2 Производство специальных видов кокса

Ежегодная потребность в коксе недоменного назначения, т. е. для агломерации руд, производства ферросплавов, цветной металлургии, химической промышленности и других отраслей народного хозяйства составляет около 20 млн. т. Потребность в нем удовлетворялась глав­ным образом за счет ресурсов мелких классов кокса, образующихся при сортировке валового кокса на коксохимических заводах и допол­нительного грохочения металлургического кокса в доменных цехах. Однако мелкого класса кокса недостаточно для удовлетворения нужд указанных производств. Этот дефицит покрывается благодаря исполь­зованию крупных классов металлургического кокса, что невыгодно для народного хозяйства, так как при этом используются дефицитные и дорогостоящие коксующиеся угли.

Вместе с тем для недоменных производств не требуется столь вы­сококачественный и в то же время дорогой кокс. Кроме того, разные по характеру производства выдвигают иные, чем доменное производ­ство, требования к его качеству, в частности, по крупности, реакцион­ной способности, электросопротивлению и пр.

Поэтому выдвинута задача по оптимизации структуры производства и потребления кокса и углеродистых восстановителей. За последние годы ВУХИНом, Гипрококсом, МХТИ им. Д. И.Менделеева и другими организациями проведены широкомасштабные исследования по разным направлениям решения этой задачи.

2.1 Требования к качеству кокса для недоменных

целей

Недоменные крупномасштабные производства отличаются различными требованиями к топливу или углеродистым восстановителям, что связано со спецификой их технологии.

Одним из крупномасштабных производств является агломерация руд угля доменного процесса. Агломерат получают путем спекания при высоких температурах шихты, состоящей из тонкодисперсной железной руды или ее концентрата, отсеянного мелкого агломерата (возврата), топлива и флюса-известняка. Иногда в шихту добавляют колошниковую пыль, пиритные огарки, марганцевую руду, доломитизированный известняк для получения магнезиального шлака. Под­готовленную шихту загружают в спекательную чашу. Для предохра­нения от действия высоких температур на колосниковую решетку пред­варительно укладывают слой в 0,2—0,3 м крупных частичек возврата. Для подачи воздуха в слой шихты под колосниковой решеткой создает­ся разрежение. Топливо в верхнем слое шихты поджигается горелкой и оно сгорает тонким горизонтальным слоем за счет кислорода засасы­ваемого воздуха. В процессе агломерации в слое шихты выделяют сле­дующие зоны (сверху вниз): охлаждения агломерата и подогрева воз­духа, спекания шихты, подогрева и сушки шихты, конденсации паров воды. Температура в зоне спекания достигает 1300 – 1600 °С. Часть руды и флюсов в этой зоне расплавляется, образуя жидкую фазу, ко­торая обволакивает твердые частицы, запекает их и превращает мелкие частички шихты в кусковой материал – агломерат.

В промышленных условиях процесс агломерации происходит в агломерационных машинах. Подготовленную шихту при помощи бараба­на-питателя загружают на непрерывно движущиеся по рельсам спекательные тележки, образующие замкнутую желобоподобную ленту агломерационной машины.

Шихта зажигается в зоне зажигательного горна. Воздух засасы­вается дымососом. Готовый агломерат разгружается в концевой части агломерационной ленты. К наиболее важным физико-химическим про­цессам при агломерации относятся окисление и горение углерода топлива: разложение карбонатов металлов, термическая диссоциация оксида железа (III), восстановление оксидов железа (III), горение сульфидов.

Требования к качеству агломерационного топлива должны быть такими, чтобы обеспечить высокую производительность агломерационпых машин (Р, т/сут), которая при прочих неизменных параметрах процесса и их конструктивных характеристиках зависит от свойств топлива, обусловливающих определенную величину вертикальной скорости спекания (С, м/мин):

Р = 14,4 * F * γ * С * К

где Р – площадь ленты, м²;

γ – плотность насыпной массы ших­ты, т/м³;

К – выход годного агломерата от шихты, %.

При горении топлива в агломерационном процессе зоны пламени и теплоты должны перемещаться с одинаковой скоростью, без расши­рения зоны горения. Это требование соблюдается, если свойства топ­лива в процессе нагревания в определенном диапазоне температур не изменяются. К таким материалам относятся высокоуглеродистые ма­териалы – кокс и антрацит.

