54

Содержание

Введение…………………………………………………………………… 3

1 Производство формованного кокса………………………………... 5

1.1. Высокоскоростной нагрев углей……………………………… 5

1.2 Формование термически подготовленного угля……………… 15

1.3. Спекание и прокаливание топливных изделий………………. 22

2 Производство специальных видов кокса………………………….. 35

2.1 Требования к качеству кокса для недоменных целей…………….. 35

2.2 Основные технические решения производства специальных

видов кокса и углеродистых восстановителей……………………. 39

3 Технологические схемы получения формованного топлива и

восстановителей…………………………………………………….. 43

Заключение………………………………………………………………… 54

Список использованной литературы……………………………………... 55

ВВЕДЕНИЕ

В связи с ограниченностью запасов хорошо спекающихся углей и необходимостью непрерывного расширения сырьевой базы коксо­химической промышленности усилия исследователей были направлены не только на совершенствование слоевого способа коксования (увеличение полезного объема печных камер, сушка шихты, ее термическая подготовка с разными способами загрузки, повышение скоростей коксования путем применения новых более теплопроводных огнеупоров для строительства коксовых печей, сухое тушение кокса и др.), но и на разработку принципиально новых методов получения доменного и других видов топлива.

При этом решались следующие вопросы: расширение сырьевой базы коксования вследствие использования сравнительно дешевых слабо-спекающихся углей; получение кокса с заранее заданными размерами кусков, физико-механическими и физико-химическими свойствами; автоматизация управления технологическими процессами и на этой основе повышение производительности труда; улучшение условий труда, снижение загрязненности воздушного и водного бассейнов.

Основным направлением разработки новых способов коксования явилось создание непрерывной технологии получения формованного кокса, так как слоевое коксование имеет ряд существенных недостат­ков: в нем совмещены основные стадии процесса образования кокса из углей, что делает невозможным активно управлять этим процессом; дискретность метода получения кокса, т. е. расчленение его на отдель­ные технологические операции, которые практически не поддаются полной автоматизации; возможность получать прочный кокс по клас­сической технологии коксования в камерных печах только из хорошо спекающихся дефицитных углей.

В настоящее время известны многие десятки способов получения формованного топлива, предназначенного для различных целей. При­чина такого широкого фронта исследований в данной области – многочисленность потребителей твердого топлива, а также то, что требова­ния к его качеству нельзя удовлетворить при существующей техно­логии слоевого коксования. Кроме того, существуют требования к са­нитарным условиям производства, к комплексной автоматизации и механизации современного производства. Но самое главное – это возможность расширения марок углей для производства формованного топлива, возможность использования для этой цели дешевых недефицитных углей, в том числе и открытой разработки.

Актуальна проблема для меня потому, что я будущий химик-технолог, будущий инженер и должен быть знаком с данной темой.

Цель работы – описать получение формованного топлива и восстановителей.

Задачи перед собой ставлю такие: охарактеризовать производство формованного кокса, производство специальных видов кокса, технологические схемы получения формованного топлива и восстановителей.

Объект исследования – производство формованного топлива и восстановителей.

Предметы исследования: производство формованного кокса, производство специальных видов кокса, технологические схемы получения формованного топлива и восстановителей.

1 Производство формованного кокса

Технологические процессы получения формованного кокса можно разделить на несколько стадий, из которых выделяют следующие: термическая подготовка угля; формование; термическая обработка формовок.

Например, получение формованного кокса непрерывным способом предложенным чл.-кор. АН СССР Л. М. Сапожниковым, заключается в следующем. Дробленный уголь подвергается быстрому нагреву в потоке горячих инертных газов до 400 – 430 °С для газовых и 450 – 460 °С для углей марки ОС. Затем при этих температурах производится изотермическая выдержка от 0,5 до 0,2 с, в результате чего уголь образует пластическую массу, которая формуется в пресс-формовочной машине. Получаемые формовки подвергаются термической обработке в вертикальных камерных печах со скоростью нагрева 1,5 – 2,5 град/мин до 800 °С.

