PL224568B1 - Urządzenie do przygotowywania próbek węgla do koksowania - Google Patents

Abstract

Urządzenie do przygotowywania i koksowania próbek węgla w cylindrycznej retorcie ogrzewanej w pionowym piecu elektrycznym, posiada umocowaną na statywie (1), cylindryczną matrycę (3) podzieloną pionowo na dwie symetryczne części, nad którą umieszczony jest mechaniczny ubijak (4) połączony na dole z trzonem (7) zakończonym stemplem (8). Na górze ubijaka (4) umocowany jest siłownik (5) wykonujący cyklicznie ruch trzonu w dół i w górę, z regulowanym naciskiem. Ponadto ubijak (4) posiada mechanizm obracający trzon (7) o regulowany kąt obrotu w momencie ruchu trzonu (7) w górę. Cylindryczny pojemnik (12) na próbkę (10) wykonany z cienkiej blachy żaroodpornej, umieszczony jest na spodzie matrycy (3) i jest podzielony pionowo na dwie symetryczne części spinane klamrami oraz ma wykonane na obrzeżu otwory.

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do przygotowania próbek węgla do koksowania wykonywanego w skali laboratoryjnej, w retorcie cylindrycznej umieszczonej w pionowym piecu elektrycznym.

Węgiel kamienny jest materiałem krystalicznym, o niejednorodnej strukturze, stanowiący mieszaninę kilku odmian petrograficznych, różniących się twardością i połyskiem. Każda odmiana węgla charakteryzuje się swoistymi właściwościami fizykochemicznymi. Osobną grupę stanowią węgle koksujące. Jako wsad do baterii koksowniczej stosuje się mieszaninę kilku rodzajów węgli koksujących, dobraną ze względu na oczekiwane parametry uzyskanego z niej koksu oraz na niskie zagrożenie zjawiskami fizycznymi zachodzącymi podczas koksowania, takimi jak ciśnienie rozprężania węgla, mogącymi uszkodzić baterię koksowniczą. Mieszanina węgli, przeznaczonych do koksowania, jest rozdrabniana do ziarna < 3 mm, po czym mieszana i zwilżana wodą. Tak przygotowany wsad ładowany jest do cel baterii koksowniczej.

Ładowanie wsadu realizowane jest dwiema metodami: metodą zasypową - bezpośrednio z góry poprzez otwierane włazy umieszczone w stropie cel baterii, lub metodą ubijaną, w której wsad ws ypywany jest partiami do formy umieszczonej na zewnątrz celi baterii i ubijany do żądanej gęstości, a po ubiciu forma dostawiana jest do otwartej bocznie celi i uformowany w formie wafla wsad jest wpychany do celi baterii zewnętrznym tłokiem.

Przy metodzie zasypowej gęstość wsadu wynosi około 850 kg/m , zaś przy metodzie ubijanej ₃ gęstość wsadu wynosi 850-1000 kg/m . Proces koksowania w pojedynczej celi trwa ok. 20-25 godzin. Bateria koksownicza posiada kilkadziesiąt cel ogrzewanych w sposób ciągły. Cele są w określonym porządku opróżniane z wytworzonego w nich koksu i zasypywane nowym wsadem. Przygotowana partia wsadu wynosi kilkaset ton a wykonanie z niej koksu trwa tygodniami, więc proces jest koszto wny i energochłonny. W czasie trwania procesu nie zmienia się składu przygotowanego wsadu. Straty produkcyjne przynosi proces, w którym otrzymany koks okazuje się gorszej jakości niż oczekiwano. Dlatego też rozpowszechnione są metody i aparatura pozwalające badać próbki mieszanki węglowej, aby ocenić jakość koksu przed rozpoczęciem procesu koksowania.

