4 Влияние различных факторов кокса на работу доменной печи

Качество кокса во многом влияет на ход доменных печей. Прочный пористый кокс разрыхляет мелкие шихты, улучшая и газопроницаемость. Слабый в механическом отношении кокс создает угрозу замусоривания горна коксовой пылью, ухудшает сход шихты в печи, снижая ее газопроницаемость. Химический состав и влажность кокса ежесменно проверяются заводскими лабораториями. Кокс состоит из органических и минеральных веществ, не участвующих в реакциях горения (золы). Главной частью кокса является его органическая масса, которая содержит 97-98 % углерода, 0,5-0,8 % водорода, 0,5-1,0 % серы, небольшие количества (около 1 %) кислорода и азота. Элементарный анализ органической массы кокса не дает полной информации о качестве кокса как топлива в доменном процессе. Главным показателем такого анализа является содержание углерода. Но для доменного процесса знания содержания углерода недостаточно, так как не учитывается, в какой форме находится углерод в коксе. Дело в том, что в органической массе кокса часть углерода находится в виде летучих веществ, выделяющихся в газ при температурах около 850˚С и фактически не участвующих в горении. Для доменного процесса важен углерод, находящийся в нелетучем виде, который дойдет с коксом до фурм в горне печи и сгорит. Кроме того, элементарный анализ не учитывает количества балласта в коксе (золы и влаги), которые резко влияют на фактическое количество углерода, поступающего в печь с коксом.[28-32]

Летучие вещества кокса представляют собой элементы и соединения органической массы, не успевшие удалиться при коксовании. Содержание летучих определяется, в первую очередь, режимом коксования. С увеличением температуры процесса и продолжительности коксования содержание летучих снижается. Обычно оно составляет 0,8-1,5 %. Повышение содержания летучих в коксе свидетельствует  о нарушении нормального температурно-временного режима коксования и об ухудшении качества кокса. Как уже отмечалось, летучие вещества выделяются из кокса в области умеренных температур доменной печи и не оказывают влияния на ее работу, за исключением водорода, который участвует в восстановительных  процессах. Состав летучих кокса одного из коксохимических заводов, %: 13,2 CO₂;  24,1 CO;  0,9 CH₄;  39,5 H₂;  22,3 N₂.[33-34]

Содержание серы является одной из важнейших характеристик качества кокса как топлива доменной плавки. Коксом вносится в доменную печь от 65 % (на заводах Урала и Востока) до 95 % (для заводов Юга СНГ) серы от ее общего количества, поступающего с шихтой. Поэтому несомненный интерес представляет вопрос об ее поведении в процессах подготовки углей и их коксования.[35, С.10-18.]

Фосфор в коксе содержится в незначительных количествах: 0,02 % в коксе из донецких углей, до 0,05 % в коксе из кузнецких и карагандинских углей. Наличие фосфора в коксе при таком его содержании практически не отражается на показателях доменной плавки. Оно может иметь значение лишь при выплавке особо чистых по фосфору чугунов, имея в виду, что в доменной печи фосфор полностью восстанавливается и переходит в чугун.

Содержание влаги в доменном коксе определяется условиями его тушения и составляет 3-5 % при мокром тушении и до 0,5 % – при сухом. Повышенная влажность кокса ухудшает результаты отсева мелких фракций при его грохочении, а пониженная приводит к запыленности коксосортировок и подбункерных помещений доменных цехов.[36, С. 8-11.; 37, С. 7-16]

Абсолютное значение влажности не оказывает влияния на работу доменной печи, так как влага испаряется в верхней ступени теплообмена за счет избытка тепла колошникового газа и дополнительного расхода кокса не требует. Тепловую работу доменной печи могут нарушать неконтролируемые колебания влажности кокса, так как случайные изменения его влажности будут вызывать изменения количества нелетучего углерода в одинаковых по весу порциях кокса, подаваемых в доменную печь. С целью устранения больших колебаний влажности кокса автоматизируют процесс его тушения, обеспечивая строго постоянное количество воды, подаваемой на единицу массы кокса, и продолжительность тушения. Большое значение имеет контроль влажности кокса в доменном цехе.[38]

Физико-химические свойства кокса оказывают значительное влияние на развитие процессов восстановления оксидов и горения углерода у фурм. Наиболее важным из физико-химических свойств кокса как доменного топлива являются теплота сгорания, горючесть и реакционная способность.

Физико-химические свойства кокса определяются кристаллической структурой углерода, плотностью, наличием примесей в решетке углерода и другими физическими параметрами. Различают существование в коксе углерода в двух структурных формах; графита и аморфного углерода. Приведенные ниже данные свидетельствуют о том, что форма существования углерода в коксе оказывает заметное влияние на тепловой эффект реакций его горения: 

для графита               C + O₂ = CO₂ + 396  МДж/моль; (6)

 

                                 C + 0,50₂ = СO + 109,5  МДж/моль; (7)

 

для  аморфного        C + O₂ = CO₂ + 410  МДж/моль; (8)

углерода C + 0,50₂ = CO + 125,3  МДж/моль. (9)

В коксах,  полученных из различных углей и в различных режимах коксования, соотношение между углеродом в форме графита и аморфного углерода (степень графитизации углерода) неодинаково. Во многих технических расчетах, не требующих особой точности, тепловые эффекты горения углерода кокса принимают как среднее арифметическое между тепловыми эффектами горения аморфного углерода и графита (степень графитизации принимается равной ~ 0,5) [39,С. 7-12; 40, С. 21-23]:

 

С_кокса + О₂ = СО₂+401 МДж/моль   или   33,4 МДж/кг С; (10)

 

C_кокса + 0,5 О₂ =  СО+117,8 МДж/моль   или  9,810 МДж/кг С. (11)