Разрабатываемые за рубежом процессы производства формован­ного кокса основаны на принципе холодного или горячего брикетиро­вания смеси углей и кокса (полукокса) с добавлением связующего и последующей термической обработкой брикетов. Для получения брикетов используют прессы, обеспечивающие наложение давления на массу от 39,2 до 137,3*10⁶ Па.

1.1 Высокоскоростной нагрев углей

В нашей стране при получении окускованного топлива из слабо-спекающихся углей класса менее 3 мм был применен метод высо­коскоростного нагрева в вихревых камерах, разработанный в ИГИ

Установка для нагрева угля в вихревой камере с винтовым питате­лем и циклоном-отделителем показана на рис. 1.1. Вихревая камера 4 с тангенциальным подводом газа состоит из улиточного кожуха для равномерного распределения воздуха по отдельным соплам 5 гори­зонтального цилиндрического корпуса с четырьмя подвижными ло­пастями для тангенциального подвода газа-теплоносителя. Уголь из бункера винтовым питателем 2 подается в вихревую камеру в централь­ную ее зону, подхватывается вращающимся потоком газа-теплоноси­теля, который вдувается из кожуха через щели (сопла), прорезанные по всей длине камеры, и транспортируется в сторону выхода Разде­ление газа и угля осуществляется в циклоне-отделителе 6.

Принцип вихревого движения позволяет нагревать уголь измель­ченный до крупности менее 3 мм за 1 – 2 с, до температуры 400 – 460 °С. Время пребывания угля в камере зависит от рабочей длины камеры и средней максимальной скорости воздуха на выходе из нее. Теоретическое время прогрева угольных частичек наибольшего размера должно равняться фактическому времени их пребывания в вихревой камере. Время нагрева угольной частички τ прямо пропорционально критерию Фурье F₀, ее радиусу и

обратно пропорционально коэффи­циенту температуропроводности а:

Принцип вихревого движения позволяет нагревать уголь измель­ченный до крупности менее 3 мм за 1 – 2 с, до температуры 400 – 460 °С. Время пребывания угля в камере зависит от рабочей длины камеры и средней максимальной скорости воздуха на выходе из нее. Теоретическое время прогрева угольных частичек наибольшего размера должно равняться фактическому времени их пребывания в вихревой камере. Время нагрева угольной частички τ прямо пропорционально критерию Фурье F₀, ее радиусу и обратно пропорционально коэффи­циенту температуропроводности а:

τ = F₀ * R / a

На химическое превращение угля идет больше времени, чем на пребывание угля в системе высокоскоростного нагрева, в связи с чем он не успевает приобрести необходимые для данной обработки свой­ства. Поэтому уголь (смесь углей) выдерживают в специальном аппа­рате или совмещают этот процесс с наложением давления в формовоч­ных машинах.

Для снижения удельного расхода теплоносителя, повышения термического к. п. д. установки, улучшения равномерности нагрева из­мельченного угля служит двухступенчатая система вихревых камер, где газ-теплоноситель из камеры второй ступени поступает в вихревую камеру первой ступени, а угольный поток первой ступени поступает в камеру второй ступени, т. е. применяется принцип противотока.

Схема двухступенчатого нагрева угля в вихревых камерах пока­зана на рис. 1.2. Нагрев осуществляется следующим образом. Шнековый питатель 1 подает уголь в приосевую часть вихревой камеры первой ступени 2. В ту же камеру через сопла тангенциально подается газ-теплоноситель, выходящий из циклона 8 после камеры второй сту­пени. Центробежной силой уголь, нагретый до температуры 200 – 260 ^СС, отбрасывается к стенкам и периферийным потокам через улит­ки 3 и транспортируется в промежуточный циклон 4. Здесь происходит его отделение от газа-теплоносителя, после чего он снова винтовым забрасывателем 5 подается в камеру второй ступени 6. Сюда же непосредственно из печи 9 подается газ-теплоноситель, полученный путем сжигания коксового газа. Углегазовая смесь через улитку 7 подается в циклон окончательного разделения 8. Нагретый до температуры 420 – 430 °С уголь поступает на формование.