Свойства топлива, используемого для агломерации руд, должны удовлетворять некоторым специфическим требованиям. Крупность ча­стичек топлива, учитывая его небольшой расход (3 – 10 %), должна обеспечить равномерное его распределение в аглошихте и достаточную скорость горения. Опытным путем во время работы агломерационных цехов установлено, что топливо должно измельчаться до крупности менее 3 мм.

Минеральные примеси топлива полностью переходят в агломерат. Но, учитывая небольшой удельный расход топлива, зольность его может быть и несколько выше, чем доменного кокса. Однако при этом следует учитывать, что в шихте для агломерации должно содержаться столько углерода, сколько его нужно для прочного спекания ее массы (примерно 5 %). Расход топлива на агломерационных фабриках ко­леблется в пределах 75 – 90 кг на 1 т агломерата, причем этот показа­тель тем больше, чем выше его зольность. Поэтому целесообразно ог­раничить верхний предел зольности топлива для агломерации до 16 %.

В отношении сернистости топлива для агломерации с технологичес­кой точки зрения устанавливать какие-либо ограничения нет смысла, так как горючие формы серы (пиритная, органическая и др.) из топлива и руды полностью выгорают. Остается лишь часть сульфата серы, ко­торая ухудшает доменный процесс. Для ее удаления требуется более высокий расход топлива.

Высокая реакционная способность топлива обусловливает значи­тельную вертикальную скорость спекания, следовательно, и повыше­ние производительности агломерационных машин. Как показали ис­следования, проведенные Г. Н. Макаровым с сотрудниками, такой реакционной способностью обладает кокс, полученный в кольцевой печи из углей технологических групп Г6 и 2СС Кузбасса. По сравне­нию с применением коксовой мелочи, отсеянной из валового слоевого кокса, производительность агломерационной фабрики увеличивается на 30 – 40 %. В связи с этим целесообразно получать для агломерации руд специальный кокс с реакционной способностью до 2,5 – 3 мл/(г * с). Это достигается высокой его пористостью и меньшей плотностью. Такое свойство полезно и потому, что при одинаковой по массе добавке в шихту кокса (в случае его меньшей плотности) он более равномерно распределяется в проплавляемой массе. Крупным потребителем каменноугольного кокса является ферро­сплавная промышленность. В основе ее лежат электротермические процессы.

Ферросплавы – это сплавы железа с легирующими элементами для получения специальных высококачественных сталей. В настоящее время в качестве легирующих используется более двадцати пяти эле­ментов, а сортамент различных ферросплавов превышает семьдесят пять наименований. Основным показателем качества ферросплавов яв­ляется содержание ключевого легирующего элемента. В общем объеме производства ферросплавов в нашей стране на долю марганцевых сплавов приходится 50 %, кремнистых 30, хромистых 14 и дру­гих – 6%.

Для производства ферросплавов применяются руды соответствую­щих легирующих элементов, железосодержащие материалы и восста­новители. Материалы плавятся в электрических печах. Важным показателем плавки является электросопротивление шихтовых материа­лов. Оно во многом определяется свойствами восстановителя. Требо­вания к физико-механическим свойствам кусковых углеродистых вос­становителей сводится к основным трем показателям: механическая прочность, термическая стойкость, крупность. Механическая проч­ность углеродистого восстановителя как при низких, так и при вы­соких температурах должна обеспечивать минимальное образование пыли и частичек крупностью менее 5 мм. Это позволяет поддерживать равномерное распределение газов по сечению печи и нормальный ход плавки. Предложено определять механическую стойкость кусков уг­леродистого восстановителя показателем прочности пористого тела по методу ВУХИНа. Она должна быть не ниже 45 %.

Крупность углеродистого восстановителя при производстве ферросплавов обусловливается двумя процессами. При снижении крупности его частичек повышается электросопротивление слоя материала, а за счет развитой внешней поверхности повышается скорость взаимодей­ствия с рудами. В то же время при этом снижается газопроницаемость загрузки, высота которой в современных электротермических печах составляет около 2,5 м. Поэтому в качестве восстановителя исполь­зуют коксовый орешек крупностью 1 – 2,5 мм.

