PL224998B1

PL224998B1 - Device for determining the expansion pressure of coal

Info

Publication number: PL224998B1
Application number: PL403403A
Authority: PL
Inventors: Tomasz Krysiński; Michał Czerwiński; Maciej Więch
Original assignee: Inst Tele I Radiotechniczny
Priority date: 2013-04-02
Filing date: 2013-04-02
Publication date: 2017-02-28
Also published as: PL403403A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do określania ciśnienia rozprężania węgla, zwłaszcza do zastosowania laboratoryjnego.The subject of the invention is a device for determining the carbon expansion pressure, especially for laboratory use.

Ciśnienie rozprężania węgla powstaje w procesie koksowania węgla lub mieszanki dobranych gatunków węgla. W wyniku zachodzących procesów cieplno-chemicznych następuje rozprężanie się węgla, który wywiera ciśnienie na boczne ściany celi baterii koksowniczej. Zbyt duże ciśnienie może doprowadzić do naruszenia, a w krańcowym przypadku do zniszczenia wymurówki ścian celi. Duże ciśnienie powoduje też zakleszczanie się koksu w celi, tzw. „ciężki bieg” baterii, powodujący zwiększenie tarcia koksu o ściany celi podczas jego wypychania. Zjawisku temu przeciwdziała skurcz koksu, następujący po przejściu koksu przez fazę wzrostu ciśnienia. Zarówno wzrost ciśnienia jak i skurcz zależą od składu mieszanki węglowej i są w pewnym zakresie przewidywalne. Ostateczny efekt pokazuje się jednak podczas procesu koksowania.The coal expansion pressure is generated in the process of coking coal or a mixture of selected types of coal. As a result of the thermochemical processes taking place, the carbon expands, which exerts pressure on the side walls of the coke oven cell. Too much pressure may lead to breach, and in the extreme case to destruction of the lining of the cell walls. High pressure also causes jamming of the coke in the cell, the so-called "Heavy run" of the battery, resulting in increased friction of the coke against the walls of the cell during its ejection. This phenomenon is counteracted by coke shrinkage which occurs after the coke has passed through the pressure increase phase. Both the pressure rise and the contraction depend on the composition of the carbon mix and are to some extent predictable. However, the final effect shows during the coking process.

Proporcje jednej komory baterii koksowniczej średnio wynoszą (szerokość: wysokość: długość)The proportions of one coke oven battery chamber are on average (width: height: length)

1:10:30. Wąskie stalowe boczne drzwi są otwierane z jednej strony do załadunku komory i z drugiej strony do jej rozładunku. Duże ściany boczne i spód celi ogrzewane są poprzez kanały wymurowane pomiędzy celami, przez które przepływa palący się gaz koksowniczy. Temperatura ścian wynosi ₃ 1:10:30. The narrow steel side door opens on one side for loading the chamber and on the other side for unloading it. The large side walls and the bottom of the cell are heated by ducts built between the cells through which the burning coke oven gas flows. The temperature of the walls is ₃

