Обычно коксовые батареи строились из огнеупорного материала - шамота. В шамоте содержится до 30 - 45 процентов окиси алюминия, 55 - 60 процентов окиси кремния и небольшое количество окислов кальция и магния. Шамотный кирпич позволял длительное время поддерживать в коксовых печах температуру до 1100 С. Он был устойчив к резкой смене температур, которая происходит в коксовой печи, когда в нее загружают уголь. И сегодня рабочих-каменщиков, которые сооружают и ремонтируют коксовые печи, все еще называют шамотчиками. Изготовляется шамотный кирпич из огнеупорной пластичной глины, которую предварительно обжигают в специальных печах при температуре 1300 - 1400 С. Полученный материал дробят, смешивают с дробленым шамотом и пластичной влажной глиной, формуют из этой смеси изделие и снова обжигают при температуре до 1500 С.
Шамот хорошо противостоит резкой смене температур, но очень быстро разрушается под разъедающим воздействием коксового газа и имеет сравнительно невысокую теплопроводность. Кроме того, при температуре более 1300 С шамот уже не выдерживал ни строительных, ни механических нагрузок в коксовых печах. Обычно рабочая температура в отопительных простенках шамотных коксовых печей 1150 - 1180 С. Печная камера коксовой батареи была шириной около полуметра. При такой ширине, теплопроводности материала и температурах в отопительной системе, которые нельзя было увеличивать из-за свойств шамота, коксование продолжалось 35 - 40 часов.
В 1911 году в Канаде была построена коксовая батарея из совершенно нового материала - динаса, в состав которого входит чистейший кварцит.
Кварцит дробят, смешивают с небольшим количеством (не более двух процентов) известкового молока. Из полученной массы прессуют изделия нужной формы и размера, которые обжигают при температуре 1430 С. Полученные изделия содержат до 97 - 98 процентов окиси кремния (SiO₂). Динас и шамот имеют почти одинаковую огнеупорность, то есть начинают размягчаться при температуре 1710 - 1740 С. Но у динаса есть преимущество перед шамотом. При нагрузках 0,2 МПа (а это обычная нагрузка для материала, из которого выкладываются нагревательные печи) шамот начинает разрушаться уже при температуре 1300 - 1350 градусов, а динас разрушается при температуре 1500 - 1650 С.
Значит, в коксовых батареях, выложенных из динаса, можно поддерживать значительно более высокую температуру. Это позволит сократить продолжительность коксования, увеличить производительность установки. Кроме того, теплопроводность динаса почти в полтора раза выше, чем шамота.
Продолжительность коксования у первых коксовых батарей, выложенных из динаса, составляла уже менее 20 часов (вдвое меньше, чем у шамотных).
Конечно, у динаса имеются свои недостатки. Он хуже противостоит резкой смене температур, дороже шамота, способ изготовления сложнее. Однако большая часть динасовых, или, как их назвали, "быстроходных" коксовых печей, в промышленно развитых странах строилась и строится из динасового материала.
С внедрением в производство высокопроизводительных динасовых коксовых печей со всей остротой встал вопрос о качестве кокса, его прочности и крупности. Немаловажным был также вопрос долговечности коксовых печей, ведь они строились из очень дорогого материала, а с этими вопросами самым непосредственным образом были связаны проблемы эксплуатации установок по производству кокса.
Если на время отвлечься от того, какого качества должны быть угли, идущие на коксование (у угольщиков и углеподготовителей коксохимической подотрасли свои заботы, мы к ним вернемся), то качество кокса в основном будет зависеть от того, как греют угольную загрузку. Определяющим является то обстоятельство, что во всех точках камеры коксования должна быть одинаковая температуре. Только при таком условии процесс коксования закончится одновременно по всему массиву коксуемой загрузки и кокс в печи будет одинакового качества. Если такие условия выдержать во всех камерах коксовой батареи (поскольку печи выдаются одна за другой через небольшие промежутки времени), то непрерывный поток равно-мерного по качеству кокса будет обеспечен.
Что же собой представляет коксовая батарея. Коксовики утверждают (шутя), что это просто кусок пространства, окруженный огнеупорной кладкой. По сути дела против этого трудно возразить.
Пространство, окруженное огнеупорной каменной кладкой, называется печной камерой. Как правило, в 99 процентах случаев эта камера расположена горизонтально, имеет длину 12 - 17 метров, высоту 3 - 7 метров и ширину 350 - 500 миллиметров. При этом камера по внешнему виду напоминает трапецию. Дело в том, что для облегчения выталкивания готового кокса из камеры, или, как говорят, выдачи, камеры расширяются по направлению выдачи кокса и выход из камеры на 50 - 60 миллиметров шире входа. Вход и выход из камеры плотно закрываются дверями, которые футерованы огнеупорным кирпичом. Если заглянуть внутрь камеры, то на потолке, называемом сводом, можно увидеть несколько отверстий. Обычно через два отверстия, расположенные по краям, отводятся газообразные продукты коксования, а через три-четыре отверстия, расположенные равномерно между газоотводящими, загружают уголь.
По обеим сторонам печной камеры расположены отопительные простенки. Отопительный простенок и печная камера в кладке - одно целое. Стена камеры является одновременно стеной обогревательного простенка. Сторона одного и того же кирпича, выходящая в камеру, называется рабочей, а выходящая в отопительный простенок называется огневой, потому что она обращена к пламени и все время соприкасается с факелом горящего отопительного газа.
