakuacji gazu przez obszar półkoksu i koksu w komorze koksowniczej. W wyniku takiego zorganizowania układu ciśnienie mierzone na tłoku ma źródło w ekspansji próbki związanej z pęcznieniem pojedynczych ziaren, a nie z ciśnieniem wydzielających się gazów.

Dodatkową niezwykle istotną zaletą stosowania wynalazku jest fakt, że uzyskane wyniki pomiarów ciśnienia rozprężania można powiązać z wartością ciśnienia rozprężania mierzonego w piecu z ruchomą ścianą za pomocą funkcji liniowej.

Dzięki zastosowaniu rozwiązania według wynalazku, uzyskuje się warunki zbliżone do rzeczywistych, przemysłowych oraz zwiększenie precyzji wykonywanych oznaczeń, czego nie da się osiągnąć przy innych znanych rozwiązaniach konstrukcyjnych urządzeń oraz innych metod wykonywania testu.

Przedmiot wynalazku w nieograniczającym go przykładzie wykonania jest odtworzony na rysunku, na którym:

Fig. 1 przedstawia schematycznie zasadę działania sposobu.

Fig. 2 przedstawia schemat urządzenia do badania ciśnienia.

Urządzenie według wynalazku przedstawione schematycznie na Fig. 2 składa się z elektrycznie ogrzewanego pieca 1, w którym umieszczony jest tygiel pomiarowy 2. W tyglu 2 znajduje się perforowana tuleja 3, z otworami o średnicy 1 mm. W połowie wysokości tulei 3 umieszczona jest osłonka

PL 221 024 B1 elementu pomiaru temperatury 5. W tulei 3 umieszczona jest próbka węgla 4 dociskana tłokiem 6 stykającym się z układem pomiaru siły 7. Przestrzeń między ścianką wewnętrzną tygla 2 a tuleją 3 wypełnia się koksikiem lub antracytem o uziarnieniu 1-1,5 mm. Próbkę węgla/mieszanki węglowej 4 o uziarnieniu <5 mm wprowadza się do wnętrza tulei 3 i nakłada tłok 6. Tłok 6 styka się z układem pomiaru siły 7. Następnie włącza się ogrzewanie pieca 1, a przez układ sterowania 8 reguluje się nagrzewanie z szybkością ogrzewania 3 K/min. W sposób ciągły układ sterowania 8 odczytuje i zapisuje dane z czujnika temperatury znajdującego się w osłonce elementu pomiaru temperatury 5 oraz układu pomiaru siły 7. Pomiar jest zakończony po osiągnięciu temperatury 650°C.

Claims (9)

1. Sposób wyznaczania wartości ciśnienia rozprężania węgla lub mieszanek węglowych, przez wykonanie testu w skali laboratoryjnej, znamienny tym, że próbkę węgla lub mieszanki węglowej poddaje się ogrzewaniu w tyglu wewnątrz perforowanej tulei, na zewnątrz której znajduje się inertny materiał ziarnisty, o uziarnieniu większym niż otwory w tulei, tygiel umieszczony jest w piecu elektrycznym i nagrzewany na obwodzie z szybkością kilku stopni na minutę, od temperatury otoczenia do temperatury powyżej temperatury końca plastyczności węgla, a temperatura mierzona jest za pomocą termoelementu umiejscowionego na ściance tulei, zaś umieszczony na próbce tłok pomiarowy, za pomocą układu pomiaru siły, mierzy siłę oddziaływującą na tłok w wyniku pęcznienia ziaren próbki, a następnie na podstawie zmierzonej siły określa się wartość ciśnienia rozprężania węgla.

2. Sposób wyznaczania wartości ciśnienia według zastrz. 1, znamienny tym, że materiałem inertnym jest antracyt lub koksik.

3. Sposób wyznaczania wartości ciśnienia według zastrz. 1, znamienny tym, że uziarnienie materiału inertnego wynosi 1,0-1,5 mm.

4. Sposób wyznaczania wartości ciśnienia według zastrz. 1, znamienny tym, że uziarnienie próbki węgla wynosi <5 mm.

5. Sposób wyznaczania wartości ciśnienia według zastrz. 1, znamienny tym, że szybkość ogrzewania wynosi 3 K/min.

6. Sposób wyznaczania wartości ciśnienia według zastrz. 1, znamienny tym, że termoelement umieszczony jest w połowie wysokości próbki.

7. Urządzenie do wyznaczania ciśnienia rozprężania, składające się z elektrycznie ogrzewanego pieca i elementów pomiarowych, znamienne tym, że wewnątrz elektrycznie ogrzewanego pieca (1) umieszczony jest tygiel (2), w środku którego znajduje się perforowana tuleja (3), na której znajduje się osłonka elementu pomiaru temperatury (5), zaś w tulei (3) umieszczona jest próbka węgla, dociskana tłokiem (6) stykającym się z układem pomiaru siły (7), przy czym układ sterowania (8) jest połączony z układem pomiaru siły (7) i ogrzewaniem pieca (1).

8. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że otwory w tulei (3) mają średnicę 1 mm.

9. Urządzenie według zastrz 7, znamienne tym, że osłonka elementu pomiaru temperatury (5) umieszczona jest w połowie wysokości tulei (3).