1000-1300°C. W baterii systemu zasypowego objętość celi wynosi średnio 60 m , a mieszankę węo glową zasypuje się przez górne włazy. Gęstość mieszanki wynosi 850 kg/m . W baterii systemu ubija₃ nego objętość celi wynosi średnio 30 m , załadunek następuje poprzez wsunięcie przez ścianę boczną baterii przygotowanego wcześniej na zewnątrz „wafla” wykonanego ze sprasowanej mieszanki ₃ węglowej o gęstości od 900 do 1000 kg/m . Proces koksowania, niezależnie od systemu, trwa średnio 25 godzin. Czas ten potrzebny jest głównie na równomierne rozprowadzenie ciepła wewnątrz mieszanki. Podczas procesu mieszanka przechodzi przez jego kolejne fazy, tj. mięknięcie, topnienie, półkoks i koks. Rozładowanie celi następuje przez boczne wypchniecie koksu do podstawionego pojemnika (wagonu), który przewozi partię koksu do schłodzenia - poprzez zraszanie wodą lub chłodzenie w strumieniu azotu.1000-1300 ° C. In the battery of the charging system, the volume of the cell is on average 60 m, and the coal mixture is poured through the upper manholes. The density of the mixture is 850 kg / m. In the battery system ₃ nego compacted volume of the cell at an average of 30 m, loading occurs by insertion through a sidewall of the battery prepared in advance outside "wafer" made of a compressed blend of ₃ carbon having a density of 900 to 1000 kg / m. The coking process, regardless of the system, takes an average of 25 hours. This time is needed mainly for the heat to be evenly distributed inside the mixture. During the process, the mixture goes through its successive phases, i.e. softening, melting, semi-coke and coke. The cell is unloaded by laterally pushing the coke into a substitute container (wagon), which carries the coke batch to be cooled - by sprinkling with water or cooling in a nitrogen stream.

Jakość koksu jest tym wyższa, im wyższe wystąpiło ciśnienie rozprężania podczas procesu. Skład mieszanki dobierany jest jednak z dużym zapasem bezpieczeństwa, ze względu na ryzyko uszkodzenia lub zniszczenia baterii. Z tego samego powodu nie wykonuje się na baterii eksperymentów z badaniem zachowania się nowych składów mieszanek.The quality of the coke is the higher the higher the expansion pressure has occurred during the process. However, the composition of the mixture is selected with a high margin of safety, due to the risk of damage or destruction of the battery. For the same reason, no battery experiments are carried out to test the behavior of new mix compositions.

Wielkość mogącego wystąpić ciśnienia rozprężania węgla szacowana jest poprzez pomiary parametrów procesu wewnątrz baterii podczas procesu koksowania za pomocą sond mierzących temperaturę i ciśnienie gazów, jak podaje opis patentowy US 7 094 321, lub poprzez teoretyczne wyznaczanie ciśnienia i skurczu na podstawie pomiaru parametrów węgla przed procesem, takich jak rodzaj i skład węgla, zawartość popiołu, zawartość części lotnych, wielkość wskaźnika wolnego wydym iania, itp. co jest szeroko opisane w literaturze branżowej.The amount of coal expansion pressure that may occur is estimated by measuring the process parameters inside the battery during the coking process using probes measuring the temperature and pressure of gases, as stated in US 7,094,321, or by theoretical determination of pressure and shrinkage based on the measurement of coal parameters before the process, such as coal type and composition, ash content, volatile matter content, slow blowing rate, etc. which is widely described in the industry literature.

Pierwszy z wymienionych sposobów daje niewiele możliwości pomiarowych. W drugim przypadku występuje problem z interpretacją uzyskanych wyników i przeniesieniem ich dla baterii koksowniczej. Szeroko stosowane są także wysokotemperaturowe urządzenia laboratoryjne, modelujące przebieg procesu koksowania na przygotowanej próbce mieszanki węglowej.The first of these methods gives little measurement possibilities. In the second case, there is a problem with the interpretation of the obtained results and their transfer to the coke oven battery. High-temperature laboratory devices modeling the course of the coking process on a prepared sample of the coal mixture are also widely used.

Urządzenia laboratoryjne można podzielić pod względem masy badanej próbki na małe, średnie i duże. W urządzeniach małych, bada się próbkę wielkości 100 g. Badanie, jak na przykład wg normy PN-G-04522:1973, prowadzi się na próbce 80 g umieszczonej w tyglu, otwartym od góry i ogrzewanym w elektrycznym piecu oporowym. Próbka przykryta jest ruchomym tłokiem. Podczas ogrzewania rejestrowany jest przebieg ciśnienia węgla wywieranego na tłok. Test trwa około jednej godziny.Laboratory equipment can be divided in terms of the mass of the tested sample into small, medium and large. In small devices, a sample of 100 g is tested. The test, for example according to PN-G-04522: 1973, is carried out on an 80 g sample placed in a crucible, open at the top and heated in an electric resistance furnace. The sample is covered with a movable plunger. During heating, the course of the carbon pressure exerted on the piston is recorded. The test takes approximately one hour.