Próbkę mieszanki węglowej koksuje się w małej skali w aparaturze laboratoryjnej, po czym wykonuje się podstawowe badania parametrów otrzymanego koksu. Cały proces trwa kilka godzin. Proces koksowania próbki odbywa się w zamkniętej stalowej retorcie mieszczącej ok. 5 kg mieszanki węglowej z odprowadzeniem i spalaniem powstałego gazu koksowniczego, jak jest przedstawione w polskim opisie patentowym nr 219308. Przedstawiona tam aparatura posiada pionowy piec elektryczny, w którym wygrzewana jest stalowa retorta w temperaturze 950°C przez około 2 godziny. Otrzymany koks jest studzony wraz z retortą, po czym kruszony i wysypywany z retorty.

Taką laboratoryjną metodą można koksować próbki węgla odwzorowując załadowanie wsadu metodą zasypową jak i metodą ubijaną. Przygotowanie próbki odbywa się przez nasypanie i ubicie próbki w wystudzonej retorcie, wyjmowanej z pieca za pomocą dźwigu lub pozostającej w piecu albo w boksie chłodzącym.

O ile przygotowanie próbki metodą nasypową jest proste - wystarczy wsypać mieszankę do retorty i lekko wygładzić powierzchnię, to przygotowanie próbki metodą ubijaną jest trudniejsze. Próbkę ubija się w retorcie ręcznym stemplem w postaci tarczy umieszczonej na długiej rączce. Znając wagę przygotowanej próbki i średnicę retorty wylicza się żądaną wysokość próbki po ubiciu, która jest wynikiem założonej gęstości próbki. Istotne jest, aby próbka miała jednakową gęstość. Trudnością ubijania jest to, że mieszanka węglowa zachowuje się jak wilgotny proszek i podczas ubijania zachodzą wzajemne oddziaływania mechaniczne pomiędzy ziarnami węgla generując boczne naprężenia, które wpływają na nierównomierny rozkład gęstości próbki. Z tego względu nie ubija się całej ilości próbki, ale dzieli się ją na 3-5 partii i kolejno ubija w retorcie.

Wahania gęstości próbki istotnie wpływają na zachodzące zjawiska wewnątrz mieszanki węglowej podczas koksowania i są bardzo złym czynnikiem, pogarszającym wiarygodność koksowania mieszanek węglowych, zwłaszcza w badaniach laboratoryjnych materiału o bardzo dużym współczynniku skali, kiedy to koks otrzymany z laboratoryjnej próbki o wadze 5 kg jest odniesieniem do całej, kilkuset tonowej partii mieszanki węglowej przygotowanej do koksowania na baterii koksowniczej.

Podczas ręcznego ubijania gęstość próbki w danej warstwie zależy od siły uderzeń stemplem. Ostateczna wysokość próbki jest wynikowa z zsumowania warstw poprzednich. Jeżeli któraś z warstw została ubita do innej gęstości, nie można już tego poprawić w trakcie ubijania kolejnej warstwy. Ręk ojeść stempla ma podziałkę mierzącą wysokość próbki, ale posługiwanie się tym wskaźnikiem nie jest

PL 224 568 B1 dokładne i niewiele pomaga. Zwykle okazuje się dopiero pod koniec ubijania, że próbka będzie za wysoka lub za niska. Korekcja ostatecznej wysokości próbki, najczęściej wykonywana jest przy ubij aniu ostatniej warstwy, co jeszcze bardziej pogarsza jednolitość gęstości próbki. Nie jest też możliwe ubicie próbki „na raz” wsypując całą ilość mieszanki do retorty, ponieważ podczas ubijania warstwy górne próbki zakleszczają się w ścianie retorty i opierają się sile nacisku stempla, w wyniku czego warstwy dolne pozostają mniej ubite. Nie jest także skuteczne zastosowanie wibracji wspomagających proces ubijania, ponieważ wibracje powodują rozwarstwianie się próbki - ziarna większe będą wypychane do góry próbki, zaś ziarna mniejsze będą opadały na dół próbki. Nie jest też stosowane, z braku dostępnych narzędzi i czasu, ubijanie próbki podzielonej na wiele, na przykład 20 partii, lub ubijanie jej w sposób ciągły, w którym mieszanka sypana jest małym strumieniem do retorty podczas ciągłego ubijania.