Газ-теплоноситель, выходящий из промежуточного циклона 4, как показано на рисунке 1.2, может подаваться на рециркуляцию в печь теплоносителя, поскольку он имеет температуру около 300 °С и вы­брос его в атмосферу дымососом 10 приводит к значительным потерям теплоты. Однако рециркуляция части газа-теплоносителя позволяет повышать к. п. д. установки.

Было также установлено, что между технологическими требова­ниями к процессу скоростного нагрева углей до температуры пласти­ческого состояния и теплотехническими закономерностями способа параллелыю-противоточного теплообмена имеются противоречия. На­пример, высокотемпературный теплоноситель подается в последнюю ступень, где должны быть «мягкие» условия нагрева угля. Кроме того, отсутствуют возможности регулирования процесса в отдельных сту­пенях установки. Поэтому для целенаправленного регулирования и оптимального распределения тепловых нагрузок по ступеням нагрева осуществлен межступенчатый подвод дополнительных тепловых потоков. С этой целью в систему на выходе из всех ступеней нагрева (кроме первой) вводится небольшое количество высокотемпературного теплоносителя.

Скоростной нагрев углей до температуры пластического состояния осуществляется в многоступенчатых параллельно-противоточных системах, которые называются «каскадом циклонов». В этих установ­ках нагреваемый уголь и газообразный теплоноситель в пределах каждой отдельно взятой ступени движутся параллельно в восходящем потоке. Однако при переходе от одной ступени к другой уголь дви­жется навстречу газу. Поэтому в таких условиях осуществляется сту­пенчатое нагревание по смешанной параллельно-противоточной схеме, что приводит к интенсификации процесса скоростного нагрева.

Технологическая схема трехсту­пенчатой системы скоростного на­грева угля «каскад циклонов» пред­ставлена на рис. 4.3. Исходный дробленный уголь из бункера 4 по­дается тарельчатым питателем в автодозатор 2, а далее питателем-забрасывателем подается в первый по ходу циклон. Осажденный в пер­вом циклоне измельченный уголь через шлюзовый затвор 5, герметизирующий циклон снизу, направля­ется в пылепровод, предшествую­щий второму, среднему циклону.

Аналогично измельченный уголь попадает из второго циклона 8 в цик­лон 10 третьей ступени, где завершается процесс его нагревания. Газ-теплоноситель образуется в печи 12 в результате горения коксового газа с принудительной подачей воздуха газодувкой 11. Газ-теплоноси­тель подается из печи в третью ступень нагрева, а затем последователь­но во вторую и первую ступени, после чего он для доочистки попадает в систему циклонов или скрубберов с орошением. Движение материала и газов в системе осуществляется циркуляционной газодувкой 11.

Основными технологическими параметрами установки является время пребывания угольных частичек в системе нагрева. Оно не долж­но превышать 5 – 6 с, чтобы достичь определенной степени превращен­ности угольных веществ. Поскольку время пребывания угольных частичек в циклоне прямо пропорционально его диаметру, то диаметр циклонов в установках скоростного нагрева угля ограничен до 3,5 м Производительность такой установки 75 – 100 т/ч.

Одним из направлений дальнейшего совершенствования системы скоростного нагрева является организация в начальной ступени на­грева такого режима температур, при котором пары смолы конденси­руются на поверхности угля и угольной пыли. В связи с этим на Харь­ковском коксохимическом заводе была испытана опытно-промышлен­ная установка скоростного нагрева угля с дополнительной низкотем­пературной начальной ступенью (рис. 1.4).

Согласно этой схеме скон­денсированная смола вместе с частицами угля, уловленными в циклоне нулевой ступени, вновь возвращается в среду с повышенной темпера­турой. Там более легкая часть смолы испаряется и поступает обратно в теплоноситель, многократно циркулируя в контурах между нулевой и первой, а также между первой и второй ступенями. В результате этого наибольшая суммарная нагрузка по смоле приходится на первую ступень нагрева, а в трехступенчатой системе – на вторую. Неиспарив­шаяся часть смолы поступает вместе с углем в последние ступени на­грева, где, контактируя с высокотемпературным теплоносителем, по­лимеризуется на поверхности угольных частиц с образованием неле­тучих соединений и, таким образом, выводится из системы нагрева. Четырехступенчатая система скоростного нагрева угля работает в следующем режиме:

Температура теплоносителя, °С

На входе в циклон

нулевой ступени 159 – 180

первой ступени 293 – 300

второй ступени 403 – 406

третьей ступени 473 – 480

На выходе из нулевой ступени 90 – 130

На входе в трубу восходящего потока

нулевой ступени 268 – 378

первой ступени 381 – 384

второй ступени 503 – 509

третьей ступени 513 – 524

Температура газовзвеси, °С

После циклона

нулевой ступени 149 – 160

первой ступени 280 – 290

второй ступени 390 – 397

третьей ступени 451 – 467

Напор циркулирующего нагнетания 1,5 * 10⁴ Па.

Включение нулевой ступени дало следующие положительные результаты: снизился удельный расход теплоты на нагрев угля с 1533 до 1344 кДж/кг; сократилась потеря теплоты с избыточным количе­ством теплоносителя с 10 – 13 до 8,2 %; значительно повысился к. п. д. системы.

Известен также способ термической обработки углей до температуры превращения в пластическое состояние с целью последующего формования пластической угольной массы, предложенный УХИНом. Такой способ преследует цель повысить равномерный нагрев частичек угля различной крупности. Для этого в процессе термообработки твердые полидисперсные материалы, начиная со второй ступени нагрева, се­парируют с выделением из основного газоугольного потока мелких фракций совместно с обработанным теплоносителем. Осуществляется это следующим образом. Исходный уголь крупностью менее 3 мм по­дают в первую ступень нагрева в вертикальный газоуглепровод, в нижнюю часть которого подают газообразный теплоноситель, разбав­ленный рециркуляционным отработанным теплоносителем после вто­рой ступени нагрева. Температуру газовзвеси на начальном участке газоуглепровода первой ступени поддерживают на уровне 800 – 900 °С. В первой ступени уголь высушивают, нагревают до 130 – 150 °С и отделяют от газообразного теплоносителя, после чего его на­правляют в нижнюю часть вертикального газоуглепровода второй сту­пени нагрева. Часть общего объема отработанного теплоносителя, полученного в генераторе теплоты, смешивают с регулируемой частью отработанного теплоносителя первой ступени для предотвращения нагрева мелких классов угля в момент встречи с теплоносителем при 450 – 500 °С и затем подводят во вторую ступень нагрева. На началь­ном участке газоуглепровода второй ступени происходит межфазный теплообмен, в результате которого мелкие классы угля нагреваются до температуры, близкой к заданной конечной температуре нагрева термообработанного материала; более крупные частицы угля вслед­ствие плохой теплопроводности угольного вещества прогреваются только на поверхности. При контакте с углем температура теплоноси­теля резко снижается, она становится выше температуры обрабатывае­мого материала всего на 20 – 30 °С.

Мелкие классы угля, нагретые до заданной температуры совместно с регулируемой частью отработанного теплоносителя при помощи сепарирующего устройства, выводятся из общего газоугольного потока и транспортируются к пылеотделителю, а остальная масса твердого материала вместе с частью отработанного теплоносителя продолжает двигаться по газоуглепроводу вверх. Далее газовзвесь подают в сле­дующий сепаратор после дополнительного нагрева. Отделение отве­денных в сепараторы мелких фракций материала от газообразного теплоносителя производят в пылеотделителях, например циклонах, после чего уловленные термически обработанные частицы смешивают, направляя с общим потоком готовый термообработанный материал в приемник, а далее в камеру слоевого коксования или на формование.

Другой способ подготовки шихты включает нагревание одной части исходного угля в газовом потоке до температуры образования пла­стической массы в течение 0,1 – 0,5 с. Затем эта нагретая часть угля смешивается с другой холодной частью угля и охлаждается в зависи­мости от их пропорции. В результате этих операций получают полу­кокс, который в последующем процессе формования служит каркасом брикета.

Схема выполнения данного способа приведена на рис. 1.5.