Podobną zasadą działania charakteryzują się urządzenia przeznaczone dla próbek o średniej masie, około 7-40 kg. Próbka taka jest umieszczana w ogrzewanym elektrycznie piecu szamotowym, w sześciennej komorze z płaskim i ruchomym stropem. Do stropu przykładane jest zmienne obciążenie. Test trwa kilka godzin, pracochłonne jest przygotowanie próbki, załadowanie i rozładowanie komory.A similar principle of operation is used for devices designed for samples of average weight, about 7-40 kg. Such a sample is placed in an electrically heated chamotte furnace, in a cubic chamber with a flat and movable roof. A variable load is applied to the floor. The test takes several hours, it is laborious to prepare the sample, load and unload the chamber.

Duże próbki, o masie 200-500 kg badane są w piecach ogrzewanych gazowo. Komora posiada jedną ruchomą ścianę poziomą, dociskaną poprzez system dźwigni i obciążników. Na podstawie wartości siły docisku wyznaczane jest ciśnienie rozprężania. Zaletą tej metody, ze względu na duży rozmiar, jest dobre odwzorowanie zjawisk występujących na baterii. Wadą jest długi czas trwania procesu pomiarowego (nawet kilka dni) ogromna energochłonność oraz pracochłonność przygotowania (miePL 224 998 B1 szanie i zasyp) próbki, w porównaniu do metod laboratoryjnych. Ponadto warunki pracy urządzenia odpowiadają bardziej warunkom przemysłowym niż laboratoryjnym, ze względu na wysoką temperaturę w pobliżu urządzenia oraz zanieczyszczanie otoczenia. Dla urządzeń dużych i średnich dużą trudnością jest także odprowadzenie niebezpiecznego gazu koksowniczego powstającego podczas koksowania próbki.Large samples weighing 200-500 kg are tested in gas-fired furnaces. The chamber has one horizontal movable wall, pressed by a system of levers and weights. Based on the value of the contact pressure, the expansion pressure is determined. The advantage of this method, due to its large size, is a good representation of the phenomena occurring on the battery. The disadvantage is the long duration of the measurement process (even several days), enormous energy consumption and labor-intensive preparation (mixing and charging) of the sample, compared to laboratory methods. In addition, the device operating conditions correspond more to industrial than laboratory conditions, due to the high temperature around the device and pollution of the environment. For large and medium-sized devices, it is also very difficult to discharge the dangerous coke oven gas generated during sample coking.

W związku z częstymi zmianami stosowanych rodzajów węgla oraz częstymi zmianami wymogów odbiorców koksu optymalne jest urządzenie wykonujące wiarygodny test w czasie kilku godzin. Urządzenia małe, pracujące na niewielkich próbkach, pozwalają na szybkie otrzymanie wyniku badania, ale wyniki nie dają wiarygodnej podstawy na opracowanie współczynników skali, zaś urządzenia średnie i duże są kłopotliwe w użytkowaniu, czasochłonne, energochłonne i kosztowne.Due to frequent changes in the types of coal used and frequent changes in the requirements of coke recipients, it is optimal to have a device that performs a reliable test within several hours. Small devices, working on small samples, allow to obtain a test result quickly, but the results do not provide a reliable basis for the development of scale factors, and medium and large devices are cumbersome to use, time-consuming, energy-consuming and expensive.