Из физико-химических свойств восстановителей важными являются электросопротивление и реакционная способность. Высокое электросопротивление шихты, которое в основном зависит от этого показателя для кокса, влияет на положение электродов, и удельную полезную мощность, что необходимо для протекания физико-химических и хи­мических процессов восстановления. Поэтому кокс с повышенным элект­росопротивлением способствует росту производительности печей и снижению его удельного расхода.

Повышенная реакционная способность восстановителей улучшает условия протекания процесса восстановления и снижает удельный расход электроэнергии на единицу продукта. Величина реакционной способности зависит от стадии химической зрелости углей и условий их коксования. Наибольшей реакционной способностью обладает кокс, получаемый из углей низких стадий зрелости. Симбатно реакционной способности возрастает и электросопротивление кокса. Поэтому припроизводстве кокса для электротермических процессов целесообразно использовать угли низких стадий химической зрелости.

Из технологических факторов на реакционную способность влияет конечная температура получения углеродистого восстановителя. Более высокой реакционной способностью обладают коксовые остатки на­грева углей до температур, не превышающих 700 °С. Реакционная способность и электросопротивление углеродистых восстановителей взаимосвязаны. Высокоуглеродистые реакционно-способные материалы обладают более высоким электросопротивлением. Углеродистые вос­становители для электротермических производств должны иметь удель­ное электросопротивление не ниже 2,5 * 10^-3 Ом * м²/м и реакционную способность по отношению к СО₂ более 1 мл/(г * с).

В отношении их зольности можно отметить следующее. При низком содержании минеральных примесей в восстановителе снижается рас­ход электроэнергии и увеличивается производительность печи. В то же время отдельные минеральные примеси являются полезными ком­понентами шихты. Например, при получении ферросилиция полезными являются оксиды кремния и алюминия. А при электротермическом производстве желтого фосфора оксиды кр~емния и алюминия увеличи­вают скорость процесса и понижают температуру его образования. Поэтому в этом процессе можно использовать высокозольный кокс. Для других электротермических производств зольность кокса должна быть не более 15 % .

2.2 Основные технические решения производства

специальных видов кокса и углеродистых

восстановителей

Государственным комитетом СССР по науке и технике принято в качестве типового агрегата для производства специальных видов уг­леродистых восстановителей кольцевую печь конструкции МХТИ им. Д. И. Менделеева, так как она обеспечивает непрерывность процес­са с полной автоматизацией и механизацией. Кроме того, широкий диапазон технологичности печи позволяет осуществлять как процесс коксования слабоспекающихся углей, так и термическую обработку кусковых углеродистых природных материалов и искусственных изде­лий разного назначения – тощих углей, антрацитов, угольных фор­мовок и др.

Поперечный разрез непрерывнодействующей кольцевой печи пред­ставлен на рис. 1.22.

Главным ее элементом является движущийся под в отопительном кольцевом канале. Кольцевая печь работает сле­дующим образом: уголь или другие материалы непрерывно подаются в загрузочный бункер, а из него на движущийся под кольцевой печи. Коксование в кольцевой печи протекает непрерывно и заканчивается за один оборот подины. Готовый кокс сбрасывается в бункер, охлаж­дается и подается на сортировку.

Процесс коксования осуществляется в тонком от 50 до 200 мм слое за счет внешней теплоты, которая подводится от нагретого перекрытия, отделяющего отопительный канал от камеры коксования или за счет теплоты сжигания летучих продуктов коксования. Для этого в подсво-довое пространство печи подается воздух. Выбор схемы обогрева печи определяется ее назначением – будет ли в ней производится кок­сование углей с большим химическим потенциалом либо в ней будет производится термическая об­работка углеродистых мате­риалов и формованных изде­лий.

Кольцевые печи могут применяться для термической переработки любых видов ТРИ или углеродистых материалов независимо от их гранулометрического состава и свойств. Особенностью кольцевых пе­чей является гибкость их технологического режима, изменения кото­рого возможны в широком диапазоне температур, полная автомати­зация и механизация всех операций и незначительные выбросы вред­ных веществ в окружающую среду.