Kolejną niedogodnością jest wymóg przyłożenia dużej siły do stempla przy ubijaniu próbki do gęstości rzędu 1000 kg/m . Ponieważ stempel ma powierzchnię odpowiadającą średnicy retorty, która wynosi zwykle ok. 15 cm, wymagana jest siła 50-100 kG, uzyskiwana przez ręczne, silne uderzenia stemplem. Retorty stosowane do testowania mieszanki węglowej są długie (80 cm) i ciężkie, z tego względu pozostają w aparaturze lub w boksie chłodzącym podczas przygotowania próbki. Silne uderzenia ciężkim stemplem przenoszą się na aparaturę i stanowią niebezpieczny czynnik szkodzący jej konstrukcji.

Dodatkowo, w ubitej już próbce należy wykonać kanał na termoelement umieszczony w środku próbki, kontrolujący temperaturę próbki podczas procesu koksowania. Kanał taki wykonuje się stalowym prętem o średnicy około 1,5 cm, co przy dużej gęstości próbki jest czynnością trudną, gdyż pręt z trudem wchodzi w twardą, ubitą próbkę, a wykonany po kilku lub kilkunastu uderzeniach prętem kanał jest nieregularny, ponadto pokruszony węgiel z kanału pozostaje na wierzchu próbki pogarszając jej geometrię i jednorodność.

Według wynalazku urządzenie posiada umocowaną na statywie cylindryczną matrycę podzieloną pionowo na dwie symetryczne części, o średnicy wewnętrznej równej średnicy retorty, nad którą umieszczony jest mechaniczny ubijak połączony na dole z trzonem zakończonym stemplem. Na górze ubijaka umocowany jest siłownik wykonujący cyklicznie ruch trzonu w dół i w górę, z regulowanym naciskiem. Ubijak posiada mechanizm obracający trzon o regulowany kąt obrotu w momencie ruchu trzonu w górę. Ponadto ubijak przymocowany jest do ramienia statywu poprzez prowadnicę umożliwiającą swobodne przesuwanie się ubijaka w dół z możliwością blokowania położenia, oraz w górę z regulowaną prędkością względem prowadnicy. Prowadnica umocowana jest przesuwnie po ramieniu statywu w górę i w dół z możliwością blokowania położenia. Trzon posiada wewnątrz ruchomy rdzeń z możliwością blokowania jego położenia względem spodu stempla albo względem prowadnicy. Rdzeń ma średnicę odpowiadającą średnicy rurki osłonowej termoelementu wprowadzonego do środka próbki i rejestrującego temperaturę próbki podczas procesu.

Urządzenie posiada cylindryczny pojemnik na próbkę wykonany z cienkiej blachy żaroodpornej, umieszczony na spodzie matrycy, o średnicy zewnętrznej równej średnicy matrycy i wysokości większej niż wysokość próbki po ubiciu. Pojemnik jest podzielony pionowo na dwie symetryczne części spinane klamrami oraz ma wykonane na obrzeżu otwory. Stempel ma prostokątne ramiona lub kształt krzyża maltańskiego, lub kształt tarczy z otworami.

Urządzenie jest przedstawione w przykładzie wykonania schematycznie na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia urządzenie, a Fig. 2 przedstawia pojemnik na próbkę.

