13.3.4. Особенности формирования коксового пирога в его осевой плоскости

Вопрос о причинах разделения коксового пирога на две половины по осевой плоскости практически не изучен. Исследования пока­зали, что при различных температурах в простенках плоскость деления коксового пирога смещается в сторону меньшей температуры и проходит по сечению с наименьшей температурой. Следовательно, разделение кок­сового пирога связано с завершением процессов пиролиза в сомкнувшемся пластическом слое, его отверждением и усадкой образовавшегося полукокса. Рассмотрим основные явления в загрузке, предшествующие разделению коксуемого массива.

В начале коксования образуется два слоя полукокса-кокса, которые прижимаются вспучивающимися пластическими слоями к стенам камеры. Так как каждый слой при нагревании дает усадку, объем полукокса-кокса оказывается меньшим, чем объем шихты, из которой он получен. Поэтому, несмотря на самоуплотнение шихты между пласти­ческими слоями, суммарная плотность со временем снижается. Вспучи­вающаяся пластическая масса уплотняет прилегающие слои шихты, поэтому ее плотность убывает еще быстрее. Особенно низких значений она может достигнуть в зоне их смыкания.

Однако платность сомкнувшегося пластического слоя может убывать лишь до величины, зависящей от свободного вспучивания шихты, пластифицированной парами смолы. После этого должен произойти "разрыв сплошности" - массивы полукокса-кокса возможно с прилегающими неотвердевшими пластическими слоями отрываются друг от друга.

В плоскости смыкания пластических слоев после прококсовывания образуется рыхлая непрочная масса, слабо связанная с основными массивами, которая легко разрывается под действием сил усадки.

Для подтверждения выдвинутой гипотезы проведены исследо­вания, позволяющие визуально наблюдать процесс формирования струк­туры коксового пирога в его средней части. Были проведены лабора­торные коксования производственной шихты НТМК по ГОСТ 9521-75 до конечных температур в центре 400, 500, 600 и 700 °С. После достижения заданной температуры реторту с коксом извлекали из печи, герметизи­ровали и охлаждали. Коксовый пирог извлекали из реторты в целом виде и разрезали поперек. Уже при низких температурах в середине пирога имеется высокопористая зона эллипсообразной формы, вытянутая по высоте. Эта зона претерпевает изменения по мере увеличения темпера­туры, всё, более четко разделяя коксовый пирог на две части.

14.3. Перспективы непрерывных процессов коксования

« Совершенствование технологии производства кокса в батареях с горизонтальными печами делает этот процесс все более сложным, громоздким и дорогим и, в то же время, он не может полностью решить основные вопросы: независимость от угольной сырьевой базы, экологическую безопасность и полную автоматизацию производства. Поэтому над созданием непрерывных процессов работают как за рубежом (ФРГ, США, Румыния, Япония, Франция), так и в СНГ (ИГИ, УХИН, ВУХИН, Донецкий политехнический институт, Гипрококс).

Уровень разработок - создание опытно-промышленных установок производительностью 5-10 т/ч для отработки технологии и аппара­турного оформления производства формованного кокса. К настоящему времени наиболее подготовленными к промышленному внедрению являются процессы DKS (Япония), ИЧЕМ (Румыния), FМС (США), НВNРС (Франция), БФЛ (ФРГ) и ФМК (СНГ - Украина и Россия).

Метод ВКS. В состав шихты входит до 20% хорошо спекающихся углей. Шихту подвергают традиционному брикетированию со связую­щим, а брикеты термически обрабатывают в вертикальных печах периодического действия. С 1978 по 1982 г в доменной печи объемом 4000 м³ испытано 60 тыс. т формованного кокса. Установлено, что добавка его к обычному слоевому коксу в количестве 20-30% вполне допустима. Стоимость производства сравнима с традиционным слоевым. Японский Институт металлургии включает процесс DKS в концепцию развития коксового производства будущего.

Метод ИЧЕМ. В 1962 г построена опытно-промышленная установка производительностью 50 тыс. т/год. Состав шихты, %: спекающиеся угли - 20, слабоспекающиеся угли - 50-70, нефтяной кокс 10-25, пек — 10-13. Часть слабоспекающегося угля подвергают полукоксованию, смешивают с остальной шихтой, брикетируют. Термо­обработку брикетов производят в печах с наклонным подом. Наилучшие результаты доменной плавки достигнуты при добавке 30% формованного кокса к обычному слоевому.

Процесс FМС. Производительность установки 8 т/ч. Процесс включает стадии: сушка исходного угля, полукоксование и коксование, смешивание мелкозернистого кокса со смолой полукоксования, брикети­рование и двухступенчатая термообработка брикетов. При испытании 100% формованного кокса в доменной печи объемом 567 м³ повысилась ее производительность, но в доменной печи объемом 1138 м³ при использовании 80% формованного кокса были получены резко отрица­тельные результаты: производительность снизилась на 11 %, а расход кокса увеличился на 17%.

Процесс НВNРС. Установка производительностью 6-7 т/ч постро­ена в 1972 г. Состав шихты, %: пек 9,спекающиеся угли 10-30, неспекаю­щиеся угли 60-80. Угольную часть шихты сушат, измельчают, смешивают с пеком, брикетируют, брикеты подвергают термообработке в шахтной печи. Наработано и испытано в доменной печи объемом 1900 м³ около 50 тыс.т кокса в течение 120 суток. Наилучшие результаты достигнуты при использовании 25% формованного кокса: производи­тельность печи возросла на 6%.