Выполнены проекты строительства кольцевых печей для произ­водства топлива и восстановителей на ферросплавных заводах на Кри­ворожском коксохимическом заводе (КХЗ). При проектной производи­тельности кольцевой печи около 400 тыс. т в год кокса ее средний диаметр составляет 40 м, а рабочая ширина пода – 6 м.

В качестве сырья для установки на Алтайском КХЗ будут исполь­зоваться угли марки СС, добываемые из разреза им. 50-летия Октября Кузнецкого бассейна. Расчеты показывают, что удельные капитальные затраты составят 15,54 руб/год, а заводская себестоимость продук­ции – 14,78 руб/т. По сравнению с производством обычного мелкого кокса экономический эффект составит 2,5 млн. руб. в год.

На Криворожском КХЗ в качестве сырья намечено использовать смесь донецких углей марок Г и Т. Заводская себестоимость ферро­сплавного и агломерационного кокса из этих углей составит 27,81 руб/т, а экономический эффект – более 1 млн. руб. в год. Коксобрикеты бу­дут получать из шихты, содержащей 88 % донецкого антрацита, 6 куз­нецкого жирного угля и 6 % нефтяного крекинг-остатка. Производи­тельность установки 250 тыс. т литейных коксобрикетов в год, удель­ные капитальные затраты 31,26 руб/т, себестоимость 39,91 руб/т. Экономический эффект от внедрения этого метода в промышленность более 1,7 млн. руб. в год.

В Советском Союзе на основании зарубежного опыта разрабаты­вается технолэгия производства недоменного кокса на цепных колос­никовых решетках (ЦКР). Этот способ относится к переработке твер­дых горючих ископаемых, именуемой окислительным пиролизом.

Коксование на ЦКР впервые разработано в Канаде и получило название «стокерного», или «аутогенного». Способ внедрен на заводе фирмы Schawinigan Chemicals (рис. 1.23) и на заводе в г. Шавининган Фолз. Коксованию подвергают грохоченный уголь узкого класса крупности. Колосниковая решетка имеет площадь 16,5 м2 (3 * 5,5 м).

Скорость движения колосниковой решет­ки изменяется от 12 до 36 м/ч. Теплота, не­обходимая для коксо­вания, образуется в результате сгорания летучих продуктов термической деструкции угля. Воздух в камеру коксования подается через двенадцать дутьевых ка­мер, расположенных под решеткой. Газообразные продукты подаются в расположенную рядом обжиговую печь для обжига извести. Готовый кокс с решетки ссыпается в тушильный желоб, на дне которого находится шнек с охлаждаемым водой валом.

Производительность установки по коксу из газовых углей состав­ляет 40 – 45 т/сутки. Нагрузка по углю составляет 200 кг/ч на 1 м² решетки. Получаемый на этой установке кокс применяется для выплав­ки карбида кальция. Его также можно использовать для агломерации руд, производства ферросплавов, фосфора и в других химических процессах.

Установка для производства углеродистых материалов из углей в СССР показана на рис. 1.24.

Сущность процесса заключается в на­гревании угольной загрузки или изделий из углей на движущемся конвейере за счет теплоты сгорания летучих продуктов. Подача исходного угля и разгрузка готового продукта осуществляются непре­рывно. Воздух в необходимом количестве для сжигания летучих про­дуктов подается через слой угля снизу. Этот процесс аналогичен сжиганию кускового топлива в механизированных топках с цепной ре­шеткой. При коксовании угля воздух подается в количестве, поддер­живающем горение только летучих продуктов.

На ЦКР можно коксовать длиннопламенные, газовые и слабоспекающиеся угли открытой добычи, а также высокозольные угли Карагандинского бассейна крупностью 10 – 75 мм.

Удельная производительность установок ЦКР составляет по углю 200 кг/ч с 1 м² обогреваемой поверхности, что в 20 раз превышает по­казатель для современных камерных печей и более чем в 5 раз – для кольцевых печей с вращающимся подом. В отечественной промыш­ленности накоплен опыт эксплуатации топок с цепными решетками площадью 35 м². Производительность одного агрегата составляет 14 т/ч угля. Десять таких агрегатов могут произвести 0,5 млн. т кокса в год, что покроет потребность крупного ферросплавного завода. На ЦКР может быть получено и агломерационное топливо. В этом случае крупность угля должна составлять 6 – 10 мм.