Простенок вертикальными перегородками разделен на части. Обычно отопительный простенок длиной 12 - 16 метров разделен на 26 - 32 колодца (отопительные каналы). Запомним, что поток горящего газа называется восходящим, а поток продуктов сгорания (дыма) - нисходящим.
Кроме коксовых батарей, которые имеют горизонтально расположенную камеру, где уголь загружается сверху, а кокс выдается "сбоку", существуют печи, в которые уголь также загружается сверху, а готовый кокс выходит снизу камеры. Камера расположена вертикально, а обогревательные каналы расположены горизонтально. Под печными камерами расположены накопители тепла отходящих дымовых газов - регенераторы, они заполнены кирпичами с отверстиями. Дым проходит через регенератор, нагревает кирпич до температуры 1000 - 1200 С. Через определенное время (20 - 30 минут) происходит смена потоков. В тех отопительных каналах, где раньше горел газ, теперь будет идти дым, он и пойдет в регенератор, который только что подогревал воздух или газ, подававшиеся на горение. А регенератор, накопивший тепло дымовых газов, теперь будет подогревать идущие на горение газ и воздух. Из регенератора, отдавший свое тепло насадке и охлажденный до 400 С дым через подовый канал уходит в боров, а дальше в дымовую трубу.
Для экономии тепла в коксовых печах применялись рекуператоры.
Рекуператор - это устройство, в котором тепло отходящих газов передается через стенку. Охлаждение дыма и нагрев газа и воздуха, идущие на обогрев, происходят непрерывно. Но рекуператоры не получили распространения в коксовой промышленности, вероятно, потому, что не было нужных долговечных материалов для их изготовления, трудно было заменять и часто забивающиеся элементы. В регенераторах эти операции проводятся легче и стоят дешевле.
Отопительные простенки, регенераторы - все это называется отопительной системой. Печная камера и отопительная система не сообщаются. Если между камерой и отопительной системой появится проход, это приведет к авариям. Мы еще к этому вернемся. А пока продолжим знакомство с коксовой батареей.
Теплотехническая характеристика коксовой батареи, ее прочность и долговечность работы зависят от того, как расположены отдельные элементы отопительной системы, как связаны отопительные каналы друг с другом и с регенераторами, будут ли регенераторы общими для всей батареи или отдельными для каждого простенка. Стоимость батареи составляет 8 - 10 миллионов рублей и работать она должна не менее 25 лет.
Конструкции отопительного простенка и устройств для подачи газа и воздуха на обогрев преследуют во всех случаях одну цель. Газ в отопительном простенке должен гореть таким образом, чтобы стенка камеры коксования по всей высоте была нагрета одинаково. По длине печной камеры температура должна равномерно возрастать. Дело в том, что на машинной стороне коксовых батарей, там, где движется коксовыталкиватель, камера уже, а на коксовой стороне, там, где из печей в тушильный вагон сыплется при выдаче кокс, она шире и угля в ней коксуется больше. И только при равномерном повышении температуры от машинной к коксовой стороне коксование угольной загрузки закончится одновременно во всех точках и весь коксовый пирог будет одинакового качества.
Если вторую часть задачи можно решить довольно просто - подавать в отопительные каналы в направлении с машинной стороны на коксовую в соответствии с расширением печной камеры все большее количество газа на сжигание и таким образом повышенное количество тепла для равномерного процесса коксования по длине камеры, то первая задача оказалась более сложной, которую долго не удавалось решить. Ведь газ сгорает очень быстро. Скорость распространения пламени у коксового газа - около 75 метров в секунду. Факел горения коксового газа очень короткий. Температуры внизу и вверху разные. Вот и получалось, что внизу коксовый пирог "подгорал" - перегревался к моменту выдачи, а верх 'пирога" был в это же время "сырым", недогретым.
Это заставило конструкторов изменить высоту печной камеры, сделать ее низкой, что, естественно, уменьшало ее объем, а значит, и производительность. Как только высота камеры превышала три метра (а уже строились печи с высотой камеры более четырех метров), разница в температурах между низом и верхом коксового пирога достигала 300 С. В 20-х годах 19 столетия немецкий инженер Копперс предложил замедлить горение газа, "разбавив" его каким-нибудь инертным компонентом, например продуктом коксования - дымом, так как в дыме нет горючих компонентов. Если подавать его в зону горения, концентрация молекул горючего газа в единице объема уменьшится и газ будет гореть медленнее. Так возникла идея рециркуляции - возвращения продуктов сгорания в зону горения. Для этого в конструкции Копперса между отопительным каналом, где горит газ, и смежным отопительным каналом, который отводит дым, предусматривалось специальное отверстие - рециркуляционное окно. Через него часть дыма, идущего в регенератор, подсасывалась обратно в зону горения, и факел удлинялся. Применение рециркуляции продуктов сгорания было крупным принципиальным шагом вперед в теплотехнике коксовых батарей.
В современных коксовых батареях благодаря рециркуляции и печной камере температуры верха и низа практически одинаковы даже при высоте камеры 6 - 7 метров. Но уже в 1920 - 1925 годах коксовые батареи представляли собой достаточно совершенный теплотехнический агрегат с коэффициентом полезного действия 70 - 72 процентов.