Urządzenie posiada umocowaną na statywie 1 cylindryczną matrycę 3 podzieloną pionowo na dwie symetryczne części, o średnicy wewnętrznej równej średnicy retorty. Nad retortą umieszczony jest mechaniczny ubijak 4 połączony na dole z trzonem 7 zakończonym stemplem 8. Na górze ubijaka 4 umocowany jest siłownik 5 wykonujący cyklicznie ruch trzonu w dół i w górę, z regulowanym naciskiem. Ponadto ubijak 4 posiada mechanizm obracający trzon 7 o regulowany kąt obrotu w momencie ruchu trzonu 7 w górę. Ubijak 4 przymocowany jest do ramienia 2 statywu 1 poprzez prowadnicę 6 umożliwiającą swobodne przesuwanie się ubijaka 4 w dół z możliwością blokowania położenia oraz w górę z regulowaną prędkością względem prowadnicy 6, zaś prowadnica 6 umocowana jest przesuwnie po ramieniu 2 statywu 1 w górę i w dół z możliwością blokowania położenia.

Trzon 7 posiada wewnątrz ruchomy rdzeń 9 z możliwością blokowania jego położenia względem spodu stempla 8 albo względem prowadnicy 6. Rdzeń 9 ma średnicę odpowiadającą średnicy rurki osłonowej termoelementu wprowadzonego do środka próbki 10 i rejestrującego temperaturę próbki 10 podczas procesu.

PL 224 568 B1

Urządzenie posiada cylindryczny pojemnik 12 wykonany z cienkiej blachy żaroodpornej, umieszczony na spodzie matrycy 3, o średnicy zewnętrznej równej średnicy matrycy 3 i wysokości większej niż wysokość próbki 10 po ubiciu. Pojemnik 12 jest podzielony pionowo na dwie symetryczne części 13 spinane klamrami 14 oraz ma wykonane na obrzeżu otwory 15. Stempel 8 ma prostokątne ramiona lub kształt krzyża maltańskiego, lub kształt tarczy z otworami.

Działanie urządzenia jest następujące.

Należy przygotować próbkę 11 i oszacować jej oczekiwaną wysokość, znając zakładaną gęstość próbki 10 po ubiciu. Do złączonej matrycy 3 należy włożyć złączony pojemnik 12, spinając jego dwie połówki 13 klamrami 14. Wystający rdzeń 9 należy odblokować i wsunąć do trzonu 7 tak, aby spód rdzenia 9 był na poziomie dolej ściany stempla 8. Prowadnicę 6 należy odblokować i przesunąć po ramieniu 2 statywu 1 tak, aby stempel 8 umieszczony był nieco ponad dnem pojemnika 12, po czym zablokować. Ubijak 4 należy odblokować i przesunąć w dół względem prowadnicy 6 tak, aby miał on możliwość przesuwać się w górę na odległość większą niż oczekiwana wysokość próbki 10 po ubiciu. Zasypać całą masę luźnej próbki 11 do pojemnika 12. Próbka 10 nie powinna przesypywać się ponad krawędź pojemnika 12. Następnie należy ustawić na ubijaku 4 częstotliwość cykli, skok i kąt obrotu trzonu 7 w cyklu, a na siłowniku 5 siłę nacisku stempla 8 na próbkę 10. Na prowadnicy 6 należy ustawić szybkość ruchu w górę ubijaka 4. Po włączeniu urządzenia ubijak 4 zacznie wykonywać cykliczne ruchy góra-dół z zakresie nastawionego skoku, ubijając próbkę 10, zaś w każdym cyklu stempel 8 podnosząc się o skok i obracając zagarnie pod siebie i ubije część luźnej próbki 11. Ubijanie trwa do chwili, kiedy stempel wyjdzie na powierzchnię luźnej próbki 11, co oznacza, że cała masa luźnej próbki 11 została ubita. Operator wyłącza urządzenie, odblokowuje prowadnicę 6 i przesuwa ubijak 4 w górę po ramieniu 2 statywu 1. Następnie rozłącza matrycę 3 i przenosi pojemnik 12 do retorty za pomocą haczyka chwytającego pojemnik 12 za otwory 15. Po ubiciu, można zmierzyć wysokość próbki 10 i znając jej masę oraz średnicę pojemnika 12 wyliczyć uzyskaną gęstość próbki 10. Po procesie, retorta przenoszona jest z pieca do urządzenia chłodzącego, gdzie po ostudzeniu można za pomocą haczyka dopasowanego do otworów 15 pojemnika 12 wyjąć pojemnik 12, po czym rozpiąć go otwierając klamry 14. Po odjęciu części 13 pojemnika 12 uzyskuje się koks zestalony w jednym kawałku, co pozwala ocenić wielkość skurczu i pośrednio ciśnienie rozprężania węgla podczas koks owania. Można też, zachowując środki ostrożności, wyjąć i otworzyć pojemnik 12 w stanie gorącym.