Wszystkie te trudności spowodowały, że zjawisko ciśnienia rozprężania węgla nie daje się ani pomierzyć na baterii ani też wiarygodnie oszacować w urządzeniach laboratoryjnych. Wiele opatentowanych rozwiązań, jak np. zgłoszenie patentowe US 20120247939, dotyczy radzenia sobie z tym zjawiskiem poprzez stosowanie odpowiednich technologii i procedur podczas wytwarzania koksu.Due to all these difficulties, the phenomenon of carbon expansion pressure cannot be measured on a battery or reliably estimated in laboratory devices. Many patented solutions, such as US patent application 20120247939, deal with this phenomenon by using appropriate technologies and procedures during the production of coke.

Wcześniejsze doświadczenia wykazały, że można w czasie około 2 godzin wyprodukować próbkę koksu w skali laboratoryjnej ogrzewając w temperaturze 900-1000°C około 5 kilogramową próbkę mieszanki węglowej w cylindrycznej retorcie średnicy 15 cm. Powstały koks ma formę zestalonego walca o wysokości ok. 20 cm. Aby go wyjąć, należy retortę zestudzić do około 50°C, po czym rozkruszyć koks i wysypać. Tą metodą nie można jednak pomierzyć ani ciśnienia rozprężania węgla ani skurczu koksu.Earlier experiments have shown that it is possible to produce a coke sample on a laboratory scale in about 2 hours by heating at 900-1000 ° C about a 5 kg sample of carbon mix in a cylindrical retort with a diameter of 15 cm. The resulting coke is in the form of a solid cylinder about 20 cm high. To remove it, the retort should be cooled down to about 50 ° C, then the coke should be crushed and poured out. However, neither coal expansion pressure nor coke shrinkage can be measured with this method.

Celem wynalazku jest laboratoryjne urządzenie, które odtwarzałoby proces i warunki występujące w baterii i umożliwiało rejestrację ciśnienia rozprężania węgla i skurczu koksu.The object of the invention is a laboratory device that would reproduce the process and conditions present in the battery and record the carbon expansion pressure and coke shrinkage.

Urządzenie do określania ciśnienia rozprężania węgla, w którym próbka mieszanki węglowej umieszczona jest w komorze mającej ściany ogrzewane za pomocą oporowych elementów grzejnych, osłonięte izolacją termiczną, posiada komorę prostopadłościenną o podstawie prostokąta, której co najmniej dwie przeciwległe boczne ściany grzejne są zamocowane przesuwnie. Co najmniej jedna boczna ściana grzejna zamocowana przesuwnie jest połączona sztywnym wysięgnikiem z przetwornikiem siły, a pozostałe dwie przeciwległe boczne ściany grzejne są zdejmowane.A device for determining the carbon expansion pressure in which a sample of the carbon mixture is placed in a chamber having walls heated by resistance heating elements, sheathed with thermal insulation, has a rectangular-shaped rectangular chamber of which at least two opposing side heating walls are slidably attached. At least one lateral heating wall is slidably attached to the force transducer with a rigid boom, and the other two opposite side heating walls are removable.

Przedmiot wynalazku przedstawiono schematycznie w przykładzie wykonania na rysunku.The subject of the invention is shown schematically in an embodiment in the drawing.

Urządzenie posiada komorę w kształcie prostopadłościanu, która ma dwie zamocowane przesuwnie boczne ściany grzejne 1, spodnią ścianę grzejną 2 i dwie, zdejmowane, boczne ściany grzejne. Komora wypełniona jest nie do pełna próbką mieszanki węglowej 9 i otoczona jest izolacją termiczną 3. Izolacja termiczna 3 otoczona jest osłoną 4 z blachy posiadającą wlot powietrza 5 i wylot powietrza 6 przepływającego w obszarze komory. Powietrze chłodzi zewnętrzne ściany izolacji termicznej 3. Górna ściana komory nie jest ogrzewana. W ścianie tej zamocowany jest króciec 7 odprowadzający gaz koksowniczy, wydzielający się podczas koksowania próbki mieszanki węglowej 9. Króciec 7 posiada zawory i czujniki do regulowania ciśnienia gazu koksowniczego w komorze.The device has a cuboid-shaped chamber which has two sliding side heating walls 1, a bottom heating wall 2 and two removable side heating walls. The chamber is not completely filled with a sample of the carbon mixture 9 and is surrounded by thermal insulation 3. The thermal insulation 3 is surrounded by a sheath 4 of sheet metal having an air inlet 5 and an air outlet 6 flowing in the area of the chamber. The air cools the outer walls of the thermal insulation 3. The upper wall of the chamber is not heated. Mounted in this wall is a pipe 7 discharging the coke oven gas emitted during the coking of a sample of the coal mixture 9. The pipe 7 has valves and sensors for regulating the coke oven gas pressure in the chamber.

