Необходимым этапом подготовки к использованию товарного нефтяного кокса является процесс его прокаливания. Процесс позволяет упорядочить структуру кокса, что приводит к улучшению качества и значительно повышает его товарную стоимость.
Сырой («зелёный») кусковой кокс для металлургии получают наиболее распространённым методом полунепрерывного (замедленного) коксования. Вследствие особенностей этой технологии кокс получается весьма неоднородным по физико-химическим и механическим свойствам как по высоте, так и по диаметру коксовой камеры. Это обусловлено неоднородностью температурного режима в реакторе, разной продолжительностью нахождения кокса в зоне реакции, коллоидной неустойчивостью исходного сырья коксования (несовместимостью его компонентов) и другими факторами [1].
При нагревании сырого кокса вначале испаряется влага (таблица 3.1.1), затем начинается выделение недококсованных высокомолекулярных продуктов или фрагментов молекул, имеющих слабую связь со скелетом кокса. С нарастанием температуры эти продукты начинают разлагаться, переходя в кокс, дистиллят и газ. Содержание недококсованных продуктов в коксах замедленного коксования может достигать 5 % и более и зависит, главным образом, от температуры коксования и природы сырья. Чем ниже температура коксования, тем больше содержание недококсованных продуктов в коксе и соответственно больше выход летучих веществ.
Газообразная часть летучих веществ представлена, в основном, пропаном, пропиленом, этаном, этиленом, метаном и водородом. С ростом температуры (выше 600°С) и продолжительности термообработки содержание водорода в составе газов увеличивается, а других компонентов (метана, сероводорода, двуокиси углерода) падает.
К основным реакциям процесса прокаливания относятся реакции структурных преобразований коксов, разложения и выделения летучих веществ. К побочным – процесс горения летучих и кокса, газофазные реакции превращения летучих и гетерогенные взаимодействия летучих, компонентов дымовых газов и кокса. Концентрация кислорода вдоль печи от горячей головки в сторону ввода.
В процессе прокаливания большая часть теплоты выделяется за счет горения летучих веществ и кокса (коксовой пыли), однако около 60 % их уносится в печь дожига с дымовыми газами. Это связано с нехваткой кислорода, который расходуется на реакции горения.
Для увеличения количества сжигаемых летучих веществ необходимо повысить концентрацию кислорода в зоне выделения летучих веществ. Обычно это осуществляют вводом вторичного воздуха через горячую головку печи, но такой способ недостаточно эффективен, т.к. большая часть кислорода при движении вдоль печи от горячей головки к вводу сырья помимо на горение летучих веществ и коксовой пыли расходуется на горение кокса, что снижает выход прокаленного кокса. Поэтому большего эффекта можно добиться с помощью принудительного ввода воздуха непосредственно в зону выделения летучих веществ (третичный воздух). При непосредственном вводе кислорода в зону выделения летучих веществ его расходуется больше на горение летучих веществ. Воспламенение газовой фазы летучих веществ происходит примерно в середине печи при 600°С [2].
На основании проведенного ранее структурно-функционального анализа действующей установки прокалки нефтяного кокса[3] и изучении теоретических основ процесса производства было установлено, что подвод дополнительного количества воздуха непосредственно в зону выделения летучих веществ позволит интенсифицировать процесс. Воздух необходимый для сжигания выделяющихся при нагреве нефтяного кокса летучих веществ, не проходит, как прежде, над раскаленным коксом, а поступает через отдельный трубопровод за зону прокаливания, попадая в область не столь высоких температур и взаимодействуя преимущественно с выделяющимися здесь летучими веществами и коксовой пылью, что способствует снижению угара прокаливаемого кокса.
В результате проведенных технико-технологических расчетов было определено, что для подачи воздуха в зону выделения летучих веществ необходима установка двух осевых вентиляторов фирмы Axipal FTDA-056–6–10 суммарной производительностью 16000 м3/ч и трубопровода для них диаметром 450 мм.
Таким образом, подвод воздуха непосредственно в зону выделения летучих веществ приведет к более полному сжиганию летучих веществ и коксовой пыли в пространстве печи прокаливания до 50–60 %, что позволит уменьшить расход топлива на 16 % и повысить годовую производительность печи по прокаленному коксу на более чем 1 тыс. т/г.