книги из ГПНТБ / Тютюнников Ю.Б. Получение кокса из слабоспекающихся углей

имеет уменьшение объема (усадка полукокса) за счет газовыделения при переходе полукокса в кокс. В ре­ зультате неравномерности усадки возникают напряже­ ния, которые приводят к образованию трещин.

Переход полукокса в кокс сопровождается реакция­ ми взаимодействия между ароматическими соединения­ ми в твердой фазе и соединениями, находящимися в па­ рообразном состоянии. В основе этого взаимодействия, происходящего между поверхностными слоями молекул частиц твердой фазы и соединениями (радикалами) па­ рогазовой фазы, лежат реакции деструкции и поликон­ денсации, приводящие к упрочнению -вещества кокса за счет роста числа химических связей. В условиях молеку­ лярных контактов это приводит к возникновению и росту пространственной сетки прочных химических связей по всему объему.

При коксовании малометаморфизированных углей об­ разующаяся пластическая масса состоит из веществ со сравнительно низким молекулярным весом, которые лег­ ко удаляются из коксуемой массы. В ней остается не­ большое количество термически устойчивой вязкой жидкой фазы, недостаточной по количеству для прочно­ го спекания угольных частиц. При дальнейшем нагреве такой массы контакты между отдельными частицами на­ рушаются, образуются поры — все это делает кокс рых­ лым и непрочным.

Как было отмечено выше, для получения кокса из малометаморфизированных слабоспекающихся углей их уплотняют. Это способствует более тесному контакту между отдельными частицами, что снижает газопрони­ цаемость угля. Повышение давления внутри загружен­ ного угля сопровождается накоплением жидкой фазы и повышением ее термической стойкости. Дальнейшее по­ вышение температуры при коксовании приводит к одно­

41

временному разложению жидких, газообразных и твер­ дых составных частей пластической массы и возникнове­ нию большого числа свободных валентностей, что спо­ собствует процессу конденсации, т. е. спеканию угля за счет возникновения прочных химических связей.

Хорошая газопроницаемость и незначительное внутрипластичное давление при коксовании слабоспекающихся углей являются основными причинами того, что из них обычным слоевым коксованием не удается полу­ чить достаточно прочный металлургический кокс. Это возможно при приложении к нагретому углю внешнего давления [44], при котором в определенный момент угольные частицы склеиваются в монолит.

Различие между внутрипластичным и прикладывае­ мым давлениями заключается в том, что первое разви­ вается как стихийный процесс и не поддается регулиро­ ванию, а величина и время действия прикладываемого давления легко регулируются.

При получении кокса из слабоспекающихся углей отдельные угольные частицы необходимо сблизить и про­ водить процесс деструкции вещества быстро, чтобы при сближении частиц на их поверхности образовывалось в единицу времени большое число химических связей, мо­ гущих «взаимно насытиться». Если деструкцию прово­ дить медленно, при недостаточном сближении частиц, то образующиеся в процессе связи будут замыкаться вну­ три каждой частицы, вызывая перестройку и упрочнение ее структуры.

Быстрая деструкция угольного вещества под опреде­ ленным давлением, обеспечивающим сближение частиц, способствует насыщению образующихся связей за счет соседних частиц, соединяя их в единый монолит. Чем глубже протекает процесс, тем короче становятся струк­ турные связи и тем прочнее соединяются отдельные час­

42

тицы в монолит, который все более уплотняется и сокра­ щается в объеме. Чем меньше спекаемость угля, обеспе­ чивающая самопроизвольное сближение частиц, тем большее внешнее давление надо прикладывать для по­ лучения прочного кокса. Спекание угля под давлением на практике встречает большие технические трудности, в результате чего прикладываемое давление может быть только очень кратковременным, поэтому надо правильно выбрать момент его приложения. Его нельзя приклады­ вать тогда, когда деструкция и последующая поликон­ денсация прошли слишком глубоко и потому осталась слишком малая способность вещества образовывать хи­ мические связи, способные к «взаимному насыщению». Также нельзя прикладывать давление и слишком рано, когда процесс только начинается, и в единицу времени образуется очень мало связей. Приложение давления в этот момент не обеспечит прочного соединения частиц и получения прочного монолита.

Кокс из малометаморфизированных неспекающихся и бурых углей необходимо получать под высоким давле­ нием, так как отсутствие при деструкции жидкой фазы затрудняет сближение отдельных угольных частиц. При коксовании брикетов из таких углей между кислородосо­ держащими функциональными группами возникают меж­ молекулярные водородные связи, стимулирующие взаи­ модействие свободных радикалов, которые образуются при термической обработке брикетов. Молодые угли, тер­ мически менее стойкие, отличаются высокой реакцион­ ной способностью; при их деструкции происходит глубо­ кая структурная перестройка вещества с образованием большого числа связей, способных к «взаимному насы­ щению».