Часть угля из бункера 1 по трубопроводу 2 подается в камеру сгорания 3, работающую на горячих топочных газах. Оттуда газовый поток с углем проводится дальше по гори­зонтально расположенному трубо­проводу 4. Уголь нагревается до конечной температуры 300 °С с уче­том того, что на участке обработки происходит соответствующее паде­ние температуры, потому что часть угля из бункера подводится к трубопроводу 5, расположенному спе­реди в направлении потока места вдувания 6. Смешение уже нагретого угля с вновь вводимым в обрабатываемый поток углем (до двух частей) позволяет регулировать его конечную температуру. Спустя 0,3 с газовый поток с углем выдается из трубы 4 и поступает через соединительную деталь 7 в циклон 9. На соединительной детали 7 смонтированы сопла 8 с таким расчетом, чтобы они были поперек направления перемещения угля. К соплам подводится вода для охлаж­дения угля во время его перемещения. В циклоне 9 обрабатываемый уголь выделяется из газового потока и, в случае необходимости, после дальнейшего охлаждения водой, подаваемой из сопел 10, отводится через трубопровод 11 в промежуточный бункер 12. Оттуда предвари­тельно обработанный уголь, который по своей структуре состоит из коксоподобного материала, вспученных перфорированных зерен, а также еще хорошо сохранившихся зерен с парами после коксования, дозируется и направляется на формование.

Схема технологическо­го процесса скоростного нагрева шихты с использованием теплоты формованного кокса приведена на рис. 1.6.

Скоростной нагрев угля перед формованием осуществляется с помощью твердого теплоносителя. Применительно к формованному коксу этот способ разрабо­тан в ВУХИНе и Институте неорганической химии и электрохи­мии Грузинской ССР. В качестве твердого теплоносителя в этом процессе применяют горячий формованный кокс. Благодаря высо­кой объемной теплоемкости твердого теплоносителя, повышающей в 1000 раз объемную теплоемкость газообразного теплоносителя, уменьшаются размеры аппаратуры и повышается экономичность про­цесса. Кроме того, в этом процессе используется теплота формованного кокса и одновременно производится его охлаждение (тушение) без дополнительной стадии и связанных с ним затрат. Исходная шихта после соответствующей подготовки подвергается предварительной сушке в барабане 5. Затем через бункера 8 и тарельчатые питатели сухая шихта поступает в противоточный барабанный теплообменник 11. Сюда же поступает раскаленный формованный кокс из прокалочной печи 14.

Теплообменник (рис. 1.7) представляет собой вращающийся ба­рабан, расположенный под углом к горизонтали. Барабан приводится во вращение от электропривода через зубчатую передачу. Внутри ба­рабана находится решетчатая лопасть. Уголь и формованный кокс, встречаясь на некотором участке теплообменника, перемешиваются и совместно передвигаются в сторону его наклона. Продолжительность совместного передвижения зависит от ширины решетчатой лопасти и скорости вращения барабана (обычно 3/4 оборота теплообменника). Далее уголь и формованный кокс попадают на решетчатую лопасть, где они разделяются. Уголь проходит через решетку лопасти и, попа­дая на поверхность теплообменника, продолжает перемещаться в сто­рону его наклона, а формованный кокс, перекатываясь по решетчатой лопасти в противоположном направлении, попадает на слой угольной загрузки на некотором расстоянии от своего первоначального поло­жения. Здесь он смешивается с новой порцией угля, и цикл повто­ряется.

Таким образом, кокс и уголь совершают одновременно параллельно-противоточное движение. Поэтому для перемещения формованного кокса вдоль теплообменника необходимо, чтобы скорость его посту­пательного движения по решетчатой лопасти была выше скорости по­ступательного движения угля.

Оптимальные условия термической подготовки различных углей устанавливаются путем изменения температуры их нагрева и соот­ветствуют снижению плотности насыпной массы до (4 – 4,5) х X 10^-3 кг/м³, уплотнению угля под давлением до (11 – 12) * 10³ кг/м³ и моменту начала вспучивания 7 – 12 с. Величина накладываемого давления составляет (19,6 – 49) * 10³ Па.