Urządzenie umożliwia wykonanie serii próbek ubijanych z jednolitą i powtarzalną gęstością, co jest bardzo ważną zaletą w procesie pilotowego badania mieszanek węglowych, gdzie często, w trosce o powtarzalność wyników, wykonywane są badania serii próbek tej samej mieszanki węglowej. Ponadto nie jest wymagane, podczas przygotowania próbki do koksowania, manipulowanie ciężką retortą, ani narażanie aparatury na wstrząsy powstające przy ubijaniu próbki bezpośrednio w retorcie.

Zastosowanie pojemnika, w którym wykonywany jest proces koksowania węgla umożliwia rozładowanie retorty bez konieczności wystudzenia koksu. Daje to nowe możliwości badania koksu, poprzez możliwość gaszenia koksu na gorąco wodą lub schładzanie w strumieniu azotu, której to cechy nie posiada żadna znana aparatura do wytwarzania próbek koksu.

Claims (6)

1. Urządzenie do przygotowania próbek węgla do koksowania w cylindrycznej retorcie ogrzewanej w pionowym piecu elektrycznym, znamienne tym, że posiada umocowaną na statywie /1/, cylindryczną matrycę /3/ podzieloną pionowo na dwie symetryczne części, o średnicy wewnętrznej równej średnicy wewnętrznej retorty, nad którą umieszczony jest mechaniczny ubijak /4/ połączony na dole z trzonem /7/ zakończonym stemplem /8/, zaś na górze ubijaka /4/ umocowany jest siłownik /5/ wykonujący cyklicznie ruch trzonu w dół i w górę, z regulowanym naciskiem, ponadto ubijak /4/ posiada mechanizm obracający trzon /7/ o regulowany kąt obrotu w momencie ruchu trzonu /7/ w górę, a ubijak przymocowany jest do ramienia statywu /2/ poprzez prowadnicę /6/ umożliwiającą swobodne przesuwanie się ubijaka /4/ w dół z możliwością blokowania położenia oraz w górę z regulowaną prędkością względem prowadnicy /6/, zaś prowadnica /6/ umocowana jest przesuwnie na ramieniu /2/ statywu /1/ z możliwością przesuwania w górę i w dół i z możliwością blokowania położenia.

2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że trzon /7/ posiada wewnątrz ruchomy rdzeń /9/ z możliwością blokowania jego położenia względem spodu stempla /8/ albo względem prowadnicy /6/,

PL 224 568 B1 a rdzeń /9/ ma średnicę odpowiadającą średnicy rurki osłonowej termoelementu wprowadzonego do środka próbki /10/ i rejestrującego temperaturę próbki podczas procesu.

3. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że posiada cylindryczny pojemnik /12/ na próbkę /10/ wykonany z cienkiej blachy żaroodpornej, umieszczony na spodzie matrycy /3/, o średnicy zewnętrznej równej średnicy matrycy /3/ i wysokości większej niż wysokość próbki /10/ po ubiciu, przy czym pojemnik /12/ jest podzielony pionowo na dwie symetryczne części /13/ spinane klamrami /14/ oraz ma wykonane na obrzeżu otwory /15/.

4. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że stempel /8/ ma dwa prostokątne ramiona.

5. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że stempel /8/ ma kształt krzyża maltańskiego.

6. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że stempel /8/ ma kształt tarczy z otworami.