Процесс БФЛ (Бергбауфоршунг-Лурги). Опытная установка производительностью 10-12 т/ч введена в 1974 г. Состав шихты, %: хорошо спекающиеся угли — 25 и слабоспекающиеся — 75. Слабоспекающийся уголь подвергают полукоксованию, смешивают со спекающимся и брикетируют при температуре перехода хорошо спекающегося угля в пластическое состояние. Брикеты подвергают термообработке. При использовании 100% формованного кокса в доменной печи объемом 764 м³ ее производительность снизилась на 7%, а удельный расход кокса возрос на 5%.

Анализ зарубежных технологий производства формованного кокса позволяет сделать следующие выводы:

- несмотря на значительную длительность разработок (около 40 лет), ни в одной стране процессы не осуществлены в промышленном масштабе;

- все способы предполагают участие хорошо спекающихся углей или связующего, а также брикетирование при высоком давлении (20-30 МПа);

- показана невозможность полной замены слоевого кокса формованным.

Способ производства ФМК (СНГ). Опытная установка ФМК производительностью. 5 т/ч по углю построена в 1959 г и реконструи­рована с увеличением производительности до 9 т/ч в 1967 г. Состав шихты, %: газовые слабоспекающиеся угли (у = 6-9 мм) - 60-70, СС или ОС (у = 6 мм) и Т - 30-40. Стадии процесса: измельчение по схеме ДК, скоростной нагрей шихты до температуры перехода и пластическое состояние, изотермическое выдерживание и формование, спекание и прокаливание формовок в вертикальных печах непрерывного действия. Весь процесс осуществляется непрерывно в герметичной аппаратуре.

Получено около 20 тыс.т формованного кокса, который испытан в доменной печи объемом 700 м³ в течение 10 суток в 100%-ном варианте. Производительность доменной печи увеличилась на 5%, а расход кокса, уменьшился на 2,5%.

По результатам работ УХИНа, ВУХИНа и Гипрококса начато сооружение головной промышленной установки на Баглейском коксохимзаводе (Украина) производительностью 500 тыс.т в год. Однако в 1989 г строительство остановлено и установка была законсервирована на неопределенный срок.

Разработанный способ имеет значительные преимущества, по сравнению с зарубежными, по технологическим и экологическим показателям, уровню автоматизации. Себестоимость кокса несколько выше, чем слоевого вследствие усложнения технологии, но может быть снижена за счет имеющихся резервов на всех стадиях производства.

Непрерывно-периодический процесс слоевого коксования ДонПИ-УХИН разрабатывается в двух вариантах: печь с горизонтальной камерой (Донецкий политехнический институт) и печь с вертикальной камерой коксования (УХИН). Сущность его состоит в том, что измельченная до <6 мм угольная шихта определенными порциями загружается в печную камеру, подпрессовывается до плотности 950-1000 кг/м³ и перемещается по заданной программе до достижения заданной конечной температуры полукоксования-коксования с последующим охлаждением и сортировкой полученного углеродистого материала. Парогазовые продукты отводятся из. зоны пиролиза, охлаждаются и конденсируются. Этим способом возможно получение углеродистых материалов разной крупности и большого ассортимента жидких и газообразных продуктов. Термообработка загрузки осуществляется за счет теплопередачи через стенки камеры из обогревательных простенков. Предполагается строительство двухкамерного опытно-промышленного модуля производительностью 30 т/сут. (10-11 тыс. т в год).

Непрерывный процесс получения углеродистых материалов в кольцевой печи достаточно хорошо отработан в полузаводских условиях на Нижнетагильском меткомбинате и Московском коксогазовом заводе. Сущность метода заключается в нагревании до заданной температуры относительно тонкого слоя (50-200 мм) свободно лежащей загрузки па движущейся подине кольцевой печи. Процесс коксования протекает непрерывно и может быть разделен на три автоматически управляемые стадии:

- предварительного нагрева;

- спекания загрузки и образования полукокса;

- перехода полукокса в кокс.

Подвод тепла к загрузке осуществляется от нагретого перекрытия печи или непосредственно от продуктов сгорания. Режим проведения каждой стадии коксования регулируется автоматически в широких пределах независимо друг от друга и обеспечивает проведение каждой стадии при оптимальных условиях для данного типа угля и требуемого качества продуктов коксования. Парогазовые продукты коксования отводятся на каждой стадии процесса раздельно.

В кольцевой печи возможно в широких пределах изменять технологические параметры процесса: скорость термической перера­ботки материала, конечную температуру его нагрева, высоту слоя загрузки, степень уплотнения и измельчения загрузки и др. В печи можно перерабатывать различное твердое и жидкое сырье угольного и нефтяного происхождения с получением продуктов разного назначения: металлургический и специальные сорта кокса, коксобрикеты, древесный уголь и т.д.

Первый промышленный агрегат для производства кокса по этому методу мощностью 110 тыс.т в год запроектирован и начато, но оста­новлено, строительство на Зестафонском заводе ферросплавов (Грузия).