Przez izolację termiczną 3 i osłonę 4 przechodzą sztywne wysięgniki przenoszące nacisk ścian komory na przetworniki siły 8, do których przyłożona jest siła z zewnętrznych siłowników kompensujących ciśnienie rozprężania węgla tak, aby ściany nie przesuwały się (lub żeby przesuwały się w sposób kontrolowany) podczas testu. Ściany oparte są na rolkach, zapewniających przesuwanie się na zewnątrz w celu pomiaru rozszerzania się próbki oraz do wewnątrz w celu ustawienia początkowego ścian po załadunku próbki i docisku ścian podczas pomiaru skurczu koksu po procesie.Through the thermal insulation 3 and the cover 4 are rigid booms which transmit the pressure of the chamber walls to the force transducers 8, to which the force from the external carbon expansion pressure compensating cylinders is applied, so that the walls do not move (or that they move in a controlled manner) during the test. The walls rest on rollers that slide outward to measure sample expansion and inward to position the initial walls after sample loading and wall pressure when measuring post-process coke shrinkage.

Zamocowanie ścian zapewnia także, w razie potrzeby, sztywne ich unieruchomienie oraz łatwy demontaż w celu załadowania i rozładowania komory, mycia i konserwacji. Urządzenie posiada w osłonie 4, izolacji termicznej 3 i komorze otwory do wprowadzania termoelementów pomiarowych oraz innych sond pomiarowych oraz pobierania próbek mieszanki węglowej podczas procesu.Fastening the walls also ensures, if necessary, their rigid immobilization and easy disassembly for loading and unloading the chamber, washing and maintenance. The device has openings in the casing 4, thermal insulation 3 and the chamber for introducing measuring thermocouples and other measuring probes and for taking samples of the carbon mixture during the process.

₃₃

Wymiary komory powinny umożliwiać uzyskanie kawałków koksu o objętości co najmniej 1 dm³.The dimensions of the chamber should make it possible to obtain coke pieces with a volume of at least 1 dm ³ .

₃₃

Optymalna objętość komory wynosi 15 dm³. Ściany grzejne mają niezależne układy regulacji temperatury tak, aby uzyskać w komorze grzejnej wymagany rozkład pola temperatury.The optimal volume of the chamber is 15 dm ³ . The heating walls have independent temperature control systems so as to obtain the required temperature field distribution in the heating chamber.

Oporowe elementy grzejne ścian wykonane są z taśmy lub drutu w formie meandra zawieszonego na płycie ceramicznej. Element grzejny jest tak umieszczony, aby nie przenosił żadnych obciążeń mechanicznych. Obciążenia te są przenoszone przez obudowę stalową ściany i dalej poprzez ramię sztywnego wysięgnika do przetwornika siły.Wall resistance heating elements are made of a tape or a meander-shaped wire suspended on a ceramic plate. The heating element is positioned so as not to bear any mechanical loads. These loads are transferred through the steel casing of the wall and then through the arm of the rigid boom to the force transducer.