Связующий компонент, иногда применяемый при брикетировании неспекающихся углей, в процессе кок­

43

сования способствует установлению контакта между частицами. При совместной термической деструкции связующего компонента и углей появляются свободные связи в поверхностных слоях молекул отдельных ча­ стиц. Взаимонасыщение свободных связей способствует образованию химических связей между соседними ча­ стицами. Необходимо отметить, что установление проч­ ных химических связей при этом методе получения кок­ са имеет ограниченные возможности. Прочность сцепле­ ния между отдельными частицами в этом случае опре­ деляется, главным образом, силами сцепления Ван-дер- Ваальса.

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЕ КОКСОВАНИЕ ГАЗОВЫХ УГЛЕЙ

Наиболее распространенным и экономически эффек­ тивным коксованием каменных углей является высоко­ температурное коксование, которое было применено для газовых слабоспекающихся углей Донецкого бас­ сейна С. Г. Ароновым [6]. Задачей этих исследований было получение высокореактивного кокса для неметал­

44

Уголь перед коксованием последовательно измель­ чался вначале в молотковой дробилке, затем в дезин­ теграторе. Содержание класса < 3 мм во всех вариан­ тах было более 90%.

Механическую прочность кокса (табл. 14) определя­ ли с помощью барабана Сундгрена и малого барабана. Результаты испытаний показали, что повышение тем­ пературы коксования приводит к увеличению механиче­ ской прочности кокса.

Таблица 14

Результаты испытаний кокса, полученного из газового угля

В послевоенные годы проводилось коксование газо­ вых углей различных шахт (7, 55], которое показало, что из донецких газовых углей с пластическим слоем 8—14 мм в обычных коксовых печах можно получать кокс с барабанной пробой от 160 до 277 кг.

С целью установления основных технологических условий для получения кокса из газовых углей, а так­ же получения больших товарных проб этого кокса для испытания как энергетического топлива в последние годы С. Г. Ароновым [8] были проведены обстоятель­ ные исследовательские работы. Влияние степени из­

мельчения угля на качество кокса было изучено при ящичном коксованииПрименялись следующие схемы измельчения газовых углей перед коксованием:

Кроме газовых углей, в аналогичных условиях кок­ совались 'коксовый уголь шахты № 1 «Ясиновка», треста «Советскуголь», и заводская шихта. Характеристика по­ лученного кокса приведена в табл. 15.

Дробимость кокса, полученного из газовых углей, несколько больше, чем обычного. Она связана обрат­ ной зависимостью с прочностью материала (или спекаемостью). Это объясняется тем, что структура кокса,

46

Т а б л и ц а 15

47

Спекаемость газового угля незначительно отли­ чается от спекаемости коксового-

Различные схемы измельчения газового угля незна­ чительно влияют на прочность кокса. В то же время механическая прочность кокса класса ]> 40 мм оказалась большей при измельчении газовых углей по обычной схеме до 100% классов < 3 мм. Применение различных схем измельчения донецких газовых углей при коксо­ вании не дало заметного увеличения механической прочности кокса. Поэтому можно сделать вывод, что при коксовании этих углей нет необходимости в при­ менении специальных методов измельчения. Для выяс­ нения влияния температуры в обогревательных про­

Харьковском коксохимическом заводе (ХКХЗ) было проведено батарейное коксование углей ЦОФ № 1/2 «Доброполье» и шахты № 3 «Ново-Гродовка», треста «Добропольеуголь». Основные условия коксования при­ ведены в табл. 16.

Таблица 16

Условия батарейного коксования донецких газовых углей

48

Готовность кокса перед выдачей его из печи опреде­ ляли, замеряя температуру в осевой плоскости коксо­ вого пирога через люки с машинной и коксовой сторон, причем термопары устанавливались так, что спаи их находились на уровне середины высоты коксового пи­ рога.

Характеристика кокса, полученного из газового уг­ ля, приведена в табл. 17.

Наиболее прочный кокс был получен при коксова­ нии угля ЦОФ № 1/2 «Доброполье» в 4-м варианте при скорости коксования 1,25 град/мин. Снижение скорости коксования до 1,08 град/мин в 1-м варианте сопровож­ далось уменьшением прочности кокса. Понижение ко­

«Доброполье» и шахты № 3 «Ново-Гродовка» имели пластический слой, равный 11 мм. Рядовой уголь этой шахты коксовался с зольностью 11,25%, а уголь ЦОФ № 1/2 «Доброполье» имел зольность 5,9%. Этим, ви­ димо, и объясняется то, что кокс, полученный в 5-м ва­ рианте, имел повышенную истираемость.

Характерным свойством кокса из газового угля яв­ ляется повышенное (по сравнению с обычным домен­ ным коксом) количество фракций > 25 мм в провале после испытания в большом и малом барабанах. Это связано с тем, что из газового угля получаются пре­ имущественно узкие и длинные столбчатые куски кокса, хорошо спеченные и проплавленные, но хрупкие, кото­ рые легко разбиваются на куски размером примерно 40—25 мм. Полученные С. Г. Ароновым данные по улучшению механической прочности кокса из газового угля при повышенной скорости коксования дают осно­ вание считать целесообразным применение для коксо­ вания этих углей печей шириной 350 мм.