Działanie urządzenia jest następujące: Przygotowaną próbkę mieszanki węglowej 9, wykonaną jako nasypowa lub ubijana, umieszcza się w koszyku, wykonanym z materiału, który ulegnie zniszcze4The operation of the device is as follows: A prepared sample of the carbon mix 9, made as a bulk or compacted material, is placed in a basket made of a material that will be destroyed4

PL 224 998 B1 niu podczas testu lub nie będzie wpływał na pomiary, korzystnie z cienkiej folii plastikowej lub metalowej. Koszyk wkłada się do komory od góry lub poprzez uchyloną boczną ścianę grzejną. Następnie osłania się komorę izolacją termiczną 3, podzieloną na fragmenty, zakłada się zewnętrzną osłonę 4 i dołącza wysięgniki do przetworników siły 8. Po załadowaniu komory siłownikami dopycha się boczne ściany grzejne 1 tak, aby wykasować luz pomiędzy ścianami komory a próbką mieszanki węglowej 9. Proces koksowania przebiega kilka godzin. Po procesie mierzy się powstały skurcz koksu poprzez kontrolowane dopchnięcie bocznych ścian grzejnych 1 do próbki mieszanki węglowej 9, po czym zdejmuje się zewnętrzną osłonę 4 i otwiera obie pozostałe boczne ściany grzejne tak, aby wypchnąć gorący koks z komory na zewnątrz w celu gaszenia go wodą lub w strumieniu azotu.It will not or will not affect the measurements during the test, preferably a thin plastic or metal foil. The basket is inserted into the chamber from the top or through the hinged side heating wall. Then the chamber is covered with thermal insulation 3, divided into fragments, the outer cover 4 is put on and the booms are connected to the force transducers 8. After loading the chamber with actuators, the side heating walls 1 are pushed so as to eliminate the play between the chamber walls and the carbon mixture sample 9. The process coking takes several hours. After the process, the resulting coke shrinkage is measured by the controlled pushing of the side heating walls 1 against the sample of the coal mix 9, after which the outer cover 4 is removed and both other side heating walls are opened so as to push the hot coke out of the chamber to extinguish it with water or under a stream of nitrogen.

Zaletą urządzenia według wynalazku jest lepsze odtworzenie pracy baterii koksowniczej, a przez to większa wiarygodność otrzymanych wyników podczas opracowania współczynników przeniesienia skali. Prostopadłościenny kształt komory i dwie przesuwne poziomo boczne ściany grzejne 1 umożliwiają pomiar zarówno ciśnienia rozprężania węgla jak i skurczu. Koks zachowuje swoją spoistość, nie musi być kruszony podczas rozładunku z komory, zaś rozładowanie komory „na gorąco” i gaszenie gorącego koksu wodą lub azotem zapewnia otrzymanie koksu w sposób taki, jak wytwarzany jest w baterii koksowniczej, ponieważ obecnie stosowane urządzenia wymagają zestudzenia i pokruszenia próbki przed jej rozładowaniem.The advantage of the device according to the invention is a better reproduction of the coke oven battery operation, and thus greater reliability of the obtained results when developing the scale transfer factors. The rectangular shape of the chamber and two horizontally sliding side heating walls 1 enable measurement of both carbon expansion pressure and shrinkage. The coke retains its cohesiveness, it does not have to be crushed during unloading from the chamber, while unloading the chamber "hot" and quenching the hot coke with water or nitrogen ensures that the coke is obtained in the same way as it is produced in a coke oven battery, because the currently used equipment requires cooling and crushing samples before discharging it.

Claims

A device for determining the coal expansion pressure, in which a sample of the carbon mixture is placed in a chamber having walls heated by resistance heating elements, covered with thermal insulation and a shield with a coke oven gas discharge pipe, characterized in that the chamber is rectangular with a rectangular base, which at least two opposing side heating walls (1) are slidably mounted, at least one slidably mounted side heating wall (1) connected with a rigid boom to the force transducer (8), and the other two opposing side heating walls are removable.